Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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DISPOSITIF D'EJECTION D'IONS A EFFET HALL
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'éjection d'ions à
effet Hall et plus particulièrement le domaine des propulseurs plasmiques.
Dans le domaine de l'aérospatiale, il est bien connu d'utiliser des
propulseurs
plasmiques pour notamment maintenir un satellite en orbite géostationnaire,
pour
déplacer un satellite d'une orbite vers une seconde orbite, pour compenser des
forces de traînée sur des satellites placés sur une orbite dite basse, c'est-à-
dire une
altitude comprise entre 200 et 400 km, ou pour propulser un engin au cours
d'une
mission interplanétaire nécessitant des poussées faibles sur des temps très
longs.
Ces propulseurs plasmiques présentent généralement une forme de révolution
autour d'un axe longitudinal sensiblement parallèle à une direction d'éjection
des ions
et comportent au moins un canal annulaire principal d'ionisation et
d'accélération,
obtenu dans un matériau réfractaire entouré par deux pôles cylindriques
circulaires,
le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode annulaire
s'étendant à
l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, à la sortie
de ce
dernier, généralement doublée par une seconde anode redondante, et un circuit
magnétique pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire.
Le
champ magnétique est usuellement créé au moyen de bobines électriques
alimentées par des générateurs électriques connectés à des panneaux solaires.
Bien que le fonctionnement théorique de ces propulseurs ne soit pas encore
parfaitement maîtrisé, il est généralement admis qu'ils fonctionnent de la
manière
suivante. Des électrons émis par la cathode se dirigent vers l'anode de
l'amont vers
l'aval du canal annulaire. Une partie de ces électrons est piégée dans le
canal
annulaire par le champ magnétique inter polaire. Les chocs entre électrons et
molécules gazeuses contribuent à ioniser le gaz introduit dans le canal
annulaire au
travers de l'anode. Le mélange d'ions et d'électrons constitue alors un plasma
ionisé
auto entretenu. Les ions éjectés vers l'aval sous l'effet du champ électrique
créent
une poussée du moteur dirigé vers l'amont. Le jet d'ions est électriquement
neutralisé
par des électrons émis par la cathode.
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De tels propulseurs plasmiques sont, par exemple, décrits dans les brevets
américains US 5,359,258 et US 6,281,622.
Bien que ces propulseurs procurent une vitesse d'éjection des ions 5 fois
supérieure à la vitesse d'éjection procurée par des propulseurs chimiques
permettant
ainsi de réduire de manière significative le poids et l'encombrement des
engins
spatiaux tels que des satellites par exemple, ce type de propulseur présentent
l'inconvénient de nécessiter de générateurs électriques lourds et encombrants,
et
d'être onéreux.
Afin de pallier ces inconvénients, on a déjà imaginé des propulseurs
plasmiques
ayant pour une même poussée, une consommation réduite de courant électrique et
donc une masse diminuée de générateurs électriques, une masse et un
encombrement diminués du circuit magnétique, une fiabilité accrue et un coût
de
production réduit.
C'est le cas par exemple de la demande de brevet français FR 2 842 261 qui
décrit un propulseur plasmique à effet Hall dont au moins l'un des bras du
circuit
magnétique comporte un aimant permanent.
Ledit propulseur présente un axe longitudinal sensiblement parallèle à une
direction de propulsion définissant une partie amont et une partie avale, et
comporte
un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération réalisé en
matériau
réfractaire entouré par deux pôles magnétiques cylindriques circulaires, le
canal
annulaire étant ouvert à son extrémité amont, une anode annulaire
distributrice de
gaz recevant du gaz de conduits de distribution et pourvue de passages pour
laisser
ce gaz entrer dans le canal annulaire, ladite anode annulaire étant placée à
l'intérieur
du canal dans une partie aval de ce dernier, au moins une cathode creuse
disposée
en dehors du canal annulaire, de façon adjacente à celui ci, un circuit
magnétique
comportant des extrémités polaires amont pour créer un champ magnétique radial
dans une partie amont du canal annulaire entre ces parties polaires, ce
circuit étant
constitué par une plaque aval, de laquelle jaillissent vers l'amont
parallèlement à l'axe
longitudinal, un bras central situé au centre du canal annulaire, deux pôles
cylindriques circulaires de part et d'autre du canal annulaire et des bras
périphériques situés à l'extérieur du canal annulaire et adjacents à celui-ci.
