EP1496727A1 - Accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons - Google Patents

Accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons Download PDF

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EP1496727A1
EP1496727A1 EP04291618A EP04291618A EP1496727A1 EP 1496727 A1 EP1496727 A1 EP 1496727A1 EP 04291618 A EP04291618 A EP 04291618A EP 04291618 A EP04291618 A EP 04291618A EP 1496727 A1 EP1496727 A1 EP 1496727A1
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EP
European Patent Office
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magnetic field
anode
plasma accelerator
magnetic
accelerator according
Prior art date
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Granted
Application number
EP04291618A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP1496727B1 (fr
Inventor
Olivier Secheresse
Antonina Bougrova
Alexei Morozov
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
SNECMA Moteurs SA
SNECMA SAS
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Filing date
Publication date
Application filed by SNECMA Moteurs SA, SNECMA SAS filed Critical SNECMA Moteurs SA
Publication of EP1496727A1 publication Critical patent/EP1496727A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP1496727B1 publication Critical patent/EP1496727B1/fr
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Classifications

    • 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 drift plasma accelerators closed electrons that constitute plasma sources of ions which can be used in particular as stationary plasma thrusters in the space domain but also in other technical fields, for example for the ionic treatment of mechanical parts.
  • an ion source comprises a cathode chamber with a gas distributor while a hollow anode forms an anode chamber connected to the cathode chamber through the outlet orifice formed in the wall of the latter.
  • An electrostatic system ensures the extraction of ions with the electro-isolated emission electrode placed in the outlet of the anode chamber.
  • a magnetic system creates in the cathode and anode chambers a magnetic field with an induction vector mainly in the axial direction.
  • the gas distributor of the cathode chamber is also used as an ignition electrode connected to the hollow anode.
  • An additional electrically insulated electrode with respect to the hollow anode and the cathode chamber is installed at the outlet of the cathode chamber and has an orifice whose diameter is much smaller than the inside diameter. maximum of the hollow anode. Ionization takes place in the anode and cathode chambers with a substantially longitudinal magnetic field while ion extraction and acceleration is produced by the electrostatic system. Such ionic sources operate in the field of small current densities (j i ⁇ 2mA / cm 2 ) and are effective only with high acceleration voltages (U> 1000 v), which limits their applications.
  • coaxial quasi-stationary plasma accelerator (described for example in the article by Volochko A. U. and others entitled "The study of the accelerator quasi-stationary two-stage coaxial plasma (KCPU) with the support electrodes "published in the journal Academy of Sciences of the USSR, Plasma Physics, vol. 16, ed. 2, M. "Science” in February 1990.
  • the KCPU includes, fixed on the edge flange (back) and isolated from this flange, an anode group, a cathode group and an ionic unit input.
  • the anode and cathode groups are separated using a annular disc insulator.
  • the anode group contains an anode cylindrical support made in the shape of "squirrel wheel", fixed on the transition flange.
  • Around the anode is established in addition a screen dielectric cylindrical contributing to the increase of the concentration of gas and plasma in the space outside the anode.
  • the group cathode is installed inside the "squirrel wheel" of the anode group and consists of two superimposed copper tubes, the ends of which are fixed slats forming the ellipsoid of rotation. On the inner tube are fixed 128 points, outlets with conical sharpening, which form eight rows in longitudinal section and are interposed between lamellae at intervals, repeating the shape of the cathode.
  • the ionic unit consists of four ionic input chambers connected to the source of active gas, which are introduced into an acceleration channel of KCPU by the orifices of the edge flange symmetrical with respect to the axis of the system. Each chamber contains an anode in the shape of a full cylinder and a full profile cathode.
  • the magnetic field in the KCPU is formed by currents passing through the plasma volume (thanks to the presence of the electrodes coaxial) and constitutes the own magnetic field. It follows that type of accelerator can only operate at high power. It is why currently its use as a driver in the space domains, for example, does not seem possible.
  • Document FR 2 693 770 also discloses a a closed-electron drift plasma accelerator in which significant improvements have been made with regard to ionization conditions of the active substance and the configuration of the magnetic field throughout the volume of the coaxial channel.
  • plasma accelerator comprises an ionization chamber or tranquilization and a discharge chamber with a coaxial channel ionization and acceleration with open output.
  • a hollow cathode of gas discharge is placed on the open side of the coaxial channel.
  • An annular anode is placed at the entrance of the coaxial channel.
  • a distributor annular gas is installed in the plenum without shut off access to the coaxial channel.
  • the discharge chambers and tranquilization are formed by the elements of the magnetic system of the accelerator, which includes a pair of magnetic poles, a circuit Magnetic and a generator of the magnetic field.
  • the poles Magnetics form one end of the accelerator on the output side open annular canal.
  • One of the magnetic poles is outside, the other is interior and therefore they delimit the chamber of discharge outside and inside.
  • Another end of the accelerator, on the side of the plenum, is formed by a magnetic circuit part, which is connected to the magnetic poles.
  • a cylindrical central mandrel and secondary support elements which are arranged evenly around the rooms so connect the ends of the accelerator.
  • a first magnetic field generator is arranged between the plenum and the outer pole magnet around the acceleration channel, a second generator of magnetic field is on the cylindrical central mandrel at neighborhood of the magnetic inner pole and a third generator of magnetic field is also arranged on the cylindrical central mandrel in the localization area of the annular anode and is therefore closer of the room of tranquilization.
  • the zone of ionization of the active gas does not coincide with the acceleration zone.
  • the magnetic system three generators provides formation in the annular channel of a field magnetic quasi-radial, whose gradient is characterized by an induction maximum at the exit of the channel.
  • the lines of force of the magnetic field are directed perpendicular to the axis of symmetry of the annular canal in the exit zone and these lines are slightly inclined in the area of the canal near the anode. Ionization of the active gas is ensured near the anode before it reaches the annular channel. It allowed increase the efficiency of the plasma motor by up to 60 to 70% and reduce the angle of divergence of the ion beam to 10 to 15%.
  • the present invention aims to overcome the disadvantages known plasma accelerators and aims in particular to improve the efficiency of the ionization of the active gas.
  • the invention also aims at enabling the use of substances various active substances with a high yield, to diminish the angle of divergence of the ion beam, to decrease the level of noise related to the process of acceleration of ions, to increase the efficiency by reducing power losses at the level of walls, to increase the service life by reducing the intensities of ionic and electronic abnormal erosions and expand the range of work in flow (thrust) and specific impulse.
  • a plasma accelerator according to the invention thus has a low level of noise with a well-located flow due to the introduction into the zone of tranquilization of the ionization chamber of a powered coil current, including the magnetic field, in combination with that of other sources of magnetic field, forms a particular configuration containing a force magnetic line, called a separation line or separator, having a point X with a magnetic field zero.
  • the acceleration channel of the plasma accelerator can receive a well-formed ion current, using the phenomenon of equipotentialization of magnetic lines of force and by creating a difference in acceleration of potentials.
  • the area of the point X with a zero magnetic field represents a trap for the ions that form the along the separator.
  • the magnetic field generating means include a fifth magnetic field generator arranged at vicinity of the annular gas distributor.
  • the magnetic circuit may further include elements ferromagnetic secondary support distributed around the chambers of ionization and acceleration and connecting the rear magnetic background to the pole external magnetic.
  • the field generating means magnetic further include a sixth field generator magnet comprising components arranged around said ferromagnetic elements of secondary support.
  • the magnetic field generating means can include electromagnetic coils but also at least part of the permanent magnets.
  • the ionization chamber has a radial dimension larger than that of the acceleration channel made of insulating material.
  • the coaxial annular coil and its polarized conductive sheath are mounted using elements of fastening rigidly connected to the ionization chamber.
