Brevet FR2510304A1 — publié le 19830128

Source ionique à émission de champ, notamment pour propulseur ionique à applications spatiales. La présente invention concerne les sources ioniques à émission de champ, telles que celles qui sont avantageusement utilisées comme moyens de propulsion dans les applications spatiales. Comme il est connu, ces sources ioniques à émission de champ comprennent, d'une part, un boîtier métallique à l'intérieur duquel est ménagée une cavité qui est destinée à former réservoir pour un métal, ou un alliage métallique, ionisable et à l'état liquide, tel que du caesium, et qui communique avec l'extérieur par des moyens de passage de type capillaire pour l'évacuation de ce métal ou alliage, et, d'autre part, une électrode d'extraction qui est disposée à proximité de la sortie de ces moyens de passage et une source de courant aux deux bornes de laquelle sont reliés respectivement le boîtier et cette électrode. Les moyens de passage de type capillaire sont avantageusement réalisés sous la forme d'une fente ayant de préférence une très faible épaisseur. Le boîtier est en général rempli en permanence à laide d'un passage d'alimentation et à partir d'une réserve principale extérieure de métal ou alliage à l'état liquide ou solide, le maintien à l'état liquide ou le passage de l'état solide à l'état liquide étant assuré par des moyens de chauffage disposés dans la cavité du boîtier, la réserve principale étant par ailleurs, de préférence, mise sous pression dans le cas de métal liquide. Ainsi, du fait d'un tel agencement, la sortie des moyens de passage capillaire se trouve située dans le champ électrostatique qui est créé par la différence de potentiel entretenue entre le boîtier et l'électrode d'extraction, de sorte que la présence ce ce champ provoque la création d'ions dans le métal ou alliage ionisable contenu dans la cavité, ainsi que leur déplacement dans les moyens de passage capillaire et leur éjection hors de ceux-ci sous forme de cônes espacés, dits cônes de Taylor. Ces moyens de passage capillaire peuvent présenter une disposition générale, soit plane, soit cylindrique ou autre forme fermée sur elle-même pour éviter les effets d'extrémité" La différence de potentiel appliquée est couramment de 2 à 12 kV et l'émission ionique peut, en particulier dans le cas de l'application à des propulseurs spatiaux, fournir une densité de poussée de l'ordre de I mN par cm de largeur des moyens de passage, les vitesses d'éjection pouvant atteindre plusieurs dizaines de km/s. il se trouve toutefois que les sources ioniques connues ne comportent qu'une électrode d'extraction à l'aide de laquelle le faisceau ionique émis offre une divergence qui est relativement grande. L'expérience a prouvé que la divergence du faisceau est inversement proportionnelle (non linéaire) à ltefficacite de masse de la source. Ceci s'explique du fait que, quand l'efficacité augmente, le faisceau comprend de plus en plus d'ions et de moins en moins de charge neutre et que le nombre d'échange de charges et d'interactions dépend directement du nombre de charge neutre et est la cause directe de la divergence du faisceau. A titre d'exemple, la divergence du faisceau passe environ 600 pour une efficacité de masse ou rendement de 50 % à environ 350 pour une efficacité de l'ordre de 80 %.Une efficacité de cet ordre a en effet pu etre obtenue en prévoyant une structure très élaborée pour la partie émettrice de la source et plus particulièrement pour les moyens de passage capillaire et leur sortie, avantageusement réalisés sous forme de fente, I'efficacité de la source étant notamment augmentée (simultanément à sa fiabilité d'ailleurs) en utilisant des traitements spéciaux pour les surfaces internes et externes du réservoir. C'est pourquoi la présente invention a pour but de réduire notablement la divergence habituellement obtenue avec les sources connues (de l'ordre de 350) En effet, en particulier dans le domaine des applications spatiales, un faisceau à faible divergence risque moins de contaminer les engins spatiaux ou les parties de ceux-ci. En outre, dans des domaines différents, de telles sources à faisceau a faible divergence présentent de l'intérêt, par exemple pour la pulvérisation ionique de métaux liquides utilisée dans les traitements de surface tel que le dopage, le revêtement, la gravure, etc. A cet effet, l'invention a pour objet une source ionique du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une électrode de convergence qui est située au voisinage immédiat de la sortie des moyens de passage capillaire et qui est reliée à une source de courant complémentaire dont le potentiel est de l'ordre de grandeur de celui du bottier Le bord de cette électrode situé à proximité de la sortie des moyens de passage capillaire suit avantageusement le profil de cette sortie en s'étendant sur