Brevet FR3049388A1 — publié le 20170929

DETECTEUR D'IONS La présente invention concerne un détecteur d'ions susceptible d'être utilisé par exemple pour déterminer le spectre énergétique des ions positifs dans un plasma. Une telle analyse énergétique est nécessaire par exemple à l'occasion de l'analyse de propulseurs ioniques afin de pouvoir se prononcer sur l'efficacité du moteur. Le détecteur d'ions en question comprend comme composants principaux une électrode repoussant les électrons ainsi qu'une électrode repoussant les ions. En cours de fonctionnement du détecteur d'ions, l'électrode repoussant les électrons est portée à un potentiel électrique négatif créant ainsi un champ électrostatique qui freine les électrons contenus dans un plasma affluant et les repousse enfin, de sorte que substantiellement seuls les ions positifs contenus dans le plasma peuvent passer par ce champ électrostatique négatif. L'électrode repoussant les ions, quant à elle, est portée à un potentiel électrique positif, ledit potentiel positif étant en général variable en intensité. En fonction de l'intensité du champ électrostatique positif les ions sont repoussés par le champ jusqu'à une certaine énergie ; seuls les ions d'une énergie suffisamment élevée parviennent à franchir la barrière formée par le champ électrostatique positif. Ces ions bombardent enfin une surface collectrice métallique où ils provoquent un flux de courant dans le matériau métallique formant la surface collectrice. Ce courant électrique est mesurable ; le gradient du flux de courant variant en fonction du potentiel positif appliqué permet de tirer des conclusions quant à la distribution énergétique des ions contenus dans le plasma. Dans ce milieu professionnel, ce type de détecteurs d'ions est désigné par le terme « retarding potential analyzer », c'est-à-dire des analyseurs fonctionnant avec un potentiel retardateur qui freine d'abord les électrons et ensuite les ions positifs - en fonction de leur énergie. Conformément à sa fonction de barrière, l'électrode repoussant les électrons et l'électrode repoussant les ions sont souvent qualifiées de réflectrices (en anglais « repeller electrode ») dans ce milieu professionnel. Dans un type conventionnel de détecteur d'ions RPA, les électrodes réflectrices sont 3049388 -2 formées par des grilles. Un autre type conventionnel de détecteur d'ions RPS se passe d'électrodes de grille. Au lieu de cela, il utilise des électrodes annulaires qui, à la différence d'une grille, n'offre qu'un seul orifice de passage pour les composants de plasma et sont donc également désignées par le terme « single orifice RPA » dans 5 ce milieu professionnel. Concernant une configuration connue d'un tel single orifice RPA, nous nous référons à l'article « High Precision Beam Diagnostics for Ion Thrusters°» par Benjamin van Reijen et al., paru dans « The 32nd International Electric Propulsion Conference », du 11 au 15 septembre 2011, à Wiesbaden, Allemagne, IEPC-2011-132. Le détecteur d'ions RPA qui y est décrit possède une 10 électrode repoussant les ions cylindrique annulaire, après laquelle une électrode de détection servant de collecteur d'ions est disposée à distance. Entre l'électrode repoussant les ions et l'électrode de détection, une électrode auxiliaire supplémentaire est disposée qui doit être portée à un potentiel électrique négatif et sert d'une part à focaliser le faisceau ionique passant par l'électrode repoussant les 15 ions et d'autre part de réflecteur pour d'éventuels électrons secondaires qui pourraient apparaître lorsque les ions bombardent l'électrode de détection. L'objet de l'invention consiste à fournir un détecteur d'ions de type RPA qui, tout en présentant un bon rapport signal/bruit (rapport entre signaux utiles et signaux 20 parasites), convient non seulement mais en particulier aussi à une utilisation lors de l'analyse de propulseurs ioniques avec des forces d'entraînement de l'ordre du millinewton ou du micronewton. Un détecteur d'ions selon l'invention comprend une électrode repoussant les 25 électrons à porter à un potentiel électrique négatif, une électrode repoussant les ions à porter à un potentiel électrique positif variable, ainsi qu'une surface collectrice pour détecter les ions incidents. L'électrode repoussant les électrons est formée par un élément de diaphragme avec une ouverture de diaphragme pour le passage d'un faisceau ionique. Selon l'invention, l'électrode repoussant les ions constitue un trou 30 borgne tourné dont l'extrémité de trou ouverte