Brevet FR2831322A1 — publié le 20030425

La présente invention concerne un dispositif permettant de protéger 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 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 comporte selon une première caractéristique plusieurs grilles isolées électriquement les unes des autres et maintenues à un potentiel électrique élevé croissant dans la direction de propagation des particules chargées. En fonction des caractéristiques physiques et géométriques des grilles, de leur nombre ainsi que des potentiels auxquels elles sont soumises, les particules chargées peuvent être déviées, ralenties ou complètement stoppées. Selon des modes particuliers de réalisation : 0 Les grilles peuvent être soit constituées de plaques perforées d'orifices, soit constituées d'un maillage, à la manière d'un treillis ou d'un grillage. 0 Dans le cas de grilles de type plaques perforées, la forme et la taille des orifices peuvent varier en fonction de la nature des particules chargées incidentes. 0 Dans le cas de grilles de type maillage, la forme et la taille du ou des matériaux utilisés pour réaliser le maillage peuvent varier en fonction de la nature des particules chargées incidentes. 0 Les grilles peuvent être constituées de matériau conducteur métallique ou non métallique ou de toutes combinaisons de ces derniers. o Le nombre de grilles à utiliser et les potentiels électriques à appliquer à ces grilles n'es pas limité et dépend de la nature des particules chargées incidentes et de la dissipation d'énergie désirée. ci Si le dispositif selon l'invention se trouve également à proximité d'une source de particules chargées négativement (électrons), il est possible de rajouter une ou plusieurs grilles chargées légèrement négativement en amont des grilles principales de manière à masquer les grilles principales et ainsi éviter que ces dernières n'attirent des électrons. ci Au dos de l'assemblage de grilles principales (en aval de grilles par rapport à la direction de propagation des particules chargées), il est également possible de superposer un écran, métallique ou non métallique. Cet écran aura pour effet de stopper définitivement toute particule non totalement ralentie lors de son passage au travers de l'assemblage de grilles, ainsi que toute particules neutre 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. 0 Le dispositif selon l'invention peut être disposé soit à proximité immédiate de la source de particule chargées (pouvant faire partie intégrante de la source), soit à proximité immédiate de la cible à protéger (pouvant faire partie intégrante de la cible), soit en lieu quelconque entre la source émettant les particules chargées et la cible. Les dessins annexés illustrent l'invention : 0 La Figure 1 représente le principe de fonctionnement de l'invention. 0 La Figure 2 représente une variante de ce dispositif utilisant une grille supplémentaire en amont des grilles principales permettant de masquer ces dernières et ainsi d'empêcher des particules chargées négativement de''voir''les grilles principales et d'y être attirées. La Figure 2 comprend également un écran en aval stoppant définitivement toute particule s'échappant des grilles. 0 La Figure 3 représente un exemple de grille de type plaque perforée. 0 La Figure 4 représente un exemple de grille de type maillage. En référence à ces dessins, le dispositif comporte plusieurs grilles principales (b) et (c) perforées d'orifices (d). Ces grilles 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). Une cible (g) de type plaque est représentée à titre d'exemple pour les besoins de l'illustration. Dans la forme de réalisation selon la figure 2, l'ajout d'une (ou plusieurs) grille supplémentaire (a) en amont des grilles principales (b) (c) permet de masquer les grilles (b) (c) de manière à empêcher d'éventuelles particules chargées négativement (électrons) (x) d'atteindre les grilles principales (b) et (c). Toujours dans la forme de réalisation selon la figure 2, l'ajout d'un écran (f) permet de stopper toute particule chargée (z) non complètement ralentie lors de son passage au travers des grilles, ou toute particule non chargée (y) non affectée lors de son passage au travers des grilles. Le potentiel des grilles, donné ici à titre d'exemple, est de-50V pour la grille (a), -250V pour la grille (b) et +500V pour la grille (c). Selon une variante non illustrée, les grilles ou les écrans constituant le dispositif selon l'invention peuvent avoir des formes plus complexes que de sirrple plaques planes. L'équation mathématique de leur surface peut être quelconque et les surfaces peuvent être ouvertes (plan 1 courbe, convexe, concave, ou bien constituées de plis à la manière d'un accordéon par exemple) i ou fermées (à la manière d'une sphère). ! A titre d'exemple non limitatif, dans le cas d'une cible ill proximité d'une source d'ions Xénon (voyageant à plusieurs dizaines de kilomètres par secondes) et d'une source d'électrons, le dispositif selon l'invention sera constitué de 3 grilles, réalisées à partir de plaques de graphite perforées d'orifices circulaires de 5mm de diamètre et d'un écran aussi réalisé à partir de graphite. L'isolation entre les grilles pourra être obtenue au moyen de matériau céramique. La