FR2831323A1

FR2831323A1 - Particle bombarded target protection mechanism having hole array protection mechanisms with applied electrical cross potential direction advancing incident charged particle with each mechanism isolated next.

Info

Publication number: FR2831323A1
Application number: FR0114305A
Authority: FR
Inventors: Laure Didey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-23
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2003-04-25
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: FR2831323B1

Abstract

The protection mechanism has several principle protection mechanisms (b,c) with a hole array (d). The protection mechanisms have applied electrical cross potential in the direction of the advancing incident charged particles (z). Each mechanism is isolated from the next by electrical isolators (e).

Description

La présente invention concerne un dispositif de protection pour une cible exposée à une source émettant des particules chargées. Le dispositif selon l'invention dissipe l'énergie cinétique de particules chargées pour protéger une cible bombardée par ces particules. The present invention relates to a protection device for a target exposed to a source emitting charged particles. The device according to the invention dissipates the kinetic energy of charged particles to protect a target bombarded by these particles.

Lors de la collision de particules chargées avec une cible, les particules chargées possédant une énergie cinétique suffisante arrachent de la matière à la surface de cette cible, matière qui peut ensuite se déposer un peu plus loin et ainsi contaminer la cible initiale ou la paroi d'une autre cible. During the collision of charged particles with a target, charged particles with sufficient kinetic energy tear material from the surface of this target, which material can then deposit a little further and thus contaminate the initial target or the wall of another target.

Ce phénomène d'érosion et de contamination par arrachement et dépôt de matière est très courant dans tout système exposé à un bombardement de particules chargées, comme par exemple lors de l'utilisation de plasma ionisés et accélérés à haute vitesse pour la propulsion de certain systèmes spatiaux. Les particules chargées, généralement des ions Xénon, sont accélérées à des vitesses de plusieurs km/s, érodant et contaminant toute surface se trouvant sur leur passage. This phenomenon of erosion and contamination by removal and deposition of material is very common in any system exposed to a bombardment of charged particles, such as for example when using ionized and accelerated plasma at high speed for the propulsion of certain systems. space. Charged particles, usually Xenon ions, are accelerated at speeds of several km / s, eroding and contaminating any surface in their path.

Le dispositif de protection selon l'invention permet de limiter ces phénomènes d'érosion et de dépôt en réduisant la composante de vitesse de l'énergie cinétique possédée par les particules chargées, en faisant interagir ces particules avec un champ électrostatique. L'érosion de la cible est par conséquent réduite ainsi que la contamination par dépôt de matière arrachée. Le dispositif de protection comporte selon une première caractéristique plusieurs plaques de protection principales isolées électriquement les unes des autres et maintenues à un potentiel électrique élevé, croissant dans la direction de propagation des particules chargées, par une source de tension extérieure. Les différentes caractéristiques physiques et géométriques des plaques de protection principales, leur nombre ainsi que les potentiels auxquels elles sont soumises permettent de dévier, ralentir ou complètement stopper les particules chargées. Une ou plusieurs plaques de protection masquantes, chargées légèrement négativement, peuvent être rajoutées en amont des plaques de protection principales de manière à masquer les plaques de protection principales et ainsi éviter que ces dernières n'attirent des électrons. Les plaques de protection principales et les plaques de protection masquantes peuvent être soit des plaques perforées d'orifices, soit constituées d'un maillage, à la manière d'un treillis ou d'un grillage. Les plaques de protection principales et masquantes, doivent être conductrices, constituées d'un même matériau conducteur ou de matériau conducteurs différents, et être isolées électriquement les unes des autres au moyen de matériaux isolants. Un écran peut également être disposé au dos des plaques de protection principales. Cet écran aura pour effet, entre autres, de stopper définitivement toute particule non totalement ralentie lors de son passage au travers de l'assemblage de plaques de protection, ainsi que toutes particules neutres non influencées par le champ électrostatique généré entre les grilles. Bien que non limitatif, il est préférable de disposer l'écran parallèlement aux grilles amont de sorte que les particules non totalement ralenties The protection device according to the invention makes it possible to limit these erosion and deposition phenomena by reducing the speed component of the kinetic energy possessed by the charged particles, by making these particles interact with an electrostatic field. The erosion of the target is consequently reduced as well as the contamination by deposit of torn material. The protection device comprises, according to a first characteristic, several main protection plates electrically isolated from each other and maintained at a high electrical potential, increasing in the direction of propagation of the charged particles, by an external voltage source. The different physical and geometric characteristics of the main protective plates, their number and the potentials to which they are subjected make it possible to deflect, slow down or completely stop the charged particles. One or more masking protective plates, slightly negatively charged, can be added upstream of the main protective plates so as to mask the main protective plates and thus prevent the latter from attracting electrons. The main protective plates and the masking protective plates can be either perforated orifice plates, or consist of a mesh, in the manner of a lattice or a mesh. The main and masking protection plates must be conductive, made of the same conductive material or of different conductive material, and be electrically insulated from each other by means of insulating materials. A screen can also be placed on the back of the main protective plates. This screen will have the effect, among other things, of definitively stopping any particle which is not totally slowed down during its passage through the assembly of protective plates, as well as all neutral particles not influenced by the electrostatic field generated between the grids. Although not limiting, it is preferable to arrange the screen parallel to the upstream grids so that the particles not completely slowed down

