FR3094557A1 - Dispositif d’éjection d’ions à effet Hall - Google Patents

Dispositif d’éjection d’ions à effet Hall Download PDF

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FR3094557A1
FR3094557A1 FR1903154A FR1903154A FR3094557A1 FR 3094557 A1 FR3094557 A1 FR 3094557A1 FR 1903154 A FR1903154 A FR 1903154A FR 1903154 A FR1903154 A FR 1903154A FR 3094557 A1 FR3094557 A1 FR 3094557A1
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Jean-Luc MARIA
Julien HAMON
Bastien DUONG
Paul Lascombes
Fabrice Marteau
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Versailles Saint Quentin en Yvelines
Synchrotron Soleil
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1 Centre National de la Recherche Scient C N R S
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    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
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Abstract

L’invention propose un dispositif (D) d’éjection d’ions à effet Hall avec un axe longitudinal (AL), comportant : - un canal annulaire (CA) d’ionisation muni d’une ouverture (O) pour éjecter les ions,- une anode (A) agencée dans le canal annulaire,- au moins une cathode (C),- un circuit magnétique (CM) comprenant :un premier anneau (PA) comportant un aimant permanent (AM1) et situé radialement interne par rapport au canal, un deuxième anneau (DA) comportant un aimant permanent (AM’1) et situé radialement externe par rapport au canal annulaire,un troisième anneau (TA) comportant un élément magnétique (EM1) doux et situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau,un disque (DIS) en matériau magnétique doux, s’étendant à l’extérieur du canal annulaire (CA) du côté opposé à ladite ouverture (O) selon l’axe longitudinal (AL), et reliant le premier, le deuxième et le troisième anneaux. Figure pour l'abrégé : Figure 2

Description

Dispositif d’éjection d’ions à effet Hall
Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne le domaine des dispositifs d’éjection d’ions à effet Hall (HET pour « Hall Effect Thruster » selon la terminologie anglo-saxonne) et plus particulièrement les propulseurs à effet Hall.
Un dispositif d’éjections d’ions à effet Hall met à profit un champ magnétique pour piéger des électrons servant à ioniser un gaz présent dans une chambre ainsi qu’un champ électrique appliqué entre une anode et une cathode pour accélérer les ions produits et les éjecter hors du propulseur. Ceci génère une force de poussée qui permet de propulser l’engin sur lequel le propulseur est installé.
Arrière-plan technique
Un tel dispositif peut servir dans des applications industrielles, par exemple en tant que source d’ions pour le dépôt sous vide, la gravure sèche et plus généralement le traitement de surfaces.
Un tel dispositif peut servir également dans le domaine aérospatial et on parle alors de propulseur à effet Hall.
Un propulseur à effet Hall peut en effet servir à maintenir un satellite en orbite géostationnaire, à déplacer un satellite d'une première orbite vers une seconde orbite, à compenser des forces de traînée sur des satellites placés sur une orbite dite « basse » (c'est-à-dire sur une orbite dont l’altitude est généralement comprise entre 200 km et 400 km), ou à propulser un engin spatial au cours d'une mission interplanétaire nécessitant des poussées faibles sur des temps très longs.
Ces propulseurs à effet Hall sont adaptés aux satellites ou engins spatiaux sur lesquels ils sont installés.
Par exemple, un propulseur à effet Hall et plus généralement un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall de 1,5 kW de puissance électrique nominale ne peut fonctionner qu’entre 1 kW et 2 kW environ. Il est donc adapté aux satellites ou engins spatiaux qui peuvent fournir ces niveaux de puissance électrique.
Typiquement, pour être efficace, un propulseur à effet Hall et plus généralement un dispositif d’éjections d’ions à effet Hall doit répondre aux exigences suivantes :
- Il doit former une lentille magnétique (concentration du champ magnétique) en sortie du canal d’éjection des ions ;
- Il doit présenter, autant que possible, une grande extension du champ magnétique à l’extérieur du canal d’éjection des ions ;
- Le champ magnétique doit être aussi proche que possible de la valeur nulle, au niveau de l’anode, laquelle est située dans le canal d’éjection des ions.
