FR3136105A1 - Mono-polarization detector of positive and negative plasma particles - Google Patents
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Abstract
Détecteur mono-polarisation de particules positives et négatives d’un plasma Détecteur mono-polarisation (1) de particules positives et négatives d’un plasma (3), le détecteur mono-polarisation (1) comprenant : une tête (5) ; un capot (19) apte à être rapporté sur la tête (5) et présentant une bouche d’entrée (21) s’étendant transversalement à l’axe principal (17) pour la circulation des particules positives et négatives du plasma (3) ; un dispositif d’application d’une haute tension (23), selon une polarité définie, configuré pour appliquer la haute tension à la paroi intermédiaire (9) ; une unité de comptage (25) de charges positives et négatives configurée pour mesurer des charges d’une première polarité dans un interstice interne (27) et pour mesurer des charges d’une deuxième polarité dans un interstice externe (29). Figure 1Mono-polarization detector of positive and negative particles of a plasma A mono-polarization detector (1) of positive and negative particles of a plasma (3), the mono-polarization detector (1) comprising: a head (5); a cover (19) capable of being attached to the head (5) and having an inlet mouth (21) extending transversely to the main axis (17) for the circulation of positive and negative plasma particles (3) ; a high voltage application device (23), according to a defined polarity, configured to apply the high voltage to the intermediate wall (9); a positive and negative charge counting unit (25) configured to measure charges of a first polarity in an internal gap (27) and to measure charges of a second polarity in an external gap (29). Figure 1
Description
La présente invention concerne un détecteur mono-polarisation de particules positives et négatives d’un plasma. Ce type de détecteur est adapté pour être installé sur un satellite dans le but de caractériser en flux et en énergie les particules du plasma ambiant sur des satellites de type scientifique (globalement conducteur) ou de caractériser en énergie, le flux d’électrons impactant un satellite classique (globalement isolant) et d’en mesurer sa charge électrostatique.The present invention relates to a mono-polarization detector of positive and negative particles of a plasma. This type of detector is suitable for being installed on a satellite with the aim of characterizing in flow and energy the ambient plasma particles on scientific type satellites (globally conductive) or to characterize in energy, the flow of electrons impacting a classic satellite (globally insulating) and measure its electrostatic charge.
Il est connu d’utiliser un détecteur de particules positives et négatives monté sur un satellite. Ce type de détecteur permet de déterminer quelle est la quantité et le spectre en énergie des charges positives et négatives au voisinage du satellite.It is known to use a positive and negative particle detector mounted on a satellite. This type of detector makes it possible to determine the quantity and energy spectrum of the positive and negative charges in the vicinity of the satellite.
En effet, les satellites évoluent dans des régions de l’espace comprenant du plasma. Ce plasma se compose de particules chargées : des particules, des ions positifs et des électrons.Indeed, satellites evolve in regions of space comprising plasma. This plasma is made up of charged particles: particles, positive ions and electrons.
Il est donc nécessaire de détecter à la fois les particules positives et les particules négatives. Il est connu d’utiliser soit un capteur par type de population soit un capteur en deux parties distinctes, une première partie étant dédiée à la mesure des charges positives et une deuxième partie étant dédiée à la mesure des charges négatives.It is therefore necessary to detect both positive and negative particles. It is known to use either one sensor per type of population or a sensor in two distinct parts, a first part being dedicated to the measurement of positive charges and a second part being dedicated to the measurement of negative charges.
Ce type de capteur en deux parties est cependant relativement encombrant et il nécessite deux installations distinctes de mesure.This type of two-part sensor is, however, relatively bulky and requires two separate measurement installations.
Une autre possibilité consiste à prévoir un détecteur en une seule partie, c’est-à-dire que les ions positifs et les électrons arrivent vers une zone de mesure proche disposant de deux espaces inter-électrodes, l’un polarisé négativement et l’autre positivement, séparant et mesurant les populations de particules positives et négatives du plasma ambiant.Another possibility consists of providing a detector in a single part, that is to say that the positive ions and the electrons arrive towards a nearby measuring zone having two inter-electrode spaces, one negatively polarized and the other other positively, separating and measuring the populations of positive and negative particles from the ambient plasma.
Cette possibilité présente l’avantage d’être moins encombrante, les têtes des détecteurs étant concentriques. Cependant, puisqu’il reste d’usage d’utiliser deux électrodes hautes tensions séparées et de polarités inverses, ces électrodes se retrouvent plus proches l’une de l’autre dans ce type de capteur concentrique, il existe un risque de formation d’arc électrique dommageable pour le détecteur.This possibility has the advantage of being less bulky, the detector heads being concentric. However, since it remains customary to use two separate high voltage electrodes of opposite polarities, these electrodes are found closer to each other in this type of concentric sensor, there is a risk of formation of electric arc damaging to the detector.
Une autre possibilité consiste à prévoir un capteur mono-tête à mesure alternée de la population du plasma. En effet dans ce type de capteur, on mesure pendant un certain temps uniquement les particules positives (généralement à l’aide d’un balayage en tension négative) puis alternativement, on mesure ensuite uniquement les particules négatives (généralement à l’aide d’un balayage en tension positive). Ce type de capteur présente l’inconvénient de ne pouvoir faire de mesures simultanées, et entre deux mesures le satellite avance sur son orbite. La carte haute tension est aussi plus complexe, car elle doit pouvoir balayer des hautes tensions positives puis négatives alternativement, mais aussi on doit aussi pouvoir inverser des tensions au niveau du système de détection, alors qu’elles sont constantes sur les détecteurs classiques.Another possibility consists of providing a single-head sensor with alternating measurement of the plasma population. Indeed, in this type of sensor, only the positive particles are measured for a certain time (generally using a negative voltage scan) then alternatively, only the negative particles are then measured (generally using a positive voltage sweep). This type of sensor has the disadvantage of not being able to make simultaneous measurements, and between two measurements the satellite advances in its orbit. The high voltage card is also more complex, because it must be able to scan positive then negative high voltages alternately, but also we must also be able to invert voltages at the level of the detection system, whereas they are constant on conventional detectors.