  • the annular anode is mounted with radial clearance by relative to the wall of the acceleration channel.
  • the annular anode is connected by a power line directly to the positive pole of the first voltage source continues without being mechanically or electrically connected to the distributor annular gas or electrically conductive material parts internal walls of the ionization chamber otherwise than by via the second DC voltage source.
  • the second voltage source applies to the conductive sheath of the coaxial annular coil a positive voltage of a few tens of volts compared to the anode.
  • the second voltage source applies on the electrically conductive material of the inner faces of the walls of the annular ionization chamber a potential of about 20 to 40 volts per compared to the anode.
  • the magnetic field generating means are adapted to that the potential of the force magnetic line having an "X" point corresponding to a zero magnetic field is close to the potential of the anode.
  • the third generator magnetic field has first and second zones of different diameters, the first zone located in the vicinity of the anode with a diameter greater than that of the second zone at neighborhood of the ionization chamber.
  • the distance between the sheath conductor of the coaxial annular coil and the walls of the chamber ionization is greater than or equal to about 20 millimeters.
  • the plasma accelerator according to the invention can be applied to a spatial plasma engine constituting an electric thruster jet for satellite or other spacecraft.
  • the plasma accelerator according to the invention can also be applied to an ionic source of ionic treatment of mechanical parts.
  • Figure 3 shows an example of a plasma accelerator according to the invention.
  • Such a closed-electron drift plasma accelerator comprises a first chamber 2 delimited by walls 52 of material electrically insulating, whose inner faces are covered with a conductive material 9.
  • This first chamber 2 constitutes a chamber ionization or plenum.
  • a second chamber 3 comprises an annular acceleration channel 53 of electrically insulating material whose outlet 55 is open downstream.
  • the upstream part 54 of the canal acceleration 53 communicates with the cavity of the ionization chamber 2 which is coaxial with the acceleration chamber 3.
  • a hollow cathode 8 gas discharge is located outside the acceleration channel 53 in the vicinity of the output 55 thereof.
  • the reference 81 designates the electrical connection line of the cathode with the negative pole of a first DC voltage source 82 ( Figure 2).
  • the reference 88 designates the gas supply of the hollow cathode 8.
  • An annular anode 7 is located at the downstream end of the chamber of ionization 2 near the upstream input 54 of the acceleration channel 53 which constitutes the acceleration chamber 3.
  • the cathode 8 and the anode 7 are connected respectively to the negative pole and the positive pole of the source DC voltage 82, forming the circuit of the power supply.
  • the anode 7 is itself isolated from the conductive material 9 of the walls of the ionisation chamber 2.
  • An annular gas distributor 11 is disposed in the cavity of the ionization chamber 2 without closing the inlet 54 of the acceleration channel 53.
  • the gas distributor is placed on the upstream side of the ionization chamber 2.
  • the cathode 8 and the gas distributor 11 are respectively connected by lines 88 and 110 to sources of gas to be ionized that can be independent or common.
  • the gas introduced into the distributor annular gas 11 by the line 110 is distributed in the chamber of tranquilization 2 by orifices 111 distributed in this distributor 11.
  • the ionization or tranquilization chamber 2 has a dimension in the radial direction that is greater than that of the chamber 3 and may have a frustoconical profile in its downstream part 521 opening into the input 54 of the acceleration channel 53.
  • the annular anode 7 may itself have a shape truncated.
  • the closed-electron drift plasma accelerator comprises a magnetic circuit and magnetic field generators.
  • the magnetic circuit comprises a cylindrical central mandrel 60, internal magnetic poles 61 and outer 62 which define the output open downstream 55 of the acceleration channel 53 and a rear background 63 which forms the upstream end of the ionization chamber 2.
  • the magnetic circuit further comprises elements ferromagnetic secondary support 64 which can be distributed evenly around the generators of a cylinder around the chambers ionization 2 and acceleration 3 and connect the rear magnetic background 63 at the outer magnetic pole before 62.
  • These ferromagnetic elements of secondary supports 64 may be in the form of individual rods as shown in Figure 3, but could also be brought together under the shape of a cylindrical cage surrounding the ionization chambers 2 and acceleration 3.
  • the inner magnetic pole 61 and the rear end 63 of the magnetic circuit can be realized in the form of a single assembly with the cylindrical central mandrel 61.
  • the magnetic field generating means comprise a first magnetic field generator 21 disposed around the acceleration chamber 3 between the outer magnetic pole 62 and the ionization chamber 2.
  • This first magnetic field generator 21 can include a shielded electromagnetic coil.
  • a second magnetic field generator 22 is arranged around the cylindrical central mandrel 60 between the magnetic pole interior 61 and the upstream inlet 54 of the acceleration channel 53 located on the of the ionization chamber 2.
  • this second magnetic field generator 22 comprises also an electromagnetic coil.
  • the objective is to form the optimal geometry of the line magnetic force defining the ionized plasma inlet of the chamber of tranquilization 2 in the acceleration channel 53 (i.e. the spacing of the magnetic force lines of the walls of the chamber of plenum).
  • the coaxial coil 24 can be mounted using fasteners, rigidly connected to the chamber of tranquilization 2 and isolated from the magnetic circuit.
  • the turn 24 represents a fourth magnetic field generator.
  • the dimensions of the plenum 2 are chosen according to the request, such that the distance from the sheath 28 of the turn central 24 to the walls of the plenum chamber 2 about 16 Larmor rays. Given the temperature values electrons, the electronic temperature that must ensure ionization effective gas atoms is in the range 15 - 20 eV, and the value of the magnetic field on the separator H - 100 oersteds, the distance b, from the sheath 28 of the central turn 24 to the walls of the plenum 2, must be b ⁇ 20 - 25 mm.
  • the second additional generator 26 of magnetic field represents all the external elements, each of which is around a secondary support element 64.
  • this generator 26 can be realized by a single toroidal coil around the motor, the external support 64 of the circuit magnetic then being itself toric.
  • the structure of the magnetic system of the plasma accelerator allows to create by the choice of the inside diameters of the poles 61, 62, of the conforming arrangement of the central turn 24 with its current and magnetic generators 21 to 26, the Requested configuration of the magnetic field (see Figures 1 and 4).
  • This configuration is characterized by the field zero value in the positioning zone of the anode 7, by the angle between the branches of separators 27 ( Figure 2) equal to about 90 °, and by the fact that these separators 27 cross the walls of the canal with an angle about 45 ° and meet in the area of the anode 7, surrounding the central spire 24 without contact with the walls of the chamber of 2.
  • the direction of the separators 27 creates a magnetic field with an angle of 45 °, which ensures the condition of the separation of the channel wall flow and its focusing at middle of the surface of the discharge chamber 3 with a given gradient of the field (not less than 100 oersteds / cm) of the zero value in the area positioning the anode 7 to the maximum value at the output of the annular channel 53.
  • All magnetic field generators 21 to 26 can be manufactured using electromagnetic coils or magnets whose Curie point must remain above the temperature active plasma accelerator. Mixed use of coils is allowed electromagnetic and permanent magnets. If we choose generating generators with electromagnetic coils, they can be powered with different power sources and in a single direction or by a single current source (coils in series) and, in this case, it is necessary to select the number of turns in each coil to ensure the desired geometry of the field magnetic.
  • the annular anode 7 is positioned in the zone of the field zero magnetic, by directly joining the entrance of the acceleration channel 53. However, in this case, it is possible to re-spray the material of the insulating walls of the acceleration chamber 3 by the method of ion bombardment, following which we can see on the surface of the anode 7 a non-conductive film. Therefore, to maintain the active surface of the annular anode 7, it is better to put it with the game radial ⁇ relative to the wall of the acceleration channel 53.