La figure 1 représente, selon une vue en coupe, un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall selon l’état de la technique et répondant aux exigences mentionnées ci-dessus.
En l’occurrence, il s’agit d’une solution proposée dans le document FR 2 919 755 (D1).
On peut constater que le dispositif d’éjection d’ions à effet Hall comporte un canal 10, de forme annulaire. Un circuit magnétique est prévu. Ce circuit magnétique comporte notamment des aimants permanents 19, 20, annulaires, qui sont placés de part et d’autre du canal 10. Ce circuit magnétique comporte également un couvercle 9 coiffant les aimants permanents 19, 20. Ce couvercle 9 est réalisé en Fer doux et comporte des ergots E1, E2 qui s’étendent, radialement, entre un aimant 19, 20 et une paroi 22, 23 du canal 10. Ce circuit magnétique comporte enfin une couronne 5 en Fer doux, en forme de U et munie d’un entrefer 14, cette couronne 5 reliant magnétiquement les aimants permanents 19, 20 et s’étendant à l’extérieur du canal 10, ce canal étant défini entre l’anode 26 et la sortie S du canal 10.
Les ergots E1, E2, du fait de leur forme et de leur nature, participent à mettre en forme le champ magnétique généré entre les aimants permanents et ainsi à former une lentille magnétique en sortie du canal, tout en permettant une grande extension de ce champ à l’extérieur du canal. Un champ magnétique proche de la valeur nulle est obtenue au niveau de l’anode (car champ magnétique sans composante radiale) grâce au positionnement des aimants permanents (au –dessus de l’anode jusqu’à la sortie de canal), la couronne en fer doux et aux dimensions de l’entrefer. En effet, la couronne en fer doux, avec son entrefer, guide les lignes de champ magnétique entre les deux aimants par le dessous du canal. On peut donc voir cette couronne comme un écran magnétique empêchant les lignes de champ magnétique de passer à travers le canal, radialement, au niveau et au-dessus de l’anode A.
L’utilisation d’ergots est largement répandue dans l’état de la technique, ceux-ci étant à ce jour indispensables pour assurer l’effet de lentille magnétique souhaité.
On pourra à cet égard se référer également au document 2005/247885 (D2).
Dans le document D2, des ergots en Fer doux (référencés 572/576 sur la partie droite de la figure 5 de ce document D2) sont en effet également employés, pour remplir la même fonction que les ergots représentés sur la figure 1(a), relative au document D1.
On pourra encore se référer au document US 5 798 602 (D3).
Dans le document D3, des ergots (référencés 20 sur la figure unique de ce document D3) sont en effet présents.
Or, la tendance actuelle est le développement de satellites dont la puissance électrique disponible est de plus en plus petite.
Les plus petits propulseurs à effet Hall actuels sont adaptés à des satellites qui peuvent générer 500 watts ou plus mais ne peuvent pas, physiquement, fonctionner pour des puissances plus faibles, à savoir inférieures à 500W.
C’est notamment le cas avec les solutions de l’état de la technique exposées ci-dessus.
Un objectif de l’invention est donc de proposer un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall et notamment un propulseur à effet Hall apte à fonctionner à des puissances faibles, typiquement inférieures à 500 W, inférieures à 200W, voire inférieures à 100W.
Par ailleurs, il convient de noter qu’il y a une corrélation entre la puissance disponible sur un satellite et sa taille. En effet, une puissance électrique disponible faible sur le satellite correspond à un petit satellite. Et justement, la tendance actuelle est au développement de satellites de plus en plus petits.
Aussi, un autre objectif de la présente invention est de proposer un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall et notamment un propulseur à effet Hall, miniaturisé par rapport aux solutions existantes, notamment celles exposées dans les documents D1 à D3.
Or, les solutions exposées dans ces documents mettent en œuvre des ergots, qui présentent une certaine extension radiale et impactent donc les dimensions radiales du dispositif.
Cette miniaturisation est d’intérêt sur le plan de l’intégration mécanique, notamment dans un satellite miniaturisé.
