EP0914560B1 - PROPULSEUR A PLASMA avec DISPOSITIF DE CONCENTRATION DE FAISCEAU D'IONS - Google Patents
PROPULSEUR A PLASMA avec DISPOSITIF DE CONCENTRATION DE FAISCEAU D'IONS Download PDFInfo
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Definitions
- the frustoconical pole piece 63 cooperates with the circuit peripheral magnetic device 60 and the pole pieces 3, 4 situated both sides of channel 1 to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel 1.
- the density of ions is increased in the vicinity of the axis and is greatly diminished in the eccentric zone.
- the ion beam is better collimated, which optimizes its use in industrial applications and in any case reduces the risk of contamination.
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Abstract
Le dispositif de concentration de faisceau d'ions pour propulser à plasma à dérivée fermée d'électrons comprend: a) une pièce polaire magnétique évasée (63) essentiellement tronconique ouverte à ses deux extrémités et prévue pour être située en aval du plan de sortie d'un propulseur à plasma comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération (1) et des pièces polaires périphériques (3) et centrale (4) disposées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie perpendiculaire à l'axe du canal annulaire (1) et b) un circuit magnétique périphérique additionnel (60) reliant l'extrémité aval de la pièce polaire magnétique évasée (63) à la pièce polaire périphérique (3), la pièce polaire magnétique évasée (63) coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel (60) et les pièces polaires périphériques (3) et centrale (4) pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire (1) de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire (1) à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire magnétique évasée (63).
Description
La présente invention concerne les moteurs électro-ioniques à
plasma appliqués notamment à la propulsion spatiale, mais également à des
procédés industriels au sol, et plus particulièrement les propulseurs à plasma
du type à dérive fermée d'électrons encore appelés propulseurs à plasma
stationnaire (SPT), propulseurs de Hall ou propulseurs à couche anodique
(ALT).
On connaít déjà notamment par un article de L. A.
ARTSIMOVICH et aL ("Development of a steady plasma engine (SPE) and
its use on a 'Meteor' artificial satellite"; Kosmicheske Issledovaniya (URSS),
Vol. 12(3) mai-juin 1974, pages 451-468) concernant le programme de
développement du propulseur à plasma stationnaire (SPT) et ses essais sur le
satellite "METEOR", des propulseurs du type à dérive fermée d'électrons ou
propulseurs à plasma stationnaire qui se distinguent des autres catégories de
propulseurs ioniques par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas
différenciées et que la zone d'accélération comporte un nombre d'ions et
d'électrons égal, ce qui permet d'éliminer tout phénomène de charge d'espace.
On décrira ci-après, en référence à la figure 6, un propulseur à
dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans l'article précité de
L.A. ARTSIMOVICH et al.
Un canal annulaire 1 défini par une pièce 2 en matériau isolant
est placé dans un électro-aimant comprenant des pièces polaires annulaires
externe 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la
pièce 2 en matériau isolant, une culasse magnétique 12 disposée à l'amont du
moteur et des bobines d'électro-aimant 11 qui s'étendent sur toute la longueur
du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la
pièce polaire externe 3 à la culasse 12. Une cathode creuse 7, connectée à la
masse, est couplée à un dispositif 17 d'alimentation en xénon pour former un
nuage de plasma devant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée
au pôle positif d'une source d'alimentation électrique par exemple de 300
volts est disposée dans la partie amont fermée du canal annulaire 1. Un tube
d'injection de xénon 6, coopérant avec un isolateur thermique et électrique 8
débouche dans un canal de distribution annulaire 9 disposé immédiatement au
voisinage de l'anode annulaire 5.
Les électrons d'ionisation et de neutralisation proviennent de la
cathode creuse 7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire
isolant 1 par le champ électrique régnant entre l'anode 5 et le nuage de plasma
issu de la cathode 7.
Sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B
créé par les bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de
dérive en azimut nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal.
Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires
fermées à l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du propulseur.
Le mouvement de dérive des électrons augmente
considérablement la probabilité de collision des électrons avec les atomes
neutres, phénomène produisant les ions (ici de xénon).