  • the value of this game must be chosen according to optimal conditions. Firstly, the exaggerated increase of the game should not lead to the disturbance of the integrity of the flow nor the erosion of the anode 7 because of the bombardment ion.
  • the setting of the clearance ⁇ can be done by the link mechanics of the anode using rigid lintels. If these lintels are conductors, the electrical connection of the anode with the positive from the source through the line of the power supply.
  • any type of hollow gas-discharge cathode 8 can be installed.
  • this cathode 8 can be placed either on the motor side, or, according to a variant, inside the central mandrel and directed towards outside.
  • the operation of the plasma accelerator according to the present invention is the following: the magnetic field with the desired geometry is obtained using the generators of the magnetic field 21 to 26 as well than other elements of the magnetic system. After distributing the inert gas, for example xenon, to a pre-lit heated cathode 8 and to the annular gas distributor 11, the tension is applied to elements of the accelerator and the discharge then comes on in the first and second bedrooms 3, 2.
  • the inert gas for example xenon
  • the tranquilization stage 2 comprises an equipotential wall 9 (denoted SB), the annular turn 24 with its current and the anode 7 which fixes the potential in the zero zone of the magnetic field and plays the role of the cathode for this floor.
  • the fluid supply arrives on the back side of this stage 2.
  • the composition of the acceleration stage 3 is traditional. This stage comprises a dielectric channel 53 and a cathode 8 at the output of the generator.
  • the particularity of the tranquilization stage 2 is the anode 7 which constitutes a cathode of tranquilization. It ensures the discharge between the separator 27 and the equipotential wall 9 (SB) of the volume of plenum.
  • the second particularity is the "central spire" 24 with its current forming the annular conductor creating the separator and the trap for formed ions.
  • the operation of the acceleration stage 3 is traditional.
  • the magnetic field increases towards the output and has its maximum in the exit plan.
  • the gradient of the magnetic field is 100 oersteds / cm.
  • Magnetic lines of force have a convex geometry towards the anode 7. It is the electric field that makes the ions move. As for the electrons, these circulate in azimuth in the electric and magnetic crossed field.
  • the accelerator works like a two-stage system.
  • the tranquilization stage 2 only one problem is solved: the most complete ionization of the substance, while ion energy can be very weak.
  • the volume of the ionization zone has no limits and practically we can get the complete ionization of the substance active and not let neutrals pass through the acceleration channel 53.
  • the proportion of ionized neutrals in the acceleration and widen the range of operation in flow and specific impulse.
  • the requested profile was established of the magnetic field in the plenum 2 and a channel close to the ideal configuration of the magnetic field.
  • the divergence of the beam of ions has been reduced to a value of about ⁇ 10 ° or even ⁇ 3 °, the yield has been increased to 65 to 70% and, further important, we got the widening of the working range of the engine in push and in specific impulse.

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Abstract

L'accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons comprend une chambre d'ionisation (2) annulaire, une chambre d'accélération (3) coaxiale à la chambre d'ionisation (2), une anode annulaire (7), une cathode creuse (8), une première source de tension continue (82), un distributeur annulaire de gaz (11), un circuit magnétique et des générateurs de champ magnétique. Une bobine annulaire coaxiale (24) est disposée dans la cavité de la chambre d'ionisation (2), est munie d'une gaine conductrice polarisée connectée avec le matériau électriquement conducteur (9) des faces intérieures des parois (52) de la chambre d'ionisation (2) au pôle positif d'une deuxième source de tension (85) dont le pôle négatif est relié à l'anode (7), et constitue un générateur de champ magnétique supplémentaire qui, avec les autres générateurs de champ magnétique, forme un champ magnétique avec une ligne magnétique de force (27) ayant un point "X" (4) correspondant à un zéro de champ magnétique situé entre la bobine annulaire coaxiale (24) et l'anode (7). <IMAGE>

Description

Domaine de l'invention
La présente invention concerne les accélérateurs à plasma à dérive fermée d'électrons qui constituent des sources plasmiques d'ions utilisables notamment en tant que propulseurs à plasma stationnaire dans le domaine spatial mais également dans d'autres domaines techniques, par exemple pour le traitement ionique de pièces mécaniques.
Art antérieur
On connaít déjà des sources d'ions constituées par des systèmes à deux étages qui assurent l'accélération électrostatique du flux des ions.
Un exemple de telles sources d'ions est décrit dans le document de brevet WO 01/93293. Selon ce document, une source d'ions comprend une chambre cathodique avec un distributeur de gaz tandis qu'une anode creuse forme une chambre anodique liée à la chambre cathodique par l'orifice de sortie ménagé dans la paroi de cette dernière. Un système électrostatique assure l'extraction des ions avec l'électrode électro-isolée à émission placée dans l'orifice de sortie de la chambre anodique. Un système magnétique crée dans les chambres cathodique et anodique un champ magnétique avec un vecteur d'induction principalement dans la direction axiale. Le distributeur de gaz de la chambre cathodique est utilisé aussi comme électrode d'allumage connectée à l'anode creuse. Une électrode supplémentaire isolée d'un point de vue électrique par rapport à l'anode creuse et à la chambre cathodique est installée au niveau de l'orifice de sortie de la chambre cathodique et présente un orifice dont le diamètre est très inférieur au diamètre intérieur maximum de l'anode creuse. L'ionisation s'effectue dans les chambres anodique et cathodique avec un champ magnétique essentiellement longitudinal tandis que l'extraction et l'accélération des ions sont produites par le système électrostatique. De telles sources ioniques fonctionnent dans le domaine des petites densités de courant (ji < 2mA/cm2) et ne sont efficaces qu'avec de hautes tensions d'accélération (U > 1000 v), ce qui limite leurs applications.
Parmi les sources où l'accélération des ions est due aux forces électromagnétiques on peut citer l'accélérateur plasmique type KCPU : accélérateur coaxial quasi stationnaire à plasma (décrit par exemple dans l'article de Volochko A. U. et autres intitulé "L'étude de l'accélérateur plasmique coaxial quasi stationnaire à deux étages (KCPU) avec les électrodes de support" paru dans la revue Académie de Sciences de l'URSS, La Physique du Plasma, t. 16, éd. 2, M. "Science" en février 1990.
Le KCPU comprend, fixés sur la bride de bord (arrière) et isolés de cette bride, un groupe anode, un groupe cathode et une unité ionique d'entrée. Les groupes anode et cathode sont séparés à l'aide d'un isolateur annulaire à disque. Le groupe anode contient une anode cylindrique de support faite en forme de "roue d'écureuil", fixée sur la bride de transition. Autour de l'anode est établi en supplément un écran cylindrique diélectrique contribuant à l'augmentation de la concentration de gaz et de plasma dans l'espace en dehors de l'anode. Le groupe cathode est installé à l'intérieur de la "roue d'écureuil" du groupe anode et comprend deux tubes de cuivre superposés, aux extrémités desquels sont fixées des lamelles formant l'ellipsoïde de rotation. Sur le tube intérieur sont fixées 128 pointes, prises de courant avec affûtage conique, qui forment huit rangs en section longitudinale et sont interposées entre les lamelles par intervalle, en répétant la forme de la cathode. L'unité ionique est constituée de quatre chambres ioniques d'entrée raccordées à la source de gaz actif, qui sont introduites dans un canal d'accélération de KCPU par les orifices de la bride de bord symétriques par rapport à l'axe du système. Chaque chambre contient une anode ayant la forme d'un cylindre plein et une cathode pleine profilée.
