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Physical
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10 %
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1 mm
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de 0,5 mm
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10 kV
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8 kV
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ca. 35 deg.
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below 10 deg.
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12 kV
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de 50 %
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de 80 %
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de 0,02 mm
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7,40 kV
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-4,0 kV
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3,0 mA
(1)
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Generic
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METAL
(14)
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Gene Or Protein
(5/ 11)
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Etre
(7)
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CHAMP
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CES
(1)
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Est-a
(1)
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Boi
(1)
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Molecule
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DES
(2)
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caesium
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molybdenum
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tungsten
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paral
(1)
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Organism
(1/ 1)
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d Fig
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Publication
_________________________________________________________________
Number FR2510304A1
Family ID 7965748
Probable Assignee Europ Agence Spatiale
Publication Year 1983
Title
_________________________________________________________________
FR Title SOURCE IONIQUE A EMISSION DE CHAMP, NOTAMMENT POUR PROPULSEUR
IONIQUE A APPLICATIONS SPATIALES
EN Title ION SOURCE, ESP FOR IONIC PROPULSION UNIT IN SPACE - HAS
EXTRA CONVERGENCE ELECTRODE WHICH REDUCES ANGLE OF DIVERGENCE OF ION
STREAM
Abstract
_________________________________________________________________
L'INVENTION CONCERNE LES SOURCES IONIQUES DU TYPE COMPRENANT UN
BOITIER 1 FORMANT RESERVOIR POUR UN METAL IONISABLE A L'ETAT LIQUIDE
ET QUI COMPORTE DES MOYENS DE PASSAGE CAPILLAIRE POUR L'EVACUATION DE
CE METAL AINSI QU'UNE ELECTRODE D'EXTRACTION 6 A PROXIMITE DE LA
SORTIE 3A DE CES MOYENS DE PASSAGE ET UNE SOURCE DE COURANT 8 DISPOSEE
ENTRE CE BOITIER 1 ET CETTE ELECTRODE 6.
LE PROBLEME POSE CONSISTE A REDUIRE LA DIVERGENCE DU FAISCEAU
D'EMISSION.
SUIVANT L'INVENTION, UNE TELLE SOURCE COMPREND EN OUTRE UNE ELECTRODE
DE CONVERGENCE 7 QUI EST SITUEE AU VOISINAGE IMMEDIAT DE LA SORTIE 3A
DES MOYENS DE PASSAGE CAPILLAIRE ET QUI EST RELIEE A UNE SOURCE DE
COURANT COMPLEMENTAIRE DONT LE POTENTIEL EST DE L'ORDRE DE GRANDEUR DE
CELUI DU BOITIER 1.
L'INVENTION TROUVE UNE APPLICATION AVANTAGEUSE SUR LES PROPULSEURS
IONIQUES.
The source employs field emission, and includes a metal box, the
interior of which forms a reservoir for a metal or alloy which is
ionisable when molten. The box has a nose forming a capillary slot
through which the metal flows. On the outside of the slot is an extn.
electrode(a) and a convergence electrode(b). A main power supply(V1)
is connected to the box and electrode(a); and an auxiliary power
supply(V2) provides electrode(b) with a voltage similar to that of the
box. Electrode(b) is pref. inclined, and its width corresponds with
the entire length of the slot. Electrode(a) pref. has a profiled slot
permitting the exit of the ion stream. With known sources, the ion
stream has an angle of divergence of ca. 35 deg. which can be reduced
by the invention e.g. to below 10 deg.
Description
_________________________________________________________________
Source ionique a emission de champ, notamment pour propulseur ionique
a applications spatiales.
La presente invention concerne les sources ioniques a emission de
champ, telles que celles qui sont avantageusement utilisees comme
moyens de propulsion dans les applications spatiales.
Comme il est connu, ces sources ioniques a emission de champ
comprennent, d'une part, un boitier metallique a l'interieur duquel
est menagee une cavite qui est destinee a former reservoir pour un
metal, ou un alliage metallique, ionisable et a l'etat liquide, tel
que du caesium, et qui communique avec l'exterieur par des moyens de
passage de type capillaire pour l'evacuation de ce metal ou alliage,
et, d'autre part, une electrode d'extraction qui est disposee a
proximite de la sortie de ces moyens de passage et une source de
courant aux deux bornes de laquelle sont relies respectivement le
boitier et cette electrode. Les moyens de passage de type capillaire
sont avantageusement realises sous la forme d'une fente ayant de
preference une tres faible epaisseur.
