EP0914560B1 - Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS - Google Patents

Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS Download PDF

Info

Publication number
EP0914560B1
EP0914560B1 EP97925125A EP97925125A EP0914560B1 EP 0914560 B1 EP0914560 B1 EP 0914560B1 EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 97925125 A EP97925125 A EP 97925125A EP 0914560 B1 EP0914560 B1 EP 0914560B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pole piece
annular channel
flared
magnetic circuit
plasma thruster
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP97925125A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0914560A1 (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

Links

Images

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

  • the frustoconical pole piece 63 cooperates with the circuit peripheral magnetic device 60 and the pole pieces 3, 4 situated both sides of channel 1 to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel 1.
  • the density of ions is increased in the vicinity of the axis and is greatly diminished in the eccentric zone.
  • the ion beam is better collimated, which optimizes its use in industrial applications and in any case reduces the risk of contamination.

Landscapes

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

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

Domaine de l'inventionField of the 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).The present invention relates to electro-ionic motors with Plasmas applied in particular to space propulsion, but also to industrial processes on the ground, and more particularly the plasma thrusters of the closed drift type of electrons also called plasma thrusters stationary (SPT), Hall thrusters or anodic layer thrusters (ALT).

Art antérieurPrior art

On connaít déjà notamment par un article de L. A. ARTSIMOVICH et aL ("Development of a steady plasma engine (SPE) and its use on a 'Meteor' artificial satellite"; Kosmicheske Issledovaniya (URSS), Vol. 12(3) mai-juin 1974, pages 451-468) 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.We already know in particular by an article of L. A. ARTSIMOVICH et al ("Development of a steady plasma engine" (SPE) and Meteor 'artificial satellite', Kosmicheske Issledovaniya (USSR), Flight. 12 (3) May-June 1974, pages 451-468) concerning the program of development of the stationary plasma thruster (SPT) and its tests on the satellite "METEOR", propellants of the closed-drift type of electrons or stationary plasma thrusters which are distinguished from other categories of ionic thrusters by the fact that ionization and acceleration are not differentiated and that the acceleration zone has a number of ions and equal electrons, which eliminates any phenomenon of space charge.

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.A. ARTSIMOVICH et al.With reference to FIG. 6, a propellant will be described below. closed drift of electrons as proposed in the aforementioned article L. A. ARTSIMOVICH 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 made of insulating material is placed in an electromagnet comprising annular pole pieces external 3 and internal 4 placed respectively outside and inside the piece 2 of insulating material, a magnetic yoke 12 disposed upstream of the motor and electromagnet coils 11 which extend over the entire length of channel 1 and are connected in series around magnetic cores 10 connecting the outer pole piece 3 to the cylinder head 12. A hollow cathode 7, connected to the mass, is coupled to a xenon feeding device 17 to form a plasma cloud in front of the downstream outlet of channel 1. An annular anode 5 connected at the positive pole of a power source eg 300 volts is disposed in the upstream closed portion of the annular channel 1. A tube of xenon injection 6 cooperating with a thermal and electrical insulator 8 opens into an annular distribution channel 9 disposed immediately at 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 attracted into the annular channel insulation 1 by the electric field prevailing between the anode 5 and the plasma cloud 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.Under the effect of the electric field E and the magnetic field B created by the coils 11, the ionization electrons take a trajectory of drift in azimuth necessary to maintain the electric field in the channel.

Les électrons d'ionisation dérivent alors selon des trajectoires fermées à l'intérieur du canal isolant, d'où le nom du propulseur.The ionization electrons then drift along trajectories closed inside the insulating channel, hence the name of the thruster.

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).The drifting motion of electrons increases considerably the probability of collision of electrons with atoms neutral, phenomenon producing the ions (here of xenon).

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 magnetic field is defined by the shape of the pieces 3, 4. The lines 13 of the magnetic field are essentially radial in the plane of output 14 of the thruster.

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 :

  • une composante assez étroite, de haute énergie, qui provient de la région d'ionisation en amont du canal d'accélération 1, et
  • une composante fortement divergente, de faible énergie, qui apparaít 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.
The drift propellants closed electrons thus involve ion accelerations in a plasma. Ions are not mono-energetic. As a first approximation, the ion beam has two components:
  • a fairly narrow, high energy component, which comes from the ionization region upstream of the acceleration channel 1, and
  • a strongly diverging component, of low energy, 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 thruster.