est tournée vers l'ouverture de diaphragme et dont la surface constitue la surface collectrice. Dans un tel détecteur d'ions, les fonctions du réflecteur d'ions et du collecteur sont réunies dans une 3049388 -3 électrode commune ce qui simplifie la structure du détecteur. Il s'est avéré qu'avec un diamètre relativement petit de l'ouverture de diaphragme, la solution selon l'invention permet d'obtenir un signal de détecteur suffisamment fort avec un bon rapport signal/bruit. La taille réduite de l'ouverture de diaphragme permet une haute 5 résolution spatiale lorsque le détecteur d'ions est déplacé transversalement à travers le jet d'échappement d'un propulseur ionique. Dans un développement, le fond de trou du trou borgne est réalisé avec un creux, par exemple sous la forme d'un entonnoir conique. Une grande partie des ions 10 franchissant la barrière formée par le champ électrostatique de l'électrode repoussant les ions bombardera la surface de trou au niveau du fond de trou, même si une certaine partie des ions peut aussi bombarder la surface de trou au niveau de la surface latérale de trou. Lorsque des ions bombardent la surface de trou, des électrons secondaires risquent d'être déviés du matériau de l'électrode repoussant les 15 ions et d'atteindre l'intérieur du trou. Il s'est avéré que lorsque le fond de trou est configuré avec un creux, la proportion des électrons secondaires qui se déplacent dans le trou borgne en direction de l'extrémité de trou ouverte et risquent de sortir du trou borgne à cet endroit peut être maintenue à un niveau relativement faible. Grâce au creux, une proportion relativement grande des électrons secondaires peut 20 être maintenue au niveau du fond de trou. Grâce à la configuration de type à creux du fond de trou, la probabilité augmente que des électrons secondaires bombardent la surface de trou (surface collectrice) et y soient neutralisés. La précision de la mesure de courant augmente alors. Les électrons secondaires qui sortent de l'intérieur du trou ne contribuent pas au courant mesuré et provoquent donc une 25 incertitude de mesure. Plus la proportion des électrons secondaires qui sortent du trou borgne est réduite, meilleure sera la précision de mesure. L'angle d'entonnoir du creux d'entonnoir sur le fond de trou peut être compris par exemple entre 100 et 135° ou entre 105 et 130° ou entre 110 et 125° ou entre 115 30 et 120°. Dans certains modes de réalisation, cet angle est d'environ 118°. Le trou borgne peut présenter une circonférence de trou cylindrique, en particulier 3049388 -4 cylindrique circulaire. En partant de son extrémité de trou ouverte, le trou borgne peut présenter une section transversale constante au moins sur une grande partie de sa profondeur de trou allant jusqu'au fond de trou. Dans d'autres modes de réalisation, il est possible que la section transversale du trou varie sur la longueur du 5 trou borgne (c'est-à-dire en partant de l'extrémité de trou ouverte jusqu'au fond de trou) par exemple en une ou plusieurs étapes. Dans certains modes de réalisation, le trou borgne présente une profondeur de trou maximale de pas moins de 15 mm et de pas moins de 18 mm ou de pas moins de 10 21 mm. Dans certains modes de réalisation, le trou borgne présente une profondeur de trou maximale de pas moins de 34 mm ou de pas plus de 31 mm ou de pas plus de 28 mm. 15 L'électrode repoussant les ions peut être constituée par un corps de pot dont la hauteur de pot est supérieure au diamètre intérieur du pot, par exemple au moins 1,3 fois plus grande ou au moins 1,5 fois plus grande ou au moins 1,7 fois plus grande. Le terme « corps de pot » représente ici une forme du corps d'électrode qui 20 présente une paroi latérale fermée tout autour et est donc comparée à une forme de pot ou de godet. Dans ce qui suit, nous nous référerons à cette forme en utilisant le mot « pot », sachant qu'en variante, le terme « godet » peut également être utilisé à cet effet. 25 L'invention concerne en outre l'utilisation d'un détecteur d'ions du type mentionné ci- dessus pour l'analyse d'un plasma. Cette utilisation comprend les étapes consistant à : connecter l'électrode repoussant les électrons à une source de potentiel électrique négatif, connecter l'électrode repoussant les ions à une source de potentiel électrique positif variable, introduire le détecteur d'ions dans un faisceau ionique, et mesurer un 30 courant électrique prélevé au niveau de l'électrode repoussant les ions. Ci-après, l'invention sera expliquée davantage à l'aide des dessins ci-joints. 