La présente invention vise à résoudre tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus.The present invention aims to resolve all or part of the drawbacks mentioned above.
A cet effet, la présente invention concerne un détecteur mono-polarisation de particules positives et négatives d’un plasma, le détecteur mono-polarisation comprenant :For this purpose, the present invention relates to a mono-polarization detector of positive and negative particles of a plasma, the mono-polarization detector comprising:
une tête pourvue d’une paroi interne, d’une paroi intermédiaire et d’une paroi externe, la paroi externe présentant une ouverture externe et la paroi intermédiaire présentant une ouverture intermédiaire,a head provided with an internal wall, an intermediate wall and an external wall, the external wall having an external opening and the intermediate wall having an intermediate opening,
un capot apte à être rapporté sur la tête et à masquer l’ouverture externe, le capot présentant une bouche d’entrée s’étendant transversalement à un axe principal de la tête pour la circulation des particules positives et négatives du plasma vers l’ouverture externe,a cover adapted to be attached to the head and to mask the external opening, the cover having an inlet mouth extending transversely to a main axis of the head for the circulation of positive and negative plasma particles towards the opening external,
un dispositif d’application d’une haute tension, selon une polarité définie, configuré pour appliquer la haute tension balayée à la paroi intermédiaire,a device for applying a high voltage, according to a defined polarity, configured to apply the swept high voltage to the intermediate wall,
une unité de comptage de charges positives et négatives configurée pour mesurer des charges d’une première polarité dans un interstice interne entre la paroi interne et la paroi intermédiaire et pour mesurer des charges d’une deuxième polarité dans un interstice externe entre la paroi intermédiaire et la paroi externe.a positive and negative charge counting unit configured to measure charges of a first polarity in an internal gap between the internal wall and the intermediate wall and to measure charges of a second polarity in an external gap between the intermediate wall and the external wall.
En d’autres termes, l’interstice interne et l’interstice externe correspondent au volume situé entre la paroi interne et la paroi intermédiaire, et, respectivement au volume situé entre la paroi intermédiaire et la paroi externe.In other words, the internal gap and the external gap correspond to the volume located between the internal wall and the intermediate wall, and, respectively, to the volume located between the intermediate wall and the external wall.
Puisque la paroi intermédiaire présente une polarité d’une haute tension, les populations de particules positives et de particules négatives sont séparées, chaque population allant dans l’interstice correspondant.Since the intermediate wall has a high voltage polarity, the populations of positive particles and negative particles are separated, each population going into the corresponding gap.
En fait, du plasma arrive aux deux entrées. Mais compte-tenu de la polarité seule les charges négatives peuvent parcourir l’interstice externe et les charges positives l’interstice interne (pour une polarisation positive de la paroi intermédiaire). Les autres particules tapent les parois et se perdent. Il n’y a donc pas vraiment séparation des charges mais plutôt séparation d’espèces dans chaque interstice inter-électrodes.In fact, plasma arrives at both entrances. But taking into account the polarity only negative charges can travel through the external gap and positive charges through the internal gap (for positive polarization of the intermediate wall). The other particles hit the walls and are lost. There is therefore not really separation of charges but rather separation of species in each inter-electrode gap.
Les particules négatives et les particules positives sont ainsi sélectionnés dans deux volumes distincts et l’unité de comptage mesure séparément la quantité de charges positives et la quantité de charges négatives.The negative particles and the positive particles are thus selected in two distinct volumes and the counting unit measures the quantity of positive charges and the quantity of negative charges separately.
Ainsi, une seule électrode, la paroi intermédiaire soumise à une haute tension balayée, permet de séparer les populations de deux charges différentes. Ceci diffère des moyens habituellement utilisés dans le domaine car il est usuel d’avoir deux électrodes, une positive et une négative, voire deux têtes.Thus, a single electrode, the intermediate wall subjected to a high swept voltage, makes it possible to separate the populations of two different charges. This differs from the means usually used in the field because it is usual to have two electrodes, one positive and one negative, or even two heads.
L’utilisation d’une électrode unique diminue le risque de formation d’un arc électrique, ce qui améliore la sécurité du détecteur. Le risque est accru si les deux électrodes sont à proximité l’une de l’autre. Ce risque de proximité existe aussi sur la carte haute tension qui doit générer ces deux tensions de polarité inverseThe use of a single electrode reduces the risk of arcing, which improves the safety of the detector. The risk is increased if the two electrodes are close to each other. This proximity risk also exists on the high voltage card which must generate these two reverse polarity voltages
Ici, l’utilisation d’une seule électrode permet de réduire d’un facteur deux environ les différences de potentiels présents dans le détecteur : la différence entre une électrode unique et la masse est deux fois moindre environ que la différence entre une électrode positive et une électrode négative.Here, the use of a single electrode makes it possible to reduce by a factor of approximately two the differences in potentials present in the detector: the difference between a single electrode and the ground is approximately half as small as the difference between a positive electrode and the ground. a negative electrode.
Le détecteur mono-polarisation est également avantageux dans le sens où la tête est compacte et facile à intégrer au satellite.The mono-polarization detector is also advantageous in the sense that the head is compact and easy to integrate into the satellite.
Selon un aspect de l’invention, la paroi interne, la paroi externe et le capot sont reliés à une masse. La haute tension est définie par rapport à la masse. Par haute tension, il est entendu une polarité par rapport à la masse de l’ordre de grandeur de 1000 V.According to one aspect of the invention, the internal wall, the external wall and the cover are connected to a mass. High voltage is defined relative to ground. By high voltage, we mean a polarity relative to ground of the order of magnitude of 1000 V.