L'accélérateur KCPU est ainsi conçu comme un système à deux étages. Au premier étage de l'accélérateur la substance active est ionisée et pré-accélérée jusqu'à la vitesse : ν ≈ 0,1νm : où :
νm =
vitesse d'écoulement pour les accélérateurs à plasma avec leur propre champ magnétique ;
ν m =  I 2 mc 2 , où
 =
coefficient constant,
m =
débit en masse de la substance active,
c =
vitesse de la lumière,
I =
courant passant par le volume plasmique entre deux électrodes coaxiales.
Au deuxième étage se réalise l'accélération définitive du plasma.
Dans le KCPU avec des courants de décharge d'environ 500 kA et des tensions de décharge d'environ 10 kV, on a obtenu des flux de plasma de 0,2 m.c avec l'énergie des ions hydrogène d'environ 1 keV. L'accélérateur KCPU possède une grande puissance permettant de créer les courants des particules à grande énergie. Il est à noter que dans cet accélérateur il n'y a pratiquement pas de limite supérieure de puissance et d'énergie.
Ce type d'accélérateur à plasma est électromagnétique, l'accélération du plasma se réalise à l'aide de la force d'ampère de densité : fM = 1 c (j x H), où
c =
vitesse de la lumière,
j =
densité du courant,,
H =
le champ magnétique propre du courant I passant dans le volume de plasma.
Le champ magnétique dans le KCPU est formé par les courants passant dans le volume plasmique (grâce à la présence des électrodes coaxiales) et constitue le champ magnétique propre. Il s'ensuit que ce type d'accélérateur ne peut fonctionner qu'à haute puissance. C'est pourquoi actuellement son utilisation en tant que moteur dans les domaines spatiaux, par exemple, ne paraít pas possible.
On connaít également par le document FR 2 693 770 un accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons dans lequel des améliorations importantes ont été apportées en ce qui concerne les conditions de l'ionisation de la substance active et la configuration du champ magnétique dans tout le volume du canal coaxial. Un tel accélérateur à plasma comprend une chambre d'ionisation ou de tranquilisation et une chambre de décharge avec un canal coaxial d'ionisation et d'accélération à sortie ouverte. Une cathode creuse de décharge de gaz est placée du côté de la sortie ouverte du canal coaxial. Une anode annulaire est placée à l'entrée du canal coaxial. Un distributeur de gaz annulaire est installé dans la chambre de tranquilisation sans obturer l'accès au canal coaxial. Les chambres de décharge et de tranquilisation sont formées par les éléments du système magnétique de l'accélérateur, qui comprend un couple de pôles magnétiques, un circuit magnétique et un générateur du champ magnétique. Les pôles magnétiques forment une extrémité de l'accélérateur du coté de la sortie ouverte du canal annulaire. Un des pôles magnétiques est extérieur, l'autre est intérieur et par conséquent ils délimitent la chambre de décharge à l'extérieur et à l'intérieur. Une autre extrémité de l'accélérateur, du côté de la chambre de tranquilisation, est formée par une partie de circuit magnétique, qui est reliée aux pôles magnétiques. Un mandrin central cylindrique et des éléments de support secondaires qui sont disposés uniformément autour des chambres relient ainsi les extrémités de l'accélérateur. Un premier générateur de champ magnétique est disposé entre la chambre de tranquilisation et le pôle extérieur magnétique autour du canal d'accélération, un deuxième générateur de champ magnétique se trouve sur le mandrin central cylindrique au voisinage du pôle intérieur magnétique et un troisième générateur de champ magnétique est lui aussi disposé sur le mandrin central cylindrique dans la zone de localisation de l'anode annulaire et est donc plus proche de la chambre de tranquilisation.
Ainsi, grâce à la présence de la chambre d'ionisation ou de tranquilisation, la zone de l'ionisation du gaz actif ne coïncide pas avec la zone d'accélération. Cela est dû au fait que le distributeur annulaire de gaz injecte le gaz actif directement devant l'anode. Le système magnétique à trois générateurs assure la formation dans le canal annulaire d'un champ magnétique quasi radial, dont le gradient se caractérise par une induction maximale à la sortie du canal. Les lignes de force du champ magnétique sont dirigées perpendiculairement à l'axe de symétrie du canal annulaire dans la zone de sortie et ces lignes sont légèrement inclinées dans la zone du canal près de l'anode. L'ionisation du gaz actif est assurée près de l'anode avant qu'il n'atteigne le canal annulaire. Cela a permis d'augmenter le rendement du moteur à plasma jusqu'à 60 à 70% et de diminuer l'angle de divergence du faisceau d'ions jusqu'à 10 à 15%.
Cependant, dans un tel accélérateur, le degré de l'ionisation du gaz actif dans la zone de tranquilisation n'est pas important, ce qui est confirmé par les expériences.
Objet et description succincte de l'invention
La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients des accélérateurs à plasma connus et vise notamment à améliorer l'efficacité de l'ionisation du gaz actif.
L'invention vise également à permettre d'utiliser des substances actives diverses avec un grand rendement, de diminuer de façon significative l'angle de divergence du faisceau ionique, de diminuer le niveau des bruits liés au processus d'accélération des ions, d'augmenter le rendement en réduisant les pertes de courant électrique au niveau des parois, d'augmenter la durée de vie en réduisant les intensités des érosions ioniques et électroniques anormales et d'élargir la gamme de travail en débit (poussée) et en impulsion spécifique.
Ces buts sont atteints grâce à un accélérateur à dérive fermée d'électrons, comprenant :
  • (a) une chambre d'ionisation annulaire délimitée par des parois en matériau électriquement isolant dont les faces intérieures sont recouvertes d'un matériau électriquement conducteur,
  • (b) une chambre d'accélération formée d'un canal d'accélération annulaire en matériau isolant qui est coaxial à la chambre d'ionisation, dont la sortie est ouverte vers l'aval et dont l'entrée amont communique avec la chambre d'ionisation,
  • (c) une anode annulaire disposée à l'extrémité aval de la chambre d'ionisation au voisinage de l'entrée amont du canal d'accélération,
  • (d) une cathode creuse disposée au voisinage de la sortie aval du canal d'accélération, à l'extérieur de celui-ci,
  • (e) une première source de tension continue dont le pôle négatif est connecté à la cathode et le pôle positif est connecté à l'anode,
  • (f) un distributeur annulaire de gaz disposé au voisinage du fond constituant la partie amont de la chambre d'ionisation,
  • (g) un circuit magnétique comprenant au moins un mandrin central cylindrique, des pôles magnétiques intérieur et extérieur qui délimitent la sortie ouverte aval du canal d'accélération, et un fond arrière qui forme l'extrémité amont de la chambre d'ionisation, et
  • (h) des moyens générateurs de champ magnétique comprenant au moins un premier générateur de champ magnétique disposé autour de la chambre d'accélération entre le pôle magnétique extérieur et la chambre d'ionisation, un deuxième générateur de champ magnétique disposé autour du mandrin central cylindrique entre le pôle magnétique intérieur et l'entrée amont du canal d'accélération située du côté de la chambre d'ionisation, et un troisième générateur de champ magnétique disposé autour du mandrin central cylindrique entre le deuxième générateur de champ magnétique et l'extrémité amont de la chambre d'ionisation, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bobine annulaire coaxiale, qui est disposée dans la cavité de la chambre d'ionisation, est munie d'une gaine conductrice polarisée connectée avec le matériau électriquement conducteur des faces intérieures des parois de la chambre d'ionisation au pôle positif d'une deuxième source de tension dont le pôle négatif est relié à l'anode, et constitue un quatrième générateur de champ magnétique qui, avec les autres générateurs de champ magnétique, forme un champ magnétique avec une ligne magnétique de force ayant un point "X" correspondant à un zéro de champ magnétique situé entre ladite bobine annulaire coaxiale et l'anode.
