FR3046520A1 - Systeme de generation de faisceau plasma a derive d'electrons fermee et propulseur comprenant un tel systeme - Google Patents
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Abstract
- Système de génération de faisceau plasma à dérive d'électrons fermée et propulseur comprenant un tel système. - Le système (1) de génération de faisceau plasma, comporte au moins un dispositif (3) de génération d'une barrière magnétique comprenant un premier pôle magnétique (5) et un second pôle magnétique (6), au moins une grille d'extraction et d'accélération (4) et un dispositif de polarisation alternative de la grille d'extraction et d'accélération (4), lesdits premier et second pôles magnétiques (5, 6) du dispositif (3) de génération de la barrière magnétique étant agencés de façon coaxiale l'un par rapport à l'autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire (7) présentant une boucle fermée en section transversale, ledit espace intermédiaire (7) étant destiné à la circulation de flux de particules qui sont utilisées pour former le faisceau plasma, cette architecture du système (1) permettant de refermer sur elle-même la dérive électronique générée et ainsi de supprimer une interaction avec les parois du système (1).
Description
La présente invention concerne un système de génération de faisceau plasma (à plasma fortement électronégatif ou à plasma ion-ion) et un propulseur, notamment spatial, comprenant un tel système.
On sait que différentes techniques, telles que la propulsion spatiale, mais également la gravure de dispositifs semi-conducteurs, la fusion magnétiquement confinée, la biotechnologie, ..., mettent en œuvre des faisceaux plasma électriquement neutres. L’invention est décrite ci-dessous en application à un propulseur (notamment spatial).
On sait que les faisceaux plasma peuvent être générés par différentes méthodes.
Une première méthode consiste à extraire et à accélérer des ions positifs hors d’un plasma au moyen de grilles polarisées positivement afin de créer une chute de potentiel par rapport au milieu ambiant, puis à neutraliser le flux desdits ions positifs ainsi obtenu par un faisceau d’électrons auxiliaire pour former un faisceau plasma électriquement neutre. Cette neutralisation est nécessaire pour éviter une accumulation de charges négatives qui s’opposerait au champ accélérateur.
Un propulseur spatial usuel qui met en œuvre une telle méthode, comporte donc un neutralisateur pour obtenir un jet de particules globalement électriquement neutre et ceci après l’accélération des particules. Ce neutralisateur est une source de complexité, de perte de fiabilité, de réduction de la durée de vie du propulseur (forte érosion), de baisse de rendement (débit d’ergol dédié au neutralisateur et consommation électrique propre), et de surcoût du propulseur.
Bien entendu, cette première méthode présente l’inconvénient de nécessiter un tel neutralisateur.
Pour remédier à cet inconvénient, on connaît une seconde méthode, décrite par exemple dans les documents WO 2007/065915 et WO 2010/060887. Cette seconde méthode consiste à extraire et à accélérer des ions positifs et des ions négatifs hors d’un plasma au moyen d’au moins deux grilles respectivement polarisées négativement et positivement, et à combiner le flux desdits ions positifs et le flux desdits ions négatifs pour former un faisceau plasma électriquement neutre. Cette seconde méthode présente l’avantage d’une recombinaison extrêmement rapide des ions positifs et des ions négatifs, surtout si ceux-ci proviennent d’une même source, mais peut être délicate à mettre en œuvre par suite de la présence simultanée de grilles de polarisations opposées.
Par le document FR-2965697 (ou US-13/825,913), on connaît un procédé pour la formation d’un faisceau plasma par extraction et accélération de particules électriquement chargées, hors d’un plasma à l’aide d’au moins une grille d’extraction et d’accélération soumise à une polarisation électrique, qui permet de remédier à cet inconvénient. Selon ce procédé, on polarise la grille d’extraction et d’accélération avec des potentiels alternativement positifs et négatifs de façon que le faisceau plasma soit au moins approximativement électriquement neutre. Ainsi, la grille extrait du plasma et accélère alternativement les particules positives (c’est-à-dire les ions positifs) et les particules négatives (qui peuvent être des ions négatifs ou des électrons), lesdits particules positives et négatives se combinant ensuite pour former un faisceau plasma électriquement neutre.