Le boitier est en general rempli en permanence a laide d'un passage
d'alimentation et a partir d'une reserve principale exterieure de
metal ou alliage a l'etat liquide ou solide, le maintien a l'etat
liquide ou le passage de l'etat solide a l'etat liquide etant assure
par des moyens de chauffage disposes dans la cavite du boitier, la
reserve principale etant par ailleurs, de preference, mise sous
pression dans le cas de metal liquide.
Ainsi, du fait d'un tel agencement, la sortie des moyens de passage
capillaire se trouve situee dans le champ electrostatique qui est cree
par la difference de potentiel entretenue entre le boitier et
l'electrode d'extraction, de sorte que la presence ce ce champ
provoque la creation d'ions dans le metal ou alliage ionisable contenu
dans la cavite, ainsi que leur deplacement dans les moyens de passage
capillaire et leur ejection hors de ceux-ci sous forme de cones
espaces, dits cones de Taylor.
Ces moyens de passage capillaire peuvent presenter une disposition
generale, soit plane, soit cylindrique ou autre forme fermee sur
elle-meme pour eviter les effets d'extremite" La difference de
potentiel appliquee est couramment de 2 a 12 kV et l'emission ionique
peut, en particulier dans le cas de l'application a des propulseurs
spatiaux, fournir une densite de poussee de l'ordre de I mN par cm de
largeur des moyens de passage, les vitesses d'ejection pouvant
atteindre plusieurs dizaines de km/s.
il se trouve toutefois que les sources ioniques connues ne comportent
qu'une electrode d'extraction a l'aide de laquelle le faisceau ionique
emis offre une divergence qui est relativement grande. L'experience a
prouve que la divergence du faisceau est inversement proportionnelle
(non lineaire) a ltefficacite de masse de la source. Ceci s'explique
du fait que, quand l'efficacite augmente, le faisceau comprend de plus
en plus d'ions et de moins en moins de charge neutre et que le nombre
d'echange de charges et d'interactions depend directement du nombre de
charge neutre et est la cause directe de la divergence du faisceau. A
titre d'exemple, la divergence du faisceau passe environ 600 pour une
efficacite de masse ou rendement de 50 % a environ 350 pour une
efficacite de l'ordre de 80 %.Une efficacite de cet ordre a en effet
pu etre obtenue en prevoyant une structure tres elaboree pour la
partie emettrice de la source et plus particulierement pour les moyens
de passage capillaire et leur sortie, avantageusement realises sous
forme de fente, I'efficacite de la source etant notamment augmentee
(simultanement a sa fiabilite d'ailleurs) en utilisant des traitements
speciaux pour les surfaces internes et externes du reservoir.
C'est pourquoi la presente invention a pour but de reduire notablement
la divergence habituellement obtenue avec les sources connues (de
l'ordre de 350) En effet, en particulier dans le domaine des
applications spatiales, un faisceau a faible divergence risque moins
de contaminer les engins spatiaux ou les parties de ceux-ci. En outre,
dans des domaines differents, de telles sources a faisceau a faible
divergence presentent de l'interet, par exemple pour la pulverisation
ionique de metals liquides utilisee dans les traitements de surface
tel que le dopage, le revetement, la gravure, etc.
A cet effet, l'invention a pour objet une source ionique du type
precite, caracterisee en ce qu'elle comprend en outre une electrode de
convergence qui est situee au voisinage immediat de la sortie des
moyens de passage capillaire et qui est reliee a une source de courant
complementaire dont le potentiel est de l'ordre de grandeur de celui
du bottier
Le bord de cette electrode situe a proximite de la sortie des moyens
de passage capillaire suit avantageusement le profil de cette sortie
en s'etendant sur toute sa longueur, en par ticulier dans le cas ou
ces moyens sont constitues par une fente plane, bien que l'invention
soit tout aussi-bien applicable au cas d'une fente cylindrique ou
elliptique.
Gracie a cet agencement, la forme du champ electri- que regnant dans
le voisinage direct de la sortie d'emission se trouve notablement
modifiee, et ceci en provoquant une augmentation importante de la
densite angulaire du faisceau dont la divergence tombe en dessous de
300 et peut atteindre 100 et meme moins. A cet avantage s'ajoute en
outre une augmentation egalement importante de l'uniformite du
faisceau, d'emission.
Dans un mode de realisation particulier de l'inven-tion, il peut etre
prevu que l'electrode de convergence soit inclinee, au voisinage de la
sortie des moyens de passage capillaire, par rapport au plan
perpendiculaire a la direction de ladite sortie. De preference, elle
fait avec ce plan un angle de l'ordre de 600.
