WO2017089699A1 - Procédé d'ionisation d'argon - Google Patents

Procédé d'ionisation d'argon Download PDF

Info

Publication number
WO2017089699A1
WO2017089699A1 PCT/FR2016/053052 FR2016053052W WO2017089699A1 WO 2017089699 A1 WO2017089699 A1 WO 2017089699A1 FR 2016053052 W FR2016053052 W FR 2016053052W WO 2017089699 A1 WO2017089699 A1 WO 2017089699A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
argon
xenon
ionization
chamber
krypton
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/FR2016/053052
Other languages
English (en)
Inventor
Titaina GIBERT
Fatou DIOP
André Bouchoule
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite d Orleans UFR de Sciences
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite d Orleans UFR de Sciences
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite d Orleans UFR de Sciences filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of WO2017089699A1 publication Critical patent/WO2017089699A1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/52—Generating plasma using exploding wires or spark gaps
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H01J27/14—Other arc discharge ion sources using an applied magnetic field
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32009—Arrangements for generation of plasma specially adapted for examination or treatment of objects, e.g. plasma sources
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/32—Gas-filled discharge tubes
    • H01J37/32431—Constructional details of the reactor
    • H01J37/3266—Magnetic control means
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/54—Plasma accelerators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H—PRODUCING A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03H1/00—Using plasma to produce a reactive propulsive thrust
    • F03H1/0037—Electrostatic ion thrusters
    • F03H1/0062—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field
    • F03H1/0075—Electrostatic ion thrusters grid-less with an applied magnetic field with an annular channel; Hall-effect thrusters with closed electron drift