Selon un aspect de l’invention, le dispositif d’application d’une haute tension comprend une carte haute tension à polarité unique.According to one aspect of the invention, the high voltage application device comprises a high voltage card with single polarity.
Par rapport à un détecteur comprenant deux polarisations, une positive et une négative, le détecteur mono-polarisation a un poids et une taille réduite ce qui facilite son installation sur un satellite.Compared to a detector comprising two polarizations, one positive and one negative, the single-polarization detector has a reduced weight and size, which facilitates its installation on a satellite.
Selon un aspect de l’invention, la tête présente une forme ellipsoïde, hémisphérique ou en quart d’ellipsoïde ou de sphère. La tête peut ainsi être aplatie selon l’axe principal ou allongée selon l’axe principal. Il s’agit de la forme générale de la tête.According to one aspect of the invention, the head has an ellipsoid, hemispherical or quarter-ellipsoid or sphere shape. The head can thus be flattened along the main axis or elongated along the main axis. This is the general shape of the head.
Selon une possibilité, l’ouverture intermédiaire est alignée avec l’ouverture externe selon un axe principal de la tête.According to one possibility, the intermediate opening is aligned with the external opening along a main axis of the head.
Selon un aspect de l’invention, la tête présente un centre par lequel passe l’axe principal ; la paroi interne, la paroi intermédiaire et la paroi externe étant concentriques autour du centre.According to one aspect of the invention, the head has a center through which the main axis passes; the inner wall, the intermediate wall and the outer wall being concentric around the center.
Cette disposition facilite l’entrée des particules positives et négatives dans l’interstice interne et l’interstice externe car leur trajectoire est sensiblement tangentielle à l’ouverture externe, c’est-à-dire plus ou moins une dizaine de degrés soit une vingtaine d’amplitude.This arrangement facilitates the entry of positive and negative particles into the internal gap and the external gap because their trajectory is substantially tangential to the external opening, that is to say more or less ten degrees or twenty amplitude.
Selon un aspect de l’invention, la paroi interne, la paroi intermédiaire et la paroi externe présentent une forme hémisphérique ou en quart de sphère. Le centre de la tête est également le centre de la paroi interne, la paroi intermédiaire et la paroi externe.According to one aspect of the invention, the internal wall, the intermediate wall and the external wall have a hemispherical or quarter-spherical shape. The center of the head is also the center of the inner wall, the middle wall and the outer wall.
Selon un aspect de l’invention, la bouche d’entrée du capot correspond à une fente d’entrée circulaire organisée autour de l’axe principal de sorte à guider les particules positives et les particules négative d’une trajectoire transversale à l’axe principal à une trajectoire sensiblement parallèle à la paroi intermédiaire.According to one aspect of the invention, the inlet mouth of the cover corresponds to a circular inlet slot organized around the main axis so as to guide the positive particles and the negative particles in a trajectory transverse to the axis main to a trajectory substantially parallel to the intermediate wall.
Cette disposition favorise la répartition des particules positives et des particules négatives dans l’ensemble des interstices.This arrangement favors the distribution of positive particles and negative particles throughout the interstices.
Le fente d’entrée circulaire a comme axe l’axe principal. Les particules extérieures entrent dans la fente d’entrée transversalement à l’axe principal. Les particules arrivent selon une multitude de directions radiales par rapport à l’axe principal.The circular entry slot has the main axis as its axis. Exterior particles enter the entrance slot transversely to the main axis. The particles arrive in a multitude of radial directions relative to the main axis.
Selon un aspect de l’invention, lorsque la tête est hémisphérique, la fente d’entrée est ouverture sur 360°.According to one aspect of the invention, when the head is hemispherical, the entry slot opens 360°.
Lorsque la tête est un quart de sphère, la fente d’entrée est ouverte sur 180°. Dans ce cas, la fente d’entrée est située à l’opposé de la tête par rapport à un plan central délimitant la tête dans lequel est inclus l’axe principal.When the head is a quarter sphere, the entry slot is open 180°. In this case, the entry slot is located opposite the head with respect to a central plane delimiting the head in which the main axis is included.
Ainsi, selon les deux cas, les particules entrent sensiblement tangentiellement dans l’ouverture externe.Thus, in both cases, the particles enter substantially tangentially into the external opening.
Selon un aspect de l’invention, la fente d’entrée présente un évasement configuré pour permettre l’entrée de particules selon un angle compris entre -15/-15° et en particulier entre -10/+10° par rapport à une direction perpendiculaire à l’axe principal.According to one aspect of the invention, the entry slot has a flare configured to allow the entry of particles at an angle between -15/-15° and in particular between -10/+10° relative to a direction perpendicular to the main axis.
Selon un aspect de l’invention, la polarité définie est positive.According to one aspect of the invention, the defined polarity is positive.
Cette disposition permet d’attirer les électrons dans l’interstice externe et les ions positifs dans l’interstice interne. Selon un aspect de l’invention, la polarité définie est de +5000 V par rapport à la masse.This arrangement makes it possible to attract electrons in the external gap and positive ions in the internal gap. According to one aspect of the invention, the defined polarity is +5000 V relative to ground.
La polarité positive permet de réduire davantage le risque de formation d’arc électrique que la polarisation négative.Positive polarity reduces the risk of arcing more than negative polarization.
Selon un autre aspect de l’invention, la polarité définie est négative.According to another aspect of the invention, the defined polarity is negative.
Cette disposition permet d’attirer les électrons dans l’interstice interne et les ions positifs dans l’interstice externe. Selon un aspect de l’invention, la polarité définie est de -5000 V par rapport à la masse.This arrangement makes it possible to attract electrons in the internal gap and positive ions in the external gap. According to one aspect of the invention, the defined polarity is -5000 V relative to ground.