Afin de résoudre l’un au moins des objectifs mentionnés précédemment, l’invention propose un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall, ledit dispositif étant muni d’un axe longitudinal et comportant :
- un canal annulaire d’ionisation muni d’une ouverture pour éjecter les ions,
- une anode agencée dans le canal annulaire,
- au moins une cathode,
- un circuit magnétique,
caractérisé en ce que le circuit magnétique comprend :
un premier anneau comportant au moins un aimant permanent, ledit premier anneau étant situé radialement interne par rapport au canal,
un deuxième anneau comportant au moins un aimant permanent, ledit deuxième anneau étant situé radialement externe par rapport au canal annulaire),
un troisième anneau comportant au moins un élément magnétique réalisé en un matériau magnétique doux, ledit troisième anneau étant situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau,
un disque réalisé en un matériau magnétique doux, ledit disque s’étendant à l’extérieur du canal annulaire, du côté opposé à ladite ouverture selon l’axe longitudinal du dispositif, et reliant le premier anneau, le deuxième anneau et le troisième anneau. Ce dispositif pourra par ailleurs être tel que :
- l’anode est agencée au fond du canal annulaire, ledit fond étant opposé, selon l’axe longitudinal du dispositif, à ladite ouverture ;
- le premier anneau du circuit magnétique est constitué d’un unique aimant permanent ;
- le premier anneau du circuit magnétique comporte une pluralité d’aimants permanents juxtaposés les uns aux autres pour former le premier anneau, les différents aimants présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs ;
- le deuxième anneau du circuit magnétique est constitué d’un unique aimant permanent ;
- le deuxième anneau du circuit magnétique comporte une pluralité d’aimants permanents juxtaposés les uns aux autres pour former le deuxième anneau, les différents aimants présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs ;
- ledit au moins un aimant permanent du premier anneau du circuit magnétique d’une part et, ledit au moins un aimant permanent du deuxième anneau du circuit magnétique d’autre part, sont agencés de sorte que leurs pôles respectifs soient inversés ;
- le matériau magnétique doux formant le disque est un Fer doux ;
- le matériau magnétique doux formant le troisième anneau est constitué de Fer ;
- le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de permalloy ;
- le permalloy répond à la formule chimique brute FexNiyMozavec 10 ≤ x ≤ 20, 70 ≤ y ≤ 90 et 0 ≤ z ≤ 10, x, y et z étant des entiers naturels ;
- le canal annulaire comporte des parois réalisées en un matériau isolant électriquement, par exemple en céramique ;
- le ou chaque aimant permanent du premier anneau et/ou le ou chaque aimant permanent du deuxième anneau est à base métallique, par exemple du SmCo ;
- le premier anneau et le deuxième anneau forment des parois pour le canal annulaire, le ou chaque aimant permanent formant le premier anneau et le ou chaque aimant permanent formant le deuxième anneau étant alors à base d’un matériau isolant électrique et réfractaire, par exemple un ferrite dur tel que l’hexaferrite de strontium.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
la figure 1 représente un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall connu;
la figure 2 est une vue en coupe d’un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall selon l’invention ;
la figure 3 est une vue en perspective, en coupe et partielle, du dispositif représenté sur la figure 2 ;
la figure 4, qui comprend les figures 4(a) et 4(b), représente sur la figure 4(a) les lignes de champ magnétique obtenues avec une modélisation mathématique pour un dispositif non conforme à l’invention et, sur la figure 4(b), les lignes de champ issues de cette même modélisation mathématique pour un dispositif conforme aux figures 2 et 3 ;
la figure 5 représente l’évolution de l’intensité du champ magnétique le long de l’axe longitudinal du dispositif, associée à la modélisation mathématique de la figure 4(b) ;
la figure 6 représente est une vue en perspective, en coupe et partielle, d’un dispositif à effet Hall selon une variante de réalisation de l’invention ;
la figure 7 est une vue en perspective, en coupe et partielle, d’une autre variante de réalisation d’un dispositif selon l’invention
Description détaillée de l'invention
On a représenté sur les figures 2 et 3 un dispositif d’éjection d’ions à effet Hall selon l’invention.
