EP0914560A1 - Device for concentrating ion beams for hydromagnetic propulsion means and hydromagnetic propulsion means equipped with same - Google Patents

Device for concentrating ion beams for hydromagnetic propulsion means and hydromagnetic propulsion means equipped with same

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Publication number
EP0914560A1
EP0914560A1 EP97925125A EP97925125A EP0914560A1 EP 0914560 A1 EP0914560 A1 EP 0914560A1 EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 0914560 A1 EP0914560 A1 EP 0914560A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pole piece
flared
magnetic
peripheral
annular channel
Prior art date
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Granted
Application number
EP97925125A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0914560B1 (en
Inventor
Leonid Aleckseevich Latischev
Akhmet Mialikovich Iakubov
Aidar Beksultanovich Jacoupov
Sergey Anatolievich Khartov
Dominique Valentian
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.)
Safran Aircraft Engines SAS
Original Assignee
Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
SNECMA SAS
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 Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA, SNECMA SAS filed Critical Societe Nationale dEtude et de Construction de Moteurs dAviation SNECMA
Publication of EP0914560A1 publication Critical patent/EP0914560A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0914560B1 publication Critical patent/EP0914560B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • 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
    • H01J27/143—Hall-effect ion sources with closed electron drift
    • 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

Definitions

  • Ion beam concentrating device for plasma thruster and plasma thruster equipped with such a device
  • the present invention relates to plasma electro-ionic motors applied in particular to space propulsion, but also to industrial processes on the ground, and more particularly plasma thrusters of the closed electron drift type also called propellants. stationary plasma (SPT), Hall thrusters or anodic layer thrusters (ALT).
  • SPT stationary plasma
  • ALT anodic layer thrusters
  • An annular channel 1 defined by a piece 2 of insulating material is placed in an electromagnet comprising external annular pole pieces 3 and internal 4 placed respectively outside and inside the piece 2 of insulating material, a cylinder head magnetic 12 arranged upstream of the motor and the electromagnet coils 11 which extend over the entire length of the channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the external pole piece 3 to the cylinder head 12.
  • a hollow cathode 7, connected to ground, is coupled to a device 17 for supplying xenon to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 1.
  • An annular anode 5 connected to the positive pole of a power source electric for example 300 volts is disposed in the closed upstream part of the annular channel 1.
  • a xenon injection tube 6, cooperating with a thermal and electrical insulator 8 opens into an annular distribution channel 9 disposed immediately in the vicinity of the annular anode 5.
  • the ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode 7.
  • the ionization electrons are drawn into the insulating annular channel 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud coming from the cathode 7.
  • the ionization electrons take a drift trajectory in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel.
  • the ionization electrons then drift along closed paths inside the insulating channel, hence the name of the propellant.
  • the magnetic field is defined by the shape of the parts 3, 4.
  • the lines 13 of the magnetic field are essentially radial in the outlet plane 14 of the propellant.
  • the closed electron drift propellants thus involve ion accelerations in a plasma.
  • the ions are not monoenergetic.
  • the ion beam has two components:
  • FIGS. 8a and 8b show the distribution of the ion current of the ion beam as a function of the energy for an ion propellant operating at a discharge voltage V ac of 300 V.
  • FIG. 8a has six curves corresponding to angles respectively of 0 °, 7 ° 30 ', 15 °, 22 ° 30', 30 ° and 37 ° 30 'relative to the axis of the propellant.
  • the ion current has a peak corresponding to 270 eV, the amplitude of which decreases sharply when the value of the angle relative to the axis of the propellant increases. This main peak is due to primary ions. Secondary ions produced at the propellant exit plane also form a secondary peak corresponding to an energy from 20 to 30 eV. The amplitude of the secondary peak is practically independent of the value of the angle of divergence relative to the axis of the propellant.
  • Figure 8b shows with an enlarged scale, five curves corresponding to angles of 37 ° 30 ', 45 °, 52 ° 30', 60 ° and 67 ° 30 'respectively. It can be observed that the density of the high energy ions decreases very strongly for the high values of the angle of divergence relative to the axis of the device. However, there remains still for a divergence angle 67 ° 30 'a non-negligible percentage of ions having an energy greater than 100 eV. These ions are capable of causing damage by their projection.
  • Figure 9 shows the angular distribution of low energy and high energy ions and gives an overall representation of the beam profile.
  • the curve in solid lines 31 gives the value of the ion current measured in a collector at 30 V as a function of the angle of divergence relative to the axis of the propellant and the curve in broken lines 32 gives the value of the current d ion measured in a collector at 50 V also as a function of the angle of divergence with respect to the axis of the propellant.
  • FIG. 7 shows a part of a conventional closed electron drift propellant of the kind described with reference to FIG. 6.
  • This FIG. 7 shows arrows 52 giving the orientation of the ion velocity vectors, as well as a dotted curve 51 representing the density distribution of the ions, just at the exit of the acceleration channel 1.
  • the magnetic field lines 113 at the exit of the acceleration channel 1 created by the pole pieces 3, 4 and the coils 11, 15 are also shown superimposed on the representation of the distribution of the ions.
  • the trajectories of the ions are perpendicular to the magnetic field lines. It follows that the trajectories 54, 56 of the ions at points 53, 55 located on the periphery of the acceleration channel 1 downstream of the outlet plane 14 are practically perpendicular to the axis Z of the propellant.
  • the trajectory of the ions of the low energy and strongly divergent component of the ion beam which is governed by the magnetic field lines corresponding to equipotentials, can have an effect. very damaging on the surface of the spacecraft on which the propellant is mounted.
  • the invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and to allow the production of an ion beam output from the propellant having a well defined contour and an ion density whose distribution is optimized to avoid attacks due to low energy ions located at the periphery of the beam.
  • annular ionization and acceleration channel defined by pieces of insulating material and having an opening at its downstream end
  • annular anode concentric with the annular channel and disposed upstream of the opening of said channel at a distance therefrom
  • first and second means for supplying ionizable gas associated respectively with the hollow cathode and the annular anode - a magnetic circuit for creating a magnetic field in the annular channel, this magnetic circuit comprising several distinct means for creating a magnetic field, a yoke, a peripheral magnetic circuit disposed axially outside the annular channel and peripheral and central pole pieces connected together by said peripheral magnetic circuit and said yoke and arranged on either side of the channel annular to produce an essentially radial magnetic field in an exit plane perpendicular to the axis of said annular channel, characterized in that it further comprises:
  • a substantially tapered magnetic pole piece open at its two ends, coaxial with the axis of the annular channel, located downstream of said outlet plane and flaring downstream, and - at least one additional peripheral magnetic circuit connecting the downstream end of said flared magnetic pole piece to the peripheral pole piece located outside the auxiliary channel, the flared magnetic pole piece cooperating with the additional peripheral magnetic circuit and the pole pieces located on either side of the annular channel to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel so as to force the beam of ions emitted by the annular channel to remain inside an essentially conical area, the predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared pole piece.
  • the ion beam at the outlet of the annular acceleration channel is forced to remain inside a cone whose half-angle at the top is defined by the half-angle at the top of the pole piece. flared, without however that the half-angle at the top of the conical ion beam is necessarily strictly equal to that of the flared pole piece.
  • the flared pole piece located downstream of the usual exit plane of the acceleration channel essentially has the role of conforming the magnetic field downstream of the exit plane and thereby modifying the equipotentials outside the propellant and the trajectory. ions, so as to make the path of the ions more directive and avoid any risk of damage to the external walls located in the vicinity of the ion beam.
  • flared pole piece is itself protected against attack by ions since the trajectories of the peripheral ions are essentially tangent to this flared pole piece.
  • the half-angle at the apex ⁇ of the essentially frustoconical flared pole piece is between 30 ° and 60 °.
  • the half-angle at the apex ⁇ of the essentially frustoconical flared pole piece is of the order of 45 °.
  • the flared pole piece has a curve such that the angle formed by said piece and the axis of the propellant increases when one moves away from the outlet plane downstream, so as to allow a progressive development of the magnetic field lines.
  • the flared pole piece is covered with a coating intended to increase the emissivity of the surface of said part, to provide electrical insulation or to provide protection against contamination between the annular channel and the flared pole piece.
  • the coating can be made of a material identical to that of the parts delimiting the annular channel and can consist of at least one of the following materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al2O3- Ti ⁇ 2 and TiN.
  • the additional peripheral magnetic circuit consists of a single ferromagnetic ring. More specifically, the hollow cathode is incorporated in a hole formed in the flared pole piece and is provided with a ferromagnetic screen for protection against the local magnetic field.
  • the additional peripheral magnetic circuit may also include ferromagnetic bars.
  • said ferromagnetic bars are made of soft iron and are surrounded by coils whose winding direction is such that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit is directed in a direction opposite to that of the magnetic flux created in said peripheral magnetic circuit disposed axially outside the annular channel.
  • the invention also relates to an ion beam concentrating device for a closed electron drift plasma thruster, characterized in that it comprises: a) a flared, essentially frustoconical magnetic pole piece open at its two ends and intended for be located downstream of the outlet plane of a plasma thruster comprising an annular ionization and acceleration channel and peripheral and central pole pieces arranged on either side of the annular channel to produce an essentially radial magnetic field in an outlet plane perpendicular to the axis of the annular channel and b) an additional peripheral magnetic circuit connecting the downstream end of the flared magnetic pole piece to said peripheral pole piece, the flared magnetic pole piece cooperating with the additional peripheral magnetic circuit and the peripheral and central pole pieces to define the shape of the cham p magnetic downstream of the annular channel so as to force the ion beam emitted by the annular channel to remain inside an essentially zone conical whose predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared magnetic pole piece.