Il apparait donc que le fonctionnement est similaire pour une polarité définie positive ou négative. La destination des particules chargées est inversée en cas de changement de charge de la paroi intermédiaire.It therefore appears that the operation is similar for a definite positive or negative polarity. The destination of the charged particles is reversed in the event of a change in the charge of the intermediate wall.
Selon un aspect de l’invention, la paroi interne, la paroi intermédiaire et/ou la paroi externe présentent une épaisseur variable de sorte à augmenter ou diminuer la courbure de l’interstice interne et/ou de l’interstice externe.According to one aspect of the invention, the internal wall, the intermediate wall and/or the external wall have a variable thickness so as to increase or decrease the curvature of the internal gap and/or the external gap.
Cette disposition permet de tenir compte du fait que les ions positifs ont une masse plus importante que les électrons et sont ainsi moins déviés par la paroi intermédiaire chargée que les électrons.This arrangement takes into account the fact that the positive ions have a greater mass than the electrons and are thus less deflected by the charged intermediate wall than the electrons.
En particulier, la courbure de l’interstice destinée à recevoir les ions positifs peut avoir une courbure réduite par endroit tandis que la courbure de l’autre interstice peut être augmentée.In particular, the curvature of the gap intended to receive the positive ions can have a reduced curvature in places while the curvature of the other gap can be increased.
Alternativement, la paroi intermédiaire et la paroi externe présentent une épaisseur constante engendrant des interstices de courbure constante.Alternatively, the intermediate wall and the external wall have a constant thickness generating gaps of constant curvature.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de comptage s’étend selon un plan de base, la tête étant rapportée sur l’unité de comptage de manière à ce que le plan de base s’étende transversalement à l’axe principal.According to one aspect of the invention, the counting unit extends along a base plane, the head being attached to the counting unit so that the base plane extends transversely to the main axis .
Cette disposition permet une mesure sur 360° lorsque la tête est hémisphérique ou sur 180° lorsque la tête est en quart de sphère.This arrangement allows a measurement over 360° when the head is hemispherical or over 180° when the head is quarter-spherical.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de comptage présente une forme en couronne ou en demi-couronne de manière à ce que l’interstice interne et l’interstice externe débouchent en regard de l’unité de comptage.According to one aspect of the invention, the counting unit has a crown or half-crown shape so that the internal gap and the external gap open facing the counting unit.
Cette disposition permet de mesurer la quantité de charges positives et de charges négatives sur le pourtour de la base de la tête.This arrangement makes it possible to measure the quantity of positive charges and negative charges around the base of the head.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de comptage présente une pluralité de capteurs de charges d’une première polarité, disposés en regard de l’interstice externe et une pluralité de capteurs de charges d’une deuxième polarité disposés en regard de l’interstice interne.According to one aspect of the invention, the counting unit has a plurality of charge sensors of a first polarity, arranged facing the external gap and a plurality of charge sensors of a second polarity arranged facing the the internal gap.
Ainsi, chaque interstice comprend une pluralité de capteurs de charges correspondants. Cette disposition permet donc, après séparation des charges positives et négatives par la paroi intermédiaire, de mesurer indépendamment la quantité de charges positives et négatives.Thus, each gap comprises a plurality of corresponding load sensors. This arrangement therefore makes it possible, after separation of the positive and negative charges by the intermediate wall, to measure the quantity of positive and negative charges independently.
Selon un aspect de l’invention, les capteurs de charges sont régulièrement répartis sur le pourtour de la couronne. Cette disposition permet de mesurer différentes quantités de charges selon les secteurs angulaires de provenance des particules et ainsi de déterminer une répartition spatiale des quantités de charges.According to one aspect of the invention, the load sensors are regularly distributed around the perimeter of the crown. This arrangement makes it possible to measure different quantities of charges according to the angular sectors from which the particles come and thus to determine a spatial distribution of the quantities of charges.
Selon un aspect de l’invention, l’unité de comptage comprend une galette micro-canaux disposée entre la tête et les pluralités de capteurs de charges.According to one aspect of the invention, the counting unit comprises a micro-channel wafer arranged between the head and the plurality of load sensors.
L’unité de comptage permet ainsi une amplification par galette micro-canaux ou MCP pour améliorer le fonctionnement des capteurs de charges.The counting unit thus allows amplification by micro-channel wafer or MCP to improve the operation of the load sensors.
De préférence, l’unité de comptage est reliée à la masse.Preferably, the counting unit is connected to ground.
Selon un aspect de l’invention, le détecteur mono-polarisation comprend en outre un système de gestion de commande et de puissance adapté pour contrôler l’unité de comptage et le dispositif d’application d’une haute tension.According to one aspect of the invention, the mono-polarization detector further comprises a control and power management system adapted to control the counting unit and the high voltage application device.
De préférence, le système de gestion de commande et de puissance est adapté pour être alimenté pour une source d’alimentation de satellite, en particulier d’une puissance de l’ordre de 1W.Preferably, the control and power management system is adapted to be powered for a satellite power source, in particular with a power of the order of 1W.
La présente invention concerne également un satellite comprenant au moins un détecteur mono-polarisation tel que décrit ci-dessus.The present invention also relates to a satellite comprising at least one mono-polarization detector as described above.
Les différents aspects définis ci-dessus non incompatibles peuvent être combinés. Par ailleurs, Il est possible de combiner l’invention avec les différents principes usuels de mesure des capteurs usuels.The different non-incompatible aspects defined above can be combined. Furthermore, it is possible to combine the invention with the various usual measurement principles of usual sensors.
