Brevet FR2906961A1 — publié le 20080411

APPAREIL D'ALIMENTATION Références croisées à des applications connexes La présente demande se base et revendique les avantages de priorité de la demande de brevet japonais No. 2006-272858, déposée le 4 octobre 2006. La présente invention concerne un appareil d'alimentation pour un accélérateur d'ions qui est un dispositif de décharge pour accélérer des ions et en particulier un propulseur Hall constituant un dispositif de propulsion électrique monté sur un satellite artificiel, Un propulseur Hall ionise le gaz introduit à partir d'une extrémité d'un canal 10 de décharge de forme annulaire, accélère le gaz ionisé et éjecte le gaz de l'autre extrémité du canal de décharge. Une poussée d'un propulseur Hall peut être obtenue par la réaction des ions ainsi produits. Un flux magnétique est formé radialement dans le canal de décharge de forme annulaire, L'effet Hall par le flux magnétique permet aux électrons de dériver de manière circonférentielle dans le 1 canal de décharge de forme annulaire de sorte le mouvement des électrons soit supprimé dans une direction axiale. Ainsi, seuls les ions peuvent être efficacement accélérés (par exemple, voir le document JP-A-2002-517661). Un des problèmes lié au fonctionnement stable du propulseur Hall est l'apparition d'un phénomène d'oscillation de décharge. Le phénomène d'oscillation 20 de décharge comprend différents types de phénomènes d'oscillation, qui comprennent le phénomène d'oscillation de décharge à la fréquence la plus basse appelée oscillation d'ionisation . Dans le phénomène d'oscillation de décharge, une oscillation est générée dans la forme d'onde de courant du courant anodique, à une fréquence d'environ 10 kHz, provoquant ainsi des effets importants sur la 25 stabilité, la fiabilité et la solidité d'un système comprenant le propulseur Hall. Afin d'éliminer un tel inconvénient, une technique de contrôle pour éliminer ce phénomène d'oscillation de décharge e été recherchée (par exemple, voir Kyouichi Kuriki et Yoshihiro Arakawa, Introduction to Electric Propulsion Rackets, University of Tokyo Press, pp. 152-154, 2003, Japon). En outre, une 30 condition liée à la génération du phénomène d'oscillation de décharge dans le propulseur Hall e été précédemment formulée en utilisant un modèle relativement simple (par exemple, voir N. Yamamoto, K. Komurasaki et Y. Arakawa, 2906961 2 Discharge Current Oscillation in Hall Thrusters, Journal of Propulsion and Power, Vol. 21, No. 5, pp. 870-876, 2005). Dans un appareil d'alimentation conventionnel, lorsqu'une charge commence à présenter un comportement instable lié à des changements du courant anodique, un signal de courant anodique est réintroduit à une unité de contrôle d'alimentation pour éliminer les changements du courant anodique, éliminant ainsi le phénomène d'oscillation de décharge (par exemple, voir JP-A-2005-282403). Dans l'appareil d'alimentation conventionnel, lorsque le courant anodique varie, le signal de courant anodique est réintroduit à l'unité d'alimentation, éliminant ainsi le courant anodique. Cependant, l'utilisation d'une telle technique permettant de détecter quand le courant anodique varie, rend difficile l'amélioration sensible de la stabilité du propulseur Hall puisque le phénomène d'oscillation de décharge n'est pas théoriquement éliminé. En outre, le phénomène d'oscillation de décharge se produit à la fréquence par exemple de 10 Hz. Pour cette raison, lorsqu'il est prévu d'éliminer l'oscillation par la rétroaction à l'unité de contrôle d'alimentation, un système de contrôle à très grande vitesse est nécessaire. Si le système de contrôle ne peut pas subir une réponse à grande vitesse, un contrôle stable ne peut pas réaliser, et le phénomène d'oscillation se produit entre l'appareil d'alimentation et le système de contrôle de sorte que l'instabilité du propulseur Hall puisse être favorisée. De plus, lorsque la condition liée au fonctionnement du propulseur Hall est optimisée tout en recherchant l'effet différent de la stabilité du courant dans une condition de fonctionnement spécifique, le propulseur Hall ne peut pas être contrôlé de manière stable. La