Le champ magnétique est défini par la forme des pièces 3, 4. Les
lignes 13 du champ magnétique sont essentiellement radiales dans le plan de
sortie 14 du propulseur.
Les propulseurs à dérive fermée d'électrons mettent ainsi en jeu
des accélérations d'ions dans un plasma. Les ions ne sont pas mono-énergétiques.
En première approximation, le faisceau d'ions présente deux
composantes :
- une composante assez étroite, de haute énergie, qui provient de la région d'ionisation en amont du canal d'accélération 1, et
- une composante fortement divergente, de faible énergie, qui apparaít à partir de la sortie du canal d'accélération 1 et se développe dans le volume situé immédiatement en aval du plan de sortie 14 du propulseur.
Les figures 8a et 8b montrent la distribution du courant d'ions du
faisceau ionique en fonction de l'énergie pour propulseur ionique fonctionnant
à une tension de décharge Vca de 300 V.
La figure 8a comporte six courbes correspondant à des angles
respectivement de 0°, 7°30', 15°, 22°30', 30° et 37°30' par rapport à l'axe du
propulseur. On peut constater que le courant ionique présente un pic
correspondant à 270 eV, dont l'amplitude décroít fortement quand la valeur de
l'angle par rapport à l'axe du propulseur augmente. Ce pic principal est dû aux
ions primaires. Des ions secondaires produits au niveau du plan de sortie du
propulseur forment par ailleurs un pic secondaire correspondant à une énergie
de 20 à 30 eV. L'amplitude du pic secondaire est pratiquement indépendante de
la valeur de l'angle de divergence par rapport à l'axe du propulseur.
La figure 8b montre avec une échelle agrandie, cinq courbes
correspondant à des angles respectivement de 37°30', 45°, 52°30', 60° et
67°30'. On peut observer que la densité des ions à haute énergie décroít très
fortement pour les valeurs élevées de l'angle de divergence par rapport à l'axe
de l'appareil. Toutefois, il subsiste encore pour un angle de divergence 67°30'
un pourcentage non négligeable d'ions ayant une énergie supérieure à 100 eV.
Ces ions sont capables de causer un dommage par leur projection.
La figure 9 montre la distribution angulaire des ions de faible
énergie et de haute énergie et donne une représentation d'ensemble du profil du
faisceau. La courbe en traits pleins 31 donne la valeur du courant d'ions
mesuré dans un collecteur à 30 V en fonction de l'angle de divergence par
rapport à l'axe du propulseur et la courbe en traits discontinus 32 donne la
valeur du courant d'ions mesuré dans un collecteur à 50 V également en
fonction de l'angle de divergence par rapport à l'axe du propulseur.
On voit sur la figure 9 que le pic de densité 33, 34 centré à 0° est
la contribution des ions de haute énergie provenant du front d'ionisation situé à
l'intérieur du canal d'accélération tandis que la distribution étalée de faible
densité correspond aux ions de faible énergie.
La figure 7 montre une partie de propulseur à dérive fermée
d'électrons classique du genre de celui décrit en référence à la figure 6. On voit
sur cette figure 7 des flèches 52 donnant l'orientation des vecteurs de vitesse
des ions, ainsi qu'une courbe en pointillés 51 représentant la distribution de
densité des ions, juste à la sortie du canal d'accélération 1. Les lignes de
champ magnétique 113 à la sortie du canal d'accélération 1 créées par les
pièces polaires 3, 4 et les bobines 11, 15 sont également représentées en
superposition à la représentation de la distribution des ions. On voit que les
trajectoires des ions sont perpendiculaires aux lignes de champ magnétique. Il
s'ensuit que les trajectoires 54, 56 des ions en des points 53, 55 situés à la
périphérie du canal d'accélération 1 en aval du plan de sortie 14 sont
pratiquement perpendiculaires à l'axe Z du propulseur.
La trajectoire des ions de la composante de faible énergie et
fortement divergente du faisceau d'ions, qui est gouvernée par les lignes de
champ magnétique correspondant à des équipotentielles, peut avoir un effet
très dommageable sur la surface de l'engin spatial sur lequel est monté le
propulseur.