toute sa longueur, en par ticulier dans le cas où ces moyens sont constitués par une fente plane, bien que l'invention soit tout aussi-bien applicable au cas d'une fente cylindrique ou elliptique. Gracie à cet agencement, la forme du champ électri- que régnant dans le voisinage direct de la sortie d'émission se trouve notablement modifiée, et ceci en provoquant une augmentation importante de la densité angulaire du faisceau dont la divergence tombe en dessous de 300 et peut atteindre 100 et même moins. A cet avantage s'ajoute en outre une augmentation également importante de l'uniformité du faisceau, d'émission. Dans un mode de réalisation particulier de l'inven-tion, il peut être prévu que l'électrode de convergence soit inclinée, au voisinage de la sortie des moyens de passage capillaire, par rapport au plan perpendiculaire à la direction de ladite sortie. De préférence, elle fait avec ce plan un angle de l'ordre de 600. De manière particulièrement avantageuse, le bord de l'électrode de convergence situé à proximité de la sortie des moyens de passage capillaire peut etre disposé dans le plan contenant la sortie de ces moyens de passage et perpen diculaire a la direction de sortie. De préférence, ce bord peut être situé a une distance de cette sortie de l'ordre de 0,5 à 1 mm. Avantageusement également, l'électrode de convergence est formée d'une feuille dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,5 mm. Suivant une caractéristique particulièrement importante de l'invention, il peut être prévu que la source principale de courant soit conçue pour que l'intensité du courant qui passe entre cette source et le boîtier soit de l'ordre de grandeur du milliampère. En effet, dans les sources ioniques connues, ce courant est habituellement de trois ordres de grandeur plus faible, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur du microampère. Avantageusement également, le potentiel de I'élec- trode de convergence peut être différent du potentiel du boitier d'une valeur comprise entre + 10 % et - 10 %. De préférence enfin, la source principale de courant peut être conçue pour que le potentiel du boîtier soit positif et de l'ordre de 5 a 10 kV et celui de 11 électrode d'extraction soit négatif et de l'ordre de 2 à 8 kV. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, et en regard des dessins annexés sur lesquels : - La Fig. 1 représente -une vue schématique et en coupe d'une source ionique à émission de champ suivant un mode de réalisation particulier de l'invention. - La Fig. 2 représente une vue en perspective, partielle et avec arrachement de l'électrode d'extraction, de cette source ionique de la Fig. 1. - Les Fig. 3 à 6 illustrent les faisceaux d'émis- sion obtenus respectivement sans et avec une électrode de convergence conforme a l'invention. Comme le montrent les Fig. 1 et 2,-le réservoir de la source ionique est constitué par un boîtier 1 de forme parallélépipédique en molybdène, acier, inconel ou tungstène, comportant une cavité intérieure 2 de forme correspondante et présentant un plan de symétrie d'ensemble P-P. Ce boîtier est complété par des moyens de passage capillaire formant partie intégrante avec lui et constitués par une fente 3 d'une épaisseur de l'ordre de 0,02 mm, disposée suivant le plan P-P et traversant l'une des parois 4 du boîtier paral lélépipédique. Cette paroi présente vers l'extérieur des parties en saillie 5a et 5b, dont les faces en regard sont parallèles de manière a ménager la fente 3, tandis que leurs faces extérieures sont convergentes en faisant chacune avec le plan P-P un angle a inférieur à 30 . Pour constituer la source ionique, le réservoir 1 est complété par une électrode d'extraction 6, une électrode de convergence 7, une source de courant principale 8 et une source de courant complémentaire 9. L'électrode d'extraction 6 est disposée à proximité de la sortie 3a de la fente 3 et présente la forme d'une plaque perpendiculaire au plan P-P, dans laquelle est ménagée une ouverture oblongue 6a s'éten- dant parallèlement à la sortie 3a de la fente et dont les extrémités sont élargies en 6b (Fig. 2). L'électrode de convergence 7 est constituée par une feuille plane rectangulaire, présentant une épaisseur de 0,5 mm et ayant sensiblement la même largeur que la sortie 3a de la fente émettrice 3 du boîtier. Cette électrode se trouve disposée de manière que l'un de ses bords 7 soit situé dans le plan Q-Q qui passe par la sortie 3a de la fente et est perpendiculaire au plan P-P, tout en étant situé à une distance de ladite sortie 3a qui est de quelques dixièmes de millimètre (0,5 à 1 mm). A partir de ce bord 7a, l'électrode 7 est inclinée vers l'arrière de manière à faire avec le plan Q-Q un angle a qui est de l'ordre de 600. Quant à l'électrode d'extraction 6, elle est disposée dans un plan R-R, également perpendiculaire au plan P-P, mais situé