Le dispositif D d’éjection d’ions à effet Hall est muni d’un axe longitudinal AL. Il comporte une embase EMB, un couvercle CO et une pièce intermédiaire PI, logée entre le couvercle CO et l’embase EMB. La pièce intermédiaire PI s’étend également entre le deuxième anneau DA et le troisième anneau TA, pour assurer un maintien mécanique entre les deux. Ces différentes pièces sont connectées ensemble par un ensemble de moyens de fixation MF, par exemple des boulons, comme on peut le constater sur la figure 1.
L’embase EMB, le couvercle CO et la pièce intermédiaire PI sont avantageusement réalisés en un matériau amagnétique. Dans cette réalisation avantageuse, ces pièces sont transparentes vis-à-vis du fonctionnement du circuit magnétique CM. Par ailleurs, le matériau formant ces pièces est également avantageusement conducteur de la chaleur. Dans ce cas, ces pièces permettent d’évacuer plus facilement la chaleur produite par la génération des ions au sein du dispositif. Ces pièces peuvent ainsi et par exemple toutes être réalisées en Cuivre.
Le dispositif D comprend un canal annulaire CA, dans lequel s’effectue l’ionisation d’un gaz. Le canal annulaire CA comporte ainsi un orifice OR, par lequel du gaz est destiné à être introduit dans le canal annulaire CA. Ce gaz, par exemple du Xénon est celui qui est destiné à être ionisé dans le canal annulaire CA. Le canal annulaire CA est également muni d’une ouverture O pour éjecter les ions.
Le dispositif D comprend également une anode A agencée dans le canal annulaire CA et au moins une cathode C. L’anode A est avantageusement agencée au fond F du canal annulaire CA, ledit fond F étant opposé, selon l’axe longitudinal AL du dispositif D, à ladite ouverture O. Sur le plan pratique, la partie utile du canal annulaire est définie entre le fond F et l’ouverture O. La cathode C est par ailleurs avantageusement agencée à l’extérieur du canal annulaire CA, dans le prolongement de l’ouverture O.
L’anode A et la cathode C permettent, une fois les ions produits dans le canal annulaire, de les accélérer et de les éjecter hors du dispositif D par l’ouverture O.
Le dispositif D comprend également un circuit magnétique CM, ce dernier étant muni d’un premier anneau PA comportant au moins un aimant permanent AM1 (cf. figure 3 par exemple), ledit premier anneau étant situé radialement interne par rapport au canal CA. Le dispositif D est aussi muni d’un deuxième anneau DA comportant au moins un aimant permanent AM’1 (cf. figure 3 par exemple), ledit deuxième anneau DA étant situé radialement externe par rapport au canal annulaire CA. Les anneaux PA, DA sont donc situés de part et d’autre du canal annulaire CA. Ce sont ces anneaux PA, DA (aimants permanents) qui permettent de générer un champ magnétique dans le canal annulaire CA. Ce champ magnétique permet notamment de piéger des électrons qui servent à ioniser le gaz introduit dans le canal annulaire CA.
D’un point de vue pratique, le premier anneau PA est tenu en place d’un côté par la paroi P1 du canal annulaire et en son centre, par une tige TG de l’embase EMB, cette tige TG étant agencée sur l’axe longitudinal AL du dispositif D. D’un point de vue pratique également, le deuxième anneau DA est tenu en place d’un côté par la paroi P2 du canal annulaire CA et de l’autre côté par la pièce intermédiaire PI.
Dans ce premier mode de réalisation, le premier anneau PA du circuit magnétique CM est constitué d’un unique aimant permanent AM1. De même, dans ce premier mode de réalisation, le deuxième anneau DA du circuit magnétique CM est constitué d’un unique aimant permanent AM’1. Chaque aimant permanent AM1, AM’1 présente donc une forme annulaire.
L’agencement des aimants permanents AM1, AM’1 permet notamment d’obtenir, dans le canal annulaire CA, un champ magnétique avec une composante radiale qui aide à obtenir une lentille magnétique au niveau de l’ouverture du canal annulaire CA.