L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description détaillée qui est exposée ci-dessous en regard des dessins annexés.The invention will be better understood with the help of the detailed description which is set out below with reference to the appended drawings.
Dans la description détaillée qui va suivre des figures définies ci-dessus, les mêmes éléments ou les éléments remplissant des fonctions identiques pourront conserver les mêmes références de manière à simplifier la compréhension de l’invention.In the detailed description which follows of the figures defined above, the same elements or elements fulfilling identical functions may retain the same references so as to simplify the understanding of the invention.
Comme illustré aux figures 1 et 2, un détecteur mono-polarisation 1 de particules positives et négatives d’un plasma 3 comprend une tête 5 hémisphérique ou en quart de sphère pourvue d’une paroi interne 7, d’une paroi intermédiaire 9 et d’une paroi externe 11.As illustrated in Figures 1 and 2, a mono-polarization detector 1 of positive and negative particles of a plasma 3 comprises a hemispherical or quarter-spherical head 5 provided with an internal wall 7, an intermediate wall 9 and an external wall 11.
La paroi externe 11 présente une ouverture externe 13 et la paroi intermédiaire 9 présente une ouverture intermédiaire 15 qui dans ce mode de réalisation est alignée avec l’ouverture externe 13 selon un axe principal 17 de la tête 5.The external wall 11 has an external opening 13 and the intermediate wall 9 has an intermediate opening 15 which in this embodiment is aligned with the external opening 13 along a main axis 17 of the head 5.
Le détecteur mono-polarisation 1 comprend un capot19 (ou collimateur) apte à être rapporté sur la tête 5. Ce capot 19 présente une bouche d’entrée 21 s’étendant transversalement à l’axe principal 17 pour la circulation des particules positives et négatives du plasma 3 vers l‘ouverture externe 13 et l’ouverture intermédiaire 15. Ce capot 19 a pour objectif de servir de collimateur aux particules en leur imposant le bon angle d’arrivée par rapport à l’axe principal 17 ainsi que la bonne répartition des lignes de champ électrique en entrée. Cette valeur est typiquement d’un angle maximum de 20°.The mono-polarization detector 1 comprises a cover 19 (or collimator) capable of being attached to the head 5. This cover 19 has an inlet mouth 21 extending transversely to the main axis 17 for the circulation of positive and negative particles from the plasma 3 towards the external opening 13 and the intermediate opening 15. This cover 19 aims to serve as a collimator for the particles by imposing on them the correct angle of arrival with respect to the main axis 17 as well as the correct distribution input electric field lines. This value is typically a maximum angle of 20°.
Une telle géométrie du champ électrique en entrée du détecteur a pour effet de correctement guider et assurer une bonne séparation des particules positives et négatives en entrée des détecteurs. Cela impose une forme particulière qui dépend de nombreux paramètres. Il existe donc de multiples solutions.Such a geometry of the electric field at the entrance to the detector has the effect of correctly guiding and ensuring good separation of the positive and negative particles at the entrance to the detectors. This imposes a particular form which depends on numerous parameters. There are therefore multiple solutions.
Le détecteur mono-polarisation 1 comprend un dispositif d’application d’une haute tension 23 selon une polarité (soit positive, soit négative) et une valeur définies, ledit dispositif étant configuré pour appliquer la haute tension à la paroi intermédiaire 9.The mono-polarization detector 1 comprises a device for applying a high voltage 23 according to a polarity (either positive or negative) and a defined value, said device being configured to apply the high voltage to the intermediate wall 9.
Le détecteur mono-polarisation 1 comprend une unité de comptage 25 de charges positives et négatives configurée pour mesurer des charges d’une première polarité dans un interstice interne 27 entre la paroi interne 7 et la paroi intermédiaire 9 et pour mesurer des charges d’une deuxième polarité dans un interstice externe 29 entre la paroi intermédiaire 9 et la paroi externe 11.The mono-polarization detector 1 comprises a counting unit 25 of positive and negative charges configured to measure charges of a first polarity in an internal gap 27 between the internal wall 7 and the intermediate wall 9 and to measure charges of a second polarity in an external gap 29 between the intermediate wall 9 and the external wall 11.
En d’autres termes, l’interstice interne 27 et l’interstice externe 29 correspondent au volume situé entre la paroi interne 7 et la paroi intermédiaire 9, et, respectivement au volume situé entre la paroi intermédiaire 9 et la paroi externe 11.In other words, the internal gap 27 and the external gap 29 correspond to the volume located between the internal wall 7 and the intermediate wall 9, and, respectively, to the volume located between the intermediate wall 9 and the external wall 11.
Ainsi, entre la paroi externe 11 (ou électrode externe) et la paroi intermédiaire 9 (ou électrode intermédiaire) se trouve un interstice externe 29 disposant d’une entrée (l’ouverture externe 13), zone de captation d’une espèce de particules de même signe.Thus, between the external wall 11 (or external electrode) and the intermediate wall 9 (or intermediate electrode) there is an external gap 29 having an entrance (the external opening 13), a zone for capturing a species of particles of the same sign.
Entre la paroi interne 7 (ou électrode interne) et la paroi intermédiaire 9 (ou électrode intermédiaire) se trouve un interstice interne 27 disposant d’une entrée (l’ouverture intermédiaire 15), zone de captation de l’autre espèce de particules de signe opposé à la première espèce collectée.Between the internal wall 7 (or internal electrode) and the intermediate wall 9 (or intermediate electrode) there is an internal gap 27 having an entrance (the intermediate opening 15), a zone for capturing the other species of particles of opposite sign to the first species collected.
