Brevet FR2817392A1 — publié le 20020531

I La présente invention concerne une source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif, avec une chambre à plasma ouverte à au moins une première extrémité, la surface totale des zones ouvertes de la chambre à plasma représentant une surface AO, ainsi qu'une entrée de gaz pour du gaz ionisant et une bobine à haute fréquence. Une source d'électrons à haute fréquence à couplage in- ductif extrait les électrons libres d'un plasma entretenu par un champ électrique alternatif. Ce champ est généré par une bobine d'induction tra- versée par un courant à haute fréquence. Les électrons du plasma sont accélérés par le champ alternatif électrique à des vitesses qui, en cas de choc avec un atome neutre dans le plasma, peuvent ioniser celui-ci. Par ionisation un ou plusieurs autres électrons sont libérés de l'atome neutre ce qui assure une fourniture continue d'électrons. Les ions créés arrivent après un certain temps sur la paroi du récipient dans lequel est maintenu le plasma ou sur des objets immergés dans le plasma. Si la surface de la paroi ou de l'objet est reliée électriquement à une source de courant au point d'impact, la charge négative perdue par l'ion sera récupérée ce qui assure l'équilibrage des charges. Les électrons libres du plasma peuvent dans ces conditions être partiellement extraits, par exemple à travers une ouverture dans l'enceinte ou récipient dans lequel se trouve le plasma. Une telle source d'électrons est par exemple décrite dans le document USA-5 198 718. Cette source se présente sous la forme d'un neutralisateur pour une source d'ions qui est formée par une chambre à plasma avec des parois en matière diélectrique et la chambre est entourée par une bobine à haute fréquence. Une grande partie de la puissance nécessaire à la source d'électrons à haute fréquence, couplée par induction pour entretenir le plasma dans l'enceinte est perdue car les électrons fortement énergétiques du plasma arrivent sur la paroi de l'enceinte et se fixent de nouveau sur les atomes. Au cours de cette opération les électrons perdent une grande partie de leur énergie qu'ils ont reçue du champ alternatif électrique. La présente invention a pour but de développer une source d'électrons à faible demande de puissance. Ce problème est résolu par une source d'électrons du type défini cidessus, caractérisée en ce que la paroi intérieure de la chambre à plasma est formée au moins en partie par des zones conductrices reliées à une source de courant, la surface totale des zones conductrices (4) représente une surface Ac, et le rapport des surfaces Ao et AC est au maximum égal à Ao _ 2Tfe Ac emo dans laquelle mo: masse d'un ion du gaz à ioniser me: masse d'un électron e: nombre d'Euler. Selon l'invention il est prévu de rendre conductrice la paroi intérieure de la chambre à plasma et de la relier électriquement à une source de courant. Cela peut concerner soit toute la surface de la paroi intérieure ou seulement une partie de celle-ci. De plus la section des ou- vertures de l'enceinte à plasma est dimensionnée de manière appropriée pour extraire des électrons. Cela se traduit par une introduction électros- tatique efficace des électrons dans le plasma. Ainsi, selon l'invention on a une source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif avec au moins une chambre à plasma ou- verte à une première extrémité et toute la surface de la zone ouverte de la chambre à plasma correspond à une surface Ao ainsi qu'une entrée de gaz pour du gaz ionisant et une bobine à haute fréquence. La bobine à haute fréquence peut être réalisée et installée de manière très différente, car il lui suffit d'exciter assez le plasma. La bobine à haute fréquence peut être installée par exemple coaxialement à la grande longueur de la chambre à plasma ou se présenter sous la forme d'une spirale adjacente ou encore d'une bobine cylindrique adjacente à la chambre à plasma. La bobine à haute fréquence peut être prévue soit à l'intérieur soit à l'extérieur de la chambre à plasma. La paroi intérieure de la chambre à plasma est formée au moins en partie par des zones conductrices reliées à une source de courant. Les zones conductrices peuvent être réalisées de différentes ma- nières par exemple par