Dans le cas d'applications industrielles, notamment dans des
installations de pulvérisation par faisceau ionique, le fait de ne pas disposer
d'un faisceau aux frontières bien délimitées cause aussi des problèmes, car le
faisceau s'étale au-delà de la cible et frappe les parois de l'enceinte du
dispositif, introduisant ainsi une contamination du revêtement.
L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et à
permettre la production d'un faisceau ionique de sortie du propulseur
présentant un contour bien défini et une densité d'ions dont la répartition est
optimisée pour éviter des agressions dues aux ions de faible énergie situés à la
périphérie du faisceau.
Ces buts sont atteints grâce à un propulseur à plasma à dérive
fermée d'électrons, comprenant :
- un canal annulaire d'ionisation et d'accélération défini par des pièces en matériau isolant et présentant une ouverture à son extrémité aval,
- au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur dudit canal annulaire et en aval de celui-ci,
- une anode annulaire concentrique au canal annulaire et disposée en amont de l'ouverture dudit canal à distance de celle-ci,
- des premier et deuxième moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse et à l'anode annulaire,
- un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire, ce circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts de création d'un champ magnétique, une culasse, un circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire et des pièces polaires périphérique et centrale reliées entre elles par ledit circuit magnétique périphérique et ladite culasse et disposées de part et d'autre du canal annulaire pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie perpendiculaire à l'axe dudit canal annulaire,
- une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique ouverte à ses deux extrémités, coaxiale avec l'axe du canal annulaire, située en aval dudit plan de sortie et s'évasant vers l'aval; et
- au moins un circuit magnétique périphérique additionnel reliant l'extrémité aval de ladite pièce polaire magnétique évasée à la pièce polaire périphérique située à l'extérieur du canal auxiliaire, la pièce polaire magnétique évasée coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel et les pièces polaires situées de part et d'autre du canal annulaire pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire évasée.
Ainsi, selon l'invention, le faisceau ionique en sortie du canal annulaire
d'accélération est contraint de rester à l'intérieur d'un cône dont le demi-angle
au sommet est défini par le demi-angle au sommet de la pièce polaire évasée,
sans toutefois que le demi-angle au sommet du faisceau ionique conique soit
nécessairement rigoureusement égal à celui de la pièce polaire évasée.
La pièce polaire évasée située en aval du plan de sortie habituel du canal
d'accélération a essentiellement pour rôle de conformer le champ magnétique
en aval du plan de sortie et par là-même de modifier les équipotentielles à
l'extérieur du propulseur et la trajectoire des ions, de manière à rendre le trajet
des ions plus directif et éviter tout risque d'endommagement des parois
extérieures situées au voisinage du faisceau ionique.
On notera que la pièce polaire évasée est elle-même protégée contre des
agressions par les ions puisque les trajectoires des ions périphériques sont
essentiellement tangentes à cette pièce polaire évasée.
Le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du canal annulaire (1) du
propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée essentiellement
tronconique est compris entre 30° et 60°.
Avantageusement, le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du
canal annulaire (1) du propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée
essentiellement tronconique est de 45°.
Selon un mode particulier de réalisation, la pièce polaire évasée présente
une courbe telle que l'angle formé par ladite pièce et l'axe du propulseur
augmente lorsque l'on s'éloigne du plan de sortie vers l'aval, de manière à
permettre un épanouissement progressif des lignes de champ magnétique.
Selon une caractéristique avantageuse, la pièce polaire évasée est
recouverte d'un revêtement destiné à accroítre l'émissivité de la surface de
ladite pièce, à réaliser une isolation électrique ou à constituer une protection
contre une contamination entre le canal annulaire et la pièce polaire évasée.
Le revêtement peut être réalisé en un matériau identique à celui
des pièces délimitant le canal annulaire et peut être constitué par l'un au moins
des matériaux suivants : aluminium, nitrure de bore, silice, nitrure
d'aluminium, nitrure de silicium, Al2O3-TiO2 et TiN.
Selon un mode de réalisation possible, le circuit magnétique
périphérique additionnel est constitué par un anneau ferromagnétique unique.