Definitions

  • the present invention relates to a method of argon ionization, as well as, in particular, to a propulsion process and a surface treatment method implementing the method of the invention.
  • the present invention also relates to a device for implementing the method of the present invention.
  • the present invention finds, for example, applications in the field of aerospace, in particular in the field of plasma propulsion, as well as in many other fields where the ionization of argon is used, in particular in the field of treatments.
  • surface for example in the field of optics, electronics, mechanics, etc.
  • references in brackets ([]) refer to the list of references at the end of the text.
  • Plasmas obtained by electric discharge in different gases, chemically active or otherwise, generally at low pressure, that is to say less than one thousandth or one millionth of atmospheric pressure, are widely used in many technological fields.
  • Ion acceleration can occur in a sheath separating the plasma edge and a solid surface to obtain a treatment of said surface. It can also lead to an ion beam transported outside the plasma for various uses, among which we can notably cite surface treatments and space propulsion, where the amount of movement carried in the vacuum by this beam is reflected in a thrust force exerted on the spacecraft.
  • Satellites need to have their own propulsion system to reach their terrestrial or extraterrestrial orbital target, to modify their trajectory or to keep it in function of the mission.
  • Many space propulsion systems have been developed.
  • these propulsion systems have essentially used chemical propulsion means, for example liquid propellant, solid propellant or hybrid propellant.
  • Futuristic systems have been proposed for extraterrestrial missions using nuclear propulsion means, for example nuclear thermal, thermoelectric, fusion fragment, antimatter, etc.
  • ionic or electromagnetic thrusters for example Hall effect
  • the thrusters with grid ion sources the magneto-plasmic thrusters with variable specific impulse (VASIMR)
  • VASIMR variable specific impulse
  • magnetoplasmadynamic thrusters mention may be made of ionic or electromagnetic thrusters, for example Hall effect, the thrusters with grid ion sources, the magneto-plasmic thrusters with variable specific impulse (VASIMR), and the magnetoplasmadynamic thrusters.
  • VASIMR variable specific impulse
  • Hall effect thrusters have been implemented for satellites, where the acceleration of ions is done within the plasma where they are created, as well as gate thrusters, the latter ensuring the extraction / acceleration of ions already created upstream in a plasma.
  • cesium have been studied, as described for example in CO BROWN and EA PINSLEY, "Further experimental investigations of a cesium hall-current accelerator ", AIAA Journal, Vol 3, No. 5 (1965), pp.
  • these thrusters including Hall effect thrusters, are poised to replace chemical thruster technology in the satellite industry, combining both reliability and mass economy at launch.
  • argon is abundant on earth and with a cost price about 400 times lower than that of xenon. But it is a gas more difficult to ionize than xenon and obtaining good ionization yields requires electrical powers that are much higher, which poses a hardware and energy saving problem on board satellites.
  • the current state of the art does not propose a method and / or device to facilitate the ionization of argon and, consequently, its use is not favorably considered in space propulsion.
  • argon is used ionized when the economic constraint is accepted, especially in terms of power consumption and material required for ionization. This is the case, for example, in surface treatment technologies where this interest of argon is combined with that of a good spraying efficiency when an argon ion bombards a surface.
  • the present invention precisely meets these needs and disadvantages and obstacles of the prior art, especially those mentioned above, by providing an argon ionization process, said method being characterized in that the argon is ionized in the presence of a gas chosen from xenon and / or krypton, the quantity by volume of argon being greater than that of xenon and / or krypton expressed under normal conditions of temperature and pressure.
  • the present invention also meets these needs and disadvantages and obstacles of the prior art, including those mentioned above, by providing a method of generating a plasma comprising carrying out the ionization process of the present invention.
  • the inventors at the origin of the present have in fact unexpectedly found that the ionization of argon, in particular in a magnetized discharge, for example in a Hall effect booster, is considerably enhanced by the addition of xenon and / or krypton.
  • the addition of 4% by volume of xenon only leads to an increase of more than 50% of the total ion current and even beyond, by the method of the present invention.
  • Such increases are much larger than a simple addition of current due to the ionization of the minority amount of xenon and / or or krypton added.
  • the economic interest of the present invention is very important, argon costing about 400 times less expensive than xenon.
  • the present invention thus makes it possible to greatly reduce the cost of ionization processes of the prior art in which xenon or argon were used alone, for example for space propulsion or for surface treatment technologies.
  • argon may be the predominant gas in ionization processes which required, for example, xenon and / or pure krypton.
  • the amount of xenon and / or krypton may for example be less than 20% by volume relative to the total volume of argon and the gas selected from xenon and / or krypton, preferably less than 15%, preferably less than 10%, preferably less than 8%, preferably 2 to 8%, preferably 2 to 6%, example of 4%, the amount being expressed in% by volume, relative to the total volume of argon and the gas selected from xenon and / or krypton, under normal conditions of temperature and pressure.
  • xenon and / or krypton can be added to argon prior to its ionization, or argon can first be ionized, then xenon and / or or krypton in ionized argon.
  • the argon ionization and the generation of an argon plasma can be carried out by any means known to those skilled in the art for ionizing argon, especially in the presence of a magnetic field.
  • the ionization can in particular be carried out by an electric discharge in argon and / or in the mixture argon and xenon and / or krypton.
  • the ionization can be carried out in the presence of a magnetic field and an electric discharge, the magnetic field and the electric discharge being used for the ionization and, where appropriate, for the acceleration the ions formed.
  • the ionization of argon can in particular be carried out by means of an ion source.
  • ion source is meant any device known to those skilled in the art including elements for ionizing a gas, in particular argon, and, where appropriate, using the ionized gas, for example for propulsion or for a surface treatment.
  • the ion source is preferably selected based on the intended use of the ionized gas.
  • said ion source may be for example a source of Hall effect thruster, a magnetron source or an End-Hall source, also called Kaufmann source.
  • the ion source may comprise, in general, an ionization chamber; means for introducing argon into said ionization chamber; means for introducing xenon and / or krypton into said chamber; anode; means for generating an argon ionizing discharge once introduced into said chamber; means for generating a magnetic field, and a cathode.
  • an ionization chamber for introducing argon into said ionization chamber
  • means for introducing xenon and / or krypton into said chamber anode
  • means for generating an argon ionizing discharge once introduced into said chamber means for generating a magnetic field, and a cathode.
  • the magnetic field may be substantially radial resulting in the establishment of a substantially axial electric field and an axial acceleration of the ions formed.
  • the axial acceleration of the ions formed makes it possible to implement the present invention in propulsion processes, for example space propulsion, for example as described in the D.Goebel, I.Katz "fundamentals of electric propulsion and Hall” documents. thrusters ", Wiley book, 2008 [2], A.Leufroy, T.Gibert, A.Bouchoule,” Characteristic of a permanent magnet low power thruster ", 21 st IEPC, Ann. Arbor Michigan, Sept.
  • the present invention also relates to a propulsion method comprising the implementation of the ionization process of the invention.
  • said ion source may for example be a Hall effect spatial propeller, for example such as those described in FIGS. documents [2], [3] and [4].
  • the cathode may be located outside the ion source.
  • the present invention may be more widely used, for example, in the implementation of ionic or electromagnetic propulsions, electrodynamic thrusters, for example Hall effect, magneto-plasmic propulsion with variable specific impulse (VASIMR), and magnetoplasmadynamic propulsions using the Lorentz force ("LFA” for "Lorentz Force Accelerator”), for example a magnetoplasmadynamic thruster, for example that described by NASA in the document Magnetoplasmadynamic Thrusters on the website http: //www.nasa.qov/centers/ qlenn / about / fs22qrc.html, whether it be an induced field booster, a magnetoplasmatic dynamic field booster ("MPD” or “SF-MPDT” for "Self-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster") , or a magnetoplasmatic dynamic field-applied thruster ("AF-MPDT” for "Applied-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster”).
  • MPD magnet
  • the thruster consists of a divergent nozzle provided with electrodes: the cathode in the center of the nozzle and along the axis of the nozzle, and the circular anode is placed on the periphery of the nozzle.
  • the majority argon comprising xenon and / or krypton is injected at the base of the central rod and an electric arc of several thousand amperes. is emitted axially from the cathode.
  • Argon is ionized, in the presence of xenon and / or krypton, to form a plasma.
  • the axial electric current induces around it a powerful radial magnetic field, with a maximum at the axis, where the current density is the strongest.
  • the electric current then evolves radially towards the anode at the outlet of the nozzle where it interacts with the magnetic field, producing a propulsive force, called Lorentz, directed along the axis of the nozzle.
  • the argon plasma generated according to the method of the invention is then accelerated electromagnetically through the outlet of the nozzle, producing a thrust that allows propulsion, including a spacecraft.
  • the present invention also relates to a surface treatment method comprising the implementation of the ionization process of the invention.
  • surface treatment means any treatment consisting of chemically and / or physically modifying a surface and / or depositing a layer of a material on a surface, for example as described and documented below. below.
  • the surface treatment method of the present invention can be for example a thin film deposition method, a surface coating method, a high performance surface treatment, a surface cleaning method, a method of activation of a surface, a method of etching a surface, etc.
  • the present invention is therefore directed to any industrial process employing an argon plasma according to which xenon and / or krypton are advantageously added according to the invention; or a xenon plasma by advantageously replacing the latter with argon in a process according to the present invention.
  • PSVD Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition
  • Plasma assisted physical vapor deposition (PAPVD) methods such as that described for example in John A. Thornton et al., Plasma-assisted deposition processes: theory, mechanisms and applications ", Elsevier Sequoia, Thin Solid Films, General Movie Behavior, 107 (1983) 3-19 [10].
  • the magnetic field in the surface treatment, during the implementation of the method of the invention, may be preferably axial and the discharge may be fed by a source continuous electric, for example the ion source used in surface treatment and / or deposition of thin layers, known to those skilled in the art under the name END-HALL source, for example as described in documents [5], [6], [7], WO2000005742 [17], and WO2005024086 [18].
  • the cathode may be located inside the ion source.
  • the magnetic field may for example be parallel to the surface to be treated and the discharge may be a continuous discharge or not.
  • the ionization of argon is for example obtained in a magnetized ionization chamber, and the argon ions are accelerated towards said surface to be treated, placed in said chamber or outside thereof. Said surface is then called magnetron cathode, and said discharge called magnetron discharge to the example of the devices, called magnetron sources, usable for the deposition of the thin layers according to the invention, described for example in documents [19], [20] and [21].
  • the ionization of argon can be carried out by means of an ion source which can be for example a magnetron source or an End-Hall source.
  • a xenon tank, a conduit and a valve for injecting xenon and / or krypton in argon before or during its ionization, optionally a device for controlling and regulating injection of xenon and / or krypton into argon is enough to remarkably improve the ionization efficiency of argon.
  • argon is the majority according to the invention
  • a mixture of argon and "xenon and / or krypton" where argon is the majority according to the invention can be stored in a single tank feeding the process of the present invention during its implementation, for example in an ion source, and leads to the result of remarkable improvement of the ionization obtained, without modification of a pre-existing device and / or, potentially, without auxiliary device.
  • the present invention also relates to an argon ionization device comprising:
  • means for introducing argon into said chamber means for introducing argon into said chamber; means for generating a continuous discharge or non-ionizing argon once introduced into said chamber; means for generating a magnetic field; device further comprising xenon introduction means and / or krypton in argon before or after introduction of argon into the ionization chamber.
  • the device may further comprise means for generating a magnetic field in said chamber. It can be for example one of the means described in the documents [2] to [21], and Fatou Diop, "Sources of neutral particles monocinetics: specific diagnoses and physical study of a source of Hall in plasma d 'argon or in xenon-argon mixture', thesis defended on 22 July 2015, University of La [22].
  • the means for generating a discharge may be for example means such as those described in documents [2] to [22].
  • the discharge can be continuous or alternative.
  • the device may further comprise a vacuum chamber, the ionization chamber being placed in said chamber, the chamber being provided with a pumping system making it possible to achieve the desired pressure in the chamber, and therefore in the ionization chamber.
  • the present invention relates to the use of an argon ionization device, as defined herein, for carrying out the ionization method according to the invention, wherein xenon and / or krypton are introduced into the argon before and / or during the ionization of the argon in the ionization chamber.
  • the ionization chamber used for the implementation of the present invention may be chosen from those known to those skilled in the art, the choice being made according to the application to which is intended for the ionization of argon.
  • space propulsion it is possible to use an ionization chamber as described in the document Alain Leufroy, "Micropropulsion and diagnostics for space propulsion", thesis defended on 15/02/2010, University of La [23].
  • surface treatment it is possible to use an ionization chamber as described in documents [5] and [19].
  • the argon introduction means inside said chamber may comprise, for example, an argon reservoir, as well as a conduit connecting said reservoir to the ionization chamber.
  • the conduit is provided with a valve, if necessary automatic, and a control and / or control means for injecting argon into the ionization chamber.
  • the means for generating a continuous or alternating discharge ionizing argon once introduced into the ion chamber can be for example those described in the documents cited [2] to [22].
  • the means for generating a magnetic field may for example be those mentioned above in the documents cited [2] to [22].
  • the means for introducing xenon and / or krypton into the argon before or after the introduction of argon into the ionization chamber may be any means known to those skilled in the art for the introduction of a gas in a conduit leading to an ionization chamber and / or an ionization chamber.
  • These means may comprise, for example, a xenon and / or krypton reservoir and a conduit connecting said reservoir to the ionization chamber so as to inject xenon and / or krypton into the ionization chamber where the Argon is injected for its ionization or an argon injection pipe into the ionization chamber, so as to inject xenon and / or krypton into the argon before the latter is introduced into the chamber.
  • the conduit is provided with a valve, if any automatic, and control means and control for injecting xenon and / or krypton directly into the ionization chamber or into the argon injection conduit in the ionization chamber.
  • These means are, by way of example, those of gas injection described in the aforementioned documents.
  • the device may also comprise a single reservoir in which the mixture of argon to be ionized and of xenon and / or krypton has been introduced, so as to have only one gas injection pipe in the ionization chamber for carrying out the process of the present invention.
  • the device may also comprise a thermal transfer means ensuring a cooling of the ionization chamber, for example a controlled cooling means of the ionization chamber.
  • a thermal transfer means ensuring a cooling of the ionization chamber, for example a controlled cooling means of the ionization chamber.
  • a cooling system for example such as that shown in Figure 8 attached and in the corresponding example below. This means advantageously makes it possible to cool the engine by thermal contact, for example by means of a circulation of water whose input temperature is slaved to a set point.
  • the method of the invention consists firstly in generating an argon plasma in an ion source, then in a second step in injecting a stream of xenon and / or krypton into said source of ions.
  • the argon mixture and xenon and / or krypton being prepared in advance or just before it is introduced into the ion source.
  • Figure 1 schematically shows a sectional view of an exemplary Hall effect thruster in which the method of the present invention can be implemented.
  • FIG. 2 diagrammatically represents a device comprising a vacuum chamber in which the device shown diagrammatically in FIG. 1 can be placed for an implementation under vacuum or partial vacuum.
  • FIG. 3 represents a comparative diagram showing the evolution of the discharge current density (expressed in Amperes) as a function of the total gas flow rate for pure argon according to the prior art, and for a constant flow of argon by adding xenon according to the invention, the flow rates being expressed in cubic centimeter per minute in the Normal Conditions of Temperature and Pressure (CNTP) (Unit: "cm 3 .min " 1 "or” sccm ", CNTP: 273 ° K, 101325 Pa).
  • CNTP Normal Conditions of Temperature and Pressure
  • FIG. 4 represents a comparative diagram showing the evolution of the density of the ion current (expressed in arbitrary unit) on the axis of the engine of example 1, as a function of the total gas flow rate for pure argon according to the prior art, and for a constant flow of argon by adding xenon according to the invention.
  • the flow rates are expressed in cubic centimeters per minute under Normal Temperature and Pressure Conditions (CNTP) (Unit: "cm 3 .min " 1 "or” sccm ", CNTP: 273 ° K, 101325 Pa).
  • CNTP Normal Temperature and Pressure Conditions
  • Fig. 5 is a comparative diagram showing the evolution of ion current density (U.a. Intensity) as a function of angle.
  • CNTP Normal Conditions of Temperature and Pressure
  • FIG. 7 shows a detailed diagram of an exemplary device for implementing the method of the present invention.
  • FIG. 8 represents a diagram of a cooling circuit used during the experiments with the device represented in FIG. 7.
  • FIG. 9 represents the evolution of the temperature of the device of the present invention shown diagrammatically in FIG. 7, as a function of operating time following two cooling systems (C1 and C2) presented in the examples below.
  • the ordinate shows the engine temperature (TM) in ° C, and the abscissa the engine operating time (t) in minutes.
  • Figure 10 shows the evolution of the engine temperature and the discharge current as a function of the operating time.
  • MCD mean discharge current
  • TM temperature of the motor
  • t running time
  • V collector ion current
  • V repulsion voltage
  • FIG. 12 represents the evolution of the discharge current and of the ion collector current on the jet axis as a function of the total flow rate during the implementation of the method of the present invention with a mixture of Ar + Kr. on the left is the discharge current (CD) in amperes (A), on the right the ion current (Cl) in arbitrary units (ua) and on the abscissa the total flow Ar + Kr (sccm).
  • Example 1 Example of a device for the implementation of the present invention
  • the device is an ion source, which is the Hall effect plasma propellant described in document FR 2 842 261, "Hall Effect Plasma Propellant", National Center for Space Studies (CNES) [24].
  • the propellant (P) comprises an annular channel defined by an external ceramic (CE) and an internal ceramic (Cl) forming an ionization chamber (CH) and acceleration, into which the ionizable gases are introduced.
  • This annular channel is open (O) at its end.
  • the thruster comprises an anode (anode), and a cathode (CA) (electron source) placed outside the outlet (O) of the channel; and a magnetic circuit (CM) for creating a magnetic field in a portion of the annular channel.
  • the magnetic circuit is arranged in such a way that the maximum magnetic field generated in the channel is essentially radial.
  • the propellant is placed in a chamber (E) under vacuum as shown schematically in Figure 2 attached.
  • This enclosure (E) is connected to a pumping system (PO).
  • the propellant is connected to an argon feed source (SAI-) and a xenon feed source (Sx e ), by a system of supply tubes (TA).
  • SAI- argon feed source
  • Sx e xenon feed source
  • TA system of supply tubes
  • This tube system comprises a valve (VA) selectively allowing the introduction of argon, xenon or both into the propellant (P), more precisely into the ionization chamber (CH).
  • the flow rate of each gas can be manually adjusted directly at the power source using the valves (VA).
  • Flowmeters are arranged on each valve (VA). To check that the flow meters are working correctly, the pressure in the chamber is measured using a gauge (JA) (ACTIVE GAUGE, trademark, from EDWARDS HIGH VACUUM).
  • the cathode (CA) used in the context of the experiment is a “MIREA” cathode, as described in the document Luc Albarw, "Experimental studies of a hall effect propellant: stationary and dynamic behavior of the electron flow", thesis 2004, University of La [25]. It is started under the same conditions as for a xenon plasma, namely:
  • a xenon flow rate of 0.2 sccm (CNTP) is introduced into said cathode;
  • the heating current of the cathode is gradually increased to 12 Ampere.
  • Argon is first introduced into the propellant (P) with a flow rate, for example 24 sccm. Then, the supply of the discharge voltage of the thruster is increased to a value of 220 V.
  • the discharge priming device also called “keeper” or “cathode electron extractor”
  • keeper or "cathode electron extractor”
  • the discharge priming device is transiently heated to a voltage of 220 V.
  • a discharge creating a plasma is then initiated with pure argon.
  • the residual pressure measured is, by example of 2x10 -2 Pa for an argon flow of 24 sccm, ie a volume of 24 cm 3 / minute, expressed in the CNTP.
  • the argon flow rate is kept fixed, for example at 24 sccm, and a flow of xenon according to the present invention is added.
  • a xenon flux according to the present invention is added, resulting in a proportion of xenon less than 50% by volume, expressed in the CNTPs, of the Ar-Xe mixture.
  • Different experiments are carried out, with different percentages of xenon: 20%, 15%, 10%, 7%, 5%, 2% relative to the total volume of the argon + xenon mixture, expressed in the CNTPs.
  • the argon flow being maintained at 24 sccm
  • the xenon flow rate was tested at different values, including values ranging from 0.5 sccm to 2 sccm the normal temperature conditions. and Pressure (CNTP), which corresponds respectively to mixtures Ar (98%) + Xe (2%) to Ar (93%) + Xe (7%), the percentages being percentages by volume relative to the total volume of the product.
  • argon + xenon mixture expressed in the CNTPs.
  • the residual pressure is measured for comparison. It turns out that the pressure is not significantly modified by the addition of xenon flux tested, when they are at the above percentages.
  • 1 sccm of xenon ie a proportion of 4% by volume (CNTP) relative to the total volume of argon and xenon, makes the pressure of 2x10 -4 Pa to 2, 1 x10 "4 Pa. As this variation is not significant, no pressure effect was considered relevant.
  • the performances of the formed plasma are deduced from the measurements of the average total discharge current given by the ammeter of the discharge supply (reference SM 400-AR-8 from DELTA ELEKTRONIKA), measurement of the ion current obtained by a probe with retarding potential described in the document Christelle Philippe, "Spatio-temporal characterizations of ionic jets: development of diagnostics and application to propulsion", thesis 1998, University of Paris. La
  • FIG. 3 shows a comparison of the discharge current of a pure argon plasma measured for a flow of argon between 24 sccm and 30 sccm, with a discharge current of an argon-xenon plasma (Ar + Xe ) measured for a fixed argon flow rate at 24 sccm and a xenon flow rate ranging from 0.5 sccm to 1.5 sccm, ie an argon-xenon mixture with a proportion of xenon ranging from 2% to 5.8%.
  • the measured current is 1.05 Ampere
  • the current is 1.25 A. This represents a 19% increase over a pure argon plasma.
  • the discharge current is 1.18 amperes when it is pure argon and 1.73 amperes.
  • FIG. 3 shows very clearly that the evolution of the Ar + Xe plasma discharge current follows a linear characteristic, in the range of added xenon fluxes, drastically different from that of a pure argon plasma.
  • the discharge flow passes from 1 , 13 A at 1, 49 Ampere, an increase of 0.36 Ampere, that is, a 32% increase over a pure argon plasma.
  • Q being the charge of an electron in absolute value and having the value 1, 6x10-19 Coulomb.
  • Dxe [sccm] is the xenon flow in sccm.
  • the flow of central ions is measured using a delay potential energy analyzer (RPA: Retarding Potential Analyzer, referred to above, realization of the Group of Research on the Energetics of Ionized Media (GREMI, Louis, France), described in document [26]
  • RPA Retarding Potential Analyzer
  • the RPA is placed in the vacuum chamber 73 cm from the plane of the propeller outlet and on the axis of the propellant, as shown schematically in Figure 2.
  • the ion current is collected through a resistance of 500 kOhm and the potential of the filter grid is set at 50V, which allows to collect all the ions, while limiting electromagnetic disturbances on the measurements.
  • FIG. 4 represents a comparison of the ion current measured by the delay potential probe on the axis of the motor, 70 cm from the exit of the ionization channel, for a pure argon plasma having a flow rate of argon between 24 sccm and 30 sccm, with the ion current measured in the same way for an argon-xenon plasma having a fixed argon flow at 24 sccm and a xenon flow ranging from 0.5 sccm to 1 sccm. , 5 sccm (CNTP).
  • this diagram shows that the ion current increases strongly when a xenon flux is added to the argon plasma in accordance with the present invention.
  • the ion current is 36 ua, whereas for the same flow rate comprising 24 sccm of argon and 0.5 sccm of xenon, ie 2% of xenon in volume, relative to the total volume of the mixture Ar + Xe (CNTP), the current is 47 ua, which represents an increase of 30.5% compared to a pure argon plasma.
  • the ion current is 38.5 ua, when it is pure argon, but 71 ua when This is a mixture of 94.2% argon and 5.8% xenon, by volume of Xe, based on the total volume of the Ar + Xe mixture (CNTP).
  • the energy cost paid for the ion beam is defined by the electrical power supplied ie the product Id.Vd where ld and Vd are respectively the current and the voltage supplied by the discharge supply. Since Vd is constant, this cost varies as the discharge current ld.
  • FIG. 5 shows the angular distribution of the pure argon discharge stream with a flow of 24 sccm and the distribution angular discharge current of a mixture of 24 sccm argon and 1 sccm xenon (CNTP).
  • the divergence of the beam is not modified by the addition of xenon to the argon plasma and the increase of the ion current is homogeneous according to the angles of observation. Thus, angular deformation of the ion jet is excluded.
  • the optical emission of the plasma gives information on the nature of the species present.
  • the spectrometer used is a spectrometer AVANTES (trade mark, reference AvaSpec-3648-USB2, company AVANTES Enlightening Spectroscopy) which makes it possible to scan a spectral range ranging from 200 nm to 1100 nm with a resolution of 1 nm .
  • AVANTES trademark, reference AvaSpec-3648-USB2, company AVANTES Enlightening Spectroscopy
  • optical emissions are collected at 3 mm from the output plane on the channel axis and, thanks to a converging lens (LC), are focused on the input of an optical fiber (FO) connected to the spectrometer.
  • LC converging lens
  • Figures 6a and 6b show examples of spectra obtained for discharges of pure xenon, pure argon and mixtures according to the present invention, having 24 sccm of argon and between
  • the intensity of the argon ion (Ar11) lines increases progressively with the increase in the xenon ratio, which means that the amount of argon ions in the discharge increases. when the amount of xenon increases.
  • the inventors have also observed a quasi-constant amplitude of the lines emitted by the argon atoms. This can only be explained by a decrease in the concentration of these atoms, thus confirming the increase of the ionization efficiency in this process, according to the invention.
  • Example 3 Process for setting the invention in use in a space propellant
  • Figure 7 attached shows a device (D) according to the invention, as described in Example 1, also called PPI motor. It is a small Hall effect engine derived from Stationary Plasma Propellant technology, particularly PPS-100.
  • the magnetic field is generated by permanent magnets (1) in place of the coil system conventionally used in the prior art.
  • These magnets form a magnetic circuit (3, MC) consisting of a modular circle of small Samarium Cobalt magnets (SmCo).
  • SmCo Samarium Cobalt magnets
  • a set of coaxial delimiting ceramics (5) type BN: SiO2 (Boron Nitride) delimits the discharge channel (7) of length L 12 mm. These ceramics can electrically isolate the plasma from the metal part of the propellant. The diameters of the ceramics in question are 12 mm for the internal and 21 mm for the external, which gives a channel section of 9.33.10 -4 m 2 .
  • the gas supplied via a gas inlet channel (9) is injected into the channel through a porous ceramic (1 1) which has a dual role, on the one hand reducing the gas inlet pressure, buffer effect, and on the other hand to homogenize the distribution of the latter in the discharge channel (7).
  • the discharge voltage is applied between the anode (13) located at the bottom of the discharge channel (7) and an external hollow cathode (not shown).
  • Curie of magnets (T ° C (SmCo) 750 ° C).
  • thermocouple In this figure are also shown the anode connection (19), the hooked rod (21) of the engine and the thermocouple (23).
  • the cooling system of the device (D) shown in FIG. 7 may be supplemented by means for regulating the temperature of the ionization chamber, for example a controlled means for cooling the ionization chamber. It is in this example an additional cooling system (SAR), for example such as that shown in Figure 8 attached.
  • SAR additional cooling system
  • the principle of this system is to cool the engine by thermal contact with a water flow whose input temperature is controlled by a setpoint.
  • the system is based on a "chiller" (CH), in the present example a Polystat bath 36 in a closed circuit. A set temperature (coolant) is applied and the "chiller" (CH) regulates the bath temperature as a function of the reflux temperature. When regulation is ideal, the temperature of the bath is equal to that of the setpoint.
  • CH "chiller"
  • the thermal contact was assured in two different ways detailed below. They share two properties in common:
  • a 4 mm diameter copper tube has been wound around the motor to effect cooling: two turns around the mechanical part in direct contact with the outer ceramic and the outer ring magnets , a ride on the copper block at the rear of the engine. Most of the heat flow is discharged from the back, the thermal contact at this place is essential. Holding screws come to bear to strengthen the contact. In this case, the thermal contact is distributed by the outer envelope which surrounds the outer ceramic of the channel.
  • C2 the inventors have designed a piece adapted to the PPI, while respecting the different passages already existing on the PPI.
  • the difficulty of such an achievement resides in the precision of the machining of the part but also and especially on the silver solder which must be perfect to eliminate any risk of water leakage in the vacuum box used for the tests.
  • This piece was here a copper annular piece positioned at the rear of the engine, in thermal contact therewith.
  • FIG. 8 shows the principle of this cooling circuit for the embodiment with the annular part, where the system ensures a constant temperature at the inlet. For example, it has been set at 25 ° C.
  • the water inlet and outlet at the engine are connected to those of the "chiller" (CH) through several vacuum-tight connections.
  • Vacuum sealer constituted by a copper annular piece for cooling by thermal contact, the PPI motor (D) shown in FIG. Figure 7, the vacuum box (CV) that was used for the experiment, the copper tubes (TV), the vacuum tight connections (REV), the vacuum-tight passage (PEV), including thermal and electrical insulation , and coolant circulation tubes (PFA).
  • the arrows positioned to the left of the "chiller” (CH) indicate the exit (SO) of water from the "chiller", at constant temperature, and the entry (EN) in the "chiller” or return, with variable temperature, following the use of the PPI.
  • FIG. 9 shows in particular the evolution of the temperature of the device of the present invention shown diagrammatically in FIG. 7, as a function of the operating time following two cooling systems C1 and C2.
  • the ordinate shows the engine temperature (TM) in ° C, and the abscissa the engine operating time (t) in minutes.
  • FIG. 10 The inventors have reported in FIG. 10 the results of measuring the temperature and the discharge current on the cooling system C2.
  • This figure shows in particular the evolution of the engine temperature and the discharge current as a function of the operating time.
  • the ordinate on the left shows the average discharge current (MCD) at A (amperes), the ordinate on the right shows the engine temperature (TM) in ° C, and the abscissa the time (t) of the engine running. minutes.
  • the balance reached was substantially the same for both embodiments.
  • the system using the annular copper part was more reliable during the tests, the thermal contact being guaranteed similar after each intervention on the engine.
  • the inventors have also observed that the engine temperature has been significantly reduced thanks to these additional cooling systems, for example in tests ranging from 300 ° C. to less than 200 ° C. So, for the same operating point, the discharge current stabilizes at 0.80 A against 0.87 A previously measured under the same operating conditions of implementation of the method of the invention.
  • the discharge current is the sum of the ion flux exiting the channel and the flow of electrons entering the channel. As a result, the higher the ratio of this ion flux to the discharge current, the better the electrical efficiency of the motor.
  • Table I of this example 8 below shows the results obtained in this example, the results P3 being those obtained in Examples 1 and 2 above, and P2 in the present example.
  • % AIcoll / Icoll (Ar) - - 42% 32% 71% 63% - Id (Xe + Ar) (A) is the discharge current, measured in amperes, for a discharge voltage of 220 volts, an argon flow of 24 sccm and a xenon flow rate ranging from 0 to 1 sccm.
  • Ab Icoll / Icoll (Ar) is the similar variation for the ion current measured on the axis of the ion jet emitted
  • the optical emission of the plasma gives information on the nature of the species present.
  • the optical emissions of the plasma at 3 mm from the output plane are focused on the input of an optical fiber connected to the AVANTES-3648-USB2 spectrometer.
  • the analysis of the emission of the lines Ar II and Ar I as a function of the flow rate of Xe added shows that the intensity of the lines Ar II increases significantly with the addition of Xe, while that of the lines Ar I remains very stable.
  • ordinate is represented the average ion current (CIM) in arbitrary units (ua), and the abscissa repulsion voltage (V) (TR) in V (Volts).
  • FIG. 12 represents the measured evolution of the discharge current and the ion-collector current on the axis as a function of total flow rate when carrying out the process of the present invention with a mixture Ar + Kr.
  • CD discharge current
  • C1 ion current
  • ua arbitrary units
  • sccm total flow Ar + Kr

