EP2179435A1 - Dispositif d'ejection d'ions a effet hall - Google Patents

Dispositif d'ejection d'ions a effet hall

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EP2179435A1
EP2179435A1 EP08786854A EP08786854A EP2179435A1 EP 2179435 A1 EP2179435 A1 EP 2179435A1 EP 08786854 A EP08786854 A EP 08786854A EP 08786854 A EP08786854 A EP 08786854A EP 2179435 A1 EP2179435 A1 EP 2179435A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
annular
channel
magnetic
magnetic circuit
annular channel
Prior art date
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Application number
EP08786854A
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German (de)
English (en)
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EP2179435B1 (fr
Inventor
Marcel Guyot
Patrice Renaudin
Vladimir Cagan
Claude Boniface
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.)
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines
Original Assignee
Centre National dEtudes Spatiales CNES
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National dEtudes Spatiales CNES, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines filed Critical Centre National dEtudes Spatiales CNES
Publication of EP2179435A1 publication Critical patent/EP2179435A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP2179435B1 publication Critical patent/EP2179435B1/fr
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to the field of Hall effect ion ejection devices and more particularly the field of plasma thrusters.
  • plasma thrusters In the field of aerospace, it is well known to use plasma thrusters to, inter alia, maintain a satellite in geostationary orbit, to move a satellite from an orbit to a second orbit, to compensate for drag forces on placed satellites. in a so-called low orbit, that is to say an altitude of between 200 and 400 km, or to propel a machine during an interplanetary mission requiring weak thrusts over very long times.
  • These plasma thrusters generally have a form of revolution about a longitudinal axis substantially parallel to an ion ejection direction and comprise at least one main annular channel of ionization and acceleration, obtained in a refractory material surrounded by two poles.
  • circular cylindrical the annular channel being open at its end, an annular anode extending inside the channel, a cathode extending outside the channel, at the outlet of the latter, generally doubled by a second redundant anode, and a magnetic circuit for creating a magnetic field in a portion of the annular channel.
  • the magnetic field is usually created by means of electric coils fed by electric generators connected to solar panels.
  • thrusters provide an ion ejection rate 5 times greater than the ejection speed provided by chemical thrusters thus significantly reducing the weight and bulk of spacecraft such as satellites, for example, type of thruster have the disadvantage of requiring heavy and bulky electric generators, and being expensive.
  • Said propeller has a longitudinal axis substantially parallel to a propulsion direction defining an upstream portion and a downstream portion, and comprises a main annular channel of ionization and acceleration made of refractory material surrounded by two circular cylindrical magnetic poles, the annular channel being open at its upstream end, an annular gas distributing anode receiving gas from distribution ducts and provided with passages for allowing this gas to enter the annular channel, said annular anode being placed inside the channel in a downstream portion of the latter, at least one hollow cathode disposed outside the annular channel, adjacent to it, a magnetic circuit having upstream polar ends to create a radial magnetic field in an upstream portion of the annular channel between these polar parts, this circuit consisting of a downstream plate, from which spring to the upstream parallel to the longitudinal axis, a central arm located in the center of the annular channel, two circular cylindrical poles on either side of the annular channel and the peripheral arms located outside the annular channel and adjacent to it. this. At least
  • US 2005/116652 discloses an ion ejection plasma booster comprising two concentric annular ionization and acceleration channels, an anode extending inside each channel and a cathode extending outside the channels at the exit of these.
  • Said thruster comprises a magnetic circuit consisting of electric coils or annular permanent magnets.
  • the document US 2005/0247885 describes a Hall effect plasma thruster comprising an annular channel of ionization and acceleration, an anode extending inside the channel, a cathode extending outside the channel to the output of the latter and a magnetic circuit for creating a magnetic field in the annular channel.
  • the magnetic circuit consists of permanent magnets, a central annular permanent magnet integral with the inner wall of the magnetic circuit and a peripheral annular permanent magnet which is integral with the outer wall and a so-called shunt magnet extending at the bottom of the annular channel.
  • the plasma thruster further comprises bypass elements for concentrating the magnetic field to create a mirror magnetic field at the outlet of the annular channel, said magnetic mirror field being relatively symmetrical between the poles of the permanent magnets.
  • the document US Pat. No. 5,763,989 describes a plasma thruster comprising an annular channel of ionization and acceleration, an anode extending inside the channel, a cathode extending outside the channel and a magnetic circuit for creating a magnetic field in a portion of the annular channel.
  • the magnetic circuit consists of permanent magnets, a central permanent magnet and an annular peripheral permanent magnet.
  • the device includes a shield which locally deforms the field lines near the anode.
  • One of the aims of the invention is therefore to overcome all these drawbacks by proposing an ion ejection device particularly suitable for producing a plasma propellant of simple design, inexpensive and with a small footprint.
  • a Hall effect ion ejection device having a longitudinal axis substantially parallel to an ion ejection direction and comprising at least one main ionization annular channel and with the annular channel being open at its end, an anode extending inside the channel, a cathode extending out of the channel, at the end of the last channel, and a magnetic circuit for creating a field magnetic element in a portion of the annular channel into which a rare gas is introduced, said circuit comprising at least one annular inner wall, an annular outer wall and a bottom connecting the inner and outer walls and forming the downstream part of the magnetic circuit; said device is remarkable in that the magnetic circuit is arranged to create at the output of the annular channel a magnetic field independent of the azimuth and, in the region of the anode, a magnetic field whose radial component is zero.
  • the magnetic field is independent of the azimuth provides the output of the annular channel a magnetic field generally constant whatever the azimuth and almost radial.
  • the electrons arriving in the exit zone of the annular channel with a speed parallel to the axis of revolution of the device are subjected to a Laplace force which induces a cyclotron movement in the exit plane of the annular channel.
  • the electrons are thus massively trapped in the exit zone resulting in an increase in the probability of ionizing collisions with the atoms of the rare gas.
  • the radial component of the magnetic field being zero in the area of the anode, the device does not require shielding to deform the field lines.
  • the device comprises a so-called central permanent annular magnet secured to the inner wall of the magnetic circuit and a permanent annular permanent magnet said integral with the outer wall of the magnetic circuit and whose feed direction is opposite that of the central magnet.
  • the bottom of the annular groove has a transverse annular recess forming an air gap.
  • the central and / or peripheral magnet comprises a plurality of magnetic elements positioned in a circular manner.
  • central and / or peripheral magnet comprises one or more non-magnetic elements.
  • Each magnetic element of the peripheral magnet has a determined power.
  • Said elements of the central and / or peripheral magnet are cylinders obtained in SmCo metal alloy.
