Brevet FR3094557A1 — publié le 20201002

Description Titre de l'invention : Dispositif d'éjection d'ions à effet Hall Domaine technique de l'invention [0001] La présente invention concerne le domaine des dispositifs d'éjection d'ions à effet Hall (HET pour « Hall Effcct Thruster » selon la terminologie anglo-saxonne) et plus particulièrement les propulseurs à effet Hall. [0002] Un dispositif d'éjections d'ions à effet Hall met à profit un champ magnétique pour piéger des électrons servant à ioniser un gaz présent dans une chambre ainsi qu'un champ électrique appliqué entre une anode et une cathode pour accélérer les ions produits et les éjecter hors du propulseur. Ceci génère une force de poussée qui permet de propulser l'engin sur lequel le propulseur est installé. Arrière-plan technique [0003] Un tel dispositif peut servir dans des applications industrielles, par exemple en tant que source d'ions pour le dépôt sous vide, la gravure sèche et plus généralement le traitement de surfaces. [0004] Un tel dispositif peut servir également dans le domaine aérospatial et on parle alors de propulseur à effet Hall. [0005] Un propulseur à effet Hall peut en effet servir à maintenir un satellite en orbite géo- stationnaire, à déplacer un satellite d'une première orbite vers une seconde orbite, à compenser des forces de traînée sur des satellites placés sur une orbite dite « basse » (c'est-à-dire sur une orbite dont l'altitude est généralement comprise entre 200 km et 400 km), ou à propulser un engin spatial au cours d'une mission interplanétaire nécessitant des poussées faibles sur des temps très longs. [0006] Ces propulseurs à effet Hall sont adaptés aux satellites ou engins spatiaux sur lesquels ils sont installés. [0007] Par exemple, un propulseur à effet Hall et plus généralement un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall de 1,5 kW de puissance électrique nominale ne peut fonctionner qu'entre 1 kW et 2 kW environ. Il est donc adapté aux satellites ou engins spatiaux qui peuvent fournir ces niveaux de puissance électrique. [0008] Typiquement, pour être efficace, un propulseur à effet Hall et plus généralement un dispositif d'éjections d'ions à effet Hall doit répondre aux exigences suivantes : - Il doit former une lentille magnétique (concentration du champ magnétique) en sortie du canal d'éjection des ions ; - Il doit présenter, autant que possible, une grande extension du champ magnétique à l'extérieur du canal d'éjection des ions ; - Le champ magnétique doit être aussi proche que possible de la valeur nulle, au 2 niveau de l'anode, laquelle est située dans le canal d'éjection des ions. [0009] La figure 1 représente, selon une vue en coupe, un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall selon l'état de la technique et répondant aux exigences mentionnées ci-dessus. [0010] En l'occurrence, il s'agit d'une solution proposée dans le document FR 2 919 755 (Dl ). [0011] On peut constater que le dispositif d'éjection d'ions à effet Hall comporte un canal 10, de forme annulaire. Un circuit magnétique est prévu. Ce circuit magnétique comporte notamment des aimants permanents 19, 20, annulaires, qui sont placés de part et d'autre du canal 10. Ce circuit magnétique comporte également un couvercle 9 coiffant les aimants permanents 19, 20. Cc couvercle 9 est réalisé en Fer doux et comporte des ergots El , E2 qui s'étendent, radialement, entre un aimant 19, 20 et une paroi 22, 23 du canal 10. Cc circuit magnétique comporte enfin une couronne 5 en Fcr doux, en forme de U et munie d'un entrefer 14, cette couronne 5 reliant magnétiquement les aimants permanents 19, 20 et s'étendant à l'extérieur du canal 10, ce canal étant défini entre l'anode 26 et la sortie S du canal 10. [0012] Les ergots El, E2, du fait de leur forme et de leur nature, participent à mettre en forme le champ magnétique généré entre les aimants permanents et ainsi à former une lentille magnétique en sortie du canal, tout en permettant une grande extension de ce champ à l'extérieur du canal. Un champ magnétique proche de la valeur nulle est obtenue au niveau de l'anode (car champ magnétique sans composante radiale) grâce au positionnement des aimants permanents (au -dessus de l'anode jusqu'à la sortie de canal), la couronne en fer doux et aux dimensions de l'entrefer. En effet, la couronne en fer doux, avec son entrefer, guide les lignes de champ magnétique entre les deux aimants par le dessous du canal. On peut donc voir cette couronne comme un écran magnétique empêchant les lignes de champ magnétique de passer à travers le canal, radialement, au niveau et au-dessus de l'anode A. [0013] L'utilisation d'ergots est largement répandue dans l'état de la technique, ceux-ci étant à ce jour indispensables pour assurer l'effet de lentille magnétique souhaité. [0014] On pourra à cet égard se