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

La présente invention se rapporte à un procédé d'ionisation d'argon, ainsi que, notamment, à un procédé de propulsion et à un procédé de traitement de surface mettant en œuvre le procédé de l'invention. La présente invention se rapporte également à un dispositif de mise en œuvre du procédé de la présente invention. Dans le procédé d'ionisation de l'argon de l'invention, l'argon est ionisé en présence d'un gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, la quantité en volume d'argon étant supérieure à celle du xénon et/ou du krypton exprimées dans les conditions normales de température et de pression. Dans le dispositif de la présente invention, on trouve les éléments suivants: une chambre d'ionisation (P, CH), des moyens d'introduction d'argon (SAr, DE, TA, VA) à l'intérieur de ladite chambre, des moyens (P, anode, CA) de génération d'une décharge continue ou non ionisant l'argon une fois introduit dans ladite chambre, des moyens (P, CE, CI) de génération d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (SXe, DE, TA, VA) d'introduction de xénon et/ou le krypton dans l'argon avant ou après l'introduction de l'argon dans la chambre d'ionisation. La présente invention trouve par exemple des applications dans le domaine de l'aérospatial, en particulier dans le domaine de la propulsion plasma, ainsi que dans de nombreux autres domaines où l'ionisation de l'argon est utilisée, notamment dans le domaine des traitements de surface, par exemple en optique et en électronique.