  • FIG. 1 is a view in axial section of part of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to a first particular embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic view in axial section of the assembly of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to a second particular embodiment of the invention
  • FIG. 3 is an axial view of part of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to the invention in which the hollow cathode is incorporated,
  • FIG. 4 is a view in axial section showing an alternative embodiment of a beam shaping device according to the invention applied to a plasma thruster with closed electron drift,
  • FIG. 5 shows comparative histograms of profile of the ion beam for a standard plasma thruster and for two different embodiments of thrusters equipped with beam shaping devices according to the invention
  • FIG. 6 is an axial section view showing an example of a closed electron drift plasma thruster according to the prior art
  • FIG. 7 is a view in axial section of a part of a plasma thruster with closed electron drift according to the prior art, showing the density distribution of the ions superimposed on the magnetic field lines outside the acceleration channel,
  • FIGS. 8a and 8b show curves giving the distribution of the ion current as a function of energy according to different orientations relative to the axis of the propellant for a plasma propellant of the prior art
  • - Figure 9 shows the profile of the assembly of an ion beam at the outlet of a plasma thruster of the prior art for two collectors having different voltages.
  • Figure 1 is a view similar to that of Figure 7 and shows an example of implementation of means for shaping an ion beam which, according to the invention, are arranged downstream of the exit plane 14 of a closed electron drift plasma engine.
  • the circuit main magnetic element comprises a central pole piece 4 and a peripheral annular pole piece 3 situated in the vicinity of the outlet plane 14 as well as a peripheral magnetic circuit 10, peripheral electromagnet coils 11 and cooperating electromagnet coils with the central pole piece 4, as well as a cylinder head similar to the cylinder head 12 of FIG. 6 but not shown in FIG. 1.
  • the elements 1 to 4, 10, 11, 15 of FIG. 1 can be made of a similarly to the corresponding elements of Figure 7 which corresponds to an embodiment of the prior art.
  • the closed electron drift plasma thruster of FIG. 1 can conventionally comprise, according to an embodiment which may be, for example, of the kind shown in FIG. 6, without necessarily being identical, an annular anode 5 concentric with the annular channel 1 and disposed at a certain distance upstream from the opening of the channel 1, and means 6 for supplying ionizable gas, such as xenon, associated with the annular anode 5.
  • the plasma thruster according to the invention further comprises a hollow cathode 7, not shown in Figure 1, but visible in Figure 2, which is arranged outside the channel 1 downstream thereof and is associated with means 17 of supply of ionizable gas such as xenon.
  • the main magnetic circuit produces a magnetic field, the field lines 13 of which are essentially radial in the outlet plane 14 perpendicular to the axis of the propellant. It is important to note that the modifications made to a plasma thruster according to the invention do not not modify the shape of the field lines 13 inside the annular channel
  • the plasma thruster of FIG. 1 is in fact equipped with an additional peripheral magnetic circuit 60 connecting to the peripheral pole piece 3 situated outside the annular channel 1 a flared magnetic piece essentially frustoconical 63 which is open to both ends, is coaxial with the axis of the annular channel 1 while being located downstream of the outlet plane 14, and widens downstream.
  • the frustoconical pole piece 63 cooperates with the additional peripheral magnetic circuit 60 and the pole pieces 3, 4 located on either side of the channel 1 to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel 1.
  • the essentially frustoconical pole piece 63 may have a half-angle at the top ⁇ of between 30 ° and 60 ° and for example of the order of 45 °.
  • the additional pole piece 63 can be connected to the main magnetic circuit 10, 3, at the exit plane 14, by bars
  • These bars 60 can be constituted by simple ferromagnetic parts without the addition of an active element on the magnetic plane (permanent magnet, electromagnet coil) or at the level of the pole piece.
  • the bars 60 can be constituted by permanent magnets.
  • the bars 60 are made of soft iron and, as shown in Figure 1, are surrounded by coils 61 whose winding direction is such that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit is directed in an opposite direction to that of the magnetic flux created in the magnetic circuit 10 disposed outside the annular channel 1 parallel to the axis of the propellant.
  • FIG. 2 represents another embodiment of the invention, in which the additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a single ferromagnetic ring.
  • Figure 2 there is shown an embodiment in which the assembly of the pole piece 63 essentially frustoconical and the additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a single piece fixed for example by bolting or welding , on the peripheral pole pieces located outside the annular channel 1.
  • the frustoconical pole piece 63, the bars 60 or the ferromagnetic ring 80 can be made of an electrically insulating ferrite.
  • the hollow cathode 7 in a closed electron drift plasma thruster according to the invention, can be incorporated in a hole 163 formed in the flared pole piece 63 In this case, the hollow cathode 7 is equipped with a ferromagnetic screen 164 for protection against the local magnetic field.
  • the ferromagnetic protective screen 164 can be arranged around an ignition electrode 72 which itself surrounds the body 71 of the hollow cathode
  • the ignition electrode 72 and the tube 164 thus both contribute to constituting a protective screen against heat for the body 71.
  • the hollow cathode 7 can be mounted on the pole pieces 3 and 63 by a flange 73.
  • the axis cathode 7 is approximately parallel to the local magnetic field lines.
  • the pole piece 63 forming a diverging portion can be covered with a coating 263 (FIG. 3) which can play several roles.
  • the coating 263 can increase the emissivity of the surface of the part so as to increase the flux of radiation and thus lower the operating temperature of the propellant.
  • the coating 263 can still provide electrical insulation.
  • the coating 263 can constitute a protection against contamination between the annular channel 1 and the flared pole piece 63.
  • the coating 263 can also be extended by a coating 263b produced on the sides of the propellant (FIG. 3).
  • the coating 263, 263b can be made of a material identical to that of the parts delimiting the annular channel 1.
  • the coating 263, 263 b can be produced using one of the following materials, or a combination of these materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al2 ⁇ 3-Ti ⁇ 2 and
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of the invention according to which the additional pole piece 63 does not have an exactly frustoconical shape, but rather a flared shape in the manner of a tulip, the flared pole piece 63 having a curvature 363 such that the angle formed by this part and the axis of the motor increases when one moves away from the outlet plane 14 downstream, so as to allow a progressive development of the magnetic field lines.
  • the ions formed and accelerated outside the channel 1 are forced to remain inside a cone defined by the additional pole piece 63.
  • this additional pole piece 63, the associated additional magnetic circuit 60, 61 and the pole pieces 3, 4 cooperate to conform the magnetic field, and therefore the equipotential lines 113a downstream of the outlet plane 14 of the engine.
  • An ion created at a point 53a is accelerated according to a vector 54a in a direction normal to an equipotential, which corresponds very closely to a line of magnetic field.
  • FIG. 5 shows three histograms giving the profile of an ion beam at a distance of 500 mm from the output of the propellant for the following three cases:
  • the histogram P shows the improvement obtained when using a plasma thruster equipped according to the invention with additional means 63, 60 for shaping the magnetic field, such as for example the means 63, 60 of FIG. 1, the coils 61 not being excited, which corresponds to passive type shaping means.
  • additional means 63, 60 for shaping the magnetic field such as for example the means 63, 60 of FIG. 1, the coils 61 not being excited, which corresponds to passive type shaping means.
  • the histogram A corresponds to the implementation of additional magnetic field shaping means 63, 60 of the active type, that is to say for example to the embodiment of FIG. 1 with coils 61 excited.
  • the density of the ions in the vicinity of the axis is practically multiplied by a factor of three while the density on the sides is quite negligible.

Abstract

The invention concerns a device for concentrating ion beams for a hydromagnetic propulsion means with closed electron drift comprising: a) a flared magnetic polar part (63) substantially truncated, open at its two ends and designed to be located downstream of the hydromagnetic propulsion means output plane, comprising a ring-shaped ionisation and acceleration channel (1) and peripheral (3) and central (4) polar parts arranged on either side of the ring-shaped channel (1) to generate a substantially radial magnetic field in an output plane perpendicular to the ring-shaped channel (1) axis; and b) a supplementary peripheral magnetic circuit (60) connecting the flared magnetic polar part (63) downstream end with the peripheral polar part (3), the flared magnetic polar part (63) co-operating with the supplementary peripheral magnetic circuit (60) and the peripheral (3) and central (4) polar parts to define the shape of the magnetic field downstream of the ring-shaped channel (1) so as to force the ion beams emitted by the ring-shaped channel (1) to remain inside a substantially conical zone whereof the predetermined top angle is defined by the flared magnetic polar part (63) top angle.

Description

Dispositif de concentration de faisceau d'ions pour propulseur à plasma et propulseur à plasma équipé d'un tel dispositif Ion beam concentrating device for plasma thruster and plasma thruster equipped with such a device
Domaine de l'invention La présente invention concerne les moteurs électro-ioniques à plasma appliqués notamment à la propulsion spatiale, mais également à des procédés industriels au sol, et plus particulièrement les propulseurs à plasma du type à dérive fermée d'électrons encore appelés propulseurs à plasma stationnaire (SPT), propulseurs de Hall ou propulseurs à couche anodique (ALT).Field of the Invention The present invention relates to plasma electro-ionic motors applied in particular to space propulsion, but also to industrial processes on the ground, and more particularly plasma thrusters of the closed electron drift type also called propellants. stationary plasma (SPT), Hall thrusters or anodic layer thrusters (ALT).