Le signe des espèces collectées dans l’interstice interne 27 et l’interstice externe 29 dépend du signe de la polarisation appliquée sur la paroi intermédiaire 9. La paroi externe 11 et la paroi interne 7 sont normalement (mais pas obligatoirement) à la masse.The sign of the species collected in the internal gap 27 and the external gap 29 depends on the sign of the polarization applied to the intermediate wall 9. The external wall 11 and the internal wall 7 are normally (but not necessarily) grounded.
Puisque la paroi intermédiaire 9 présente une polarité d’une haute tension, seule les populations de particules de bonne polarité pourront parcourir l’intégralité de l’interstice correspondant et aller jusqu’à l’unité de comptage 25. Ainsi, chaque unité de comptage 25 ne mesurera qu’une seule polarité de particules.Since the intermediate wall 9 has a high voltage polarity, only populations of particles of good polarity will be able to travel the entire corresponding gap and go to the counting unit 25. Thus, each counting unit 25 will only measure one particle polarity.
Les particules négatives et les particules positives sont ainsi réparties dans deux volumes distincts et l’unité de comptage 25 mesure séparément la quantité de charges positives et la quantité de charges négatives. Une unité de comptage 25 est typiquement constitué de galettes micro-canaux (en anglais MCP : Micro Channel Plates) suivies d’électrodes sur lesquelles sont connectés des amplificateurs ou un asic.The negative particles and the positive particles are thus distributed in two distinct volumes and the counting unit 25 measures the quantity of positive charges and the quantity of negative charges separately. A counting unit 25 is typically made up of micro-channel plates (MCP: Micro Channel Plates) followed by electrodes to which amplifiers or an ASIC are connected.
La paroi interne 7, la paroi externe 9 et le capot 19 sont reliés à une masse (ou référence de potentiel) 30. La haute tension est définie par rapport à la masse 30. Par haute tension, il est entendu une polarité par rapport à la masse de l’ordre de grandeur de x1000 V, typiquement 4 à 5000V, positive ou négative, haute tension qui sera balayée entre 0 et la valeur maximale de manière à réaliser un spectre.The internal wall 7, the external wall 9 and the cover 19 are connected to a mass (or potential reference) 30. The high voltage is defined in relation to the mass 30. By high voltage, it is understood a polarity in relation to the mass of the order of magnitude of x1000 V, typically 4 to 5000V, positive or negative, high voltage which will be scanned between 0 and the maximum value so as to produce a spectrum.
Le dispositif d’application d’une haute tension 23 comprend une carte haute tension 31 à polarité unique.The high voltage application device 23 comprises a high voltage card 31 with single polarity.
La tête 5 hémisphérique ou en quart de sphère ou inscrite dans une ellipsoïde présente un centre 33 par lequel passe l’axe principal 17; la paroi interne 7, la paroi intermédiaire 9 et la paroi externe 11 étant concentriques autour du centre 33 comme illustré à la
La tête 5 peut également avoir une forme de type ellipsoïde allongée selon l’axe principal 17 ou aplatie selon l’axe principal 17. Elles nécessitent alors deux polarisations de même signe décalées.The head 5 can also have an ellipsoid type shape elongated along the main axis 17 or flattened along the main axis 17. They then require two offset polarizations of the same sign.
La paroi interne 7, la paroi intermédiaire 9 et la paroi externe 11 présentent une forme hémisphérique ou en portion de sphère. Le centre 33 de la tête 5 est également le centre 33 de la paroi interne 7, la paroi intermédiaire 9 et la paroi externe 11 dans le cas de la
La bouche d’entrée 21 du capot 19 correspond à une fente d’entrée 35 circulaire organisée autour de l’axe principal 17 de sorte à guider les particules positives et les particules négative d’une trajectoire transversale 37 à l’axe principal 17 à une trajectoire sensiblement parallèle 39 à la paroi intermédiaire 9.The inlet mouth 21 of the cover 19 corresponds to a circular inlet slot 35 organized around the main axis 17 so as to guide the positive particles and the negative particles of a transverse trajectory 37 to the main axis 17 to a trajectory substantially parallel 39 to the intermediate wall 9.
Le fente d’entrée 35 circulaire a comme axe l’axe principal 17. Les particules extérieures entrent dans la fente d’entrée 35 transversalement à l’axe principal 17. Les particules arrivent selon une multitude de directions radiales par rapport à l’axe principal 17.The circular inlet slot 35 has the main axis 17 as its axis. The exterior particles enter the inlet slot 35 transversely to the main axis 17. The particles arrive in a multitude of radial directions relative to the axis main 17.
Lorsque la tête 5 est hémisphérique, la fente d’entrée 35 est ouverture sur 360°.When the head 5 is hemispherical, the entry slot 35 opens 360°.
Lorsque la tête 5 est un quart de sphère, la fente d’entrée 35 est ouverte sur 180°. Dans ce cas, la fente d’entrée 35 est située à l’opposé de la tête 5 par rapport à un plan central délimitant la tête dans lequel est inclus l’axe principal 17.When the head 5 is a quarter of a sphere, the entry slot 35 is open 180°. In this case, the entry slot 35 is located opposite the head 5 with respect to a central plane delimiting the head in which the main axis 17 is included.
Ainsi, selon les deux cas, les particules entrent sensiblement tangentiellement dans l’ouverture externe 13.Thus, in both cases, the particles enter substantially tangentially into the external opening 13.
La fente d’entrée 35 présente un évasement 41 configuré pour permettre l’entrée de particules selon un angle compris entre -15/-15° et en particulier entre -10/+10° par rapport à une direction perpendiculaire 43 à l’axe principal 17.The inlet slot 35 has a flare 41 configured to allow the entry of particles at an angle between -15/-15° and in particular between -10/+10° relative to a direction perpendicular 43 to the axis main 17.