Description

PROCÉDÉ D'IONISATION D'ARGON
Domaine technique
La présente invention se rapporte à un procédé d'ionisation d'argon, ainsi que, notamment, à un procédé de propulsion et à un procédé de traitement de surface mettant en œuvre le procédé de l'invention. La présente invention se rapporte également à un dispositif de mise en œuvre du procédé de la présente invention.
La présente invention trouve par exemple des applications dans le domaine de l'aérospatial, en particulier dans le domaine de la propulsion plasma, ainsi que dans de nombreux autres domaines où l'ionisation de l'argon est utilisée, notamment dans le domaine des traitements de surface, par exemple dans le domaine de l'optique, de l'électronique, de la mécanique, etc.
Dans la description ci-dessous, les références entre crochets ([ ]) renvoient à la liste des références présentées à la fin du texte.
État de la technique
Les plasmas obtenus par décharge électrique dans différents gaz, chimiquement actifs ou non, généralement à basse pression, c'est à dire inférieure au millième ou millionième de la pression atmosphérique, sont très utilisés dans de nombreux domaines technologiques. On peut citer à titre d'exemple le domaine de la microélectronique, notamment les traitements de modification de surfaces par plasma ayant pour objectif de conférer aux surfaces traitées des propriétés mécaniques, optiques, tribologiques, biologiques, etc., et le domaine de la propulsion spatiale.
Les espèces créées dans ces plasmas, ions ou radicaux réactifs, sont utilisées dans toutes ces applications. Dans la plupart des cas les ions sont impliqués dans les procédés mis en œuvre, avec des accélérations allant de quelques électron-volts à des milliers d'électrons-volts.
L'accélération des ions peut se produire dans une gaine séparant le bord du plasma et une surface solide pour obtenir un traitement de ladite surface. Elle peut aussi conduire à un faisceau d'ions transporté en dehors du plasma pour différentes utilisations, parmi lesquelles on peut citer notamment les traitements de surface et la propulsion spatiale, où la quantité de mouvement emportée dans le vide par ce faisceau se traduit par une force de poussée exercée sur le véhicule spatial.
Les satellites ont besoin de disposer de leur propre système de propulsion pour atteindre leur cible orbitale terrestre ou extraterrestre, pour modifier leur trajectoire ou la conserver en fonction de la mission. De nombreux systèmes de propulsion spatiale ont été développés. Ces systèmes de propulsion utilisaient jusqu'ici essentiellement des moyens de propulsion chimiques, par exemple à ergol liquide, à propergol solide ou hybride. Des systèmes futuristes ont été proposés pour des missions extraterrestres utilisant des moyens de propulsion nucléaires, par exemple nucléaire thermique, thermoélectrique, fragment de fusion, antimatière, etc.
Divers systèmes de propulsion électrique faisant appel à des jets d'ions éjectés dans le vide ont fait l'objet de recherches en laboratoire. Ces propulseurs ioniques ou plasmiques permettent d'économiser la masse embarquée en utilisant la force de poussée de jets d'ions, éjectés à des vitesses beaucoup plus grandes que les jets obtenus dans les propulseurs chimiques. Ils font appel à une décharge ionisant les gaz et à divers systèmes d'accélération des ions créés.
Dans ce cadre, on peut citer les propulseurs ioniques ou électromagnétiques, par exemple à effet Hall, les propulseurs à sources d'ions à grilles, les propulseurs magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable (VASIMR), et les propulseurs magnétoplasmadynamiques.
Depuis la fin des années 70, des propulseurs à effet Hall ont été mis en œuvre pour des satellites, où l'accélération des ions se fait au sein même du plasma où ils sont créés, ainsi que des propulseurs à grilles, ces dernières assurant l'extraction / accélération des ions déjà créés en amont dans un plasma. Bien que d'autres espèces, par exemple le Césium, aient fait l'objet d'études, comme décrit par exemple dans le document C. O. BROWN and E. A. PINSLEY, "Further expérimental investigations of a césium hall-current accelerator", AIAA Journal, Vol. 3, No. 5 (1965), pp. 853- 859, doi: 10.2514/3.3006 [1], c'est l'utilisation du gaz xénon qui s'est imposée dans ces propulseurs. C'est un gaz chimiquement inerte avec une masse atomique élevée (131 uma) et une ionisation relativement facile, facteurs favorables pour l'utiliser en propulsion spatiale. L'émission de lumière bleu-verte émise par ces propulseurs, caractéristique des ions xénon, traduit leur efficacité d'ionisation.
Après une longue phase de démonstrations, ces propulseurs, et notamment les propulseurs à effet Hall, sont en passe de remplacer la technologie des propulseurs chimiques dans l'industrie des satellites, combinant à la fois fiabilité et économie de masse au lancement.
L'utilisation du xénon est actuellement quasi exclusive dans ces propulseurs. Son approvisionnement fait face à une demande croissante qui ne concerne d'ailleurs pas que le spatial, puisqu'on retrouve l'utilisation du xénon dans les lampes, dans l'électronique, etc. Ce gaz est déjà très cher, et les problématiques liées à sa raréfaction et à des difficultés géopolitiques pour son approvisionnement conduisent à envisager d'autres espèces chimiques ou solutions pour la propulsion spatiale.
Alternativement étudié, l'argon est abondant sur terre et avec un prix de revient environ 400 fois plus faible que celui du xénon. Mais c'est un gaz plus difficilement ionisable que le xénon et l'obtention de bons rendements d'ionisation requiert des puissances électriques qui sont beaucoup plus élevées, ce qui pose un problème matériel et d'économie d'énergie à bord des satellites. L'état actuel de la technique ne propose pas de procédé et/ou de dispositif permettant de faciliter l'ionisation de l'argon et, en conséquence, son utilisation n'est pas favorablement envisagée en propulsion spatiale.
Il existe donc un réel besoin de trouver, pour la propulsion, un ergol alternatif au xénon pur ou à l'argon pur, et, en tout cas, de trouver un procédé ou un ergol palliant les limitations et inconvénients rencontrés dans l'état de l'art. De manière générale, l'argon est utilisé ionisé lorsque la contrainte économique est acceptée, notamment en termes de puissance énergétique consommée et de matériel nécessaire pour son ionisation. C'est le cas par exemple dans les technologies de traitement de surface où cet intérêt de l'argon se combine en plus avec celui d'un bon rendement de pulvérisation lorsqu'un ion argon bombarde une surface.
En outre, des économies d'énergie et de matériel sont toujours les bienvenues quel que soit le domaine technologique, y compris dans le traitement de surface où le coût du traitement impacte directement le coût du produit dont la surface a été traitée.
Description de l'invention
La présente invention répond précisément à ces besoins et aux inconvénients et obstacles de l'art antérieur, notamment ceux précités, en fournissant un procédé d'ionisation d'argon, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'argon est ionisé en présence d'un gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, la quantité en volume d'argon étant supérieure à celle du xénon et/ou du krypton exprimées dans les conditions normales de température et de pression.
La présente invention répond également à ces besoins et aux inconvénients et obstacles de l'art antérieur, notamment ceux précités, en fournissant un procédé de génération d'un plasma comprenant la mise en œuvre du procédé d'ionisation de la présente invention.
Les inventeurs à l'origine de la présente ont en effet constaté de manière inattendue que l'ionisation d'argon, notamment dans une décharge magnétisée, par exemple dans un propulseur à effet Hall, se révèle considérablement renforcée par l'ajout de xénon et/ou de krypton. A titre d'illustration, l'addition de 4% en volume de xénon seulement, exprimé dans les conditions normales de température et de pression, conduit à une augmentation de plus de 50% du courant d'ions total et même au-delà, grâce au procédé de la présente invention. De telles augmentations sont beaucoup plus importantes qu'une simple addition de courant due à l'ionisation de la quantité minoritaire de xénon et/ou ou de krypton ajoutée. Pour expliquer cette augmentation du courant, les inventeurs ont réalisé des mesures qui, prises séparément ou en combinaison, démontrent que l'augmentation du courant de décharge et du courant d'ions est due à un renforcement de l'ionisation de l'argon. Cette efficacité du procédé de la présente invention est par ailleurs clairement confirmée par d'autres données expérimentales relatives aux émissions lumineuses des ions argon lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention. Les exemples présentés ci-dessous montrent de nombreux résultats expérimentaux remarquables obtenus par les inventeurs, illustrant l'efficacité du procédé de la présente invention.
L'intérêt économique de la présente invention est très important, l'argon coûtant environ 400 fois moins cher que le xénon. La présente invention permet donc de réduire fortement le coût des procédés d'ionisation de l'art antérieur où le xénon ou l'argon étaient utilisés seuls, par exemple pour la propulsion spatiale ou pour les technologies de traitement de surface.
Les résultats obtenus grâce au procédé de l'invention sont d'autant plus surprenants qu'ils se manifestent avec de très petites quantités de xénon et/ou de krypton, et l'intérêt économique de l'invention réside dans le fait que le xénon peut, grâce à la présente invention, être ajouté à l'argon sans transformation notable du matériel technologique utilisé pour l'ionisation. En quelque sorte, les qualités physiques d'ionisation du xénon sont « transmises » à l'argon grâce au procédé de la présente invention.
La présente invention présente un intérêt économique en ce que l'argon peut être le gaz majoritaire dans des procédés d'ionisation qui nécessitaient par exemple du xénon et/ou du krypton pur. Ainsi, selon l'invention, de préférence et sans s'y limiter, la quantité de xénon et/ou de krypton peut par exemple être inférieure à 20% en volume par rapport au volume total d'argon et du gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, de préférence inférieure à 15%, de préférence inférieure à 10%, de préférence inférieure à 8%, de préférence de 2 à 8%, de préférence de 2 à 6%, par exemple de 4%, la quantité étant exprimée en % en volume, par rapport au volume total d'argon et du gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, dans les conditions normales de température et de pression.
Selon le procédé de l'invention, on peut ajouter le gaz choisi parmi le xénon et/ou krypton à l'argon avant et/ou pendant l'ionisation de l'argon. En effet, les expérimentations montrent que les effets se produisent dès lors que le xénon et /ou le krypton sont présents dans l'argon au moment de son ionisation. Ainsi, selon l'invention, le xénon et/ou le krypton peut (peuvent) donc être ajouté(s) à l'argon avant son ionisation ou alors l'argon peut d'abord être ionisé, puis on ajoute le xénon et / ou le krypton dans l'argon ionisé.
Selon l'invention, l'ionisation d'argon et la génération d'un plasma d'argon peuvent être réalisées par tout moyen connu de l'homme du métier pour ioniser l'argon, notamment en présence d'un champ magnétique. Selon l'invention, l'ionisation peut notamment être réalisée par une décharge électrique dans l'argon et/ou dans le mélange argon et xénon et/ou krypton. Ainsi, selon l'invention, l'ionisation peut être réalisée en présence d'un champ magnétique et d'une décharge électrique, le champ magnétique et la décharge électrique étant utilisés pour l'ionisation et, le cas échéant, pour l'accélération les ions formés.
Selon l'invention, l'ionisation de l'argon peut en particulier être réalisée au moyen d'une source d'ions. Par « source d'ions », on entend notamment tout dispositif connu de l'homme du métier comprenant les éléments permettant d'ioniser un gaz, en particulier de l'argon, et, le cas échéant, d'utiliser le gaz ionisé, par exemple pour de la propulsion ou pour un traitement de surface. Comme exposé ci-dessous, la source d'ions est de préférence choisie en fonction de l'utilisation voulue du gaz ionisé. Quel que soit la mise en œuvre du procédé de l'invention, lorsque l'ionisation de l'argon selon l'invention est réalisée au sein d'une source d'ions, ladite source d'ions peut être par exemple une source de propulseur à effet Hall, une source magnétron ou une source End-Hall, appelée aussi source Kaufmann. A titre d'exemple, selon l'invention, la source d'ions peut comprendre, de manière générale, une chambre d'ionisation ; des moyens d'introduction de l'argon à l'intérieur de ladite chambre d'ionisation ; des moyens d'introduction de xénon et/ou de krypton dans ladite chambre ; une anode ; des moyens de génération d'une décharge ionisant l'argon une fois introduit dans ladite chambre ; des moyens de génération d'un champ magnétique, et une cathode. Des exemples particuliers de sources d'ions utilisables, y compris des différents éléments qui peuvent les composer, sont présentés dans les références bibliographiques citées ci-dessous dans des exemples d'applications industrielles de la présente invention.
Selon l'invention, lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention, le champ magnétique peut être essentiellement radial entraînant l'établissement d'un champ électrique essentiellement axial et une accélération axiale des ions formés. L'accélération axiale des ions formés permet en particulier de mettre en œuvre la présente invention dans des procédés de propulsion, par exemple de propulsion spatiale, par exemple comme décrit dans les documents D.Goebel, I.Katz « fundamentals of electric propulsion and Hall thrusters », Wiley book, 2008 [2], A.Leufroy, T.Gibert, A.Bouchoule, « Characteristic of a permanent magnet low power thruster », 21 eme IEPC, Ann. Arbor Michigan, sept 2009 [3], et WO2009016264, M.Guyot, « Hall effect ion éjection device » [4], ou dans des procédés de traitement de surface, par exemple comme décrit dans les documents H.R.Kaufman, R.S.Robinson, R.I.Seddan, « End hall ion source », J.Vac.sci.technology, A5(4), july/august 198 [5], WO200201 1 195, « Method for depositing a fluorine-doped silica film », Essilor [6] et WO1999058737, Kaufman et Robinson, « Apparatus for sputter déposition » [7].
Ainsi, la présente invention se rapporte également à un procédé de propulsion comprenant la mise en œuvre du procédé d'ionisation de l'invention. Dans ce cadre, lorsque l'ionisation de l'argon est réalisée au sein d'une source d'ions, ladite source d'ions peut par exemple être un propulseur spatial à effet Hall, par exemple tel que ceux décrits dans les documents [2], [3] et [4]. Dans ce cadre, la cathode peut être située à l'extérieur de la source d'ions.
La présente invention peut s'inscrire plus largement par exemple dans la mise en œuvre de propulsions ioniques ou électromagnétiques, de propulseurs électrodynamiques, par exemple à effet Hall, de propulsion magnéto-plasmique à impulsion spécifique variable (VASIMR), et de propulsions magnétoplasmadynamique utilisant la force de Lorentz (« LFA » pour « Lorentz Force Accelerator »), par exemple un propulseur magnétoplasmadynamique, par exemple celui décrit par la NASA dans le document Magnetoplasmadynamic Thrusters sur le site internet http://www.nasa.qov/centers/qlenn/about/fs22qrc.html, qu'il s'agisse d'un propulseur à champ induit, d'un propulseur dynamique magnétoplasmatique à champ propre (« MPD » ou « SF-MPDT » pour « Self-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster »), ou d'un propulseur dynamique magnétoplasmatique à champ appliqué (« AF-MPDT » pour « Applied-Field MagnetoPlasmaDynamic Thruster »).
A titre d'exemple, on peut citer un propulseur magnétoplasmadynamique, tel que décrit dans le document F. Paganucci et al., « Performance of an Applied Field MPD Thruster », Presented as Paper IEPC-01 -132 at the 27th International Electric Propulsion Conférence, Pasadena, CA, 15-19 October, 2001 , Published by the Electric Propulsion Society [8]. Dans ce dispositif, le propulseur se compose d'une tuyère divergente munie d'électrodes : la cathode au centre de la tuyère et suivant l'axe de la tuyère, et l'anode, circulaire, est placée sur le pourtour de la tuyère. En mode de fonctionnement, si l'on met en œuvre le procédé de la présente invention, l'argon majoritaire comprenant du xénon et/ou du krypton est injecté à la base de la tige centrale et un arc électrique de plusieurs milliers d'ampères est émis axialement depuis la cathode. L'argon est ionisé, en présence du xénon et/ou du krypton, pour former un plasma. Le courant électrique axial induit autour de lui un champ magnétique radial puissant, avec une maximale au niveau de l'axe, là où la densité de courant est la plus forte. Le courant électrique évolue alors radialement vers l'anode en sortie de la tuyère où il interagit avec le champ magnétique, en produisant une force propulsive, dite de Lorentz, dirigées suivant l'axe de la tuyère. Le plasma d'argon généré selon le procédé de l'invention est alors accéléré électromagnétiquement à travers la sortie de la tuyère, en produisant une poussée qui permet la propulsion, notamment d'un véhicule spatial.
La présente invention se rapporte également à un procédé de traitement de surface comprenant la mise en œuvre du procédé d'ionisation de l'invention. Au sens de la présente invention, on entend par « traitement de surface » tout traitement consistant à modifier chimiquement et/ou physiquement une surface et/ou à déposer une couche d'un matériau sur une surface, par exemple comme décrit et documenté ci-dessous.
Ainsi, le procédé de traitement de surface de la présente invention peut être par exemple un procédé de dépôt de couches minces, un procédé de revêtement de surface, un traitement de surface haute performance, un procédé de nettoyage d'une surface, un procédé d'activation d'une surface, un procédé de gravure d'une surface, etc. connu de l'homme du métier, utilisant du xénon ionisé seul ou de l'argon ionisé seul, mais dans lequel, selon l'invention, on remplace avantageusement lorsqu'il s'agit de xénon seul, le xénon par de l'argon dans lequel on ajoute, avant et/ou pendant l'ionisation de l'argon, du xénon et/ou du krypton ; ou dans lequel, lorsqu'il s'agit d'argon seul, on rajoute avantageusement, selon l'invention, avant et/ou pendant l'ionisation de l'argon, du xénon et /ou du krypton.