percutent l'écran avec un angle d'incidence normal, limitant ainsi son érosion. De préférence, le dispositif de protection peut être disposé soit à proximité immédiate de la source de particules chargées (pouvant faire partie intégrante de la source), soit à proximité immédiate de la cible à protéger (pouvant faire partie intégrante de la cible). Pour limiter leur érosion, les plaques de protection principales, les plaques de protection masquantes et les écrans peuvent être réalisés à partir de graphite ou de matériaux céramiques plaqués de matériaux métalliques ayant une bonne résistance à l'érosion par bombardement de particules chargées. Les plaques de protections principales, les plaques de protection masquantes et les écrans possèdent soit des surfaces lisses soit des surfaces irrégulières. Les plaques de protections principales, les plaques de protection masquantes et les écrans sont de forme plate, cylindrique ou de forme complexe afin de pouvoir être adaptées aux différents dispositif d'émission de particules chargées. strike the screen at a normal angle of incidence, thus limiting its erosion. Preferably, the protection device can be arranged either in the immediate vicinity of the source of charged particles (which may be an integral part of the source), or in the immediate vicinity of the target to be protected (which may form an integral part of the target). To limit their erosion, the main protective plates, the masking protective plates and the screens can be made from graphite or ceramic materials plated with metallic materials having good resistance to erosion by bombardment of charged particles. The main protective plates, the masking protective plates and the screens have either smooth or irregular surfaces. The main protective plates, the masking protective plates and the screens are of flat, cylindrical or complex shape in order to be able to be adapted to the various devices for emitting charged particles.

Le dispositif de protection selon l'invention est principalement destiné à protéger tout système mettant en oeuvre des particules chargées accélérées. Il est, entre autre, particulièrement approprié pour protéger des équipements d'essais, comme par exemple l'admission de pompes à vide installées dans les chambres à vides, utilisées pour tester des plasmas ou toutes autres sources de particules chargées. Le dispositif de protection selon l'invention est également destiné à être utilisé pour protéger contre l'érosion tout équipement placé dans l'environnement proche des systèmes de Propulsion Plasmique utilisés à bords des satellites et émettant des faisceaux divergents d'ions à haute énergie, aussi bien en orbite autour de la terre que pendant des tests au sol en chambre à vide. The protection device according to the invention is mainly intended to protect any system using accelerated charged particles. Among other things, it is particularly suitable for protecting test equipment, such as the admission of vacuum pumps installed in vacuum chambers, used to test plasmas or any other source of charged particles. The protection device according to the invention is also intended to be used to protect against erosion any equipment placed in the environment close to the Plasmic Propulsion systems used on board satellites and emitting diverging beams of high energy ions, both in orbit around the earth and during ground tests in a vacuum chamber.

Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure Fig. 1 représente schématiquement la vue en coupe transversale d'un dispositif de protection selon l'invention constitué de plaques de protection principales sans plaques de protection masquantes. The accompanying drawings illustrate the invention: FIG. 1 schematically represents the cross-sectional view of a protection device according to the invention consisting of main protection plates without masking protection plates.

La figure Fig. 2 représente schématiquement la vue en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention constitué de plaques de protection principales, d'une plaque de protection masquantes et d'un écran. Figure Fig. 2 schematically shows the cross-sectional view of a device according to the invention consisting of main protective plates, a masking protective plate and a screen.

La figure Fig. 3 représente une vue de face d'un exemple de dispositif selon l'invention destiné à être utilisé en conjonction avec un système de propulsion plasmique et selon le principe du dispositif de la figure Fig. 2. Figure Fig. 3 represents a front view of an exemplary device according to the invention intended to be used in conjunction with a plasma propulsion system and according to the principle of the device of FIG. 2.

La figure Fig. 4 représente une vue en coupe de l'exemple de dispositif de protection selon la figure Fig. 3 destiné à être utilisé en conjonction avec un système de propulsion plasmique. Figure Fig. 4 shows a sectional view of the example of a protection device according to FIG. 3 intended for use in conjunction with a plasma propulsion system.

