EP0781921B1 - Source d'ions à dérive fermée d'électrons - Google Patents

Source d'ions à dérive fermée d'électrons Download PDF

Info

Publication number
EP0781921B1
EP0781921B1 EP96402873A EP96402873A EP0781921B1 EP 0781921 B1 EP0781921 B1 EP 0781921B1 EP 96402873 A EP96402873 A EP 96402873A EP 96402873 A EP96402873 A EP 96402873A EP 0781921 B1 EP0781921 B1 EP 0781921B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
ion source
annular channel
source according
channel
main annular
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96402873A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0781921A1 (fr
Inventor
Dominique Valentian
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA, SNECMA SAS filed Critical Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Publication of EP0781921A1 publication Critical patent/EP0781921A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0781921B1 publication Critical patent/EP0781921B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H01J27/143—Hall-effect ion sources with closed electron drift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators

Definitions

  • the present invention relates to closed drift ion sources electrons that can be used as propellants, plus particularly for spacecraft, or as sources of ions for industrial treatments such as, in particular, vacuum deposition, ion-assisted deposition (I.A.D., "Ion Assisted Deposition”) or dry etching of microcircuits.
  • vacuum deposition ion-assisted deposition
  • I.A.D. ion Assisted Deposition
  • dry etching of microcircuits dry etching of microcircuits.
  • Industrial ion beam treatments can bring play of ion sources with a grid or a closed electron drift. These two types of ion sources were originally developed for use space (ionic thrusters or plasma thrusters).
  • These sources produce relatively high energy ions (500 to 1000 eV) with relatively low beam densities (2 to 6 mA / cm 2 at the grid). They are well suited for certain applications such as deep fine etching or uniform ion erosion of targets.
  • the latter source is described in the European patent. 0 265 365. It uses a conical anode and an axial counter electrode. This source is mainly used for the I.A.D.
  • Figure 1 depicts a closed drift plasma thruster of electrons as proposed in an article by L. H. Artsimovitch et al. published in 1974 in "Machinostroenie", pp. 75-84, about the program development of the stationary thruster and its tests on the satellite "METEOR”.
  • Such propellants of the "closed electron drift" type, or stationary plasma thrusters different from other categories by the fact that ionization and acceleration are not differentiated and that the acceleration zone has an equal number of ions and electrons, which eliminates any space charge phenomenon.
  • annular channel 1 defined by a part 2 made of insulating material and placed in an electromagnet comprising parts external 3 and internal 4 polar annulars placed respectively at outside and inside of part 2 made of insulating material, a cylinder head magnetic 12 arranged upstream of the motor and the coils solenoid 11 which extend over the entire length of channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the pole piece external 3 to the cylinder head 12.
  • a hollow cathode 7, connected to ground, is coupled with a xenon supply device to form a cloud of plasma in front of the downstream outlet of channel 1.
  • An annular anode 5 connected to the positive pole of an electrical power source, for example 300 volts, is arranged in the closed upstream part of the annular channel 1.
  • the ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode 7. Ionization electrons are drawn into the channel annular insulator 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud from cathode 7.
  • the ionization electrons take a trajectory of drift in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel.
  • the ionization electrons then drift along trajectories closed inside the insulating channel, hence the name of the propellant.
  • the electron drift movement increases considerably the probability of collision of electrons with neutral atoms, phenomenon producing ions (here, xenon).
  • the specific pulse obtained by ion propellants closed electron drift classics operating with xenon, is around 1000 to 2500 seconds.
  • Figure 2 is an axial section of an example of a thruster developed by Professor Morozov having been the subject of a publication in document FR-A-2 693 770.
  • This propellant 20 comprises, like the propellant of FIG. 1, an annular channel 21 defined by a piece 22 of insulating material, a magnetic circuit comprising annular pieces external 24 a and internal 24 b , a magnetic yoke 32 disposed upstream of the propellant and a central core 28 connecting the annular parts 24 a , 24 b and the magnetic yoke 32.
  • Coils 31 make it possible to create a magnetic field and an electric field in the annular channel.
  • the hollow cathode 40 is coupled to a xenon supply device to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 21.
  • This motor is characterized by the presence of a still chamber 23 which has a dimension in the radial direction larger than that of the main annular channel 21.
  • An anode 25 is disposed on the insulating pieces 22 delimiting the annular channel 21, in an area located immediately downstream of the stilling chamber 23.
  • An annular ionizable gas distributor 27 is disposed at the bottom of the ple
  • the anode layer propellants known as ALT
  • ALT have been described in Russian publications, for example: Fizika Plasmi, Plasmennie uckoriteli i ionnie injectori, Moscow 1984: Plasmennie uckoriteli c anodnim cloem, V.I. Garkusha, L. V. Leckov, E. A. Lyapin and, more recently, in international conferences
  • Figure 3 shows the section through an ALT anode layer propellant.
  • the magnetic circuit is very close to that of a stationary thruster at first generation SPT plasma. It includes a central pole piece 54 around which is wound an internal coil 61 serving as a support to the propellant, and an external annular pole piece 53, these two pieces grounded poles being connected by magnetic cores 60 supporting external coils 62.
  • the walls 56 of the acceleration channel 51 of the ALT anode layer thrusters are made of a metallic conductive material.
  • a massive anode 55 and a cathode 59 also serve to distribute the propellant gases.
  • the anode massive 55 occupies most of the acceleration chamber, the channel acceleration 51 being reduced to a very thin area between the anode massive 55 and the conductive walls 56 (hence the name anode layer). In fact, all parts of the propellant in contact with the discharge are metallic.
  • FIG. 4A which relates to a thruster conventional plasma with acceleration channel fully defined by a insulating part 62
  • the internal surface delimiting the acceleration channel is divides into two zones under the influence of the operation of the propellant.
  • the downstream zone 67 of length L (the length L may have values of the order of 5 to 7 mm for a thruster with a diameter of 100 mm), corresponds to an area permanently eroded by bombardment ionic.
  • the upstream zone 68 corresponds on the contrary to a deposition zone eroded products.
  • FIG. 4B shows the evolution of the value of the radial component of the magnetic induction B r as a function of the axial position Z on the imaginary cylindrical surface 65 corresponding to an average radius of the acceleration channel.
  • Figure 4C represents the value of the potential V as a function of the axial position Z on the same imaginary cylindrical surface 65 corresponding to an average radius of the acceleration channel.
  • the deposition zone 68 corresponds to an almost zero potential gradient (Figure 4C) and to a relatively weak radial magnetic field B r ( Figure 4B).
  • the functioning of the propellant is linked to plasma-wall interactions and in particular the secondary emission characteristics of the wall. Secondary emission properties may be different in zones 67 and 68.
  • the plasma thruster channel comprising boron nitride
  • erosion of this channel can cause boron atoms on the substrate to treat. This can be particularly troublesome for applications microelectronics because boron is a dopant of silicon.
  • the stationary plasma thrusters such as film thrusters anode
  • plasma thrusters with an acceleration channel defined by fully ceramic parts as described with reference to Figures 1, 2 and 4A have drawbacks insofar as the ceramic channel must obey contradictory imperatives: resistance to sputtering, mechanical strength, resistance to gradient thermal and thermal shock.
  • the object of the present invention is to remedy the drawbacks known electron drift ion sources and, more particularly, to modify them to allow greater flexibility of use.
  • the improvements of the invention are aimed at particular to reduce the mass of these sources while increasing their longevity, to simplify the manufacture of these sources while facilitating their disassembly and increase their mechanical resistance.
  • the invention also aims to reduce the emission of particles resulting of the erosion of the walls of the acceleration channel so that these sources may be likely to be used effectively as ion sources in large-scale industrial treatments, while their structure has so far limited their use essentially for the propulsion of satellites or other spacecraft.
  • an ion source at closed electron drift comprising a main annular channel ionization and acceleration open at its downstream end, at least one hollow compensation cathode disposed outside the annular channel main, means of creating a magnetic field in the channel main annular, adapted to produce a field in said channel essentially radial magnetic with a gradient with a maximum induction at the downstream end of the canal, a first means supply of ionizable gas associated with the hollow cathode and a second means for supplying ionizable gas located upstream of the canal main annular, and polarization means cooperating with a anode, characterized in that the main annular channel of this source consists of an electrically conductive material, and in that guard rings brought to a lower potential than that of the anode extend the annular channel downstream of it, these guard rings protecting central and peripheral pole pieces that are part said means for creating a magnetic field and delimiting a air gap in which the radial magnetic field acts with an induction Max.
  • the downstream part extending the channel can be produced using a material different from that of the upstream part of the main annular canal which must be essentially compatible with plasma gas partially ionized.
  • a part at less of the main annular channel is electrically polarized by the polarization means so that at least part of the wall internal of the main annular channel directly constitutes said anode.
  • the channel main ring of ionization and acceleration is a set monobloc made of an electrically conductive material.
  • the main annular channel constitutes a main annular canal block closed upstream by a tranquilization supplied with plasma gas by said second means gas supply which includes an annular distributor connected to a supply line.
  • the means of creation of a magnetic field include a magnetic circuit consisting of a cylinder head on which is fixed the main annular channel block, said cylinder head comprising an axial core supporting a pole piece lower central and concentric upper central pole piece with the main annular channel block, said cylinder head comprising other share a plurality of tie rods arranged around the annular channel block a once it is mounted on the cylinder head, said tie rods supporting a peripheral upper pole piece, said upper pole pieces central and peripheral constituting said pole pieces defining a air gap in which the radial magnetic field acts with an induction maximum, said guard rings protecting the pole pieces from ion erosion of the plasma.
  • the guard rings arranged at the mouth of the main annular canal are removable.
  • the main annular channel block is isolated electrically and thermally by vacuum with respect to the elements of the rest of the ion source including electrostatic screens, the space between the annular canal block and the elements of the rest of the source of ions being between 1 and 5 mm.