    • Un accélérateur à plasma selon l'invention présente ainsi un bas niveau de bruit avec un flux bien localisé du fait de l'introduction dans la zone de tranquilisation de la chambre d'ionisation d'une bobine alimentée en courant, dont le champ magnétique, en combinaison avec celui des autres sources de champ magnétique, forme une configuration particulière contenant une ligne magnétique de force, dite ligne de séparation ou séparatrice, ayant un point X avec un zéro de champ magnétique. Grâce à ces caractéristiques, le canal d'accélération de l'accélérateur à plasma peut recevoir un courant d'ions bien formé, en utilisant le phénomène d'équipotentiellisation des lignes magnétiques de force et en créant une différence d'accélération des potentiels. La zone du point X avec un zéro de champ magnétique représente un piège pour les ions qui se forment le long de la séparatrice.
    Avantageusement, les moyens générateurs de champ magnétique comprennent un cinquième générateur de champ magnétique disposé au voisinage du distributeur annulaire de gaz.
    Le circuit magnétique peut en outre comprendre des éléments ferromagnétiques de support secondaires répartis autour des chambres d'ionisation et d'accélération et reliant le fond magnétique arrière au pôle magnétique extérieur.
    Dans ce cas, de préférence, les moyens générateurs de champ magnétique comprennent en outre un sixième générateur de champ magnétique comprenant des composants disposés autour desdits éléments ferromagnétiques de support secondaire.
    Les moyens générateurs de champ magnétique peuvent comprendre des bobines électromagnétiques mais également au moins en partie des aimants permanents.
    La chambre d'ionisation présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal d'accélération en matériau isolant.
    Selon une caractéristique particulière, la bobine annulaire coaxiale et sa gaine conductrice polarisée sont montées à l'aide d'éléments de fixation liés d'une façon rigide à la chambre d'ionisation.
    De préférence, l'anode annulaire est montée avec un jeu radial par rapport à la paroi du canal d'accélération.
    L'anode annulaire est connectée par une ligne d'alimentation électrique directement au pôle positif de la première source de tension continue sans être reliée mécaniquement ni électriquement au distributeur annulaire de gaz ou au matériau électriquement conducteur des pièces internes des parois de la chambre d'ionisation autrement que par l'intermédiaire de la deuxième source de tension continue.
    A titre d'exemple, la deuxième source de tension applique sur la gaine conductrice de la bobine annulaire coaxiale une tension positive de quelques dizaines de volts par rapport à l'anode.
    De préférence, la deuxième source de tension applique sur le matériau électriquement conducteur des faces intérieures des parois de la chambre d'ionisation annulaire un potentiel d'environ 20 à 40 volts par rapport à l'anode.
    Les moyens générateurs de champ magnétique sont adaptés pour que le potentiel de la ligne magnétique de force ayant un point "X" correspondant à un zéro de champ magnétique soit proche du potentiel de l'anode.
    Selon un mode de réalisation avantageux, le troisième générateur de champ magnétique présente des première et deuxième zones de diamètres différents, la première zone située au voisinage de l'anode présentant un diamètre supérieur à celui de la deuxième zone située au voisinage de la chambre d'ionisation.
    Selon un mode de réalisation particulier, la distance entre la gaine conductrice de la bobine annulaire coaxiale et les parois de la chambre d'ionisation est supérieure ou égale à environ 20 millimètres.
    L'accélérateur à plasma selon l'invention peut être appliqué à un moteur plasmique spatial constituant un propulseur électrique à réaction pour satellite ou autre engin spatial.
    L'accélérateur à plasma selon l'invention peut aussi être appliqué à une source ionique de traitement ionique de pièces mécaniques.
    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, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • la Figure 1 est un schéma montrant le concept de base d'un accélérateur à plasma à deux étages selon l'invention,
    • la Figure 2 est un schéma de principe, en demi-coupe axiale longitudinale, d'un exemple d'accélérateur à plasma selon l'invention, montrant le circuit électrique associé pour la mise en route de cet accélérateur,
    • la Figure 3 est une coupe axiale longitudinale d'un exemple d'accélérateur à plasma selon l'invention, et
    • la Figure 4 représente la topographie du champ magnétique obtenue avec un exemple d'accélérateur à plasma selon l'invention.
    Description détaillée de modes particuliers de réalisation
    La Figure 3 montre un exemple d'accélérateur à plasma conforme à l'invention.
    Un tel accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons comprend une première chambre 2, délimitée par des parois 52 en matériau électriquement isolant, dont les faces intérieures sont recouvertes d'un matériau conducteur 9. Cette première chambre 2 constitue une chambre d'ionisation ou chambre de tranquilisation.
    Une deuxième chambre 3, dite chambre d'accélération, comprend un canal annulaire d'accélération 53 en matériau électriquement isolant dont la sortie 55 est ouverte vers l'aval. La partie amont 54 du canal d'accélération 53 communique avec la cavité de la chambre d'ionisation 2 qui est coaxiale avec la chambre d'accélération 3.
    Une cathode creuse 8 à décharge de gaz est localisée à l'extérieur du canal d'accélération 53 au voisinage de la sortie 55 de celui-ci. La référence 81 désigne la ligne de liaison électrique de la cathode avec le pôle négatif d'une première source de tension continue 82 (Figure 2). La référence 88 désigne l'alimentation en gaz de la cathode creuse 8.
    Une anode annulaire 7 est située à l'extrémité aval de la chambre d'ionisation 2 à proximité de l'entrée amont 54 du canal d'accélération 53 qui constitue la chambre d'accélération 3.
    Comme représenté sur la Figure 2, la cathode 8 et l'anode 7 sont connectées respectivement au pôle négatif et au pôle positif de la source de tension continue 82, en formant le circuit de l'alimentation électrique. L'anode 7 est elle-même isolée du matériau conducteur 9 des parois de la chambre d'ionisation 2.
    Un distributeur annulaire de gaz 11 est disposé dans la cavité de la chambre d'ionisation 2 sans obturer l'entrée 54 du canal d'accélération 53. Le distributeur de gaz est placé du côté amont de la chambre d'ionisation 2. La cathode 8 et le distributeur de gaz 11 sont reliés respectivement par des lignes 88 et 110 à des sources de gaz à ioniser qui peuvent être indépendantes ou communes. Le gaz introduit dans le distributeur annulaire de gaz 11 par la ligne 110 est distribué dans la chambre de tranquilisation 2 par des orifices 111 répartis dans ce distributeur 11.
    La chambre d'ionisation ou de tranquilisation 2 présente une dimension dans le sens radial qui est supérieure à celle de la chambre d'accélération 3 et peut présenter un profil tronconique dans sa partie aval 521 débouchant dans l'entrée 54 du canal d'accélération 53.
    L'anode annulaire 7 peut elle-même présenter une forme tronconique.
    L'accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons comprend un circuit magnétique et des générateurs de champ magnétique.
    Le circuit magnétique comprend un mandrin central cylindrique 60, des pôles magnétiques intérieur 61 et extérieur 62 qui délimitent la sortie ouverte aval 55 du canal d'accélération 53 et un fond arrière 63 qui forme l'extrémité amont de la chambre d'ionisation 2.
    Le circuit magnétique comprend en outre des éléments ferromagnétiques de support secondaires 64 qui peuvent être répartis uniformément selon les génératrices d'un cylindre autour des chambres d'ionisation 2 et d'accélération 3 et relient le fond magnétique arrière 63 au pôle magnétique extérieur avant 62. Ces éléments ferromagnétiques de support secondaires 64 peuvent présenter la forme de tiges individuelles comme illustré sur la Figure 3, mais pourraient également être réunis sous la forme d'une cage cylindrique entourant les chambres d'ionisation 2 et d'accélération 3.