Avantageusement, les pôles respectifs de l’aimant permanent AM’1 constituant le deuxième anneau DA sont inversés par rapport aux pôles respectifs de l’aimant permanent AM1 constituant le premier anneau PA. Autrement dit, si l’aimant permanent AM1 constituant le premier anneau PA présente un pôle nord du côté du fond F du canal annulaire CA et un pôle sud du côté de l’ouverture O du canal annulaire CA, alors l’aimant permanent AM’1 constituant le deuxième anneau DA présente un pôle sud du côté du fond F du canal annulaire CA et un pôle nord du côté de l’ouverture O du canal annulaire CA. De manière analogue, si l’aimant permanent AM1 constituant le premier anneau PA présente un pôle sud du côté du fond F du canal annulaire CA et un pôle nord du côté de l’ouverture O du canal annulaire CA, alors l’aimant permanent AM’1 constituant le deuxième anneau DA présente un pôle nord du côté du fond F du canal annulaire CA et un pôle sud du côté de l’ouverture O du canal annulaire CA.
Ceci permet de faire en sorte que le champ magnétique ne dépend pas ou peu de l’azimut au niveau de l’ouverture O.
Le canal annulaire CA comprend des parois P1, P2 annulaires pour le définir. Ces parois P1, P2 sont faites d’un matériau isolant électriquement et réfractaire, par exemple une céramique. En effet, le canal annulaire CA est destiné à produire des particules chargées (ions, électrons) par l’application du champ magnétique. Ceci produit de la chaleur et des parois P1, P2 réfractaires sont utiles à cet égard. Par ailleurs, des particules chargées étant ainsi produites, il convient d’isoler électriquement le canal annulaire CA du reste du dispositif D.
Les parois P1, P2 étant isolées électriquement du reste du dispositif, il est alors envisageable de prévoir que l’aimant permanent AM1 constituant le premier anneau PA et que l’aimant permanent AM’1 constituant le deuxième anneau DA soient à base métallique.
A cet égard, on peut prévoir que les aimants AM1, AM’1 soient réalisés en samarium-cobalt (SmCo).
Par ailleurs, dans le cadre de l’invention, le circuit magnétique CM est également muni d’un disque DIS réalisé en un matériau magnétique doux, ledit disque DIS s’étendant à l’extérieur du canal annulaire, du côté opposé à ladite ouverture O selon l’axe longitudinal AL du dispositif D, et reliant le premier anneau PA au deuxième anneau DA.
Ce disque DIS permet de guider les lignes du champ magnétique produit par les aimants permanents AM1, AM’1. Il limite ainsi la présence du champ magnétique dans le canal annulaire au niveau de l’anode et au-dessus de l’anode.
Dans le cadre de l’invention, le matériau magnétique doux formant le disque DIS peut être un Fer doux.
Toutefois, et comme on pourra le constater à l’appui d’un exemple de réalisation présenté ultérieurement, ce disque DIS ne permet pas, à lui seul d’éviter intégralement le passage des lignes de champ dans le canal annulaire au niveau et au-dessus de l’anode A.
C’est d’ailleurs pour cela que dans l’état de la technique, le circuit magnétique inclut un élément situé au niveau de l’ouverture, par exemple un couvercle dans D1, avec des ergots s’étendant radialement.
Toutefois, dans le cadre de l’invention, on propose une autre solution, qui est par ailleurs adaptée aux satellites à faible puissance.
En effet, dans le cadre de l’invention, le circuit magnétique CM est muni d’un troisième anneau TA comportant au moins un élément magnétique EM1 réalisé en un matériau magnétique doux, ledit troisième anneau TA étant situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau DA. Ce troisième anneau TA est également au contact du disque DIS, si bien que ce dernier relie finalement le premier anneau PA, le deuxième anneau DA et le troisième anneau TA. D’un point de vue pratique, le troisième anneau TA est tenu en place entre la pièce intermédiaire PI et le flanc FLC de l’embase EMB.
Le troisième anneau TA ainsi positionné vient compléter l’action de guidage des lignes de champ réalisée par le disque pour finalement, comme on pourra le constater à l’appui de l’exemple de réalisation décrit ci-après, éviter que les lignes de champ magnétique passent à travers le canal annulaire CA au niveau de l’anode A.