De façon plus particulière, la cathode creuse est incorporée dans
un trou formé dans la pièce polaire évasée et est munie d'un écran
ferromagnétique de protection face au champ magnétique local.
Le circuit magnétique périphérique additionnel peut encore
comprendre des barreaux ferromagnétiques.
Dans ce cas, selon une réalisation particulièrement avantageuse,
lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués en fer doux et sont entourés
de bobines dont le sens d'enroulement est tel que le flux magnétique créé dans
le circuit magnétique périphérique additionnel est dirigé dans un sens opposé à
celui du flux magnétique créé dans ledit circuit magnétique périphérique
disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront
de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre
d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation de faisceau selon un premier mode particulier de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale de l'ensemble d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation du faisceau selon un deuxième mode particulier de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une vue axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation de faisceau selon l'invention dans lequel est incorporée la cathode creuse,
- la figure 4 est une vue en coupe axiale montrant une variante de réalisation d'un dispositif de conformation de faisceau selon l'invention appliqué à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons,
- la figure 5 montre des histogrammes comparatifs de profil du faisceau ionique pour un propulseur à plasma standard et pour deux modes de réalisation différents de propulseurs équipés de dispositifs de conformation de faisceau selon l'invention,
- la figure 6 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur,
- la figure 7 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur, montrant la distribution de densité des ions superposée aux lignes de champ magnétique à l'extérieur du canal d'accélération,
- les figures 8a et 8b montrent des courbes donnant la distribution du courant ionique en fonction de l'énergie selon différentes orientations par rapport à l'axe du propulseur pour un propulseur à plasma de l'art antérieur, et
- la figure 9 montre le profil de l'ensemble d'un faisceau d'ions à la sortie d'un propulseur à plasma de l'art antérieur pour deux collecteurs ayant des tensions différentes.
La figure 1 est une vue similaire à celle de la figure 7 et montre
un exemple de mise en oeuvre de moyens de conformation d'un faisceau
ionique qui, conformément à l'invention, sont disposés en aval du plan de
sortie 14 d'un moteur à plasma à dérive fermée d'électrons.
On voit sur la figure 1 la partie aval du canal d'accélération
annulaire 1 délimité par des pièces 2 en matériau isolant représentées en
pointillés, et la partie aval du circuit magnétique principal de création d'un
champ magnétique dans le canal 1. Le circuit magnétique principal comprend
une pièce polaire centrale 4 et une pièce polaire annulaire périphérique 3
situées au voisinage du plan de sortie 14 ainsi qu'un circuit magnétique
périphérique 10, des bobines d'électro-aimant périphériques 11 et des bobines
d'électro-aimant coopérant avec la pièce polaire centrale 4, ainsi qu'une culasse
analogue à la culasse 12 de la figure 6 mais non représentée sur la figure 1.
Les éléments 1 à 4, 10, 11, 15 de la figure 1 peuvent être réalisés d'une
manière similaire aux éléments correspondants de la figure 7 qui correspond à
une réalisation de l'art antérieur.
De même, le propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons de
la figure 1 peut comprendre de façon classique, selon une réalisation pouvant
être par exemple, du genre de celle représentée sur la figure 6, sans être
nécessairement identique, une anode annulaire 5 concentrique au canal
annulaire 1 et disposée à une certaine distance en amont de l'ouverture du
canal 1, et des moyens 6 d'alimentation en gaz ionisable, tel que du xénon,
associés à l'anode annulaire 5. Le propulseur à plasma selon l'invention
comprend en outre une cathode creuse 7, non représentée sur la figure 1, mais
visible sur la figure 2, qui est disposée à l'extérieur du canal 1 en aval de celui-ci
et est associée à des moyens 17 d'alimentation en gaz ionisable tel que du
xénon.