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.FIGS. 8a and 8b show the ion beam current distribution of the ion beam as a function of the ion propulsion energy operating at a discharge voltage V ac of 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 décroít 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.Figure 8a has six curves corresponding to angles respectively 0 °, 7 ° 30 ', 15 °, 22 ° 30', 30 ° and 37 ° 30 'to the axis of the propellant. It can be seen that the ionic current has a peak corresponding to 270 eV, whose amplitude decreases sharply when the value of the angle with respect to the axis of the thruster increases. This main peak is due to primary ions. Secondary ions produced at the exit plane of the propellant 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 with respect to the propeller axis.

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 décroít 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.Figure 8b shows with an enlarged scale, five curves corresponding to angles of 37 ° 30 ', 45 °, 52 ° 30', 60 ° and 67 ° 30 '. It can be observed that the density of high energy ions decreases very strongly for the high values of the angle of divergence with respect to the axis of the device. However, it still exists for an angle of divergence 67 ° 30 ' a significant percentage of ions having an energy higher than 100 eV. These ions are able to cause damage by their 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 9 shows the angular distribution of weak ions energy and high energy and gives an overall representation of the profile of the beam. The curve in solid lines 31 gives the value of the ion current measured in a 30 V collector depending on the angle of divergence by compared to the axis of the propeller and the curve in broken lines 32 gives the value of the ion current measured in a collector at 50 V also in function of the angle of divergence with respect to the propeller axis.

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.It can be seen in FIG. 9 that the density peak 33, 34 centered at 0 ° is the contribution of high energy ions from the ionization front located at 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.Figure 7 shows a part of closed drift propeller class of electrons of the type described with reference to FIG. in this figure 7 arrows 52 giving the orientation of the speed vectors ions, as well as a dotted curve 51 representing the distribution of density of ions, just at the exit of the acceleration channel 1. The lines of magnetic field 113 at the output of the acceleration channel 1 created by the pole pieces 3, 4 and the coils 11, 15 are also shown in FIG. superposition to the representation of the distribution of the ions. We see that Ion trajectories are perpendicular to the magnetic field lines. he follows that the trajectories 54, 56 of the ions at points 53, 55 located at the periphery of the acceleration channel 1 downstream of the exit plane 14 are practically perpendicular to the Z axis of the thruster.

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 component and strongly divergent ion beam, which is governed by the lines of magnetic field corresponding to equipotentials, can have an effect very damaging on the surface of the spacecraft on which is mounted the propellant.

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, particularly in ion beam spraying facilities, failure to dispose of a well-defined boundary also causes problems because the beam extends beyond the target and strikes the walls of the enclosure of device, thus introducing a contamination of the coating.

Objet et description succincte de l'inventionObject and brief description of the 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.The invention aims to remedy the aforementioned drawbacks and to allow the production of an ion beam output of the thruster with a well-defined contour and an ion density whose distribution is optimized to avoid aggressions due to low energy ions located at the periphery of the beam.

Ces buts sont atteints grâce à un propulseur à plasma à dérive fermée d'électrons, comprenant :

  • un canal annulaire d'ionisation et d'accélération défini par des pièces en matériau isolant et présentant une ouverture à son extrémité aval,
  • au moins une cathode creuse disposée à l'extérieur dudit canal annulaire et en aval de celui-ci,
  • une anode annulaire concentrique au canal annulaire et disposée en amont de l'ouverture dudit canal à distance de celle-ci,
  • 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 :
  • 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.
These goals are achieved by a closed electron drift plasma propellant comprising:
  • an annular ionization and acceleration channel defined by pieces of insulating material and having an opening at its downstream end,
  • at least one hollow cathode disposed outside said annular channel and downstream thereof,
  • an annular anode concentric with the annular channel and disposed upstream of the opening of said channel at a distance therefrom,
  • first and second ionizable gas supply means respectively associated 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 cylinder head, a peripheral magnetic circuit arranged axially outside the annular channel and the pole pieces peripheral and central interconnected by said peripheral magnetic circuit and said yoke and disposed on either side of the annular channel to produce a substantially radial magnetic field in an output plane perpendicular to the axis of said annular channel,
characterized in that it further comprises:
  • a substantially frustoconical tapered magnetic pole piece open at both 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 both sides of the annular channel to define the shape of the magnetic field downstream of the annular channel so as to constrain the ion beam emitted by the annular channel to remain within a substantially conical zone whose angle at the predetermined vertex is defined by the vertex angle of the flared pole piece.