  • the annular channel block removable is fixed to the magnetic yoke by a plurality of balusters made of thermal insulating material and held in place by removable insulators.
  • the pole pieces upper include removable guard rings arranged at the mouth of the main annular canal.
  • the guard rings are made of one of the following conductive materials: carbon, carbon-carbon composite, nickel alloy, noble metal, composite ceramic consisting of nitrides bonded by silicon, silicon, stainless steel, aluminum.
  • the guard rings are made in one of the following insulating materials: boron nitride, alumina, quartz.
  • the main annular channel block is made in one of the following conductive materials: refractory nickel alloy, molybdenum, carbon-carbon composite.
  • the internal wall of the annular channel block is plated with a noble metal such as platinum, gold or rhodium in order to eliminate chemical attacks due to the gases present in said channel.
  • a noble metal such as platinum, gold or rhodium
  • the wall of the main annular channel is made of a material electrically conductive, and is electrically isolated from the rest of the structural elements of the source, including the anode.
  • the guard rings are made of dielectric material partially covering the channel main ring finger.
  • guard rings are produced under form of inserts made of ceramic material which are fixed by means of supports on the pole pieces.
  • the electrically conductive walls of the annular channel and the plenum are at slightly lower floating potential to that of the anode. This arrangement reduces interactions plasma-wall, therefore the heating of the channel.
  • the latter can by therefore be made of relatively thin sheet metal.
  • the channel block is held vis-à-vis the magnetic circuit by columns made of weakly conductive material.
  • the anode is held opposite of the channel block by insulators and supplied by a conductor in the axis of one of the columns.
  • the gas supply is at the potential of the channel block.
  • Figure 5 shows a view overall view, in axial section, of a first example of an ion source at closed electron drift according to the invention.
  • annular channel design and construction of an annular channel are significantly simplified compared to the case of a source for space use like the one in Figure 2.
  • a 123 plenum, which is of dimensions reduced, and the upstream part of a main annular acceleration channel form a one-piece metallic assembly 122 which will be referred to below "channel block" and which plays in particular the role of an anode 125.
  • a magnetic circuit consisting of a yoke 136, a core axial 138, a pole piece 132, an internal pole piece 135, tie rods 137 and an external pole piece 134, determines a magnetic field maximum in the air gap defined by the pole pieces 134, 135.
  • This field includes a minimum in the vicinity of the pole piece 132.
  • the control is created by an internal coil 133 and one or more external coils 131, which makes it possible to adjust its distribution and adjust thus the divergence of the ion beam.
  • the channel block 122 comprises, at its upstream part, a tranquilization 123 which is equipped with a gas injection manifold 127 supplied by a pipe 126.
  • This channel block 122 serving as anode 125 is held by at least three balusters 121, one of which can be constituted by the line 126 itself.
  • These balusters 121, 126 are fixed on insulators 145 by nuts 146.
  • the balusters 121, 126 can thus be separated from the insulators 145 to allow the disassembly of the annular channel block 122.
  • Electrostatic covers 147, 148, 154 make it possible to prevent discharges.
  • the gas supply is performed using ground tubing 150, isolator 151 and a fitting comprising a gasket 152 and a nut 153.
  • This assembly is housed in a base 130 which serves as a support for the source.
  • the electric discharge producing the ion beam is established between a hollow cathode 140 supplied with rare gas and the channel block 122 forming anode 125, supplied with pure gas or a mixture of gases, at least one of these gases can be reactive.
  • the nature of the material of the channel 122 can be adapted to the gas to be ionize while the nature of the guard rings 164, 165 which are placed in the extension of the channel block 122, downstream of it and which are subject to ion erosion, can be adapted to both the nature of the gas and the requirements of the substrate to be treated (for example semiconductor or layer thin optic).
  • these removable guard rings 164, 165 which are arranged respectively in the outer pole pieces 134 and internal 135, can be made of carbon (with a low rate of erosion), ceramic composite materials (such as a composite consisting of silicon, silicon nitride and titanium nitride) in aluminum, stainless steel, noble metal (such as platinum or gold).
  • Screens 139, 159, 160 arranged outside the channel block 122, play both a thermal and electrostatic role vis-à-vis the channel block 122. They prevent excessive heating of the pole pieces and the coils and determine, around the channel block 122, a field preventing landfills.
  • the main annular channel 122 is thus electrically isolated and thermally from the rest of the source 139, 159, 160 by vacuum, space between the annular channel 122 and the rest of the source being included typically between 1 and 5mm.
  • Tests show that with a channel block 122 produced entirely of conductive material cooperating downstream with end pieces 134, 135, 164, 165 brought to a lower different potential, in this case to mass, we get a profile of the plasma potential along the median axis of channel 122 (Figure 6B) practically identical to that of the thrusters first generation stationary plasma (SPT) ( Figure 4C). It is therefore possible to generate a progressive acceleration of the ions in a channel formed by two zones brought to different potentials.
  • the profile of magnetic field in plasma is determined by the thickness of guard rings 164, 165 protecting the pole pieces from erosion ionic plasma.
  • Determining the nature of the wall of the canal according to the nature of industrial treatment using ions produced by the source is basically a chemical problem due to the reaction of the wall with the partially ionized plasma gas.
  • an ion source conforming to the invention it is now possible, thanks to the material walls driver, to use this source for a whole range of treatments for which conventional channel sources made of ceramic material were disreputable.
  • the electrical insulation of the channel block 122 with respect to the cylinder head is carried out by means of the three balusters 121 provided with insulators 145.
  • the electrical insulation of the front, side and rear faces of the channel block 122 from the grounded parts (i.e. pole pieces 134 and 135 and heat shields 139 and 159) is provided by vacuum. Indeed, the small distance between these walls (of the order of a millimeter) and the low pressure (2.10 -4 to 5.10 -4 mbar) lead to a discharge voltage much higher than the operating voltage (according to Paschen's law ).
  • Channel block 122 receives the heat flow, radiated and dissipated (resulting from inelastic collisions of ions and electrons) by the plasma. This corresponds to a power of a few hundred watts for a 1.5 kW source. To avoid overheating of the parts polar (whose temperature must always remain below the point of Curie) coils and dismountable connecting members 145, 153, 152, the heat losses from the channel block 122 forming the anode 125, to the rest from the source, are limited by specific constructive provisions.
  • the only conductive link with the source is constituted by the hollow support columns 121 and the gas inlet duct 126.
  • These columns can be made of weak material conductor (stainless steel, Inconel), so that the heat flow leads can be greatly reduced.
  • balusters and / or the inlet duct allow a differential expansion of the channel block 122 forming the anode 125 with respect to the magnetic yoke 136.
  • This screen can be for example either a solid block 139, such as can see it in Figure 5, discharging the heat flow over a large surface, i.e. a screen fitted with screened windows 179, represented on the Figure 7, allowing direct radiation from the channel block 122 forming the anode 125 in a certain solid angle.
  • the part which extends the channel block 122 downstream thereof is divided into two removable and interchangeable rings.
  • the outer ring 164 is screw mounted on the outer pole piece 134, while the ring internal 165 is locked in position by the internal pole piece 135.
  • the gas distributor 127 is an integral part of the tranquillization 123.
  • the channel block 122 also constitutes a metal part easily interchangeable. To dismantle the channel block 122, you must first remove the assembly constituted by the external pole piece 134, the ring of guard 164 and the screen 139 and the assembly constituted by the internal pole piece 135 and the guard ring 165. This first level of disassembly can be done without adjustment by keeping the source in place.
  • connection between the gas supply and the tube 126 is hermetic.
  • a flat seal 152 seals between the two parts. He is crushed by the nut 153.
  • the base 130 is removable ( Figure 5). It is provided with a degassing 176 screened, in order to prohibit the entry of the plasma prevailing in the vacuum chamber inside the space formed by the base 130 and the magnetic yoke 136.
  • the cable 143 for polarizing the anode 125 and the gas supply 150 pass advantageously through the interface between cylinder head 136 and base 130 so as not to hinder disassembly of the latter.
  • Figure 9 shows a device for supplying the channel block 122 in particles 195 of a sublimable solid under vacuum (metals with strong vapor pressure, volatile oxides). This ionizes these vapors (partially) to carry out vacuum deposition, reactive or not.
  • the external screen 139 may provide the external screen 139 with a heating element 191. It will be noted that the shape of the plenum affects that of a crucible which helps to standardize the flow of steam. If necessary, we can introduce this room a conical cornice 192.
  • Figure 10 shows a variant of the channel block 122 provided with a internal insulating deposit 193 delimiting the conductive area 198 constituting the anode 125 opposite the minimum field.
  • Figure 11 shows an overall view, in axial section, of a second example of a closed electron drift ion source conforming to the invention.
  • This ion source includes the following components: a hollow compensation cathode 240 disposed outside the source itself, downstream of it; a magnetic circuit comprising a cylinder head 236 disposed upstream from the source and from the bars 237, 238 connecting the cylinder head 236 to external pole pieces 234 and inner 235 in the form of rings, arranged downstream of the ion source; means 231, 233 for creating a magnetomotive force constituted by coils can be arranged for example around some of the connecting bars 237, 238 and auxiliary pole pieces 232, 239 determining a minimum of field in the vicinity of the anode; a channel block ring 222 of ionization and acceleration, delimited downstream by walls cylindrical external 281 and internal 282 metallic, and extended in the acceleration zone by two annular pieces 264, 265 of material dielectric (ceramic) held against internal pole pieces 235 and external 234, either by mechanical mounting (positioning between the pole piece and a metal holding piece), either by brazing each ceramic ring 264, 265 on
  • the bottom of the plenum receives a cylindrical anode 225 and a gas distributor 227, the anode 225 being held in place by insulators 283, compressed by the distributor 227 against the bottom of the chamber using tie rods 221 and spacers 221 a .
  • tie rod-spacer assemblies 221, 221a are mounted on 245 insulators ensuring positioning with respect to the magnetic circuit (and more particularly the cylinder head 236).
  • the distributor 227 is supplied with gas by a line 226 and a connector 252 mounted on an insulator 245.