un revêtement conducteur, d'un corps de base de la chambre à plasma, par l'insertion d'un corps conducteur tel que des tôles ou des douilles ou des éléments analogues; il peut également s'agir directement de la chambre à plasma (au moins en partie) réalisée en une matière conductrice. La surface totale des zones conductrices est égale à Ac et le rapport entre les surfaces Ao et A, correspond au maximum à la relation suivante: A0 - 2Trme Ac \em, Dans cette relation: mo: masse d'un ion du gaz à ioniser me: masse d'un électron e: nombre d'Euler. Selon un mode de réalisation préférentiel, les zones conductrices sont interrompues au moins une fois pour éviter les courants dans les zones conductrices, perpendiculairement à la direction du champ magnétique de la bobine à haute fréquence traversant la chambre à plas- ma. On évite ainsi que le champ à haute fréquence induise des courants dans les zones conductrices qui risquent finalement de s'opposer à l'effet d'excitation du champ à haute fréquence. On peut notamment prévoir au moins une interruption des zones conductrices dans la direction périphérique de la chambre à plas- ma. Un tel moyen s'applique tout particulièrement si le champ à haute fréquence traverse la chambre à plasma essentiellement perpendiculaire- ment à la direction périphérique. Cela signifie que quel que soit l'endroit de la zone conductrice, on aura toujours au moins une interruption dans la direction périphérique de la chambre à plasma. Cela peut se réaliser par exemple par l'insertion d'un moyen non conducteur ou encore en réalisant le revêtement conducteur pour qu'il n'occupe pas toute la paroi intérieure de la chambre à plasma mais soit interrompu dans la direction périphéri- que. Cette interruption dans la direction périphérique est avantageuse notamment si la bobine à haute fréquence se trouve à l'extérieur des zones conductrices. On évite alors l'interruption en induisant des courants dans la direction périphérique dans les zones conductrices qui gênent le champ à haute fréquence dans sa pénétration dans la chambre à plasma. La forme géométrique de l'interruption peut se choisir relativement librement dans la mesure o elle remplit les exigences évoquées ci-dessus. Elle peut notamment être choisie pour que par une largeur appropriée de l'interruption, un champ électrique capacitif engendré par la bobine à haute fréquence ne soit pas coupé par les zones conductrices. Un tel champ électrique capacitif peut s'utiliser par exemple pour allumer le plasma dans la chambre à plasma. On peut prévoir en particulier que les zones conductrices de la chambre à plasma constituent un manchon conducteur ayant dans la direction périphérique de la chambre à plasma au moins une interruption qui s'étend essentiellement dans la direction longitudinale de la chambre. Le manchon peut ainsi par exemple être fendu principalement dans la di- rection longitudinale de la chambre et la direction de la fente peut différer par exemple jusqu'à 45 par rapport à la direction longitudinale. Selon un développement de l'invention, les zones conductri- ces peuvent avoir au moins au niveau de l'une des extrémités de la cham- bre à plasma, dans la direction longitudinale de celle-ci, une extension moindre que la bobine à haute fréquence. Ainsi la bobine à haute fré- quence chevauche dans ces zones, les zones conductrices et arrive ainsi plus près de l'une des extrémités de la chambre à plasma que les zones conductrices. Ce moyen permet en variante ou en plus des moyens déve- loppés ci-dessus, d'avoir une interruption suffisamment large pour que le champ électrique capacitif de la bobine à haute fréquence pénètre suffi- samment dans la chambre à plasma en évitant ainsi que celle-ci ne soit protégée par un écran. Pour les zones conductrices on peut choisir en principe n'importe quelle matière appropriée qui répond à de telles exigences relati- ves à cette source d'électrons et à son domaine d'application particulier. On peut notamment utiliser des zones conductrices en un métal tel que du titane de l'acier, de l'acier spécial, inoxydable, par exemple de l'acier austénitique ou encore de l'aluminium ou du tantale. Les zones conduc- trices peuvent en variante également être réalisées en un semi- conducteur, notamment en