  • the central and / or peripheral magnet is obtained in hard ferrites called hexaferrites.
  • the magnetic circuit is obtained in soft ferrites which are preferably selected from the following list of ferrites of general formula MFe 2 O 4 or MO, Fe 2 O 3 .
  • the device comprises an annular piece obtained in a porous refractory material and positioned in the bottom of the annular groove to cover the gap and close the bottom of the annular channel.
  • This annular piece is obtained, preferably in porous ceramic.
  • the anode has an annular shape and extends in the middle part of the annular channel.
  • FIG. 2 is a view in axial section of the magnetic circuit of the plasma thruster according to the invention represented in FIG. 1,
  • FIG. 3 is a graphical representation of the magnetic flux density of the magnets of the plasma thruster as a function of the azimuth
  • FIG. 4 is a graphical representation of the variations of the Br component of the magnetic field as a function of the radius r, around the mean radius for a determined angle ⁇ ,
  • FIG. 5 is a graphical representation of the differences between the measured values of the Br component of the magnetic field and the function representing the best fit
  • FIG. 6 is an axial sectional view of an alternative embodiment of the plasma thruster according to the invention.
  • a Hall effect electron ejection device of a plasma thruster will be described hereinafter; however, the electron ejection device can find many applications including as an ion source for industrial processes such as, in particular, vacuum deposition, assisted deposition by the production of ions called IAD following the "English acronym” Ion Assisted Deposition ", the dry etching of microcircuits or any other ion implanted surface treatment device.
  • the plasma thruster consists of a base 1 having a shape of revolution about an axis OO 'and comprising in its downstream part, that is to say in its part rear, a rare gas supply circuit 2 such as Xenon for example able to be ionized and in its upstream part, that is to say in its front part, a central cylindrical core 3, the ejection of the ions being effected from downstream to upstream as will be detailed later.
  • a base 1 having a shape of revolution about an axis OO 'and comprising in its downstream part, that is to say in its part rear, a rare gas supply circuit 2 such as Xenon for example able to be ionized and in its upstream part, that is to say in its front part, a central cylindrical core 3, the ejection of the ions being effected from downstream to upstream as will be detailed later.
  • the thruster further comprises a magnetic circuit 4, shown in FIGS. 1 and 2, consisting of a crown 5 of U-shaped section comprising an inner wall 6, an outer wall 7 and a bottom 8 connecting the inner walls 6 and external 7 and forming the downstream portion of the magnetic circuit 4.
  • the upstream portion of the magnetic circuit 4 consists of a disc 9 covering the crown 5.
  • Said disc 9 has an annular slot 10 extending opposite the bottom 8 of the crown 5, and a hole 11 for the passage of a screw 12 ( Figure 1) for securing the magnetic circuit 4 to the base 1, the central core 3 having a threaded hole 13 adapted to receive the screw 12.
  • the magnetic circuit 4 further comprises, in its bottom 8 an annular recess 14 forming an air gap and opening on an annular groove 15 fed by radial secondary pipes 16 connected to a distributor 17 fed by a main line 18 coax iale to the axis 00 'of the thruster, the annular groove 15, the secondary lines 16, the distributor 17 and the main line 18 forming the gas supply circuit 5.
  • the whole magnetic circuit is made of soft iron.
  • the outer annular wall 7 of the magnetic circuit 4 comprises a first annular magnet 19 called peripheral magnet whose magnetization is oriented north-south from upstream to downstream and the inner annular wall 6 comprises a second annular magnet 20 said central magnet whose magnetization is oriented north-south downstream upstream, opposite the magnetization of the first annular magnet 19, so as to create an independent magnetic field of the azimuth.
  • a first annular magnet 19 called peripheral magnet whose magnetization is oriented north-south from upstream to downstream
  • the inner annular wall 6 comprises a second annular magnet 20 said central magnet whose magnetization is oriented north-south downstream upstream, opposite the magnetization of the first annular magnet 19, so as to create an independent magnetic field of the azimuth.
  • Such an arrangement of the magnets 19 and 20 makes it possible to provide a lenticular field geometry in the exit zone of the ejection channel ensuring good convergence of the ions.
  • the position of the magnets 19, 20, their dimensions and the gap 14 provide a magnetic field whose
  • Each of the magnets 19 and 20 may be solid or advantageously consist of a plurality of magnetic elements positioned in a circular manner. It will be observed that the magnetization of the peripheral magnet 19 may be oriented south-north from upstream to downstream and the magnetization of the central magnet 20 may be oriented south-north downstream upstream without departing from the frame of the invention.
  • Each magnetic element of the peripheral magnet 19 and / or central 20 has a determined power.
  • the magnetic elements are advantageously cylinders obtained hard metal alloy SmCo for example which have the advantage of having high magnetomotive forces.
  • the peripheral magnet 19 and / or central 20 comprises magnetic elements and one or more non-magnetic elements.
  • each magnetic element may have a particular power, the set of magnetic and non-magnetic elements being arranged to create a magnetic field independent of the azimuth.
  • the peripheral magnet 19 and / or central magnet 20 is substituted by a ring magnet having a radial magnetization, the center of the torus coinciding with the axis OO 'of the plasma thruster. .
  • Magnetic field independent of the azimuth is understood to mean a magnetic field whose value is globally constant for an altitude (z) along the axis of revolution OO 'and a given radius (r), that is to say say a magnetic field independent of the azimuth ( ⁇ ) or whose value varies by less than 1% as a function of the azimuth ( ⁇ ).
  • the magnetic field produced by the annular magnets is independent of the azimuth ( ⁇ ) for a given altitude (z) and radius (r)
  • the measurement of the magnetic field by a gaussmeter can vary. considering measurement uncertainties and misalignment between the axis 00 'of the plasma motor and the axis of rotation of the gaussmeter probe.
  • ⁇ r ( ⁇ ) r 0 sin ( ⁇ - ⁇ ) where ⁇ is the azimuth of the actual center of rotation.
  • Figure 5 shows the differences between the measurements and their best fit by a sine function.
  • the gross azimuthal variation of the magnetic field is less than the percent before taking into account the misalignment between the axis OO 'of the plasma motor and the axis of rotation of the gaussmeter probe.
  • the real azimuthal variation of the field becomes less than 0.1 mT (in fact the standard deviation of the residues is 0.04 mT, ie 0.1%), it is therefore the accuracy of the gaussmeter (+/- 0.1 mT) which limits the accuracy of the determination of the azimuthal homogeneity of the magnetic field.