Au moins
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un des bras du circuit magnétique comporte un aimant permanent de telle
manière
que les bobines de création de champ magnétique ont un nombre réduit de spires
bobinées en fil spécial haute température.
Ainsi la réduction du nombre de spires permet de réduire les pertes par effet
Joule entraînant une réduction de l'échauffement du propulseur, une
augmentation
de la fiabilité du propulseur et une réduction du coût de production, le fil
spécial haute
température étant fragile et onéreux.
Toutefois, ce type de propulseurs reste inadapté pour des propulseurs de
petite
taille destinés à certaines applications telles que la propulsion de petits
satellites par
exemple.
On connaît également le document US 2005/116652 qui décrit un propulseur
plasmique à éjection d'ions comportant deux canaux annulaires concentriques
d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur de chaque
canal et
une cathode s'étendant en dehors des canaux à la sortie de ces derniers. Ledit
propulseur comporte un circuit magnétique constitué de bobines électriques ou
d'aimants permanents annulaires.
Par ailleurs, le document US 2005/0247885 décrit un propulseur plasmique à
effet Hall comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une
anode
s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal à
la
sortie de ce dernier et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique
dans
le canal annulaire. Le circuit magnétique est constitué d'aimants permanents,
un
aimant permanent annulaire central solidaire de la paroi interne du circuit
magnétique
et un aimant permanent annulaire périphérique qui est solidaire de la paroi
externe et
un aimant dit de dérivation s'étendant au fond du canal annulaire. Le
propulseur
plasmique comporte par ailleurs des éléments de dérivation permettant de
concentrer
le champ magnétique pour créer un champ magnétique miroir à la sortie du canal
annulaire, ledit champ magnétique miroir étant relativement symétrique entre
les
pôles des aimants permanents.
De plus, le document US 5,763,989 décrit un propulseur plasmique comportant
un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à
l'intérieur du
canal, une cathode s'étendant en dehors du canal et un circuit magnétique pour
créer
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un champ magnétique dans une partie du canal annulaire. Le circuit magnétique
est
constitué d'aimants permanents, un aimant permanent central et un aimant
permanent périphérique annulaire. Afin de supprimer le champ magnétique au
niveau
d'anode, le dispositif comporte un blindage qui déforme localement les lignes
de
champ à proximité de l'anode.
Tous ces dispositifs nécessitent l'utilisation d'un blindage pour éviter tout
claquage au niveau de l'anode et sont inadaptés pour des propulseurs de petite
taille.
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en
proposant un dispositif d'éjection d'ions particulièrement adapté pour la
réalisation
d'un propulseur plasmique de conception simple, peu onéreuse et présentant un
faible encombrement.
A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif
d'éjection
d'ions à effet Hall ayant un axe longitudinal sensiblement parallèle à une
direction
d'éjection des ions et comportant au moins un canal annulaire principal
d'ionisation et
d'accélération, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode
s'étendant
à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, à la sortie
de se
dernier, et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans une
partie du
canal annulaire dans lequel est introduit un gaz rare, ledit circuit
comprenant au
moins une paroi interne annulaire, une paroi externe annulaire et un fond
reliant les
parois interne et externe et formant la partie aval du circuit magnétique ;
ledit
dispositif est remarquable en ce que le circuit magnétique est agencé de
manière à
créer à la sortie du canal annulaire un champ magnétique indépendant de
l'azimut et,
dans la zone de l'anode, un champ magnétique dont la composante radiale est
nulle.