Un propulseur mettant en œuvre ces dernières caractéristiques permet donc, via un faisceau de particules successivement positif et négatif, d’obtenir un jet de propulsion globalement neutre et permet ainsi de se passer d’un neutralisateur.
Les propulseurs à plasma fortement électronégatif de ce dernier type, utilisent généralement une barrière magnétique pour, à la fois, filtrer les électrons provenant de la décharge électronégative et augmenter le taux de production des ions négatifs, de manière à disposer d’un plasma présentant une densité électronique très faible en amont du système d’accélération. Dans une architecture standard, le champ magnétique est généré perpendiculairement à l’axe du propulseur avec un maximum d’intensité proche de la zone d’accélération.
La combinaison du champ magnétique avec le champ électrique lié à la chute de potentiel et/ou avec le gradient de pression, crée une dérive des électrons.
La conséquence de cette dérive, dans le cas d’une architecture standard de propulseur, est la création d’un courant d’électrons dirigé vers la paroi et d’un court-circuit pour le fluide électronique. Ainsi, le plasma devient fortement asymétrique.
Cette asymétrie due à la dérive électronique (qui ne peut pas être supprimée) génère une baisse du rendement du propulseur, un jet asymétrique, et potentiellement d’autres effets négatifs comme une baisse de la durée de vie du propulseur en raison d’une érosion accélérée des parois et d’une diminution de la densité des ions négatifs qui sont détruits par collision avec les électrons.
La présente invention a pour objet de remédier à cet inconvénient. Elle concerne un système de génération de faisceau plasma présentant une architecture particulièrement avantageuse qui permet d’empêcher les effets négatifs de la dérive électronique (qui ne peut pas être supprimée). A cet effet, selon l’invention, ledit système du type comportant au moins : - un dispositif de génération d’une barrière magnétique comprenant un premier pôle magnétique et un second pôle magnétique ; - au moins une grille d’extraction et d’accélération ; et - un dispositif de polarisation alternative de la grille d’extraction et d’accélération, est remarquable en ce que lesdits premier et second pôles magnétiques du dispositif de génération de la barrière magnétique sont agencés de façon coaxiale l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire présentant une boucle fermée en section transversale, ledit espace intermédiaire étant destiné à la circulation de flux de particules qui sont destinées à former le faisceau plasma.
Dans le cadre de la présente invention, ledit faisceau plasma est à base de plasma fortement électronégatif ou de plasma ion-ion.
Ainsi, grâce à l’invention, par l’agencement particulier des deux pôles magnétiques de la barrière magnétique, on crée ledit espace intermédiaire qui forme une boucle fermée pour le courant électronique. Le flux d’électrons n’est ainsi plus projeté vers la paroi mais tourne dans cet espace (ou cavité) intermédiaire. Ceci permet de refermer la dérive sur elle-même, et ainsi d’annuler l’interaction avec les parois (ou surfaces). Cette architecture nouvelle du système de génération de faisceau plasma, supprime ainsi, via la fermeture de la dérive sur elle-même, les effets négatifs précités (baisse du rendement, jet asymétrique et érosion de la paroi) d’une architecture standard usuelle.
Avantageusement, le système de génération de faisceau plasma présente au moins partiellement un axe longitudinal, et le dispositif de génération de la barrière magnétique est configuré pour que le flux magnétique généré par ledit dispositif soit dirigée de façon radiale par rapport à l’axe longitudinal dudit système de génération de faisceau plasma.
De préférence : - lesdits premier et second pôles magnétiques sont agencés de façon coaxiale audit axe longitudinal ; et - ledit espace intermédiaire présente une forme annulaire en section transversale.