  • the plasma thruster according to the invention comprises a main annular channel 21 of ionization and acceleration, consisting of an inner annular wall 22 and an outer annular wall 23 coaxial with the axis OO 'obtained in an electrically insulating material such as ceramic BN: SiO 2 for example, said annular channel 21 extending from the bottom 8 to the light 10 of the magnetic circuit 4.
  • This annular channel 21 obtained in a refractory material provides insulation between the region of the plasma that forms in said annular channel 21 and the magnetic circuit 4 as will be detailed below.
  • This porous ceramic 24 makes it possible in particular to provide a controlled and homogeneous diffusion of the gas in the annular channel 21.
  • this porous ceramic 24 may advantageously be adapted to all plasma thrusters of the prior art such as those described in US Pat. No. 5,359,258 and US Pat. No. 6,281,622 and French patent application FR 2,842,261, for example in order to to provide a controlled and homogeneous diffusion of the gas in the annular channel.
  • the outer annular wall 23 of the annular channel 21 advantageously comprises an annular protuberance 25 extending between the median portion of the annular channel 21 and the bottom of the magnetic circuit 4 providing a local narrowing of said annular channel 21 in order to avoid a breakdown of the inner walls. 22 and / or external 23 of the latter.
  • the plasma thruster comprises an annular anode 26 extending in the median portion of said annular channel 21 and connected to a polarization cable 27 extending radially and through the walls. 7 and 23 respectively of the magnetic circuit 4 and the annular channel 21 through radial holes 28 and 29.
  • the plasma thruster furthermore comprises at least one cathode 30, and preferably two cathodes, extending at the outlet of the annular channel 21 so as to create between said anode 26 and the cathode or cathodes 30 an electric field oriented in the direction axial OO ', while being outside the jet of propulsion, to create a plasma.
  • the base 1 of the plasma thruster according to the invention will be obtained in a heat-conducting material such as copper, for example, in order to ensure the evacuation of the heat produced by the plasma forming in the annular channel. 21, the copper base 1 thus forming a thermal control circuit.
  • the peripheral and / or central magnets 20 may be obtained in hard magnetic ceramics such as than hexaferrites, while the entire magnetic circuit 4 can be obtained in soft magnetic ceramics such as spinel ferrites.
  • the magnetic circuits of the plasma thrusters of the prior art and the embodiment variant described above are made of soft iron such as Iron Armco, which has a very high saturation magnetization (2.2T), and a point Curie also very high (770 ° C). It is a relatively soft material, therefore requiring only moderate magnetic fields to be magnetized.
  • the magnetic circuit 4 is a gap circuit 14 in which the effective magnetization fields are significantly higher than in closed circuit.
  • These screens delimit the annular channel 21 and constitute a short-circuit for the ions and electrons in the channel, said screens being electrically conductive, so that the plasma thrusters of the prior art comprise, in fine, insulating ceramics to avoid electric "short-circuit" effect of the screens.
  • the plasma thruster is constituted in the same manner as previously of a base 1 having a shape of revolution about an axis 00 'and having in its downstream part, a feed circuit in Rare gas 2 and in its upstream part, a cylindrical central core 3.
  • the thruster furthermore comprises a magnetic circuit 4 obtained in a soft ferrite such as a ferrite with a spinel structure and constituted by a crown 5 of shaped section.
  • U comprising an inner wall 6, an outer wall 7 and a bottom 8 connecting the inner 6 and outer walls 7 and forming the downstream portion of the magnetic circuit 4.
  • the upstream portion of the magnetic circuit 4 is constituted by a disc 9 capping the 5.
  • Said disc 9 has an annular slot 10 extending opposite the bottom 8 of the ring 5, and a hole 11 for the passage of a screw 12 (Figure 1) for securing the magnetic circuit 4 to the base 1, the central core 3 having a threaded hole 13 adapted to receive the screw 12.
  • the magnetic circuit 4 has, moreover, in its bottom 8 an annular recess forming an air gap 14 and opening on an annular groove 15 fed by the gas supply circuit 5.
  • the magnetic circuit 4 may be made of a soft ferrite as described in particular in the publication J. Smit and H. PJ. Wijn, "Ferrites", Philips Tech Library (1959).
  • the outer annular wall 7 of the magnetic circuit 4 comprises a first annular magnet 19 called peripheral magnet whose magnetization is oriented north-south from upstream to downstream and the inner annular wall 6 comprises a second annular magnet 20 said central magnet whose magnetization is oriented north-south downstream upstream, opposite the magnetization of the first annular magnet 19, so as to create an independent magnetic field of the azimuth.
  • a first annular magnet 19 called peripheral magnet whose magnetization is oriented north-south from upstream to downstream
  • the inner annular wall 6 comprises a second annular magnet 20 said central magnet whose magnetization is oriented north-south downstream upstream, opposite the magnetization of the first annular magnet 19, so as to create an independent magnetic field of the azimuth.
  • Such an arrangement of the magnets 19 and 20 makes it possible to provide a lenticular field geometry in the exit zone of the ejection channel ensuring good convergence of the ions.
  • the position of the magnets 19, 20, their dimensions and the gap 14 provide a magnetic field whose
  • Each of the magnets 19 and 20 may be solid or advantageously consist of a plurality of magnetic elements positioned in a circular manner.
  • the magnetic elements are advantageously cylinders obtained in hard ferrite or hexaferrite as described in particular in the publication J. Smit and H. PJ. Wijn, "Ferrites", Philips Tech Library (1959).
  • the plasma thruster according to the invention comprises a main annular channel 21 of ionization and acceleration, consisting of the inner and outer annular walls 6 and 7 of the magnetic circuit 4, the use of soft ferrites for the magnetic circuit 4 and hard ferrites for the magnets to remove the annular ring 5 as previously seen.
  • the downstream end of the magnetic circuit 4 is advantageously closed by an annular piece 24 obtained in a porous refractory material and positioned in the bottom of the annular channel 21.
  • This annular piece 24 is obtained in a porous ceramic and extends facing the annular recess 14 forming an air gap opening on the annular groove 15 of rare gas supply, said porous ceramic 24 allowing in particular to provide a controlled and homogeneous diffusion of the gas in the annular channel 21.
  • the plasma thruster comprises an annular anode 26 extending in the median portion of said annular channel 21 and connected to a polarization cable 27 extending radially and passing through the outer wall 7 of the magnetic circuit 4 through a radial hole 28.
  • the plasma thruster furthermore comprises at least one cathode 30, and preferably two cathodes, extending at the outlet of the annular channel 21 so as to create between said anode 26 and the cathode or cathodes 30 an electric field oriented in the direction axial 00 ', while being outside the jet propulsion, to create a plasma.
