Brevet FR2566599A1 — publié le 19851227

DISPOSITIF DE SUSPENSION ELECTROSTATIOUE D'UN CORPS La présente invention concerne un dispositif de suspension ou lévitateur électrostatique en microgravité ou en gravité d'un échantillon de matériau. L'élaboration de matériaux dans l'espace par des traitements thermiques et/ou chimiques nécessite, dans certains cas, d'éviter toute contamination du matériau par contact matériel avec un support ou un creuset. On connaît par les brevets FR-B-2124055 du 2 février 1971, FR-A-2495328 du 28 novembre 1980, FR-A-2511509 du 31 décembre 1980 et PV-83-03257 du 28 février 1983 de l'actuel demandeur des accéléromètres à suspension électrostatique dans lesquels la mesure de l'accélération est déduite de celle des forces nécessaires pour maintenir ou ramener une masse d'épreuve dans une position définie par rapport au corps de l'appareil, les forces utilisées étant d'origine électrostatique. Ceux de ces accéléromètres qui sont tridimensionnels comprennent une masse d'épreuve flottante, sphérique ou cubique, et un jeu d'électrodes, constitué par au moins deux électrodes par unidirection, qui servent à la fois à la détection de la position de la masse d'épreuve et au repositionnement de celle-ci par asservissement. La différence des capacités formées par deux électrodes alignées et la masse d'épreuve est mesurée au moyen d'une tension alternative appliquée auxdites électrodes et le signal obtenu est traité dans un circuit "proportionnel, intégral, - 2différentiel" qui produit des signaux de repositionnement qui sont appliqués aux mêmes électrodes. Dans ces appareils, la masse d'épreuve ne peut âtre stabilisée que lorsque l'appareil est tridimensionnel. D'autre part, le potentiel de la masse d'épreuve doit être maintenu égal à celui du corps de l'appareil si l'on désire que l'appareil soit très précis. L'objet de la présente invention est un dispositif de suspension ou lévitateur électrostatique d'un corps ou échantillon de matériau, stable dans l'espace bien que ne comprenant que deux électrodes. Un autre objet de l'invention est un dispositif de suspension électrostatique stable dans l'espace bien que ne comprenant que trois électrodes. Conformément à l'invention, le dispositif de suspension d'un corps comprend au moins deux électrodes (2, 3) servant simultanément à la détection capacitive de position et à la commande électrostatique de positionnement, caractérisé en ce que les électrodes sont sphériques et que le corps est chargé par une charge électrique. Conformément à un autre aspect de l'invention, le dispositif de suspension comprend, outre les deux électrodes sphériques, une troisième électrode annulaire qui est portée à un potentiel de même polarité que la charge du corps. Le mouvement d'un corps conducteur dans une configuration de champ électrostatique est étudié théoriquement d'abord. On désignera par Q les charges électriques, par V les potentiels, par C les coefficients d'influence et par F les forces. -3 L'indice I est utilisé pour le corps et. les indices 2 à n pour les électrodes. Pour évaluer la force électrostatique appliquée au corps, on peut considérer un déplacement virtuel de celui-ci dans lequel les potentiels V2 à' Vn sont constants de même que la charge Q1 du corps. Au cours de ce déplacement virtuel, les charges Q2 à Q et le potentiel V varient. La force F appliquée au corps z selon la direction z peut s'écrire: n n aQi -F=E Q V. + Z V) 4= i=2 i az Les charges Qi peuvent s'exprimer en fonction des tensions V. par la relation matricielle: % n Q =Z C.. V.. (2) S (2) o C.. désigne le coefficient d'influence entre les électrodes i et j quand i # j et la capacité propre d'une électrode quand i = j. C..ij est considéré négatif et Cii positif. -4- Des équations (1) et (2), on peut tirer l'expression suivante de la force F z 2 n n Fz =a (Q1) + Z b..