La polarité définie de la paroi intermédiaire 9 peut être positive. Cette disposition permet de guider correctement les électrons dans l’interstice externe 29 et les ions positifs dans l’interstice interne 27. Ici, la polarité maximale définie est de +5000 V par rapport à la masse 30. Ainsi, en balayant cette polarité entre 0V et sa valeur maximale, on fera une mesure sélectionnée en énergie des particules : le résultat de la mesure est un spectre en énergie.The defined polarity of the intermediate wall 9 can be positive. This arrangement makes it possible to correctly guide the electrons in the external gap 29 and the positive ions in the internal gap 27. Here, the maximum polarity defined is +5000 V relative to mass 30. Thus, by sweeping this polarity between 0V and its maximum value, we will make a selected particle energy measurement: the result of the measurement is an energy spectrum.
La polarité définie de la paroi intermédiaire peut être choisie négative. Cette disposition permet d’attirer les électrons dans l’interstice interne 27 et les ions positifs dans l’interstice externe 29. Dans ce cas, la polarité définie est balayée de 0 à -5000 V par rapport à la masse 30.The defined polarity of the intermediate wall can be chosen negative. This arrangement makes it possible to attract electrons in the internal gap 27 and positive ions in the external gap 29. In this case, the defined polarity is swept from 0 to -5000 V relative to mass 30.
Il est inutile dans cette invention de disposer d’une électrode à polarité mixte (balayage alternatif positif puis négatif) ou double : une tête est balayée positivement et l’autre négativement. Cela demande sur la carte haute tension d’avoir une double polarité donc une excursion de tension double (de -5000V à +5000V dans notre exemple typique).It is unnecessary in this invention to have a mixed polarity electrode (alternative positive then negative scanning) or double: one head is scanned positively and the other negatively. This requires the high voltage card to have double polarity and therefore a double voltage excursion (from -5000V to +5000V in our typical example).
Comme on peut le voir sur les différentes
Comme illustré à la
Comme illustré à la
Cette disposition permet de tenir compte du fait que les ions positifs ont une masse plus importante que les électrons et sont ainsi moins déviés par la paroi intermédiaire 9 chargée que les électrons.This arrangement makes it possible to take into account the fact that the positive ions have a greater mass than the electrons and are thus less deflected by the charged intermediate wall 9 than the electrons.
En particulier, la courbure de l’interstice destinée à recevoir les ions positifs peut avoir une courbure réduite par endroit tandis que la courbure de l’autre interstice peut être augmentée.In particular, the curvature of the gap intended to receive the positive ions can have a reduced curvature in places while the curvature of the other gap can be increased.
Comme illustré à la
Comme illustré à la
Comme illustré à la
Comme illustré à la
L’invention est compatible de deux ou plusieurs modes de réalisation de tête.The invention is compatible with two or more head embodiments.
L’unité de comptage 25 s’étend selon un plan de base 45, la tête 5 étant rapportée sur l’unité de comptage 25 de manière à ce que le plan de base 45 s’étende transversalement à l’axe principal 17.The counting unit 25 extends along a base plane 45, the head 5 being attached to the counting unit 25 so that the base plane 45 extends transversely to the main axis 17.
Cette disposition permet une mesure sur 360° lorsque la tête 5 est hémisphérique ou sur 180° lorsque la tête 5 est en quart de sphère.This arrangement allows a measurement over 360° when the head 5 is hemispherical or over 180° when the head 5 is quarter-spherical.
L’unité de comptage 25 (qui comprend une unité d’amplification et une pluralité d’électrodes de collecte) présente une forme en couronne (ou disque) ou en demi-couronne (ou demi-disque) de manière à ce que l’interstice interne 27 et l’interstice externe 29 débouchent en regard de l’unité de comptage 25. Typiquement une zone d’amplification est une galette ou un empilement de galettes MCP (Micro Channel Plate) polarisées sous haute tensionThe counting unit 25 (which comprises an amplification unit and a plurality of collection electrodes) has a crown (or disc) or half-crown (or half-disc) shape so that the internal gap 27 and the external gap 29 open opposite the counting unit 25. Typically an amplification zone is a wafer or a stack of MCP (Micro Channel Plate) wafers polarized under high voltage
Cette disposition permet de mesurer la quantité de charges positives et de charges négatives sur le pourtour de la base de la tête 5.This arrangement makes it possible to measure the quantity of positive charges and negative charges around the perimeter of the base of the head 5.
L’unité de comptage 25 présente, sous l’unité d’amplification, une pluralité de capteurs de charges 47 (ou électrodes de détection) d’une première polarité disposés en regard de l’interstice externe 29 et une pluralité de capteurs de charges 47 d’une deuxième polarité disposés en regard de l’interstice interne 27.The counting unit 25 has, under the amplification unit, a plurality of charge sensors 47 (or detection electrodes) of a first polarity arranged facing the external gap 29 and a plurality of charge sensors 47 of a second polarity arranged opposite the internal gap 27.
Ainsi, chaque interstice comprend une pluralité de capteurs de charges 47 correspondants. Cette disposition permet donc, après séparation des charges positives et négatives imposée par le balayage de la polarité de la paroi intermédiaire 9, et ainsi de de mesurer indépendamment la quantité de charges positives et négatives.Thus, each gap comprises a plurality of corresponding load sensors 47. This arrangement therefore allows, after separation of the positive and negative charges imposed by scanning the polarity of the intermediate wall 9, and thus to independently measure the quantity of positive and negative charges.
Les capteurs de charges 47 (ou électrodes) sont régulièrement répartis sur le pourtour de la couronne. Cette disposition permet de mesurer différentes quantités de charges selon les secteurs angulaires de provenance des particules et ainsi de déterminer une répartition angulaire des quantités de charges.The load sensors 47 (or electrodes) are regularly distributed around the perimeter of the crown. This arrangement makes it possible to measure different quantities of charges according to the angular sectors from which the particles come and thus to determine an angular distribution of the quantities of charges.