Le circuit magnétique principal produit un champ magnétique
dont les lignes de champ 13 sont essentiellement radiales dans le plan de sortie
14 perpendiculaire à l'axe du propulseur. Il est important de noter que les
modifications apportées à un propulseur à plasma selon l'invention ne
modifient pas la forme des lignes de champ 13 à l'intérieur du canal annulaire
1, lesquelles lignes de champ 13 à l'intérieur du canal 1 sont identiques dans le
cas du propulseur connu de la figure 7 et dans celui du propulseur selon
l'invention représenté sur la figure 1. En revanche, les lignes de champ
magnétique 113a en aval du plan de sortie 14 sont fortement modifiées dans le
cas de la réalisation de la figure 1, par rapport aux lignes de champ 113 de la
figure 7.
Le propulseur à plasma de la figure 1 est en effet équipé d'un
circuit magnétique périphérique additionnel 60 reliant à la pièce polaire
périphérique 3 située à l'extérieur du canal annulaire 1 une pièce polaire
magnétique évasée essentiellement tronconique 63 qui est ouverte à ses deux
extrémités, est coaxiale à l'axe du canal annulaire 1 en étant située en aval du
plan de sortie 14, et s'évase vers l'aval.
La pièce polaire tronconique 63 coopère avec le circuit
magnétique périphérique additionnel 60 et les pièces polaires 3, 4 situées de
part et d'autre du canal 1 pour définir la forme du champ magnétique en aval
du canal annulaire 1.
De façon plus particulière, la pièce polaire 63 essentiellement
tronconique peut présenter un demi-angle au sommet α compris entre 30° et
60° et par exemple de l'ordre de 45°.
La pièce polaire additionnelle 63 peut être reliée au circuit
magnétique principal 10, 3, au niveau du plan de sortie 14, par des barreaux
60. Ces barreaux 60 peuvent être constitués par de simples pièces
ferromagnétiques sans adjonction d'élément actif sur le plan magnétique
(aimant permanent, bobine d'électro-aimant) ni au niveau de la pièce polaire
63, ni au niveau des barreaux 60 constituant le circuit magnétique périphérique
additionnel.
Toutefois, de préférence, des éléments actifs sur la plan
magnétique sont incorporés dans le circuit magnétique périphérique
additionnel. Ainsi, les barreaux 60 peuvent être constitués par des aimants
permanents.
Selon un mode de réalisation avantageux, les barreaux 60 sont
constitués en fer doux et, comme représenté sur la figure 1, sont entourés de
bobines 61 dont le sens d'enroulement est tel que le flux magnétique créé dans
le circuit magnétique périphérique additionnel est dirigé dans un sens opposé
à celui du flux magnétique créé dans le circuit magnétique 10 disposé à
l'extérieur du canal annulaire 1 parallèlement à l'axe du propulseur.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention,
dans lequel le circuit magnétique périphérique additionnel 80 est constitué par
un anneau ferromagnétique unique.
De façon plus particulière, sur la figure 2, on a représenté un
mode de réalisation dans lequel l'ensemble de la pièce polaire 63
essentiellement tronconique et du circuit magnétique périphérique additionnel
80 est constitué par une pièce unique fixée par exemple par boulonnage ou par
soudage, sur les pièces polaires périphériques situées à l'extérieur du canal
annulaire 1.
La pièce polaire tronconique 63, les barreaux 60 ou l'anneau
ferromagnétique 80 peuvent être réalisés en une ferrite isolante électriquement.
Comme on peut le voir sur le mode de réalisation de la figure 3,
dans un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons conforme à
l'invention, la cathode creuse 7 peut être incorporée dans un trou 163 formé
dans la pièce polaire évasée 63. Dans ce cas, la cathode creuse 7 est équipée
d'un écran ferromagnétique 164 de protection face au champ magnétique local.
L'écran ferromagnétique 164 de protection peut être disposé autour d'une
électrode d'allumage 72 qui entoure elle-même le corps 71 de la cathode creuse
7 alimentée en gaz ionisable. L'électrode d'allumage 72 et le tube 164
contribuent ainsi tous deux à constituer un écran protecteur contre la chaleur
pour le corps 71. La cathode creuse 7 peut être montée sur les pièces polaires 3
et 63 par une bride 73. L'axe de la cathode 7 est approximativement parallèle
aux lignes de champ magnétique local.