silicium ou en germanium. Dessins La présente invention sera décrite ci-après de manière plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 est une coupe transversale d'une chambre à plasma avec une bobine à haute fréquence extérieure, - la figure 2 est une coupe transversale d'une chambre à plasma avec une bobine à haute fréquence intérieure. Les figures 1 et 2 montrent chacune une chambre à plasma avec une ouverture 5 (orifice d'extraction pour les électrons) à une pre- mière extrémité de la chambre 1, une entrée de gaz 2 à la seconde extré- mité de la chambre 1 et une bobine à haute fréquence 3; dans cet exemple particulier cette bobine est coaxiale à l'extension longitudinale de la chambre à plasma; dans le cas de la figure 1 la bobine est à l'extérieur de la chambre à plasma et dans celui de la figure 2 la bobine est à l'intérieur de la chambre à plasma 1. Comme déjà indiqué ci-dessus, on peut également envisager d'autres réalisations de la bobine à haute fré- quence 3. Une partie de la paroi intérieure de la chambre à plasma est formée par des zones conductrices 4 reliées à une source de courant 6. Une telle chambre à plasma 1 peut s'utiliser comme source d'électrons par exemple comme neutralisateur d'une source d'ions. Un domaine d'application est notamment celui des moteurs ioniques en technique spatiale; on peut également envisager des applications terrestres des sources d'électrons. Le plasma de la chambre à plasma i ne se trouve pas tou- i0 jours à l'équilibre thermique car pratiquement toute la puissance à haute fréquence de la bobine à haute fréquence 3 est absorbée par les électrons du plasma et du fait de leur faible masse par rapport à celle des ions, ces électrons ne peuvent pratiquement pas fournir de puissance aux ions. Il en résulte que la température des électrons dépasse de plus d'un facteur cent la température des ions et des particules neutres. Comme les électrons sont très légers et chauds par compa- raison aux ions, au moment de l'allumage du plasma il y aura beaucoup plus d'électrons rencontrant la paroi de la chambre 1 que d'ions ce qui se traduit par un excédent de charges négatives à la paroi de la chambre à plasma 1. Cette paroi se charge négativement et on aura une différence de potentiel entre la paroi et le plasma. Si l'on néglige le choc des particules à proximité de la paroi on peut décrire le bilan électrique au niveau de la paroi de la manière suivante: Uqe 1 - - Ce+neqee 2CB =J (1) Dans cette formule - C = e [m/ s]: vitesse de Bohm - (Ce)= 8kTe [m/s]: vitesse thermique moyenne des électrons Crme - J[A / m2: densité de la paroi du récipient - k[J / K]: constante de Boltzmann - m0 [kg]: masse d'un ion - me [kg]: masse d'un électron - ne [ / m3J: densité des électrons - qe [C]: charge élémentaire - Te [K]: température des électrons - U[V] différence de potentiel entre le plasma et la paroi de la chambre à plasma. Le premier terme du côté gauche de l'équation 1 représente la densité des électrons sur la paroi; le second terme représente la densité des ions. J est la densité du courant électrique partant de la paroi. Lors- que la paroi est isolée on a J=O. L'équation 1 se résout en U comme suit: U=- kTe ln2-e 1 V l) (2) qe t. k.ex nem qen kTe)) Le premier terme de l'équation (1) montre que la densité des ions pour une certaine température des électrons diminue exponentielle- ment avec le potentiel U du plasma. Cela peut s'utiliser pour l'insertion des électrons en ce que l'on recherche une densité de courant élevée J sur la paroi de la chambre à plasma 1 car J augmente de façon monotone avec la tension U (voir l'équation 2). La densité de courant J est défini par le rapport des surfaces entre l'ouverture d'extraction 5 et les zones de parois intérieures conductrices 4 de la chambre à plasma 1. Pour cela on évalue le courant d'électrons Iex extraits en négligeant la diffusion des ions de la manière suivante Iex 4 (ce)neqeAo (3) Dans cette formule Ao représente la section de l'ouverture d'extraction 5 (figure 1). Si l'on désigne par Ao (voir figure 1) la surface des zones de parois intérieures conductrices 4 fonctionnant comme cathode (figure 1) on a J comme suit: = Iex (4) Si l'on substitue (3) et (4) dans l'équation (2), on obtient: U = _kTe in 2me -e A/2ma (5) qe