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.Thus, according to the invention, the ion beam at the outlet of the annular channel acceleration is forced to stay inside a cone whose half-angle at the top is defined by the half-angle at the top of the flared pole piece, without, however, the half-angle at the apex of the conical ion beam 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 outlet plane of the canal The main function of acceleration is to conform the magnetic field downstream of the exit plan and thereby to change the equipotentials to the outside of the thruster and the trajectory of the ions, so as to make the trip more directional ions and avoid any risk of damage to the walls outside 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 attacks by the ions since the trajectories of the peripheral ions are essentially tangent to this flared pole piece.

Le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du canal annulaire (1) du propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée essentiellement tronconique est compris entre 30° et 60°.The half-angle at the apex (α) defined between the axis of the annular channel (1) of the thruster and flaring of the essentially flared pole piece frustoconical is between 30 ° and 60 °.

Avantageusement, le demi-angle au sommet (α) défini entre l'axe du canal annulaire (1) du propulseur et l'évasement de la pièce polaire évasée essentiellement tronconique est de 45°.Advantageously, the half-angle at the apex (α) defined between the axis of the annular channel (1) of the thruster and the flare of the flared pole piece essentially frustoconical is 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.According to a particular embodiment, the flared pole piece presents a curve such that the angle formed by the said part and the thruster axis increases as one moves away from the exit plan downstream, so as to allow a progressive unfolding of the magnetic field lines.

Selon une caractéristique avantageuse, la pièce polaire évasée est recouverte d'un revêtement destiné à accroítre 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.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 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, Al2O3-TiO2 et TiN.The coating may be made of a material identical to that of the parts defining the annular channel and may consist of at least one of the following materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al 2 O 3 -TiO 2 and TiN.

Selon un mode de réalisation possible, le circuit magnétique périphérique additionnel est constitué par un anneau ferromagnétique unique.According to one possible embodiment, the magnetic circuit additional device is constituted by a single ferromagnetic ring.

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.More particularly, the hollow cathode is incorporated in a hole formed in the flared pole piece and is provided with a screen ferromagnetic protection against the local magnetic field.

Le circuit magnétique périphérique additionnel peut encore comprendre des barreaux ferromagnétiques.The additional peripheral magnetic circuit can still 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. In this case, according to a particularly advantageous embodiment, said ferromagnetic bars are made of soft iron and are surrounded of 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.

Brève description des dessinsBrief description of the drawings

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 :

  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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,
  • 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.
Other features and advantages of the invention will emerge from the following description of particular embodiments given by way of non-limiting example with reference to the accompanying drawings, in which:
  • FIG. 1 is an axial sectional view of a portion of a closed electron drift plasma thruster equipped with a beam shaping device according to a first particular embodiment of the invention,
  • FIG. 2 is a diagrammatic view in axial section of the assembly of a closed-electron drift plasma thruster equipped with a beam shaping device according to a second particular embodiment of the invention;
  • FIG. 3 is an axial view of a portion of a closed electron drift plasma thruster equipped with a beam shaping device according to the invention in which the hollow cathode is incorporated,
  • FIG. 4 is an axial sectional view showing an alternative embodiment of a beam shaping device according to the invention applied to a closed-electron drift plasma thruster,
  • FIG. 5 shows comparative profile histograms 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 sectional view showing an example of closed-electron drift plasma thruster according to the prior art,
  • FIG. 7 is an axial sectional view of a portion of a closed electron drift plasma propellant according to the prior art, showing the ion density distribution superimposed on the magnetic field lines outside the channel. acceleration,
  • FIGS. 8a and 8b show curves giving the distribution of the ionic current as a function of the energy in different orientations with respect to the thruster axis for a plasma thruster of the prior art, and
  • Figure 9 shows the profile of the assembly of an ion beam at the output of a plasma thruster of the prior art for two collectors with 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.Figure 1 is a view similar to that of Figure 7 and shows an example of implementation of shaping means of a beam which, according to the invention, are arranged downstream of the plane of output 14 of a closed electron drift plasma motor.