  • NiZn ferrites Nii -x Zn x Fe 2 O 4
  • a zinc content, x, between 0.2 and 0.4 would be the good compromise between magnetization and Curie temperature, at the operating temperature of the plasma propellant.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall ayant un axe longitudinal (00') sensiblement parallèle à une direction d'éjection des ions et comportant au moins : - un canal annulaire (21 ) principal d'ionisation et d'accélération, le canal annulaire (21 ) étant ouvert à son extrémité, - une anode (26) s'étendant à l'intérieur du canal (21 ), - une cathode (30) s'étendant en dehors du canal (21 ), à la sortie de ce dernier, - un circuit magnétique (4) pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire (21 ), ledit circuit comprenant au moins une paroi interne annulaire (22), une paroi externe annulaire (23) et un fond (8) reliant les parois interne (22) et externe (23) et formant la partie aval du circuit magnétique (4), caractérisé en ce que le circuit magnétique (4) est agencé de manière à créer à la sortie du canal annulaire (21 ) un champ magnétique indépendant de l'azimut.

Description

DISPOSITIF D'EJECTION D'IONS A EFFET HALL
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'éjection d'ions à effet Hall et plus particulièrement le domaine des propulseurs plasmiques. Dans le domaine de l'aérospatiale, il est bien connu d'utiliser des propulseurs plasmiques pour notamment maintenir un satellite en orbite géostationnaire, pour déplacer un satellite d'une orbite vers une seconde orbite, pour compenser des forces de traînée sur des satellites placés sur une orbite dite basse, c'est-à-dire une altitude comprise entre 200 et 400 km, ou pour propulser un engin au cours d'une mission interplanétaire nécessitant des poussées faibles sur des temps très longs.
Ces propulseurs plasmiques présentent généralement une forme de révolution autour d'un axe longitudinal sensiblement parallèle à une direction d'éjection des ions et comportent au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération, obtenu dans un matériau réfractaire entouré par deux pôles cylindriques circulaires, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode annulaire s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, à la sortie de ce dernier, généralement doublée par une seconde anode redondante, et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire. Le champ magnétique est usuellement créé au moyen de bobines électriques alimentées par des générateurs électriques connectés à des panneaux solaires.
Bien que le fonctionnement théorique de ces propulseurs ne soit pas encore parfaitement maîtrisé, il est généralement admis qu'ils fonctionnent de la manière suivante. Des électrons émis par la cathode se dirigent vers l'anode de l'amont vers l'aval du canal annulaire. Une partie de ces électrons est piégée dans le canal annulaire par le champ magnétique inter polaire. Les chocs entre électrons et molécules gazeuses contribuent à ioniser le gaz introduit dans le canal annulaire au travers de l'anode. Le mélange d'ions et d'électrons constitue alors un plasma ionisé auto entretenu. Les ions éjectés vers l'aval sous l'effet du champ électrique créent une poussée du moteur dirigé vers l'amont. Le jet d'ions est électriquement neutralisé par des électrons émis par la cathode 2. De tels propulseurs plasmiques sont, par exemple, décrits dans les brevets américains US 5,359,258 et US 6,281 ,622.
Bien que ces propulseurs procurent une vitesse d'éjection des ions 5 fois supérieure à la vitesse d'éjection procurée par des propulseurs chimiques permettant ainsi de réduire de manière significative le poids et l'encombrement des engins spatiaux tels que des satellites par exemple, ce type de propulseur présentent l'inconvénient de nécessiter de générateurs électriques lourds et encombrants, et d'être onéreux.
Afin de pallier ces inconvénients, on a déjà imaginé des propulseurs plasmiques ayant pour une même poussée, une consommation réduite de courant électrique et donc une masse diminuée de générateurs électriques, une masse et un encombrement diminués du circuit magnétique, une fiabilité accrue et un coût de production réduit.
C'est le cas par exemple de la demande de brevet français FR 2842 261 qui décrit un propulseur plasmique à effet Hall dont au moins l'un des bras du circuit magnétique comporte un aimant permanent.
Ledit propulseur présente un axe longitudinal sensiblement parallèle à une direction de propulsion définissant une partie amont et une partie avale, et comporte un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération réalisé en matériau réfractaire entouré par deux pôles magnétiques cylindriques circulaires, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité amont, une anode annulaire distributrice de gaz recevant du gaz de conduits de distribution et pourvue de passages pour laisser ce gaz entrer dans le canal annulaire, ladite anode annulaire étant placée à l'intérieur du canal dans une partie aval de ce dernier, au moins une cathode creuse disposée en dehors du canal annulaire, de façon adjacente à celui ci, un circuit magnétique comportant des extrémités polaires amont pour créer un champ magnétique radial dans une partie amont du canal annulaire entre ces parties polaires, ce circuit étant constitué par une plaque aval, de laquelle jaillissent vers l'amont parallèlement à l'axe longitudinal, un bras central situé au centre du canal annulaire, deux pôles cylindriques circulaires de part et d'autre du canal annulaire et des bras périphériques situés à l'extérieur du canal annulaire et adjacents à celui-ci. Au moins un des bras du circuit magnétique comporte un aimant permanent de telle manière que les bobines de création de champ magnétique ont un nombre réduit de spires bobinées en fil spécial haute température.
Ainsi la réduction du nombre de spires permet de réduire les pertes par effet Joule entraînant une réduction de réchauffement du propulseur, une augmentation de la fiabilité du propulseur et une réduction du coût de production, le fil spécial haute température étant fragile et onéreux.
Toutefois, ce type de propulseurs reste inadapté pour des propulseurs de petite taille destinés à certaines applications telles que la propulsion de petits satellites par exemple.
On connaît également le document US 2005/116652 qui décrit un propulseur plasmique à éjection d'ions comportant deux canaux annulaires concentriques d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur de chaque canal et une cathode s'étendant en dehors des canaux à la sortie de ces derniers. Ledit propulseur comporte un circuit magnétique constitué de bobines électriques ou d'aimants permanents annulaires.
Par ailleurs, le document US 2005/0247885 décrit un propulseur plasmique à effet Hall comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal à la sortie de ce dernier et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans le canal annulaire. Le circuit magnétique est constitué d'aimants permanents, un aimant permanent annulaire central solidaire de la paroi interne du circuit magnétique et un aimant permanent annulaire périphérique qui est solidaire de la paroi externe et un aimant dit de dérivation s'étendant au fond du canal annulaire. Le propulseur plasmique comporte par ailleurs des éléments de dérivation permettant de concentrer le champ magnétique pour créer un champ magnétique miroir à la sortie du canal annulaire, ledit champ magnétique miroir étant relativement symétrique entre les pôles des aimants permanents.
