EP2179435B1

EP2179435B1 - Dispositif d'ejection d'ions a effet hall

Info

Publication number: EP2179435B1
Application number: EP08786854.3A
Authority: EP
Inventors: Marcel Guyot; Patrice Renaudin; Vladimir Cagan; Claude Boniface
Original assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines
Current assignee: Centre National dEtudes Spatiales CNES; Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines
Priority date: 2007-08-02
Filing date: 2008-08-04
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2028-08-04
Also published as: WO2009016264A1; RU2510543C2; US20100244657A1; CA2695238A1; EP2179435A1; US8471453B2; CA2695238C; RU2010107448A; FR2919755A1; FR2919755B1

Description

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 2 842 261 qui décrit un propulseur plasmique à effet Hall dont au moins l'un des bras du circuit magnétique comporte un aimant permanent.
Ledit propulseur présente un axe longitudinal sensiblement parallèle à une direction de propulsion définissant une partie amont et une partie avale, et comporte un canal annulaire principal d'ionisation et d'accélération réalisé en matériau réfractaire entouré par deux pôles magnétiques cylindriques circulaires, le canal annulaire étant ouvert à son extrémité amont, une anode annulaire distributrice de gaz recevant du gaz de conduits de distribution et pourvue de passages pour laisser ce gaz entrer dans le canal annulaire, ladite anode annulaire étant placée à l'intérieur du canal dans une partie aval de ce dernier, au moins une cathode creuse disposée en dehors du canal annulaire, de façon adjacente à celui ci, un circuit magnétique comportant des extrémités polaires amont pour créer un champ magnétique radial dans une partie amont du canal annulaire entre ces parties polaires, ce circuit étant constitué par une plaque aval, de laquelle jaillissent vers l'amont parallèlement à l'axe longitudinal, un bras central situé au centre du canal annulaire, deux pôles cylindriques circulaires de part et d'autre du canal annulaire et des bras périphériques situés à l'extérieur du canal annulaire et adjacents à celui-ci. Au moins un des bras du circuit magnétique comporte un aimant permanent de telle manière que les bobines de création de champ magnétique ont un nombre réduit de spires bobinées en fil spécial haute température.
Ainsi la réduction du nombre de spires permet de réduire les pertes par effet Joule entraînant une réduction de l'échauffement du propulseur, une augmentation de la fiabilité du propulseur et une réduction du coût de production, le fil spécial haute température étant fragile et onéreux.
Toutefois, ce type de propulseurs reste inadapté pour des propulseurs de petite taille destinés à certaines applications telles que la propulsion de petits satellites par exemple.
On connaît également le document US 2005/116652 qui décrit un propulseur plasmique à éjection d'ions comportant deux canaux annulaires concentriques d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur de chaque canal et une cathode s'étendant en dehors des canaux à la sortie de ces derniers. Ledit propulseur comporte un circuit magnétique constitué de bobines électriques ou d'aimants permanents annulaires.
Par ailleurs, le document US 2005/0247885 décrit un propulseur plasmique à effet Hall comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal à la sortie de ce dernier et un circuit magnétique pour créer un champ magnétique dans le canal annulaire. Le circuit magnétique est constitué d'aimants permanents, un aimant permanent annulaire central solidaire de la paroi interne du circuit magnétique et un aimant permanent annulaire périphérique qui est solidaire de la paroi externe et un aimant dit de dérivation s'étendant au fond du canal annulaire. Le propulseur plasmique comporte par ailleurs des éléments de dérivation permettant de concentrer le champ magnétique pour créer un champ magnétique miroir à la sortie du canal annulaire, ledit champ magnétique miroir étant relativement symétrique entre les pôles des aimants permanents.
De plus, le document US 5,763,989 décrit un propulseur plasmique comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération, une anode s'étendant à l'intérieur du canal, une cathode s'étendant en dehors du canal et un circuit magnétique pour créer 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 tel que défini dans la revendication 1 annexée, et dans les revendications qui en dépendent.
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.
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.
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 industrielles telles qu'à un propulseur plasmique à effet Hall ou à un dispositif de traitement de surface à implantation ionique par exemple.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux de la description qui va suivre de plusieurs variantes d'exécution, données à titre d'exemples non limitatifs, du dispositif d'éjection d'électrons à effet Hall conforme à l'invention, à partir des dessins annexés sur lesquels :

