Brevet FR2799576A1 — publié le 20010413

La présente invention concerne une source d'ions à haute fréquence comprenant une cuve à décharge ouverte à une extrémité, une entrée de gaz débouchant dans la cuve pour un gaz à ioniser dans cette cuve et une source de gaz à ioni ser reliée à l'entrée de gaz, une bobine à haute fréquence entourant la cuve à décharge, un générateur à haute fréquence relié à la bobine à haute fréquence pour générer un champ al ternatif électromagnétique à haute fréquence ionisant le gaz de la cuve à décharge, et une grille d'accélération reliée à une source de tension d'accélération prévue à l'extrémité ou verte de la cuve à décharge. Les sources d'ions à haute fréquence sont utili sées comme moteur pour les engins spatiaux. La demanderesse a développé un moteur ionique à haute fréquence du type défini ci-dessus, c'est-à-dire comprenant une cuve à décharge ou verte à une extrémité, une entrée de gaz débouchant dans la cuve pour un gaz à ioniser dans cette cuve et une source de gaz à ioniser reliée à l'entrée de gaz, une bobine à haute fréquence entourant la cuve à décharge, un générateur à haute fréquence relié à la bobine à haute fréquence pour générer un champ alternatif électromagnétique à haute fréquence ionisant le gaz de la cuve à décharge, et une grille d'accélération reliée à une source de tension d'accélération prévue à l'extrémité ouverte de la cuve à décharge. Dans ce moteur ionique à haute fréquence connu sous la dénomination RIT (Radiofrequency Ion Thruster), on génère dans la cuve à décharge qui est en matière non- conductrice électrique, un champ à haute fréquence par une bobine à haute fréquence entourant la cuve à décharge. Ce champ à haute fréquence ionise un carburant placé dans la cuve à décharge, de préférence un gaz rare comme du Xénon. Pour allumer la décharge on accélère des électrons libres fournis par une source d'électrons externes à l'aide du champ à haute fréquence. Les électrons entrent en collision avec les particules neutres de carburant, c'est-à-dire les atomes de gaz rare. A chaque collision un électron est expulsé d'un atome neutre qui est alors ionisé positivement. Les électrons libérés sont à leur tour accélérés et entrent en collision avec d'autres atomes neutres. Cela développe un procédé d'ionisation générant un plasma composé d'ions, d'électrons et de carburant neutre. La teneur en ions dans le plasma dé pend de la puissance fournie par le champ à haute fréquence. Lorsqu'on a déclenché la décharge elle s'entretient d'elle- même et il n'est pas nécessaire de fournir des électrons d'une source extérieure. La poussée est engendrée par la ten sion appliquée par la source de tension d'accélération à la grille d'accélération ; ainsi, le champ électrique engendré par la tension d'accélération dans la cuve à décharge, accé lère les ions se trouvant à proximité de la grille d'accélération pour former un faisceau d'ions focalisé. De manière générale on utilise un neutralisateur qui fournit des électrons aux jets d'ions pendant le fonctionnement en pous sée, pour éviter que le moteur ne prenne une charge négative. Dans un tel moteur ionique à haute fréquence, on a jusqu'à présent utilisé une cuve à décharge de forme cylin drique. Dans cette cuve, l'entrée de gaz à ioniser se trouve dans la surface terminale au fond du cylindre à l'opposé de l'extrémité ouverte de la cuve à décharge, cette surface étant plane ou légèrement conique. A l'opposé de ce fond, se trouve la grille d'accélération déjà évoquée pour accélérer le faisceau d'ions. La grille d'accélération est formée de deux à trois plaques minces en matière conductrice électri que. Ces plaques comportent un grand nombre de trous disposés pour former des canaux d'extraction focalisant et accélérant les ions. Les plaques formant la grille d'accélération peu vent être planes ou légèrement cintrées dans la zone d'extraction. Dans la forme connue, la bobine à haute fré quence entoure la partie cylindrique de la cuve à décharge. Le moteur ionique à haute fréquence décrit ci- dessus est par exemple connu selon le document EP 0560742. Des dispositifs de ce type sont décrits dans les documents EP 0537123, DE 2633778, JP 2-230971. Le document US 5170623 décrit au contraire un système d'entraînement hybride formé de la combinaison d'un moteur à combustion