première grille soumise à-50V masquera les grilles suivantes (empêchant les électrons d'y être attiré). La deuxième grille soumise à-250V et la troisième grille soumise à +500V serviront à décélérer les ions Xénon. L'écran stoppera définitivement tout ion Xénon non totalement décéléré lors de son passage au travers des grilles, ou toute particule non chargée. Le dispositif selon l'invention est principalement destiné à protéger tout système mettant en oeuvre des particules chargées accélérées. Ainsi, le dispositif selon l'invention est particulièrement approprié pour protéger des équipements d'essais comme par exemple les pompes à vide installées dans les chambres à vides utilisées pour tester des plasmas ou toutes autres sources de particules chargées. Le dispositif selon l'invention est aussi destiné à être utilisé pour protéger contre l'érosion tout équipement placé dans l'environnement proche des systèmes de Propulsion Plasmique (tel que les Gridded Ion Engines ou Hall Effect Thrusters) utilisés à bords des satellites, aussi bien en orbite autour de la terre que pendant des tests au sol en chambre à vide. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour la protection de toute cible par ralentissement, déviation ou arrêt total de toute particule chargée incidente à cette cible, en ce qu'il comporte 2 grilles métalliques ou non métalliques (b) (c) de type plaques perforées d'orifices (d) soumises à des potentiels électriques fixes croissants dans le sens d'avancement des particules incidentes (f) et isolées entre elles par des isolateurs électriques (e), 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les grilles sont complétées en aval d'un ou plusieurs écrans (f) arrêtant définitivement toute particule chargée (x) non totalement ralentie lors de son passage au travers des grilles ainsi que toute particule non chargée (y) non affectée par son passage au travers des grilles. ce que les grilles sont complétées en 3) Dispositif selon la revendication 1 ou 2 caractérisé er : ce que les grilles sont complétées en amont d'une ou plusieurs grilles additionnelles (a) dont le potentiel est défini de manière à masquer les grilles principales (b) (c) et à empêcher ainsi toute particule chargée négativement (électron) (z) d'être attirée par les grilles principales (b) (c). 4) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles principales (b) (c) ou additionnelles (a) peuvent être constituées d'un maillage de type treillis ou grillage métallique ou non métallique. 1 5) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les grilles principales (b) (c) ou additionnelles (a) peuvent être constituées d'une combinaison de grilles de type plaques perforées et de grilles de type maillage. 6) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille des orifices de grilles de type plaque perforée peut être quelconque. 7) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille des mailles de grilles de type treillis ou grillage peut être quelconque. 8) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la taille des grilles et des écrans constituant le dispositif selon l'invention peut être quelconque. 9) Dispositif, selon l'une quelconque des revendication : précédentes, caractérisé en ce que l'équation mathématique de la forme des orifices de grilles de type plaque perforée peut être quelconque (polygonale, quadratique ou autre). REVENDICATIONS 10) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équation mathématique de la forme des mailles de grilles de type treillis ou grillage peut être quelconque (polygonale, quadratique ou autre). 11) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'équation mathématique du contour des grilles et des écrans constituant le dispositif selon l'invention peut être quelconque (polygonale, quadratique ou autre). 12) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractéris ; 3 en ce que la surface des grilles et des écrans constituant le dispositif selon l'invention n'est pas 1 nécessairement lisse mais peut présenter des formes de géométrie quelconque sur sa surface (formes pyramidales, coniques ou autres) destinées principalement à guider tes particules chargées vers les orifices des grilles du dispositif. 13) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la surface des grilles et des écrans du dispositif n'est pas nécessairement plate et peut être définie par une équation mathématique quelconque (courbe, concave, convexe, plissée plis à la manière d'un accordéon, ou autre). 14) Dispositif, selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre de grilles et/ou d'écrans utilisés dans le dispositif selon l'invention peut) varier de une à une infinité. 15) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le dispositif selon l'invention peut être disposé à proximité immédiate de la source de particules chargées, à proximité immédiate de la cible à protéger ou en lieu quelconque entre la source de particules et la cible à protéger. 16) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que te dispositif selon l'invention peut être un équipement indépendant de la source de particules chargées ou de la cible à protéger ou peut faire partie intégrante de la source de particules chargées ou de la cible à protéger.