Par ailleurs, de façon avantageuse, le dispositif de génération de la barrière magnétique comprend au moins l’un des ensembles suivants : - un ensemble d’aimants ; - un ensemble de bobines.
De préférence, ledit dispositif de génération de la barrière magnétique comprend également un circuit magnétique.
En outre, pour réduire un flux thermique généré, au moins l’un desdits premier et second pôles magnétiques, à savoir au moins celui qui est agencé vers l’intérieur du système, est pourvu de moyens de réduction thermique, notamment de drains thermiques.
Par ailleurs, avantageusement, ladite grille d’extraction et d’accélération présente une forme générale de disque, et elle est agencée orthogonalement à l’axe longitudinal, à une extrémité aval, en couvrant au moins ledit espace intermédiaire.
La présente invention concerne également un propulseur, notamment spatial, à plasma fortement négatif ou à plasma ion-ion, ce propulseur comportant un système de génération de faisceau plasma tel que décrit ci-dessus.
La présente invention concerne, en outre, un procédé de génération de faisceau plasma. Ledit procédé, du type comportant au moins : - une étape de génération de plasma électronégatif ; - une étape de génération d’une barrière magnétique, à l’aide d’un premier pôle magnétique et un second pôle magnétique ; et - une étape d’extraction et d’accélération, est remarquable, selon l’invention, en ce que, pour la mise en œuvre de l’étape de génération de la barrière magnétique, on agence de façon coaxiale les premier et second pôles magnétiques destinés à générer la barrière magnétique, l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire présentant une boucle fermée en section transversale, ledit espace intermédiaire étant destiné à la circulation de flux de particules destinées à former le faisceau plasma.
Les figures annexées feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables.
La figure 1 est une vue partielle, en perspective, d’un mode de réalisation particulier d’un système de génération de faisceau plasma conforme à l’invention et partiellement découpé.
Les figures 2 et 3 sont des schémas illustrant des dérives électroniques, respectivement, ouverte dans le cas d’une architecture standard et fermée dans le cas d’une architecture conforme à l’invention.
Le système (ci-après « système 1 ») permettant d’illustrer l’invention et représenté schématiquement sur la figure 1, est destiné à générer un faisceau plasma.
Dans le cadre de la présente invention, le faisceau plasma est à base de plasma fortement électronégatif ou de plasma ion-ion.
Plus particulièrement, bien que non exclusivement, le système 1 peut faire partie d’un propulseur 10 (électrique), notamment un propulseur spatial (destiné à la propulsion d’un engin spatial).
Ce système 1 est du type comportant, de façon générale : - un dispositif 2 de génération d’un plasma électronégatif (avec en aval une cavité cylindrique isolante 8) ; - un dispositif 3 de génération d’une barrière (ou champ) magnétique ; et - au moins une grille d’extraction et d’accélération 4, à laquelle est associé un dispositif (non représenté) de polarisation alternative de ladite grille d’extraction et d’accélération 4.
Le dispositif 3 génère une barrière magnétique pour, à la fois, filtrer les électrons provenant de la décharge électronégative (du dispositif 2) et augmenter le taux de production des ions négatifs, de manière à obtenir un plasma pour lequel la densité électronique est très faible en amont du système d’accélération (grille 4).
De façon usuelle, la grille d’extraction et d’accélération 4 (ou un jeu de grilles) est polarisée alternativement, de façon positive et de façon négative, par le dispositif de polarisation électrique. Ce dispositif de polarisation électrique comprend, par exemple, un commutateur rapide de type MOSFET apte à commuter rapidement deux polarités électriques opposées, sans dépassements de potentiel importants. Ainsi, la grille d’extraction et d’accélération 4 extrait du plasma et accélère alternativement les particules positives (c’est-à-dire les ions positifs) et les particules négatives (qui peuvent être des ions négatifs ou des électrons), lesdits particules positives et négatives se combinant ensuite pour former un faisceau plasma électriquement neutre à l’extérieur du système 1.