La présente invention s'adresse donc à tout procédé industriel mettant en œuvre un plasma d'argon suivant lequel on ajoute avantageusement, selon l'invention, du xénon et/ou du krypton ; ou un plasma de xénon en remplaçant avantageusement ce dernier par de l'argon dans un procédé selon la présente invention.
On peut citer à titre d'exemples de procédés dans lesquels la présente invention peut être appliquée : Les procédés de dépôt en phase chimique assisté par plasma (PACVD pour « plasma assisted chemical vapor déposition » ou PECVD pour « plasma-Enhanced Chemical Vapor Déposition »), comme ceux décrits par exemple dans le document G.A. Battiston et al., « PECVD of amorphous ΤΊΟ2 thin films : effect of growth température and plasma gaz composiiton », Elsevier, Thin Solid Films 371 (2000) 126-131 [9].
Les procédés de dépôt en phase physique assisté par plasma (PAPVD pour « plasma assisted physical vapor déposition »), comme celui décrit par exemple dans le document John A. Thornton et al., « Plasma-assisted déposition processes : theory, mechanisms and applications », Elsevier Séquoia, Thin Solid Films, General Film Behaviour, 107(1983) 3-19 [10].
On peut citer à titre d'exemple de procédé industriels dans lequelnte invention peut s'appliquer :
Dans le domaine métallurgique ou mécanique : dépôt de films protecteurs, isolation, réduction du frottement, protection contre l'usure, solutions pour l'usinage de précision, traitement anticorrosion, métallisation sur isolant, coloration de surface, nettoyage fin avant peinture industrielle, fonctionnalisation pour améliorer la durée de vie des peintures, métallisation de plastiques, métallisation de caoutchoucs, étanchéité des surfaces, tenue aux température, etc.. On peut citer à titre d'exemple les procédés décrits dans le document Dirk Hegemann et al. « Plasma treatment of polymers for surface and adhésion improvement », Elsevier, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 208 (2003) 281-286 [11].
Dans le domaine de l'optique : traitement des verres, traitements antireflets, traitements anti-rayure / anti-usure, traitements de métallisation, fabrication des vitres auto-nettoyantes, fabrication des verres noircissant au soleil, etc.. On peut citer à titre d'exemple les procédés décrits dans les documents M. Charbonnieret al., « Tin- free electroless metallization of glass substrates using différent PACVD surface treatment processes », Eslevier, Surface and Coatings Technology 162 (2002) 19-30 [12] ; et Changquan Wang et al., « Préparation of hydrophobic coating on glass surface by dielectric barrier discharge using a 16 kHz power supply", Elsevier, Applied Surface Science 252 (2006) 8348-8351 286 [13].
Dans le domaine de l'énergie solaire : dépôt de couches minces pour la fabrication de cellules solaires, élaboration des miroirs solaires, protection contre les environnements agressifs, etc. On peut citer à titre d'exemple les procédés décrits dans le document Jan Schmidt, « Surface passivation of silicon solar cells using plasma-enhanced chemical-vapour-deposited SiN films and thin thermal SiO2/plasma SiN stacks », Institute of Physics Publishing, Semiconductor Science and Technology, Semicond. Sci. Techn. 16 (2001 ) 164-170, www.iop.org/iournal/ss PII:S0268-1242(01 )17198- 1 [14].
Dans le domaine du textile : imperméabilisation, traitement contre la chaleur, nettoyage, etc.. On peut citer à titre d'exemple les procédés décrits dans le document R. Morent et al., « Non-thermal plasma treatment of textiles », Elsevier, Surface & Coatings Technology 202 (2008) 3427-3449 [15].
Dans le domaine agro-alimentaire, notamment pour les emballages alimentaires : dépôt de couches anti-bactériennes, protection contre l'oxydation, accroissement des dates limites de consommation (DLC), etc.. On peut citer à titre d'exemple les procédés décrits dans le document Michael Deilmann et al., « Permeation mechanisms of pulsed microwave plasma deposited silicon oxide films for food packaging applications », Journal of Physics D : Applied Physics, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 135207 (7pp) [16].
Selon l'invention, dans le traitement de surface, lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention, le champ magnétique peut être préférentiellement axial et la décharge peut être alimentée par une source électrique continue, à l'exemple de la source d'ions utilisée en traitement de surfaces et/ou dépôt de couches de minces, connue de l'homme de l'art sous le nom de source END-HALL, par exemple comme décrit dans les documents [5], [6], [7], WO2000005742 [17], et WO2005024086 [18]. Dans ce cadre, la cathode peut être située à l'intérieur de la source d'ions. Par exemple, selon l'invention, le champ magnétique peut être par exemple parallèle à la surface à traiter et la décharge peut être une décharge continue ou non. Selon l'invention, l'ionisation de l'argon est par exemple obtenue dans une chambre d'ionisation magnétisée, et les ions argon sont accélérés vers ladite surface à traiter, placée dans ladite chambre ou à l'extérieur de celle-ci. Ladite surface est alors appelée cathode magnétron, et ladite décharge appelée décharge magnétron à l'exemple des dispositifs, appelés sources magnétrons, utilisables pour le dépôt des couches minces selon l'invention, décrits par exemple dans les documents [19], [20] et [21].
Ainsi, selon l'invention, l'ionisation de l'argon peut être réalisée au moyen d'une source d'ions qui peut être par exemple une source magnétron ou une source End-Hall.
Le renforcement de l'ionisation de l'argon et/ou des propriétés physiques du jet d'argon ionisé selon l'invention permet ainsi d'améliorer les procédés existants dans l'industrie, en les rendant plus économiques et performants, sans modification majeure des installations existantes. En effet, grâce à la présente invention, un réservoir de xénon, un conduit et une vanne permettant d'injecter du xénon et/ou du krypton dans l'argon avant ou pendant son ionisation, éventuellement un dispositif de contrôle et de régulation de l'injection du xénon et/ou du krypton dans l'argon, suffisent à améliorer remarquablement l'efficacité d'ionisation de l'argon. Egalement, un mélange d'argon et de « xénon et/ou de krypton » où l'argon est majoritaire selon l'invention peut être stoké dans un réservoir unique alimentant le procédé de la présente invention lors de sa mise en œuvre, par exemple dans une source d'ions, et conduit au résultat d'amélioration remarquable de l'ionisation obtenue, sans modification d'un dispositif préexistant et/ou, potentiellement, sans dispositif auxiliaire. Ainsi, la présente invention se rapporte également à un dispositif d'ionisation d'argon comprenant :
une chambre d'ionisation,
des moyens d'introduction d'argon à l'intérieur de ladite chambre, - des moyens de génération d'une décharge continue ou non ionisant l'argon une fois introduit dans ladite chambre, des moyens de génération d'un champ magnétique, ledit dispositif comprenant en outre un moyen d'introduction de xénon et/ou le krypton dans l'argon avant ou après l'introduction de l'argon dans la chambre d'ionisation.
Selon l'invention, le dispositif peut comprendre en outre des moyens de génération d'un champ magnétique dans ladite chambre. Il peut s'agir par exemple de l'un des moyens décrits dans les documents [2] à [21], et Fatou Diop, « Sources de particules neutres monocinétiques : diagnostics spécifiques et étude physique d'une source de Hall en plasma d'argon ou en mixture xénon-argon », thèse soutenue le 22 juillet 2015, Université d'Orléans [22].
Selon l'invention, les moyens de génération d'une décharge peuvent être par exemple des moyens tels que ceux décrits dans les documents [2] à [22]. La décharge peut être continue ou alternative.
Selon l'invention, le dispositif peut comprendre en outre une enceinte à vide, la chambre d'ionisation étant placée dans ladite enceinte, l'enceinte étant dotée d'un système de pompage permettant d'atteindre la pression souhaitée dans l'enceinte, et donc dans la chambre d'ionisation.
Egalement, la présente invention se rapporte à l'utilisation d'un dispositif d'ionisation d'argon, tel que défini dans la présente, pour la mise en œuvre du procédé d'ionisation selon l'invention, utilisation dans laquelle le xénon et/ou le krypton sont introduit(s) dans l'argon avant et/ou pendant l'ionisation de l'argon dans la chambre d'ionisation.
Selon l'invention, la chambre d'ionisation utilisable pour la mise en œuvre de la présente invention peut être choisie parmi celles connues de l'homme du métier, le choix étant réalisé en fonction de l'application à laquelle est destinée l'ionisation de l'argon. Par exemple, pour la propulsion spatiale, on peut utiliser une chambre d'ionisation telle que décrite dans le document Alain Leufroy, « Micropropulsion et diagnostics pour la propulsion spatiale », thèse soutenue le 15/02/2010, Université d'Orléans [23]. Par exemple, pour du traitement de surface, on peut utiliser une chambre d'ionisation telle que décrite dans les documents [5] et [19].
Selon l'invention, les moyens d'introduction d'argon à l'intérieur de ladite chambre peuvent comprendre par exemple un réservoir d'argon, ainsi qu'un conduit reliant ledit réservoir à la chambre d'ionisation. De préférence, le conduit est muni d'une vanne, le cas échéant automatique, et d'un moyen de contrôle et/ou de commande permettant d'injecter l'argon dans la chambre d'ionisation. Ces moyens sont à titre d'exemple ceux décrit dans les documents précités, notamment dans le document [6].
Selon l'invention, les moyens de génération d'une décharge continue ou alternative ionisant l'argon une fois introduit dans la chambre d'ions peuvent être par exemple ceux décrits dans les documents cités [2] à [22].
Selon l'invention, les moyens de génération d'un champ magnétique peuvent être par exemple ceux précités dans les documents cités [2] à [22].
Les moyens d'introduction de xénon et/ou de krypton dans l'argon avant ou après l'introduction de l'argon dans la chambre d'ionisation peuvent être tout moyen connu de l'homme du métier pour l'introduction d'un gaz dans un conduit menant à une chambre d'ionisation et/ou dans une chambre d'ionisation. Ces moyens peuvent comprendre par exemple un réservoir de xénon et/ou de krypton, ainsi qu'un conduit reliant ledit réservoir à la chambre d'ionisation de manière à injecter le xénon et/ou le krypton dans la chambre d'ionisation où l'argon est injecté pour son ionisation ou à un conduit d'injection d'argon dans la chambre d'ionisation, de manière à injecter le xénon et/ou le krypton dans l'argon avant que ce dernier ne soit introduit dans la chambre d'ionisation. De préférence, le conduit est muni d'une vanne, le cas échéant automatique, et de moyen de contrôle et de commande permettant d'injecter le xénon et/ou le krypton directement dans la chambre d'ionisation ou dans le conduit d'injection de l'argon dans la chambre d'ionisation. Ces moyens sont à titre d'exemple ceux d'injection de gaz décrit dans les documents précités.
Selon l'invention, le dispositif peut également comprendre un réservoir unique dans lequel le mélange d'argon à ioniser et de xénon et/ou de krypton a été introduit, de manière à n'avoir qu'un conduit d'injection de gaz dans la chambre d'ionisation pour la mise en œuvre du procédé de la présente invention.
Selon l'invention, le dispositif peut également comprendre un moyen de transfert thermique assurant un refroidissement de la chambre d'ionisation, par exemple un moyen contrôlé de refroidissement de la chambre d'ionisation. Il peut s'agir à titre d'exemple d'un système de refroidissement, par exemple tel que celui représenté sur la figure 8 annexée et dans l'exemple correspondant ci-dessous. Ce moyen permet avantageusement de refroidir le moteur par contact thermique, par exemple au moyen d'une circulation d'eau dont la température d'entrée est asservie à une consigne.
Selon l'invention, pour la mise en œuvre du procédé / dispositif de la présente invention, on peut, à titre d'exemple, introduire dans un premier temps, dans une chambre d'ionisation, un flux d'argon, on met en œuvre lesdits moyens pour générer une décharge ionisant l'argon et obtenir ainsi un plasma d'argon dans ladite chambre d'ionisation, puis on introduit à l'intérieur la chambre d'ionisation du xénon et/ou du krypton, dans une proportion conforme à la présente invention. Dans ce cas, le procédé de l'invention consiste dans un premier temps à générer un plasma d'argon dans une source d'ions, puis dans un deuxième temps à injecter un flux de xénon et/ou de krypton dans ladite source d'ions.
Selon l'invention, on peut également, à titre d'exemple, introduire ensemble le mélange d'argon et de xénon et/ou de krypton dans la source d'ion et mettre en œuvre l'ionisation, le mélange d'argon et de xénon et/ou krypton étant préparé d'avance ou juste avant son introduction dans la source d'ion.
D'autres avantages pourront encore apparaître à l'homme du métier à la lecture des exemples présentés ci-dessous, illustrés par les figures annexées, donnés à titre illustratif.
Brève description des figures
La figure 1 représente schématiquement une vue en coupe d'un exemple de propulseur à effet Hall dans lequel le procédé de la présente invention peut être mis en œuvre.
La figure 2 représente schématiquement un dispositif comprenant une enceinte à vide au sein de laquelle le dispositif schématisé sur la figure 1 peut être placé pour une mise en œuvre sous vide ou vide partiel. La figure 3 représente un diagramme comparatif montrant l'évolution de la densité de courant de décharge (exprimé en Ampères) en fonction du débit total de gaz pour de l'argon pur selon l'art antérieur, et pour un débit constant d'argon en rajoutant du xénon selon l'invention, les débits étant exprimés en centimètre cube par minute dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP) (Unité : « cm3.min"1 » ou « sccm », CNTP : 273°K, 101325 Pa).
La figure 4 représente un diagramme comparatif montrant l'évolution la densité du courant d'ions (exprimée en unité arbitraire) sur l'axe du moteur de l'exemple 1 , en fonction du débit total de gaz pour de l'argon pur selon l'art antérieur, et pour un débit constant d'argon en rajoutant du xénon selon l'invention. Les débits sont exprimés en centimètre cube par minute dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP) (Unité : « cm3.min"1 » ou « sccm », CNTP : 273°K, 101325 Pa).
La figure 5 représente un diagramme comparatif montrant l'évolution de la densité du courant d'ions (Intensité u.a.) en fonction de l'angle
(Angle (°), par rapport à l'axe du moteur) dans le cas de l'argon pur selon l'art antérieur, et dans le cas d'un mélange argon-xénon selon l'invention.
Les figures 6a et 6b représentent deux diagrammes représentant évolution de l'intensité des raies émises par les ions argon pour un plasma d'argon pur selon l'art antérieur (Ar pur) ; pour un plasma de xénon pur selon l'art antérieur (Xe pur) ; et pour différentes quantités de xénon ajoutées àau plasma d'argon selon la présente invention (Ar + 0,5 sccm Xe ; Ar + 1 sccm Xe ; Ar + 1 ,5 sccm Xe ; et Ar + 2 sccm Xe, avec 1 sccm de Xe = 4,2% de Xe en volume par rapport au volume total argon + xénon, exprimé dans les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP)).
La figure 7 représente un schéma détaillé d'un exemple de dispositif permettant la mise en œuvre du procédé de la présente invention. La figure 8 représente un schéma d'un circuit de refroidissement utilisé lors des expérimentations avec le dispositif représenté sur la figure 7. La figure 9 représente l'évolution de la température du dispositif de la présente invention schématisé sur la figure 7, en fonction du temps de fonctionnement suivant deux systèmes de refroidissement (C1 et C2) présenté dans les exemples ci-dessous. En ordonnée est représentée la température du moteur (TM) en °C, et en abscisse le temps (t) de fonctionnement du moteur en minutes.
La figure 10 représente l'évolution de la température du moteur et du courant de décharge en fonction du temps de fonctionnement. En ordonnée à gauche est représenté le courant de décharge moyen (CDM) en A (Ampères), en ordonnée à droite est représenté la température du moteur (TM) en °C, et en abscisse le temps (t) de fonctionnement du moteur en minutes.
La figure 1 1 représente l'évolution du courant d'ions collecteur sur l'axe en fonction du potentiel de répulsion du RPA (VRPA) pour différentes conditions de décharge et une tension de décharge Ud = 220 V lors de la mise en œuvre du procédé de la présente invention. En ordonnée est représenté le courant d'ions collecteur moyen (CIM) en unité arbitraires (u.a.), et en abscisse la tension de répulsion (V) (TR) en V (Volts).
La figure 12 représente l'évolution du courant de décharge et du courant collecteur d'ions sur l'axe du jet en fonction du débit total lors de la mise en œuvre du procédé de la présente invention avec un mélange Ar + Kr. En ordonnée à gauche est représenté le courant de décharge (CD) en ampères (A), à droite le courant d'ions (Cl) en unités arbitraires (u.a.) et en abscisse le débit total Ar+Kr (sccm).
EXEMPLES
Exemple 1 : Exemple de dispositif pour la mise en œuyre de la présente invention
Dans cet exemple, nous présentons un exemple de dispositif dans lequel l'ionisation de l'argon selon le procédé de l'invention a été mis en oeuvre. Le dispositif est une source d'ions, qui est le propulseur plasmatique à effet Hall décrit dans le document FR 2 842 261 , « Propulseur plasmique a effet hall », Centre National d'Etudes Spatiales (CNES) [24].