    On notera que le pôle magnétique intérieur 61 et l'extrémité arrière 63 du circuit magnétique peuvent être réalisés sous la forme d'un ensemble unique avec le mandrin central cylindrique 61.
    Les moyens générateurs de champ magnétique comprennent un premier générateur de champ magnétique 21 disposé autour de la chambre d'accélération 3 entre le pôle magnétique extérieur 62 et la chambre d'ionisation 2. Ce premier générateur de champ magnétique 21 peut comprendre une bobine électromagnétique blindée.
    Un deuxième générateur de champ magnétique 22 est disposé autour du mandrin central cylindrique 60 entre le pôle magnétique intérieur 61 et l'entrée amont 54 du canal d'accélération 53 située du côté de la chambre d'ionisation 2. Dans l'exemple décrit en référence à la Figure 3, ce deuxième générateur de champ magnétique 22 comprend également une bobine électromagnétique.
    Un troisième générateur 23 est disposé entre le deuxième générateur du champ magnétique 22 et l'entrée de la chambre de tranquilisation 2 autour du mandrin central cylindrique 60. De préférence, il a deux zones de diamètres différents. Le diamètre d'une partie 231 de ce générateur, qui est entourée par le canal d'accélération 53, y compris la zone contiguë à l'anode 7, est supérieur à celui d'une autre partie 232 du générateur disposée dans la zone de la chambre de tranquilisation 2. Le rapport des diamètres de ces différentes parties 231, 232 du troisième générateur du champ magnétique 23 est choisi tel que : rδ rk = 0,3 à 0,5, où
    rδ =
    distance de l'axe de symétrie à la paroi de la chambre de tranquilisation,
    rk =
    distance de l'axe de symétrie du canal jusqu'à la paroi extérieure du canal extérieur.
    L'objectif est de former la géométrie optimale de la ligne magnétique de force définissant l'entrée du plasma ionisé de la chambre de tranquilisation 2 dans le canal d'accélération 53 (c'est-à-dire assurer l'écartement des lignes magnétiques de force des parois de la chambre de tranquilisation).
    Dans la cavité de la chambre de tranquilisation 2 on installe une bobine annulaire centrale 24 coaxiale mise dans une gaine polarisée 28 qui est connectée, par une ligne 86, à la source de tension continue 85 (Figure 2) à l'aide de laquelle on détermine le potentiel de la gaine 28 de la spire de la bobine 24 par rapport à l'anode 7 (voir Figure 2), la source de tension 85 étant elle-même reliée au pôle positif de la source de tension 82 et à l'anode 7 par une ligne 84. La spire coaxiale 24 peut être montée à l'aide d'éléments de fixation, liés d'une façon rigide à la chambre de tranquilisation 2 et isolés du circuit magnétique. Ainsi, la spire 24 représente un quatrième générateur de champ magnétique. Les dimensions de la chambre de tranquilisation 2 sont choisies selon la demande, de telle manière que la distance depuis la gaine 28 de la spire centrale 24 jusqu'aux parois de la chambre de tranquilisation 2 fasse environ 16 rayons de Larmor. Compte tenu des valeurs de la température des électrons, la température électronique qui doit assurer l'ionisation effective des atomes du gaz se trouve dans l'intervalle 15 - 20 eV, et la valeur du champ magnétique sur la séparatrice H - 100 oersteds, la distance b, de la gaine 28 de la spire centrale 24 jusqu'aux parois de la chambre de tranquilisation 2, doit donc être b ≥ 20 - 25 mm.
    En outre, afin d'obtenir la configuration optimale des lignes magnétiques de force, on peut introduire des premier et deuxième générateurs supplémentaires de champ magnétique 25, 26. Il est à noter que le premier générateur supplémentaire de champ magnétique 25 est placé au niveau de la chambre de tranquilisation 2 au voisinage du distributeur de gaz annulaire 11 et sert pour la formation de la géométrie du champ magnétique près du bord arrière qui se caractérise par l'écartement des lignes magnétiques de force du fond de chambre. Sa position est définie par la position du fond 63 du circuit magnétique selon : L= Lpp - Δ, où
    Lpp =
    distance du canal d'accélération 53 jusqu' au fond arrière 63 du circuit magnétique,
    Δ =
    épaisseur de l'isolateur assurant l'isolation depuis le fond arrière 63 jusqu'au générateur du champ magnétique 25 et valant Δ = 2 à 3mm.
    Le deuxième générateur supplémentaire 26 de champ magnétique représente l'ensemble des éléments extérieurs, dont chacun est mis autour d'un élément secondaire de support 64. Ce générateur en commun avec les autres générateurs du champ magnétique assure la position du zéro de champ magnétique dans la zone de l'anode 7, le gradient donné de H = 100 oersteds / cm près de la coupe et la forme convexe des lignes du champ magnétique près de l'anode 7, nécessaire pour recevoir la zone du zéro. Il est à noter que ce générateur 26 peut être réalisé par une seule bobine torique autour du moteur, le support externe 64 du circuit magnétique étant alors lui-même torique.
    La structure du système magnétique de l'accélérateur à plasma permet de créer par le choix des diamètres intérieurs des pôles magnétiques 61, 62, de la disposition conforme de la spire centrale 24 avec son courant et des générateurs magnétiques 21 à 26, la configuration demandée du champ magnétique (voir Figures 1 et 4).
    Cette configuration est caractérisée par la valeur du zéro de champ dans la zone de positionnement de l'anode 7, par l'angle entre les branches des séparatrices 27 (Figure 2) égal à environ 90°, et par le fait que ces séparatrices 27 traversent les parois du canal avec un angle d'environ 45° et se rencontrent dans la zone de l'anode 7, en entourant la spire centrale 24 sans contact avec les parois de la chambre de tranquilisation 2. Près de l'anode 7, la direction des séparatrices 27 crée un champ magnétique avec un angle de 45°, ce qui assure la condition de la séparation de l'écoulement des parois du canal et sa focalisation au milieu de la surface de la chambre de décharge 3 avec un gradient donné du champ (pas moins de 100 oersteds / cm) de la valeur zéro dans la zone de positionnement de l'anode 7 jusqu'à la valeur maximale à la sortie du canal annulaire 53.
    Tous les générateurs de champ magnétique 21 à 26 peuvent être fabriqués à l'aide de bobines électromagnétiques ou avec des aimants permanents dont le point de Curie doit rester supérieur à la température active de l'accélérateur à plasma. On admet l'utilisation mixte des bobines électromagnétiques et des aimants permanents. Si l'on choisit la réalisation des générateurs avec des bobines électromagnétiques, elles peuvent être alimentées avec des sources de courant différentes et dans une seule direction ou bien par une seule source de courant (bobines en série) et, dans ce cas, il est nécessaire de bien sélectionner le nombre de spires dans chaque bobine afin d'assurer la géométrie voulue du champ magnétique.
    L'anode annulaire 7 est positionnée dans la zone du zéro de champ magnétique, en joignant directement l'entrée du canal d'accélération 53. Cependant, dans ce cas, il est possible de re-pulvériser le matériau des parois isolantes de la chambre d'accélération 3 par le procédé du bombardement d'ions, à la suite de quoi on voit se former à la surface de l'anode 7 un film non conducteur. C'est pourquoi, pour maintenir la surface active de l'anode annulaire 7, il vaut mieux la mettre avec le jeu radial Δ relatif à la paroi du canal d'accélération 53. La valeur de ce jeu doit être choisie suivant des conditions optimales. D'une part, l'augmentation exagérée du jeu ne doit pas amener à la perturbation de l'intégrité du flux ni à l'érosion de l'anode 7 à cause du bombardement d'ions. D'autre part, la réduction considérable du jeu ne doit pas embarrasser le passage du courant à travers la surface de l'anode orientée vers le canal d'accélération. Le réglage du jeu Δ peut se faire par la liaison mécanique de l'anode à l'aide de linteaux rigides. Si ces linteaux sont conducteurs, on assure la liaison électrique de l'anode avec le pâle positif de la source par la ligne de l'alimentation électrique.