Une combinaison satisfaisante des particules positives et négatives est obtenue lorsque la fréquence de l’alternance des potentiels positifs et négatifs est une radiofréquence comprise entre quelques kHz et quelques MHz. Le nombre des particules positives et négatives extraites et accélérées dépend de la durée et de l’amplitude des potentiels positifs et négatifs appliqués à la grille d’extraction et d’accélération 4. Il en résulte que, par réglage de la durée et/ou de l’amplitude des potentiels positifs et/ou des potentiels négatifs, on peut agir sur la qualité de la neutralité électrique du faisceau plasma. Un tel réglage peut être réalisé en temps réel, grâce par exemple à une analyse de courants de grille ou au moyen d’une sonde externe observant le faisceau plasma. A la sortie du système 1 apparaissent donc alternativement (mais presque simultanément) des ions positifs et des ions négatifs, qui se combinent et forment le faisceau plasma électriquement neutre (généré sans l’aide d’un neutralisateur), qui est émis dans le sens illustré par une flèche F sur la figure 1.
On sait que la combinaison du champ magnétique B avec le champ électrique E lié à la chute de potentiel et/ou avec le gradient de pression, crée une dérive des électrons - ExB ou diamagnétique - à une vitesse Vd.
La dérive, dans le cas d’une architecture standard (de propulseur), est illustrée sur la figure 2. Dans une telle architecture standard, l’espace destiné au flux d’électrons est délimité par des parois P01 à P04 formant, en section transversale, un rectangle ou un carré. Dans ce cas, la dérive de vitesse VdO créé par la combinaison du champ magnétique BO (dirigé du pôle Nord N vers le pôle Sud S) et du champ électrique EO, est dirigée vers la paroi P01. Le plasma devient fortement asymétrique et cette asymétrie a des répercussions négatives sur les performances globales du système : le rendement chute et le faisceau d’ions est inhomogène.
Pour remédier à ces inconvénients (d’une architecture standard), le système 1 présente une architecture avantageuse permettant de refermer la dérive sur elle-même afin d’annuler l’interaction avec les surfaces, comme précisé ci-dessous en référence à la figure 3.
Plus précisément, pour ce faire, selon l’invention, lesdits pôles magnétiques 5 et 6 du dispositif 3, qui sont destinés à former la barrière magnétique, sont agencés de façon coaxiale l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire 7 présentant une boucle fermée en section transversale, comme représenté sur la figure 1. Cet espace intermédiaire 7 formant ainsi une cavité de type annulaire est destiné à la circulation du flux de particules utilisées pour former le faisceau plasma.
Comme représenté sur la figure 1, le système 1 présente (au moins partiellement) un axe longitudinal X-X, et le dispositif 3 est configuré pour que la barrière (ou champ) magnétique B1 qu’il génère soit dirigée de façon radiale par rapport à l’axe longitudinal X-X du système 1, comme illustré sur la figure 3.
Pour ce faire, les deux pôles magnétiques 5 et 6 sont agencés de façon coaxiale audit axe longitudinal X-X, comme représenté sur la figure 1.
Le pôle magnétique 5 est agencé radialement à l’extérieur (par rapport à l’axe X-X), et le pôle magnétique 6 est agencé radialement au centre, le long de l’axe X-X. Ainsi agencés, les deux pôles magnétiques 5 et 6 créent entre eux l’espace intermédiaire 7 qui présente alors une forme annulaire en section transversale sur l’exemple de la figure 3, l’espace intermédiaire 7 étant délimité par deux parois P1 et P2.
Comme les électrons dérivent principalement dans la direction perpendiculaire aux champs B1 et E1, le système 1 présente une topologie magnétique configurée pour faire tourner les électrons autour de l’axe longitudinal X-X du système 1 qui est annulaire (comme illustré par des flèches Vd1 sur la figure 3).