Ce dispositif est schématisé sur les figures 1 et 2 annexées. Sur ces figures, le propulseur (P) comprend un canal annulaire délimité par une céramique externe (CE) et une céramique interne (Cl) formant une chambre d'ionisation (CH) et d'accélération, dans laquelle sont introduits les gaz ionisables. Ce canal annulaire est ouvert (O) à son extrémité. Le propulseur comprend une anode (anode), et une cathode (CA) (source d'électrons) placée à l'extérieur de la sortie (O) du canal ; et un circuit magnétique (CM) pour créer un champ magnétique dans une partie du canal annulaire. Le circuit magnétique est disposé de manière à ce que le champ magnétique maximum généré dans le canal soit essentiellement radial.
Le propulseur est placé dans une enceinte (E) sous vide comme schématisé sur la figure 2 annexée. Cette enceinte (E) est reliée à un système de pompage (PO). Le propulseur est relié à une source d'alimentation en argon (SAI-) et une source d'alimentation en xénon (Sxe), par un système de tubes d'alimentation (TA). Ce système de tubes comporte une vanne (VA) permettant de manière sélective de permettre l'introduction de l'argon, du xénon ou les deux, dans le propulseur (P), plus précisément dans la chambre d'ionisation (CH). Le débit de chaque gaz peut être réglé manuellement directement au niveau de la source d'alimentation au moyen des vannes (VA).
Des débitmètres (DE) sont disposés sur chaque vanne (VA). Pour le contrôle du bon fonctionnement des débitmètres, la pression dans l'enceinte est mesurée à l'aide d'une jauge (JA) (ACTIVE GAUGE, marque de commerce, de chez EDWARDS HIGH VACUUM).
Mise en route de la cathode
La cathode (CA) utilisée dans le cadre de l'expérience est une cathode « MIREA », comme décrite dans le document Luc Albarède, « Etudes expérimentales d'un propulseur à effet hall : comportement stationnaire et dynamique du flux d'électrons », thèse 2004, Université d'Orléans [25]. Elle est mise en route dans les mêmes conditions que pour un plasma de xénon à savoir :
un débit de xénon de 0,2 sccm (CNTP) est introduit dans ladite cathode ; et
le courant de chauffage de la cathode est augmenté progressivement jusqu'à 12 Ampère.
Allumage du plasma d'argon
De l'argon est introduit dans un premier temps dans le propulseur (P) avec un débit, par exemple 24 sccm. Ensuite, l'alimentation de la tension de décharge du propulseur est portée à une valeur de 220 V.
Le dispositif d'amorçage de la décharge, appelé encore « keeper » ou « extracteur d'électron de la cathode », est porté transitoirement à une tension de 220 V. Une décharge créant un plasma est alors initiée avec de l'argon pur. La pression résiduelle mesurée est, par exemple de 2x10"2 Pa pour un flux d'argon de 24 sccm, c'est à dire un volume de 24 cm3/ minute, exprimé dans les CNTP.
Ajout de xénon
Une fois le plasma d'argon généré, le débit de l'argon est maintenu fixe, par exemple à 24 sccm, et un flux de xénon conforme à la présente invention est ajouté. Dans ces expérimentation, on ajoute un flux de xénon conforme à la présente invention, entraînant une proportion de xénon inférieure à 50 % en volume, exprimé dans les CNTP, du mélange Ar-Xe. Différentes expérimentations sont réalisées, avec différents pourcentages en xénon : 20%, 15 %, 10%, 7%, 5%, 2% par rapport au volume total du mélange argon + xénon, exprimé dans les CNTP.
Par exemple, dans l'une des expérimentations réalisées, le débit d'argon étant maintenu à 24 sccm, le débit de xénon a été testé à différentes valeurs, dont des valeurs allant de 0,5 sccm à 2 sccm les Conditions Normales de Température et de Pression (CNTP), ce qui correspond respectivement à des mélanges Ar(98%)+Xe(2%) à Ar(93%)+Xe(7%), les pourcentages étant des pourcentages volumiques par rapport au volume total du mélange argon + xénon, exprimés dans les CNTP.
Résultat de l'ajout du flux de xénon
Suite à l'ajout du flux de xénon, la pression résiduelle est mesurée pour comparaison. Il s'avère que la pression n'est pas significativement modifiée par l'ajout des flux de xénon testé, lorsqu'ils se situent aux pourcentages précités. A titre d'exemple, l'ajout de 1 sccm de xénon, soit une proportion de 4% en volume (CNTP) par rapport au volume total d'argon et de xénon, fait passer la pression de 2x10"4 Pa à 2,1 x10"4 Pa. Cette variation n'étant pas significative, aucun effet lié à la pression n'a été considéré pertinent.
Les performances du plasma formé sont déduites des mesures du courant total moyen de décharge donné par l'ampèremètre de l'alimentation de décharge (référence SM 400-AR-8 de chez DELTA ELEKTRONIKA), de la mesure du courant d'ions obtenue par une sonde à potentiel retardateur décrite dans le document Christelle Philippe, « Caractérisations spatio-temporelles de jets ioniques : développement des diagnostics et application à la propulsion », thèse 1998, Université d'Orléans
[26], et une analyse spectroscopique du jet d'ions en sortie de canal dont émission de lumière éclaire l'entrée d'une fibre optique qui la guide à l'entrée d'un spectromètre (référence AvaSpec-3648-USB2, de chez AVANTES Enlightening Spectroscopy). Le montage optique est similaire à celui qui est décrit p130 dans le document [22].
Exemple 2 : Expérimentations comparatives d'ionisation selon l'art antérieur et selon l'invention
Mesure du courant de décharge
La figure 3 représente une comparaison du courant de décharge d'un plasma d'argon pur mesuré pour un débit d'argon entre 24 sccm et 30 sccm, avec un courant de décharge d'un plasma d'argon-xénon (Ar+Xe) mesuré pour un débit d'argon fixe à 24 sccm et un débit de xénon allant de 0,5 sccm à 1 ,5 sccm, soit un mélange argon-xénon avec des proportion de xénon allant de 2 % à 5,8 %.
Ce diagramme montre clairement que le courant de décharge augmente fortement lorsque le flux de xénon est ajouté au plasma d'argon.
A titre d'exemple, pour un débit total de 24,5 sccm d'argon, le courant mesuré est de 1 ,05 Ampère, alors que pour le même débit comprenant 24 sccm d'argon et 0,5 sccm de xénon, soit 2% en volume de xénon, par rapport au volume total argon + xénon, le courant est de 1 ,25 A. Ceci représente une augmentation de 19% par rapport à un plasma d'argon pur.
De la même manière, pour un débit total de 25,5 sccm le courant de décharge est de 1 ,18 Ampère, lorsqu'il s'agit d'argon pur, et de 1 ,73
Ampère lorsqu'il s'agit d'un mélange à 94.2% d'argon et 5.8% de xénon, les pourcentages étant exprimés en volume par rapport au volume total d'argon et de xénon, exprimé dans les CNTP. L'ajout de 5,8% en volume de xénon au plasma d'argon représente donc une augmentation de 46,6% du courant de décharge.
La figure 3 annexée montre très clairement que l'évolution du courant de décharge du plasma Ar+Xe suit une caractéristique linéaire, dans la plage des flux de xénon ajoutés, drastiquement différente de celle d'un plasma d'argon pur.
Les inventeurs ont considéré que cette augmentation du courant moyen de décharge peut avoir plusieurs origines :
une ionisation simple du xénon injecté,
un renforcement de l'ionisation de l'argon et/ou un surplus de courant d'électrons résultant d'une dérive plus importante des électrons vers l'anode (transport anormal des électrons), ou d'une présence renforcée des ions multichargés.
En prenant par exemple un débit de Xe de 24 sccm d'argon et de 1 sccm de xénon, soit 4% en volume de Xe, par rapport au volume total du mélange Ar+Xe (CNTP), le courant de décharge passe de 1 ,13 A à 1 ,49 Ampère, soit une augmentation de 0,36 Ampère, c'est-à-dire une augmentation de 32% par rapport à un plasma d'argon pur.
Or, si tout le flux de xénon injecté est ionisé, le surplus du courant, ou courant induit (lxe) par le xénon, serait de seulement 0,071 Ampère :
IXe = q * <PXe
Avec ΦΧβ (ot/s) = DXe [sccm] ^ .6·022 23 = DXe [sccm] * 4,47. 10 lyp = 0.071Λ
« q » étant la charge d'un électron en valeur absolue et ayant pour valeur 1 ,6x10-19 Coulomb.
Dxe[sccm] est le débit de xénon en sccm. Ainsi, l'augmentation du courant observée expérimentalement étant 5,15 fois plus élevée que la valeur calculée, cette augmentation ne peut s'expliquer par la seule ionisation du xénon ajouté. Mesure du courant d'ions
Le flux d'ions central, c'est-à-dire sur l'axe, est mesuré à l'aide d'un analyseur d'énergie à potentiel retardateur (RPA : Retarding Potential Analyzer, dénommé ci-dessus, réalisation du Groupe de Recherche sur l'Energétique des Milieux Ionisés (GREMI, Orléans, France), décrit dans le document [26]. Le RPA est placé dans l'enceinte sous vide à 73 cm du plan de sortie du propulseur et sur l'axe du propulseur, comme représenté schématiquement sur la figure 2 annexée. Le courant d'ions est collecté à travers une résistance de 500 kOhm et le potentiel de la grille de filtrage est fixé à 50V, ce qui permet de collecter tous les ions, tout en limitant les perturbations électromagnétiques sur les mesures.
La figure 4 annexée représente une comparaison du courant d'ions mesuré par la sonde à potentiel retardateur sur l'axe du moteur, à 70 cm de la sortie du canal d'ionisation, pour un plasma d'argon pur ayant un débit d'argon entre 24 sccm et 30 sccm, avec le courant d'ions mesuré de la même manière pour un plasma d'argon-xénon ayant un débit d'argon fixe à 24 sccm et un débit de xénon allant de 0,5 sccm à 1 ,5 sccm (CNTP).
De la même manière que pour la figure 3, ce diagramme montre que le courant d'ions augmente fortement lorsqu'un flux de xénon est ajouté au plasma d'argon conformément à la présente invention.
Par exemple, pour un débit total 24,5 sccm d'argon le courant d'ions est de 36 u.a, alors que pour le même débit comprenant 24 sccm d'argon et 0,5 sccm de xénon, soit 2% de xénon en volume, par rapport au volume total du mélange Ar+Xe (CNTP), le courant est de 47 u.a, ce qui représente une augmentation de 30,5% par rapport à un plasma d'argon pur.
De la même manière, pour un débit total de 25,5 sccm le courant d'ions est de 38.5 u.a, lorsqu'il s'agit d'argon pur, mais de 71 u.a lorsqu'il s'agit d'un mélange à 94,2% d'argon et 5,8% de xénon, en volume de Xe, par rapport au volume total du mélange Ar+Xe (CNTP). L'ajout de 5,8% de xénon au plasma d'argon, en volume de Xe par rapport au volume total du mélange Ar+Xe (CNTP), représente donc une augmentation de 84% du courant d'ions.
En comparant la figure 3 avec la figure 4 annexées, on observe que l'augmentation est plus considérable pour le courant d'ions que pour le courant de décharge.
En effet, si l'on reprend l'exemple d'un débit de 24 sccm d'argon et de 1 sccm de xénon (4% en volume (CNTP) de Xe), le courant d'ions passe de 37,5 u.a à 58,5 u.a, soit une augmentation de 21 u.a, c'est-à-dire une augmentation de 56% par rapport à un plasma d'argon pur. Quant au courant de décharge, il passe de 1 ,13 Ampère à 1 ,49 Ampère, ce qui représente une augmentation de 0,36 Ampère, soit 32% par rapport au courant du plasma d'argon pur.
Le coût énergétique payé pour le faisceau d'ions est défini par la puissance électrique fournie c'est-à-dire le produit Id.Vd où ld et Vd sont respectivement le courant et la tension fournis par l'alimentation de décharge. Comme Vd est constant, ce coût varie comme le courant de décharge ld.
Les variations comparées du courant de décharge et du courant d'ions suggèrent que le procédé selon l'invention abaisse le coût énergétique du jet d'ions. Cette hypothèse est confirmée par les deux résultats ci-dessous.
Distribution angulaire du courant
Comme une modification de la divergence du jet d'ions peut influer sur l'augmentation du flux d'ions mesuré sur l'axe du moteur, la détermination de la distribution angulaire du courant est nécessaire pour vérifier que la divergence du jet d'ions n'est pas affectée.
La figure 5 annexée représente la distribution angulaire du courant de décharge d'argon pur avec un débit de 24 sccm et la distribution angulaire du courant de décharge d'un mélange de 24 sccm d'argon et 1 sccm de xénon (CNTP).
On constate que la divergence du faisceau n'est pas modifiée par l'ajout de xénon au plasma d'argon et l'augmentation du courant d'ions est homogène suivant les angles d'observation. Ainsi, une déformation angulaire du jet d'ions est exclue.
Ces résultats démontrent que l'apport d'atomes de Xe dans un plasma d'argon, conformément à la présente invention, permet d'améliorer considérablement l'ionisation de l'argon et par ailleurs de diminuer le coût énergétique du jet d'ions.
Mesures par spectroscopie optique
L'émission optique du plasma donne des informations sur la nature des espèces présentes.
Pour réaliser ces mesures, le spectromètre utilisé est un spectromètre AVANTES (marque de commerce, référence AvaSpec-3648- USB2, société AVANTES Enlightening Spectroscopy) qui permet de balayer un domaine spectral allant de 200 nm à 1 100 nm avec une résolution de 1 nm.
Les émissions optiques sont collectées à 3 mm du plan de sortie sur l'axe du canal et grâce à une lentille convergente (LC), sont focalisées sur l'entrée d'une fibre optique (FO) reliée au spectromètre.
Les figures 6a et 6b annexées montrent des exemples de spectres obtenus pour des décharges de xénon pur, d'argon pur et de mélanges conformes à la présente invention, ayant 24 sccm d'argon et entre
0,5 sccm et 2 sccm de xénon, soit des ratios volumiques entre 2% et 7,7% de xénon, en pourcentage par rapport au volume total Ar+Xe (CNTP).
Comme cela est visible sur les deux figures 6a et 6b, l'intensité des raies des ions argon (Arll) augmente progressivement avec l'augmentation du ratio de xénon, ce qui signifie que la quantité d'ions d'argon dans la décharge augmente lorsque la quantité de xénon augmente. Les inventeurs ont également constaté une quasi constance de l'amplitude des raies émises par les atomes d'argon. Ceci ne peut être expliqué que par une diminution de la concentration de ces atomes, confirmant ainsi l'augmentation de l'efficacité d'ionisation dans ce procédé, selon l'invention.
Ces résultats permettent de conclure que l'efficacité d'ionisation de l'argon est considérablement renforcée par l'ajout de xénon. Cette augmentation de l'efficacité d'ionisation de l'argon est déjà très forte avec un flux d'argon inférieur à 10% en volume de xénon. L'amélioration de l'efficacité d'ionisation de l'argon est corroborée par les mesures des émissions lumineuses du plasma formé.
Les expérimentations décrites ci-dessus sont réalisables avec le krypton ou un mélange xénon et krypton, notamment dans des proportions xénon et/ou krypton en % en volume dans l'argon équivalentes à celles précitées.
Exemple 3 : Procédé de mise en œuyre de l'invention dans un propulseur spatial
La mise en œuvre de l'invention dans le cas d'un propulseur à effet Hall a démontré une efficacité qui s'applique à tout propulseur spatial basé sur le même principe. Il peut s'agir par exemple du propulseur PPS 1350 de SAFRAN décrit dans le document [4].
Exemple 4 : Procédé de mise en œuyre d'un traitement de surface
Des traitements de surface et/ou dépôts de couches minces, utilisés par exemple pour les verres de lunettes, font appel à un bombardement de la surface utilisant des sources d'ions argon, comme décrit dans le document [6]. Les sources d'ions END-HALL, communément utilisées dans ces procédés, font appel à des plasmas magnétisés et relèvent du champ d'application de la présente invention. Ainsi, le procédé décrit dans le document précité est modifié en remplaçant l'argon pur par un mélange argon-xénon suivant les exemples ci-dessus. Exemple 5 : Procédé de mise en œuyre d'un traitement de surface
D'autres dépôts de couches minces font appel à des flux d'espèces obtenus par pulvérisation d'une surface selon une technique appelée décharge magnétron, comme décrit dans les documents [19], [20] ou [21]. Suivant cette technique, des ions argon, créés et accélérés dans un plasma magnétisé, sont communément utilisés pour cette pulvérisation et ces procédés magnétron relèvent du champ d'application de la présente invention.
Ainsi, le procédé décrit dans ces documents est modifié en remplaçant l'argon pur par un mélange argon-xénon suivant les exemples ci-dessus.
Exemple 6 : Exemple de dispositif selon l'invention
La figure 7 annexée présente un dispositif (D) selon l'invention, tel que décrit dans l'exemple 1 , aussi appelé moteur PPI. Il s'agit un petit moteur à effet Hall dérivé de la technologie des Propulseurs à Plasma Stationnaire en particulier du PPS-100. Dans ce dispositif, le champ magnétique est généré par des aimants permanents (1 ) à la place du système de bobines classiquement utilisé dans l'art antérieur. Ces aimants forment un circuit magnétique (3, MC) constitué d'un cercle modulaire de petits aimants en Samarium Cobalt (SmCo). L'alternance des aimants avec des barrettes d'inox amagnétiques permet de moduler la valeur du champ magnétique maximale Bmax qui est pour les essais réalisés égal à 250 Gauss. L'utilisation d'aimants permet de réduire l'encombrement du moteur mais également, lors de la mise en œuvre du procédé de l'invention, de renforcer le rendement propulsif du moteur en économisant la puissance électrique consommée par les bobines. Un jeu de céramiques de délimitation (5) coaxiales de type BN:SiO2 (Nitrure de Bore) délimite le canal de décharge (7) de longueur L= 12 mm. Ces céramiques permettent d'isoler électriquement le plasma de la partie métallique du propulseur. Les diamètres des céramiques en question sont de 12 mm pour l'interne et de 21 mm pour l'externe, ce qui donne une section de canal de 9,33.10"4 m2.
Le gaz apporté via un canal d'arrivée de gaz (9) est injecté dans le canal à travers une céramique poreuse (1 1 ) qui a un double rôle, d'une part réduire la pression d'arrivée du gaz, effet tampon, et d'autre part homogénéiser la répartition de ce dernier dans le canal de décharge (7). La tension de décharge est appliquée entre l'anode (13) localisée au fond du canal de décharge (7) et une cathode creuse externe (non représentée).
Un tube de refroidissement (15) en cuivre noirci fixé à l'arrière du moteur, au niveau d'un drain thermique (17) permet de le refroidir par rayonnement et d'éviter la montée de la température au-delà de la température de Curie des aimants (T°c(SmCo) = 750°C).
Sur cette figure sont également représentés la connexion anode (19), la canne d'accroché (21 ) du moteur et le thermocouple (23).