De maniere particulierement avantageuse, le bord de l'electrode de
convergence situe a proximite de la sortie des moyens de passage
capillaire peut etre dispose dans le plan contenant la sortie de ces
moyens de passage et perpen diculaire a la direction de sortie. De
preference, ce bord peut etre situe a une distance de cette sortie de
l'ordre de 0,5 a 1 mm. Avantageusement egalement, l'electrode de
convergence est formee d'une feuille dont l'epaisseur est de l'ordre
de 0,5 mm.
Suivant une caracteristique particulierement importante de
l'invention, il peut etre prevu que la source principale de courant
soit concue pour que l'intensite du courant qui passe entre cette
source et le boitier soit de l'ordre de grandeur du milliampere. En
effet, dans les sources ioniques connues, ce courant est
habituellement de trois ordres de grandeur plus faible, c'est-a-dire
de l'ordre de grandeur du microampere.
Avantageusement egalement, le potentiel de I'elec- trode de
convergence peut etre different du potentiel du boitier d'une valeur
comprise entre + 10 % et - 10 %. De preference enfin, la source
principale de courant peut etre concue pour que le potentiel du
boitier soit positif et de l'ordre de 5 a 10 kV et celui de 11
electrode d'extraction soit negatif et de l'ordre de 2 a 8 kV.
D'autres caracteristiques et avantages de l'invention ressortiront de
la description qui va suivre, a titre d'exemple non limitatif, et en
regard des dessins annexes sur lesquels:
- La Fig. 1 represente -une vue schematique et en coupe d'une source
ionique a emission de champ suivant un mode de realisation particulier
de l'invention.
- La Fig. 2 represente une vue en perspective, partielle et avec
arrachement de l'electrode d'extraction, de cette source ionique de la
Fig. 1.
- Les Fig. 3 a 6 illustrent les faisceaux d'emis- sion obtenus
respectivement sans et avec une electrode de convergence conforme a
l'invention.
Comme le montrent les Fig. 1 et 2,-le reservoir de la source ionique
est constitue par un boitier 1 de forme parallelepipedique en
molybdenum, acier, inconel ou tungsten, comportant une cavite
interieure 2 de forme correspondante et presentant un plan de symetrie
d'ensemble P-P. Ce boitier est complete par des moyens de passage
capillaire formant
partie integrante avec lui et constitues par une fente 3 d'une
epaisseur de l'ordre de 0,02 mm, disposee suivant le plan P-P et
traversant l'une des parois 4 du boitier paral lelepipedique. Cette
paroi presente vers l'exterieur des parties en saillie 5a et 5b, dont
les faces en regard sont paralleles de maniere a menager la fente 3,
tandis que leurs faces exterieures sont convergentes en faisant
chacune avec le plan P-P un angle a inferieur a 30.
Pour constituer la source ionique, le reservoir 1 est complete par une
electrode d'extraction 6, une electrode de convergence 7, une source
de courant principale 8 et une source de courant complementaire 9.
L'electrode d'extraction 6 est disposee a proximite de la sortie 3a de
la fente 3 et presente la forme d'une plaque perpendiculaire au plan
P-P, dans laquelle est menagee une ouverture oblongue 6a s'eten- dant
parallelement a la sortie 3a de la fente et dont les extremites sont
elargies en 6b (Fig. 2).
L'electrode de convergence 7 est constituee par une feuille plane
rectangulaire, presentant une epaisseur de 0,5 mm et ayant
sensiblement la meme largeur que la sortie 3a de la fente emettrice 3
du boitier. Cette electrode se trouve disposee de maniere que l'un de
ses bords 7 soit situe dans le plan Q-Q qui passe par la sortie 3a de
la fente et est perpendiculaire au plan P-P, tout en etant situe a une
distance de ladite sortie 3a qui est de quelques dixiemes de
millimetre (0,5 a 1 mm). A partir de ce bord 7a, l'electrode 7 est
inclinee vers l'arriere de maniere a faire avec le plan Q-Q un angle a
qui est de l'ordre de 600.
Quant a l'electrode d'extraction 6, elle est disposee dans un plan
R-R, egalement perpendiculaire au plan P-P, mais situe a une certaine
distance de la sortie 3a de la fente.
Les bornes de la source de courant principale 8 sont respectivement
raccordees par des conducteurs 8a et 8b, d'une part, au boitier 1 au
voisinage de la fente 3, et, d'autre part, a l'electrode d'extraction
6. La source de courant complementaire 9 est quant elle reliee a
l'electrode de convergence 7.
Une source ionique a emission de champ telle que decrite ci-dessus, a
ete soumise a des essais en laboratoire qui ont donne des resultats
qui seront decrits ci-dessous.