référer également au document 2005/247885 (D2). [0015] Dans le document D2, des ergots en Fer doux (référencés 572/576 sur la partie droite de la figure 5 de ce document D2) sont en effet également employés, pour remplir la même fonction que les ergots représentés sur la figure 1(a), relative au document Dl. [0016] On pourra encore se référer au document US 5 798 602 (D3). [0017] Dans le document D3, des ergots (référencés 20 sur la figure unique de ce document D3) sont en effet présents. [0018] Or, la tendance actuelle est le développement de satellites dont la puissance électrique disponible est de plus en plus petite. [0019] Les plus petits propulseurs à effet Hall actuels sont adaptés à des satellites qui 3 peuvent générer 500 watts ou plus mais ne peuvent pas, physiquement, fonctionner pour des puissances plus faibles, à savoir inférieures à 500W. [0020] C'est notamment le cas avec les solutions de l'état de la technique exposées ci- dessus. [0021] Un objectif de l'invention est donc de proposer un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall et notamment un propulseur à effet Hall apte à fonctionner à des puissances faibles, typiquement inférieures à 500 W, inférieures à 200W, voire inférieures à 100W. [0022] Par ailleurs, il convient de noter qu'il y a une corrélation entre la puissance disponible sur un satellite et sa taille. En effet, une puissance électrique disponible faible sur le satellite correspond à un petit satellite. Et justement, la tendance actuelle est au développement de satellites de plus en plus petits. [0023] Aussi, un autre objectif de la présente invention est de proposer un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall et notamment un propulseur à effet Hall, miniaturisé par rapport aux solutions existantes, notamment celles exposées dans les documents Dl à D3. [0024] Or, les solutions exposées dans ces documents mettent en oeuvre des ergots, qui présentent une certaine extension radiale et impactent donc les dimensions radiales du dispositif. [0025] Cette miniaturisation est d'intérêt sur le plan de l'intégration mécanique, notamment dans un satellite miniaturisé. Résumé de l'invention [0026] Afin de résoudre l'un au moins des objectifs mentionnés précédemment, l'invention propose un dispositif d'éjection d'ions à effet Hall, ledit dispositif étant muni d'un axe longitudinal et comportant : - un canal annulaire d'ionisation muni d'une ouverture pour éjecter les ions, - une anode agencée dans le canal annulaire, - au moins une cathode, - un circuit magnétique, caractérisé en cc que le circuit magnétique comprend : un premier anneau comportant au moins un aimant permanent, ledit premier anneau étant situé radialement interne par rapport au canal, un deuxième anneau comportant au moins un aimant permanent, ledit deuxième anneau étant situé radialement externe par rapport au canal annulaire), un troisième anneau comportant au moins un élément magnétique réalisé en un matériau magnétique doux, ledit troisième anneau étant situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau, un disque réalisé en un matériau magnétique doux, ledit disque s'étendant à l'extérieur du canal annulaire, du côté opposé à ladite ouverture selon l'axe longitudinal du dispositif, et reliant le premier anneau, le deuxième anneau et le troisième anneau. Ce dispositif pourra par ailleurs être tel que : [0027] - l'anode est agencée au fond du canal annulaire, ledit fond étant opposé, selon l'axe longitudinal du dispositif, à ladite ouverture ; [0028] - le premier anneau du circuit magnétique est constitué d'un unique aimant permanent ; [0029] - le premier anneau du circuit magnétique comporte une pluralité d'aimants permanents juxtaposés les uns aux autres pour former le premier anneau, les différents aimants présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs ; [0030] - le deuxième anneau du circuit magnétique est constitué d'un unique aimant permanent ; [0031] - le deuxième anneau du circuit magnétique comporte une pluralité d'aimants permanents juxtaposés les uns aux autres pour former le deuxième anneau, les différents aimants présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs ; [0032] - ledit au moins un aimant permanent du premier anneau du circuit magnétique d'une part et, ledit au moins un aimant permanent du deuxième anneau du circuit magnétique d'autre part, sont agencés de sorte que leurs pôles respectifs soient inversés ; [0033] - le matériau magnétique doux formant le disque est un Fer doux ; [0034] - le matériau magnétique doux formant le troisième anneau est constitué de Fer ; [0035] - le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de permalloy ; [0036] - le permalloy répond à la formule chimique brute Fe,bliyMo, avec 10 90°) par rapport au plan de l'ouverture O. [0086] En guise de référence, on a