Dans le cadre de la présente invention, pour obtenir cette dérive électronique fermée, il suffit qu’en section transversale, l’espace intermédiaire 7 forme une boucle fermée. De préférence, comme représenté sur la figure 1 et décrit ci-dessus, l’espace intermédiaire 7 est réalisé sous forme d’une boucle fermée formant un anneau avec des parois P1 et P2 qui, en section transversale, dessinent deux cercles concentriques (avec comme centre le point représentant en section transversale l’axe longitudinal).
Ainsi, par l’agencement particulier des deux pôles magnétiques 5 et 6 de la barrière magnétique, on crée, dans le système 1 tel que décrit ci-dessus, ledit espace intermédiaire 7 qui représente de préférence une cavité annulaire. Le flux d’électrons n’est ainsi plus projeté vers la paroi, mais tourne dans cet espace (ou cavité) intermédiaire 7. Ceci permet de refermer la dérive sur elle-même, et ainsi d’annuler l’interaction avec les parois (ou surfaces). Cette architecture nouvelle du système 1 de génération de faisceau plasma, supprime ainsi, via la fermeture de la dérive sur elle-même, les effets négatifs (baisse du rendement, jet asymétrique et érosion de la paroi) d’une architecture standard usuelle.
Pour former les pôles magnétiques 5 et 6, le dispositif 3 de génération de la barrière magnétique, comprend au moins l’un des ensembles suivants : - un ensemble d’aimants ; - un ensemble de bobines.
De préférence, ledit dispositif 3 comprend également un circuit magnétique.
En outre, pour réduire un flux thermique généré, le pôle magnétique 6 qui est agencé vers l’intérieur du système 1, est pourvu de moyens (non représentés) de réduction thermique, de préférence des drains thermiques.
Par ailleurs, comme représenté sur la figure 1, la grille d’extraction et d’accélération 4 présente une forme de disque, et elle est agencée orthogonalement à l’axe longitudinal X-X, à une extrémité aval (par rapport au sens de la flèche F), en couvrant au moins ledit espace intermédiaire 7 (pour pouvoir agir sur tout le flux de particules circulant dans ledit espace intermédiaire 7).
La figure 1 illustre une application possible de l’invention à l’exemple d’un propulseur radiofréquence 10 à plasma fortement électronégatif ou ion-ion (avec donc une dérive des électrons fermée). Dans ce cas : - la barrière magnétique radiale B1 (dirigée suivant les rayons du cylindre) est produite à l’aide d’aimants ou de bobines avec ou sans circuit magnétique. Les pôles magnétiques 5 et 6 sont situés, respectivement, à l’extérieur et à l’intérieur de l’espace intermédiaire 7 ; - les ions sont accélérés à l’aide d’un jeu de grilles 4 polarisées (de manière alternative), qui est placé en aval du maximum du champ magnétique ; et - la décharge électronégative est générée au fond d’une cavité. Cette cavité présente des parois isolantes (par exemple en céramique diélectrique). Le gaz est injecté soit par des orifices, soit à l’aide d’une paroi poreuse. Le plasma est produit via une décharge radiofréquence à antenne plane de type ICP. Le plasma peut être généré par l’intermédiaire d’une décharge DC (à savoir à bombardement d’électrons) ou par injection de micro-ondes.
Le système 1, tel que décrit ci-dessus, met en œuvre notamment les étapes E1 à E3 suivantes : E1/ une étape de génération de plasma électronégatif, mise en œuvre de façon usuelle par le dispositif 2 ; E2/ une étape de génération d’une barrière magnétique, mise en œuvre par le dispositif 3 comprenant les pôles magnétiques 5 et 6, lesdits pôles magnétiques 5 et 6 étant agencés de façon coaxiale, l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux l’espace intermédiaire 7 présentant une boucle fermée en section transversale et destiné à la circulation de flux de particules qui sont utilisées pour former le faisceau plasma ; et E3/ une étape d’extraction et d’accélération, mise en œuvre au moins par la grille d’extraction et d’accélération 4, à laquelle est associé le dispositif de polarisation alternative de ladite grille.