Selon un mode particuliers de réalisation (Fig. 1), le dispositif de protection comporte plusieurs plaques de protection principales (b) et (c) perforées d'orifices (d) placées devant une cible (g) de type plaque. Les plaques de protection principales (b) et (c) sont isolées les unes des According to a particular embodiment (Fig. 1), the protection device comprises several main protection plates (b) and (c) perforated with orifices (d) placed in front of a target (g) of the plate type. The main protective plates (b) and (c) are isolated from each other

autres au moyen d'isolateurs électriques (e) et sont soumises à des potentiels électriques croissants par rapport à la direction de propagation de la particule chargée positivement (z). others by means of electrical insulators (e) and are subjected to increasing electrical potentials with respect to the direction of propagation of the positively charged particle (z).

Selon un autre mode particuliers de réalisation (Fig. 2), une (ou plusieurs) plaque (s) de protection masquante (s) (a) est ajoutée en amont des plaques de protection principales (b) et (c). L'ajout d'un écran (f) permet de stopper toute particule chargée (z) non complètement ralentie lors de son passage au travers des plaques de protection, ou toute particule non chargée (y) non affectée lors de son passage au travers du dispositif. Un potentiel électrique de-50V est appliqué à la plaque de protection masquante (a), un potentiel électrique de -250V est appliqué a la plaque de protection (b) et un potentiel électrique de +500V est appliqué a la plaque de protection (c). According to another particular embodiment (Fig. 2), one (or more) masking protection plate (s) (a) is added upstream of the main protection plates (b) and (c). The addition of a screen (f) makes it possible to stop any charged particle (z) not completely slowed down during its passage through the protective plates, or any uncharged particle (y) not affected during its passage through the device. An electrical potential of -50V is applied to the masking protective plate (a), an electrical potential of -250V is applied to the protective plate (b) and an electrical potential of + 500V is applied to the protective plate (c ).

Selon un autre mode de réalisation particulier (Fig. 3 et Fig. 4), le dispositif de protection selon l'invention est constitué de mailles linéaires disposé de manière cylindrique qui pourra être utilisé en conjonction avec les systèmes de propulsion plasmique utilisés sur des engins spatiaux. Les particules chargées (z) sont émises par la source (s) de géométrie cylindrique. Les particules chargées sont de préférence, des ions Zénon. La source (s) sera de préférence un moteur plasmique à effet Hall ou un moteur ionique à grilles. Le dispositif de protection de la figure Fig. 3 est constitué de 2 plaques de protection principales (b) et (c) de géométrie cylindrique. Ces plaques de protection principales (b) et (c) sont constituées de mailles de section triangulaire permettant de déformer les lignes de champs du champ électrostatique et par conséquent guider les ions à ralentir au travers des mailles. Une plaque de protection masquante (a) de type mailles linéaires disposées de manière cylindrique est située en amont des plaques de protection principales (b) et (c). Un écran (f), également de géométrie cylindrique, est disposé en aval des plaques de protection principales (b) et (c). L'ensemble du dispositif peut être coiffé d'un couvercle (h) perpendiculaire aux plaques de protection et à l'écran. Ce couvercle confine alors le champ électrostatique ainsi que les ions décélérés et les particules neutres. L'isolation entre chacune des plaques de protection pourra par exemple être réalisée au moyen de matériaux isolants déposés entre la base de chacune des mailles et leur support (i) ou bien en réalisant le support (i) au moyen de matériau isolant. Pour limiter leur érosion, les plaques de protection principales, les plaques de protection masquantes et les écrans peuvent être réalisés à partir de graphite ou de matériaux céramiques plaqués de matériaux métalliques ayant une bonne résistance à l'érosion par bombardement de particules chargées. La source de tension nécessaire pour maintenir les grilles à leur potentiels respectifs peut être un générateur indépendant ou provenir du système de propulsion plasmique lui-même. Le dispositif peut être fixé à la source (s) par l'intermédiaire du support (i), qui pourra par exemple être directement boulonné sur la source (s). A titre d'exemple non limitatif, les mailles de la plaque de protection masquante (a) seront soumises à-50V (empêchant les électrons d'y être attiré). Les mailles de la plaque de protection (b) seront soumises à-250V et les mailles de la plaque de protection de la plaques (c) seront soumises à +500V. Les plaques de protection (b) et (c) serviront à décélérer les ions Xénon. L'écran (f) According to another particular embodiment (Fig. 3 and Fig. 4), the protection device according to the invention consists of linear meshes arranged in a cylindrical manner which can be used in conjunction with the plasma propulsion systems used on machines space. The charged particles (z) are emitted by the source (s) of cylindrical geometry. The charged particles are preferably Zenon ions. The source (s) will preferably be a Hall effect plasma motor or a grid ion motor. The protection device of FIG. 3 consists of 2 main protective plates (b) and (c) of cylindrical geometry. These main protective plates (b) and (c) consist of meshes of triangular section making it possible to deform the field lines of the electrostatic field and consequently guide the ions to slow down through the meshes. A masking protective plate (a) of the linear mesh type arranged in a cylindrical manner is located upstream of the main protective plates (b) and (c). A screen (f), also of cylindrical geometry, is arranged downstream of the main protective plates (b) and (c). The entire device can be capped with a cover (h) perpendicular to the protective plates and to the screen. This cover then confines the electrostatic field as well as the decelerated ions and the neutral particles. The insulation between each of the protective plates may for example be carried out by means of insulating materials deposited between the base of each of the meshes and their support (i) or else by producing the support (i) by means of insulating material. To limit their erosion, the main protective plates, the masking protective plates and the screens can be made from graphite or ceramic materials plated with metallic materials having good resistance to erosion by bombardment of charged particles. The voltage source necessary to maintain the grids at their respective potentials can be an independent generator or come from the plasma propulsion system itself. The device can be fixed to the source (s) via the support (i), which can for example be directly bolted to the source (s). By way of nonlimiting example, the meshes of the masking protective plate (a) will be subjected to -50V (preventing the electrons from being attracted to it). The mesh of the protective plate (b) will be subjected to-250V and the mesh of the protective plate of the plates (c) will be subjected to + 500V. The protective plates (b) and (c) will serve to decelerate the Xenon ions. The screen (f)