Art antérieurPrior art
On connaît déjà notamment par un article de L.H. ARTSIMOVITCH et al paru en 1974 concernant le programme de développement du propulseur à plasma stationnaire (SPT) et ses essais sur le satellite "METEOR", des propulseurs du type à dérive fermée d'électrons ou propulseurs à plasma stationnaire qui se distinguent des autres catégories de propulseurs ioniques par le fait que l'ionisation et l'accélération ne sont pas différenciées et que la zone d'accélération comporte un nombre d'ions et d'électrons égal, ce qui permet d'éliminer tout phénomène de charge d'espace. On décrira ci-après, en référence à la figure 6, un propulseur à dérive fermée d'électrons tel qu'il a été proposé dans l'article précité de L.H. ARTSIMOVITCH et al.Already known in particular from an article by LH ARTSIMOVITCH et al published in 1974 concerning the development program of the stationary plasma thruster (SPT) and its tests on the "METEOR" satellite, thrusters of the closed electron drift type or thrusters with stationary plasma which are distinguished from the other categories of ion propellants by the fact that the ionization and the acceleration are not differentiated and that the acceleration zone comprises an equal number of ions and electrons, which allows d '' eliminate any space charge phenomenon. Will be described below, with reference to Figure 6, a closed electron drift propellant as it was proposed in the aforementioned article by L.H. ARTSIMOVITCH et al.
Un canal annulaire 1 défini par une pièce 2 en matériau isolant est placé dans un électro-aimant comprenant des pièces polaires annulaires externe 3 et interne 4 placées respectivement à l'extérieur et à l'intérieur de la pièce 2 en matériau isolant, une culasse magnétique 12 disposée à l'amont du moteur et des bobines d'électro-aimant 11 qui s'étendent sur toute la longueur du canal 1 et sont montées en série autour de noyaux magnétiques 10 reliant la pièce polaire externe 3 à la culasse 12. Une cathode creuse 7, connectée à la masse, est couplée à un dispositif 17 d'alimentation en xénon pour former un nuage de plasma devant la sortie aval du canal 1. Une anode annulaire 5 reliée au pôle positif d'une source d'alimentation électrique par exemple de 300 volts est disposée dans la partie amont fermée du canal annulaire 1. Un tube d'injection de xénon 6, coopérant avec un isolateur thermique et électrique 8 débouche dans un canal de distribution annulaire 9 disposé immédiatement au voisinage de l'anode annulaire 5.An annular channel 1 defined by a piece 2 of insulating material is placed in an electromagnet comprising external annular pole pieces 3 and internal 4 placed respectively outside and inside the piece 2 of insulating material, a cylinder head magnetic 12 arranged upstream of the motor and the electromagnet coils 11 which extend over the entire length of the channel 1 and are mounted in series around magnetic cores 10 connecting the external pole piece 3 to the cylinder head 12. A hollow cathode 7, connected to ground, is coupled to a device 17 for supplying xenon to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of the channel 1. An annular anode 5 connected to the positive pole of a power source electric for example 300 volts is disposed in the closed upstream part of the annular channel 1. A xenon injection tube 6, cooperating with a thermal and electrical insulator 8 opens into an annular distribution channel 9 disposed immediately in the vicinity of the annular anode 5.
Les électrons d'ionisation et de neutralisation proviennent de la cathode creuse 7. Les électrons d'ionisation sont attirés dans le canal annulaire isolant 1 par le champ électrique régnant entre l'anode 5 et le nuage de plasma issu de la cathode 7.The ionization and neutralization electrons come from the hollow cathode 7. The ionization electrons are drawn into the insulating annular channel 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud coming from the cathode 7.
Sous l'effet du champ électrique E et du champ magnétique B créé par les bobines 11, les électrons d'ionisation prennent une trajectoire de dérive en azimut nécessaire pour maintenir le champ électrique dans le canal. Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires fermées à l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du propulseur.Under the effect of the electric field E and the magnetic field B created by the coils 11, the ionization electrons take a drift trajectory in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel. The ionization electrons then drift along closed paths inside the insulating channel, hence the name of the propellant.
Le mouvement de dérive des électrons augmente considérablement la probabilité de collision des électrons avec les atomes neutres, phénomène produisant les ions (ici de xénon). Le champ magnétique est défini par la forme des pièces 3, 4. Les lignes 13 du champ magnétique sont essentiellement radiales dans le plan de sortie 14 du propulseur.The drift movement of the electrons considerably increases the probability of collision of the electrons with the neutral atoms, phenomenon producing the ions (here of xenon). The magnetic field is defined by the shape of the parts 3, 4. The lines 13 of the magnetic field are essentially radial in the outlet plane 14 of the propellant.
Les propulseurs à dérive fermée d'électrons mettent ainsi en jeu des accélérations d'ions dans un plasma. Les ions ne sont pas mono- énergétiques. En première approximation, le faisceau d'ions présente deux composantes :The closed electron drift propellants thus involve ion accelerations in a plasma. The ions are not monoenergetic. As a first approximation, the ion beam has two components:
- une composante assez étroite, de haute énergie, qui provient de la région d'ionisation en amont du canal d'accélération 1, et- a fairly narrow, high energy component, which comes from the ionization region upstream of the acceleration channel 1, and
- une composante fortement divergente, de faible énergie, qui apparaît à partir de la sortie du canal d'accélération 1 et se développe dans le volume situé immédiatement en aval du plan de sortie 14 du propulseur.- A strongly divergent, low energy component, which appears from the output of the acceleration channel 1 and develops in the volume located immediately downstream of the output plane 14 of the propellant.
Les figures 8a et 8b montrent la distribution du courant d'ions du faisceau ionique en fonction de l'énergie pour propulseur ionique fonctionnant à une tension de décharge Vca de 300 V. La figure 8a comporte six courbes correspondant à des angles respectivement de 0°, 7°30', 15°, 22°30', 30° et 37°30' par rapport à l'axe du propulseur. On peut constater que le courant ionique présente un pic correspondant à 270 eV, dont l'amplitude décroît fortement quand la valeur de l'angle par rapport à l'axe du propulseur augmente. Ce pic principal est dû aux ions primaires. Des ions secondaires produits au niveau du plan de sortie du propulseur forment par ailleurs un pic secondaire correspondant à une énergie de 20 à 30 eV. L'amplitude du pic secondaire est pratiquement indépendante de la valeur de l'angle de divergence par rapport à l'axe du propulseur.FIGS. 8a and 8b show the distribution of the ion current of the ion beam as a function of the energy for an ion propellant operating at a discharge voltage V ac of 300 V. FIG. 8a has six curves corresponding to angles respectively of 0 °, 7 ° 30 ', 15 °, 22 ° 30', 30 ° and 37 ° 30 'relative to the axis of the propellant. It can be seen that the ion current has a peak corresponding to 270 eV, the amplitude of which decreases sharply when the value of the angle relative to the axis of the propellant increases. This main peak is due to primary ions. Secondary ions produced at the propellant exit plane also form a secondary peak corresponding to an energy from 20 to 30 eV. The amplitude of the secondary peak is practically independent of the value of the angle of divergence relative to the axis of the propellant.
La figure 8b montre avec une échelle agrandie, cinq courbes correspondant à des angles respectivement de 37°30', 45°, 52°30', 60° et 67°30'. On peut observer que la densité des ions à haute énergie décroît très fortement pour les valeurs élevées de l'angle de divergence par rapport à l'axe de l'appareil. Toutefois, il subsiste encore pour un angle de divergence 67°30' un pourcentage non négligeable d'ions ayant une énergie supérieure à 100 eV. Ces ions sont capables de causer un dommage par leur projection. La figure 9 montre la distribution angulaire des ions de faible énergie et de haute énergie et donne une représentation d'ensemble du profil du faisceau. La courbe en traits pleins 31 donne la valeur du courant d'ions mesuré dans un collecteur à 30 V en fonction de l'angle de divergence par rapport à l'axe du propulseur et la courbe en traits discontinus 32 donne la valeur du courant d'ions mesuré dans un collecteur à 50 V également en fonction de l'angle de divergence par rapport à l'axe du propulseur.Figure 8b shows with an enlarged scale, five curves corresponding to angles of 37 ° 30 ', 45 °, 52 ° 30', 60 ° and 67 ° 30 'respectively. It can be observed that the density of the high energy ions decreases very strongly for the high values of the angle of divergence relative to the axis of the device. However, there remains still for a divergence angle 67 ° 30 'a non-negligible percentage of ions having an energy greater than 100 eV. These ions are capable of causing damage by their projection. Figure 9 shows the angular distribution of low energy and high energy ions and gives an overall representation of the beam profile. The curve in solid lines 31 gives the value of the ion current measured in a collector at 30 V as a function of the angle of divergence relative to the axis of the propellant and the curve in broken lines 32 gives the value of the current d ion measured in a collector at 50 V also as a function of the angle of divergence with respect to the axis of the propellant.
On voit sur la figure 9 que le pic de densité 33, 34 centré à 0° est la contribution des ions de haute énergie provenant du front d'ionisation situé à l'intérieur du canal d'accélération tandis que la distribution étalée de faible densité correspond aux ions de faible énergie.We see in Figure 9 that the density peak 33, 34 centered at 0 ° is the contribution of high energy ions from the ionization front located inside the acceleration channel while the spread distribution of low density corresponds to low energy ions.
La figure 7 montre une partie de propulseur à dérive fermée d'électrons classique du genre de celui décrit en référence à la figure 6. On voit sur cette figure 7 des flèches 52 donnant l'orientation des vecteurs de vitesse des ions, ainsi qu'une courbe en pointillés 51 représentant la distribution de densité des ions, juste à la sortie du canal d'accélération 1. Les lignes de champ magnétique 113 à la sortie du canal d'accélération 1 créées par les pièces polaires 3, 4 et les bobines 11, 15 sont également représentées en superposition à la représentation de la distribution des ions. On voit que les trajectoires des ions sont perpendiculaires aux lignes de champ magnétique. Il s'ensuit que les trajectoires 54, 56 des ions en des points 53, 55 situés à la périphérie du canal d'accélération 1 en aval du plan de sortie 14 sont pratiquement perpendiculaires à l'axe Z du propulseur.FIG. 7 shows a part of a conventional closed electron drift propellant of the kind described with reference to FIG. 6. This FIG. 7 shows arrows 52 giving the orientation of the ion velocity vectors, as well as a dotted curve 51 representing the density distribution of the ions, just at the exit of the acceleration channel 1. The magnetic field lines 113 at the exit of the acceleration channel 1 created by the pole pieces 3, 4 and the coils 11, 15 are also shown superimposed on the representation of the distribution of the ions. We see that the trajectories of the ions are perpendicular to the magnetic field lines. It follows that the trajectories 54, 56 of the ions at points 53, 55 located on the periphery of the acceleration channel 1 downstream of the outlet plane 14 are practically perpendicular to the axis Z of the propellant.