  • the polarization of the anode is ensured by a tie rod 221b and a wire polarization 243.
  • the anode 225 and the distributor 227 remain easily removable.
  • the ion source further includes electrostatic screens conductors 259, 339 which surround the annular channel 222.
  • Screens 259, 339 can slide at their downstream end respectively on the outer ceramic ring 264 and the ceramic ring internal 265.
  • channel 222 It is the same for channel 222, the ends of which can be fitted with a metal wire eliminating peak effects, therefore the risks of dump.
  • Free space created between electrically conductive screens 259, 339 and the metal walls 281, 282 have a width approximately constant (typically between 1 and 5mm) so as to avoid risk of electric shock between the walls 281, 282 and the screens 259, 339.
  • the screens 259, 339 can be provided with a grid so as to allow the degassing of the space between these screens and the walls 281, 282.
  • the end pieces 264, 265 have a length along the acceleration channel 222 which extends at least over an area corresponding to the length L of Figure 4, i.e. over the erosion zone due to ions.
  • the walls electrically conductive 281, 282 define a width of the acceleration channel 222, in the radial direction, which can be greater than the width of the channel acceleration 222 defined in the radial direction by the end pieces 264, 265 of dielectric material.
  • this provision avoids the appearance of a discontinuity due to the deposition zone / erosion zone transition, the deposition producing progressively on surfaces 281 and 282.
  • the walls electrically conductive 281, 282 are electrically connected to each other by a bottom conductor 270 constituting, with the conductive walls 281, 282, a monobloc assembly which can itself be integral with the assembly 227 gas distributor.
  • the cylindrical surfaces 281 and 282 are connected to the bottom of chamber 270 by radii of curvature ensuring a smooth surface evolving gradually. So the electric field between the surfaces conductive 281, 282 and the conductive screens 259, 339, which are at the mass, does not undergo a significant increase which can cause a breakdown.
  • the upstream part of the acceleration channel 222 is separated from the parts polar 232, 239 as well as electrostatic screens 259, 339 by a empty space.
  • the main annular channel 222 is electrically and thermally insulated from the rest of the source 259, 339, 232, 239, 236 by the vacuum, the space between the main annular channel 222 and the rest of the source included typically between 1 and 5mm.
  • the walls 281, 282 of the annular channel 222 are electrically isolated from the rest of structural elements of the source, including anode 225.
  • the external surface of the walls 281, 282, 270 as well as the surfaces external and internal screens 259, 339 can be polished so that decrease the radial radiative losses. This allows in particular to decrease the heat flux on the central coil 233 ( Figure 11).
  • the outer surface of the wall external 281 of the chamber can be on the contrary covered with a high-emissivity coating, as well as the faces of the screen 339, the part of the screen 259, which faces the internal wall 282, remaining polished.
  • This arrangement improves radiation cooling of the conductive channel while preventing the heating of the central coil 233.
  • the life and efficiency of the ion source depends on the functional phenomena that occur within the layer ionization.
  • the main phenomenon that determines lifespan is erosion end pieces 264, 265 of the discharge chamber-channel assembly acceleration 222, due to the projection onto the walls of the ions which have been accelerated.
  • Integrity characteristics of the closed drift ion source of electrons are largely determined by the geometry and intensity of the magnetic field in the acceleration channel and remain stable even when the downstream outlet part of the discharge chamber has widened by further ion projection (see Figure 4A).
  • a significant degradation of the operating efficiency of the thruster is observed only when a complete projection of the ions was carried out on the walls of the chamber of discharge in the interpole space of the magnetic system and when the poles 234, 235 themselves have undergone significant projections. In this cases, changes in topology and intensity of the magnetic field are the main causes of performance degradation.
  • terminals 264, 265 of the walls of the discharge chamber-channel assembly acceleration inserts of sufficiently thick dielectric material which have increased resistance to spraying by accelerated ions, which increases the lifespan of the entire ion source.
  • the walls 281, 282 can however be also connected to the anode 225 by an electrical resistance.
  • electrically conductive walls 281, 282, made of metal or composite material leads to a reduction in the mass of the entire ion source.
  • the walls electrically conductive 281, 282 have a potential close to that of the anode while in operation the structural elements of the magnetic system (elements 236, 237, 238) are going to be at a potential close to that of the cathode. This is to avoid the appearance of electrical discharges between the magnetic system and the chamber that this is surrounded by conductive screens 339, 259 which are placed at an approximately constant small distance from the walls 281, 282 and 270.
  • Figure 12 gives an example of a brazed connection allowing to allow differential expansion between a part 264, respectively 265, and a metallic support 274, respectively 275, while respecting the electric field requirements between the screen 339 respectively 259 and the wall 281, respectively 282.
  • the support 274 has an inverted end 272 which is wetted by the solder 271 and the support 275 can be made of identical way.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne les sources d'ions à dérive fermée d'électrons qui peuvent être utilisées en tant que propulseurs, plus particulièrement pour des engins spatiaux, ou en tant que sources d'ions pour des traitements industriels tels que, notamment, le dépôt sous vide, le dépôt assisté par la production d'ions (I.A.D., "Ion Assisted Déposition") ou la gravure sèche des microcircuits.
Art antérieur
Les traitements industriels par faisceaux d'ions peuvent mettre en jeu des sources d'ions à grille ou à dérive fermée d'électrons. Ces deux types de sources d'ions ont été initialement développées pour un usage spatial (propulseurs ioniques ou propulseurs à plasma).
Les sources à grilles, connues sous le nom de propulseurs ioniques à bombardement ("ion bombardment thrusters"), ont été inventées par le Pr. Kaufman en 1961.
Ces sources produisent des ions d'énergie relativement élevée (500 à 1000 eV) avec des densités de faisceau relativement faibles (2 à 6 mA/cm2 au niveau de la grille). Elles sont bien adaptées à certaines applications comme la gravure fine profonde ou l'érosion ionique uniforme de cibles.
Pour d'autres applications (nettoyage de surfaces sous vide, usinage ionique rapide, dépôt assisté par la production d'ions (I.A.D.)), il est préférable de diminuer l'énergie des ions et d'augmenter leur densité. Cela est possible avec les sources à dérive fermée d'électrons (sans grille).
Il existe trois types de sources à dérive fermée d'électrons :
  • les propulseurs stationnaires à plasma (SPT),
  • les propulseurs à couche d'anode (ALT),
  • la source d'ions brevetée par le Pr. Kaufman.
Cette dernière source est décrite dans le brevet européen 0 265 365. Elle utilise une anode conique et une contre-électrode axiale. Cette source est utilisée essentiellement pour l'I.A.D.
La Figure 1 décrit un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans un article de L. H. Artsimovitch et al. paru en 1974 dans "Machinostroenie", pp. 75-84, à propos du programme de développement du propulseur stationnaire et ses essais sur le satellite "METEOR".
De tels propulseurs du type "à dérive fermée d'électrons", ou propulseurs stationnaires à plasma, se distinguent des autres catégories par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accélération comporte un nombre égal d'ions et d'électrons , ce qui permet d'éliminer tout phénomène de charge d'espace.
Sur la Figure 1, on voit un canal annulaire 1 défini par une pièce 2 en matériau isolant et placé dans un électroaimant 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'électroaimant 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 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 6 d'injection de xénon, 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, xénon).
L'impulsion spécifique obtenue par des propulseurs ioniques classiques à dérive fermée d'électrons fonctionnant au xénon, est de l'ordre de 1000 à 2500 secondes.
Des propulseurs stationnaires à plasma développés par le Pr. Morozov ont été utilisés d'une manière intensive pour la propulsion spatiale.
La Figure 2 est une coupe axiale d'un exemple de propulseur développé par le professeur Morozov ayant fait l'objet d'une publication dans le document FR-A-2 693 770.
Ce propulseur 20 comprend, comme le propulseur de la Figure 1, un canal annulaire 21 défini par une pièce 22 en matériau isolant, un circuit magnétique comprenant des pièces annulaires exteme 24a et inteme 24b, une culasse magnétique 32 disposée à l'amont du propulseur et un noyau central 28 reliant les pièces annulaires 24a, 24b et la culasse magnétique 32. Des bobines 31 permettent de créer un champ magnétique et un champ électrique dans le canal annulaire. La cathode creuse 40 est couplée à un dispositif d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 21. Ce moteur se caractérise par la présence d'une chambre de tranquillisation 23 qui présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal annulaire principal 21. Une anode 25 est disposée sur les pièces isolantes 22 délimitant le canal annulaire 21, dans une zone située immédiatement en aval de la chambre de tranquillisation 23. Un distributeur annulaire de gaz ionisable 27 est disposé au fond de la chambre de tranquillisation 23.
Dans les moteurs classiques à dérive fermée d'électrons tels que décrits en référence à la Figure 1, une partie notable de l'ionisation est localisée dans la partie médiane. Une partie des ions percutent les parois, ce qui est une cause d'usure rapide des parois et diminue ainsi la durée de vie du propulseur. La distribution d'énergie des électrons dans le plasma peut être diminuée grâce à la répartition de champ magnétique imposée par ta géométrie des pièces polaires, qui agit sur les électrons entrant dans le canal. Il en résulte un potentiel électrique plus faible le long des lignes de champ magnétique, ce qui réduit la divergence du faisceau ionique sur les parois et ainsi évite des pertes d'ions par collision avec ces dernières, ce qui a pour effet d'augmenter le rendement et de réduire la divergence du faisceau à la sortie du moteur. En agissant sur le ratio des courants dans les bobines, on peut au contraire créer une répartition de champ (par exemple une variation monotone du champ radial dans le plan de sortie entre la pièce polaire extérieure et la pièce polaire intérieure) qui ne permettra pas d'atteindre le mode à faible divergence.
Une forte divergence de faisceau est bénéfique pour certaines applications industrielles comme l'IAD (Ion Assisted Déposition) sur des calottes sphériques.
Plus récemment encore, les caractéristiques des SPT ont été décrites dans plusieurs publications, dont "23rd International Electric Propulsion Conference (Seattle, septembre 1993) IEPC-93-222 "The Development and Characteristics of High Power SPT Models", S. Absalyamov, V. Kim et S. Khartov, Moscow Aviation Institute, Moscou, Russie; B. Arkhipov, S. Kudryavisev et N. Masiennikov, Fakel Enterprise Kaliningrad, Russie; T. Colbert et M. Day, Space Systems/Loral, Palo Alto, Californie; A. Morozov et A. Veselovzorov, Institute of Atomic Energy, Moscou, Russie.
Les propulseurs à couche d'anode, dits ALT, ont été décrits dans des publications russes, par exemple : Fizika Plasmi, Plasmennie uckoriteli i ionnie injectori, Moscou 1984 : Plasmennie uckoriteli c anodnim cloem, V.I. Garkusha, L. V. Leckov, E. A. Lyapin et, plus récemment, dans des conférences internationales