et d'un moteur électromagnétique. Dans ce cas, les gaz de combustion d'un moteur à combustion de type fusée, usuel, sont accélérés en plus par une bobine électromagnétique prévue au niveau de la tuyère de détente du moteur de fusée. La présente invention a pour but de développer une source d'ions à haute fréquence. A cet effet l'invention concerne une source d'ions à haute fréquence du type défini ci-dessus, caractéri sée en ce que la cuve à décharge présente en coupe longitudi nale, une forme allant en diminuant vers le fond de la cuve, opposé à l'extrémité ouverte, et la bobine à haute fréquence entoure au moins en partie la zone allant en diminuant de la cuve à décharge. L'invention concerne également un procédé de mise en #uvre d'une telle source d'ions à haute fréquence. Ce pro cédé est caractérisé en ce que l'on fait fonctionner en réso nance la bobine à haute fréquence à la fois avant l'allumage de la décharge dans la cuve à décharge et en fonctionnement à vide après l'allumage de la décharge, mais sans appliquer une tension d'accélération à la grille d'accélération, ainsi qu'en mode de poussée avec accélération des ions par la grille d'accélération en résonance. La source d'ions à haute fréquence selon l'invention offre un nombre d'avantages important. Tout d'abord la cuve à décharge a une résistance mécanique plus élevée avec un poids plus faible que la cuve de l'état de la technique. Un autre avantage est d'obtenir une intensité de champ plus élevée au niveau de l'entrée de gaz grâce à la ré duction du diamètre de la bobine dans cette zone, et ainsi on arrive à une meilleure ionisation du carburant et à un meilleur rendement massique. Un autre avantage réside dans la répartition plus régulière de la densité du plasma dans tout le rayon de la cuve au niveau de la grille d'accélération et ainsi un courant ionique extrait plus élevé et une poussée plus importante. L'invention permet également de réduire les pertes par paroi c'est-à-dire les ions qui seront neutralisés à la paroi sans être accélérés, du fait de la diminution de la surface de la paroi par rapport au volume de la cuve à dé charge ; un autre avantage est que pour une même surface de la paroi intérieure et un même diamètre au niveau de la grille d'accélération, on aura une cuve à décharge plus lon gue de sorte que le trajet entre l'entrée de gaz et la grille d'accélération sera plus long et la probabilité d'ionisation des atomes de carburant sera plus grande. Enfin, dans la réa lisation de la bobine à haute fréquence selon l'invention, contrairement à la forme cylindrique de la cuve à décharge, pour une même longueur de la cuve à décharge, on aura des pertes résistantes plus faibles car le diamètre moyen est plus réduit et ainsi la longueur du fil constituant la bobine sera plus courte. Selon un autre développement de l'invention, en coupe longitudinale la cuve à décharge a une forme conique ou une forme conique /cylindrique avec une partie cylindrique du côté de l'extrémité ouverte et une partie conique du côté de l'extrémité opposée. La cuve peut également comporter en coupe longi tudinale un tronc de cône ou une forme de tuyère allant en diminuant avec une courbure croissante. Selon un autre développement avantageux, l'extré mité de la cuve à l'opposé de l'extrémité ouverte, c'est-à- dire le fond, présente une surface plane, légèrement bombée ou conique. L'entrée de gaz débouche avantageusement dans cette surface d'extrémité. Selon l'invention la bobine à haute fréquence a une seule couche d'enroulement. La cuve à décharge est en une matière non-conductrice électrique à faibles pertes à haute fréquence dans la plage de 0,5 MHz à 100 MHz, notamment en quartz, alumine, autres matières céramiques, Vespel (marque déposée par DUPONT de Nemours), nitrure de bore ou Macor. De manière préférentielle, la cuve à décharge est entourée d'un boîtier en une matière conductrice, notamment en métal et le boîtier a de préférence une forme adaptée à celle de la cuve à décharge. Le boîtier a notamment une forme cylindrique ou conique /cylindrique et selon un développement intéressant le boîtier entoure la cuve à décharge à une distance de 1 à 4 cm. La bobine à haute fréquence est excitée de préférence à une fréquence de résonance de 0,5 MHz à 5 MHz et elle est alimen tée par le générateur