    Pour neutraliser le flux ionique sortant du canal d'accélération 53, on peut installer tout type de cathode creuse 8 à décharge de gaz. En outre, cette cathode 8 peut être placée soit sur le côté du moteur, soit, selon une variante, à l'intérieur du mandrin central et dirigée vers l'extérieur.
    Le fonctionnement de l'accélérateur à plasma selon la présente invention est le suivant : le champ magnétique avec la géométrie voulue est obtenu à l'aide des générateurs du champ magnétique 21 à 26 ainsi que des autres éléments du système magnétique. Après avoir distribué le gaz inerte, par exemple du Xénon, à une cathode chauffée pré-allumée 8 et au distributeur de gaz annulaire 11, on applique la tension aux éléments de l'accélérateur et la décharge s'allume alors dans les première et deuxième chambres 3, 2.
    Le schéma de principe du système est présenté sur les Figures 1 et 2.
    L'étage de tranquilisation 2 comprend une paroi équipotentielle 9 (notée SB), la spire annulaire 24 avec son courant et l'anode 7 qui fixe le potentiel dans la zone du zéro du champ magnétique et joue le rôle de la cathode pour cet étage. L'alimentation fluide arrive sur la face arrière de cet étage 2. La composition de l'étage d'accélération 3 est traditionnelle. Cet étage comprend un canal diélectrique 53 et une cathode 8 à la sortie du générateur.
    La particularité de l'étage de tranquilisation 2 est l'anode 7 qui constitue une cathode de tranquilisation. Elle assure la décharge entre la séparatrice 27 et la paroi équipotentielle 9 (SB) du volume de tranquilisation. La deuxième particularité est la "spire centrale" 24 avec son courant formant le conducteur annulaire créant la séparatrice et le piège pour les ions formés.
    Les tensions appliquées aux éléments du premier étage sont : Umix = USB = UA + δSB Usep = UA    Avec:
    UA =
    potentiel de l'anode 7
    Usep =
    potentiel de la séparatrice 27
    Umix =
    potentiel de la mixyne 28 (surface polarisée de la spire centrale 24)
    USB =
    potentiel de la paroi 9.
    Valeur de δSB =
    ~ 20 à 30 V.
    En raison des équipotentiellisations des lignes magnétiques de force, aux potentiels imposés, la séparatrice 27 dont le potentiel est fixé par l'anode 7 représente le fond du puits du potentiel où se cumulent les ions formés. Ils oscillent, en tombant sur la barrière, soit près de la myxine 28, soit près de la paroi équipotentielle 9 (SB). Comme la distance entre les frontières des oscillations s'accroít vers le point "X" 4, les ions se dirigent vers le canal 53, en perdant (en vertu de la conservation de l'invariant adiabatique transversal Vi ┴ h = Const, où h = distance entre les frontières des oscillations) la vitesse transversale et en acquérant la vitesse longitudinale, dirigée vers l'entrée 54 du canal d'accélération 53. A l'intérieur de ce canal 53 la configuration magnétique doit assurer un champ qui dirige les ions. En outre la valeur du champ magnétique H sur la séparatrice 27 doit être :
    Figure 00150001
    où
    ne =
    concentration des électrons dans la décharge,
    k =
    constante de Boltzmann,
    Te =
    température électronique.
    De plus, en prenant en considération la diffusion possible, il faut que la distance hm-c entre la myxine 28 et la séparatrice 27 et la distance hc-cb entre la séparatrice 27 et le mur tampon soient supérieures ou égales à 8 x ρe, c'est-à-dire huit rayons électroniques, donc : hM-C = MCρe   MC ≥ 8 hC-Cb = C-Cbρe   C-Cb ≥ 8
    La création dans l'étage de tranquilisation 2 d'un plasma entièrement ionisé avec une basse énergie (5 ÷ 15) eV ouvre la possibilité d'obtenir dans le canal d'accélération 53 un flux ionisé pratiquement mono énergétique, qui peut être bien focalisé et éloigné des parois.
    Le fonctionnement de l'étage d'accélération 3 est traditionnel. Le champ magnétique augmente vers la sortie et a son maximum dans le plan de sortie. Le gradient du champ magnétique fait 100 oersteds/cm. Les lignes magnétiques de force ont une géométrie convexe vers l'anode 7. C'est le champ électrique qui fait déplacer les ions. Quant aux électrons, ceux ci circulent en azimut dans le champ croisé électrique et magnétique.
    La possibilité de la création du champ électrique, convexe vers l'anode 7 et focalisant les ions au milieu du canal d'accélération 53, est liée à l'équipotentiellisation des lignes magnétiques de force. Ce processus est lié au fait que pour l'accélérateur plasmique à dérive d'électrons dans un circuit fermé l'équation du mouvement des électrons est la suivante 0=▿ Pe+eE+1/c·[VeH] ; E=-grad Φ où:
    ▿ Pe =
    gradient de la pression électronique;
    e =
    charge d'électron.
    E =
    intensité de champ électrique;
    Ve =
    vitesse des électrons;
    H =
    intensité de champ magnétique;
    Φ =
    potentiel de champ électrique.
    L'intégration de cette équation le long de la ligne magnétique de force 27 donne la formule suivante : Φ*(γ) = Φ(χ) -kTe/e·ln ne/ne(γ) où:
    Φ*(γ) =
    valeur constante du potentiel le long de la ligne magnétique de force nommée le potentiel thermalisé;
    Φ(χ) =
    potentiel électrique;
    Te =
    température électronique;
    k =
    constante de Boltzmann;
    ne =
    concentration des électrons dans la décharge;
    ne(γ) =
    caractéristique de la concentration des électrons sur une ligne donnée de force du champ magnétique (valeur normalisée).
    La dernière équation montre que les lignes magnétiques de force sont équipotentielles si Te→ 0 ou ne=ne(γ). Si ces conditions sont réalisées, il suffit de créer les lignes magnétiques de force convexes vers l'anode 7, pour obtenir la géométrie demandée des équipotentielles du champ électrique. Donc, pour créer l'accélérateur à plasma ayant des hautes performances de fonctionnement il faut respecter les conditions suivantes :
    Premièrement, il faut assurer l'uniformité de la densité du flux des ions (et, par conséquent, des particules neutres) près de l'anode 7, ce qui réduit l'influence sur le processus de la composante VPe, et, deuxièmement il faut créer la géométrie des lignes magnétiques de force fortement convexe vers l'anode 7. Pour y réussir, il est très important d'assurer la focalisation nécessaire des ions dans la zone de l'ionisation où leur vitesse est faible.
    Donc, l'accélérateur fonctionne comme un système à deux étages. Dans l'étage de tranquilisation 2, on ne résout qu'un problème : l'ionisation la plus complète de la substance, tandis que l'énergie des ions peut être très faible. Le volume de la zone de l'ionisation n'a pas de limites et pratiquement on peut obtenir l'ionisation complète de la substance active et ne pas laisser passer de neutres dans le canal d'accélération 53. Par conséquent, on voit diminuer la part des neutres ionisés dans la zone d'accélération, et s'élargir la gamme de fonctionnement en débit et en impulsion spécifique.
    A la suite des expériences effectuées on a établi le profil demandé du champ magnétique dans la chambre de tranquilisation 2 et un canal proche de la configuration idéale du champ magnétique. La divergence du faisceau des ions a été réduite à une valeur d'environ ±10° ou même ± 3°, le rendement a été augmenté jusqu'à 65 à 70 % et, autre point important, on a obtenu l'élargissement de la gamme de travail du moteur en poussée et en impulsion spécifique.