A cet effet et conformément à l'invention, il est aussi proposé un propulseur
plasmique à effet Hall comprenant: un canal annulaire principal d'ionisation
et
d'accélération, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode
s'étendant
à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, et un
circuit
magnétique étant au moins une partie du canal annulaire; ledit circuit
comprenant au
moins une paroi interne annulaire, une paroi externe annulaire et un fond
reliant les
parois interne et externe, caractérisé en ce que le circuit magnétique est
agencé de
manière à créer à la sortie du canal annulaire un champ magnétique indépendant
de
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l'azimut et, dans la zone de l'anode, un champ magnétique dont la composante
radiale est nulle, et dans lequel une éjection d'ions à effet Hall crée une
propulsion
plasma.
A cet effet et conformément à l'invention, il est également proposé un
dispositif
5
d'éjection d'ions à effet Hall comprenant: un canal annulaire principal
d'ionisation et
d'accélération, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode
s'étendant
à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, et un
circuit
magnétique étant au moins une partie du canal annulaire; ledit circuit
comprenant au
moins une paroi interne annulaire, une paroi externe annulaire et un fond
reliant les
parois interne et externe, caractérisé en ce que le circuit magnétique est
agencé de
manière à créer à la sortie du canal annulaire un champ magnétique indépendant
de
l'azimut et, dans la zone de l'anode, un champ magnétique dont la composante
radiale est nulle, et dans lequel l'éjection d'ions à effet Hall crée un
traitement de
surface à par implantation ionique.
On notera que, le fait que le champ magnétique soit indépendant de l'azimut
procure à la sortie du canal annulaire un champ magnétique globalement
constant
quelque soit l'azimut et quasiment radial. De cette manière, les électrons
arrivant
dans la zone de sortie du canal annulaire avec une vitesse parallèle à l'axe
de
révolution du dispositif se trouvent soumis à une force de Laplace qui leur
induit un
mouvement cyclotronique dans le plan de sortie du canal annulaire. Les
électrons
sont ainsi massivement piégés dans la zone de sortie entraînant une
augmentation
de la probabilité des collisions ionisantes avec les atomes du gaz rare. De
plus, la
composante radiale du champ magnétique étant nulle dans la zone de l'anode, le
dispositif ne nécessite pas de blindage pour déformer les lignes de champ.
Le dispositif comporte un aimant permanent annulaire dit central solidaire de
la
paroi interne du circuit magnétique et un aimant permanent annulaire dit
périphérique
solidaire de la paroi externe du circuit magnétique et dont la direction
d'alimentation
est opposée à celle de l'aimant central.
Par ailleurs, le fond de la gorge annulaire comporte un évidement annulaire
traversant formant un entrefer.
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De manière avantageuse, l'aimant central et/ou périphérique comporte une
pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
De plus, l'aimant central et/ou périphérique comporte un ou plusieurs éléments
amagnétiques.
Chaque élément magnétique de l'aimant périphérique présente une puissance
déterminée.
Lesdits éléments de l'aimant central et/ou périphérique sont des cylindres
obtenus en alliage métallique SmCo.
Selon une variante d'exécution du dispositif conforme à l'invention, l'aimant
central et/ou périphérique est obtenu dans des ferrites durs dits
hexaferrites.
De manière avantageuse, le circuit magnétique est obtenu dans des ferrites
doux qui sont choisis, de préférence, parmi la liste suivante des ferrites de
formule
générale MFe20.4 ou MO, Fe203.
Par ailleurs, le dispositif comporte une pièce annulaire obtenue dans un
matériau réfractaire poreux et positionnée dans le fond de la gorge annulaire
pour
coiffer l'entrefer et fermer le fond du canal annulaire.
Cette pièce annulaire est obtenue, de préférence dans de la céramique
poreuse.
De plus, l'anode présente une forme annulaire et s'étend dans la partie
médiane
du canal annulaire.