23ème conférence de l'IEPC
  • IEPC-93-227, "Physical Principles of Anode Layer Accelerators", A. Zharinov et E. Lyapin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie ;
  • IEPC-93-228, "Anode Layer Thruster : State of the Art Perspectives", E. Lyapin, V. Garkusha et A. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie ;
  • IEPC-93-229, "Special Feature of Dynamic Processes in a Single-Stage Anode Layer Thruster", E. Lyapin, V. Padogomova et S. Semenkin, Central Research Institute of Machine Building, Kaliningrad (Région de Moscou), Russie.
    • 30ème Conférence de l'AIAA sur la Propulsion
  • AIAA-94-3011, "Operating Characteristics of the Russian D-55 Thruster with Anode Layer", John M. Sankovic et Thomas W. Haag, NASA Lewis Research Center, Cleveland, Ohio et David H. Manzella, NYMA, Inc. Brook Park, Ohio.
    • La Figure 3 montre la coupe d'un propulseur à couche d'anode ALT. Le circuit magnétique est très proche de celui d'un propulseur stationnaire à plasma SPT de première génération. Il comprend une pièce polaire centrale 54 autour de laquelle est enroulée une bobine interne 61 servant de support au propulseur, et une pièce polaire annulaire externe 53, ces deux pièces polaires à la masse étant reliées par des noyaux magnétiques 60 supportant des bobines externes 62.
    A la différence des propulseurs stationnaires à plasma (SPT) dans lesquels les parois du canal d'accélération sont isolantes, les parois 56 du canal d'accélération 51 des propulseurs à couche d'anode ALT sont constituées d'un matériau conducteur métallique. Une anode massive 55 et une cathode 59 servent également à distribuer les gaz propulseurs. L'anode massive 55 occupe la majeure partie de la chambre d'accélération, le canal d'accélération 51 étant réduit à une zone très mince située entre l'anode massive 55 et les parois conductrices 56 (d'où le nom de propulseur à couche d'anode). En fait, toutes les parties du propulseur en contact avec la décharge sont métalliques.
    L'examen des propulseurs à plasma stationnaires SPT et des propulseurs à couche d'anode ALT montre qu'ils ne sont pas entièrement adaptés à un usage industriel.
    Comme on peut le voir sur la Figure 4A, qui concerne un propulseur à plasma classique à canal d'accélération intégralement défini par une pièce isolante 62, la surface interne délimitant le canal d'accélération se divise en deux zones sous l'influence du fonctionnement du propulseur. La zone aval 67, de longueur L (la longueur L pouvant présenter des valeurs de l'ordre de 5 à 7 mm pour un propulseur de diamètre 100 mm), correspond à une zone érodée en permanence par le bombardement ionique. La zone amont 68 correspond au contraire à une zone de dépôt des produits érodés.
    On a représenté sur la Figure 4B l'évolution de la valeur de la composante radiale de l'induction magnétique Br en fonction de la position axiale Z sur la surface cylindrique imaginaire 65 correspondant à un rayon moyen du canal d'accélération.
    La Figure 4C représente la valeur du potentiel V en fonction de la position axiale Z sur la même surface cylindrique imaginaire 65 correspondant à un rayon moyen du canal d'accélération.
    Si l'on considère simultanément les Figures 4A, AB, AC, on constate que la zone érodée 67 (Figure 4A) correspond à un champ magnétique radial Br élevé (Figure 4B).
    Au contraire, la zone de dépôt 68 (Figure 4A) correspond à un gradient de potentiel presque nul (Figure 4C) et à un champ magnétique radial Br relativement faible (Figure 4B).
    Le fonctionnement du propulseur est lié aux interactions plasma-paroi et en particulier aux caractéristiques d'émission secondaire de la paroi. Les propriétés d'émission secondaire peuvent être différentes dans les zones 67 et 68.
    Le canal des propulseurs à plasma comprenant du nitrure de bore, l'érosion de ce canal peut amener des atomes de bore sur le substrat à traiter. Cela peut être particulièrement gênant pour les applications microélectroniques car le bore est un dopant du silicium.
    Par ailleurs, pour les traitements industriels, il faut pouvoir adapter au gaz du traitement les matériaux en contact avec la décharge. Or, les propulseurs stationnaires à plasma, comme les propulseurs à couche d'anode, ont des anodes pratiquement indémontables, ce qui ne permet pas par exemple de passer facilement de l'oxygène à l'argon.
    Enfin, les propulseurs à plasma à canal d'accélération défini par des pièces intégralement en céramique, comme décrit en référence aux Figures 1, 2 et 4A, présentent des inconvénients dans la mesure où le canal en céramique doit obéir à des impératifs contradictoires : résistance à la pulvérisation ("sputtering"), tenue mécanique, résistance au gradient thermique et au choc thermique.
    En pratique, il en résulte une résistance à la pulvérisation par les ions conduisant à une durée de vie limitée du moteur.
    Par ailleurs, la nécessité de disposer d'une pièce en céramique assez épaisse pour assurer sa tenue mécanique, conduit à un éloignement relatif des pièces polaires pouvant nuire à la géométrie du champ.
    En outre la production industrielle de pièces de canal en céramique est délicate en raison de la forme compliquée de ces pièces.
    Un article de H. Kaufman intitulé "Theory of ion accélération with closed électron drift", paru dans le Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 21, n° 6, 1984, New York, U.S., pages 558-562, décrit par ailleurs un propulseur à couche d'anode dans lequel la cathode est à la masse alors que le circuit magnétique peut être à un potentiel flottant.
    Le document US-A-3 735 591 décrit un propulseur magnéto-plasma-dynamique comprenant une pièce polaire interne tubulaire située en amont d'un canal cylindrique et une pièce polaire externe conique située en aval du canal cylindrique.
    Objet et description succincte de l'invention
    La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients des sources d'ions à dérive fermée d'électrons connues et, plus particulièrement, de les modifier pour permettre une plus grande souplesse d'utilisation. Les perfectionnements de l'invention visent en particulier à réduire la masse de ces sources tout en augmentant leur longévité, à simplifier la fabrication de ces sources tout en facilitant leur démontabilité et à accroítre leur résistance mécanique.
    L'invention vise encore à réduire l'émission de particules résultant de l'érosion des parois du canal d'accélération de telle sorte que ces sources puissent être susceptibles d'être utilisées de façon efficace comme sources d'ions dans des traitements industriels à grande échelle, alors que leur structure limitait jusqu'à présent leur utilisation essentiellement à la propulsion de satellites ou autres engins spatiaux.
    Tous ces avantages sont atteints grâce à une source d'ions à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération ouvert à son extrémité aval, au moins une cathode creuse de compensation disposée à l'extérieur du canal annulaire principal, des moyens de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, adaptés pour produire dans ledit canal un champ magnétique essentiellement radial présentant un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval du canal, un premier moyen d'alimentation en gaz ionisable associé à la cathode creuse et un deuxième moyen d'alimentation en gaz ionisable situé en amont du canal annulaire principal, et des moyens de polarisation coopérant avec une anode, caractérisée en ce que le canal annulaire principal de cette source est constitué d'un matériau électriquement conducteur, et en ce que des anneaux de garde portés à un potentiel plus bas que celui de l'anode prolongent le canal annulaire en aval de celui-ci, ces anneaux de garde protégeant des pièces polaires centrale et périphérique faisant partie desdits moyens de création d'un champ magnétique et délimitant un entrefer dans lequel le champ magnétique radial agit avec une induction maximale.
    Dans la mesure où c'est surtout la partie aval du canal qui est soumise à l'érosion intensive des ions, pouvant ainsi entraíner une éventuelle pollution du substrat à traiter par les produits d'érosion, selon l'invention, on peut réaliser la partie aval prolongeant le canal à l'aide d'un matériau différent de celui de la partie amont du canal annulaire principal qui, elle, doit être essentiellement compatible avec le gaz plasmagène partiellement ionisé.
    Selon un premier mode de réalisation de l'invention, une partie au moins du canal annulaire principal est polarisée électriquement par les moyens de polarisation de manière qu'une partie au moins de la paroi interne du canal annulaire principal constitue directement ladite anode.
    Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération est un ensemble monobloc constitué d'un matériau électriquement conducteur.
    De façon plus particulière, le canal annulaire principal constitue un bloc canal annulaire principal fermé en amont par une chambre de tranquillisation alimentée en gaz plasmagène par ledit deuxième moyen d'alimentation en gaz qui comprend un distributeur annulaire relié à une canalisation d'alimentation.
    Selon un mode particulier de réalisation, les moyens de création d'un champ magnétique comprennent un circuit magnétique constitué par une culasse sur laquelle est fixé le bloc canal annulaire principal, ladite culasse comprenant un noyau axial supportant une pièce polaire inférieure centrale et une pièce polaire supérieure centrale concentriques avec le bloc canal annulaire principal, ladite culasse comprenant d'autre part une pluralité de tirants disposés autour du bloc canal annulaire une fois que celui-ci est monté sur la culasse, lesdits tirants supportant une pièce polaire supérieure périphérique, lesdites pièces polaires supérieures centrale et périphérique constituant lesdites pièces polaires délimitant un entrefer dans lequel le champ magnétique radial agit avec une induction maximale, lesdits anneaux de garde protégeant les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma. Les anneaux de garde disposés à l'embouchure du canal annulaire principal sont amovibles.
    Avantageusement, le bloc canal annulaire principal est isolé électriquement et thermiquement par le vide par rapport aux éléments du reste de la source d'ions comprenant des écrans électrostatiques, l'espace entre le bloc canal annulaire et les éléments du reste de la source d'ions étant compris entre 1 et 5 mm.
    Selon un autre aspect de l'invention, le bloc canal annulaire démontable est fixé sur la culasse magnétique par une pluralité de colonnettes constituées d'un matériau isolant thermique et maintenues en place par des isolateurs démontables.
    Selon un autre mode particulier de réalisation, les pièces polaires supérieures comprennent des anneaux de garde amovibles disposés à l'embouchure du canal annulaire principal.
    Dans ce cas, avantageusement, les anneaux de garde sont réalisés dans l'un des matériaux conducteurs suivants: carbone, composite carbone-carbone, alliage de nickel, métal noble, composite céramique constitué de nitrures liés par silicium, silicium, acier inoxydable, aluminium.
    Selon une autre possibilité, les anneaux de garde sont réalisés dans l'un des matériaux isolants suivants : nitrure de bore, alumine, quartz.
    Le bloc canal annulaire principal est réalisé dans l'un des matériaux conducteurs suivants : alliage de nickel réfractaire, molybdène, composite carbone-carbone.
    Selon un autre mode particulier de réalisation, la paroi interne du bloc canal annulaire est plaquée d'un métal noble tel que le platine, l'or ou le rhodium afin d'éliminer les attaques chimiques dues aux gaz présents dans ledit canal.
    Selon encore un autre mode particulier de réalisation de l'invention, la paroi du canal annulaire principal est en un matériau électriquement conducteur, et est isolée électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode.
    Dans ce cas, avantageusement, les anneaux de garde sont constitués d'un matériau diélectrique recouvrant en partie le canal annulaire principal.
    Plus particulièrement, les anneaux de garde sont réalisés sous forme d'inserts en matériau céramique qui sont fixés par l'intermédiaire de supports sur les pièces polaires.