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.FIG. 1 shows the downstream part of the acceleration channel ring 1 delimited by pieces 2 of insulating material represented in dotted line, and the downstream part of the main magnetic circuit creating a magnetic field in channel 1. The main magnetic circuit includes a central pole piece 4 and a peripheral annular pole piece 3 located in the vicinity of the output plane 14 and a magnetic circuit peripheral 10, peripheral electromagnet coils 11 and coils electromagnet cooperating with the central pole piece 4 and a cylinder head similar to the cylinder head 12 of Figure 6 but not shown in Figure 1. The elements 1 to 4, 10, 11, 15 of FIG. 1 can be made of a similar 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.Similarly, the plasma propellant with closed electron drift FIG. 1 may comprise conventionally, according to an embodiment for example, of the kind shown in Figure 6, without being necessarily identical, an annular anode 5 concentric with the canal ring 1 and disposed at a distance upstream of 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 FIG. visible in Figure 2, which is disposed outside the channel 1 downstream thereof and is associated with means 17 for supplying 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 annulaire 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.The main magnetic circuit produces a magnetic field whose field lines 13 are essentially radial in the exit plan 14 perpendicular to the propeller axis. It is important to note that modifications made to a plasma thruster according to the invention do not change the shape of the field lines 13 inside the annular channel 1, which lines of field 13 inside the channel 1 are identical in the case of the known thruster of FIG. 7 and that of the thruster according to the invention shown in Figure 1. In contrast, the field lines 113a downstream of the output plane 14 are strongly modified in the case of the embodiment of Figure 1, with respect to the field lines 113 of the figure 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 indeed equipped with a additional peripheral magnetic circuit 60 connecting to the pole piece device 3 located outside the annular channel 1 a pole piece flared magnetic 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 exit plane 14, and flares 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 circuit peripheral magnetic device 60 and the pole pieces 3, 4 situated both sides of 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 pole piece 63 essentially truncated cone may have an apex half-angle 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 barreaux 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 polaire 63, ni au niveau des barreaux 60 constituant le circuit magnétique périphérique additionnel.The additional pole piece 63 can be connected to the circuit main magnet 10, 3, at the exit plane 14, by bars 60. These bars 60 may consist of simple parts ferromagnetic without addition of magnetically active element (permanent magnet, solenoid coil) or at the pole piece 63, or at the level of the bars 60 constituting the peripheral magnetic circuit additional.

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, active elements on the plane magnetic are incorporated in the peripheral magnetic circuit additional. Thus, the bars 60 may be constituted by magnets permanent.

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 the opposite direction to that of the magnetic flux created in the magnetic circuit 10 disposed at the outside of the annular channel 1 parallel to the axis of the thruster.

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, wherein the additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a unique 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 FIG. 2, there is shown a embodiment in which the entire pole piece 63 essentially frustoconical and additional peripheral magnetic circuit 80 is constituted by a single piece fixed for example by bolting or by welding, on the peripheral pole pieces located outside the canal annular 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 ring ferromagnetic 80 may be made of 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. 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 creuse 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.As can be seen in the embodiment of FIG. in a closed electron drift plasma propellant in accordance with 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 a magnetic screen 164 of protection against the local magnetic field. The magnetic protection screen 164 may be arranged around a ignition electrode 72 which itself surrounds the body 71 of the hollow cathode 7 supplied with ionizable gas. The ignition electrode 72 and the tube 164 both contribute to build a heat shield for the body 71. The hollow cathode 7 can be mounted on the pole pieces 3 and 63 by a flange 73. The axis of the 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 accroítre l'émissivité de la surface de la pièce de manière à accroítre le flux de rayonnement et ainsi abaisser la température de fonctionnement du propulseur.The diverging pole piece 63 may be covered by a coating 263 (Fig 3) that can play several roles. Thus, the coating 263 can increase the emissivity of the surface of the room so as to increase the radiation flow 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 a contamination between annular channel 1 and 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). The same layer of coating can meet these three Goals. The coating 263 can also be extended by a coating 263b made on the sides of the thruster (Fig 3).

Le revêtement 263, 263b peut être réalisé en un matériau identique à celui des pièces délimitant le canal annulaire 1.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, 263b 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, Al2O3-TiO2 et TiN.By way of example, the coating 263, 263b may be made of one of the following materials, or a combination of these materials: aluminum, boron nitride, silica, aluminum nitride, silicon nitride, Al 2 O 3 TiO 2 and 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 a shape exactly frustoconical, 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 piece and the axis of the motor increases when one moves away from the exit plan 14 downstream, so as to allow a flourishing progressive magnetic field lines.