L’unité de comptage 25 comprend une galette ou un empilement de galettes micro-canaux 49 qui sont disposées entre la tête 5 et les pluralités de capteurs de charges 47.The counting unit 25 comprises a wafer or a stack of micro-channel wafers 49 which are arranged between the head 5 and the pluralities of load sensors 47.
Le détecteur mono-polarisation 1 comprend en outre un système de gestion de commande et de puissance 51 adapté pour contrôler l’unité de comptage 25 et le dispositif d’application d’une haute tension balayée 23. Il s’agit de réaliser une amplification et de détection des impulsions issues de l’unité de comptage 25The mono-polarization detector 1 further comprises a control and power management system 51 adapted to control the counting unit 25 and the device for applying a swept high voltage 23. This involves carrying out amplification and detection of pulses coming from the counting unit 25
Le détecteur mono-polarisation 1 comprend aussi une unité de polarisation haute tension de l’unité d’amplification (des galettes MCP). En effet on n’a plus qu’une seule tension centrale balayée (avec une seule électrode) mais on ne s’affranchit pas d’avoir des polarisations HT statiques sur les galettes MCP.The mono-polarization detector 1 also includes a high-voltage polarization unit of the amplification unit (MCP wafers). In fact we only have one central voltage swept (with a single electrode) but we do not get rid of having static HT polarizations on the MCP wafers.
Le système de gestion de commande et de puissance 51 c’est-à-dire d’amplification électronique est adapté pour être alimenté pour une source d’alimentation de satellite.The control and power management system 51, that is to say electronic amplification, is adapted to be powered for a satellite power source.
La présente invention concerne également un satellite comprenant au moins un détecteur mono-polarisation 1 tel que décrit ci-dessus.The present invention also relates to a satellite comprising at least one mono-polarization detector 1 as described above.
Dans le détecteur mono-polarisation 1 présenté ci-dessus, l’utilisation d’une électrode polarisée unique simplifie grandement la carte électronique haute tension. Elle diminue le risque de formation d’un arc électrique, car il n’y a qu’une seule polarité donc moins d’écart de tension ce qui améliore la sécurité du détecteur.In the mono-polarization detector 1 presented above, the use of a single polarized electrode greatly simplifies the high-voltage electronic card. It reduces the risk of an electric arc forming, because there is only one polarity and therefore less voltage difference, which improves the safety of the detector.
Le détecteur mono-polarisation 1 est également avantageux dans le sens où la tête est compacte, légère et facile à intégrer au satellite.The mono-polarization detector 1 is also advantageous in the sense that the head is compact, light and easy to integrate into the satellite.
Comme il va de soi, l'invention ne se limite pas à la seule forme d'exécution décrite ci-dessus à titre d'exemple, elle en embrasse au contraire toutes les variantes de réalisation.As it goes without saying, the invention is not limited to the sole form of execution described above by way of example, on the contrary it embraces all the variant embodiments.
Claims (11)
- une tête (5) pourvue d’une paroi interne (7), d’une paroi intermédiaire (9) et d’une paroi externe (11), la paroi externe (11) présentant une ouverture externe (13) et la paroi intermédiaire (9) présentant une ouverture intermédiaire (15),
- un capot (19) apte à être rapporté sur la tête (5) et à masquer l’ouverture externe (13), le capot (19) présentant une bouche d’entrée (21) s’étendant transversalement à un axe principal (17) de la tête (5) pour la circulation des particules positives et négatives du plasma (3) vers l’ouverture externe (13),
- un dispositif d’application d’une haute tension (23), selon une polarité définie, configuré pour appliquer la haute tension balayée à la paroi intermédiaire (9),
- une unité de comptage (25) de charges positives et négatives configurée pour mesurer des charges d’une première polarité dans un interstice interne (27) entre la paroi interne (7) et la paroi intermédiaire (9) et pour mesurer des charges d’une deuxième polarité dans un interstice externe (29) entre la paroi intermédiaire (9) et la paroi externe (11).
- a head (5) provided with an inner wall (7), an intermediate wall (9) and an outer wall (11), the outer wall (11) having an outer opening (13) and the intermediate wall (9) having an intermediate opening (15),
- a cover (19) adapted to be attached to the head (5) and to mask the external opening (13), the cover (19) having an inlet mouth (21) extending transversely to a main axis (17) ) of the head (5) for the circulation of the positive and negative particles of the plasma (3) towards the external opening (13),
- a device for applying a high voltage (23), according to a defined polarity, configured to apply the swept high voltage to the intermediate wall (9),
- a positive and negative charge counting unit (25) configured to measure charges of a first polarity in an internal gap (27) between the internal wall (7) and the intermediate wall (9) and to measure charges of a second polarity in an external gap (29) between the intermediate wall (9) and the external wall (11).
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2205060A FR3136105A1 (en) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Mono-polarization detector of positive and negative plasma particles |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FR2205060 | 2022-05-25 | ||
| FR2205060A FR3136105A1 (en) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Mono-polarization detector of positive and negative plasma particles |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FR3136105A1 true FR3136105A1 (en) | 2023-12-01 |
Family
ID=83900193
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FR2205060A Pending FR3136105A1 (en) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | Mono-polarization detector of positive and negative plasma particles |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FR (1) | FR3136105A1 (en) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112799120A (en) * | 2019-11-13 | 2021-05-14 | 中国科学院国家空间科学中心 | Double-channel electrostatic analyzer for ion and electron synchronous measurement |
-
2022
- 2022-05-25 FR FR2205060A patent/FR3136105A1/en active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112799120A (en) * | 2019-11-13 | 2021-05-14 | 中国科学院国家空间科学中心 | Double-channel electrostatic analyzer for ion and electron synchronous measurement |
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