    Les parois électriquement conductrices du canal annulaire et de la chambre de tranquillisation sont à un potentiel flottant légèrement inférieur à celui de l'anode. Cette disposition permet de diminuer les interactions plasma-paroi, donc l'échauffement du canal. Ce dernier peut par conséquent être réalisé en tôle relativement mince.
    Le bloc canal est maintenu vis-à-vis du circuit magnétique par des colonnettes en matériau faiblement conducteur. L'anode est maintenue vis-à-vis du bloc canal par des isolateurs et alimentée par un conducteur dans l'axe d'une des colonnettes.
    L'alimentation en gaz est au potentiel du bloc canal.
    Brève description des dessins
    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 montrant un exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur ;
    • la Figure 2 est une vue en coupe axiale montrant un autre exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur ;
    • la Figure 3 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à couche d'anode selon l'art antérieur ;
    • la Figure 4A est une vue partielle en coupe axiale d'un propulseur à plasma de l'art antérieur montrant l'érosion de la partie aval du canal ;
    • la Figure 4B est un diagramme donnant la valeur de la composante radiale Br de l'induction magnétique en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon moyen du canal de la Figure 4A ;
    • la Figure 4C est un diagramme donnant la valeur du potentiel électrique V du plasma en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon du canal de la Figure 4A ;
    • la Figure 5 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 6A est une coupe schématique afin d'expliciter le fonctionnement de la source d'ions selon l'invention ;
    • la Figure 6B est un diagramme donnant la valeur du potentiel électrique V du plasma en fonction de la position Z selon une direction axiale correspondant au rayon moyen du canal de la Figure 6A ;
    • la Figure 7 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions montrant une disposition alternative du premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 8 est une vue en perspective montrant le montage des différents éléments constituant la source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention ;
    • la Figure 9 est une vue en demi-coupe axiale en perspective d'une source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention, montrant l'alimentation du canal en solide sublimable ;
    • la Figure 10 est une vue en demi-coupe axiale du canal annulaire d'une source d'ions selon le premier mode de réalisation de l'invention, montrant le dépôt partiel d'une couche isolante sur les parois internes du canal annulaire ;
    • la Figure 11 est une vue en coupe axiale d'une source d'ions à dérive fermée d'électrons selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
    • la Figure 12 est une vue de détail montrant un exemple de liaison brasée pouvant être réalisée entre un insert en matériau diélectrique et un support électriquement conducteur assurant le centrage du canal d'accélération d'une source d'ions selon le deuxième mode de réalisation de l'invention.
    Description détaillée de modes particuliers de réalisation
    On se reportera tout d'abord à la Figure 5 qui montre une vue d'ensemble, en coupe axiale, d'un premier exemple de source d'ions à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention.
    La conception et la réalisation d'un canal annulaire sont notablement simplifiées par rapport au cas d'une source à usage spatial telle que celle de la Figure 2.
    Une chambre de tranquillisation 123, qui est de dimensions réduites, et la partie amont d'un canal annulaire principal d'accélération forment un ensemble métallique monobloc 122 qui sera dénommé ci-après "bloc canal" et qui joue en particulier le rôle d'une anode 125.
    Un circuit magnétique, constitué par une culasse 136, un noyau axial 138, une pièce polaire 132, une pièce polaire interne 135, des tirants 137 et une pièce polaire externe 134, détermine un champ magnétique maximal dans l'entrefer défini par les pièces polaires 134, 135.
    Ce champ comprend un minimum au voisinage de la pièce polaire 132. Le champ est créé par une bobine interne 133 et une ou plusieurs bobines externes 131, ce qui permet d'ajuster sa distribution et de régler ainsi la divergence du faisceau d'ions.
    Le bloc canal 122 comprend, à sa partie amont, une chambre de tranquillisation 123 qui est équipée d'une rampe d'injection de gaz 127 alimentée par une canalisation 126. Ce bloc canal 122 servant d'anode 125 est maintenu par au moins trois colonnettes 121, l'une d'elles pouvant être constituée par la canalisation 126 elle-même. Ces colonnettes 121, 126 sont fixées sur des isolateurs 145 par des écrous 146. Les colonnettes 121, 126 peuvent ainsi être désolidarisées des isolateurs 145 pour permettre le démontage du bloc canal annulaire 122. Des caches électrostatiques 147, 148, 154 permettent d'empêcher les décharges. L'arrivée de gaz est effectuée à l'aide d'une tubulure à la masse 150, d'un isolateur 151 et d'un raccord comprenant un joint 152 et un écrou 153. Cet ensemble est logé dans une embase 130 qui sert de support à la source.
    La décharge électrique produisant le faisceau d'ions s'établit entre une cathode creuse 140 alimentée en gaz rare et le bloc canal 122 formant l'anode 125, alimenté par un gaz pur ou un mélange de gaz, l'un au moins de ces gaz pouvant être réactif.
    La nature du matériau du canal 122 peut être adaptée au gaz à ioniser alors que la nature des anneaux de garde 164, 165 qui sont placés dans le prolongement du bloc canal 122, en aval de celui-ci et qui sont soumis à l'érosion des ions, peut être adaptée à la fois à la nature du gaz et aux exigences du substrat à traiter (par exemple semiconducteur ou couche mince optique). A ce titre, ces anneaux de garde amovibles 164, 165, qui sont disposés respectivement dans les pièces polaires externe 134 et interne 135, peuvent être réalisés en carbone (présentant un faible taux d'érosion), en matériaux composites céramiques (tel qu'un composite constitué de silicium, de nitrure de silicium et de nitrure de titane) en aluminium, en acier inoxydable, en métal noble (tel que le platine ou l'or).
    Des écrans 139, 159, 160, disposés à l'extérieur du bloc canal 122, jouent à la fois un rôle thermique et électrostatique vis-à-vis du bloc canal 122. Ils empêchent l'échauffement excessif des pièces polaires et des bobines et déterminent, autour du bloc canal 122, un champ interdisant les décharges. Le canal annulaire principal 122 est ainsi isolé électriquement et thermiquement du reste de la source 139, 159, 160 par le vide, l'espace entre le canal annulaire 122 et le reste de la source étant compris typiquement entre 1 et 5mm.
    Des essais montrent qu'avec un bloc canal 122 réalisé entièrement en matériau conducteur coopérant en aval avec des pièces terminales 134, 135, 164, 165 portées à un potentiel différent moins élevé, en l'occurrence à la masse, on obtient un profil du potentiel du plasma le long de l'axe médian du canal 122 (Figure 6B) pratiquement identique à celui des propulseurs stationnaires à plasma (SPT) de première génération (Figure 4C). Il est donc possible de générer une accélération progressive des ions dans un canal formé de deux zones portées à des potentiels différents. Le profil du champ magnétique dans le plasma est déterminé par l'épaisseur des anneaux de garde 164, 165 protégeant les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma.
    La détermination de la nature de la paroi du canal selon la nature du traitement industriel utilisant les ions produits par la source, est essentiellement un problème chimique dû à la réaction de la paroi avec le gaz plasmagène partiellement ionisé. Avec une source d'ions conforme à l'invention, il est maintenant possible, grâce aux parois en matériau conducteur, d'utiliser cette source pour toute une gamme de traitements pour lesquels les sources conventionnelles à canal en matériau céramique étaient peu recommandables.
    L'isolation électrique du bloc canal 122 par rapport à la culasse est réalisée par l'intermédiaire des trois colonnettes 121 munies d'isolateurs 145. L'isolation électrique des faces avant, latérales et arrière du bloc canal 122 vis-à-vis des pièces à la masse (c'est-à-dire les pièces polaires 134 et 135 et les écrans thermiques 139 et 159) est assurée par le vide. En effet, la faible distance entre ces parois (de l'ordre du millimètre) et la faible pression (2.10-4 à 5.10-4 mbar) conduisent à une tension de décharge très supérieure à la tension de fonctionnement (selon la loi de Paschen).
    Le bloc canal 122 reçoit le flux thermique, rayonné et dissipé (résultant des collisions inélastiques d'ions et d'électrons) par le plasma. Cela correspond à une puissance de quelques centaines de watts pour une source de 1,5 kW. Afin d'éviter un échauffement excessif des pièces polaires (dont la température doit toujours rester inférieure au point de Curie) des bobines et des organes de liaison démontables 145, 153, 152, les pertes thermiques du bloc canal 122 formant l'anode 125, vers le reste de la source, sont limitées par des dispositions constructives particulières.
    Ainsi, la seule liaison conductive avec la source est constituée par les colonnettes support creuses 121 et le conduit d'arrivée de gaz 126.
    Ces colonnettes peuvent être réalisées en matériau faiblement conducteur (acier inoxydable, Inconel), de sorte que le flux thermique conduit peut être très réduit.
    En outre, il faut noter que ces colonnettes (et/ou le conduit d'arrivée de gaz) autorisent une dilatation différentielle du bloc canal 122 formant l'anode 125 vis-à-vis de la culasse magnétique 136.
    Par ailleurs, le flux thermique rayonné est limité :
  • (a) en donnant une faible émissivité aux faces externes du bloc canal 122 formant l'anode 125 (par exemple par polissage de ces faces externes),
  • (b) en disposant un écran antirayonnement 159 entre le bloc canal 122 formant l'anode 125 et la bobine 133, cet écran jouant aussi le rôle d'écran électrostatique ;
  • (c) en disposant un écran externe 139 qui prévient le rayonnement sur les bobines 131 et la pièce polaire 134.
    • Cet écran peut être par exemple soit un bloc massif 139, tel qu'on peut le voir sur la Figure 5, rejetant le flux thermique sur une grande surface, soit un écran muni de fenêtres grillagées 179, représenté sur la Figure 7, permettant le rayonnement direct du bloc canal 122 formant l'anode 125 dans un certain angle solide.
    Le démontage du bloc canal est facilité par les dispositions constructives de la source, comme le montre la Figure 8.
    La partie qui prolonge le bloc canal 122 en aval de celui-ci est divisée en deux anneaux amovibles et interchangeables. L'anneau externe 164 est monté par vis sur la pièce polaire externe 134, alors que l'anneau interne 165 est bloqué en position par la pièce polaire interne 135. Pour changer les anneaux 164 et 165, il suffit donc de démonter les pièces polaires.
    Le distributeur de gaz 127 est partie intégrante de la chambre de tranquillisation 123.
    Le bloc canal 122 constitue lui aussi une pièce métallique facilement interchangeable. Pour démonter le bloc canal 122, il faut d'abord retirer l'ensemble constitué par la pièce polaire externe 134, l'anneau de garde 164 et l'écran 139 et l'ensemble constitué par la pièce polaire interne 135 et l'anneau de garde 165. Ce premier niveau de démontage peut s'effectuer sans déréglage en maintenant la source en place.
    Il suffit ensuite d'enlever les capots 148 et 154 pour accéder aux écrous 146 permettant de désolidariser les colonnettes 121 et la tubulure 126 pour extraire axialement le bloc canal 122.
    La liaison entre l'alimentation en gaz et le tube 126 est hermétique. Un joint plat 152 assure l'étanchéité entre les deux parties. Il est écrasé par l'écrou 153. Afin de permettre un accès facile aux écrous 146 et 153, l'embase 130 est démontable (Figure 5). Elle est munie d'un orifice de dégazage 176 grillagé, afin d'interdire l'entrée du plasma régnant dans la chambre à vide à l'intérieur de l'espace formé par l'embase 130 et la culasse magnétique 136. Le câble 143 de polarisation de l'anode 125 et l'alimentation en gaz 150 passent de manière avantageuse dans l'interface entre la culasse 136 et l'embase 130 afin de ne pas entraver le démontage de cette dernière.