Le dispositif trouvera de nombreuses applications industrielles telles qu'à un
propulseur plasmique à effet Hall ou à un dispositif de traitement de surface
à
implantation ionique par exemple.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description
qui
va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non
limitatifs, du dispositif d'éjection d'électrons à effet Hall conforme à
l'invention, à partir
des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un propulseur plasmique
conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe axiale du circuit magnétique du
propulseur plasmique suivant l'invention représenté sur la figure 1,
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7
- la figure 3 est une représentation graphique de la densité du flux
magnétique des aimants du propulseur plasmique en fonction de l'azimut,
- la figure 4 est une représentation graphique des variations de la
composante Br du champ magnétique en fonction du rayon r, autour du rayon
moyen
pour un angle A déterminé,
- la figure 5 est une représentation graphique des écarts entre les valeurs
mesurées de la composante Br du champ magnétique et la fonction représentant
le
meilleur ajustement,
- la figure 6 est une vue en coupe axiale d'une variante d'exécution du
propulseur plasmique conforme à l'invention.
On décrira ci-après un dispositif d'éjection d'électrons à effet Hall d'un
propulseur plasmique ; toutefois, le dispositif d'éjection d'électrons pourra
trouver de
nombreuses applications notamment en tant que source d'ions pour des
traitements
industriels tels que, notamment, le dépôt sous vide, le dépôt assisté par la
production
d'ions dit IAD suivant l'acronyme anglo-saxon Ion Assisted Deposition , la
gravure
sèche des microcircuits ou tout autre dispositif de traitement de surface à
implantation ionique.
En référence à la figure 1, le propulseur plasmique suivant l'invention est
constitué d'une embase 1 présentant une forme de révolution autour d'un axe
00' et
comportant dans sa partie aval, c'est-à-dire dans sa partie arrière, un
circuit
d'alimentation en gaz rare 2 tel que du Xenon par exemple apte à être ionisé
et dans
sa partie amont, c'est-à-dire dans sa partie avant, d'un noyau central
cylindrique 3,
l'éjection des ions s'effectuant d'aval à amont comme il sera détaillé plus
loin.
Le propulseur comporte par ailleurs un circuit magnétique 4, représenté sur
les
figures 1 et 2, constitué d'une couronne 5 de section en forme de U comprenant
une
paroi interne 6, une paroi externe 7 et un fond 8 reliant les parois interne 6
et externe
7 et formant la partie aval du circuit magnétique 4. La partie amont du
circuit
magnétique 4 est constituée d'un disque 9 coiffant la couronne 5. Ledit disque
9
comporte une lumière 10 annulaire s'étendant en regard du fond 8 de la
couronne 5,
et un trou 11 pour le passage d'une vis 12 (figure 1) permettant de
solidariser le
circuit magnétique 4 à l'embase 1, le noyau central 3 comportant un trou
taraudé 13
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8
apte à recevoir la vis 12. Le circuit magnétique 4 comporte, par ailleurs,
dans son
fond 8 un évidement annulaire 14 formant un entrefer et débouchant sur une
gorge
annulaire 15 alimentée par des canalisations secondaires radiales 16
connectées à
un répartiteur 17 alimenté par une canalisation principale 18 coaxiale à l'axe
00' du
propulseur, la gorge annulaire 15, les canalisations secondaires 16, le
répartiteur 17
et la canalisation principale 18 formant le circuit d'alimentation en gaz.
L'ensemble du
circuit magnétique est réalisé en fer doux.
La paroi annulaire externe 7 du circuit magnétique 4 comporte un premier
aimant annulaire 19 dit aimant périphérique dont l'aimantation est orientée
nord-sud
d'amont en aval et la paroi annulaire interne 6 comporte un second aimant
annulaire
dit aimant central dont l'aimantation est orientée nord-sud d'aval en amont,
opposée à l'aimantation du premier aimant annulaire 19, de manière à créer un
champ magnétique indépendant de l'azimut. Un tel agencement des aimants 19 et
20
permet de procurer une géométrie de champ lenticulaire dans la zone de sortie
du
15 canal d'éjection assurant une bonne convergence des ions. De plus, on
notera que la
position des aimants 19, 20, leurs dimensions et l'entrefer 14 procurent un
champ
magnétique dont la composante radiale est nulle dans la zone de l'anode.
Chacun des aimants 19 et 20 peuvent être massifs ou avantageusement
constitués d'une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière
circulaire.
