Lorsqu’on irradie un isolant avec un faisceau d’ions, les ions déposent de la charge électrique à la surface de l’isolant. Les charges déposées génèrent alors un champ électrique qui interagit avec les ions du faisceau. Si la charge accumulée est suffisante, le faisceau est dévié par le champ électrique.  C’est ce mécanisme qui est à l’origine du guidage d’un faisceau d’ion par des capillaires (tubes) isolants.

Le guidage s’installe dans le temps de manière auto-consistante. Si l’angle entre l’axe du faisceau et l’axe du capillaire est supérieur à l’angle d’ouverture géométrique du capillaire, les ions sont tous interceptés par la surface intérieure du capillaire, générant alors un patch de charge qui dévie les ions suivants. Ainsi de nouveaux patchs apparaissent à fur et à mesure, déviant à leur tour les ions du faisceau. Après un certain temps, les trajectoires des ions à travers le capillaire sont stabilisées et une large fraction du faisceau injecté est transmise. Les ions transmis ont la même vitesse et le même état de charge que les ions injectés, ce qui indique que les ions ont traversé le capillaire sans toucher la surface. 

Figure 1 : Guidage d’un faisceau d’ions parallèle par le champ électrique dans 5 capillaires droits successifs. 

Nous avons écrit un code numérique, permettant de simuler le transport d’un faisceau à travers un capillaire. Une partie du code modélise la dynamique de charge dans l’isolant, et une autre partie calcule les trajectoires des ions. Les deux parties sont couplées par le champ électrique généré par les charges accumulées dans l’isolant. Actuellement, nous étudions plus particulièrement deux applications potentielles :

• La capacité d’une série de tubes isolants, arrangés de sorte à former un arc de 90° (Figure 1), à faire tourner un faisceau. Dans cette configuration, les capillaires sont chargés successivement au fur et à mesure que le faisceau progresse. Chaque capillaire va imposer au faisceau une déflection de quelques degrés. En accumulant les déflections, les ions vont tourner de 90° sans perte d’énergie.

• La capacité d’un capillaire isolant conique à focaliser un faisceau d’ions. Dans ce cas, l’axe du faisceau et l’axe du capillaire sont confondus et la charge accumulée dans le capillaire est à symétrie axiale. Initialement, une grande partie du faisceau est interceptée par le capillaire et le potentiel électrique monte rapidement à l’intérieur du capillaire. Au fur et à mesure que le potentiel monte, le point focal du faisceau s’approche de la sortie du capillaire et la fraction du faisceau transmis augmente. Une fois que le point focal est situé à la sortie, la transmission est maximale et le potentiel cesse d’augmenter. On a alors une lentille électrostatique par chargement auto-consistant (Figure 2).

Figure 2 : Focalisation d’un faisceau parallèle par le champ électrique généré par les charges déposées dans le capillaire conique.