à une certaine distance de la sortie 3a de la fente. Les bornes de la source de courant principale 8 sont respectivement raccordées par des conducteurs 8a et 8b, d'une part, au boîtier 1 au voisinage de la fente 3, et, d'autre part, à l'électrode d'extraction 6. La source de courant complémentaire 9 est quant elle reliée à l'électrode de convergence 7. Une source ionique à émission de champ telle que décrite ci-dessus, a eté soumise à des essais en laboratoire qui ont donné des résultats qui seront décrits ci-dessous. Les sources de courant ont permis de porter le boî- tier 1 et l'électrode d'extraction 6 aux potentiels suivants: VE = 7,40 kV VA =-4,0 kV L'intensité du courant sur le boîtier 1 est : IE = 3,0 mA Lorsque la source est mise sous tension, il apparait à la sortie de la fente 3, un faisceau de métal liquide ionisé 10 qui présente une forme conique telle qu'illustrée sur les Fig. 3 à 6. La Fig. 3 illustre une source ionique ne comportant pas d'électrode de convergence et les essais ont permis d'établir que l'angle de divergence, par rapport à la direction de sortie ou direction moyenne de la fente D était de 36,30. Par contre, dans le cas des sources ioniques conformes à l'invention, suivant la valeur du potentiel appli qué sur l'électrode de convergence 7, on obtient, comme l'illustrent respectivement les Fig. 4 à 6, des valeurs de divergence d suivantes : Vs d Fig. VE - 10 % VE 25,80 Fig. 4 VE 17,80 Fig. 5 VE + 10 z VE 6,040 Fig. 6 Ces essais demontrent donc parfaitement que la disposition originale de l'électrode de convergence 7 permet de réduire l'angle de divergence au-dessous de 300 et même dans certains cas au-dessous de 100. REVENDICATIONS 10) - Source ionique à émission de champ, du type comprenant, d'une part, un boîtier métallique (1) à l'inté- rieur duquel est ménagée une cavité (2) qui est destinée a former réservoir pour un métal, ou un alliage métallique, ionisable et à l'état liquide, et qui communique avec l'exte- rieur par des moyens de passage de type capillaire (3) pour l'évacuation de ce métal ou alliage, et, d'autre part, une électrode d'extraction (6) qui est disposée à proximité de la sortie (3a) de ces moyens de passage (3) et une source de courant (8) aux deux bornes de laquelle sont reliés respectivement le boîtier (1) et cette électrode (6), caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une électrode de convergence (7) qui est située au voisinage immédiat de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) et qui est reliée à une source de courant complémentaire (9) dont le potentiel est de l'ordre de grandeur de celui du boîtier (1). 20) - Source ionique à émission de champ selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bord (7a) de cette électrode (7) situé a proximité de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) suit le profil de cette sortie (3a) en s'étendant sur toute sa longueur. 30) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que l'électrode de convergence (7) est inclinée, au voisinage de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3), par rapport au plan (Q-Q) perpendiculaire à la direction (D) de ladite sortie. 40) - Source ionique a émission de champ selon la revendication -3, caractérisée en ce que 11 électrode de convergence (7) fait un angle ( d) d'environ 600 par rapport audit plan (Q-Q) perpendiculaire à la direction de sortie (D). 5 ) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisee-en ce que le bord (7a) de l'électrode de convergence (7) situé à proximité de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) est disposé dans le plan (Q-Q) contenant la sortie (3a) de ces moyens de passage et perpendiculaire à la direction de sortie. 60) - Source ionique à émission de champ selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit bord (7a) de l'électrode de convergence (7) est situé à une distance de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) de l'ordre de 0,5 à 1 mm. 70) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que l'électrode de convergence (7) est formée d'une feuille dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,5 mm. 80) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la source principale de courant (8) est conçue pour que llinten- sité du courant qui passe entre cette source (8) et le boîtier (1) soit de l'ordre de grandeur du milliampère. 90) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la source principale de courant (8) est conçue pour que le potentiel du boîtier (1) soit positif et de l'ordre de 5 à 10 kV et celui de l'électrode d'extraction (6) soit négatif et de l'ordre de 2 à 8 kV. 100) - Source ionique à émission de champ selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le potentiel de l'électrode de convergence (7) est différent du potentiel du boîtier (1) d'une valeur comprise entre + 10 % et - 10 %.