stoppera définitivement tout ion Xénon non totalement décéléré lors de son passage au travers des plaques du dispositif, ou toute particule non chargée. will definitively stop any Xenon ion not fully decelerated during its passage through the plates of the device, or any uncharged particle.

Le dispositif de protection selon l'invention est entre autre destiné à protéger tout système mettant en oeuvre des particules chargées accélérées. Ainsi, le dispositif de protection selon la forme de réalisation de la figure Fig. 2 (plaques) est particulièrement approprié pour protéger des équipements d'essais comme par exemple l'admission de pompes à vide installées dans les chambres à vides utilisées pour tester des plasmas ou toutes autres sources de particules chargées. Le dispositif de protection selon la forme de réalisation de la figure Fig. 3 est principalement destiné à être utilisé pour protéger contre l'érosion tout équipement placé dans l'environnement proche des systèmes de Propulsion Plasmique utilisés à bords des satellites et émettant des faisceaux divergents d'ions à haute énergie, aussi bien en orbite autour de la terre que pendant des tests au sol en chambre à vide. The protection device according to the invention is inter alia intended to protect any system using accelerated charged particles. Thus, the protection device according to the embodiment of FIG. 2 (plates) is particularly suitable for protecting test equipment such as the admission of vacuum pumps installed in the vacuum chambers used to test plasmas or any other source of charged particles. The protection device according to the embodiment of FIG. 3 is mainly intended to be used to protect against erosion any equipment placed in the environment close to the Plasmic Propulsion systems used on board satellites and emitting divergent beams of high energy ions, both in orbit around the earth only during ground test in vacuum chamber.

Claims

1) Protective device characterized in that it comprises several main protective plates (b) and (a) made of one or more conductive materials, having several orifices (d), subjected to increasing electrical potentials in the direction d advancement of charged incident particles (z) and isolated from each other by electrical insulators (e),

2) Protective device according to claim 1 characterized in that it has one or more screens (f), arranged downstream of the main protective plates (b) and (c).

3) Protection device according to claim 1 and 2 characterized in that it has one or more masking protection plates (a) conductive and electrically isolated from the main protection plates (b) and (c).

4) Protective device according to any one of the preceding claims, characterized in that the main protective plates (b) and (c) and masking (a) are independently of the meshes, grids or perforated orifice plates ( d).

5) Protective device according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface of the main protective plates (b) and (c), the masking protective plates (a) and screens (f) are smooth.

6) Protection device according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the surface of the main protection plates (b) and (c), masking protection plates (a) and screens (f) have irregular surfaces.

7) Protection device according to any one of the preceding claims, characterized in that the main protection plates (b) and (c), the masking protection plates (a) and the screens (f) are of flat shape.

8) Protective device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the main protective plates (b) and (c), the masking protective plates (a) and the screens (f) are shaped cylindrical.

9) Protective device according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the main protective plates (b) and (c), the masking protective plates (a) and the screens (f) are shaped complex curve.

10) Protection device according to any one of the preceding claims, characterized in that it is independent of the source (s) and the target (g).

11) Protection device according to any one of claims 1 to 9, characterized in that it is an integral part of the source (s) or the target (g).