20 On observera que l'aimantation de l'aimant périphérique 19 pourra
être orientée
sud-nord d'amont en aval et l'aimantation de l'aimant central 20 pourra être
orientée
sud-nord d'aval en amont sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Chaque élément magnétique de l'aimant périphérique 19 et/ou central 20
présente une puissance déterminée. De plus, les éléments magnétiques sont
avantageusement des cylindres obtenus en alliage métallique dur SmCo par
exemple
qui présentent l'avantage d'avoir des forces magnétomotrices élevées.
Selon une variante d'exécution du propulseur plasmique, l'aimant périphérique
19 et/ou central 20 comporte des éléments magnétiques et un ou plusieurs
éléments
amagnétiques. On notera que dans cet exemple de réalisation, chaque élément
magnétique pourra présenter une puissance particulière, l'ensemble des
éléments
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magnétiques et amagnétiques étant agencés de manière à créer un champ
magnétique indépendant de l'azimut.
On observera que l'utilisation d'éléments magnétiques permet de réaliser des
aimants annulaires de diamètres différents et/ou de hauteurs différentes afin
de
s'adapter à la géométrie et aux dimensions d'un propulseur ou, pour une
géométrie
de propulseur déterminée, d'adapter la force magnétomotrice en remplaçant des
éléments magnétiques par des éléments amagnétiques.
Selon une autre variante d'exécution, non représentée sur les figures,
l'aimant
périphérique 19 et/ou central 20 est substitué par un aimant torique
présentant une
aimantation radiale, le centre du tore étant confondu avec l'axe 00' du
propulseur
plasmique.
On entend par champ magnétique indépendant de l'azimut, un champ
magnétique dont la valeur est globalement constante pour une altitude (z) le
long de
l'axe de révolution 00' et un rayon (r) donnés, c'est-à-dire un champ
magnétique
indépendant de l'azimut (0) ou dont la valeur varie de moins de 1% en fonction
de
l'azimut (A).
En effet, on notera que, bien que le champ magnétique produit par les aimants
annulaires est indépendant de l'azimut (0) pour une altitude (z) et un rayon
(r)
donnés, la mesure du champ magnétique par un gaussmètre peut varier compte
tenu
des incertitudes de mesure et du défaut d'alignement entre l'axe 00' du moteur
plasmique et l'axe de rotation de la sonde du gaussmètre.
Une mesure de la densité du flux magnétique a été effectuée, en référence à la
figure 3, au moyen d'un gaussmètre tridimensionnel afin de relever le champ
magnétique en fonction de l'azimut (-180 < 0 < + 180 ) dans la zone du plan
de
sortie du propulseur plasmique en se plaçant au rayon moyen (r = 19 mm).
La composante Br est constante quel que soit l'azimut.
Br = 43.55 0.31 mT
Soit une fluctuation inférieure au pourcent (0.7%).
Cependant en analysant plus profondément Br (0), on observe une variation
systématique de type sinusoïdal dont la période est de 360 degrés (figure 3).
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Cette fluctuation est due à un léger défaut de centrage de l'axe 00' du moteur
avec l'axe du gaussmètre. En effet, si l'axe 00' du moteur plasmique ne
coïncide
pas rigoureusement avec l'axe de rotation du porte-sonde du gaussmètre, la
mesure
en 0 est sensible à la variation de Br en fonction du rayon r.
5 A titre d'exemple, la figure 4 représente les variations de Br en
fonction du rayon
r, autour du rayon moyen (r = 19mm) pour un angle G égal à -90 degrés ainsi
qu'une
courbe de référence d'un polynôme du second degré.
Des courbes similaires ont été relevées tous les 90 degrés permettant ainsi de
définir la sensibilité du champ à une variation de rayon autour de r = 19mm :
10 AB/Ar = 2.7 mT/mm
En considérant que l'amplitude du décentrement est ro, alors la variation de
position de la sonde au cours d'un tour s'écrit
Ar (G) = ro sin (G ¨ (D)
où (I) est l'azimut du centre de rotation effectif.