L 27meA]j Le potentiel de plasma peut être influencé très largement par le rapport Ao/Ao pour avoir une meilleure insertion d'électrons. Plus le rapport Ao/Ac est choisi grand et plus élevée sera la tension U; cela se traduit par une plus forte insertion d'électrons (voir le premier terme de l'équation 1). La limite supérieure du rapport Ao/Ao est donnée par la re- lation suivante 1 A 1- Ao =0 (6) /em 2ltmeAc Pour cette limite, l'argument du logarithme dans l'équation 5 est nul ce qui aboutit à une singularité. Physiquement cela correspond au point auquel Iex correspond au courant de saturation des ions sur la cathode 4 (deuxième terme dans l'équation 1). Si Iex augmente du fait d'une plus grande ouverture d'extraction 5, il n'est plus possible d'équilibrer les charges car il n'y aura plus suffisamment d'ions par unité i5 de temps sur la cathode 4. En conséquence, grâce à la présente invention on peut ré- pondre au processus de perte le plus fort dans le plasma à savoir la perte d'électrons fortement énergétiques sur la paroi de la chambre à plasma 1. Entre le plasma et la chambre on aura une chute de potentiel qui coupe une grande partie des électrons. Si la paroi de la chambre à plasma 1 comme dans le cas présent forme en même temps la cathode sous la forme de zones conductrices 4 correspondantes, par un choix approprié de la section d'ouverture d'extraction 5 on peut augmenter cette chute de potentiel ce qui accentue la protection vis-à-vis des électrons c'est-à- dire leur insertion. On choisit une ouverture d'extraction 5 de section aussi grande que possible mais néanmoins pour que le rapport entre la section d'ouverture et la surface de la cathode ne dépasse pas la valeur Ao _ 2 e Ao emo La cathode c'est-à-dire les zones conductrices 4 doivent à côté de leur fonction primaire d'insertion électrostatique des électrons, remplir également deux autres conditions à savoir: 1. la cathode doit être résistante vis-à-vis du plasma et survivre au temps de fonctionnement requis avec une perte de qualité acceptable. 2. dans le cas d'une bobine à haute fréquence 3, extérieure, la cathode 4 ne doit pas couper le champ à haute fréquence par rapport au plasma. Dans les applications techniques spatiales on a des condi- tions relativement strictes pour de telles sources d'électrons. Pour l'application de la source d'électrons comme neutraliseur de moteurs ioniques en technique spatiale, il faut garantir actuellement de 8.000 à 15.000 heures de temps de fonctionnement. Pour les applications terres- tres cette exigence est significativement moindre car il est possible d'assurer l'entretien. Pour le plasma on peut utiliser des gaz tels que des gaz nobles comme le xénon. Pour le choix des matériaux pour les zones conductrices 4 c'est-à-dire la cathode dans les applications techniques spatiales il faut respecter les conditions suivantes: - pendant le fonctionnement des ions d'énergie qeU arrivent en continu sur la cathode. Cela peut conduire à l'érosion, - la température de la source d'électrons ne doit pas atteindre au maxi- mum 300 à 400 C, - comme la source fonctionne sous un lit de poussée, la matière doit avoir une pression de vapeur suffisamment faible et non pas dégazée, - la cathode doit pourvoir s'installer facilement et de manière économi- que dans une chambre à plasma, - la cathode doit survivre aux sollicitations de lancement lors du trans- port de l'installation équipée d'une telle source d'électrons, vers l'espace. Il existe quelques métaux qui remplissent ces conditions, en particulier: - le titane, - l'acier notamment acier inoxydable (acier austénique), - l'aluminium, - le tantale. On pourrait également envisager de fabriquer la cathode dans un semi-conducteur comme par exemple du silicium ou du germa- nium. La cathode 4 peut être réalisée par exemple sous la forme d'un manchon conducteur placé à l'intérieur du corps de base de la chambre à plasma et former au moins une partie de la paroi intérieure de la chambre à plasma 1. Si l'on utilisait un manchon non-conducteur, to- talement fermé à l'intérieur de la chambre à plasma 1 avec une bobine à haute fréquence 3, extérieure, on induirait des courants dans le manchon qui généraient la pénétration du champ électrique à haute fréquence. C'est pourquoi