La trajectoire des ions de la composante de faible énergie et fortement divergente du faisceau d'ions, qui est gouvernée par les lignes de champ magnétique correspondant à des équipotentielles, peut avoir un effet très dommageable sur la surface de l'engin spatial sur lequel est monté le propulseur.The trajectory of the ions of the low energy and strongly divergent component of the ion beam, which is governed by the magnetic field lines corresponding to equipotentials, can have an effect. very damaging on the surface of the spacecraft on which the propellant is mounted.
Dans le cas d'applications industrielles, notamment dans des installations de pulvérisation par faisceau ionique, le fait de ne pas disposer d'un faisceau aux frontières bien délimitées cause aussi des problèmes, car le faisceau s'étale au-delà de la cible et frappe les parois de l'enceinte du dispositif, introduisant ainsi une contamination du revêtement.In the case of industrial applications, in particular in ion beam spraying installations, the fact of not having a beam with well-defined boundaries also causes problems, since the beam spreads beyond the target and strikes the walls of the device enclosure, thereby introducing contamination of the coating.
Objet et description succincte de l'invention L'invention vise à remédier aux inconvénients précités et à permettre la production d'un faisceau ionique de sortie du propulseur présentant un contour bien défini et une densité d'ions dont la répartition est optimisée pour éviter des agressions dues aux ions de faible énergie situés à la périphérie du faisceau. Ces buts sont atteints grâce à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant :OBJECT AND BRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION The invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and to allow the production of an ion beam output from the propellant having a well defined contour and an ion density whose distribution is optimized to avoid attacks due to low energy ions located at the periphery of the beam. These goals are achieved by a closed electron drift plasma thruster, comprising:
- un canal annulaire d'ionisation et d'accélération défini par des pièces en matériau isolant et présentant une ouverture à son extrémité aval,an annular ionization and acceleration channel defined by pieces of insulating material and having an opening at its downstream end,
- au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur dudit canal annulaire et en aval de celui-ci,- at least one hollow cathode placed outside said annular channel and downstream of it,
- une anode annulaire concentrique au canal annulaire et disposée en amont de l'ouverture dudit canal à distance de celle-ci,an annular anode concentric with the annular channel and disposed upstream of the opening of said channel at a distance therefrom,
- des premier et deuxième moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse et à l'anode annulaire, - un circuit magnétique de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire, ce circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts de création d'un champ magnétique, une culasse, un circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire et des pièces polaires périphérique et centrale reliées entre elles par ledit circuit magnétique périphérique et ladite culasse et disposées de part et d'autre du canal annulaire pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie perpendiculaire à l'axe dudit canal annulaire, caractérisé en ce qu'il comprend en outre :- first and second means for supplying ionizable gas associated respectively with the hollow cathode and the annular anode, - a magnetic circuit for creating a magnetic field in the annular channel, this magnetic circuit comprising several distinct means for creating a magnetic field, a yoke, a peripheral magnetic circuit disposed axially outside the annular channel and peripheral and central pole pieces connected together by said peripheral magnetic circuit and said yoke and arranged on either side of the channel annular to produce an essentially radial magnetic field in an exit plane perpendicular to the axis of said annular channel, characterized in that it further comprises:
- une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique ouverte à ses deux extrémités, coaxiale avec l'axe du canal annulaire, située en aval dudit plan de sortie et s'évasant vers l'aval, et - au moins un circuit magnétique périphérique additionnel reliant l'extrémité aval de ladite pièce polaire magnétique évasée à la pièce polaire périphérique située à l'extérieur du canal auxiliaire, la pièce polaire magnétique évasée coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel et les pièces polaires situées de part et d'autre du canal annulaire pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire évasée. Ainsi, selon l'invention, le faisceau ionique en sortie du canal annulaire d'accélération est contraint de rester à l'intérieur d'un cône dont le demi-angle au sommet est défini par le demi-angle au sommet de la pièce polaire évasée, sans toutefois que le demi-angle au sommet du faisceau ionique conique soit nécessairement rigoureusement égal à celui de la pièce polaire évasée.a substantially tapered magnetic pole piece open at its two ends, coaxial with the axis of the annular channel, located downstream of said outlet plane and flaring downstream, and - at least one additional peripheral magnetic circuit connecting the downstream end of said flared magnetic pole piece to the peripheral pole piece located outside the auxiliary channel, the flared magnetic pole piece cooperating with the additional peripheral magnetic circuit and the pole pieces located on either side of the annular channel to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel so as to force the beam of ions emitted by the annular channel to remain inside an essentially conical area, the predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared pole piece. Thus, according to the invention, the ion beam at the outlet of the annular acceleration channel is forced to remain inside a cone whose half-angle at the top is defined by the half-angle at the top of the pole piece. flared, without however that the half-angle at the top of the conical ion beam is necessarily strictly equal to that of the flared pole piece.
La pièce polaire évasée située en aval du plan de sortie habituel du canal d'accélération a essentiellement pour rôle de conformer le champ magnétique en aval du plan de sortie et par là-même de modifier les équipotentielles à l'extérieur du propulseur et la trajectoire des ions, de manière à rendre le trajet des ions plus directif et éviter tout risque d'endommagement des parois extérieures situées au voisinage du faisceau ionique.The flared pole piece located downstream of the usual exit plane of the acceleration channel essentially has the role of conforming the magnetic field downstream of the exit plane and thereby modifying the equipotentials outside the propellant and the trajectory. ions, so as to make the path of the ions more directive and avoid any risk of damage to the external walls located in the vicinity of the ion beam.
On notera que la pièce polaire évasée est elle-même protégée contre des agressions par les ions puisque les trajectoires des ions périphériques sont essentiellement tangentes à cette pièce polaire évasée.It will be noted that the flared pole piece is itself protected against attack by ions since the trajectories of the peripheral ions are essentially tangent to this flared pole piece.
Le demi-angle au sommet α de la pièce polaire évasée essentiellement tronconique est compris entre 30° et 60°.The half-angle at the apex α of the essentially frustoconical flared pole piece is between 30 ° and 60 °.
Avantageusement, le demi-angle au sommet α de la pièce polaire évasée essentiellement tronconique est de l'ordre de 45°. Selon un mode particulier de réalisation, la pièce polaire évasée présente une courbe telle que l'angle formé par ladite pièce et l'axe du propulseur augmente lorsque l'on s'éloigne du plan de sortie vers l'aval, de manière à permettre un épanouissement progressif des lignes de champ magnétique. Selon une caractéristique avantageuse, la pièce polaire évasée est recouverte d'un revêtement destiné à accroître l'émissivité de la surface de ladite pièce, à réaliser une isolation électrique ou à constituer une protection contre une contamination entre le canal annulaire et la pièce polaire évasée.Advantageously, the half-angle at the apex α of the essentially frustoconical flared pole piece is of the order of 45 °. According to a particular embodiment, the flared pole piece has a curve such that the angle formed by said piece and the axis of the propellant increases when one moves away from the outlet plane downstream, so as to allow a progressive development of the magnetic field lines. According to an advantageous characteristic, the flared pole piece is covered with a coating intended to increase the emissivity of the surface of said part, to provide electrical insulation or to provide protection against contamination between the annular channel and the flared pole piece.
Le revêtement peut être réalisé en un matériau identique à celui des pièces délimitant le canal annulaire et peut être constitué par l'un au moins des matériaux suivants : aluminium, nitrure de bore, silice, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, Al2Û3-Tiθ2 et TiN.The coating can be made of a material identical to that of the parts delimiting the annular channel and can consist of at least one of the following materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al2O3- Tiθ2 and TiN.
Selon un mode de réalisation possible, le circuit magnétique périphérique additionnel est constitué par un anneau ferromagnétique unique. De façon plus particulière, la cathode creuse est incorporée dans un trou formé dans la pièce polaire évasée et est munie d'un écran ferromagnétique de protection face au champ magnétique local.According to a possible embodiment, the additional peripheral magnetic circuit consists of a single ferromagnetic ring. More specifically, the hollow cathode is incorporated in a hole formed in the flared pole piece and is provided with a ferromagnetic screen for protection against the local magnetic field.
Le circuit magnétique périphérique additionnel peut encore comprendre des barreaux ferromagnétiques.The additional peripheral magnetic circuit may also include ferromagnetic bars.