De plus, le document US 5,763,989 décrit un propulseur plasmique comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire. Le circuit magnétique est constitué d'aimants permanents, un aimant permanent central et un aimant permanent périphérique annulaire. Afin de supprimer le champ magnétique au niveau d'anode, le dispositif comporte un blindage qui déforme localement les lignes de champ à proximité de l'anode.
Tous ces dispositifs nécessitent l'utilisation d'un blindage pour éviter tout claquage au niveau de l'anode et sont inadaptés pour des propulseurs de petite taille.
L'un des buts de l'invention est donc de remédier à tous ces inconvénients en proposant un dispositif d'éjection d'ions particulièrement adapté pour la réalisation d'un propulseur plasmique de conception simple, peu onéreuse et présentant un faible encombrement.
A cet effet et conformément à l'invention, il est proposé un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall ayant un axe longitudinal sensiblement parallèle à une direction d'éjection des ions et comportant au moins un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité, une anode s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal, à la sortie de se dernier, et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire dans lequel est introduit un gaz rare, ledit circuit comprenant au moins une paroi interne annulaire, une paroi externe annulaire et un fond reliant les parois interne et externe et formant la partie aval du circuit magnétique ; ledit dispositif est remarquable en ce que le circuit magnétique est agencé de manière à créer à la sortie du canal annulaire un champ magnétique indépendant de l'azimut et, dans la zone de l'anode, un champ magnétique dont la composante radiale est nulle.
On notera que, le fait que le champ magnétique soit indépendant de l'azimut procure à la sortie du canal annulaire un champ magnétique globalement constant quelque soit l'azimut et quasiment radial. De cette manière, les électrons arrivant dans la zone de sortie du canal annulaire avec une vitesse parallèle à l'axe de révolution du dispositif se trouvent soumis à une force de Laplace qui leur induit un mouvement cyclotronique dans le plan de sortie du canal annulaire. Les électrons sont ainsi massivement piégés dans la zone de sortie entraînant une augmentation de la probabilité des collisions ionisantes avec les atomes du gaz rare. De plus, la composante radiale du champ magnétique étant nulle dans la zone de l'anode, le dispositif ne nécessite pas de blindage pour déformer les lignes de champ.
Le dispositif comporte un aimant permanent annulaire dit central solidaire de la paroi interne du circuit magnétique et un aimant permanent annulaire dit périphérique solidaire de la paroi externe du circuit magnétique et dont la direction d'alimentation est opposée à celle de l'aimant central.
Par ailleurs, le fond de la gorge annulaire comporte un évidement annulaire traversant formant un entrefer.
De manière avantageuse, l'aimant central et/ou périphérique comporte une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
De plus, l'aimant central et/ou périphérique comporte un ou plusieurs éléments amagnétiques.
Chaque élément magnétique de l'aimant périphérique présente une puissance déterminée. Lesdits éléments de l'aimant central et/ou périphérique sont des cylindres obtenus en alliage métallique SmCo.
Selon une variante d'exécution du dispositif conforme à l'invention, l'aimant central et/ou périphérique est obtenu dans des ferrites durs dits hexaferrites.
De manière avantageuse, le circuit magnétique est obtenu dans des ferrites doux qui sont choisis, de préférence, parmi la liste suivante des ferrites de formule générale MFe2O4 Ou MO, Fe2O3.
Par ailleurs, le dispositif comporte une pièce annulaire obtenue dans un matériau réfractaire poreux et positionnée dans le fond de la gorge annulaire pour coiffer l'entrefer et fermer le fond du canal annulaire. Cette pièce annulaire est obtenue, de préférence dans de la céramique poreuse.
De plus, l'anode présente une forme annulaire et s'étend dans la partie médiane du canal annulaire.
Le dispositif trouvera de nombreuses applications industriellesi telles qu'à un propulseur plasmique à effet Hall ou à un dispositif de traitement de surface à implantation ionique par exemple. D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du dispositif d'éjection d'électrons à effet Hall conforme à l'invention, à partir des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un propulseur plasmique conforme à l'invention,
- la figure 2 est une vue en coupe axiale du circuit magnétique du propulseur plasmique suivant l'invention représenté sur la figure 1 ,
- la figure 3 est une représentation graphique de la densité du flux magnétique des aimants du propulseur plasmique en fonction de l'azimut,
- la figure 4 est une représentation graphique des variations de la composante Br du champ magnétique en fonction du rayon r, autour du rayon moyen pour un angle θ déterminé,
- la figure 5 est une représentation graphique des écarts entre les valeurs mesurées de la composante Br du champ magnétique et la fonction représentant le meilleur ajustement,
- la figure 6 est une vue en coupe axiale d'une variante d'exécution du propulseur plasmique conforme à l'invention.
On décrira ci-après un dispositif d'éjection d'électrons à effet Hall d'un propulseur plasmique ; toutefois, le dispositif d'éjection d'électrons pourra trouver de nombreuses applications notamment en tant que source d'ions pour des traitements industriels tels que, notamment, le dépôt sous vide, le dépôt assisté par la production d'ions dit IAD suivant l'acronyme anglo-saxon « Ion Assisted Déposition », la gravure sèche des microcircuits ou tout autre dispositif de traitement de surface à implantation ionique.
En référence à la figure 1 , le propulseur plasmique suivant l'invention est constitué d'une embase 1 présentant une forme de révolution autour d'un axe OO' et comportant dans sa partie aval, c'est-à-dire dans sa partie arrière, un circuit d'alimentation en gaz rare 2 tel que du Xénon par exemple apte à être ionisé et dans sa partie amont, c'est-à-dire dans sa partie avant, d'un noyau central cylindrique 3, l'éjection des ions s'effectuant d'aval à amont comme il sera détaillé plus loin.
Le propulseur comporte par ailleurs un circuit magnétique 4, représenté sur les figures 1 et 2, constitué d'une couronne 5 de section en forme de U comprenant une paroi interne 6, une paroi externe 7 et un fond 8 reliant les parois interne 6 et externe 7 et formant la partie aval du circuit magnétique 4. La partie amont du circuit magnétique 4 est constituée d'un disque 9 coiffant la couronne 5. Ledit disque 9 comporte une lumière 10 annulaire s'étendant en regard du fond 8 de la couronne 5, et un trou 11 pour le passage d'une vis 12 (figure 1 ) permettant de solidariser le circuit magnétique 4 à l'embase 1 , le noyau central 3 comportant un trou taraudé 13 apte à recevoir la vis 12. Le circuit magnétique 4 comporte, par ailleurs, dans son fond 8 un évidement annulaire 14 formant un entrefer et débouchant sur une gorge annulaire 15 alimentée par des canalisations secondaires radiales 16 connectées à un répartiteur 17 alimenté par une canalisation principale 18 coaxiale à l'axe 00' du propulseur, la gorge annulaire 15, les canalisations secondaires 16, le répartiteur 17 et la canalisation principale 18 formant le circuit d'alimentation 5 en gaz. L'ensemble du circuit magnétique est réalisé en fer doux.