présente invention a été réalisée afin de résoudre les problèmes mentionnés ci-dessus. Un objet de la présente invention propose un appareil d'alimentation capable d'actionner de manière stable un propulseur Hall qui sert d'accélérateur d'ions en éliminant l'apparition d'un phénomène d'oscillation de décharge dans une condition de fonctionnement spécifique telle qu'un cas où une efficacité de propulsion élevée est nécessaire. Selon un premier aspect de la présente invention, il est fourni un appareil d'alimentation pour contrôler c'est-à-dire commander un accélérateur d'ions qui comprend une électrode anodique, un régulateur de débit gazeux et une bobine 2906961 3 qui génère un champ magnétique, l'appareil d'alimentation comprend : un dispositif de contrôle configuré de manière à contrôler : une tension anodique appliquée à l'électrode anodique ; un débit gazeux de gaz s'écoulant à travers le régulateur de débit gazeux ; et une densité du flux magnétique à une sortie d'ions 5 de l'accélérateur d'ions en commandant le courant de bobine s'écoulant à travers la bobine qui génère un champ magnétique, ajustant ainsi l'amplitude de l'accélération d'ions dans l'accélérateur d'ions, dans lequel, en fonction de : une section de la sortie d'ions de l'accélérateur d'ions ; une longueur de la zone d'accélération de l'accélérateur d'ions et un rapport de polarisation de flux 10 magnétique représentant un rapport de la densité de flux magnétique à la sortie d'ions à une valeur moyenne de la densité magnétique dans une direction d'accélération d'ions de l'accélérateur d'ions, le dispositif de contrôle régule la tension anodique, le débit gazeux et la densité de flux magnétique à la sortie d'ions qui dépend du courant de bobine, afin de satisfaire une formule donnée 15 suivante : 500x109 kjNnL ...(1) dans laquelle k; est une fréquence ionisante ; Nn est une densité d'atome neutre et L est une longueur représentative dans la direction axiale d'une région où se produit l'ionisation. Ainsi qu'indiqué sur la figure 1, de manière générale, le 30 propulseur Hall 11 est conçu de sorte que la densité de flux magnétique soit maximisée au niveau de la sortie des ions. Ainsi, la région où se produit l'ionisation est située dans le voisinage de la sortie des ions. Le terme vea représente une vitesse des électrons dans le plan sur le côté de l'électrode 2906961 11 anodique 12 dans la région où se produit l'ionisation. Le terme vex représente une vitesse des électrons dans le plan sur le côté de la sortie d'ions dans la région où se produit l'ionisation. A présent, la vitesse des électrons sur le côté gauche est examinée. Tout d'abord, la vitesse des électrons Ve, telle que décrite par la 5 formule 10 dans le document intitulé Discharge Current Oscillation in Hall Thrusters peut être exprimée par la formule (2), utilisant une mobilité d'électrons p. ù (E+ kB Te 'Ne ...(2) qe Ne i 10 D dans laquelle p est une mobilité d'électrons ; E est une intensité de champ électrique, D est un coefficient de diffusion, Ne est une densité électronique, kB est une constante de Boltzman, Te est une température électronique et qe est une quantité de charge d'un électron. Si l'effet de diffusion est négligé, seul le terme de 15 dérivation sur base du champ électrique dans le premier terme du côté droit demeure. Pendant ce temps, la mobilité pc, si la diffusion classique est supposée, peut être exprimée par la formule (3) _ mv mkm li N .. ..(3) /~ e D 2 /~D 2 n leU leU 20 dans laquelle B est une densité de flux magnétique, v (= km.Nn) est une fréquence de collision d'un électron et Nn est une densité de gaz. Ensuite, il est supposé que la densité de flux magnétique V est proportionnelle au courant de bobine Ic, et la densité de gaz Nn est proportionnelle au débit gazeux Q. 25 Egalement on suppose que la densité de gaz Nn est inversement proportionnelle à une section de sortie S de la sortie d'ions qui est une sortie du propulseur Hall 11 constituant l'accélérateur d'ions. La section de sortie S représente la surface d'une région de forme annulaire entourée de la paroi externe de l'anneau interne 16 et la paroi interne de l'anneau externe 17 