Le système de refroidissement du dispositif (D) représenté sur la figure 7 peut être complété par un moyen de régulation de la température de la chambre d'ionisation, par exemple un moyen contrôlé de refroidissement de la chambre d'ionisation. Il s'agit dans cet exemple d'un système de refroidissement (SAR) additionnel, par exemple tel que celui représenté sur la figure 8 annexée. Le principe de ce système est de refroidir le moteur par contact thermique avec une circulation d'eau dont la température d'entrée est asservie à une consigne. Le système repose sur un « chiller » (CH) (refroidisseur), dans l'exemple présent un bain Polystat 36 en circuit fermé. Une consigne en température (du liquide caloporteur) est appliquée et le « chiller » (CH) régule la température du bain en fonction de la température du reflux. Lorsque la régulation est idéale, la température du bain est égale à celle de la consigne. Le contact thermique a été assuré de deux façons différentes détaillées ci-dessous. Elles ont en commun deux propriétés :
Garantir une circulation d'eau sous vide ne tolérant aucune fuite
Assurer une isolation électrique fiable, par rapport au caisson à vide, de la partie du circuit de refroidissement en cuivre qui est en contact thermique et électrique avec le moteur.
Dans un mode de réalisation particulier, appelé C1 , un tube de cuivre de diamètre 4 mm a été enroulé autour du moteur pour effectuer le refroidissement : deux tours autour de la partie mécanique en contact direct avec la céramique externe et les aimants de la couronne externe, un tour sur le bloc de cuivre à l'arrière du moteur. L'essentiel du flux thermique est évacué par l'arrière, le contact thermique à cet endroit est primordial. Des vis de maintien viennent en appui pour renforcer le contact. Dans ce cas, le contact thermique est distribué par l'enveloppe externe qui entoure la céramique externe du canal.
Dans un autre mode de réalisation, appelé C2, les inventeurs ont conçu une pièce adaptée au PPI, tout en respectant les différents passages déjà existants sur le PPI. La difficulté d'une telle réalisation réside dans la précision de l'usinage de la pièce mais aussi et surtout sur la brasure argent qui doit être parfaite pour éliminer tout risque de fuite d'eau dans le caisson à vide utilisé pour les essais. Cette pièce a été ici une pièce annulaire en cuivre positionnée à l'arrière du moteur, en contact thermique avec celui-ci.
Quelque soit le mode de réalisation, le même circuit extérieur de refroidissement a été utilisé. La figure 8 annexée montre le principe de ce circuit de refroidissement pour le mode de réalisation avec la pièce annulaire, où le système assure une température constante à l'entrée. Il a par exemple été réglée à 25°C. L'arrivée et la sortie d'eau au niveau du moteur sont connectées à celles du « chiller » (CH) à travers plusieurs raccords étanches au vide.
Sur cette figure 8 sont représentés, le système de refroissisement
(SR) étanche au vide constitué par une pièce annulaire en cuivre pour un refroidissement par contact thermique, le moteur PPI (D) représenté sur la figure 7, le caisson a vide (CV) qui a été utilisé pour l'expérimentation, les tubes en cuivre (TV), les raccords étanches au vide (REV), le passage étanche au vide (PEV), incluant isolation thermique et électrique, et les tubes de circulation du liquide de refroidissement (PFA). Les flèches positionnées à gauche du « chiller » (CH) indiquent la sortie (SO) d'eau du « chiller », à température constante, et l'entrée (EN) dans le « chiller » ou retour, à température variable, suivant l'utilisation du PPI.
Les inventeurs ont reporté sur la figure 9 annexée des résultats de fonctionnement des deux modes de réalisation C1 et C2 précités. Cette figure représente en particulier l'évolution de la température du dispositif de la présente invention schématisé sur la figure 7, en fonction du temps de fonctionnement suivant deux systèmes de refroidissement C1 et C2. En ordonnée est représentée la température du moteur (TM) en °C, et en abscisse le temps (t) de fonctionnement du moteur en minutes.
Les inventeurs ont reporté sur la figure 10 des résultats de mesure de la température et du courant de décharge sur le système de refroidissement C2. Cette figure représente en particulier l'évolution de la température du moteur et du courant de décharge en fonction du temps de fonctionnement. En ordonnée à gauche est représenté le courant de décharge moyen (CDM) en A (Ampères), en ordonnées à droite est représenté la température du moteur (TM) en °C, et en abscisse le temps (t) de fonctionnement du moteur en minutes.
Sur la base de ces expérimentations, les inventeurs ont notamment observé que le temps de mise à l'équilibre thermique a été plus court avec ces système, en partculier avec la pièce annulaire en cuivre.
L'équilibre atteint était sensiblement le même pour les deux modes de réalisation. Le système utilisant la pièce annulaire en cuivre s'est montré plus fiable au cours des essais, le contact thermique étant garanti similaire après chaque intervention sur le moteur.
Les inventeurs ont également observé que la température du moteur a été significativement réduite grâce à ces systèmes additionnels de refoidissement, par exemple lors d'essais de 300°C à moins de 200°C. Ainsi, pour le même point de fonctionnement, le courant de décharge se stabilise à 0,80 A contre 0,87 A mesurés antérieurement dans les mêmes conditions opératoires de mise en œuvre du procédé de l'invention.
Les inventeurs ont ainsi noté des progrès très significatifs, en particulier ceci a permis de faire fonctionner le PPI avec un courant moteur de 1 ,8 A jusqu'à plus d'une heure alors que la montée en température ne laissait auparavant que quelques minutes de fonctionnement avant d'atteindre la température maximale tolérable qui est de 300 °C.
Exemple 7 : Expérimentations d'ionisation selon le procédé de l'invention avec un mélange Ar + Xe
Les conditions opératoires et matériel utilisés sont ceux décrits dans les exemples 1 et 2, avec le dispositif de l'exemple 7 ci-dessus.
Le courant de décharge est la somme du flux d'ions sortant du canal et du flux d'électrons entrant dans le canal. En conséquence, plus le rapport de ce flux d'ions au courant de décharge est élevé, meilleur est le rendement électrique du moteur.
Le tableau I de cet exemple 8 suivant montre les résultats obtenus dans cet exemple, les résultats P3 étant ceux obtenus dans les exemples 1 et 2 précités, et P2 dans le présent exemple.
Tableau I de l'exemple 7 :
Débit de xénon
0 0,5 1 ajouté (sccm)
Point de
P2 P3 P2 P3 P2 P3 fonctionnement
Id (Xe+Ar) (A) 0,92 1,15 1,11 1,36 1,27 1,6
% Aid / Id(Ar) - - 13% 12% 30% 33%
% AIcoll / Icoll (Ar) - - 42% 32% 71% 63% - Id (Xe+Ar) (A) est le courant de décharge, mesuré en ampères, pour une tension de décharge de 220 Volts , un débit d'argon de 24 sccm et un débit de xénon variant de 0 à 1 sccm.
- Δ Id / Id (Ar) est l'augmentation du courant de décharge induite par un ajout de xénon, rapportée au courant sans ajout de xénon.
- Ab Icoll / Icoll (Ar) est la variation similaire pour le courant d'ions mesuré sur l'axe du jet d'ions émis
L'émission optique du plasma donne des informations sur la nature des espèces présentes. Les émissions optiques du plasma à 3 mm du plan de sortie sont focalisées sur l'entrée d'une fibre optique reliée au spectromètre AVANTES-3648-USB2. L'analyse de l'émission des raies Ar II et Ar I en fonction du débit de Xe ajouté montre que l'intensité des raies Ar Il augmente significativement avec l'ajout de Xe, tandis que celle des raies Ar I reste très stable. Ces résultats en appui de l'augmentation du courant collecteur démontrent incontestablement l'amélioration du rendement d'ionisation de l'argon grâce au procédé de la présente invention.
Le tableau II suivant de cet exemple récapitule les différentes augmentations à savoir pour le débit, le courant de décharge et d'ions. On observe que le rendement ionique est amélioré avec le dispositif décrit dans l'exemple 7, et les conditions expérimentales des exemples 1 et 2. Ainsi, lorsque 4% de flux d'atomes est ajouté, le courant de décharge augmente de 31 % et le courant d'ions de 82% contre 70% auparavant.
Tableau II de l'exemple 7 :
Débit de
xénon ajouté 0 0,5 1 1,5 2 2,5 (sccm)
DXe / DAT (%) 0 2,1 4,2 6,2 8,3 10,4
AId / Id(Ar) (%) 0 18,5 31 43 54,6 66,5
AIcoll / Icoll (Ar)
0 57,6 82 106 124 138 (%) La figure 1 1 représente l'évolution d'un courant d'ions sur l'axe en fonction du potentiel de répulsion du RPA (VRPA) pour différentes conditions de décharge et une tension de décharge Ud = 220 V lors de la mise en œuvre du procédé de la présente invention dans le dispositif. Sur cette figure, en ordonnée est représenté le courant d'ions moyen (CIM) en unité arbitraires (u.a.), et en abscisse la tension de répulsion (V) (TR) en V (Volts). Ces résultats montrent que l'ajout de Xe conforme à la présente invention donne aux ions Ar une énergie mieux définie et plus importante, ce qui est notamment intéressant en propulsion.
Egalement, à travers ces expérimentations, il est observé que le courant d'ions augmente quelque soit l'énergie des ions. Le comportement de la décharge en Ar pur est très différent des autres, cela montre que l'ajout de Xe dans la décharge Ar pur conformément à la présente invention, modifie drastiquement l'énergie des ions en plus du flux d'ions total.
Exemple 8 : Expérimentations d'ionisation selon le procédé de l'invention avec un mélange Ar + Kr
Les conditions expérimentales sont celles décrites dans les exempes 1 et 2 ci-dessus, mais le Xe a été remplacé par le Kr, pour la mise en œuvre du procédé de la présente invention.
Les résultats sont présentés dans le tableau ci-dessous, et sur la figure 12 annexée.
Tableau de l'exemple 8 :
Figure imgf000035_0001
La figure 12 représente quant à elle l'évolution mesurée d courant de décharge et du courant collecteur d'ions sur l'axe en fonction d débit total lors de la mise en œuvre du procédé de la présente invention avec un mélange Ar + Kr. En ordonnée à gauche est représenté le courant de décharge (CD) en ampères (A), à droite le courant d'ions (Cl) en unités arbitraires (u.a.), et en ordonnée le débit total Ar+Kr (sccm).
Comme elles l'ont montré pour le xénon, les signatures spectrales de l'augmentation de l'ionisation confirment à travers ces expérimentations les résultats remarquables de la présente invention.
Listes des références
[1] C.O. BROWN and E. A. PINSLEY, "Further expérimental investigations of a césium hall-current accelerator", AIAA Journal, Vol. 3, No. 5 (1965), pp. 853-859, doi: 10.2514/3.3006
[2] D.Goebel, I.Katz « fundamentals of electric propulsion and Hall thrusters », Wiley book, 2008.
[3] A.Leufroy, T.Gibert, A.Bouchoule, « Characteristic of a permanent magnet low power thruster », 21 eme IEPC, Ann. Arbor Michigan, sept 2009.
[4] WO2009016264, M.Guyot, « Hall effect ion éjection device ».
[5] H.R.Kaufman, R.S.Robinson, R.I.Seddan, « End hall ion source », J.Vac.sci.technology, A5(4), july/august 1987.
[6] WO200201 1 195, « Method for depositing a fluorine-doped silica film », Essilor.
[7] WO1999058737, Kaufman et Robinson, « Apparatus for sputter déposition ».
[8] Paganucci et al., « Performance of an Applied Field MPD Thruster », Presented as Paper IEPC-01 -132 at the 27th International Electric Propulsion Conférence, Pasadena, CA, 15-19 October, 2001 ,
Published by the Electric Propulsion Society.
[9] G .A. Battiston et al., « PECVD of amorphous ΤΊΟ2 thin films : effect of growth température and plasma gaz composiiton », Elsevier, Thin Solid Films 371 (2000) 126-131 . [10] John A. Thornton et al., « Plasma-assisted déposition processes : theory, mechanisms and applications », Elsevier Séquoia, Thin Solid Films, General Film Behaviour, 107(1983) 3-19. [11] Dirk Hegemann et al. « Plasma treatment of polymers for surface and adhésion improvement », Elsevier, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B 208 (2003) 281-286.
[12] M. Charbonnieret al., « Tin-free electroless metallization of glass substrates using différent PACVD surface treatment processes », Eslevier, Surface and Coatings Technology 162 (2002) 19-30.
[13] Changquan Wang et al., « Préparation of hydrophobic coating on glass surface by dielectric barrier discharge using a 16 kHz power supply", Elsevier, Applied Surface Science 252 (2006) 8348-8351 286.
[14] Jan Schmidt, « Surface passivation of silicon solar cells using plasma- enhanced chemical-vapour-deposited SiN films and thin thermal SiO2/plasma SiN stacks », Institute of Physics Publishing, Semiconductor Science and Technology, Semicond. Sci. Techn. 16 (2001 ) 164-170, www.iop.org/journal/ss PII:S0268-1242(01 )17198-1 .
[15] R. Morent et al., « Non-thermal plasma treatment of textiles », Elsevier, Surface & Coatings Technology 202 (2008) 3427-3449.
[16] Michael Deilmann et al., « Permeation mechanisms of pulsed microwave plasma deposited silicon oxide films for food packaging applications », Journal of Physics D : Applied Physics, J. Phys. D: Appl. Phys. 41 (2008) 135207 (7pp).
[17] WO2000005742, Source d'ions, Saintech Pty Limited.
[18] WO2005024086, Procède de dépôt d'une couche amorphe contenant majoritairement du fluor et du carbone et dispositif convenant a sa mise en œuvre, Essilor Int..
[19] P.J. Kelly , R.Arnell, « Magnetron sputtering : a review of récent developments and applications », vaccum, Vol.56, Issue 3, Mars 2000.
[20] K.Sarakinos, J.Alam, S.Konstantidinis, « High power pulsed magnetron sputtering: a review on scientific and engineering state of the art », Surface and coatings Technology 204 (2010). [21] Hidler et Kenny, « Thin film déposition by sputtering », EP 0 105 409.
[22] Fatou Diop, « Sources de particules neutres monocinétiques : diagnostics spécifiques et étude physique d'une source de Hall en plasma d'argon ou en mixture xénon-argon », thèse soutenue le 22 juillet 2015, Université d'Orléans.
[23] Alain Leufroy, « Micropropulsion et diagnostics pour la propulsion spatiale », thèse soutenue le 15/02/2010, Université d'Orléans.
[24] FR 2 842 261 , Propulseur plasmique a effet hall, Centre National d'Etudes Spatiales (CNES).
[25] Luc Albarède, « Etudes expérimentales d'un propulseur à effet hall : comportement stationnaire et dynamique du flux d'électrons », thèse 2004, Université d'Orléans.
[26] Christelle Philippe, « Caractérisations spatio-temporelles de jets ioniques : développement des diagnostics et application à la propulsion », thèse 1998, Université d'Orléans.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé d'ionisation d'argon, ledit procédé étant caractérisé en ce que l'argon est ionisé en présence d'un gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, la quantité en volume d'argon étant supérieure à celle du xénon et/ou du krypton exprimées dans les conditions normales de température et de pression.
2. Procédé de génération d'un plasma comprenant la mise en œuvre du procédé selon la revendication 1 .
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la quantité de xénon et/ou de krypton est inférieure à 20%, de préférence inférieure à 15%, de préférence inférieure à 10%, de préférence inférieure à 8%, de préférence de 2 à 8%, de préférence de 2 à 6%, de préférence de 4%, la quantité étant exprimée en % en volume, par rapport au volume total d'argon et du gaz choisi parmi le xénon et/ou le krypton, dans les conditions normales de température et de pression.
4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel on ajoute le gaz choisi parmi le xénon et/ou krypton à l'argon avant et/ou pendant l'ionisation de l'argon.
5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'ionisation est réalisée en présence d'un champ magnétique.
6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel l'ionisation est réalisée en présence d'un champ magnétique et d'une décharge électrique, le champ magnétique et la décharge électrique étant utilisés pour l'ionisation et/ou l'accélération les ions formés.
7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel l'ionisation de l'argon est réalisée au moyen d'une source d'ions.
8. Procédé selon la revendication 7, dans lequel la source d'ions comprend :
une chambre d'ionisation (CH),
des moyens d'introduction (SAI-, DE, TA, VA) de l'argon à l'intérieur de ladite chambre,
des moyens d'introduction (Sxe, DE, TA, VA) de xénon et/ou de krypton dans ladite chambre,
une anode,
des moyens de génération d'une décharge ionisant l'argon une fois introduit dans ladite chambre,
des moyens de génération d'un champ magnétique (CE, Cl), et - une cathode (CA).
9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le champ magnétique est essentiellement radial entraînant établissement d'un champ électrique essentiellement axial et une accélération axiale des ions formés.
10. Procédé de propulsion comprenant la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
1 1 . Procédé selon la revendication 10, dans lequel l'ionisation de l'argon étant réalisée au moyen d'une source d'ions, ladite source d'ions est un propulseur spatial à effet Hall.
12. Procédé de traitement de surface comprenant la mise en œuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
13. Procédé selon la revendication 12, ledit procédé étant un procédé de dépôt de couches minces.
14. Procédé selon la revendication 12 ou 13, dans lequel l'ionisation de l'argon étant réalisée au sein d'une source d'ions, ladite source d'ions est une source magnétron ou une source End-Hall.
15. Dispositif d'ionisation d'argon comprenant :
une chambre d'ionisation (CH),
- des moyens d'introduction d'argon (SAI-, DE, TA, VA) à l'intérieur de ladite chambre,
des moyens de génération d'une décharge continue ou non ionisant l'argon une fois introduit dans ladite chambre (anode, CA),
des moyens (CE, Cl) de génération d'un champ magnétique, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (Sxe, DE, TA, VA) d'introduction de xénon et/ou le krypton dans l'argon avant ou après l'introduction de l'argon dans la chambre d'ionisation.
16. Dispositif d'ionisation d'argon selon la revendication 15, comprenant en outre un moyen de transfert thermique assurant un refroidissement de la chambre d'ionisation.
17. Dispositif d'ionisation selon la revendication 16, dans lequel le moyen de transfert thermique comprend un moyen contrôlé du refroidissement de la chambre d'ionisation.
PCT/FR2016/053052 2015-11-23 2016-11-22 Procédé d'ionisation d'argon Ceased WO2017089699A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR1561271A FR3044021B1 (fr) 2015-11-23 2015-11-23 Procede d'ionisation d'argon
FR1561271 2015-11-23