à haute fréquence muni d'un circuit de régulation à verrouillage de phases (circuit PLL). Un exemple de réalisation de l'invention sera dé crit ci-après à l'aide des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une vue schématique en partie sous la forme d'un schéma par blocs d'une source d'ions à haute fréquence sous la forme d'un moteur ionique de construc tion connue servant à la description du fonctionnement de ce moteur, - la figure 2 est une coupe transversale de la cuve à dé charge d'un exemple de réalisation d'une source ionique à haute fréquence selon l'invention. Selon la figure 1 on décrira la structure et le fonctionnement de base d'une source d'ions à haute fréquence sous la forme d'un moteur ionique. La source d'ions à haute fréquence portant globalement la référence 1 comporte une cuve de décharge 2 représentée à la figure 1 dans sa forme cylindrique usuelle. La cuve de décharge 2 possède une extré mité ouverte 5 et en regard de celle-ci un fond fermé 6. La cuve de décharge 2 est entourée par une bobine de haute fré quence 3 raccordée à générateur haute fréquence 4. Le généra teur haute fréquence 4 fournit une haute fréquence de l'ordre de 0,5 MHz jusqu'à 5 MHz et de manière caractéristique :#'- 800 kHz ; ce générateur est équipé d'un circuit de régulation à verrouillage de phases (circuit PLL). La cuve de décharge est en matière non-conductrice électrique, à faibles pertes à haute fréquence dans une plage étendue de fréquences de l'ordre 0,5 MHz jusqu'à 100 MHz. La matière peut être du quartz, de l'alumine ou d'autres céramiques, du Vespel (mar que déposée par DUPONT de Nemours), du nitrure de bore ou du Macor ou encore toutes autres matières appropriées. La bobine de haute fréquence 3 forme avec un condensateur qui peut être intégré ou non au générateur haute fréquence 4, un circuit résonant-série ou parallèle. La bobine haute fréquence 3 est reliée d'un côté à la masse. Elle peut également fonctionner en étant isolée par rapport à la masse. La bobine à haute fréquence 3 et le générateur de haute fréquence 4 servent à engendrer un champ alternatif électromagnétique de haute fré quence qui ionise un gaz dans la cuve à décharge. L'extrémité ouverte 5 de la cuve à décharge 2 est munie d'un réseau d'accélération 11 auquel est reliée une source de tension d'accélération 12. La source de tension d'accélération 12 fournit une tension d'accélération par exemple de - 250 V. La grille d'accélération 11 est formée de manière caractéristique de deux ou trois plaques minces d'une matière conductrice électrique notamment d'un métal, munies d'un grand nombre de trous. Les trous sont disposés pour qu'à l'état monté des plaques, ils forment des canaux d'extraction dans lesquels on accélère et on focalise les ions formés dans la cuve à décharge 2. Les plaques constituant la grille d'accélération 11 peuvent être planes ou légèrement cintrées dans la zone d'extraction. I1 est en outre prévu une source de tension anodique 21 qui peut fournir une tension anodique par exemple de + 1200 V. Le gaz à ioniser dans la cuve à décharge 2 est fourni à la cuve à décharge 2 par une entrée de gaz 10 prévue dans le fond fermé 6 à l'opposé de l'extrémité ouverte 5 de la cuve à décharge 2. Le gaz qui est de préférence un gaz rare comme du Xénon, est contenu dans un réservoir de gaz 9 ; il est fourni à l'entrée de gaz 10 par l'intermédiaire d'une unité de régulation 9a et d'une unité de commande de débit 20. L'entrée de gaz 10 est équipée d'un limiteur de débit 17 pour limiter le débit de gaz à une valeur prédéterminée. L'alimentation en gaz à ioniser par l'unité de commande de débit 20 se fait à travers un isolateur 18 dans l'entrée de gaz 10. Le gaz fourni à la cuve à décharge 2 et qui sert de carburant pour le moteur ionique, sera ionisé en ce que tout d'abord les électrons libres de la cuve à décharge 2 se ront accélérés par le champ à haute fréquence engendré par la bobine 3 et entreront en collision avec les atomes neutres du gaz. Lors des collisions, des électrons sont expulsés des atomes neutres c'est-à-dire que les atomes neutres auront une charge positive donnant ainsi des ions. Les électrons libérés sont à leur tour accélérés et entrent en collision avec d'autres atomes neutres du gaz. Cela engendre un procédé d'ionisation créant un plasma formé