Si l'on se reporte à nouveau à la figure 1, on voit que les lignes 113a 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.If we go back to Figure 1, we see that the lines 113a of the magnetic field outside the annular channel 1 are less convex as the lines 113 of Figure 7 while the field lines magnetic 13 inside the channel 1 are virtually 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.The ions formed and accelerated outside of channel 1 are forced to stay within a cone defined by the additional pole piece 63. In effect, this additional pole piece 63, the additional magnetic circuit associated 60, 61 and the pole pieces 3, 4 cooperate to conform the field magnetic, and therefore the equipotential lines 113a downstream of the output 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 magnetic field line. It can thus be seen that the accelerated ions at periphery of the ion beam are virtually parallel to piece 63 and can stay inside a cone whose half-angle at the top is conditioned by the half-angle at the apex α of the frustoconical piece 63 or the flared piece comparable to a truncated cone.

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. Generally, in a plasma thruster conforming to the invention, the density of ions is increased in the vicinity of the axis and is greatly diminished in the eccentric zone. The ion beam is better collimated, which optimizes its use in industrial applications and in any case reduces the risk of 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 :

  • 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.
    • FIG. 5 shows three histograms giving the profile of an ion beam at a distance of 500 mm from the thruster output for the following three cases:
  • S) with a standard plasma thruster of the prior art,
  • P) with a plasma thruster according to the invention equipped with a passive configuration circuit of the magnetic field at the output 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 shaping circuit 60, 63 at the output of the thruster being of active type and comprising active magnetic elements such as permanent magnets or electro -aimants.

    • 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 a ion beam from a standard plasma propellant, it can be seen that the ion density at the edges is not negligible while the density of ions at the neighborhood 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.The histogram P shows the improvement obtained when one uses a plasma thruster equipped according to the invention with additional means 63, 60 of magnetic field conformation, such as for example the means 63, 60 of Figure 1, the coils 61 are not excited, which corresponds to passive type of conformation means. In this case, increase in the density of the ions in the vicinity of the axis and a decrease of the density of the ions on the edges.

    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 A corresponds to the implementation of means additional magnetic field conformation 63, 60 of active type, that is to say for example in the embodiment of Figure 1 with coils 61 excited. In this case, it is found that the density of the ions in the vicinity of the axis is multiplied almost by a factor of three while the density on the sides is completely negligible.

    Claims (16)