Ce qui entraîne une variation de Br:
ABr (0) = AB/Ar * Ar (0)
= (AB/Ar) * ro sin (0 ¨ (I))
= bo sin (0 ¨ (P)
La courbe de référence sur la figure 4 qui s'ajuste le mieux aux mesures a
pour
paramètres
bo = 0.445 mT
(I) LI1 28 degré
Compte tenu de la valeur AB/Ar = 2.7 mT/mm, on peut déduire l'amplitude
du décentrage
ro = 0.165 mm
soit une fluctuation totale de 0.33 mm sur un tour complet de la sonde du
gaussmètre.
Enfin, la figure 5 présente les écarts entre les mesures et leur meilleur
ajustement par une fonction sinus.
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La variation azimutale brute du champ magnétique est inférieure au pourcent
avant prise en compte du défaut d'alignement entre l'axe 00' du moteur
plasmique
et l'axe de rotation de la sonde du gaussmètre.
En tenant compte de cette erreur systématique, la variation azimutale réelle
du
champ devient inférieure à 0.1 mT (en fait l'écart type des résidus est 0.04
mT, soit
0.1%), c'est donc la précision du gaussmètre ( +1- 0.1 mT) qui limite la
précision de la
détermination de l'homogénéité azimutale du champ magnétique.
Donc le champ magnétique produit par l'ensemble à aimants annulaires
présente une excellente homogénéité azimutale, laquelle est théoriquement
constante, mais limitée à la précision de l'appareil de mesure actuel (0.25%).
Par ailleurs, le propulseur plasmique suivant l'invention, comporte un canal
annulaire principal 21 d'ionisation et d'accélération, constitué d'une paroi
annulaire
interne 22 et d'une paroi annulaire externe 23 coaxiales à l'axe 00', obtenues
dans
un matériau isolant électriquement tel que de la céramique BN : Si02 par
exemple,
ledit canal annulaire 21 s'étendant depuis le fond 8 jusqu'à la lumière 10 du
circuit
magnétique 4. Ce canal annulaire 21 obtenu dans un matériau réfractaire
procure
une isolation électrique entre la zone du plasma qui se forme dans ledit canal
annulaire 21 et le circuit magnétique 4 comme il sera détaillé plus loin.
L'extrémité aval du canal annulaire 21, c'est-à-dire l'extrémité du canal
annulaire prenant appui sur le fond 8 du circuit magnétique 4, est fermée par
une
céramique poreuse 24 de forme annulaire s'étendant en regard de l'évidement
annulaire 14 formant un entrefer et débouchant sur la gorge annulaire 15
d'alimentation en gaz rare. Cette céramique poreuse 24 permet notamment de
procurer une diffusion contrôlée et homogène du gaz dans le canal annulaire
21.
On observera que cette céramique poreuse 24 pourra avantageusement être
adaptée à tous les propulseurs plasmiques de l'art antérieur tels que ceux
décrits
dans les brevets américains US 5,359,258 et US 6,281,622 et la demande de
brevet
français FR 2 842 261 par exemple afin de procurer une diffusion contrôlée et
homogène du gaz dans le canal annulaire.
La paroi annulaire externe 23 du canal annulaire 21 comporte avantageusement
une protubérance annulaire 25 s'étendant entre la partie médiane du canal
annulaire
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21 et le fond du circuit magnétique 4 procurant un rétrécissement local dudit
canal
annulaire 21 afin d'éviter un claquage des parois interne 22 et/ou externe 23
de ce
dernier.
Entre la protubérance annulaire 25 et l'extrémité amont du canal annulaire 21,
le
propulseur plasmique comporte une anode annulaire 26 s'étendant dans la partie
médiane dudit canal annulaire 21 et connecté à un câble de polarisation 27
s'étendant radialement et traversant les parois externes 7 et 23
respectivement du
circuit magnétique 4 et du canal annulaire 21 à travers des trous radiaux 28
et 29.
Le propulseur plasmique comporte, par ailleurs, au moins une cathode 30, et de
préférence deux cathodes, s'étendant à la sortie du canal annulaire 21 afin de
créer
entre ladite anode 26 et la ou les cathodes 30 un champ électrique orienté
dans la
direction axiale 00', tout en étant en dehors du jet de propulsion, afin de
créer un
plasma.