La pièce polaire 63 formant divergent peut être recouverte d'un
revêtement 263 (Fig 3) pouvant jouer plusieurs rôles. Ainsi, le revêtement 263
peut accroítre l'émissivité de la surface de la pièce de manière à accroítre le
flux de rayonnement et ainsi abaisser la température de fonctionnement du
propulseur.
Le revêtement 263 peut encore assurer une isolation électrique.
Enfin le revêtement 263 peut constituer une protection contre une
contamination entre le canal annulaire 1 et la pièce polaire évasée 63.
Une même couche de revêtement peut répondre à ces trois
objectifs. Le revêtement 263 peut également se prolonger par un revêtement
263b réalisé sur les côtés du propulseur (Fig 3).
Le revêtement 263, 263b peut être réalisé en un matériau
identique à celui des pièces délimitant le canal annulaire 1.
A titre d'exemple, le revêtement 263, 263b peut être réalisé par
l'un des matériaux suivants, ou une combinaison de ces matériaux : aluminium,
nitrure de bore, silice, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, Al2O3-TiO2 et
TiN.
La figure 4 montre une variante de réalisation de l'invention
selon laquelle la pièce polaire additionnelle 63 ne présente pas une forme
exactement tronconique, mais plutôt une forme évasée à la manière d'une
tulipe, la pièce polaire évasée 63 présentant une courbure 363 telle que l'angle
formé par cette pièce et l'axe du moteur augmente lorsque l'on s'éloigne du
plan de sortie 14 vers l'aval, de manière à permettre un épanouissement
progressif des lignes de champ magnétique.
Si l'on se reporte à nouveau à la figure 1, on voit que les lignes
113a du champ magnétique à l'extérieur du canal annulaire 1 sont moins
convexes que les lignes 113 de la figure 7 tandis que les lignes de champ
magnétique 13 à l'intérieur du canal 1 sont pratiquement inchangées.
Les ions formés et accélérés à l'extérieur du canal 1 sont forcés de
rester à l'intérieur d'un cône défini par la pièce polaire additionnelle 63. En
effet, cette pièce polaire additionnelle 63, le circuit magnétique additionnel
associé 60, 61 et les pièces polaires 3, 4 coopèrent pour conformer le champ
magnétique, et donc les lignes équipotentielles 113a en aval du plan de sortie
14 du moteur. Un ion créé en un point 53a est accéléré selon un vecteur 54a
selon une direction normale à une équipotentielle, qui correspond de très près
à une ligne de champ magnétique. On constate ainsi que les ions accélérés à la
périphérie du faisceau ionique sont pratiquement parallèles à la pièce 63 et
peuvent rester à l'intérieur d'un cône dont le demi-angle au sommet est
conditionné par le demi-angle au sommet α de la pièce tronconique 63 ou de la
pièce évasée assimilable à un tronc de cône.
D'une manière générale, dans un propulseur à plasma conforme à
l'invention, la densité des ions est augmentée au voisinage de l'axe et est
fortement diminuée dans la zone excentrée. Le faisceau ionique est ainsi mieux
collimaté, ce qui optimise son utilisation dans des applications industrielles et
dans tous les cas réduit les risques de contamination.
On a représenté sur la figure 5 trois histogrammes donnant le
profil d'un faisceau ionique à une distance de 500 mm de la sortie du
propulseur pour les trois cas suivants :
Si l'on considère l'histogramme S montrant la divergence d'un
faisceau ionique issu d'un propulseur à plasma standard, on constate que la
densité d'ions sur les bords est non négligeable tandis que la densité d'ions au
voisinage de l'axe reste modérée.
L'histogramme P montre l'amélioration obtenue lorsque l'on
utilise un propulseur à plasma équipé selon l'invention de moyens additionnels
63, 60 de conformation de champ magnétique, tels que par exemple les moyens
63, 60 de la figure 1, les bobines 61 n'étant pas excitées, ce qui correspond à
des moyens de conformation de type passif. On constate dans ce cas une
augmentation de la densité des ions au voisinage de l'axe et une diminution de
la densité des ions sur les bords.