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017089699A1 true WO2017089699A1 (fr) 2017-06-01

Family

ID=55646706

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR2016/053052 Ceased WO2017089699A1 (fr) 2015-11-23 2016-11-22 Procédé d'ionisation d'argon

Country Status (2)

Country Link
FR (1) FR3044021B1 (fr)
WO (1) WO2017089699A1 (fr)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020193499A1 (fr) * 2019-03-26 2020-10-01 Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.) Dispositif d'ejection d'ions a effet hall
US11302037B2 (en) 2018-12-18 2022-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device for adaptively altering information display area and operation method thereof

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1021073A1 (fr) * 1999-01-18 2000-07-19 Matra Marconi Space France S.A. Un accélérateur ionique
US6486593B1 (en) * 2000-09-29 2002-11-26 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Plasma accelerator
US20060218891A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-05 Subrata Roy Electric propulsion device for high power applications
US20140123924A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-08 Mcalister Technologies, Llc Fuel injection systems with enhanced corona burst

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1021073A1 (fr) * 1999-01-18 2000-07-19 Matra Marconi Space France S.A. Un accélérateur ionique
US6486593B1 (en) * 2000-09-29 2002-11-26 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Plasma accelerator
US20060218891A1 (en) * 2005-03-31 2006-10-05 Subrata Roy Electric propulsion device for high power applications
US20140123924A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-08 Mcalister Technologies, Llc Fuel injection systems with enhanced corona burst

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11302037B2 (en) 2018-12-18 2022-04-12 Samsung Electronics Co., Ltd. Electronic device for adaptively altering information display area and operation method thereof
WO2020193499A1 (fr) * 2019-03-26 2020-10-01 Centre National De La Recherche Scientifique (C.N.R.S.) Dispositif d'ejection d'ions a effet hall
FR3094557A1 (fr) * 2019-03-26 2020-10-02 2. Universite De Versailles Saint-Quentin-En-Yvelines Dispositif d’éjection d’ions à effet Hall

Also Published As

Publication number Publication date
FR3044021B1 (fr) 2017-12-01
FR3044021A1 (fr) 2017-05-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP0781921B1 (fr) Source d&#39;ions à dérive fermée d&#39;électrons
EP0200651B1 (fr) Source d&#39;ions du type triode à une seule chambre d&#39;ionisation à excitation haute fréquence et à confinement magnétique du type multipolaire
EP0506552B1 (fr) Procédé pour traiter par exemple la surface d&#39;un substrat par projection d&#39;un flux de plasma, et dispositif pour la mise en oeuvre du procédé
FR2985292A1 (fr) Propulseur plasmique et procede de generation d&#39;une poussee propulsive plasmique
FR2484463A1 (fr) Procede et appareil de revetement par pulverisation ionique sans gaz
WO1994002739A1 (fr) Moteur a plasma a derive fermee d&#39;electrons
WO2002012591A1 (fr) Procede et dispositif pour traiter des substrats metalliques au defile par plasma
CA2143435A1 (fr) Appareil de depot chimique en phase vapeur active, par un plasma micro-ondes
FR2756098A1 (fr) Excitation d&#39;onde helicoidale pour produire des electrons a haute energie pour fabriquer des semi-conducteurs
WO2017089699A1 (fr) Procédé d&#39;ionisation d&#39;argon
EP2586276A1 (fr) Dispositif pour la generation d&#39;un jet de plasma
FR2596775A1 (fr) Revetement dur multicouches elabore par depot ionique de nitrure de titane, carbonitrure de titane et i-carbone
Maaloul et al. Populations of metastable and resonant argon atoms in radio frequency magnetron plasmas used for deposition of indium-zinc-oxide films
EP3574719B1 (fr) Systeme de generation d&#39;un jet plasma d&#39;ions metalliques
EP0305241A1 (fr) Procédé de traitement de surfaces, utilisant une post-décharge électrique dans un gaz en écoulement et dispositif pour la mise en oeuvre de ce procédé
EP1062380A1 (fr) Procede et installation de traitement de surface d&#39;une piece metallique
EP0483004B1 (fr) Source d&#39;ions fortement chargés à sonde polarisable et à résonance cyclotronique électronique
EP4323562A1 (fr) Procede de depot de chrome dense sur un substrat
WO2024068143A1 (fr) Dépôt de couches de matière par évaporation et double activation
FR2579487A1 (fr) Appareil pour reguler l&#39;ecoulement de particules fines
EP4638956A1 (fr) Propulseur a resonance cyclotronique electronique
EP2682945B1 (fr) Dispositif de génération de cibles à base d&#39;hydrogène et/ou de deutérium solide
Burmakov et al. Characteristic features of the formation of a combined magnetron-laser plasma in the processes of deposition of film coatings
EP0819314B1 (fr) Procede et dispositif pour le controle de l&#39;energie de l&#39;une au moins des especes chargees bombardant un corps plonge dans un plasma
Oliveira et al. Plasma immersion ion implantation with lithium atoms

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16815879

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16815879

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1