Grâce au système 1, tel que décrit ci-dessus, en plus des avantages précités : - le plasma et le faisceau sont symétriques dans la direction azimutale ; et - le confinement des électrons est amélioré, et donc l’efficacité de conversion des molécules en ions négatifs est accrue.
Claims (11)
- REVENDICATIONS1. Système de génération de faisceau plasma, ledit système (1) comportant au moins : - un dispositif (3) de génération d’une barrière magnétique comprenant un premier pôle magnétique (5) et un second pôle magnétique (6) ; - au moins une grille d’extraction et d’accélération (4) ; et - un dispositif de polarisation alternative de la grille d’extraction et d’accélération (4), caractérisé en ce que lesdits premier et second pôles magnétiques (5, 6) du dispositif (3) de génération de la barrière magnétique sont agencés de façon coaxiale l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire (7) présentant une boucle fermée en section transversale, ledit espace intermédiaire (7) étant destiné à la circulation de flux de particules qui sont destinées à former le faisceau plasma.
- 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il présente au moins partiellement un axe longitudinal (X-X), et en ce que le dispositif (3) de génération de la barrière magnétique est configuré pour que le flux magnétique généré par ledit dispositif (3) de génération de la barrière magnétique, soit dirigé de façon radiale par rapport audit axe longitudinal (X-X).
- 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que lesdits premier et second pôles magnétiques (5, 6) sont agencés de façon coaxiale audit axe longitudinal (X-X).
- 4. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit espace intermédiaire (7) présente un forme annulaire en section transversale.
- 5. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif (3) de génération de la barrière magnétique comprend au moins l’un des ensembles suivants : - un ensemble d’aimants ; - un ensemble de bobines ;
- 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif (3) de génération de la barrière magnétique comprend un circuit magnétique.
- 7. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’au moins l’un (6) desdits premier et second pôles magnétiques, qui est agencé vers l’intérieur du système (1), est pourvu de moyens de réduction thermique.
- 8. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite grille d’extraction et d’accélération (4) présente une forme générale de disque, et elle est agencée orthogonalement à un axe longitudinal (X-X), à une extrémité aval, en couvrant au moins ledit espace intermédiaire (7).
- 9. Système selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit faisceau de plasma est à base de plasma fortement électronégatif ou de plasma ion-ion.
- 10. Propulseur à plasma, caractérisé en ce qu’il comporte un système (1) de génération de faisceau plasma, selon l’une quelconque des revendications 1 à 9.
- 11. Procédé de génération de faisceau plasma, ledit procédé comprenant au moins : - une étape de génération de plasma électronégatif ; - une étape de génération d’une barrière magnétique, à l’aide d’un premier pôle magnétique (5) et un second pôle magnétique (6) ; et - une étape d’extraction et d’accélération ; caractérisé en ce que, pour la mise en œuvre de l’étape de génération de la barrière magnétique, on agence de façon coaxiale les premier et second pôles magnétiques (5, 6) destinés à générer la barrière magnétique, l’un par rapport à l’autre, de manière à créer entre eux un espace intermédiaire (7) présentant une boucle fermée en section transversale, ledit espace intermédiaire (7) étant destiné à la circulation de flux de particules qui sont destinées à former le faisceau plasma.
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| US5156703A (en) * | 1987-03-18 | 1992-10-20 | Hans Oechsner | Mthod for the surface treatment of semiconductors by particle bombardment |
| US5859428A (en) * | 1996-06-12 | 1999-01-12 | Fruchtman; Amnon | Beam generator |
| US20030048053A1 (en) * | 2000-03-22 | 2003-03-13 | Gunter Kornfeld | Plasma accelerator arrangement |
| WO2007065915A1 (fr) * | 2005-12-07 | 2007-06-14 | Ecole Polytechnique | Propulseur a plasma electronegatif |
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-
2016
- 2016-12-08 WO PCT/FR2016/000205 patent/WO2017115023A1/fr active Application Filing
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