On obtient donc finalement un effet de lentille magnétique bien concentré au niveau de l’ouverture O du canal annulaire.
De plus, avec la solution proposée dans le cadre de l’invention, on observe une grande extension du champ magnétique à l’extérieur du canal annulaire, à savoir du canal d’éjection des ions. C’est ce que l’on pourra constater ci-après à l’appui d’un exemple concret. Ceci est également intéressant car cela facilite le placement de la cathode à l’extérieur du canal annulaire pour faciliter le passage des électrons provenant de la cathode vers l’anode, laquelle est dans le canal annulaire.
Ceci participe à l’efficacité globale du dispositif, et par suite à la bonne adaptation de ce dispositif pour des puissances disponibles faibles.
Le matériau magnétique doux formant le troisième anneau TA peut être constitué de Fer, qui est un Fer doux.
En variante, et avantageusement, le matériau magnétique doux formant le troisième anneau TA est un permalloy répondant à la formule chimique brute FexNiyMozavec 10 ≤ x ≤ 20, 70 ≤ y ≤ 90 et 0 ≤ z ≤ 10, où x, y et z sont des entiers naturels. Comparé au cas du Fer, ceci permet, toutes choses égales par ailleurs, de mieux guider les lignes de champ magnétique. Par ailleurs, cela permet de réduire l’épaisseur (prise radialement) du troisième anneau TA tout en maintenant, par rapport au cas du Fer, un guidage des lignes magnétiques similaire. Ceci est donc intéressant soit pour améliorer la performance soit pour réduire l’encombrement radial du dispositif.
Par ailleurs, le circuit magnétique CM peut comprendre ou non des ergots.
D’un point de vue pratique, lorsque de tels ergots sont envisagés dans le circuit magnétique, on peut, par rapport à la conception présentée sur la figure 2, supprimer la pièce intermédiaire PI, écarter radialement vers l’extérieur le deuxième anneau DA comportant un aimant permanent et modifier la forme du couvercle CO pour que celui-ci reste au contact du deuxième anneau DA et vienne en contact, comme cela est le cas de la solution de l’art antérieur de la figure 1, de la paroi P2 du canal annulaire. On forme ainsi des ergots appartenant au couvercle. Il convient alors de prévoir que le couvercle soit réalisé en un matériau magnétique doux, afin de faire partie intégrante du circuit magnétique.
Cependant, un circuit magnétique présentant de tels ergots n’est pas obligatoire, puisque la présence du troisième anneau TA est suffisante pour assurer l’efficacité du dispositif.
Le circuit magnétique peut donc être dépourvu d’ergots s’étendant radialement au niveau de l’ouverture O du canal annulaire CA. . Dans ce cas, l’étalement radial du dispositif, toutes choses égales par ailleurs, est limité, en particulier par rapport aux solutions décrites à l’appui des documents D1 à D3. En particulier, si, par exemple par rapport à la solution de la figure 1, la présence du troisième anneau TA implique un étalement radial plus important, ceci est largement compensé par l’absence d’ergots. Cette absence d’ergots permet aussi d’accommoder l’ensemble des pièces dans un espace réduit du fait de la miniaturisation du propulseur.
Exemple de réalisation
A l’aide d’un modèle mathématique, la réalisation décrites ci-dessus à l’appui des figures 2 et 3 a été testée dans les conditions suivantes :
- aimant permanent AM1 (premier anneau PA) : métallique
- aimant permanent AM’1 (deuxième anneau DA) : métallique
- disque DIS : Fer pur
- troisième anneau TA : Fer pur
Les lignes de champ sont visibles sur la figure 4(a).
On constate que le champ est nul en partie inférieure du canal annulaire CA, donc au niveau et au-dessus de l’anode.
On constate aussi la formation d’une lentille magnétique au niveau de l’ouverture O, entre les pôles opposés des aimants AM1 et AM’1.
On constate enfin une grande extension du champ magnétique à l’extérieur du canal annulaire et plus généralement du dispositif. De plus, la séparatrice ouverte SO présent un grand angle (> 90°) par rapport au plan de l’ouverture O.
En guise de référence, on a pris le même dispositif, mais sans le troisième anneau.