    1. A closed electron drift plasma thruster comprising:
      an annular ionisation and acceleration channel (1) defined by pieces (2) of insulating material and having an opening at its downstream end;
      at least one hollow cathode (7) disposed outside said annular channel (1) and downstream therefrom;
      an annular anode (5) concentric with the annular channel (1) and disposed upstream from the opening of said channel, and at a distance therefrom;
      first and second ionisable gas feed means (17, 6) respectively associated with the hollow cathode (7) and with the annular anode (5); and
      a magnetic circuit (3, 4, 10, 12) for creating a magnetic field in the annular channel (1), said magnetic circuit comprising a plurality of distinct magnetic field creating means (10; 11, 15), a yoke (12), a peripheral magnetic circuit (10) disposed axially outside the annular channel (1), and peripheral and central pole pieces (3, 4) connected to one another by said peripheral magnetic circuit (10) and said yoke (12) and disposed on either side of the annular channel (1) to produce an essentially radial magnetic field in an outlet plane (14) perpendicular to the axis of said annular channel (1);
      the thruster being characterised in that it further comprises:
      an essentially frustoconical flared magnetic pole piece (63) open at both ends, coaxial about the axis of the annular channel (1), situated downstream from said outlet plane (14), and flaring downstream; and
      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) situated outside the auxiliary channel (1), the flared magnetic pole piece (63) co-operating with the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) and the pole pieces (3, 4) situated on either side of the annular channel (1) to define the shape of the magnetic field downstream from the annular channel (1) in such a manner as to constrain the ion beam emitted by the annular channel (1) to remain within an essentially conical zone whose determined angle at the apex is defined by the angle at the apex of the flared pole piece (63).
    2. A plasma thruster according to claim 1, characterised in that the half angle at the apex (α) as defined between the axis of the annular channel (1) of the thruster and the flaring of the essentially frustoconical flared pole piece (63) lies in the range 30° to 60°.
    3. A plasma thruster according to claim 2, characterised in that the half-angle at the apex (α) as defined between the axis of the annular channel (1) of the thruster and the flaring of the essentially frustoconical flared pole piece (63) lies in the range 45°.
    4. A plasma thruster according to claim 1 or claim 2, characterised in that the flared pole piece (63) is curved such that the angle formed by said piece and the axis of the motor increases on going away from the outlet plane (14) in the downstream direction, thereby enabling the magnetic field lines to spread apart progressively.
    5. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the flared pole piece (63) is covered in a coating (263) for increasing the emissivity of the surface of said piece, for providing electrical insulation, or for providing protection against contamination between the annular channel (1) and the flared pole piece (63).
    6. A plasma thruster according to claim 5, characterised in that said coating (263) is made of a material identical to that of the pieces (2) defining said annular channel (1).
    7. A plasma thruster according to claim 5 or claim 6, characterised in that said coating (263) is constituted by at least one of the following materials: aluminium, boron nitride, silica, aluminium nitride, silicon nitride, Al2O3-TiO2, and TiN.
    8. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the flared pole piece (63) and the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) are made of ferromagnetic material without adding a permanent magnet or an electromagnet coil.
    9. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 8, characterised in that the flared pole piece (63) and the additional peripheral magnetic circuit (60; 80) are made of electrically insulating ferrite.
    10. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 9, characterised in that the additional peripheral magnetic circuit (80) is constituted by a single ferromagnetic ring.
    11. A plasma thruster according to claim 10, characterised in that the flared pole piece (63) and the additional peripheral magnetic circuit (80) are together constituted by a single piece fixed on the peripheral pole piece (3) situated outside the annular channel (1).
    12. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 11, characterised in that the hollow cathode (7) is incorporated in a hole (163) formed in the flared pole piece (63) and is provided with a protective ferromagnetic screen (164) facing the local magnetic field.
    13. A plasma thruster according to claim 12, characterised in that the protective ferromagnetic screen (164) is disposed around an ignition electrode (72) itself surrounding the body (71) of the hollow cathode (7).
    14. A plasma thruster according to any one of claims 1 to 7, characterised in that the additional peripheral magnetic circuit (60) comprises ferromagnetic bars.
    15. A plasma thruster according to claim 14, characterised in that said ferromagnetic bars are constituted by permanent magnets.
    16. A plasma thruster according to claim 14, characterised in that said ferromagnetic bars are made of soft iron and are surrounded by coils (61) wound in such a direction that the magnetic flux created in the additional peripheral magnetic circuit (60) is directed in a direction opposite that of the magnetic flux created in said peripheral magnetic circuit (10) disposed axially outside the annular channel (1).
    EP97925125A 1997-05-23 1997-05-23 Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS Expired - Lifetime EP0914560B1 (en)

    Applications Claiming Priority (1)

    Application Number Priority Date Filing Date Title
    PCT/FR1997/000906 WO1998053201A1 (en) 1997-05-23 1997-05-23 Device for concentrating ion beams for hydromagnetic propulsion means and hydromagnetic propulsion means equipped with same

    Publications (2)

    Publication Number Publication Date
    EP0914560A1 EP0914560A1 (en) 1999-05-12
    EP0914560B1 true EP0914560B1 (en) 2005-08-24

    Family

    ID=9503054

    Family Applications (1)

    Application Number Title Priority Date Filing Date
    EP97925125A Expired - Lifetime EP0914560B1 (en) 1997-05-23 1997-05-23 Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS

    Country Status (6)

    Country Link
    US (1) US6158209A (en)
    EP (1) EP0914560B1 (en)
    JP (1) JP2001506337A (en)
    CN (1) CN1209036A (en)
    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
    US6640535B2 (en) * 2001-06-13 2003-11-04 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
    CN102782320B (en) * 2010-03-01 2015-01-28 三菱电机株式会社 Hall thruster, cosmonautic vehicle, 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
    RU2107837C1 (en) * 1993-06-21 1998-03-27 Сосьете Оропеен де Пропюльсьон Short-length plasma-jet engine with closed-circuit electron drift
    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
    Artsimovich L.A. et al: 'Development of a steady plasma engine (SPE) and its use on a 'Meteor' artificial satellite', Kosmicheske Issledovaniya (USSR), vol. 12(3) May-June 1974, pages 451-468; cité dans la demande *