    La Figure 9 montre un dispositif permettant d'alimenter le bloc canal 122 en particules 195 d'un solide sublimable sous vide (métaux à forte tension de vapeur, oxydes volatils). Cela permet d'ioniser ces vapeurs (partiellement) pour réaliser des dépôts sous vide, réactifs ou non.
    Afin d'assurer un contrôle thermique fin du bloc canal 122, on pourra munir l'écran exteme 139 d'un élément chauffant 191. On notera que la forme de la chambre de tranquillisation affecte celle d'un creuset ce qui permet d'uniformiser le flux de vapeur. Au besoin, on peut introduire dans cette chambre une corniche conique 192.
    La Figure 10 montre une variante du bloc canal 122 muni d'un dépôt isolant interne 193 délimitant la zone conductrice 198 constituant l'anode 125 en face du minimum de champ.
    La Figure 11 montre une vue d'ensemble, en coupe axiale, d'un second exemple de source d'ions à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention.
    Cette source d'ions comprend les éléments constitutifs suivants : une cathode creuse de compensation 240 disposée à l'extérieur de la source proprement dite, en aval de celle-ci ; un circuit magnétique comprenant une culasse 236 disposée à l'amont de la source et des barres de liaison 237, 238 reliant la culasse 236 à des pièces polaires exteme 234 et inteme 235 en forme d'anneaux, disposées en aval de la source d'ions ; des moyens 231, 233 de création de force magnétomotrice constitués par des bobines pouvant être disposées par exemple autour de certaines des barres de liaison 237, 238 et de pièces polaires auxiliaires 232, 239 déterminant un minimum de champ au voisinage de l'anode; un bloc canal annulaire 222 d'ionisation et d'accélération, délimité à l'aval par des parois cylindriques externe 281 et interne 282 métalliques, et prolongé dans la zone d'accélération par deux pièces annulaires 264, 265 en matériau diélectrique (céramique) maintenues vis-à-vis des pièces polaires internes 235 et externes 234, soit par montage mécanique (positionnement entre la pièce polaire et une pièce métallique de maintien), soit par brasage de chaque anneau en céramique 264, 265 sur un support métallique lui-même fixé par vis sur la pièce polaire correspondante 234, 235.
    Le fond de la chambre de tranquillisation reçoit une anode cylindrique 225 et un distributeur de gaz 227, l'anode 225 étant maintenue en place par des isolateurs 283, comprimés par le distributeur 227 contre le fond de la chambre à l'aide de tirants 221 et d'entretoises 221a.
    Ces ensembles tirants-entretoises 221, 221a sont montés sur des isolateurs 245 assurant le positionnement vis-à-vis du circuit magnétique (et plus particulièrement la culasse 236).
    Le distributeur 227 est alimenté en gaz par une canalisation 226 et un raccord 252 monté sur un isolateur 245.
    La polarisation de l'anode est assurée par un tirant 221b et un fil de polarisation 243.
    L'anode 225 et le distributeur 227 restent aisément démontables.
    La source d'ions comprend en outre des écrans électrostatiques conducteurs 259, 339 qui enveloppent le canal annulaire 222.
    Les écrans 259, 339 peuvent coulisser à leur extrémité aval respectivement sur l'anneau céramique externe 264 et l'anneau céramique interne 265.
    Il en est de même du canal 222 dont les extrémités peuvent être munies d'un fil métallique éliminant les effets de pointe, donc les risques de décharge.
    L'espace libre créé entre les écrans électriquement conducteurs 259, 339 et les parois métalliques 281, 282 présente une largeur à peu près constante (typiquement comprise entre 1 et 5mm) de manière à éviter un risque de décharge électrique entre les parois 281, 282 et les écrans 259, 339. Les écrans 259, 339 peuvent être munis d'un grillage de manière à permettre le dégazage de l'espace compris entre ces écrans et les parois 281, 282.
    Les pièces terminales 264, 265 présentent une longueur le long du canal d'accélération 222 qui s'étend au moins sur une zone correspondant à la longueur L de la Figure 4, c'est-à-dire sur la zone d'érosion due aux ions.
    Comme on peut le voir sur la Figure 11, les parois électriquement conductrices 281, 282 définissent une largeur du canal d'accélération 222, dans le sens radial, qui peut être supérieure à la largeur du canal d'accélération 222 définie dans le sens radial par les pièces terminales 264, 265 en matériau diélectrique.
    En effet, cette disposition permet d'éviter l'apparition d'une discontinuité due à la transition zone de dépôt/zone d'érosion, le dépôt se produisant d'une manière progressive sur les surfaces 281 et 282.
    Cependant, il faut noter que l'on peut réaliser aussi une source où les surfaces 281 et 282 seraient au diamètre des pièces terminales 264, 265 ou même à un diamètre inférieur (281) et supérieur (282) avec un raccordement conique, ceci permettant de diminuer l'entrefer des pièces polaires auxiliaires 232, 239.
    Comme on peut le voir sur la Figure 11, les parois électriquement conductrices 281, 282 sont reliées électriquement entre elles par un fond conducteur 270 constituant, avec les parois conductrices 281, 282, un ensemble monobloc qui peut lui-même être solidaire de l'ensemble 227 distributeur de gaz.
    Les surfaces cylindriques 281 et 282 sont reliées au fond de chambre 270 par des rayons de courbure assurant une surface lisse évoluant de façon progressive. Ainsi, le champ électrique entre les surfaces conductrices 281, 282 et les écrans conducteurs 259, 339, qui sont à la masse, ne subit pas d'augmentation notable pouvant amener un claquage.
    La partie amont du canal d'accélération 222 est séparée des pièces polaires 232, 239 ainsi que des écrans électrostatiques 259, 339 par un espace vide. Ainsi, comme dans le cas du mode de réalisation de la figure 5, le canal annulaire principal 222 est isolé électriquement et thermiquement du reste de la source 259, 339, 232, 239, 236 par le vide, l'espace entre le canal annulaire principal 222 et le reste de la source étant compris typiquement entre 1 et 5mm. Dans le mode de réalisation de la figure 11, les parois 281, 282 du canal annulaire 222 sont isolées électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode 225.
    II est aussi possible d'amener les pièces polaires auxiliaires 232, 239 au contact des écrans électrostatiques 259, 339, toujours dans le but de diminuer l'entrefer et d'améliorer le contrôle du profil de champ magnétique.
    - La surface externe des parois 281, 282, 270 ainsi que les surfaces externe et interne des écrans 259, 339 peuvent être polies de manière à diminuer les pertes radiatives radiales. Cela permet en particulier de diminuer le flux thermique sur la bobine centrale 233 (Figure 11).
    Selon une variante de réalisation, la surface exteme de la paroi externe 281 de la chambre, et celle-ci seulement, peut être au contraire recouverte d'un revêtement à haute émissivité, de même que les faces de l'écran 339, la partie de l'écran 259, qui fait face à la paroi inteme 282, restant polie. Cette disposition améliore le refroidissement par rayonnement du canal conducteur tout en interdisant l'échauffement de la bobine centrale 233.
    La durée de vie et l'efficacité de la source d'ions dépendent des phénomènes fonctionnels qui interviennent au sein de la couche d'ionisation.
    Le phénomène principal qui détermine la durée de vie est l'érosion des pièces terminales 264, 265 de l'ensemble chambre de décharge-canal d'accélération 222, du fait de la projection sur les parois des ions qui ont été accélérés.
    Les caractéristiques d'intégrité de la source d'ions à dérive fermée d'électrons sont largement déterminées par la géométrie et l'intensité du champ magnétique dans le canal d'accélération et restent stables même lorsque la partie aval de sortie de la chambre de décharge s'est élargie par suite de la projection des ions (voir Figure 4A). Une dégradation sensible de l'efficacité de fonctionnement du propulseur n'est observée que lorsqu'une projection complète des ions a été effectuée sur les parois de la chambre de décharge dans l'espace interpôles du système magnétique et lorsque les pôles 234, 235 eux-mêmes ont subi des projections significatives. Dans ce cas, les modifications de la topologie et de l'intensité du champ magnétique sont les principales causes de la dégradation des performances.
    Dans le cas de la présente invention, on utilise, pour les pièces terminales 264, 265 des parois de l'ensemble chambre de décharge-canal d'accélération, des inserts en matériau diélectrique suffisamment épais qui présentent une résistance accrue à la pulvérisation par des ions accélérés, ce qui augmente la durée de vie de l'ensemble de la source d'ions.
    Dans les sources d'ions à dérive fermée d'électrons traditionnelles, on choisit, pour constituer les parois de la chambre de décharge (Figure 4A), des matériaux présentant une résistance élevée aux chocs thermiques et aux projections d'ions accélérés. On sait que les céramiques en oxyde d'aluminium (alumine) présentent une très grande résistance aux projections d'ions accélérés, mais présentent une résistance thermique insuffisante, qui conduit rapidement à des fissurations des parois de la chambre à la suite de plusieurs cycles de démarrage de la source. Ces effets sont attribués au gradient de température élevé qui se produit lors du démarrage, le long des parois relativement minces de la chambre. Toutefois, dans le cas où, comme selon la présente invention, on n'utilise que des inserts 264, 265 de relativement faibles dimensions, réalisés sous la forme d'anneaux disposés au voisinage de la sortie de la chambre, il est possible d'obtenir des inserts en alumine présentant une résistance thermique satisfaisante.
    Par ailleurs, compte tenu de la forme de la courbe (Figure 4C) du potentiel de plasma V, qui reste sensiblement constante aussi longtemps que la composante radiale Br de l'induction magnétique reste inférieure à 0,6 Brmax ou 0,8 Brmax, suivant le régime de fonctionnement, où Brmax désigne la valeur maximale de cette composante radiale Br (Figure 4B), la substitution, conformément à l'invention, d'une paroi conductrice 281, respectivement 282, à une paroi en matériau diélectrique pour la zone de la chambre de décharge correspondant à la partie sensiblement constante de la courbe V n'affecte pas de façon sensible le processus fonctionnel au sein de la source. Cela a été vérifié par divers essais de fonctionnement.
    Le fait que les parois conductrices interne 282 et externe 281 sont isolées électriquement du reste de la structure de la source d'ions, permet de conférer une grande stabilité au processus de fonctionnement de la source d'ions et d'égaliser les paramètres du plasma dans la zone proche de l'anode 225.
    Dans certains cas, les parois 281, 282 peuvent toutefois être également connectées à l'anode 225 par une résistance électrique.
    La mise en oeuvre de parois électriquement conductrices 281, 282, en métal ou matériau composite, conduit à une réduction de la masse de l'ensemble de la source d'ions.
    Il convient toutefois de prendre en compte le fait que les parois électriquement conductrices 281, 282 présentent un potentiel voisin de celui de l'anode tandis qu'en fonctionnement les éléments structuraux du système magnétique (éléments 236, 237, 238) vont se trouver à un potentiel voisin de celui de la cathode. C'est pour éviter l'apparition de décharges électriques entre le système magnétique et la chambre que celle-ci est entourée des écrans conducteurs 339, 259 qui sont placés à une faible distance à peu près constante des parois 281, 282 et 270.
    La réalisation d'une liaison très résistante entre les pièces de céramique 264, 265 et les pièces support 274, 275 peut être obtenue par brasage.
    La Figure 12 donne un exemple de liaison brasée permettant d'autoriser une dilatation différentielle entre une pièce 264, respectivement 265, et un support métallique 274, respectivement 275, tout en respectant les impératifs de champ électrique entre l'écran 339 respectivement 259 et la paroi 281, respectivement 282.
    A cet effet, le support 274 comporte une extrémité retournée 272 qui est mouillée par la brasure 271 et le support 275 peut être réalisé de façon identique.