il est nécessaire que la cathode 4 présente dans la direc- tion périphérique de la chambre à plasma 1, par exemple suivant l'axe de la bobine, au moins une interruption par exemple sous la forme d'une fente pour éviter les courants circulant dans la direction périphérique. De plus l'opération d'allumage doit être prise en compte: en fonctionnement au ralenti, c'est-à-dire lorsque du courant traverse la bo- bine 3 mais que le plasma ne brûle pas, on a une tension alternative de quelques centaines de volts. Pour allumer le plasma il suffit de quelques électrons libres existant dans le gaz utile sous l'effet de l'équilibre thermi- que. Ces électrons peuvent être accélérés avec une énergie suffisante par la tension alternative appliquée à la bobine 3 pour ioniser le gaz. Cette io- nisation engendre de nouveau des électrons secondaires participant au procédé. On a un effet d'avalanche d'électrons aboutissant finalement au plasma. Cette opération est appelée allumage capacitif car le champ élec- trique décisif est entre les extrémités de la bobine et présente le caractère d'un champ engendré par un condensateur. Le champ à haute fréquence induit dont il a toujours été question ci-dessus ne suffit pas le cas échéant pour allumer le plasma. Pour de tels cas on peut allumer le plasma à l'aide de l'allumage capacitif décrit ci-dessus. Le champ à haute fréquence, induit peut alors s'utiliser pour chauffer le plasma après son allumage. Dans le cas d'un allumage capacitif, la cathode 4 ne doit pas former un écran pour le champ électrique capacitif. Pour cela il faut prévoir une interruption dans la direction périphérique par exemple une fente axiale, suffisamment large dans la cathode 4 pour permettre une pé- nétration partielle du champ électrique o la cathode 4 doit être plus courte que la bobine 3 à au moins une extrémité de la chambre à plasma 1 comme cela apparaît aux figures 1 et 2. REVENDICATIONS R E V E N D I C A T I O N S 1 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif, avec une chambre à plasma (1) ouverte à au moins une première extrémité, la sur- face totale des zones ouvertes (5) de la chambre à plasma (1) représentant une surface Ao, ainsi qu'une entrée de gaz (2) pour du gaz ionisant et une bobine à haute fréquence (3), caractérisée en ce que la paroi intérieure de la chambre à plasma (1) est formée au moins en partie par des zones conductrices (4) reliées à une source de courant (6), la surface totale des zones conductrices (4) représente une surface Ac, et le rapport des surfaces Ao et A, est au maximum égal à Ac \ emo dans laquelle mo: masse d'un ion du gaz à ioniser me: masse d'un électron e: nombre d'Euler. 2 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les zones conductrices (4) sont interrompues au moins une fois pour éviter que des courants dans les zones conductrices (4) passent perpendiculai- rement à la direction du champ magnétique de la bobine à haute fré- quence (3) traversant la chambre à plasma (1). 3 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la re- vendication 2, caractérisée en ce que les zones conductrices (4) sont interrompues au moins une fois dans la direction périphérique de la chambre à plasma (1). 4 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la re- vendication 3, caractérisée en ce que les zones conductrices (4) de la chambre à plasma (1) forment un man- chon conducteur ayant dans la direction périphérique de la chambre à plasma (1), au moins une interruption s'étendant essentiellement dans la direction longitudinale de la chambre à plasma (1). ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la revendication 1, caractérisée en ce que les zones conductrices (4) au moins au niveau de l'une des extrémités de la chambre à plasma (1) ont une longueur plus faible dans la direction longitudinale de la chambre à plasma (1) que la bobine à haute fréquence (3). 6 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les zones conductrices sont formées d'un métal choisi dans le groupe du titane, de l'acier, de l'aluminium et du tantale. 7 ) Source d'électrons à haute fréquence à couplage inductif selon la re- vendication 1, caractérisée en ce que les zones conductrices sont formées d'un semi conducteur notamment de silicium ou de germanium.