Dans ce cas, selon une réalisation particulièrement avantageuse, lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués en fer doux et sont entourés de bobines dont le sens d'enroulement est tel que le flux magnétique créé dans le circuit magnétique périphérique additionnel est dirigé dans un sens opposé à celui du flux magnétique créé dans ledit circuit magnétique périphérique disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire. L'invention concerne encore un dispositif de concentration de faisceau d'ions pour propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, caractérisé en ce qu'il comprend : a) une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique ouverte à ses deux extrémités et prévue pour être située en aval du plan de sortie d'un propulseur à plasma comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération et des pièces polaires périphérique et centrale disposées de part et d'autre du canal annulaire pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie perpendiculaire à l'axe du canal annulaire et b) un circuit magnétique périphérique additionnel reliant l'extrémité aval de la pièce polaire magnétique évasée à ladite pièce polaire périphérique, la pièce polaire magnétique évasée coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel et les pièces polaires périphérique et centrale pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire magnétique évasée.In this case, according to a particularly advantageous embodiment, said ferromagnetic bars are made of soft iron and are surrounded by coils whose winding direction is such that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit is directed in a direction opposite to that of the magnetic flux created in said peripheral magnetic circuit disposed axially outside the annular channel. The invention also relates to an ion beam concentrating device for a closed electron drift plasma thruster, characterized in that it comprises: a) a flared, essentially frustoconical magnetic pole piece open at its two ends and intended for be located downstream of the outlet plane of a plasma thruster comprising an annular ionization and acceleration channel and peripheral and central pole pieces arranged on either side of the annular channel to produce an essentially radial magnetic field in an outlet plane perpendicular to the axis of the annular channel and b) an additional peripheral magnetic circuit connecting the downstream end of the flared magnetic pole piece to said peripheral pole piece, the flared magnetic pole piece cooperating with the additional peripheral magnetic circuit and the peripheral and central pole pieces to define the shape of the cham p magnetic downstream of the annular channel so as to force the ion beam emitted by the annular channel to remain inside an essentially zone conical whose predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared magnetic pole piece.
Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs en référence aux dessins annexés sur lesquels :Brief description of the drawings Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description of particular embodiments, given by way of nonlimiting examples with reference to the appended drawings in which:
- la figure 1 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation de faisceau selon un premier mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 1 is a view in axial section of part of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to a first particular embodiment of the invention,
- la figure 2 est une vue schématique en coupe axiale de l'ensemble d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation du faisceau selon un deuxième mode particulier de réalisation de l'invention,FIG. 2 is a schematic view in axial section of the assembly of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to a second particular embodiment of the invention,
- la figure 3 est une vue axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons équipé d'un dispositif de conformation de faisceau selon l'invention dans lequel est incorporée la cathode creuse,FIG. 3 is an axial view of part of a plasma electron drift thruster equipped with a beam shaping device according to the invention in which the hollow cathode is incorporated,
- la figure 4 est une vue en coupe axiale montrant une variante de réalisation d'un dispositif de conformation de faisceau selon l'invention appliqué à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons,FIG. 4 is a view in axial section showing an alternative embodiment of a beam shaping device according to the invention applied to a plasma thruster with closed electron drift,
- la figure 5 montre des histogrammes comparatifs de profil du faisceau ionique pour un propulseur à plasma standard et pour deux modes de réalisation différents de propulseurs équipés de dispositifs de conformation de faisceau selon l'invention,FIG. 5 shows comparative histograms of profile of the ion beam for a standard plasma thruster and for two different embodiments of thrusters equipped with beam shaping devices according to the invention,
- la figure 6 est une vue en coupe axiale montrant un exemple de propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur,FIG. 6 is an axial section view showing an example of a closed electron drift plasma thruster according to the prior art,
- la figure 7 est une vue en coupe axiale d'une partie d'un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons selon l'art antérieur, montrant la distribution de densité des ions superposée aux lignes de champ magnétique à l'extérieur du canal d'accélération,FIG. 7 is a view in axial section of a part of a plasma thruster with closed electron drift according to the prior art, showing the density distribution of the ions superimposed on the magnetic field lines outside the acceleration channel,
- les figures 8a et 8b montrent des courbes donnant la distribution du courant ionique en fonction de l'énergie selon différentes orientations par rapport à l'axe du propulseur pour un propulseur à plasma de l'art antérieur, et - la figure 9 montre le profil de l'ensemble d'un faisceau d'ions à la sortie d'un propulseur à plasma de l'art antérieur pour deux collecteurs ayant des tensions différentes.FIGS. 8a and 8b show curves giving the distribution of the ion current as a function of energy according to different orientations relative to the axis of the propellant for a plasma propellant of the prior art, and - Figure 9 shows the profile of the assembly of an ion beam at the outlet of a plasma thruster of the prior art for two collectors having different voltages.
Description détaillée de modes particuliers de réalisationDetailed description of particular embodiments
La figure 1 est une vue similaire à celle de la figure 7 et montre un exemple de mise en oeuvre de moyens de conformation d'un faisceau ionique qui, conformément à l'invention, sont disposés en aval du plan de sortie 14 d'un moteur à plasma à dérive fermée d'électrons. On voit sur la figure 1 la partie aval du canal d'accélération annulaire 1 délimité par des pièces 2 en matériau isolant représentées en pointillés, et la partie aval du circuit magnétique principal de création d'un champ magnétique dans le canal 1. Le circuit magnétique principal comprend une pièce polaire centrale 4 et une pièce polaire annulaire périphérique 3 situées au voisinage du plan de sortie 14 ainsi qu'un circuit magnétique périphérique 10, des bobines d'électro-aimant périphériques 11 et des bobines d'électro-aimant coopérant avec la pièce polaire centrale 4, ainsi qu'une culasse analogue à la culasse 12 de la figure 6 mais non représentée sur la figure 1. Les éléments 1 à 4, 10, 11, 15 de la figure 1 peuvent être réalisés d'une manière similaire aux éléments correspondants de la figure 7 qui correspond à une réalisation de l'art antérieur.Figure 1 is a view similar to that of Figure 7 and shows an example of implementation of means for shaping an ion beam which, according to the invention, are arranged downstream of the exit plane 14 of a closed electron drift plasma engine. We see in Figure 1 the downstream part of the annular acceleration channel 1 delimited by pieces 2 of insulating material shown in dotted lines, and the downstream part of the main magnetic circuit creating a magnetic field in the channel 1. The circuit main magnetic element comprises a central pole piece 4 and a peripheral annular pole piece 3 situated in the vicinity of the outlet plane 14 as well as a peripheral magnetic circuit 10, peripheral electromagnet coils 11 and cooperating electromagnet coils with the central pole piece 4, as well as a cylinder head similar to the cylinder head 12 of FIG. 6 but not shown in FIG. 1. The elements 1 to 4, 10, 11, 15 of FIG. 1 can be made of a similarly to the corresponding elements of Figure 7 which corresponds to an embodiment of the prior art.
De même, le propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons de la figure 1 peut comprendre de façon classique, selon une réalisation pouvant être par exemple, du genre de celle représentée sur la figure 6, sans être nécessairement identique, une anode annulaire 5 concentrique au canal annulaire 1 et disposée à une certaine distance en amont de l'ouverture du canal 1, et des moyens 6 d'alimentation en gaz ionisable, tel que du xénon, associés à l'anode annulaire 5. Le propulseur à plasma selon l'invention comprend en outre une cathode creuse 7, non représentée sur la figure 1, mais visible sur la figure 2, qui est disposée à l'extérieur du canal 1 en aval de celui- ci et est associée à des moyens 17 d'alimentation en gaz ionisable tel que du xénon.Likewise, the closed electron drift plasma thruster of FIG. 1 can conventionally comprise, according to an embodiment which may be, for example, of the kind shown in FIG. 6, without necessarily being identical, an annular anode 5 concentric with the annular channel 1 and disposed at a certain distance upstream from the opening of the channel 1, and means 6 for supplying ionizable gas, such as xenon, associated with the annular anode 5. The plasma thruster according to the invention further comprises a hollow cathode 7, not shown in Figure 1, but visible in Figure 2, which is arranged outside the channel 1 downstream thereof and is associated with means 17 of supply of ionizable gas such as xenon.
Le circuit magnétique principal produit un champ magnétique dont les lignes de champ 13 sont essentiellement radiales dans le plan de sortie 14 perpendiculaire à l'axe du propulseur. Il est important de noter que les modifications apportées à un propulseur à plasma selon l'invention ne modifient pas la forme des lignes de champ 13 à l'intérieur du canal annulaireThe main magnetic circuit produces a magnetic field, the field lines 13 of which are essentially radial in the outlet plane 14 perpendicular to the axis of the propellant. It is important to note that the modifications made to a plasma thruster according to the invention do not not modify the shape of the field lines 13 inside the annular channel
1, lesquelles lignes de champ 13 à l'intérieur du canal 1 sont identiques dans le cas du propulseur connu de la figure 7 et dans celui du propulseur selon l'invention représenté sur la figure 1. En revanche, les lignes de champ magnétique 113a en aval du plan de sortie 14 sont fortement modifiées dans le cas de la réalisation de la figure 1, par rapport aux lignes de champ 113 de la figure 7.1, which field lines 13 inside the channel 1 are identical in the case of the known thruster of FIG. 7 and in that of the thruster according to the invention shown in FIG. 1. On the other hand, the magnetic field lines 113a downstream of the exit plane 14 are greatly modified in the case of the embodiment of FIG. 1, with respect to the field lines 113 of FIG. 7.
Le propulseur à plasma de la figure 1 est en effet équipé d'un circuit magnétique périphérique additionnel 60 reliant à la pièce polaire périphérique 3 située à l'extérieur du canal annulaire 1 une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique 63 qui est ouverte à ses deux extrémités, est coaxiale à l'axe du canal annulaire 1 en étant située en aval du plan de sortie 14, et s'évase vers l'aval.The plasma thruster of FIG. 1 is in fact equipped with an additional peripheral magnetic circuit 60 connecting to the peripheral pole piece 3 situated outside the annular channel 1 a flared magnetic piece essentially frustoconical 63 which is open to both ends, is coaxial with the axis of the annular channel 1 while being located downstream of the outlet plane 14, and widens downstream.