3049388 -5 La figure 1 montre un mode de réalisation exemplaire d'un détecteur d'ions en coupe longitudinale, et la figure 2 montre schématiquement l'utilisation du détecteur d'ions de la figure 1 5 pour analyser un jet de plasma. Nous nous référons d'abord à la figure 1. Le détecteur d'ions représenté est désigné généralement par 10. Comme principaux composants, il comprend une électrode de pot 12 servant à repousser les ions, ainsi qu'une électrode à disque annulaire 14 10 servant à repousser les électrons et dont l'orifice de disque central constitue une ouverture de diaphragme 16 pour le passage d'un faisceau ionique. L'électrode de pot 12 sert en même temps de collecteur pour les ions du faisceau ionique. C'est-à-dire les ions bombardent la surface de l'électrode de pot 12 et provoquent un flux électronique dans le matériau de l'électrode de pot 12. Celui-ci peut être mesuré à 15 l'aide d'un câblage électrique adapté du détecteur d'ions 10 (voir la figure 2 qui sera expliquée ultérieurement). L'électrode de pot 12 est fabriquée par exemple dans un matériau de cuivre, et électrode à disque annulaire 14 par exemple dans un matériau d'aluminium. 20 L'électrode de pot 12 et l'électrode à disque annulaire 14 sont installées dans un boîtier extérieur tubulaire 18 du détecteur d'ions 10. Ce boîtier extérieur 18 peut être composé d'un matériau métallique, par exemple d'aluminium. Il assure un blindage des composants de détecteur intérieurs (dont les deux électrodes 12, 14) par rapport au plasma environnant dans lequel fonctionne le détecteur d'ions 10. 25 L'électrode de pot 12 est située dans le boîtier extérieur 18 avec interposition d'un corps isolant 20 également configure à la manière d'un pot. L'électrode de pot 12 est insérée dans le corps isolant 20 inséré à son tour dans le boîtier extérieur 18 par une extrémité de tube de celui-ci et maintenu à l'intérieur. Le corps isolant 20 est 30 fabriqué dans un matériau électriquement isolant (par exemple du plastique) et isole l'électrode de pot 12 ainsi que l'électrode à disque annulaire 14 électriquement du boîtier extérieur 18. En cours de fonctionnement, ce dernier est porté par exemple 3049388 -6 au potentiel de masse électrique du circuit de mesure électrique auquel est connecté le détecteur d'ions 10 pour le mode de mesure. L'électrode de pot 12 est formée par un corps de pot 22 présentant dans le cas 5 exemplaire montré une surface latérale de pot 24 cylindrique annulaire ainsi qu'un fond de pot 26. L'espace intérieur délimité entre la surface latérale de pot 24 et le fond de pot 26 définit un trou borgne 28 qui est fermé au niveau de son fond de trou (à l'endroit où se trouve le fond de trou 26) et présente une extrémité de trou ouverte 30 au niveau de l'ouverture de pot. Le corps de pot 22 est fabriqué par 10 exemple en incorporant une partie d'un corps de barre ronde depuis une extrémité de barre dans le trou borgne 28 par exemple par alésage. Le corps de pot 22 est inséré dans le corps isolant 20 jusqu'au fond de celui-ci. Le corps isolant 20 dépasse d'une quantité déterminée de la surface latérale de pot 24 15 du corps de pot 22 au niveau de l'extrémité de trou ouverte 30 et constitue dans la zone de dépassement un épaulement annulaire 32 pour la mise en butée axiale de l'électrode à disque annulaire 14. Lorsque le mot axial est utilisé ici, il se réfère à un axe central de pot imaginaire 34 du corps de pot 22. L'épaulement annulaire 32 assure un espacement axial défini entre l'électrode à disque annulaire 14 et 20 l'électrode de pot 12. Cet espacement est désigné par d sur la figure 1 ; il se situe par exemple dans une plage comprise entre 1 mm et 5 mm ou entre 1 mm et 4 mm ou entre 1 mm et 3 mm. Dans certains modes de réalisation, l'espacement axial d mesure par exemple environ 2 mm. 25 Axialement devant l'électrode à disque annulaire 14 (c'est-à-dire de façon axialement opposée à l'électrode de pot 12), le détecteur d'ions 10 présente un bouchon 36 avec un orifice d'entrée 38 pour le jet de plasma à analyser. Dans le cas exemplaire montré, l'orifice d'entrée 38 présente la même section transversale que l'ouverture de diaphragme 16 de l'électrode à disque annulaire 14, c'est-à-dire il présente la 30 même forme et taille de section transversale que l'ouverture de diaphragme 16. Le bouchon 36 peut être fabriqué dans un matériau métallique, par exemple en aluminium, et se trouver à un potentiel électrique indéfini. Indéfini signifie qu'il n'est 3049388 -7 ni connecté à une