(V. V) + E d (Q V) (3) (3) ijj=2 zj (V %) + Z. Q i=2 1vi On voit que d'après l'expression (3), la force F comprend Z trois composantes: (1) des forces attractives entre l'échantillon chargé et ses - images électriques sur les électrodes qui l'entourent, ces forces étant de la forme a Q1; (2) des forces attractives ou répulsives entre chaque électrode et les charges images de l'ensemble des électrodes, portées par l'échantillon en suspension, cos forces étant de la forme b.. V. V., V. et V. étant les potentiels des i1J i 21 i électrodes i et j; (3) des forces de la forme d. Q V. représentant l'attraction ou la répulsion de chaque électrode i sur la charge propre Q1 de l'échantillon. Les coefficients a, b.. et d. sont des combinaisons des coefficients d'influence électrostatique et de leurs dérivées spatiales et sont donc des fonctions des coordonnées d'espace de l'échantillon en suspension. -5 En supposant que le système de suspension contient, outre l'échantillon 1, deux électrodes 2 et 3 et une enveloppe conductrice 4 telle que les conducteurs 1, 2, 3 et 4 soient en influence totale; l'équation (3) s'écrit en fonction des coefficients Cll, C12, C13, C22' C23' C33 acll' Ql z 2 az 2 Cl * 2 +2 az [ + 2 33 C 13) - 2CXi V2 C C1 + a C12 13 Q V ± ( )Q1 2 S'il y a en plus une électrode torique 5, l'équation (3) s'écrit en fonction des coefficients d'influence précédents et de C15, C25, C35, C55 ac 2 F - D az - aC2ll Q2 ' - z 2 Dz 2 CC I _ _C 2 I C '" - (1 2-13) 2C 3'2 2 9z L 22 33 Ci 2C23 V2 + c2 - Cl3) +'z C QIl ó2 I ca 15 2 ±2 aa (C55 - V +ag (15j Ql V5 + (z - C35 C15 (C2 C13)) V2 V5 +s -Css-cil. - 6 - L'invention va être maintenant décrite en détail en relation avec les dessins annexes dans lesquels: - la Fig. I représente un système de suspension à deux électrodes sphériques; - la Fig. 2 représente un système de suspension à trois électrodes, deux sphériques et une annulaire; - la Fig. 3 présente le principe de la détection capacitive de la position de l'échantillon; - la Fig. 4 représente le système de superposition sur les 1O électrodes de signaux de détection de position et de commande de positionnement; - la Fig. 5 représente l'asservissement selon un axe ainsi que les liaisons électriques entre les électrodes et les circuits de détection de position et de commandede positionnement; - la Fig. 6 représente un dispositif de suspension tridimensionnel. En se référant d'abord à la Fig. 1, l'échantillon suspendu est désigné par le numéro de référence 1 et les électrodes par les numéros de référence 2 et 3. Les électrodes sont alimentées par un ensemble 15 de deux amplificateurs fournissant deux hautes tensions opposées. La position d'équilibre de l'échantillon est par exemple à mi-distance entre les deux électrodes. L'échantillon est soumis aux forces f2 et f3 qui exercent un rappel vers l'axe z'z de sorte que la chaîne d'asservissement selon cet axe assure aussi le maintien de l'échantillon dans le plan xOy. En se référant maintenant à la Fig. 2, un tore métallique 5 est placé perpendiculairement au milieu de la ligne joignant les électrodes 2 et 3. La présence de- l'électrode annulaire 5 ne diminue que faiblement l'influence électrostatique entre l'échantillon et les électrodes sphériques. Les charges images de Q1 sur l'anneau ont une action destabilisatrice f'5' En donnant Q1 5 à l'anneau un potentiel de même signe que la charge de l'échantillon, une force stabilisatrice f5 est obtenue et cette force f5 peut être rendue supérieure à f'5 au moyen de la source de tension réglable 16. Dans les dispositifs de suspension des Figs. i et 2, l'échantillon I porte une charge +Q1. A titre d'exemple, cette charge peut âtre obtenue de la façon suivante. Les électrodes étant mises à la terre, l'échantillon est amené momentanément au contact d'une source -de haute tension de 10 kV. Si on admet Cll = 3 pF, la charge a pour valeur 3 x 10-8 coulombs. Sur la Fig. 3, les électrodes 2 et 3 sont connectées aux enroulements secondaires 17 et 18 d'un transformateur différentiel 19, de sorte que les capacités existant entre les électrodes et l'échantillon se trouvent inserrées dans pont capacitif. Le point milieu 20 des enroulements secondaires est connecté à un amplificateur opérationnel 21, lui-même connecté à un détecteur synchrone 22. Ce dernier reçoit le courant- d'alimentation du transformateur différentiel fourni par la source alternative 23 et délivre un signal proportionnel à la différence des coefficients d'influence (C13 - C12) et par suite, à l'écart de position de l'échantillon. On utilise des