De manière avantageuse, l'embase 1 du propulseur plasmique suivant
l'invention sera obtenu dans un matériau conducteur de la chaleur tel que le
cuivre
par exemple afin d'assurer l'évacuation de la chaleur produite par le plasma
se
formant dans le canal annulaire 21, l'embase 1 en cuivre formant ainsi un
circuit de
régulation thermique.
Selon une dernière variante d'exécution particulièrement avantageuse du
dispositif suivant l'invention, en référence à la figure 6, les aimants
périphérique 19
et/ou central 20 pourront être obtenus dans des céramiques magnétiques dures
telles que des hexaferrites, tandis que l'ensemble du circuit magnétique 4
pourra être
obtenu dans des céramiques magnétiques douces tels que des ferrites spinelles.
En effet, les circuits magnétiques des propulseurs plasmique de l'art
antérieur et
la variante d'exécution décrite précédemment sont réalisés en fer doux tel
qu'en Fer
Armco , lequel présente une aimantation à saturation très élevée (2.2T), et un
point
de Curie également très élevé (770 C). 11 s'agit d'un matériau relativement
doux,
donc ne nécessitant que des champs magnétiques modérés pour être aimanté.
Toutefois, le circuit magnétique 4 est un circuit à entrefer 14 dans lequel
les champs
d'aimantation effectifs sont nettement plus élevés qu'en circuit fermé.
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Ainsi, pour optimiser non seulement la valeur du champ magnétique radial, mais
aussi la répartition spatiale des propulseurs de l'art antérieur, il était
nécessaire de
placer des écrans également en fer doux. Ces écrans délimitent le canal
annulaire 21
et constituent un court-circuit pour les ions et électrons dans le canal,
lesdits écrans
étant conducteurs de l'électricité de sorte que les propulseurs plasmiques de
l'art
antérieur comportent in fine des céramiques isolantes pour éviter l'effet
court-
circuit électrique des écrans.
La substitution des parties ferromagnétiques douces du circuit magnétique 4
par
des ferrites doux (structure spinelle) et des aimants métalliques par des
ferrites durs
dits hexaferrites (structure hexagonale) par exemple permet de supprimer la
céramique isolante du canal annulaire 21 dans lequel le plasma est formé.
Ainsi, dans cette variante d'exécution, le propulseur plasmique est constitué
de
la même manière que précédemment d'une embase 1 présentant une forme de
révolution autour d'un axe 00' et comportant dans sa partie aval, un circuit
d'alimentation en gaz rare 2 et dans sa partie amont, d'un noyau central
cylindrique
3.
Le propulseur comporte par ailleurs un circuit magnétique 4 obtenu dans un
ferrite doux tel qu'un ferrite à structure spinelle et constitué d'une
couronne 5 de
section en forme de U comprenant une paroi interne 6, une paroi externe 7 et
un fond
8 reliant les parois interne 6 et externe 7 et formant la partie aval du
circuit
magnétique 4. La partie amont du circuit magnétique 4 est constituée d'un
disque 9
coiffant la couronne 5. Ledit disque 9 comporte une lumière 10 annulaire
s'étendant
en regard du fond 8 de la couronne 5, et un trou 11 pour le passage d'une vis
12
(figure 1) permettant de solidariser le circuit magnétique 4 à l'embase 1, le
noyau
central 3 comportant un trou taraudé 13 apte à recevoir la vis 12. Le circuit
magnétique 4 comporte, par ailleurs, dans son fond 8 un évidement annulaire
formant un entrefer 14 et débouchant sur une gorge annulaire 15 alimentée par
le
circuit d'alimentation en gaz. L'ensemble du circuit magnétique 4 est réalisé
en
ferrites doux tels que les ferrites doux de formule générale MFe204 ou MO,
Fe203, (M
= métal divalent, ou combinaison de métaux divalents) par exemple.