la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un propulseur plasmique selon un agencement non conforme à l'invention,
la figure 2 est une vue en coupe axiale du circuit magnétique du propulseur plasmique 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, un exemple de propulseur plasmique 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 OO' 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.
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 OO' 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. $Br = 43.55 \pm 0.31 mT$
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 : $Δ B/ Δ r = 2.7 mT / mm$
En considérant que l'amplitude du décentrement est r₀, alors la variation de position de la sonde au cours d'un tour s'écrit $Δ r (θ) = r_{0} \sin (θ - Φ)$
où Φ est l'azimut du centre de rotation effectif.
Ce qui entraîne une variation de Br : $\begin{array}{l} Δ Br (θ) = Δ B / Δ r * Δ r (θ) \\ = (Δ B / Δr) * r_{0} \sin (θ - Φ) \\ = b_{0} \sin (θ - Φ) \end{array}$
La courbe de référence sur la figure 4 qui s'ajuste le mieux aux mesures a pour paramètres $b_{0} = 0.445 mT$
$Φ = 28 degré$
Compte tenu de la valeur ΔB/Δr = 2.7 mT/mm, on peut déduire l'amplitude du décentrage $r_{0} = 0.165 mm$
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 présenté, 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 présenté 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 l'invention, en référence à la figure 6, les aimants périphérique 19 et 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 OO' 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 MFe₂O₄ ou MO, Fe₂O₃, (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.P.J. Wijn, « Ferrites », Philips Tech Library (1959).
La paroi annulaire externe 7 du circuit magnétique 4 comporte un premier aimant annulaire 19 dit aimant périphérique dont l'aimantation est orientée nord-sud d'amont en aval et la paroi annulaire interne 6 comporte un second aimant annulaire 20 dit aimant central dont l'aimantation est orientée nord-sud d'aval en amont, opposée à l'aimantation du premier aimant annulaire 19, de manière à créer un champ magnétique indépendant de l'azimut. Un tel agencement des aimants 19 et 20 permet de procurer une géométrie de champ lenticulaire dans la zone de sortie du canal d'éjection assurant une bonne convergence des ions. De plus, on notera que la position des aimants 19, 20, leurs dimensions et l'entrefer 14 procurent un champ magnétique dont la composante radiale est nulle dans la zone de l'anode.
Chacun des aimants 19 et 20 peuvent être massifs ou avantageusement constitués d'une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
De plus, les éléments magnétiques sont avantageusement des cylindres obtenus dans un ferrite dur ou hexaferrite tel que décrit notamment dans la publication J. Smit and H.P.J. Wijn, « Ferrites », Philips Tech Library (1959).
Par ailleurs, le propulseur plasmique suivant l'invention, comporte un canal annulaire principal 21 d'ionisation et d'accélération, constitué des parois annulaires interne 6 et externe 7 du circuit magnétique 4, l'utilisation des ferrites doux pour le circuit magnétique 4 et des ferrites durs pour les aimants permettant de supprimer la céramique isolante du canal annulaire 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 OO', tout en étant en dehors du jet de propulsion, afin de créer un plasma.
On notera que tout ou partie du circuit magnétique 4 pourra, par exemple, être substitué par les ferrites de NiZn (Ni_1-xZn_xFe₂O₄); 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.
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

Dispositif d'éjection d'ions à effet Hall ayant un axe longitudinal (OO') 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 magnétique (4) comprenant au moins une paroi interne annulaire (6), une paroi externe annulaire (7) et un fond (8) reliant les parois interne (6) et externe (7),

- un aimant central (20) permanent annulaire solidaire de la paroi interne (6) du circuit magnétique (4) et un aimant périphérique (19) permanent annulaire solidaire de la paroi externe (7) du circuit magnétique (4) et ayant une direction d'aimantation opposée à celle de l'aimant central (20), 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,
dans lequel le circuit magnétique (4) est obtenu dans des ferrites doux, l'aimant central (20) et l'aimant périphérique (19) étant obtenus dans des ferrites durs dits hexaferrites, et dans lequel le canal annulaire (21) est constitué des parois interne (6) et externe (7) du circuit magnétique (4).
Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le fond (8) comporte un évidement annulaire traversant (14) formant un entrefer.
Dispositif suivant la revendication 2, 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).
Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la pièce annulaire (24) est obtenue dans de la céramique poreuse.
Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) comporte une pluralité d'éléments magnétiques positionnés de manière circulaire.
Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) comporte un ou plusieurs éléments amagnétiques.
Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que chaque élément magnétique de l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) présente une puissance déterminée.
Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les éléments magnétiques de l'aimant central (20) et/ou périphérique (19) sont des cylindres obtenus dans des ferrites durs.
Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les ferrites doux sont choisis parmi la liste suivante des ferrites de formule générale MFe₂O₄ ou MO, Fe₂O₃ dans laquelle M désigne un atome métallique divalent ou une combinaison d'atomes dont la valence globale est 2.
Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'anode (26) présente une forme annulaire et s'étend dans la partie médiane du canal annulaire (21).
Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 à un propulseur plasmique à effet Hall.
Application du dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10 à un dispositif de traitement de surface à implantation ionique.