présenté sur la figure 2. Dans le 30 propulseur Hall 11, l'intensité de champ électrique E, qui est plus fort dans une région avec une densité de flux magnétique plus élevée, dépend de la distribution Ne 2906961 12 dans la direction axiale de la densité de flux magnétique. A présent, la direction axiale de la densité de flux magnétique représente une direction d'accélération d'ions dans l'accélérateur d'ions et la direction radiale de la densité de flux magnétique représente la direction perpendiculaire à la direction axiale du flux 5 magnétique. S'il est supposé que la distribution de la composante dans la direction radiale le long de la direction axiale z est B(z), et la composante dans la direction radiale de la densité de flux magnétique à la sortie d'ions est B, dans la distribution de B(z), ainsi que décrit en référence à la figure 1, la densité de flux 10 magnétique B à la sortie des ions est généralement la plus importante et donc l'apparition de plasma est pratiquement la plus importante dans le voisinage de celle-ci. Donc, B peut être considéré comme étant la valeur typique de la densité de flux magnétique. Le rapport de polarisation de flux magnétique R, qui est un rapport de la densité de flux magnétique à la sortie des ions à la valeur 15 moyenne de la densité de flux magnétique dans la direction axiale ou la direction d'accélération d'ions, peut être défini par la formule (4) B 1 Sortie JB(z)dz d Anode ..(4) 20 dans laquelle d est une longueur de région d'accélération d'ions qui est la longueur d'une région d'accélération d'ions 18 du propulseur Hall 11 constituant l'accélérateur d'ions. La longueur de région d'accélération d'ions d représente la distance de l'électrode anodique 12 à la sortie d'ions. L'intégration est l'intégration sur la distance dans la direction axiale depuis l'électrode anodique 12 (Anode) à la 25 sortir des ions (Sortie). Le rapport de polarisation de flux magnétique R, la longueur de la région d'accélération d'ions et la section de sortie S dela sortie d'ions sont des paramètres qui dépendent de la forme ou de la conception du propulseur Hall 11. S'il est supposé que la cathode creuse 21 constituant une cathode est située à la position suffisamment proche de la sortie d'ions, en 30 utilisant le rapport de polarisation de flux magnétique R, l'intensité de champ 2906961 13 électrique Ex à la sortie d'ions peut être approximativement exprimée par la formule (5) E _ 13 . VQ ..(5) d Dans le cas de la diffusion classique, d'après la formule (2) et la formule (5), la vitesse électronique ve-c peut être exprimée par la formule (6) V e cE ~ 7 • V r •• lJ V Q ....(6) e c LC ~.J 2 1 10 Si la vitesse électronique présente cette dépendance, le côté gauche de la formule (1) doit également présenter une dépendance similaire. Ainsi, la probabilité d'apparition d'oscillation peut être réarrangée sous la forme du côté droit de la formule (6). Pour cette raison, la relation entre (13•Va•Q)/(s•d•B2) et 15 l'amplitude d'oscillation du courant anodique a été examinée en utilisant la relation obtenue dans la formule (6). La figure 4 est un graphique représentant l'amplitude d'oscillation du courant anodique dans le premier mode de réalisation de la présente invention. Sur la figure 4, l'axe vertical représente l'amplitude d'oscillation du courant 20 anodique (amplitude de variation du courant) obtenue par mesure. L'axe horizontal représente (13•Va•Q)/(s•d•B2). Les points relevés sur la figure représentent les niveaux d'amplitude d'oscillation mesurés du courant anodique sous la condition des différentes combinaisons de la tension anodique Va[V], du débit gazeux Q[sccm] et de la densité de flux magnétique B[T] proportionnel au 25 courant de bobine Ic. L'unité sccm du débit gazeux Q est une abréviation de Standard Cubic Centimeter per Minutes. L'amplitude d'oscillation du courant anodique peut être obtenue à partir de l'amplitude de variation de la forme d'onde du courant du courant anodique. Dans cette expérience, le gaz qui s'écoule à travers le propulseur Hall 11 est Xe. La valeur de la densité de flux magnétique 30 varie d'un endroit à un autre. Selon ce mode de réalisation, il est estimé