Les résultats sont fournis sur la figure 4(b).
Comme on peut le constater, si une lentille magnétique reste présente entre les pôles respectifs des aimants permanents AM1, AM’1, une partie des lignes de champ passent à travers le canal annulaire entre l’aiment AM’1 (radialement le plus externe entre les deux aimants AM1, AM’1) et le disque D. On constate donc, en comparant les deux figures 4(a) et 4(b), que le disque DIS ne permet pas à lui seul d’éviter le passage d’un flux magnétique en fond de canal (même s’il remplit bien une fonction de guide des lignes de champ entre les deux aimants permanents) et qu’à cet égard, la présence du troisième anneau, en l’occurrence formé d’un élément magnétique EM1, doux, annulaire, est bénéfique.
De fait, toujours en comparant les figures 4(a) et 4(b), la présence de cet élément magnétique EM1 permet également d’avoir une meilleure lentille magnétique au niveau de l’ouverture O. En effet, les lignes de champ ne partent plus vers le disque et partent beaucoup moins vers l’extérieur, radialement, de l’aimant AM’1 constituant le deuxième anneau DA. L’élément magnétique EM1 constituant le troisième anneau est tout autant bénéfique que les ergots dans les solutions existantes, mais sans impliquer d’extension radiale importante.
Enfin, on constate sur cette figure 4(a) que la séparatrice ouverte SO présente un faible angle (< 90°) par rapport au plan de l’ouverture. Le troisième anneau TA en matériau magnétique doux est donc également bénéfique sur ce plan.
Sur la figure 6, on a représenté une variante de réalisation de l’invention.
Dans cette variante, le premier anneau PA du circuit magnétique CM comporte une pluralité d’aimants permanents AM1, …, AMn (ici n = 10) juxtaposés les uns aux autres pour former le premier anneau PA, les différents aimants AM1, …, AMn présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs. Par même agencement des pôles respectifs, il convient de comprendre que tous les pôles nord sont au même endroit et de ce fait, tous les pôles sud également.
Dans cette variante également, le deuxième anneau DA du circuit magnétique CM comporte une pluralité d’aimants permanents AM’1, …, AM’n juxtaposés les uns aux autres pour former le deuxième anneau DA, les différents aimants AM’1, …, AM’n présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs.
Bien entendu, on pourrait prévoir que l’un seulement des deux anneaux PA, DA soit formé d’une pluralité d’aimants permanents juxtaposés pour former un anneau, l’autre des deux anneaux ne comportant qu’un unique aimant permanent.
Sur la figure 7, on a représenté une autre variante de réalisation de l’invention.
Dans cette variante, c’est le troisième anneau TA qui comprend une pluralité d’éléments magnétiques EM1, EM2, …, EMn (avec n= 22 dans cet exemple) réalisés en un matériau magnétique doux et qui sont juxtaposés les uns aux autres pour former le troisième anneau.
La figure 7 est représentée en tant que variante à la figure 6.
Il convient cependant de comprendre que le fait d’avoir un troisième anneau TA avec plusieurs éléments magnétiques réalisés en un matériau magnétique doux peut s’envisager quelle que soit la construction envisagée pour le premier anneau PA et le deuxième anneau DA.
Sur les figures 6 et 7, on a représenté des aimants ou éléments magnétiques dont la section est rectangulaire. La forme de cette section n’a rien d’essentiel. Ainsi, et pour donner un autre exemple, on peut tout à fait envisager une section carrée, circulaire ou autre.
Enfin, quelle que soit la variante de réalisation concernée, il est possible de limiter encore plus l’extension radiale du dispositif selon l’invention, toutes choses restant égales par ailleurs.
En effet, le premier anneau PA et le deuxième anneau DA peuvent former les parois P1, P2 pour le canal annulaire CA. Dans ce cas, le ou chaque aimant permanent AM1, …, AMn formant le premier anneau PA et le ou chaque aimant permanent AM’1, …, AM’n formant le deuxième anneau DA sont alors à base d’un matériau isolant électrique et réfractaire.
A titre d’exemple, on peut employer un ferrite dur tel que l’hexaferrite de strontium.