    Claims (21)

    1. Source d'ions à dérive fermée d'électrons comprenant un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (122) ouvert à son extrémité aval, au moins une cathode creuse de compensation (140) disposée à l'extérieur du canal annulaire principal (122), des moyens (131, 132, 133, 134, 135, 136, 137) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire principal, adaptés pour produire dans ledit canal (122) un champ magnétique essentiellement radial présentant un gradient avec une induction maximale à l'extrémité aval du canal (122), un premier moyen d'alimentation en gaz ionisable associé à la cathode creuse et un deuxième moyen d'alimentation en gaz ionisable (126, 150, 151) situé en amont du canal annulaire principal (122) et des moyens de polarisation (143, 121) coopérant avec une anode (125),
         caractérisée en ce que le canal annulaire principal (122) de cette source est constitué d'un matériau électriquement conducteur, et en ce que des anneaux de garde (164, 165) portés à un potentiel plus bas que celui de l'anode (125) prolongent le canal annulaire (122) en aval de celui-ci, ces anneaux de garde protégeant des pièces polaires centrale (135) et périphérique (134) faisant partie desdits moyens de création d'un champ magnétique et délimitant un entrefer dans lequel le champ magnétique radial agit avec une induction maximale.
    2. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce qu'une partie au moins du canal annulaire principal (122) est polarisée électriquement par les moyens de polarisation (143, 121) de sorte qu'une partie au moins de la paroi interne du canal annulaire principal (122) constitue directement ladite anode (125).
    3. Source d'ions selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisée en ce que le canal annulaire principal (122) est isolé électriquement et thermiquement par le vide par rapport aux éléments du reste de la source d'ions comprenant des écrans électrostatiques (159, 160, 139; 259, 339), l'espace entre le canal annulaire principal (122 ; 222) et les éléments du reste de la source d'ions étant compris entre 1 et 5 mm.
    4. Source d'ions selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisée en ce que le canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération (122) est un ensemble monobloc constitué d'un matériau électriquement conducteur.
    5. Source d'ions selon la revendication 4, caractérisée en ce que le canal annulaire principal (122) constitue un bloc canal annulaire principal fermé en amont par une chambre de tranquillisation (123) alimentée en gaz plasmagène par ledit deuxième moyen d'alimentation en gaz qui comprend un distributeur annulaire (127) relié à une canalisation d'alimentation (126, 150).
    6. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent un circuit magnétique constitué par une culasse (136) sur laquelle est fixé le bloc canal annulaire principal (122), ladite culasse (136) comprenant un noyau axial (138) supportant une pièce polaire inférieure centrale (132) et une pièce polaire supérieure centrale (135) concentriques avec le bloc canal annulaire principal (122), ladite culasse (136) comprenant d'autre part une pluralité de tirants (137) disposés autour du bloc canal annulaire une fois que celui-ci est monté sur la culasse, lesdits tirants supportant une pièce polaire supérieure périphérique (134), lesdites pièces polaires supérieures centrale (135) et périphérique (134) constituant lesdites pièces polaires délimitant un entrefer dans lequel le champ magnétique radial agit avec une induction maximale, lesdits anneaux de garde (164, 165) protégeant les pièces polaires de l'érosion ionique du plasma.
    7. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que le bloc canal annulaire (122) démontable est fixé sur la culasse magnétique (136) par une pluralité de colonnettes (121, 126) constituées d'un matériau isolant thermique, et maintenues en place par des isolateurs (145) démontables.
    8. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) disposés à l'embouchure du canal annulaire principal sont amovibles.
    9. Source d'ions selon la revendication 8, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) sont réalisés dans l'un des matériaux conducteurs suivants : carbone, composite carbone-carbone, alliage de nickel, métal noble, composite céramique constitué de nitrures liés par silicium, silicium, acier inoxydable, aluminium.
    10. Source d'ions selon la revendication 8, caractérisée en ce que les anneaux de garde (164, 165) sont réalisés dans l'un des matériaux isolants suivants : nitrure de bore, alumine, quartz.
    11. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que le bloc canal annulaire principal (122) est réalisé dans l'un des matériaux conducteurs suivants : alliage de nickel réfractaire, molybdène, composite carbone-carbone.
    12. Source d'ions selon la revendication 5, caractérisée en ce que la paroi interne du bloc canal annulaire est plaquée d'un métal noble tel que le platine, l'or ou le rhodium afin d'éliminer les attaques chimiques dues aux gaz présents dans ledit canal.
    13. Source d'ions selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de création d'un champ magnétique comprennent en outre des bobines d'inductions (131, 133) ou des aimants permanents intercalés dans le circuit magnétique.
    14. Source d'ions selon la revendication 13, caractérisée en ce que des bobines d'induction (131, 133) sont montées sur les tirants (137).
    15. Source d'ions selon la revendication 13, caractérisée en ce qu'une bobine torique (133) munie d'un écran magnétique annulaire est montée autour du noyau axial (138).
    16. Source d'ions selon la revendication 1, caractérisée en ce que la paroi (281, 282) du canal annulaire principal (222) est en un matériau électriquement conducteur, et est isolée électriquement du reste des éléments structurels de la source, y compris l'anode (225).
    17. Source d'ions selon la revendication 16, caractérisée en ce que les anneaux de garde (264, 265) sont constitués d'un matériau diélectrique recouvrant en partie le canal annulaire principal (222).
    18. Source d'ions selon la revendication 17, caractérisée en ce que les anneaux de garde (264, 265) sont réalisés sous la forme d'inserts en matériau céramique qui sont fixés par l'intermédiaire de supports (274, 275) sur les pièces polaires (234, 235).
    19. Source d'ions selon la revendication 18, caractérisée en ce que la paroi électriquement conductrice (281, 282) définit une largeur du canal annulaire (222) dans le sens radial qui est supérieure à la largeur du canal annulaire (222) définie dans le sens radial au niveau des anneaux de garde (264, 265).
    20. Source d'ions selon l'une quelconque des revendications 16 à 19, caractérisée en ce que les parties de plus grand diamètre et de plus faible diamètre de la paroi électriquement conductrice (281, 282) du canal annulaire (222) sont reliées électriquement entre elles par un fond conducteur constituant avec lesdites parties de la paroi électriquement conductrice (281, 282) un ensemble monobloc (281, 282, 270), lequel ensemble monobloc est à un potentiel flottant légèrement inférieur à celui de l'anode (225).
    21. Source d'ions selon la revendication 20, caractérisée en ce que les parties de plus grand diamètre et de plus petit diamètre de la paroi électriquement conductrice (281, 282) du canal annulaire (222) sont reliées au fond conducteur (270) par des rayons de courbure assurant une surface lisse.
    EP96402873A 1995-12-29 1996-12-23 Source d'ions à dérive fermée d'électrons Expired - Lifetime EP0781921B1 (fr)