masse électrique ni porté à un potentiel électrique défini, positif ou négatif. Afin d'isoler électriquement le bouchon 36 de l'électrode à disque annulaire 14, une bague d'écartement 40 est insérée entre les deux, fabriquée dans un matériau électriquement isolant, par exemple en polyoxyméthylène (POM) ou en 5 céramique, comme par exemple le Macor. Le trou borgne 28 est réalisé au niveau de son fond de trou avec un creux 42 présentant dans le cas exemplaire montré la forme d'un entonnoir conique. Le centre d'entonnoir se trouve au niveau de l'axe de pot 34, c'est-à-dire l'axe de pot 34 10 transperce le creux 42 au point le plus bas de l'entonnoir. L'angle d'entonnoir désigné par a sur la figure 1, est par exemple d'environ 118°. Dans le détecteur d'ions 10, toute la surface de trou à l'intérieur du trou borgne 28 sert de surface collectrice que les ions peuvent bombarder. Au moins une grande 15 partie des ions bombardera la surface de trou au niveau du fond de trou, concrètement au niveau du creux 42. La configuration creusée à la manière d'un entonnoir est utile pour que des électrons secondaires susceptibles d'apparaître lorsque les ions bombardent le matériau de l'électrode de pot 12, ne puissent pas être éjectés du trou borgne 28. Cela assure que le flux entrant de porteurs de charge 20 (ions) puisse être détecté aussi complètement que possible par une technique de mesure et que la précision de mesure soit élevée en conséquence. Dans un mode de réalisation en variante, il est bien sûr possible de configurer le fond de trou de manière entièrement plane avec une surface de fond perpendiculaire à 25 l'axe de pot 34. De même, il est possible de conférer au creux 42 une autre conformation que la forme d'un entonnoir conique, par exemple une forme ronde. Alors que dans le cas exemplaire de la figure 1, le creux 42 s'étend sur tout le fond de trou, il est envisageable dans d'autres modes de réalisation que le fond de trou présente dans sa zone extérieure radiale une surface annulaire orientée axialement 30 et que l'intérieur de l'anneau de cette surface annulaire soit configurée sous forme de creux. 3049388 -8 Dans un mode de réalisation pratique du détecteur d'ions 10, la longueur axiale de la surface latérale de pot 24 (selon la profondeur de trou en partant de l'extrémité de trou ouverte 30 jusqu'au bord d'entonnoir) se situe par exemple dans une plage comprise entre 15 mm et 30 mm. Par exemple, la longueur axiale de la surface 5 latérale de pot 24 est d'environ 22 mm. Le diamètre intérieur de la surface latérale de pot 24 (selon le diamètre de trou du trou borgne 28) se situe par exemple dans une plage comprise entre 8 mm et 16 mm ou dans une plage comprise entre 10 mm et 14 mm. Par exemple, le diamètre de trou est d'environ 12 mm. L'épaisseur de paroi de la surface latérale de pot 24 peut être relativement réduite ; par exemple la 10 surface latérale de pot 24 présente une épaisseur d'environ 1 mm seulement. Le diamètre de l'ouverture de diaphragme 16 (circulaire) se situe par exemple dans une plage comprise entre 3 mm et 8 mm. Par exemple le diamètre de l'ouverture de diaphragme 16 est d'environ 5 à 6 mm. 15 A présent, nous nous référons en complément à la figure 2. En tant que composants du détecteur d'ions 10, elle montre l'électrode de pot 12 ainsi que l'électrode à disque annulaire 14. Les autres composants du détecteur d'ions 10 ont été omis dans un souci de clarté. La figure 2 montre de plus des composants d'un circuit de mesure 20 44 servant à porter les deux électrodes 12, 14 à des potentiels électriques définis et à mesurer le courant électrique à prélever à l'électrode de pot 12 en cas de bombardement ionique. Le circuit de mesure 44 comprend une source de potentiel électrique (générateur de tension) 46 fournissant un potentiel électrique négatif constant (négatif par rapport à un potentiel de masse électrique neutre) à l'électrode 25 à disque annulaire 14. Ce potentiel négatif se situe par exemple entre -10 et -50 V. Dans un cas exemplaire concret, il se situe par exemple à environ -28 V. En outre, le circuit de mesure 44 comprend une source de potentiel électrique 48 fournissant à l'électrode de pot 12 un potentiel électrique positif d'intensité variable. Dans le détecteur d'ions 10, le courant de détecteur est prélevé au niveau de l'électrode de 30 pot 12 elle-même. Pour mesurer le courant de détecteur, un instrument de mesure de tension 50 est prévu, au moyen duquel la tension est mesurée au niveau d'une résistance de mesure 52 définie, et