L'histogramme A correspond à la mise en oeuvre de moyens
additionnels de conformation de champ magnétique 63, 60 de type actif, c'est-à-dire
par exemple au mode de réalisation de la figure 1 avec des bobines 61
excitées. Dans ce cas, on constate que la densité des ions au voisinage de l'axe
est multipliée pratiquement par un facteur de trois tandis que la densité sur les
côtés est tout à fait négligeable.
Claims (16)
- Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant :caractérisé en ce qu'il comprend en outre :un canal annulaire d'ionisation et d'accélération (1) défini par des pièces (2) en matériau isolant et présentant une ouverture à son extrémité aval,au moins une cathode creuse (7) disposée à l'extérieur dudit canal annulaire (1) et en aval de celui-ci,une anode annulaire (5) concentrique au canal annulaire (1) et disposée en amont de l'ouverture dudit canal à distance de celle-ci,des premier (17) et deuxième (6) moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse (7) et à l'anode annulaire (5),un circuit magnétique (3, 4, 10, 12) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire (1), ce circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts (10; 11, 15) de création d'un champ magnétique, une culasse (12), un circuit magnétique périphérique (10) disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire (1) et des pièces polaires périphérique (3) et centrale (4) reliées entre elles par ledit circuit magnétique périphérique (10) et ladite culasse (12) et disposées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie (14) perpendiculaire à l'axe dudit canal annulaire (1),une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique (63) ouverte à ses deux extrémités, coaxiale avec l'axe du canal annulaire (1), située en aval dudit plan de sortie (14) et s'évasant vers l'aval, etau moins un circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) reliant l'extrémité aval de ladite pièce polaire magnétique évasée (63) à la pièce polaire (3) périphérique située à l'extérieur du canal auxiliaire (1), la pièce polaire magnétique évasée (63) coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) et les pièces polaires (3, 4) situées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire (1) de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire (1) à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire évasée (63).
- Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du canal annulaire (1) du propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée (63) essentiellement tronconique est compris entre 30° et 60°.
- Propulseur à plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du canal annulaire (1) du propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée (63) essentiellement tronconique est de 45°.
- Propulseur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) présente une courbe telle que l'angle formé par ladite pièce et l'axe du moteur augmente lorsque l'on s'éloigne du plan de sortie (14) vers l'aval, de manière à permettre un épanouissement progressif des lignes de champ magnétique.
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) est recouverte d'un revêtement (263) destiné à accroítre l'émissivité de la surface de ladite pièce, à réaliser une isolation électrique ou à constituer une protection contre une contamination entre le canal annulaire (1) et la pièce polaire évasée (63).
- Propulseur à plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit revêtement (263) est réalisé en un matériau identique à celui des pièces (2) délimitant ledit canal annulaire (1).
- Propulseur à plasma selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit revêtement (263) est constitué par l'un au moins des matériaux suivants : aluminium, nitrure de bore, silice, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, Al2O3-TiO2 et TiN.
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ;80) sont réalisés en matériau ferromagnétique sans adjonction d'aimant permanent ou de bobine d'électro-aimant.
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments constitués par la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ;80) sont réalisés en ferrite isolante électriquement.
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique additionnel (80) est constitué par un anneau ferromagnétique unique.
- Propulseur à plasma selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (80) sont constitués par une pièce unique fixée sur la pièce polaire périphérique (3) située à l'extérieur du canal annulaire (1).
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la cathode creuse (7) est incorporée dans un trou (163) formé dans la pièce polaire évasée (63) et est munie d'un écran ferromagnétique (164) de protection face au champ magnétique local.
- Propulseur à plasma selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'écran ferromagnétique (164) de protection est disposé autour d'une électrode d'allumage (72) qui entoure elle-même le corps (71) de la cathode creuse (7).
- Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique additionnel (60) comprend des barreaux ferromagnétiques.
- Propulseur à plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués par des aimants permanents.
- Propulseur à plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués en fer doux et sont entourés de bobines (61) dont le sens d'enroulement est tel que le flux magnétique créé dans le circuit magnétique périphérique additionnel (60) est dirigé dans un sens opposé à celui du flux magnétique crée dans ledit circuit magnétique périphérique (10) disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire (1).
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