    Applications Claiming Priority (2)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    FR9515718 1995-12-29
    FR9515718A FR2743191B1 (fr) 1995-12-29 1995-12-29 Source d'ions a derive fermee d'electrons

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0781921A1 EP0781921A1 (fr) 1997-07-02
    EP0781921B1 true EP0781921B1 (fr) 2002-05-29

    Family

    ID=9486129

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP96402873A Expired - Lifetime EP0781921B1 (fr) 1995-12-29 1996-12-23 Source d'ions à dérive fermée d'électrons

    Country Status (5)

    Country Link
    US (1) US5945781A (fr)
    EP (1) EP0781921B1 (fr)
    DE (1) DE69621411T2 (fr)
    FR (1) FR2743191B1 (fr)
    UA (1) UA43863C2 (fr)

    Families Citing this family (38)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US5892329A (en) * 1997-05-23 1999-04-06 International Space Technology, Inc. Plasma accelerator with closed electron drift and conductive inserts
    FR2782884B1 (fr) * 1998-08-25 2000-11-24 Snecma Propulseur a plasma a derive fermee d'electrons adapte a de fortes charges thermiques
    US6150764A (en) * 1998-12-17 2000-11-21 Busek Co., Inc. Tandem hall field plasma accelerator
    WO2000063459A1 (fr) * 1999-04-17 2000-10-26 Advanced Energy Industries, Inc. Appareil et procede de depot cda
    US6259102B1 (en) * 1999-05-20 2001-07-10 Evgeny V. Shun'ko Direct current gas-discharge ion-beam source with quadrupole magnetic separating system
    US6664739B1 (en) * 1999-08-02 2003-12-16 Advanced Energy Industries, Inc. Enhanced electron emissive surfaces for a thin film deposition system using ion sources
    TW503442B (en) * 2000-02-29 2002-09-21 Applied Materials Inc Coil and coil support for generating a plasma
    RU2187218C1 (ru) * 2001-05-16 2002-08-10 Алексеев Валерий Венедиктович Источник ионов (варианты)
    US6919672B2 (en) * 2002-04-10 2005-07-19 Applied Process Technologies, Inc. Closed drift ion source
    FR2842261A1 (fr) * 2002-07-09 2004-01-16 Centre Nat Etd Spatiales Propulseur plasmique a effet hall
    KR100493164B1 (ko) * 2002-12-14 2005-06-02 삼성전자주식회사 전자기 유도 가속기
    US7259378B2 (en) * 2003-04-10 2007-08-21 Applied Process Technologies, Inc. Closed drift ion source
    US7879357B2 (en) * 2003-04-28 2011-02-01 Bayer Schering Pharma Ag Pharmaceutical composition in the form of a hydrogel for transdermal administration of active ingredients
    US7714965B2 (en) * 2003-05-19 2010-05-11 Kent State University Method of plasma beam bombardment of aligning films for liquid crystals
    US6984942B2 (en) * 2003-07-22 2006-01-10 Veeco Instruments, Inc. Longitudinal cathode expansion in an ion source
    JP2006147449A (ja) * 2004-11-24 2006-06-08 Japan Aerospace Exploration Agency 高周波放電プラズマ生成型二段式ホール効果プラズマ加速器
    US7617092B2 (en) * 2004-12-01 2009-11-10 Microsoft Corporation Safe, secure resource editing for application localization
    US7624566B1 (en) 2005-01-18 2009-12-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator
    US7500350B1 (en) 2005-01-28 2009-03-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Elimination of lifetime limiting mechanism of hall thrusters
    US7872422B2 (en) * 2006-07-18 2011-01-18 Guardian Industries Corp. Ion source with recess in electrode
    US20080073557A1 (en) * 2006-07-26 2008-03-27 John German Methods and apparatuses for directing an ion beam source
    US7622721B2 (en) * 2007-02-09 2009-11-24 Michael Gutkin Focused anode layer ion source with converging and charge compensated beam (falcon)
    FR2919755B1 (fr) 2007-08-02 2017-05-05 Centre Nat De La Rech Scient (C N R S ) Dispositif d'ejection d'electrons a effet hall
    DE102007044074B4 (de) * 2007-09-14 2011-05-26 Thales Electron Devices Gmbh Elektrostatische Ionenbeschleunigeranordnung
    DE102007062150A1 (de) 2007-09-14 2009-04-02 Thales Electron Devices Gmbh Vorrichtung zur Ableitung von Verlustwärme sowie Ionenbeschleunigeranordnung und Wanderfeldröhrenanordnung mit einer Wärmeleitanordnung
    FR2950114B1 (fr) * 2009-09-17 2012-07-06 Snecma Moteur a effet hall avec refroidissement de la ceramique interne
    US8861167B2 (en) 2011-05-12 2014-10-14 Global Plasma Solutions, Llc Bipolar ionization device
    FR2976029B1 (fr) 2011-05-30 2016-03-11 Snecma Propulseur a effet hall
    FR2979956B1 (fr) 2011-09-09 2013-09-27 Snecma Systeme de propulsion electrique a propulseurs a plasma stationnaire
    US10273944B1 (en) 2013-11-08 2019-04-30 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Propellant distributor for a thruster
    FR3018316B1 (fr) * 2014-03-07 2020-02-28 Safran Aircraft Engines Propulseur plasmique a effet hall
    FR3040442B1 (fr) 2015-08-31 2019-08-30 Ecole Polytechnique Propulseur ionique a grille avec propergol solide integre
    CN105245132B (zh) * 2015-10-16 2018-04-20 中国航天科技集团公司第九研究院第七七一研究所 一种霍尔发动机启动供电系统及方法
    EP3560298A4 (fr) * 2016-12-21 2020-08-12 Phase Four, Inc. Dispositif de commande et de production de plasma
    FR3066557B1 (fr) * 2017-05-16 2019-05-10 Safran Aircraft Engines Dispositif de regulation de debit de fluide propulsif pour propulseur electrique
    US20190107103A1 (en) 2017-10-09 2019-04-11 Phase Four, Inc. Electrothermal radio frequency thruster and components
    CN110617186B (zh) * 2019-09-05 2020-10-09 上海空间推进研究所 一种放电室结构
    CN115750252B (zh) * 2023-01-03 2023-04-28 国科大杭州高等研究院 无工质阴极及包括其的霍尔推力器、空间设备

    Family Cites Families (6)

    * Cited by examiner, † Cited by third party
    Publication number Priority date Publication date Assignee Title
    US3735591A (en) * 1971-08-30 1973-05-29 Usa Magneto-plasma-dynamic arc thruster
    DE2712829C3 (de) * 1977-03-23 1982-02-04 Dmitriev, Jurij Akimovič, Moskva Ionenquelle
    US4862032A (en) * 1986-10-20 1989-08-29 Kaufman Harold R End-Hall ion source
    FR2693770B1 (fr) * 1992-07-15 1994-10-14 Europ Propulsion Moteur à plasma à dérive fermée d'électrons.
    ES2092314T3 (es) * 1993-06-21 1996-11-16 Europ Propulsion Motor de plasma de longitud reducida con deriva cerrada de electrones.
    US5763989A (en) * 1995-03-16 1998-06-09 Front Range Fakel, Inc. Closed drift ion source with improved magnetic field

    Also Published As

    Publication number Publication date
    EP0781921A1 (fr) 1997-07-02
    US5945781A (en) 1999-08-31
    DE69621411T2 (de) 2003-01-09
    FR2743191B1 (fr) 1998-03-27
    FR2743191A1 (fr) 1997-07-04
    DE69621411D1 (de) 2002-07-04
    UA43863C2 (uk) 2002-01-15

    Similar Documents

    Publication Publication Date Title
    EP0781921B1 (fr) Source d'ions à dérive fermée d'électrons
    EP0650557B1 (fr) Moteur a plasma a derive fermee d'electrons
    EP0662195B1 (fr) Moteur a plasma de longueur reduite a derive fermee d'electrons
    EP2433002B1 (fr) Propulseur a plasma a effet hall
    EP0982976B1 (fr) Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons adapté à de fortes charges thermiques
    EP1496727B1 (fr) Accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons
    EP0914560B1 (fr) PROPULSEUR A PLASMA avec DISPOSITIF DE CONCENTRATION DE FAISCEAU D'IONS
    FR2799576A1 (fr) Source d'ions a haute frequence notamment moteur pour engin spatial
    EP2179435B1 (fr) Dispositif d'ejection d'ions a effet hall
    FR2581244A1 (fr) Source d'ions du type triode a une seule chambre d'ionisation a excitation haute frequence et a confinement magnetique du type multipolaire
    EP2954758B1 (fr) Source de plasma
    WO2015132534A1 (fr) Propulseur plasmique a effet hall.
    EP3574719B1 (fr) Systeme de generation d'un jet plasma d'ions metalliques
    US20100230276A1 (en) Device and method for thin film deposition using a vacuum arc in an enclosed cathode-anode assembly
    RU2172536C2 (ru) Ионный источник с закрытым дрейфом электронов
    EP0813223B1 (fr) Dispositif pour engendrer un champ magnétique et source ecr comportant ce dispositif
    WO2022129799A1 (fr) Dispositif pour le depot de films minces assisté par plasma micro-onde
    FR3136104A1 (fr) Dispositif à faisceau d’électrons pour le traitement d’une surface
    CA2139581A1 (fr) Moteur a plasma a derive fermee d'electrons
    FR2916765A1 (fr) Dispositif pour le depot de couches minces par faisceaux d'electrons

    Legal Events

    Date Code Title Description
    PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: A1

    Designated state(s): DE FR GB IT NL

    17P Request for examination filed

    Effective date: 19971229

    RAP1 Party data changed (applicant data changed or rights of an application transferred)

    Owner name: SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MO

    17Q First examination report despatched

    Effective date: 20000323

    GRAG Despatch of communication of intention to grant

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

    GRAG Despatch of communication of intention to grant

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

    GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

    GRAH Despatch of communication of intention to grant a patent

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS IGRA

    GRAA (expected) grant

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

    RTI1 Title (correction)

    Free format text: ION SOURCE WITH CLOSED ELECTRON DRIFT

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: B1

    Designated state(s): DE FR GB IT NL

    REG Reference to a national code

    Ref country code: GB

    Ref legal event code: FG4D

    Free format text: NOT ENGLISH

    REF Corresponds to:

    Ref document number: 69621411

    Country of ref document: DE

    Date of ref document: 20020704

    GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

    Effective date: 20021009

    PLBE No opposition filed within time limit

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

    STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

    Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

    26N No opposition filed

    Effective date: 20030303

    REG Reference to a national code

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: TP

    Owner name: SNECMA, FR

    Effective date: 20120323

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: CD

    Owner name: SNECMA, FR

    Effective date: 20120323

    REG Reference to a national code

    Ref country code: GB

    Ref legal event code: 732E

    Free format text: REGISTERED BETWEEN 20120705 AND 20120711

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: DE

    Payment date: 20121122

    Year of fee payment: 17

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: IT

    Payment date: 20121123

    Year of fee payment: 17

    Ref country code: GB

    Payment date: 20121122

    Year of fee payment: 17

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: NL

    Payment date: 20121120

    Year of fee payment: 17

    Ref country code: FR

    Payment date: 20130104

    Year of fee payment: 17

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R119

    Ref document number: 69621411

    Country of ref document: DE

    REG Reference to a national code

    Ref country code: NL

    Ref legal event code: V1

    Effective date: 20140701

    GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

    Effective date: 20131223

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R119

    Ref document number: 69621411

    Country of ref document: DE

    Effective date: 20140701

    REG Reference to a national code

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: ST

    Effective date: 20140829

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: NL

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20140701

    Ref country code: DE

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20140701

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: FR

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20131231

    Ref country code: GB

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20131223

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: IT

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20131231

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: IT

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20131223