La pièce polaire tronconique 63 coopère avec le circuit magnétique périphérique additionnel 60 et les pièces polaires 3, 4 situées de part et d'autre du canal 1 pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire 1.The frustoconical pole piece 63 cooperates with the additional peripheral magnetic circuit 60 and the pole pieces 3, 4 located on either side of the channel 1 to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel 1.
De façon plus particulière, la pièce polaire 63 essentiellement tronconique peut présenter un demi-angle au sommet α compris entre 30° et 60° et par exemple de l'ordre de 45°.More particularly, the essentially frustoconical pole piece 63 may have a half-angle at the top α of between 30 ° and 60 ° and for example of the order of 45 °.
La pièce polaire additionnelle 63 peut être reliée au circuit magnétique principal 10, 3, au niveau du plan de sortie 14, par des barreauxThe additional pole piece 63 can be connected to the main magnetic circuit 10, 3, at the exit plane 14, by bars
60. Ces barreaux 60 peuvent être constitués par de simples pièces ferromagnétiques sans adjonction d'élément actif sur le plan magnétique (aimant permanent, bobine d'électro-aimant) ni au niveau de la pièce polaire60. These bars 60 can be constituted by simple ferromagnetic parts without the addition of an active element on the magnetic plane (permanent magnet, electromagnet coil) or at the level of the pole piece.
63, ni au niveau des barreaux 60 constituant le circuit magnétique périphérique additionnel.63, nor at the level of the bars 60 constituting the additional peripheral magnetic circuit.
Toutefois, de préférence, des éléments actifs sur la plan magnétique sont incorporés dans le circuit magnétique périphérique additionnel. Ainsi, les barreaux 60 peuvent être constitués par des aimants permanents.However, preferably, elements active on the magnetic plane are incorporated in the additional peripheral magnetic circuit. Thus, the bars 60 can be constituted by permanent magnets.
Selon un mode de réalisation avantageux, les barreaux 60 sont constitués en fer doux et, comme représenté sur la figure 1, sont entourés de bobines 61 dont le sens d'enroulement est tel que le flux magnétique créé dans le circuit magnétique périphérique additionnel est dirigé dans un sens opposé à celui du flux magnétique créé dans le circuit magnétique 10 disposé à l'extérieur du canal annulaire 1 parallèlement à l'axe du propulseur.According to an advantageous embodiment, the bars 60 are made of soft iron and, as shown in Figure 1, are surrounded by coils 61 whose winding direction is such that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit is directed in an opposite direction to that of the magnetic flux created in the magnetic circuit 10 disposed outside the annular channel 1 parallel to the axis of the propellant.
La figure 2 représente un autre mode de réalisation de l'invention, dans lequel le circuit magnétique périphérique additionnel 80 est constitué par un anneau ferromagnétique unique.FIG. 2 represents another embodiment of the invention, in which the additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a single ferromagnetic ring.
De façon plus particulière, sur la figure 2, on a représenté un mode de réalisation dans lequel l'ensemble de la pièce polaire 63 essentiellement tronconique et du circuit magnétique périphérique additionnel 80 est constitué par une pièce unique fixée par exemple par boulonnage ou par soudage, sur les pièces polaires périphériques situées à l'extérieur du canal annulaire 1.More particularly, in Figure 2, there is shown an embodiment in which the assembly of the pole piece 63 essentially frustoconical and the additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a single piece fixed for example by bolting or welding , on the peripheral pole pieces located outside the annular channel 1.
La pièce polaire tronconique 63, les barreaux 60 ou l'anneau ferromagnétique 80 peuvent être réalisés en une ferrite isolante électriquement.The frustoconical pole piece 63, the bars 60 or the ferromagnetic ring 80 can be made of an electrically insulating ferrite.
Comme on peut le voir sur le mode de réalisation de la figure 3, dans un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons conforme à l'invention, la cathode creuse 7 peut être incorporée dans un trou 163 formé dans la pièce polaire évasée 63. Dans ce cas, la cathode creuse 7 est équipée d'un écran ferromagnétique 164 de protection face au champ magnétique local.As can be seen in the embodiment of Figure 3, in a closed electron drift plasma thruster according to the invention, the hollow cathode 7 can be incorporated in a hole 163 formed in the flared pole piece 63 In this case, the hollow cathode 7 is equipped with a ferromagnetic screen 164 for protection against the local magnetic field.
L'écran ferromagnétique 164 de protection peut être disposé autour d'une électrode d'allumage 72 qui entoure elle-même le corps 71 de la cathode creuseThe ferromagnetic protective screen 164 can be arranged around an ignition electrode 72 which itself surrounds the body 71 of the hollow cathode
7 alimentée en gaz ionisable. L'électrode d'allumage 72 et le tube 164 contribuent ainsi tous deux à constituer un écran protecteur contre la chaleur pour le corps 71. La cathode creuse 7 peut être montée sur les pièces polaires 3 et 63 par une bride 73. L'axe de la cathode 7 est approximativement parallèle aux lignes de champ magnétique local.7 supplied with ionizable gas. The ignition electrode 72 and the tube 164 thus both contribute to constituting a protective screen against heat for the body 71. The hollow cathode 7 can be mounted on the pole pieces 3 and 63 by a flange 73. The axis cathode 7 is approximately parallel to the local magnetic field lines.
La pièce polaire 63 formant divergent peut être recouverte d'un revêtement 263 (Fig 3) pouvant jouer plusieurs rôles. Ainsi, le revêtement 263 peut accroître l'émissivité de la surface de la pièce de manière à accroître le flux de rayonnement et ainsi abaisser la température de fonctionnement du propulseur.The pole piece 63 forming a diverging portion can be covered with a coating 263 (FIG. 3) which can play several roles. Thus, the coating 263 can increase the emissivity of the surface of the part so as to increase the flux of radiation and thus lower the operating temperature of the propellant.
Le revêtement 263 peut encore assurer une isolation électrique.The coating 263 can still provide electrical insulation.
Enfin le revêtement 263 peut constituer une protection contre une contamination entre le canal annulaire 1 et la pièce polaire évasée 63.Finally, the coating 263 can constitute a protection against contamination between the annular channel 1 and the flared pole piece 63.
Une même couche de revêtement peut répondre à ces trois objectifs. Le revêtement 263 peut également se prolonger par un revêtement 263b réalisé sur les côtés du propulseur (Fig 3). Le revêtement 263, 263b peut être réalisé en un matériau identique à celui des pièces délimitant le canal annulaire 1.A single coating layer can meet these three objectives. The coating 263 can also be extended by a coating 263b produced on the sides of the propellant (FIG. 3). The coating 263, 263b can be made of a material identical to that of the parts delimiting the annular channel 1.
A titre d'exemple, le revêtement 263, 263 b peut être réalisé par l'un des matériaux suivants, ou une combinaison de ces matériaux : aluminium, nitrure de bore, silice, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, Al2θ3-Tiθ2 etFor example, the coating 263, 263 b can be produced using one of the following materials, or a combination of these materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al2θ3-Tiθ2 and
TiN.TiN.
La figure 4 montre une variante de réalisation de l'invention selon laquelle la pièce polaire additionnelle 63 ne présente pas une forme exactement tronconique, mais plutôt une forme évasée à la manière d'une tulipe, la pièce polaire évasée 63 présentant une courbure 363 telle que l'angle formé par cette pièce et l'axe du moteur augmente lorsque l'on s'éloigne du plan de sortie 14 vers l'aval, de manière à permettre un épanouissement progressif des lignes de champ magnétique.FIG. 4 shows an alternative embodiment of the invention according to which the additional pole piece 63 does not have an exactly frustoconical shape, but rather a flared shape in the manner of a tulip, the flared pole piece 63 having a curvature 363 such that the angle formed by this part and the axis of the motor increases when one moves away from the outlet plane 14 downstream, so as to allow a progressive development of the magnetic field lines.
Si l'on se reporte à nouveau à la figure 1, on voit que les lignes 1 13a du champ magnétique à l'extérieur du canal annulaire 1 sont moins convexes que les lignes 113 de la figure 7 tandis que les lignes de champ magnétique 13 à l'intérieur du canal 1 sont pratiquement inchangées.Referring again to Figure 1, we see that the lines 1 13a of the magnetic field outside of the annular channel 1 are less convex than the lines 113 of Figure 7 while the magnetic field lines 13 inside channel 1 are practically unchanged.