La paroi annulaire externe 7 du circuit magnétique 4 comporte un premier aimant annulaire 19 dit aimant périphérique dont l'aimantation est orientée nord-sud d'amont en aval et la paroi annulaire interne 6 comporte un second aimant annulaire 20 dit aimant central dont l'aimantation est orientée nord-sud d'aval en amont, opposée à l'aimantation du premier aimant annulaire 19, de manière à créer un champ magnétique indépendant de l'azimut. Un tel agencement des aimants 19 et 20 permet de procurer une géométrie de champ lenticulaire dans la zone de sortie du canal d'éjection assurant une bonne convergence des ions. De plus, on notera que la position des aimants 19, 20, leurs dimensions et l'entrefer 14 procurent un champ magnétique dont la composante radiale est nulle dans la zone de l'anode.
Chacun des aimants 19 et 20 peuvent être massifs ou avantageusement constitués d'une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire. On observera que l'aimantation de l'aimant périphérique 19 pourra être orientée sud-nord d'amont en aval et l'aimantation de l'aimant central 20 pourra être orientée sud-nord d'aval en amont sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
Chaque élément magnétique de l'aimant périphérique 19 et/ou central 20 présente une puissance déterminée. De plus, les éléments magnétiques sont avantageusement des cylindres obtenus en alliage métallique dur SmCo par exemple qui présentent l'avantage d'avoir des forces magnétomotrices élevées.
Selon une variante d'exécution du propulseur plasmique, l'aimant périphérique 19 et/ou central 20 comporte des éléments magnétiques et un ou plusieurs éléments amagnétiques. On notera que dans cet exemple de réalisation, chaque élément magnétique pourra présenter une puissance particulière, l'ensemble des éléments magnétiques et amagnétiques étant agencés de manière à créer un champ magnétique indépendant de l'azimut.
On observera que l'utilisation d'éléments magnétiques permet de réaliser des aimants annulaires de diamètres différents et/ou de hauteurs différentes afin de s'adapter à la géométrie et aux dimensions d'un propulseur ou, pour une géométrie de propulseur déterminée, d'adapter la force magnétomotrice en remplaçant des éléments magnétiques par des éléments amagnétiques.
Selon une autre variante d'exécution, non représentée sur les figures, l'aimant périphérique 19 et/ou central 20 est substitué par un aimant torique présentant une aimantation radiale, le centre du tore étant confondu avec l'axe OO' du propulseur plasmique.
On entend par champ magnétique indépendant de l'azimut, un champ magnétique dont la valeur est globalement constante pour une altitude (z) le long de l'axe de révolution OO' et un rayon (r) donnés, c'est-à-dire un champ magnétique indépendant de l'azimut (θ) ou dont la valeur varie de moins de 1 % en fonction de l'azimut (θ).
En effet, on notera que, bien que le champ magnétique produit par les aimants annulaires est indépendant de l'azimut (θ) pour une altitude (z) et un rayon (r) donnés, la mesure du champ magnétique par un gaussmètre peut varier compte tenu des incertitudes de mesure et du défaut d'alignement entre l'axe 00' du moteur plasmique et l'axe de rotation de la sonde du gaussmètre.
Une mesure de la densité du flux magnétique a été effectuée, en référence à la figure 3, au moyen d'un gaussmètre tridimensionnel afin de relever le champ magnétique en fonction de l'azimut (-180° < θ < + 180°) dans la zone du plan de sortie du propulseur plasmique en se plaçant au rayon moyen (r = 19 mm). La composante Br est constante quel que soit l'azimut. Br = 43.55 ± 0.31 mT
Soit une fluctuation inférieure au pourcent (0.7%). Cependant en analysant plus profondément Br (θ), on observe une variation systématique de type sinusoïdal dont la période est de 360 degrés (figure 3).
Cette fluctuation est due à un léger défaut de centrage de l'axe OO' du moteur avec l'axe du gaussmètre. En effet, si l'axe OO' du moteur plasmique ne coïncide pas rigoureusement avec l'axe de rotation du porte-sonde du gaussmètre, la mesure en θ est sensible à la variation de Br en fonction du rayon r.
A titre d'exemple, la figure 4 représente les variations de Br en fonction du rayon r, autour du rayon moyen (r = 19mm) pour un angle θ égal à -90 degrés ainsi qu'une courbe de référence d'un polynôme du second degré.
Des courbes similaires ont été relevées tous les 90 degrés permettant ainsi de définir la sensibilité du champ à une variation de rayon autour de r = 19mm : ΔB/Δr = 2.7 mT/mm
En considérant que l'amplitude du décentrement est r0, alors la variation de position de la sonde au cours d'un tour s'écrit
Δr (θ) = r0 sin (θ - Φ) où Φ est l'azimut du centre de rotation effectif.
Ce qui entraîne une variation de Br : ΔBr (θ) = ΔB/Δr * Δr (θ)
= (ΔB/Δr) * r0 sin (θ - Φ) = b0 sin (θ - Φ) La courbe de référence sur la figure 4 qui s'ajuste le mieux aux mesures a pour paramètres b0 = 0.445 mT
Φ = 28 degré
Compte tenu de la valeur ΔB/Δr = 2.7 mT/mm, on peut déduire l'amplitude du décentrage ro = 0.165 mm soit une fluctuation totale de 0.33 mm sur un tour complet de la sonde du gaussmètre.
Enfin, la figure 5 présente les écarts entre les mesures et leur meilleur ajustement par une fonction sinus. La variation azimutale brute du champ magnétique est inférieure au pourcent avant prise en compte du défaut d'alignement entre l'axe OO' du moteur plasmique et l'axe de rotation de la sonde du gaussmètre.
En tenant compte de cette erreur systématique, la variation azimutale réelle du champ devient inférieure à 0.1 mT (en fait l'écart type des résidus est 0.04 mT, soit 0.1 %), c'est donc la précision du gaussmètre ( +/- 0.1 mT) qui limite la précision de la détermination de l'homogénéité azimutale du champ magnétique.