De ce fait, les parois P1, P2 du canal annulaire de la figure 2 sont supprimées et formées par les aimants permanents eux-mêmes. La conséquence réside dans le fait que l’on peut encore diminuer l’extension radiale du dispositif.

Claims (14)

  1. Dispositif (D) d’éjection d’ions à effet Hall, ledit dispositif étant muni d’un axe longitudinal (AL) et comportant :
    - un canal annulaire (CA) d’ionisation muni d’une ouverture (O) pour éjecter les ions,
    - une anode (A) agencée dans le canal annulaire,
    - au moins une cathode (C),
    - un circuit magnétique (CM),
    caractérisé en ce que le circuit magnétique (CM) comprend :
    un premier anneau (PA) comportant au moins un aimant permanent (AM1, …, AMn), ledit premier anneau étant situé radialement interne par rapport au canal,
    un deuxième anneau (DA) comportant au moins un aimant permanent (AM’1, …, AM’n), ledit deuxième anneau étant situé radialement externe par rapport au canal annulaire (CA),
    un troisième anneau (TA) comportant au moins un élément magnétique (EM1, …, EMn) réalisé en un matériau magnétique doux, ledit troisième anneau étant situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau,
    un disque (DIS) réalisé en un matériau magnétique doux, ledit disque (DIS) s’étendant à l’extérieur du canal annulaire (CA), du côté opposé à ladite ouverture (O) selon l’axe longitudinal (AL) du dispositif, et reliant le premier anneau (PA), le deuxième anneau (DA) et le troisième anneau (TA).
  2. Dispositif (D) selon la revendication 1, dans lequel l’anode (A) est agencée au fond (F) du canal annulaire (CA), ledit fond (F) étant opposé, selon l’axe longitudinal (AL) du dispositif (D), à ladite ouverture (O).
  3. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) est constitué d’un unique aimant permanent (AP1).
  4. Dispositif selon l’une des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) comporte une pluralité d’aimants permanents (AM1, …, AMn) juxtaposés les uns aux autres pour former le premier anneau (PA), les différents aimants (AM1, …, AMn) présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs.
  5. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) est constitué d’un unique aimant permanent (AP’1).
  6. Dispositif (D) selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) comporte une pluralité d’aimants permanents (AM’1, …, AM’n) juxtaposés les uns aux autres pour former le deuxième anneau (DA), les différents aimants (AM’1, …, AM’n) présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs.
  7. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un aimant permanent (AM1, …, AMn) du premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) d’une part et, ledit au moins un aimant permanent (AM’1, …, AM’n) du deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) d’autre part, sont agencés de sorte que leurs pôles respectifs soient inversés.
  8. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau magnétique doux formant le disque (DIS) est un Fer doux.
  9. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de Fer.
  10. Dispositif (D) selon l’une des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de permalloy.
  11. Dispositif (D) selon la revendication précédente, dans lequel le permalloy répond à la formule chimique brute FexNiyMozavec 10 ≤ x ≤ 20, 70 ≤ y ≤ 90 et 0 ≤ z ≤ 10, x, y et z étant des entiers naturels.
  12. Dispositif (D) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le canal annulaire (CA) comporte des parois (P1, P2) réalisées en un matériau isolant électriquement, par exemple en céramique.
  13. Dispositif (D) selon la revendication précédente, dans lequel
    - le ou chaque aimant permanent (AM1, …, AMn) du premier anneau (PA), et/ou
    - le ou chaque aimant permanent (AM’1, …, AM’n) du deuxième anneau (DA)
    est à base métallique, par exemple du SmCo.
  14. Dispositif (D) selon l’une des revendications 1 à 12, dans lequel le premier anneau (PA) et le deuxième anneau (DA) forment des parois (P1, P2) pour le canal annulaire (CA), le ou chaque aimant permanent (AM1, …, AMn) formant le premier anneau (PA) et le ou chaque aimant permanent (AM’1, …, AM’n) formant le deuxième anneau (DA) étant alors à base d’un matériau isolant électrique et réfractaire, par exemple un ferrite dur tel que l’hexaferrite de strontium
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