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14
D'une manière générale, le circuit magnétique 4 pourra être réalisé dans un
ferrite doux tel que décrit notamment dans la publication J. Smit and H.P.J.
Wijn,
Ferrites , Philips Tech Library (1959).
La paroi annulaire externe 7 du circuit magnétique 4 comporte un premier
aimant annulaire 19 dit aimant périphérique dont l'aimantation est orientée
nord-sud
d'amont en aval et la paroi annulaire interne 6 comporte un second aimant
annulaire
20 dit aimant central dont l'aimantation est orientée nord-sud d'aval en
amont,
opposée à l'aimantation du premier aimant annulaire 19, de manière à créer un
champ magnétique indépendant de l'azimut. Un tel agencement des aimants 19 et
20
permet de procurer une géométrie de champ lenticulaire dans la zone de sortie
du
canal d'éjection assurant une bonne convergence des ions. De plus, on notera
que la
position des aimants 19, 20, leurs dimensions et l'entrefer 14 procurent un
champ
magnétique dont la composante radiale est nulle dans la zone de l'anode.
Chacun des aimants 19 et 20 peuvent être massifs ou avantageusement
constitués d'une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière
circulaire.
De plus, les éléments magnétiques sont avantageusement des cylindres
obtenus dans un ferrite dur ou hexaferrite tel que décrit notamment dans la
publication J. Smit and H.P.J. Wijn, Ferrites , Philips Tech Library
(1959).
Par ailleurs, le propulseur plasmique suivant l'invention, comporte un canal
annulaire principal 21 d'ionisation et d'accélération, constitué des parois
annulaires
interne 6 et externe 7 du circuit magnétique 4, l'utilisation des ferrites
doux pour le
circuit magnétique 4 et des ferrites durs pour les aimants permettant de
supprimer la
couronne annulaire 5 comme on l'a vu précédemment.
L'extrémité aval du circuit magnétique 4 est avantageusement fermée par une
pièce annulaire 24 obtenue dans un matériau réfractaire poreux et positionnée
dans
le fond du canal annulaire 21. Cette pièce annulaire 24 est obtenue dans une
céramique poreuse et s'étend en regard de l'évidement annulaire 14 formant un
entrefer en débouchant sur la gorge annulaire 15 d'alimentation en gaz rare,
ladite
céramique poreuse 24 permettant notamment de procurer une diffusion contrôlée
et
homogène du gaz dans le canal annulaire 21.
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Le propulseur plasmique comporte une anode annulaire 26 s'étendant dans la
partie médiane dudit canal annulaire 21 et connecté à un câble de polarisation
27
s'étendant radialement et traversant la paroi externe 7 du circuit magnétique
4 à
travers un trou radial 28.
5 Le propulseur plasmique comporte, par ailleurs, au moins une cathode
30, et de
préférence deux cathodes, s'étendant à la sortie du canal annulaire 21 afin de
créer
entre ladite anode 26 et la ou les cathodes 30 un champ électrique orienté
dans la
direction axiale 00', tout en étant en dehors du jet de propulsion, afin de
créer un
plasma.
10 On notera que les aimants 19 et/ou 20 et/ou tout ou partie du circuit
magnétique
4 pourront, par exemple, être substitués par les ferrites de NiZn
(Ni1_xZnxFe204); une
teneur en zinc, x, comprise entre 0.2 et 0.4 serait le bon compromis entre
aimantation
et température de Curie, à la température de fonctionnement du propulseur
plasmique.
15 Par ailleurs, il est bien évident que l'invention pourra être
appliquée en
substituant les aimants et/ou tout ou partie du circuit magnétique des
propulseurs
plasmiques de l'art antérieur tels que les propulseurs plasmiques décrits dans
les
brevets américains US 5,359,258 et US 6,281,622 et la demande de brevet
français
FR 2 842 261 par exemple sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
De plus, il est bien évident que seuls les aimants 19 et/ou 20 pourront être
substitués par des ferrites durs (hexaferrites) sans pour autant sortir du
cadre de
l'invention.
Enfin, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des
illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines
d'application
de l'invention.