Donc le champ magnétique produit par l'ensemble à aimants annulaires présente une excellente homogénéité azimutale, laquelle est théoriquement constante, mais limitée à la précision de l'appareil de mesure actuel (0.25%). Par ailleurs, le propulseur plasmique suivant l'invention, comporte un canal annulaire principal 21 d'ionisation et d'accélération, constitué d'une paroi annulaire interne 22 et d'une paroi annulaire externe 23 coaxiales à l'axe OO', obtenues dans un matériau isolant électriquement tel que de la céramique BN : SiO2 par exemple, ledit canal annulaire 21 s'étendant depuis le fond 8 jusqu'à la lumière 10 du circuit magnétique 4. Ce canal annulaire 21 obtenu dans un matériau réfractaire procure une isolation électrique entre la zone du plasma qui se forme dans ledit canal annulaire 21 et le circuit magnétique 4 comme il sera détaillé plus loin.
L'extrémité aval du canal annulaire 21 , c'est-à-dire l'extrémité du canal annulaire prenant appui sur le fond 8 du circuit magnétique 4, est fermée par une céramique poreuse 24 de forme annulaire s'étendant en regard de l'évidement annulaire 14 formant un entrefer et débouchant sur la gorge annulaire 15 d'alimentation en gaz rare. Cette céramique poreuse 24 permet notamment de procurer une diffusion contrôlée et homogène du gaz dans le canal annulaire 21.
On observera que cette céramique poreuse 24 pourra avantageusement être adaptée à tous les propulseurs plasmiques de l'art antérieur tels que ceux décrits dans les brevets américains US 5,359,258 et US 6,281 ,622 et la demande de brevet français FR 2 842 261 par exemple afin de procurer une diffusion contrôlée et homogène du gaz dans le canal annulaire.
La paroi annulaire externe 23 du canal annulaire 21 comporte avantageusement une protubérance annulaire 25 s'étendant entre la partie médiane du canal annulaire 21 et le fond du circuit magnétique 4 procurant un rétrécissement local dudit canal annulaire 21 afin d'éviter un claquage des parois interne 22 et/ou externe 23 de ce dernier.
Entre la protubérance annulaire 25 et l'extrémité amont du canal annulaire 21 , le propulseur plasmique comporte une anode annulaire 26 s'étendant dans la partie médiane dudit canal annulaire 21 et connecté à un câble de polarisation 27 s'étendant radialement et traversant les parois externes 7 et 23 respectivement du circuit magnétique 4 et du canal annulaire 21 à travers des trous radiaux 28 et 29.
Le propulseur plasmique comporte, par ailleurs, au moins une cathode 30, et de préférence deux cathodes, s'étendant à la sortie du canal annulaire 21 afin de créer entre ladite anode 26 et la ou les cathodes 30 un champ électrique orienté dans la direction axiale OO', tout en étant en dehors du jet de propulsion, afin de créer un plasma.
De manière avantageuse, l'embase 1 du propulseur plasmique suivant l'invention sera obtenu dans un matériau conducteur de la chaleur tel que le cuivre par exemple afin d'assurer l'évacuation de la chaleur produite par le plasma se formant dans le canal annulaire 21 , l'embase 1 en cuivre formant ainsi un circuit de régulation thermique.
Selon une dernière variante d'exécution particulièrement avantageuse du dispositif suivant l'invention, en référence à la figure 6, les aimants périphérique 19 et/ou central 20 pourront être obtenus dans des céramiques magnétiques dures telles que des hexaferrites, tandis que l'ensemble du circuit magnétique 4 pourra être obtenu dans des céramiques magnétiques douces tels que des ferrites spinelles.
En effet, les circuits magnétiques des propulseurs plasmique de l'art antérieur et la variante d'exécution décrite précédemment sont réalisés en fer doux tel qu'en Fer Armco, lequel présente une aimantation à saturation très élevée (2.2T), et un point de Curie également très élevé (770 °C). Il s'agit d'un matériau relativement doux, donc ne nécessitant que des champs magnétiques modérés pour être aimanté. Toutefois, le circuit magnétique 4 est un circuit à entrefer 14 dans lequel les champs d'aimantation effectifs sont nettement plus élevés qu'en circuit fermé. Ainsi, pour optimiser non seulement la valeur du champ magnétique radial, mais aussi la répartition spatiale des propulseurs de l'art antérieur, il était nécessaire de placer des écrans également en fer doux. Ces écrans délimitent le canal annulaire 21 et constituent un court-circuit pour les ions et électrons dans le canal, lesdits écrans étant conducteurs de l'électricité de sorte que les propulseurs plasmiques de l'art antérieur comportent in fine des céramiques isolantes pour éviter l'effet « court- circuit » électrique des écrans.
La substitution des parties ferromagnétiques douces du circuit magnétique 4 par des ferrites doux (structure spinelle) et des aimants métalliques par des ferrites durs dits hexaferrites (structure hexagonale) par exemple permet de supprimer la céramique isolante du canal annulaire 21 dans lequel le plasma est formé.
Ainsi, dans cette variante d'exécution, le propulseur plasmique est constitué de la même manière que précédemment d'une embase 1 présentant une forme de révolution autour d'un axe 00' et comportant dans sa partie aval, un circuit d'alimentation en gaz rare 2 et dans sa partie amont, d'un noyau central cylindrique 3. Le propulseur comporte par ailleurs un circuit magnétique 4 obtenu dans un ferrite doux tel qu'un ferrite à structure spinelle et constitué d'une couronne 5 de section en forme de U comprenant une paroi interne 6, une paroi externe 7 et un fond 8 reliant les parois interne 6 et externe 7 et formant la partie aval du circuit magnétique 4. La partie amont du circuit magnétique 4 est constituée d'un disque 9 coiffant la couronne 5. Ledit disque 9 comporte une lumière 10 annulaire s'étendant en regard du fond 8 de la couronne 5, et un trou 11 pour le passage d'une vis 12 (figure 1 ) permettant de solidariser le circuit magnétique 4 à l'embase 1 , le noyau central 3 comportant un trou taraudé 13 apte à recevoir la vis 12. Le circuit magnétique 4 comporte, par ailleurs, dans son fond 8 un évidement annulaire formant un entrefer 14 et débouchant sur une gorge annulaire 15 alimentée par le circuit d'alimentation 5 en gaz. L'ensemble du circuit magnétique 4 est réalisé en ferrites doux tels que les ferrites doux de formule générale MFe2θ4 ou MO, Fe2Û3, (M = métal divalent, ou combinaison de métaux divalents) par exemple.
D'une manière générale, le circuit magnétique 4 pourra être réalisé dans un ferrite doux tel que décrit notamment dans la publication J. Smit and H. PJ. Wijn, « Ferrites », Philips Tech Library (1959).