d'ions, d'électrons et de gaz neutre. La teneur en ions dans le plasma est définie par la puissance fournie par le générateur haute fréquence 4 comme puissance haute fréquence. Dès que la décharge et la formation de plasma dans la cuve à décharge 2 a été lancée, elle s'entretient d'elle-même et il n'est pas nécessaire de fournir d'autres électrons de l'extérieur. Les électrons li bres pour allumer la décharge au début du procédé d'ionisation sont fournis par une source d'électrons exter nes. Dans le moteur ionique représenté, on utilise pour cela le neutralisateur 19 prévu sur le côté arrière de la grille d'accélération 11 et servant à fournir au faisceau d'ions pendant le fonctionnement en poussée du moteur ionique, des électrons évitant que le moteur ne se charge de manière néga tive. Pour cela, le neutralisateur 19 est relié à une source de tension de neutralisation 23 et à une source de tension de chauffage de cathode 22 servant à chauffer une ca thode fournissant les électrons. La poussée du moteur ionique est générée par un champ d'accélérations électrostatiques produites au niveau de la grille d'accélération 11 par la tension fournie par source de tension d'accélération 12 et par la source de tension d'anode 21. Dans ce champ d'accélérations électrostatiques, les ions qui se trouvent dans la cuve à décharge 2, à proximité de la grille d'accélération 11 seront accélérés et focalisés sous la forme d'un faisceau d'ions dans les canaux d'extraction réalisés dans les plaques de la grille d'accélération 1l. Les ions ac célérés engendrent la poussée selon le principe de la réac tion. La cuve à décharge 2 est entourée par un boîtier 15. Selon l'invention, la cuve à décharge 2 présente de manière générale en coupe longitudinale, une forme allant en diminuant vers le fond 6 opposé à l'extrémité ouverte 5 la bobine à haute fréquence 3 entoure la cuve à décharge 2 au moins en partie dans la zone allant en se rétrécissant. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, la cuve à décharge 2 présente en coupe longitudinale une forme conique/cylindrique avec une partie cylindrique 7 tournée vers l'extrémité ou verte 5 et une partie conique 8 tournée vers le fond 6. Dans l'exemple de la figure 2, le fond 6 de la cuve à décharge 2 est constitué par une surface 16, plane avec en son centre, l'entrée de gaz 10. La bobine à haute fréquence 3 entoure la cuve à décharge 2 à la fois dans sa partie cylindrique 7 et dans sa partie conique 8 ; cette bobine est constituée par une seule couche d'enroulement comme le montre la coupe transversale de la figure 2. La cuve à décharge 2 est réalisée en une matière non-conductrice d'électricité et à faibles pertes à haute fréquence correspondant à une plage de 0,5 MHz à 100 MHz ; elle est réalisée notamment en quartz, alumine, autres matiè res céramiques, Vespel (marque déposée par DUPONT de Ne mours), nitrure de bore ou Macor. La cuve à décharge 2 est entourée par un boîtier 15 ayant une forme adaptée à la cuve à décharge de préférence une forme cylindrique ou conique/cylindrique selon la forme de la cuve à décharge 2. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le boîtier 15 présente une forme cylindrique sim ple. Le boîtier 15 constitue un écran pour les champs élec tromagnétiques engendrés dans la cuve à décharge 2, par rapport à l'extérieur et il évacue par rayonnement ou par conduction thermique vers l'extérieur, la chaleur dégagée par l'ionisation. Le boîtier 15 est de préférence réalisé pour en tourer la cuve à décharge 2 ou la bobine à haute fréquence 3 entourant elle-même la cuve à une distance de 1 à 4 cm. Le fonctionnement de la source d'ions à haute fréquence selon l'invention consiste de préférence à faire fonctionner la bobine à haute fréquence 3 à la fois avant l'allumage de la décharge dans la cuve à décharge 2 et pen dant le fonctionnement à vide après l'allumage de la décharge mais sans appliquer de tension d'accélération à la grille d'accélération 11, c'est-à-dire sans engendrer de poussée mais également en mode de poussée avec accélération des ions à travers la grille d'accélération 11 en résonance. NOMENCLATURE 1 Source d'ions à haute fréquence 2 Cuve de décharge 3 Bobine à haute fréquence 4 Générateur haute fréquence 5 Extrémité ouverte 6 Fond 7 Partie cylindrique 8 Partie conique 9 Réserve