Les sources de courant ont permis de porter le boi- tier 1 et
l'electrode d'extraction 6 aux potentiels suivants:
VE = 7,40 kV
VA =-4,0 kV
L'intensite du courant sur le boitier 1 est:
IE = 3,0 mA
Lorsque la source est mise sous tension, il apparait a la sortie de la
fente 3, un faisceau de metal liquide ionise 10 qui presente une forme
conique telle qu'illustree sur les Fig. 3 a 6.
La Fig. 3 illustre une source ionique ne comportant pas d'electrode de
convergence et les essais ont permis d'etablir que l'angle de
divergence, par rapport a la direction de sortie ou direction moyenne
de la fente D etait de 36,30.
Par contre, dans le cas des sources ioniques conformes a l'invention,
suivant la valeur du potentiel appli que sur l'electrode de
convergence 7, on obtient, comme l'illustrent respectivement les Fig.
4 a 6, des valeurs de divergence d suivantes:
Vs d Fig.
VE - 10 % VE 25,80 Fig. 4
VE 17,80 Fig. 5
VE + 10 z VE 6,040 Fig. 6
Ces essais demontrent donc parfaitement que la disposition originale
de l'electrode de convergence 7 permet de reduire l'angle de
divergence au-dessous de 300 et meme dans certains cas au-dessous de
100.
Claims
_________________________________________________________________
REVENDICATIONS
10) - Source ionique a emission de champ, du type comprenant, d'une
part, un boitier metallique (1) a l'inte- rieur duquel est menagee une
cavite (2) qui est destinee a former reservoir pour un metal, ou un
alliage metallique, ionisable et a l'etat liquide, et qui communique
avec l'exte- rieur par des moyens de passage de type capillaire (3)
pour l'evacuation de ce metal ou alliage, et, d'autre part, une
electrode d'extraction (6) qui est disposee a proximite de la sortie
(3a) de ces moyens de passage (3) et une source de courant (8) aux
deux bornes de laquelle sont relies respectivement le boitier (1) et
cette electrode (6), caracterisee en ce qu'elle comprend en outre une
electrode de convergence (7) qui est situee au voisinage immediat de
la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) et qui est reliee
a une source de courant complementaire (9) dont le potentiel est de
l'ordre de grandeur de celui du boitier (1).
20) - Source ionique a emission de champ selon la revendication 1,
caracterisee en ce que le bord (7a) de cette electrode (7) situe a
proximite de la sortie (3a) des moyens de passage capillaire (3) suit
le profil de cette sortie (3a) en s'etendant sur toute sa longueur.
30) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 et 2, caracterisee en ce que l'electrode de
convergence (7) est inclinee, au voisinage de la sortie (3a) des
moyens de passage capillaire (3), par rapport au plan (Q-Q)
perpendiculaire a la direction (D) de ladite sortie.
40) - Source ionique a emission de champ selon la revendication -3,
caracterisee en ce que 11 electrode de convergence (7) fait un angle (
d) d'environ 600 par rapport audit plan (Q-Q) perpendiculaire a la
direction de sortie (D).
5 ) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 a 4, caracterisee-en ce que le bord (7a) de
l'electrode de convergence (7) situe a proximite de la sortie (3a) des
moyens de passage capillaire (3) est dispose dans le plan (Q-Q)
contenant la sortie (3a) de ces moyens de passage et perpendiculaire a
la direction de sortie.
60) - Source ionique a emission de champ selon la revendication 5,
caracterisee en ce que ledit bord (7a) de l'electrode de convergence
(7) est situe a une distance de la sortie (3a) des moyens de passage
capillaire (3) de l'ordre de 0,5 a 1 mm.
70) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 a 6, caracterisee en ce que l'electrode de
convergence (7) est formee d'une feuille dont l'epaisseur est de
l'ordre de 0,5 mm.
80) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 a 7, caracterisee en ce que la source principale de
courant (8) est concue pour que llinten- site du courant qui passe
entre cette source (8) et le boitier (1) soit de l'ordre de grandeur
du milliampere.
90) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 a 7, caracterisee en ce que la source principale de
courant (8) est concue pour que le potentiel du boitier (1) soit
positif et de l'ordre de 5 a 10 kV et celui de l'electrode
d'extraction (6) soit negatif et de l'ordre de 2 a 8 kV.
100) - Source ionique a emission de champ selon l'une quelconque des
revendications 1 a 7, caracterisee en ce que le potentiel de
l'electrode de convergence (7) est different du potentiel du boitier
(1) d'une valeur comprise entre + 10 % et - 10 %.
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