La paroi annulaire externe 7 du circuit magnétique 4 comporte un premier aimant annulaire 19 dit aimant périphérique dont l'aimantation est orientée nord-sud d'amont en aval et la paroi annulaire interne 6 comporte un second aimant annulaire 20 dit aimant central dont l'aimantation est orientée nord-sud d'aval en amont, opposée à l'aimantation du premier aimant annulaire 19, de manière à créer un champ magnétique indépendant de l'azimut. Un tel agencement des aimants 19 et 20 permet de procurer une géométrie de champ lenticulaire dans la zone de sortie du canal d'éjection assurant une bonne convergence des ions. De plus, on notera que la position des aimants 19, 20, leurs dimensions et l'entrefer 14 procurent un champ magnétique dont la composante radiale est nulle dans la zone de l'anode.
Chacun des aimants 19 et 20 peuvent être massifs ou avantageusement constitués d'une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
De plus, les éléments magnétiques sont avantageusement des cylindres obtenus dans un ferrite dur ou hexaferrite tel que décrit notamment dans la publication J. Smit and H. PJ. Wijn, « Ferrites », Philips Tech Library (1959).
Par ailleurs, le propulseur plasmique suivant l'invention, comporte un canal annulaire principal 21 d'ionisation et d'accélération, constitué des parois annulaires interne 6 et externe 7 du circuit magnétique 4, l'utilisation des ferrites doux pour le circuit magnétique 4 et des ferrites durs pour les aimants permettant de supprimer la couronne annulaire 5 comme on l'a vu précédemment. L'extrémité aval du circuit magnétique 4 est avantageusement fermée par une pièce annulaire 24 obtenue dans un matériau réfractaire poreux et positionnée dans le fond du canal annulaire 21. Cette pièce annulaire 24 est obtenue dans une céramique poreuse et s'étend en regard de l'évidement annulaire 14 formant un entrefer en débouchant sur la gorge annulaire 15 d'alimentation en gaz rare, ladite céramique poreuse 24 permettant notamment de procurer une diffusion contrôlée et homogène du gaz dans le canal annulaire 21.
Le propulseur plasmique comporte une anode annulaire 26 s'étendant dans la partie médiane dudit canal annulaire 21 et connecté à un câble de polarisation 27 s'étendant radialement et traversant la paroi externe 7 du circuit magnétique 4 à travers un trou radial 28.
Le propulseur plasmique comporte, par ailleurs, au moins une cathode 30, et de préférence deux cathodes, s'étendant à la sortie du canal annulaire 21 afin de créer entre ladite anode 26 et la ou les cathodes 30 un champ électrique orienté dans la direction axiale 00', tout en étant en dehors du jet de propulsion, afin de créer un plasma.
On notera que les aimants 19 et/ou 20 et/ou tout ou partie du circuit magnétique
4 pourront, par exemple, être substitués par les ferrites de NiZn (Nii-xZnxFe2O4); une teneur en zinc, x, comprise entre 0.2 et 0.4 serait le bon compromis entre aimantation et température de Curie, à la température de fonctionnement du propulseur plasmique.
Par ailleurs, il est bien évident que l'invention pourra être appliquée en substituant les aimants et/ou tout ou partie du circuit magnétique des propulseurs plasmiques de l'art antérieur tels que les propulseurs plasmiques décrits dans les brevets américains US 5,359,258 et US 6,281 ,622 et la demande de brevet français
FR 2 842 261 par exemple sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
De plus, il est bien évident que seuls les aimants 19 et/ou 20 pourront être substitués par des ferrites durs (hexaferrites) sans pour autant sortir du cadre de l'invention. Enfin, il va de soi que les exemples que l'on vient de donner ne sont que des illustrations particulières en aucun cas limitatives quant aux domaines d'application de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Dispositif d'éjection d'ions à effet Hall ayant un axe longitudinal (00') sensiblement parallèle à une direction d'éjection des ions et comportant au moins : - un canal annulaire (21 ) principal d'ionisation et d'accélération, le canal annulaire (21 ) étant ouvert à son extrémité,
- une anode (26) s'étendant à l'intérieur du canal (21 ),
- une cathode (30) s'étendant en dehors du canal (21 ), à la sortie de ce dernier,
- un circuit magnétique (4) pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire (21 ), ledit circuit comprenant au moins une paroi interne annulaire
(22), une paroi externe annulaire (23) et un fond (8) reliant les parois interne (22) et externe (23) et formant la partie aval du circuit magnétique (4), caractérisé en ce que le circuit magnétique (4) est agencé de manière à créer à la sortie du canal annulaire (21) un champ magnétique indépendant de l'azimut et, dans la zone de l'anode, un champ magnétique dont la composante radiale est nulle.
2 - Dispositif suivant la revendication précédente caractérisé en ce qu'il comporte un aimant permanent annulaire (20) dit central solidaire de la paroi interne (6) du circuit magnétique (4) et un aimant permanent annulaire (19) dit périphérique solidaire de la paroi externe (7) du circuit magnétique (4) et dont la direction d'aimantation est opposée à celle de l'aimant central (20).
3 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que le fond (8) comporte un évidement annulaire traversant (14) formant un entrefer.
4 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) comporte une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
5 - Dispositif suivant la revendication 4 caractérisé en ce que l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) comporte un ou plusieurs éléments amagnétiques.
6 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que chaque élément magnétique de l'aimant central (20) et/ou périphérique
(19) présente une puissance déterminée. 7 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 6 caractérisé en ce que les éléments de l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) sont des cylindres obtenus en alliage métallique SmCo.
8 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) est obtenu dans des ferrites durs dits hexaferrites.
9 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le circuit magnétique (4) est obtenu dans des ferrites doux.
10 - Dispositif suivant la revendication 9 caractérisé en ce que les ferrites doux sont choisis parmi la liste suivante des ferrites de formule générale MFe2θ4 ou
MO, Fe2Û3 dans laquelle M désigne un atome métallique divalent ou une combinaison d'atomes dont la valence globale est 2.
11 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce qu'il comporte une pièce annulaire (24) obtenue dans un matériau réfractaire poreux et positionnée dans le fond (8) du canal annulaire (21) pour coiffer l'entrefer (14) et fermer le fond (8) du canal annulaire (21 ).
12 - Dispositif suivant la revendication 11 caractérisé en ce que la pièce annulaire (24) est obtenue dans de la céramique poreuse.
13 - Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que l'anode (26) présente une forme annulaire et s'étend dans la partie médiane du canal annulaire (21 ).
14 - Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13 à un propulseur plasmique à effet Hall.
15 - Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 13 à un dispositif de traitement de surface à implantation ionique.
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