Les ions formés et accélérés à l'extérieur du canal 1 sont forcés de rester à l'intérieur d'un cône défini par la pièce polaire additionnelle 63. En effet, cette pièce polaire additionnelle 63, le circuit magnétique additionnel associé 60, 61 et les pièces polaires 3, 4 coopèrent pour conformer le champ magnétique, et donc les lignes équipotentielles 113a en aval du plan de sortie 14 du moteur. Un ion créé en un point 53a est accéléré selon un vecteur 54a selon une direction normale à une équipotentielle, qui correspond de très près à une ligne de champ magnétique. On constate ainsi que les ions accélérés à la périphérie du faisceau ionique sont pratiquement parallèles à la pièce 63 et peuvent rester à l'intérieur d'un cône dont le demi-angle au sommet est conditionné par le demi-angle au sommet α de la pièce tronconique 63 ou de la pièce évasée assimilable à un tronc de cône. D'une manière générale, dans un propulseur à plasma conforme à l'invention, la densité des ions est augmentée au voisinage de l'axe et est fortement diminuée dans la zone excentrée. Le faisceau ionique est ainsi mieux collimaté, ce qui optimise son utilisation dans des applications industrielles et dans tous les cas réduit les risques de contamination. On a représenté sur la figure 5 trois histogrammes donnant le profil d'un faisceau ionique à une distance de 500 mm de la sortie du propulseur pour les trois cas suivants :The ions formed and accelerated outside the channel 1 are forced to remain inside a cone defined by the additional pole piece 63. In fact, this additional pole piece 63, the associated additional magnetic circuit 60, 61 and the pole pieces 3, 4 cooperate to conform the magnetic field, and therefore the equipotential lines 113a downstream of the outlet plane 14 of the engine. An ion created at a point 53a is accelerated according to a vector 54a in a direction normal to an equipotential, which corresponds very closely to a line of magnetic field. It can thus be seen that the ions accelerated at the periphery of the ion beam are practically parallel to the part 63 and can remain inside a cone whose half-angle at the top is conditioned by the half-angle at the top α of the frustoconical piece 63 or of the flared piece similar to a truncated cone. Generally, in a plasma thruster according to the invention, the density of the ions is increased in the vicinity of the axis and is greatly reduced in the eccentric zone. The ion beam is thus better collimated, which optimizes its use in industrial applications and in all cases reduces the risks of contamination. FIG. 5 shows three histograms giving the profile of an ion beam at a distance of 500 mm from the output of the propellant for the following three cases:
S) avec un propulseur à plasma standard de l'art antérieur, P) avec un propulseur à plasma selon l'invention équipé d'un circuit passif de conformation du champ magnétique à la sortie du propulseur, un tel circuit passif comprenant une pièce polaire 63 et un circuit magnétique additionnel 60 sans éléments magnétiques actifs tels que des aimants permanents ou des électro-aimants, A) avec un propulseur à plasma selon un mode de réalisation préférentiel de l'invention, le circuit de conformation de champ 60, 63 à la sortie du propulseur étant de type actif et comprenant des éléments magnétiques actifs tels que des aimants permanents ou des électro-aimants.S) with a standard plasma thruster of the prior art, P) with a plasma thruster according to the invention equipped with a passive circuit for shaping the magnetic field at the outlet of the thruster, such a passive circuit comprising a pole piece 63 and an additional magnetic circuit 60 without active magnetic elements such as permanent magnets or electromagnets, A) with a plasma thruster according to a preferred embodiment of the invention, the field conformation circuit 60, 63 to the output of the propellant being of the active type and comprising active magnetic elements such as permanent magnets or electromagnets.
Si l'on considère l'histogramme S montrant la divergence d'un faisceau ionique issu d'un propulseur à plasma standard, on constate que la densité d'ions sur les bords est non négligeable tandis que la densité d'ions au voisinage de l'axe reste modérée.If we consider the histogram S showing the divergence of an ion beam from a standard plasma thruster, we see that the ion density on the edges is not negligible while the ion density in the vicinity of the axis remains moderate.
L'histogramme P montre l'amélioration obtenue lorsque l'on utilise un propulseur à plasma équipé selon l'invention de moyens additionnels 63, 60 de conformation de champ magnétique, tels que par exemple les moyens 63, 60 de la figure 1, les bobines 61 n'étant pas excitées, ce qui correspond à des moyens de conformation de type passif. On constate dans ce cas une augmentation de la densité des ions au voisinage de l'axe et une diminution de la densité des ions sur les bords. L'histogramme A correspond à la mise en oeuvre de moyens additionnels de conformation de champ magnétique 63, 60 de type actif, c'est- à-dire par exemple au mode de réalisation de la figure 1 avec des bobines 61 excitées. Dans ce cas, on constate que la densité des ions au voisinage de l'axe est multipliée pratiquement par un facteur de trois tandis que la densité sur les côtés est tout à fait négligeable. The histogram P shows the improvement obtained when using a plasma thruster equipped according to the invention with additional means 63, 60 for shaping the magnetic field, such as for example the means 63, 60 of FIG. 1, the coils 61 not being excited, which corresponds to passive type shaping means. In this case, there is an increase in the density of the ions in the vicinity of the axis and a decrease in the density of the ions at the edges. The histogram A corresponds to the implementation of additional magnetic field shaping means 63, 60 of the active type, that is to say for example to the embodiment of FIG. 1 with coils 61 excited. In this case, we see that the density of the ions in the vicinity of the axis is practically multiplied by a factor of three while the density on the sides is quite negligible.

Claims

REVENDICATIONS
1. Propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant :1. Closed electron drift plasma thruster, comprising:
- un canal annulaire d'ionisation et d'accélération (1) défini par des pièces (2) en matériau isolant et présentant une ouverture à son extrémité aval,- an annular ionization and acceleration channel (1) defined by parts (2) made of insulating material and having an opening at its downstream end,
- au moins une cathode creuse (7) disposée à l'extérieur dudit canal annulaire (1) et en aval de celui-ci,- at least one hollow cathode (7) disposed outside of said annular channel (1) and downstream from it,
- une anode annulaire (5) concentrique au canal annulaire (1) et disposée en amont de l'ouverture dudit canal à distance de celle-ci,- an annular anode (5) concentric with the annular channel (1) and disposed upstream of the opening of said channel at a distance therefrom,
- des premiers (17) et deuxième (6) moyens d'alimentation en gaz ionisable associés respectivement à la cathode creuse (7) et à l'anode annulaire- first (17) and second (6) means for supplying ionizable gas associated respectively with the hollow cathode (7) and the annular anode
(5),(5),
- un circuit magnétique (3, 4, 10, 12) de création d'un champ magnétique dans le canal annulaire (1), ce circuit magnétique comprenant plusieurs moyens distincts (10, 15) de création d'un champ magnétique, une culasse (12), un circuit magnétique périphérique (10) disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire (1) et des pièces polaires périphérique (3) et centrale (4) reliées entre elles par ledit circuit magnétique périphérique (10) et ladite culasse (12) et disposées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie (14) perpendiculaire à l'axe dudit canal annulaire (1), caractérisé en ce qu'il comprend en outre :a magnetic circuit (3, 4, 10, 12) for creating a magnetic field in the annular channel (1), this magnetic circuit comprising several distinct means (10, 15) for creating a magnetic field, a yoke (12), a peripheral magnetic circuit (10) disposed axially outside the annular channel (1) and the peripheral (3) and central (4) pole pieces connected together by said peripheral magnetic circuit (10) and said cylinder head (12) and arranged on either side of the annular channel (1) to produce an essentially radial magnetic field in an exit plane (14) perpendicular to the axis of said annular channel (1), characterized in that it further includes:
- une pièce polaire magnétique évasée essentiellement tronconique (63) ouverte à ses deux extrémités, coaxiale avec l'axe du canal annulaire (1), située en aval dudit plan de sortie (14) et s'évasant vers l'aval, et- a substantially frustoconical flared magnetic pole piece (63) open at its two ends, coaxial with the axis of the annular channel (1), located downstream of said outlet plane (14) and widening downstream, and
- au moins un circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) reliant l'extrémité aval de ladite pièce polaire magnétique évasée (63) à la pièce polaire (3) périphérique située à l'extérieur du canal auxiliaire (1), la pièce polaire magnétique évasée (63) coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) et les pièces polaires (3, 4) situées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire (1) de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire (1) à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire évasée (63). - at least one additional peripheral magnetic circuit (60; 80) connecting the downstream end of said flared magnetic pole piece (63) to the peripheral pole piece (3) located outside the auxiliary channel (1), the pole piece magnetic flare (63) cooperating with the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) and the pole pieces (3, 4) located on either side of the annular channel (1) to define the shape of the magnetic field downstream of the channel annular (1) so as to force the ion beam emitted by the annular channel (1) to remain inside an essentially conical zone whose predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared pole piece (63).
2. Propulseur à plasma selon la revendication 1, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet α de la pièce polaire évasée (63) essentiellement tronconique est compris entre 30° et 60°.2. Plasma thruster according to claim 1, characterized in that the half-angle at the apex α of the flared pole piece (63) essentially frustoconical is between 30 ° and 60 °.
3. Propulseur à plasma selon la revendication 2, caractérisé en ce que le demi-angle au sommet α de la pièce polaire évasée (63) essentiellement tronconique est de l'ordre de 45°.3. plasma thruster according to claim 2, characterized in that the half-angle at the apex α of the flared pole piece (63) essentially frustoconical is of the order of 45 °.
4. Propulseur à plasma selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) présente une courbe telle que l'angle formé par ladite pièce et l'axe du moteur augmente lorsque l'on s'éloigne du plan de sortie (14) vers l'aval, de manière à permettre un épanouissement progressif des lignes de champ magnétique.4. plasma thruster according to claim 1 or claim 2, characterized in that the flared pole piece (63) has a curve such that the angle formed by said piece and the axis of the motor increases when one s' moves away from the exit plane (14) downstream, so as to allow progressive development of the magnetic field lines.
5. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) est recouverte d'un revêtement (263) destiné à accroître l'émissivité de la surface de ladite pièce, à réaliser une isolation électrique ou à constituer une protection contre une contamination entre le canal annulaire (1) et la pièce polaire évasée (63).5. plasma thruster according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the flared pole piece (63) is covered with a coating (263) intended to increase the emissivity of the surface of said piece, provide electrical insulation or provide protection against contamination between the annular channel (1) and the flared pole piece (63).
6. Propulseur à plasma selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit revêtement (263) est réalisé en un matériau identique à celui des pièces (2) délimitant ledit canal annulaire (1). 6. plasma thruster according to claim 5, characterized in that said coating (263) is made of a material identical to that of the parts (2) delimiting said annular channel (1).
7. Propulseur à plasma selon la revendication 5 ou la revendication 6, caractérisé en ce que ledit revêtement (263) est constitué par l'un au moins des matériaux suivants : aluminium, nitrure de bore, silice, nitrure d'aluminium, nitrure de silicium, Al2Û3-Tiθ2 et TiN.7. plasma thruster according to claim 5 or claim 6, characterized in that said coating (263) consists of at least one of the following materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, nitride of silicon, Al2Û3-Tiθ2 and TiN.
8. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ;80) sont réalisés en matériau ferromagnétique sans adjonction d'aimant permanent ou de bobine d'électro-aimant.8. Plasma thruster according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the flared pole piece (63) and the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) are made of ferromagnetic material without the addition of a permanent magnet or solenoid coil.
9. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'un au moins des éléments constitués par la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ;80) sont réalisés en ferrite isolante électriquement.9. plasma thruster according to any one of claims 1 to 8, characterized in that at least one of the elements constituted by the flared pole piece (63) and the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) are made of electrically insulating ferrite.
10. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique additionnel (80) est constitué par un anneau ferromagnétique unique. 10. Plasma thruster according to any one of claims 1 to 9, characterized in that the additional peripheral magnetic circuit (80) consists of a single ferromagnetic ring.
11. Propulseur à plasma selon la revendication 10, caractérisé en ce que la pièce polaire évasée (63) et le circuit magnétique périphérique additionnel (80) sont constitués par une pièce unique fixée sur la pièce polaire périphérique (3) située à l'extérieur du canal annulaire (1).11. Plasma thruster according to claim 10, characterized in that the flared pole piece (63) and the peripheral magnetic circuit additional (80) consist of a single piece fixed to the peripheral pole piece (3) located outside the annular channel (1).
12. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que la cathode creuse (7) est incorporée dans un trou (163) formé dans la pièce polaire évasée (63) et est munie d'un écran ferromagnétique (164) de protection face au champ magnétique local.12. plasma thruster according to any one of claims 1 to 11, characterized in that the hollow cathode (7) is incorporated in a hole (163) formed in the flared pole piece (63) and is provided with a screen ferromagnetic (164) for protection against the local magnetic field.
13. Propulseur à plasma selon la revendication 12, caractérisé en ce que l'écran ferromagnétique (164) de protection est disposé autour d'une électrode d'allumage (72) qui entoure elle-même le corps (71) de la cathode creuse (7).13. plasma thruster according to claim 12, characterized in that the ferromagnetic screen (164) of protection is arranged around an ignition electrode (72) which itself surrounds the body (71) of the hollow cathode (7).
14. Propulseur à plasma selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit magnétique périphérique additionnel (60) comprend des barreaux ferromagnétiques. 14. Plasma thruster according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the additional peripheral magnetic circuit (60) comprises ferromagnetic bars.
15. Propulseur à plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués par des aimants permanents.15. Plasma thruster according to claim 14, characterized in that said ferromagnetic bars are constituted by permanent magnets.
16. Propulseur à plasma selon la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits barreaux ferromagnétiques sont constitués en fer doux et sont entourés de bobines (61) dont le sens d'emoulement est tel que le flux magnétique créé dans le circuit magnétique périphérique additionnel (60) est dirigé dans un sens opposé à celui du flux magnétique crée dans ledit circuit magnétique périphérique (10) disposé axialement à l'extérieur du canal annulaire (1). 16. Plasma thruster according to claim 14, characterized in that said ferromagnetic bars are made of soft iron and are surrounded by coils (61) whose direction of flow is such that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit ( 60) is directed in a direction opposite to that of the magnetic flux created in said peripheral magnetic circuit (10) disposed axially outside the annular channel (1).
17. Dispositif de concentration de faisceau d'ions pour propulseur à plasma à dérivée fermée d'électrons, caractérisé en ce qu'il comprend : a) une pièce polaire magnétique évasée (63) essentiellement tronconique ouverte à ses deux extrémités et prévue pour être située en aval du plan de sortie d'un propulseur à plasma comportant un canal annulaire d'ionisation et d'accélération (1) et des pièces polaires périphérique (3) et centrale (4) disposées de part et d'autre du canal annulaire (1) pour produire un champ magnétique essentiellement radial dans un plan de sortie (14) perpendiculaire à l'axe du canal annulaire (1) et b) un circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) reliant l'extrémité aval de la pièce polaire magnétique évasée (63) à ladite pièce polaire périphérique (3), la pièce polaire magnétique évasée (63) coopérant avec le circuit magnétique périphérique additionnel (60 ; 80) et les pièces polaires périphérique (3) et centrale (4) pour définir la forme du champ magnétique en aval du canal annulaire (1) de manière à contraindre le faisceau d'ions émis par le canal annulaire (1) à rester à l'intérieur d'une zone essentiellement conique dont l'angle au sommet prédéterminé est défini par l'angle au sommet de la pièce polaire magnétique évasée (63). 17. Device for concentrating an ion beam for a plasma thruster with a closed electron derivative, characterized in that it comprises: a) a flared magnetic pole piece (63) essentially frustoconical open at its two ends and designed to be located downstream of the outlet plane of a plasma thruster comprising an annular ionization and acceleration channel (1) and peripheral (3) and central (4) pole pieces arranged on either side of the annular channel (1) for producing an essentially radial magnetic field in an exit plane (14) perpendicular to the axis of the annular channel (1) and b) an additional peripheral magnetic circuit (60; 80) connecting the downstream end of the part flared magnetic pole (63) to said peripheral pole piece (3), the flared magnetic pole piece (63) cooperating with the circuit additional peripheral magnetic (60; 80) and the peripheral (3) and central (4) pole pieces to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel (1) so as to constrain the ion beam emitted by the annular channel (1) to remain inside an essentially conical zone whose predetermined apex angle is defined by the apex angle of the flared magnetic pole piece (63).
EP97925125A 1997-05-23 1997-05-23 Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS Expired - Lifetime EP0914560B1 (en)

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DE (1) DE69734062T2 (en)
WO (1) WO1998053201A1 (en)

Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2782884B1 (en) * 1998-08-25 2000-11-24 Snecma CLOSED ELECTRON DERIVATIVE PLASMA PROPELLER SUITABLE FOR HIGH THERMAL LOADS
WO2002101235A2 (en) * 2001-06-13 2002-12-19 The Regents Of The University Of Michigan Linear gridless ion thruster
US7030576B2 (en) * 2003-12-02 2006-04-18 United Technologies Corporation Multichannel hall effect thruster
US7617092B2 (en) * 2004-12-01 2009-11-10 Microsoft Corporation Safe, secure resource editing for application localization
US7624566B1 (en) 2005-01-18 2009-12-01 The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration Magnetic circuit for hall effect plasma accelerator
US7500350B1 (en) 2005-01-28 2009-03-10 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Elimination of lifetime limiting mechanism of hall thrusters
JP4816004B2 (en) * 2005-10-28 2011-11-16 三菱電機株式会社 Hall thrusters and spacecraft
JP4816179B2 (en) * 2006-03-20 2011-11-16 三菱電機株式会社 Hall thruster
DE102007043955B4 (en) * 2007-09-14 2010-07-22 Thales Electron Devices Gmbh Device for reducing the impact of a surface area by positively charged ions and ion accelerator arrangement
US8407979B1 (en) 2007-10-29 2013-04-02 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Magnetically-conformed, variable area discharge chamber for hall thruster, and method
JP5295423B2 (en) * 2010-03-01 2013-09-18 三菱電機株式会社 Hall thruster, spacecraft and propulsion method
BE1019557A3 (en) * 2010-10-27 2012-08-07 Ion Beam Applic Sa Synchrocyclotron.
FR2979956B1 (en) * 2011-09-09 2013-09-27 Snecma PLASMA STATIONARY POWER PROPULSION PROPULSION SYSTEM
FR2982914B1 (en) * 2011-11-22 2014-01-17 Snecma HALL EFFECTOR
CN102493938B (en) * 2011-12-30 2013-07-17 南开大学 Electric propeller for spaceship
CN103052249A (en) * 2013-01-11 2013-04-17 哈尔滨工业大学 Jet plasma density distribution adjuster
CN103327721B (en) * 2013-06-24 2016-01-27 哈尔滨工业大学 A kind of method controlling cusped magnetic field thruster plume dispersion angle
CN103953518B (en) * 2014-05-13 2016-08-17 哈尔滨工业大学 A kind of anode of multistage cusped magnetic field plasma thruster
CN106438252B (en) * 2016-11-29 2018-09-07 哈尔滨工业大学 The controllable cusp field plasma thruster of thrust direction
CN106596112B (en) * 2016-12-16 2018-08-14 哈尔滨工业大学 A kind of hall thruster ion energy distribution measurement method and system
CN108590994B (en) * 2018-04-25 2019-08-06 哈尔滨工业大学 A kind of permanent magnetism hall thruster outer magnetic pole structure changing Cathod magnetic field distribution
CN109236594B (en) * 2018-09-14 2020-08-25 哈尔滨工业大学 Low-power magnetized electric propulsion hollow cathode thruster

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1366023A (en) * 1963-05-02 1964-07-10 Csf Improvements to neutralized ion beam propulsion devices
US4466242A (en) * 1983-03-09 1984-08-21 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Ring-cusp ion thruster with shell anode
US4838021A (en) * 1987-12-11 1989-06-13 Hughes Aircraft Company Electrostatic ion thruster with improved thrust modulation
JPH03266346A (en) * 1990-03-14 1991-11-27 Toshiba Corp Apparatus for generating ion
WO1992012610A1 (en) * 1990-12-26 1992-07-23 Inzhenerny Tsentr ''plazmodinamika'' Device for plasma-arc processing of material
EP0662195B1 (en) * 1993-06-21 1996-08-28 Societe Europeenne De Propulsion Reduced length plasma engine with closed electron deviation
US5646479A (en) * 1995-10-20 1997-07-08 General Motors Corporation Emissive display including field emitters on a transparent substrate
US5889371A (en) * 1996-05-10 1999-03-30 Denton Vacuum Inc. Ion source with pole rings having differing inner diameters

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
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