Brevet FR2831323A1 — publié le 20030425

La présente invention concerne un dispositif de protection pour une cible exposée à une source émettant des particules chargées. Le dispositif selon l'invention dissipe l'énergie cinétique de particules chargées pour protéger une cible bombardée par ces particules. Lors de la collision de particules chargées avec une cible, les particules chargées possédant une énergie cinétique suffisante arrachent de la matière à la surface de cette cible, matière qui peut ensuite se déposer un peu plus loin et ainsi contaminer la cible initiale ou la paroi d'une autre cible. Ce phénomène d'érosion et de contamination par arrachement et dépôt de matière est très courant dans tout système exposé à un bombardement de particules chargées, comme par exemple lors de l'utilisation de plasma ionisés et accélérés à haute vitesse pour la propulsion de certain systèmes spatiaux. Les particules chargées, généralement des ions Xénon, sont accélérées à des vitesses de plusieurs km/s, érodant et contaminant toute surface se trouvant sur leur passage. Le dispositif de protection selon l'invention permet de limiter ces phénomènes d'érosion et de dépôt en réduisant la composante de vitesse de l'énergie cinétique possédée par les particules chargées, en faisant interagir ces particules avec un champ électrostatique. L'érosion de la cible est par conséquent réduite ainsi que la contamination par dépôt de matière arrachée. Le dispositif de protection comporte selon une première caractéristique plusieurs plaques de protection principales isolées électriquement les unes des autres et maintenues à un potentiel électrique élevé, croissant dans la direction de propagation des particules chargées, par une source de tension extérieure. Les différentes caractéristiques physiques et géométriques des plaques de protection principales, leur nombre ainsi que les potentiels auxquels elles sont soumises permettent de dévier, ralentir ou complètement stopper les particules chargées. Une ou plusieurs plaques de protection masquantes, chargées légèrement négativement, peuvent être rajoutées en amont des plaques de protection principales de manière à masquer les plaques de protection principales et ainsi éviter que ces dernières n'attirent des électrons. Les plaques de protection principales et les plaques de protection masquantes peuvent être soit des plaques perforées d'orifices, soit constituées d'un maillage, à la manière d'un treillis ou d'un grillage. Les plaques de protection principales et masquantes, doivent être conductrices, constituées d'un même matériau conducteur ou de matériau conducteurs différents, et être isolées électriquement les unes des autres au moyen de matériaux isolants. Un écran peut également être disposé au dos des plaques de protection principales. Cet écran aura pour effet, entre autres, de stopper définitivement toute particule non totalement ralentie lors de son passage au travers de l'assemblage de plaques de protection, ainsi que toutes particules neutres non influencées par le champ électrostatique généré entre les grilles. Bien que non limitatif, il est préférable de disposer l'écran parallèlement aux grilles amont de sorte que les particules non totalement ralenties percutent l'écran avec un angle d'incidence normal, limitant ainsi son érosion. De préférence, le dispositif de protection peut être disposé soit à proximité immédiate de la source de particules chargées (pouvant faire partie intégrante de la source), soit à proximité immédiate de la cible à protéger (pouvant faire partie intégrante de la cible). Pour limiter leur érosion, les plaques de protection principales, les plaques de protection masquantes et les écrans peuvent être réalisés à partir de graphite ou de matériaux céramiques plaqués de matériaux métalliques ayant une bonne résistance à l'érosion par bombardement de particules chargées. Les plaques de protections principales, les plaques de protection masquantes et les écrans possèdent soit des surfaces lisses soit des surfaces irrégulières. Les plaques de protections principales, les plaques de protection masquantes et les écrans sont de forme plate, cylindrique ou de forme complexe afin de pouvoir être adaptées aux différents dispositif d'émission de particules chargées. Le dispositif de protection selon l'invention est principalement destiné à protéger tout système mettant en oeuvre des particules chargées accélérées. Il est, entre autre, particulièrement approprié pour protéger des équipements d'essais, comme par exemple l'admission de pompes à vide installées dans les chambres à vides, utilisées pour tester des plasmas ou toutes autres sources de particules chargées. Le dispositif de protection selon l'invention est également destiné à être utilisé pour protéger contre l'érosion tout équipement placé dans l'environnement proche des systèmes de Propulsion Plasmique utilisés à bords des satellites et émettant des faisceaux divergents d'ions à haute énergie, aussi bien en orbite autour de la terre que pendant des tests au sol en chambre à vide. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure Fig. 1 représente schématiquement la vue en coupe transversale d'un dispositif de protection selon l'invention constitué de plaques de protection principales sans plaques de protection masquantes. La figure Fig. 2 représente schématiquement la vue en coupe transversale d'un dispositif selon l'invention constitué de plaques de protection principales, d'une plaque de protection masquantes et d'un écran. La figure Fig. 3 représente une vue de face d'un exemple de dispositif selon l'invention destiné à être utilisé en conjonction avec un système de propulsion plasmique et selon le principe du dispositif de la figure Fig. 2. La figure Fig. 4 représente une vue en coupe de l'exemple de dispositif de protection selon la figure Fig. 3 destiné à être utilisé en conjonction avec un système de propulsion plasmique. Selon un mode particuliers de réalisation (Fig. 1), le dispositif de protection comporte plusieurs plaques de protection principales (b) et (c) perforées d'orifices (d) placées devant une cible (g) de type plaque. Les plaques de protection principales (b) et (c) sont isolées les unes des autres au moyen d'isolateurs électriques (e) et sont soumises à des potentiels électriques croissants par rapport à la direction de propagation de la particule chargée positivement (z). Selon un autre mode particuliers de réalisation (Fig. 2), une (ou plusieurs) plaque (s) de protection masquante (s) (a) est ajoutée en amont des plaques de protection principales (b) et (c). L'ajout d'un écran (f) permet de stopper toute particule chargée (z) non complètement ralentie lors de son passage au travers des plaques de protection, ou toute particule non chargée (y) non affectée lors de son passage au travers du dispositif. Un potentiel électrique de-50V est appliqué à la plaque de protection masquante (a), un potentiel électrique de -250V est appliqué a la plaque de protection (b) et un potentiel électrique de +500V est appliqué a la plaque de protection (c). Selon un autre mode de réalisation particulier (Fig. 3 et Fig. 4), le dispositif de protection selon l'invention est constitué de mailles linéaires disposé de manière cylindrique qui pourra être utilisé en conjonction avec les systèmes de propulsion plasmique utilisés sur des engins spatiaux. Les particules chargées (z) sont émises par la source (s) de géométrie cylindrique. Les particules chargées sont de préférence, des ions Zénon. La source (s) sera de préférence un moteur plasmique à effet Hall ou un moteur ionique à grilles. Le dispositif de protection de la figure Fig. 3 est constitué de 2 plaques de protection principales (b) et (c) de géométrie cylindrique. Ces plaques de protection principales (b) et (c) sont constituées de mailles de section triangulaire permettant de déformer les lignes de champs du champ électrostatique et par conséquent guider les ions à ralentir au travers des mailles. Une plaque de protection masquante (a) de type mailles linéaires disposées de manière cylindrique est située en amont des plaques de protection principales (b) et (c). Un écran (f), également de géométrie cylindrique, est disposé en aval des plaques de protection principales (b) et (c). L'ensemble du dispositif peut être coiffé d'un couvercle (h) perpendiculaire aux plaques de protection et à l'écran. Ce couvercle confine alors le champ électrostatique ainsi que les ions décélérés et les particules neutres. L'isolation entre chacune des plaques de protection pourra par exemple être réalisée au moyen de matériaux isolants déposés entre la base de chacune des mailles et leur support (i) ou bien en réalisant le support (i) au moyen de matériau isolant. Pour limiter leur érosion, les plaques de protection principales, les plaques de protection masquantes et les écrans peuvent être réalisés à partir de graphite ou de matériaux céramiques plaqués de matériaux métalliques ayant une bonne résistance à l'érosion par bombardement de particules chargées. La source de tension nécessaire pour maintenir les grilles à leur potentiels respectifs peut être un générateur indépendant ou provenir du système de propulsion plasmique lui-même. Le dispositif peut être fixé à la source (s) par l'intermédiaire du support (i), qui pourra par exemple être directement boulonné sur la source (s). A titre d'exemple non limitatif, les mailles de la plaque de protection masquante (a) seront soumises à-50V (empêchant les électrons d'y être attiré). Les mailles de la plaque de protection (b) seront soumises à-250V et les mailles de la plaque de protection de la plaques (c) seront soumises à +500V. Les plaques de protection (b) et (c) serviront à décélérer les ions Xénon. L'écran (f) stoppera définitivement tout ion Xénon non totalement décéléré lors de son passage au travers des plaques du dispositif, ou toute particule non chargée. Le dispositif de protection selon l'invention est entre autre destiné à protéger tout système mettant en oeuvre des particules chargées accélérées. Ainsi, le dispositif de protection selon la forme de réalisation de la figure Fig. 2 (plaques) est particulièrement approprié pour protéger des équipements d'essais comme par exemple l'admission de pompes à vide installées dans les chambres à vides utilisées pour tester des plasmas ou toutes autres sources de particules chargées. Le dispositif de protection selon la forme de réalisation de la figure Fig. 3 est principalement destiné à être utilisé pour protéger contre l'érosion tout équipement placé dans l'environnement proche des systèmes de Propulsion Plasmique utilisés à bords des satellites et émettant des faisceaux divergents d'ions à haute énergie, aussi bien en orbite autour de la terre que pendant des tests au sol en chambre à vide. REVENDICATIONS 1) Dispositif de protection caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs plaques de protection principales (b) et (a) constituées d'un ou plusieurs matériaux conducteurs, présentant plusieurs orifices (d), soumises à des potentiels électriques croissants dans le sens d'avancement des particules incidentes chargées (z) et isolées entre elles par des isolateurs électriques (e), 2) Dispositif de protection selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il possède un ou plusieurs écrans (f), disposés en aval des plaques de protection principales (b) et (c). 3) Dispositif de protection selon la revendication 1 et 2 caractérisé en ce qu'il possède une ou plusieurs plaques de protection masquantes (a) conductrices et isolées électriquement des plaques de protection principales (b) et (c). 4) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de protection principales (b) et (c) et masquantes (a) sont indépendamment des maillages, des grilles ou des plaques perforées d'orifice (d). 5) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface des plaques de protections principales (b) et (c), des plaques de protection masquantes (a) et des écrans (f) sont lisses. 6) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la surface des plaques de protections principales (b) et (c), des plaques de protection masquantes (a) et des écrans (f) possèdent des surfaces irrégulières. 7) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaques de protections principales (b) et (c), les plaques de protection masquantes (a) et les écrans (f) sont de forme plate. 8) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques de protections principales (b) et (c), les plaques de protection masquantes (a) et les écrans (f) sont de forme cylindrique. 9) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les plaques de protections principales (b) et (c), les plaques de protection masquantes (a) et les écrans (f) sont de forme courbe complexe. 10) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est indépendant de la source (s) et de la cible (g). 11) Dispositif de protection selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il fait partie intégrante de la source (s) ou de la cible (g).