    Also Published As

    Publication number Publication date
    DE69734062T2 (en) 2006-06-14
    US6158209A (en) 2000-12-12
    DE69734062D1 (en) 2005-09-29
    WO1998053201A1 (en) 1998-11-26
    EP0914560A1 (en) 1999-05-12
    JP2001506337A (en) 2001-05-15
    CN1209036A (en) 1999-02-24

    Similar Documents

    Publication Publication Date Title
    EP0914560B1 (en) Ion thruster with a DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS
    EP0650557B1 (en) Fixed plasma motor
    EP0781921B1 (en) Ion source with closed electron drift
    EP0662195B1 (en) Reduced length plasma engine with closed electron deviation
    EP2433002B1 (en) Hall effect plasma thruster
    EP0982976B1 (en) Closed electron drift plasma thruster adapted to high thermal loads
    EP1496727B1 (en) Closed electron drift plasma accelerator
    EP2211056B1 (en) Electron closed drift thruster
    US10662930B2 (en) Hall-effect thruster usable at high altitude
    EP2179435B1 (en) Hall effect ion ejection device
    EP1520104B1 (en) Hall-effect plasma thruster
    EP3250822B1 (en) Hall effect thruster, and spacecraft including such a thruster
    EP3574719B1 (en) System for generating a plasma jet of metal ions
    EP0813223B1 (en) Magnetic field generation means and ECR ion source using the same
    RU2163309C2 (en) Ion beam concentrating device for plasma engine and plasma engine equipped with such device
    RU2188521C2 (en) Plasma-jet engine with closed-circuit electron drift
    CA2139581A1 (en) Fixed plasma motor
    FR2669771A1 (en) IMPROVED CATHODE FOR MICROWAVE TUBES.

    Legal Events

    Date Code Title Description
    PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

    17P Request for examination filed

    Effective date: 19990112

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: A1

    Designated state(s): DE FR GB IT

    17Q First examination report despatched

    Effective date: 20031110

    GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

    RTI1 Title (correction)

    Free format text: ION THRUSTER WITH A DEVICE FOR CONCENTRATING ION BEAMS

    GRAS Grant fee paid

    Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

    GRAA (expected) grant

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

    AK Designated contracting states

    Kind code of ref document: B1

    Designated state(s): DE FR GB IT

    REG Reference to a national code

    Ref country code: GB

    Ref legal event code: FG4D

    Free format text: NOT ENGLISH

    REF Corresponds to:

    Ref document number: 69734062

    Country of ref document: DE

    Date of ref document: 20050929

    Kind code of ref document: P

    GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

    Effective date: 20051202

    PLBE No opposition filed within time limit

    Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

    STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

    Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

    26N No opposition filed

    Effective date: 20060526

    REG Reference to a national code

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: TP

    Owner name: SNECMA, FR

    Effective date: 20120323

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: CD

    Owner name: SNECMA, FR

    Effective date: 20120323

    REG Reference to a national code

    Ref country code: GB

    Ref legal event code: 732E

    Free format text: REGISTERED BETWEEN 20120517 AND 20120523

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R082

    Ref document number: 69734062

    Country of ref document: DE

    Representative=s name: CBDL PATENTANWAELTE, DE

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R082

    Ref document number: 69734062

    Country of ref document: DE

    Representative=s name: CBDL PATENTANWAELTE, DE

    Effective date: 20130320

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R081

    Ref document number: 69734062

    Country of ref document: DE

    Owner name: SNECMA, FR

    Free format text: FORMER OWNER: SOCIETE NATIONALE D'ETUDE ET DE CONSTRUCTION DE MOTEURS D'AVIATION, PARIS, FR

    Effective date: 20130320

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: DE

    Payment date: 20150422

    Year of fee payment: 19

    Ref country code: GB

    Payment date: 20150424

    Year of fee payment: 19

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: IT

    Payment date: 20150428

    Year of fee payment: 19

    REG Reference to a national code

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: PLFP

    Year of fee payment: 20

    PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: FR

    Payment date: 20160525

    Year of fee payment: 20

    REG Reference to a national code

    Ref country code: DE

    Ref legal event code: R119

    Ref document number: 69734062

    Country of ref document: DE

    GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

    Effective date: 20160523

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: IT

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20160523

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: DE

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20161201

    PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

    Ref country code: GB

    Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

    Effective date: 20160523

    REG Reference to a national code

    Ref country code: FR

    Ref legal event code: CD

    Owner name: SAFRAN AIRCRAFT ENGINES, FR

    Effective date: 20170719