pris le même dispositif, mais sans le troisième anneau. [0087] Les résultats sont fournis sur la figure 4(b). [0088] Comme on peut le constater, si une lentille magnétique reste présente entre les pôles respectifs des aimants permanents AMI, AM'1, une partie des lignes de champ passent à travers le canal annulaire entre l'aiment AM'l (radialement le plus externe entre les deux aimants AMI, AM' I) et le disque D. On constate donc, en comparant les deux figures 4(a) et 4(h), que le disque DIS ne permet pas à lui seul d'éviter le passage d'un flux magnétique en fond de canal (même s'il remplit bien une fonction de guide des lignes de champ entre les deux aimants permanents) et qu'à cet égard, la présence du troisième anneau, en l'occurrence formé d'un élément magnétique EM1, doux, annulaire, est bénéfique. [0089] De fait, toujours en comparant les figures 4(a) et 4(b), la présence de cet élément ma- gnétique EM1 permet également d'avoir une meilleure lentille magnétique au niveau de l'ouverture O. En effet, les lignes de champ ne partent plus vers le disque et partent beaucoup moins vers l'extérieur, radialemcnt, de l'aimant AM'l constituant le deuxième anneau DA. L'élément magnétique EM1 constituant le troisième anneau est tout autant bénéfique que les ergots dans les solutions existantes, mais sans impliquer d'extension radiale importante. [0090] Enfin, on constate sur cette figure 4(a) que la séparatrice ouverte SO présente un faible angle ( REVENDICATIONSDispositif (D) d'éjection d'ions à effet Hall, ledit dispositif étant muni d'un axe longitudinal (AL) et comportant : - un canal annulaire (CA) d'ionisation muni d'une ouverture (0) pour éjecter les ions, - une anode (A) agencée dans le canal annulaire, - au moins une cathode (C), - un circuit magnétique (CM), caractérisé en ce que le circuit magnétique (CM) comprend : un premier anneau (PA) comportant au moins un aimant permanent (AM1, AMn), ledit premier anneau étant situé radialement interne par rapport au canal, un deuxième anneau (DA) comportant au moins un aimant permanent (AM'1, AM'n), ledit deuxième anneau étant situé radialement externe par rapport au canal annulaire (CA), un troisième anneau (TA) comportant au moins un élément magnétique (EM1, EMn) réalisé en un matériau magnétique doux, ledit troisième anneau étant situé radialement externe par rapport audit deuxième anneau, un disque (DIS) réalisé en un matériau magnétique doux, ledit disque (DIS) s'étendant à l'extérieur du canal annulaire (CA), du côté opposé à ladite ouverture (0) selon l'axe longitudinal (AL) du dispositif, et reliant le premier anneau (PA), le deuxième anneau (DA) et le troisième anneau (TA). Dispositif (D) selon la revendication 1, dans lequel l'anode (A) est agencée au fond (F) du canal annulaire (CA), ledit fond (F) étant opposé, selon l'axe longitudinal (AL) du dispositif (D), à ladite ouverture (0). Dispositif (D) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) est constitué d'un unique aimant permanent (API). Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel le premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) comporte une pluralité d'aimants permanents (AM1, AMn) juxtaposés les uns aux autres pour former le premier anneau (PA), les différents aimants (AM1, AMn) présentant. tous un même agencement de leurs pôles respectifs. Dispositif (D) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le 13 [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] [Revendication 11] [Revendication 12] [Revendication 13] [Revendication 14] deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) est constitué d'un unique aimant permanent (AP'1). Dispositif (D) selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel le deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) comporte une pluralité d'aimants permanents (AM'l, AM'n) juxtaposés les uns aux autres pour former le deuxième anneau (DA), les différents aimants (AM'1, AM'n) présentant tous un même agencement de leurs pôles respectifs. Dispositif (D) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit au moins un aimant permanent (AMI, AMn) du premier anneau (PA) du circuit magnétique (CM) d'une part et, ledit au moins un aimant permanent (AM'1, AM'n) du deuxième anneau (DA) du circuit magnétique (CM) d'autre part, sont agencés de sorte que leurs pôles respectifs soient inversés. Dispositif (D) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau magnétique doux formant le disque (DIS) est un Fer doux. Dispositif (D) selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de Fer. Dispositif (D) selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel le matériau magnétique doux formant le troisième anneau (TA) est constitué de pennalloy. Dispositif (D) selon la revendication précédente, dans lequel le permalloy répond à la formule chimique brute Fe,