    Les avantages techniques de l'invention dus à l'augmentation du degré de l'ionisation de la substance active accélérée sont confirmés par les résultats des études expérimentales. On a réussi à obtenir une ionisation du gaz actif considérablement supérieure à celle des dispositifs existants dans un système quadripolaire créé par deux bobines parcourues par des courants de même direction. Dans ce cas là entre ces bobines se forme la zone du zéro de champ magnétique entourée de la barrière magnétique. Quand on met dans cette zone une cathode et un potentiel positif vers les bobines, on voit s'allumer la décharge, et le plasma remplit tous les alentours de la séparatrice. Dans ce système conforme à l'invention, avec une puissance à la source d'environ 30 W (Up ≤ 200V, Jp ≤ 160mA) on obtient, avec du Xénon, les caractéristiques suivantes :
       M = 2 mg/s,
       ne ~ 1012 cm-3,
       à Te ~ 30 eV et εi ~ 50 eV,
       où
    M =
    débit de la substance active,
    ne =
    concentration des électrons,
    Te =
    température des électrons,
    εi =
    énergie moyenne des ions.
    Ces données sont uniques, puisqu'on est parvenu à obtenir dans une décharge stationnaire à faible puissance une haute température électronique et une concentration importante des électrons quel que soit le type du gaz actif utilisé.
    On a la possibilité d'utiliser des substances actives diverses avec un grand rendement et ayant les caractéristiques suivantes :
  • a) moins chers (Kr, Ar, N2);
  • b) se trouvant dans les atmosphères des planètes (CO2, CH4, NH3);
  • c) constituées de vapeurs de métaux (des légers - Na, Mg, K, jusqu'aux lourds - Hg, Pb, Br).

    • Claims (19)

    1. Accélérateur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant :
      (a) une chambre d'ionisation (2) annulaire délimitée par des parois (52) en matériau électriquement isolant dont les faces intérieures sont recouvertes d'un matériau électriquement conducteur (9),
      (b) une chambre d'accélération (3) formée d'un canal d'accélération (53) annulaire en matériau isolant qui est coaxial à la chambre d'ionisation (2), dont la sortie (55) est ouverte vers l'aval et dont l'entrée amont (54) communique avec la chambre d'ionisation (2),
      (c) une anode annulaire (7) disposée à l'extrémité aval de la chambre d'ionisation (2) au voisinage de l'entrée amont (54) du canal d'accélération (53),
      (d) une cathode creuse (8) disposée au voisinage de la sortie aval (55) du canal d'accélération (53), à l'extérieur de celui-ci,
      (e) une première source de tension continue (82) dont le pôle négatif est connecté à la cathode (8) et le pôle positif est connecté à l'anode (7),
      (f) un distributeur annulaire de gaz (11) disposé au voisinage du fond constituant la partie amont de la chambre d'ionisation (2),
      (g) un circuit magnétique comprenant au moins un mandrin central cylindrique (60), des pôles magnétiques intérieur (61) et extérieur (62) qui délimitent la sortie ouverte aval (55) du canal d'accélération (53), et un fond arrière (63) qui forme l'extrémité amont de la chambre d'ionisation (2),
      (h) des moyens générateurs de champ magnétique comprenant au moins un premier générateur de champ magnétique (21) disposé autour de la chambre d'accélération (3) entre le pôle magnétique extérieur (62) et la chambre d'ionisation (2), un deuxième générateur de champ magnétique (22) disposé autour du mandrin central cylindrique (60) entre le pôle magnétique intérieur (61) et l'entrée amont (54) du canal d'accélération (53) située du côté de la chambre d'ionisation (2), et un troisième générateur de champ magnétique (23) disposé autour du mandrin central cylindrique (60) entre le deuxième générateur de champ magnétique (22) et l'extrémité amont de la chambre d'ionisation (2),
         caractérisé en ce qu'il comprend en outre une bobine annulaire coaxiale, qui est disposée dans la cavité de la chambre d'ionisation (2), est munie d'une gaine conductrice polarisée (28) connectée avec le matériau électriquement conducteur (9) des faces intérieures des parois (52) de la chambre d'ionisation (2) au pôle positif d'une deuxième source de tension (85) dont le pôle négatif est relié à l'anode (7), et constitue un quatrième générateur de champ magnétique qui, avec les autres générateurs de champ magnétique, forme un champ magnétique avec une ligne magnétique de force (27) ayant un point "X" (4) correspondant à un zéro de champ magnétique situé entre ladite bobine annulaire coaxiale (24) et l'anode (7).
    2. Accélérateur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique comprennent un cinquième générateur de champ magnétique (25) disposé au voisinage du distributeur annulaire de gaz (11).
    3. Accélérateur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend en outre des éléments ferromagnétiques de support secondaires (64) répartis autour des chambres d'ionisation (2) et d'accélération (3) et reliant le fond magnétique arrière (63) au pôle magnétique extérieur (62).
    4. Accélérateur à plasma selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique comprennent en outre un sixième générateur de champ magnétique (26) comprenant des composants disposés autour desdits éléments ferromagnétiques de support secondaire (64).
    5. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique comprennent des bobines électromagnétiques.
    6. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique comprennent au moins en partie des aimants permanents.
    7. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier générateur de champ magnétique (21) est blindé.
    8. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la chambre d'ionisation (2) présente dans le sens radial une dimension plus grande que celle du canal d'accélération en matériau isolant (53).
    9. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la bobine annulaire coaxiale (24) et sa gaine conductrice polarisée (28) sont montées à l'aide d'éléments de fixation (29) liés d'une façon rigide à la chambre d'ionisation (2).
    10. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'anode annulaire (7) est montée avec un jeu radial par rapport à la paroi du canal d'accélération (53).
    11. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que l'anode annulaire (7) est connectée par une ligne d'alimentation électrique (83) directement au pôle positif de la première source de tension continue (82) sans être reliée mécaniquement ni électriquement au distributeur annulaire de gaz (11) ou au matériau électriquement conducteur (9) des pièces internes des parois (52) de la chambre d'ionisation (2) autrement que par l'intermédiaire de la deuxième source de tension continue (85).
    12. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la cathode (8) est une cathode creuse à décharge de gaz.
    13. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la deuxième source de tension (85) applique sur la gaine conductrice (28) de la bobine annulaire coaxiale (24) une tension positive de quelques dizaines de volts par rapport à l'anode (7).
    14. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que la deuxième source de tension (85) applique sur le matériau électriquement conducteur (9) des faces intérieures des parois (52) de la chambre d'ionisation annulaire (2) un potentiel d'environ 20 à 40 volts par rapport à l'anode.
    15. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que les moyens générateurs de champ magnétique sont adaptés pour que le potentiel de la ligne magnétique de force ayant un point "X" correspondant à un zéro de champ magnétique soit proche du potentiel de l'anode (7).
    16. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le troisième générateur de champ magnétique (23) présente des première et deuxième zones (231, 232) de diamètres différents, la première zone (231) située au voisinage de l'anode (7) présentant un diamètre supérieur à celui de la deuxième zone (232) située au voisinage de la chambre d'ionisation (2).
    17. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la distance entre la gaine conductrice (28) de la bobine annulaire coaxiale (24) et les parois de la chambre d'ionisation (2) est supérieure ou égale à environ 20 millimètres.
    18. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il est appliqué à un moteur plasmique spatial constituant un propulseur électrique à réaction pour satellite.
    19. Accélérateur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisé en ce qu'il est appliqué à une source ionique de traitement ionique de pièces mécaniques.
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