que la densité de flux magnétique dans le voisinage de la sortie d'ions du propulseur Hall 5 2906961 14 11 est B[T], la section de sortie de la sortie d'ions du propulseur Hall 11 est S[m2], la longueur de la région d'accélération d'ions est d[m] et le rapport de polarisation de flux magnétique est 13. Il est à noter d'après la figure 4 qu'avec l'axe horizontal de (13•Va•Q)/(s•d•B2) 5 en utilisant la formule (6) normalisée sur base de la diffusion classique, où les résultats expérimentaux sont relevés sur le graphique, toutes les données de l'amplitude d'oscillation du courant anodique sont pratiquement concentré sur une seule courbe. Sur la figure 4, une plage I (([3•Va•Q)/(s•d•B2) 200 x 109) est une plage dans laquelle une oscillation très importante se produit. Dans une plage III 10 (500 x 109 REVENDICATIONS 1. Appareil d'alimentation pour contrôler un accélérateur d'ions qui comprend une électrode anodique (12), un régulateur de débit gazeux (15) et une bobine qui génère un champ magnétique, l'appareil d'alimentation comprenant : un dispositif de contrôle configuré de manière à contrôler : une tension anodique appliquée à l'électrode anodique (12) ; un débit gazeux d'un gaz s'écoulant à travers le régulateur de débit gazeux (15) ; et la densité de flux magnétique à une sortie des ions de l'accélérateur d'ions en contrôlant le courant de bobine s'écoulant à travers la bobine qui génère un champ magnétique, ajustant ainsi l'amplitude de l'accélération des ions dans l'accélérateur d'ions, dans lequel, en fonction de : une section de la sortie d'ions de l'accélérateur d'ions ; une longueur de région d'accélération d'ions de l'accélérateur d'ions ; et un rapport de polarisation de flux magnétique représentant un rapport de la densité de flux magnétique à la sortie des ions à une valeur moyenne de la densité de flux magnétique dans une direction d'accélération d'ions de l'accélérateur d'ions, le dispositif de contrôle régule la tension anodique, le débit gazeux et la densité de flux magnétique à la sortie des ions qui dépend du courant de bobine, afin de satisfaire la formule donnée ci-dessous : 500x109 2. Appareil d'alimentation selon la revendication 1, comprenant en outre un 30 détecteur d'oscillation (22) configuré de manière à détecter une oscillation du courant anodique s'écoulant à travers l'électrode anodique, dans lequel lorsque le détecteur d'oscillation détecte l'apparition de l'oscillation du courant anodique, le dispositif de contrôle régule le courant de bobine de manière à le réduire. 2906961 28 3. Appareil d'alimentation pour contrôler un accélérateur d'ions qui comprend une électrode anodique (12), un régulateur de débit gazeux (15) et une bobine qui génère un champ magnétique, l'appareil d'alimentation comprenant : 5 un dispositif de contrôle configuré de manière à contrôler : une tension anodique appliquée à l'électrode anodique (12); un débit gazeux du gaz s'écoulant à travers le régulateur du débit gazeux (15) ; et la densité de flux magnétique à une sortie des ions de l'accélérateur d'ions en régulant le courant de bobine s'écoulant à travers la bobine qui génère un champ magnétique, ajustant ainsi l'amplitude de 10 l'accélération des ions dans l'accélérateur d'ions, dans lequel, en fonction d'une longueur de la région d'accélération d'ions de l'accélérateur d'ions et un rapport de flux magnétique représentant un rapport de la densité de flux magnétique à la sortie des ions à une valeur moyenne de la densité de flux magnétique dans une direction d'accélération d'ions de 15 l'accélérateur d'ions, le dispositif de contrôle régule la tension anodique et la densité de flux magnétique à la sortie d'ions qui dépend du courant de bobine pour satisfaire une formule donnée ci-dessous : 0 4. Appareil d'alimentation selon la revendication 3, comprenant en outre un détecteur d'oscillation (22) configuré de manière à détecter une oscillation du courant anodique s'écoulant à travers l'électrode anodique (12), dans lequel lorsque le détecteur d'oscillation détecte l'apparition de l'oscillation du courant anodique, le dispositif de contrôle régule le courant de bobine de manière à l'augmenter.