câbles triaxiaux 32 et 33 pour la -8-- connexion des électrodes aux secondaires du transformateur différentiel afin d'éviter que la mesure de position dépende des capacités parasites des fils de connexion. Les capacités parasites entre les connexions (fil intérieur) et le blindage intérieur sont en parallèle avec la basse impédance des enroulements secondaires 1819. Les capacités parasite entre les blindages intérieur et extérieur sont en parallèle avec l'impédance d'entrée de l'amplificateur 21 qui est rendue très basse par contre-réaction capacitive (condensateur 25). Le circuit de détection 30 (Fig. 5) qui est du type décrit dans la Fig. 4 du brevet français FR-B-2337346 du 30 décembre 1975. Ce circuit n'est pas décrit ici. Le circuit 30 est relié à un circuit correcteur 40 qui est du type "proportionnel, integral, différentiel" et délivrant deux signaux en opposition de phase qui sont appliqués aux amplificateurs de haute tension 52 et 53. Les sorties de ces amplificateurs sont reliées par les fils 62 et 63 au circuit 60 de superposition des signaux de détection de position à haute fréquence et basse tension et des signaux de positionnement à basse fréquence et haute tension. Le circuit de superposition 60 (Fig. 4) reçoit les signaux de détection de position par les câbles triaxiaux 51 et 51 ainsi 2 3 que les signaux de positionnement par les câbles coaxiaux 62 et 63. Il envoie les signaux de détection de position au circuit 30 par les câbles triaxiaux 32 et 33. Les signaux de détection sont à haute fréquence et les signaux de commande de positionnement sont à basse fréquence ou continus. Les premiers sont appliqués au travers des condensateurs -9- (,2 et C.3 et les seconds au travers des résistances R2, R'2, et R3, R'3. Les condensateurs 72' et '3 améliorent le 2" 3 3 découplage. La Fig. 6 représente un dispositif de suspension tridimensionnel. On voit l'échantillon chargé 1 et six électrodes sphériques 2, 2y, 2z et 3x, 3y et 3. Bien que l'invention ait été décrite d'après un exemple de réalisation, il-reste entendu que des variantes sont possibles sans se départir du domaine de l'invention. Par exemple, les signaux de détection et de commande de positionnement ont été séparés en offrant aux uns un chemin capacitif et aux autres un chemin résistif. On pourrait bien entendu faire la séparation au moyen de filtres. - 10 - R EV E N D I C A T IONS 1 - Dispositif de suspension électrostatique d'un corps comprenant au moins deux électrodes (2, 3) servant simultanément à la détection capacitive de position et à la commande électrostatique de positionnement, caractérisé en ce que les électrodes sont sphériques et que le corps est chargé par une charge électrique. 2 - Dispositif de suspension électrostatique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que la charge portée par le corps est positive. 3 - Dispositif de suspension électrostatique conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en plus une troisième électrode annulaire (5) placée entre les deux électrodes transversalement à la ligne droite qui les joint, ladite électrode annulaire étant portée à un potentiel de même signe que celui de la charge électrique du corps suspendu. 4 - Dispositif de suspension électrostatique conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 2, comprenant un transformateur différentiel ayant un enroulement primaire alimenté en courant alternatif et deux enroulements secondaires connectés aux électrodes par l'intermédiaire d'un circuit (60) de superposition des signaux de détection de position et de commande de positionnement pour former un pont de mesure capacitif et mesurer les différences des coefficients d'influence entre le corps et les électrodes, caractérisé en ce que les lignes de connexion des électrodes au transformateur différentiel sont des câbles triaxiaux - 11 - (512, 513, 32, 33) dont le blindage intérieur est connecté au point milieu des enroulements secondaires et le blindage extérieur est connecté au potentiel de référence. - Dispositif de suspension électrostatique conforme à l'une quelconque des revendications 1 ou 3, caractérisé en ce qu'il comprend trois paires d'électrodes disposées selon trois axes orthogonaux.