le courant 30 passant par la résistance peut ainsi 3049388 -9 être déterminé. Dans un mode de réalisation en variante, la résistance 52 peut être remplacée par un convertisseur de transimpédance. En cours de fonctionnement, le détecteur d'ions 10 est introduit dans un jet de 5 plasma à analyser de telle sorte que le jet s'approche de l'ouverture de diaphragme 16 sur la figure 2 par le côté gauche de l'électrode à disque annulaire 14. Les électrons contenus dans le plasma sont repoussés par le champ électrostatique généré par l'électrode à disque annulaire 14 et ne peuvent pas passer par l'ouverture de diaphragme 16. Ceci est indiqué par une flèche de mouvement 54 sur la figure 2. 10 Les ions positifs par contre peuvent passer par l'ouverture de diaphragme 16. Parmi ceux-ci quelques-uns sont repoussés par le champ électrostatique généré par l'électrode de pot 12, comme l'indique une flèche de mouvement 56 sur la figure 2. Seuls des ions d'une énergie suffisamment élevée peuvent pénétrer le champ électrostatique généré par l'électrode de pot 12 et atteindre les zones inférieures 15 largement à champ nul du trou borgne 28. A cet endroit, ils sont bombardent la surface du matériau de l'électrode de pot 14 et produisent un courant électrique. Sur la figure 2, une flèche de mouvement 58 illustre à titre d'exemple le schéma de mouvement desdits ions qui peuvent pénétrer le champ électrostatique positif de l'électrode de pot 12. En fonction du niveau du potentiel positif généré par la source 20 de potentiel 48, un nombre plus ou moins grand d'ions, c'est-à-dire d'ions d'énergie supérieure ou inférieure, peut franchir la barrière formée par le champ électrostatique de l'électrode de pot 12. REVENDICATIONS1. Détecteur d'ions (10), comprenant - une électrode repoussant les électrons (14) à porter à un potentiel électrique négatif, l'électrode repoussant les électrons (14) étant formée par un élément de diaphragme (16) avec une ouverture de diaphragme pour le passage d'un faisceau ionique, - une électrode repoussant les ions (12) à porter à un potentiel électrique positif variable, et - une surface collectrice pour détecter des ions incidents, caractérisé en ce que l'électrode repoussant les ions (12) forme un trou borgne (28) tourné par son extrémité de trou ouverte vers l'ouverture de diaphragme (16) et dont la surface de trou constitue la surface collectrice. 2. Détecteur d'ions (10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fond de trou du trou borgne (28) est réalisé avec un creux. 3. Détecteur d'ions (10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le creux est réalisé comme un entonnoir conique. 4. Détecteur d'ions (10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'angle d'entonnoir est compris entre 100 et 135 degrés ou entre 105 et 130 degrés ou entre 110 et 125 degrés ou entre 115 et 120 degrés, par exemple environ 118 degrés. 5. Détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le trou borgne (28) présente une circonférence de trou cylindrique, en particulier cylindrique circulaire. 6. Détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le trou borgne (28) présente une section transversale constante en partant de l'extrémité de trou ouverte (30) au moins sur une grande partie de sa profondeur de trou allant jusqu'au fond du trou (26). 3049388 7. Détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le trou borgne (28) présente une profondeur de trou maximale de pas moins de 15 mm ou de pas moins de 18 mm ou de pas moins de 21 mm. 5 8. Détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le trou borgne (28) présente une profondeur de trou maximale de pas plus de 34 mm ou de pas plus de 31 mm ou de pas plus de 28 mm. 10 9. Détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode repoussant les ions (12) est formée par un corps de pot (22) dont la hauteur de pot est supérieure au diamètre intérieur de pot, par exemple au moins 1,3 fois plus grande ou au moins 1,5 fois plus grande ou au moins 1,7 fois plus grande. 15 10. Utilisation d'un détecteur d'ions (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes pour analyser un plasma, comprenant les étapes consistant à: - connecter l'électrode repoussant les électrons (14) à une source de potentiel 20 électrique négatif, - connecter l'électrode repoussant les ions (12) à une source de potentiel électrique positif variable, - introduire le détecteur d'ions (10) dans un faisceau ionique, et - mesurer un courant électrique prélevé à l'électrode repoussant les ions (12). 25