de gaz 9a Unité de régulation 10 Entrée de gaz 11 Grille d'accélération 12 Source de tension d'accélération 13 14 15 Boîtier 16 Surface d'extrémité 17 Limiteur de débit 18 Isolateur 19 Neutralisateur 20 Unité de commande de débit 21 Source de tension de l'anode 22 Source de tension de cathode 23 Source de tension du neutralisateur R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Source d'ions à haute fréquence comprenant une cuve à dé charge (2) ouverte à une extrémité, une entrée de gaz (10) débouchant dans la cuve (2) pour un gaz à ioniser dans cette cuve (2) et une source (9) de gaz à ioniser reliée à l'entrée de gaz (10), une bobine à haute fréquence (3) entourant la cuve à décharge (2), un générateur à haute fréquence (4) re lié à la bobine à haute fréquence (3) pour générer un champ alternatif électromagnétique à haute fréquence ionisant le gaz de la cuve à décharge (2), et une grille d'accélération (11) reliée à une source de tension d'accélération (12) pré vue à l'extrémité ouverte de la cuve à décharge (2), caractérisée en ce que - la cuve à décharge (2) présente en coupe longitudinale, une forme allant en diminuant vers le fond (6) de la cuve, opposé à l'extrémité ouverte (5), et - la bobine à haute fréquence (3) entoure au moins en partie la zone allant en diminuant de la cuve à décharge (2). 2 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) a en coupe longitudinale une forme co nique. 3 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) présente en coupe longitudinale une forme conique/cylindrique avec une partie cylindrique (7) tournée vers l'extrémité ouverte (5) et une partie conique (8) tournée vers le fond (6) à l'opposé de l'extrémité ou verte. 4 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) comporte en coupe longitudinale un tronc de cône. 5 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) présente en coupe longitudinale une forme de tuyère allant en diminuant avec une courbure crois sante. 6 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) possède sur le fond (6) opposé à l'extrémité ouverte (5), une surface (16) plane, légèrement bombée ou conique. 7 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendication 6, caractérisée en ce que l'entrée de gaz (10) débouche dans la surface (16) du fond de la cuve (2) à l'opposé de l'extrémité ouverte (5). 8 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que la bobine à haute fréquence (3) est une bobine à une seule couche d'enroulement. 9 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que la cuve à décharge est réalisée en une matière non- conductrice d'électricité, à faibles pertes à haute fréquence dans le domaine de 0,5 MHz à 100 MHz, notamment en quartz, alumine, autres céramiques, Vespel (marque déposée par DUPONT de Nemours), nitrure de bore ou Macor. 10 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce que la cuve à décharge (2) est entourée d'un boitier (15) en une matière conductrice, notamment en métal. 11 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendica tion 10, caractérisée en ce que le boîtier a une forme adaptée à celle de la cuve à décharge (2). 12 ) Source d'ions à haute fréquence selon la revendica tion 11 caractérisée en ce que le boîtier (15) a une forme cylindrique' ou coni- que/cylindrique. 13 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisée en ce que le boîtier (15) entoure la cuve à décharge (2) en laissant une distance de 1 à 4 cm. 14 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que la bobine à haute fréquence est excitée à une fréquence de résonance de 0,5 MHz à 5 MHz. 15 ) Source d'ions à haute fréquence selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce que le générateur à haute fréquence (4) est équipé d'un circuit de régulation à verrouillage de phases (PLL). 16 ) Procédé de mise en oeuvre d'une source d'ions à haute fréquence selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que l'on fait fonctionner en résonance la bobine à haute fré quence (3) à la fois avant l'allumage de la décharge dans la cuve à décharge (2) et en fonctionnement à vide après l'allumage de la décharge, mais sans appliquer une tension d'accélération à la grille d'accélération (11), ainsi qu'en mode de poussée avec accélération des ions par la grille d'accélération (11) en résonance.