FR2510304A1

FR2510304A1 - Ion source, esp for ionic propulsion unit in space - has extra convergence electrode which reduces angle of divergence of ion stream

Info

Publication number: FR2510304A1
Application number: FR8114465A
Authority: FR
Inventors: Cesare Bartoli; Heinrich A Pfeffer; Hans Herhudt Von Rohden; Ian Robertson
Original assignee: Agence Spatiale Europeenne
Current assignee: Agence Spatiale Europeenne
Priority date: 1981-07-24
Filing date: 1981-07-24
Publication date: 1983-01-28
Also published as: FR2510304B1

Abstract

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 à émission de champ, notamment pour propulseur ionique à applications spatiales.Ion source with field emission, in particular for ionic thruster with space applications.

La présente invention concerne les sources ioniques à émission de champ, telles que celles qui sont avantageusement utilisées comme moyens de propulsion dans les applications spatiales. The present invention relates to field emission ion sources, such as those which are advantageously used as propulsion means in space applications.

Comme il est connu, ces sources ioniques à émission de champ comprennent, d'une part, un boîtier métallique à l'intérieur duquel est ménagée une cavité qui est destinée à former réservoir pour un métal, ou un alliage métallique, ionisable et à l'état liquide, tel que du caesium, et qui communique avec l'extérieur par des moyens de passage de type capillaire pour l'évacuation de ce métal ou alliage, et, d'autre part, une électrode d'extraction qui est disposée à proximité de la sortie de ces moyens de passage et une source de courant aux deux bornes de laquelle sont reliés respectivement le boîtier et cette électrode. Les moyens de passage de type capillaire sont avantageusement réalisés sous la forme d'une fente ayant de préférence une très faible épaisseur. As is known, these field emission ion sources comprise, on the one hand, a metal casing inside which is formed a cavity which is intended to form a reservoir for a metal, or an ionizable metal alloy, and liquid state, such as cesium, and which communicates with the outside by capillary-type passage means for the evacuation of this metal or alloy, and, on the other hand, an extraction electrode which is arranged to proximity of the output of these passage means and a current source at both terminals of which are connected respectively the housing and this electrode. The capillary-type passage means are advantageously made in the form of a slot preferably having a very small thickness.

Le boîtier est en général rempli en permanence à laide d'un passage d'alimentation et à partir d'une réserve principale extérieure de métal ou alliage à l'état liquide ou solide, le maintien à l'état liquide ou le passage de l'état solide à l'état liquide étant assuré par des moyens de chauffage disposés dans la cavité du boîtier, la réserve principale étant par ailleurs, de préférence, mise sous pression dans le cas de métal liquide.The casing is usually filled permanently with the aid of a feed passage and from an external main reserve of metal or alloy in the liquid or solid state, the maintenance in the liquid state or the passage of the liquid. solid state in the liquid state being provided by heating means disposed in the cavity of the housing, the main reservoir being, moreover, preferably pressurized in the case of liquid metal.

Ainsi, du fait d'un tel agencement, la sortie des moyens de passage capillaire se trouve située dans le champ électrostatique qui est créé par la différence de potentiel entretenue entre le boîtier et l'électrode d'extraction, de sorte que la présence ce ce champ provoque la création d'ions dans le métal ou alliage ionisable contenu dans la cavité, ainsi que leur déplacement dans les moyens de passage capillaire et leur éjection hors de ceux-ci sous forme de cônes espacés, dits cônes de Taylor. Thus, because of such an arrangement, the output of the capillary passage means is located in the electrostatic field which is created by the potential difference maintained between the housing and the extraction electrode, so that the presence of this field causes the creation of ions in the ionizable metal or alloy contained in the cavity, as well as their displacement in the capillary passage means and their ejection out of these in the form of spaced cones, said Taylor cones.

Ces moyens de passage capillaire peuvent présenter une disposition générale, soit plane, soit cylindrique ou autre forme fermée sur elle-même pour éviter les effets d'extrémité" La différence de potentiel appliquée est couramment de 2 à 12 kV et l'émission ionique peut, en particulier dans le cas de l'application à des propulseurs spatiaux, fournir une densité de poussée de l'ordre de I mN par cm de largeur des moyens de passage, les vitesses d'éjection pouvant atteindre plusieurs dizaines de km/s. These capillary passage means may have a general arrangement, either planar or cylindrical or other form closed on itself to avoid end effects. The applied potential difference is commonly from 2 to 12 kV and the ionic emission can , in particular in the case of the application to space thrusters, provide a thrust density of the order of I mN per cm width of the passage means, the ejection speeds of up to several tens of km / s.

il se trouve toutefois que les sources ioniques connues ne comportent qu'une électrode d'extraction à l'aide de laquelle le faisceau ionique émis offre une divergence qui est relativement grande. L'expérience a prouvé que la divergence du faisceau est inversement proportionnelle (non linéaire) à ltefficacite de masse de la source. Ceci s'explique du fait que, quand l'efficacité augmente, le faisceau comprend de plus en plus d'ions et de moins en moins de charge neutre et que le nombre d'échange de charges et d'interactions dépend 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 efficacité de masse ou rendement de 50 % à environ 350 pour une efficacité de l'ordre de 80 %.Une efficacité de cet ordre a en effet pu etre obtenue en prévoyant une structure très élaborée pour la partie émettrice de la source et plus particulièrement pour les moyens de passage capillaire et leur sortie, avantageusement réalisés sous forme de fente, I'efficacité de la source étant notamment augmentée (simultanément à sa fiabilité d'ailleurs) en utilisant des traitements spéciaux pour les surfaces internes et externes du réservoir. however, it is found that the known ionic sources comprise only one extraction electrode with which the ion beam emitted offers a divergence which is relatively large. Experience has shown that the divergence of the beam is inversely proportional (non-linear) to the mass efficiency of the source. This is because, as efficiency increases, the beam has more and more ions and less and less neutral charge and the number of charge and interaction exchanges depends directly on the number of charges. Neutral load and is the direct cause of beam divergence. For example, the divergence of the beam passes about 600 for a mass efficiency or efficiency of 50% to about 350 for an efficiency of the order of 80%. Efficiency of this order has indeed been obtained by providing a very elaborate structure for the emitting part of the source and more particularly for the capillary passage means and their outlet, advantageously made in the form of a slot, the efficiency of the source being notably increased (simultaneously with its reliability for that matter) in using special treatments for the internal and external surfaces of the tank.

C'est pourquoi la présente invention a pour but de réduire 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 à faible divergence risque moins de contaminer les engins spatiaux ou les parties de ceux-ci. En outre, dans des domaines différents, de telles sources à faisceau a faible divergence présentent de l'intérêt, par exemple pour la pulvérisation ionique de métaux liquides utilisée dans les traitements de surface tel que le dopage, le revêtement, la gravure, etc. This is why the present invention aims to significantly reduce the divergence usually obtained with known sources (of the order of 350). In fact, particularly in the field of space applications, a low divergence beam is less likely to contaminate spacecraft or parts thereof. Moreover, in different fields, such low divergence beam sources are of interest, for example for the ionic sputtering of liquid metals used in surface treatments such as doping, coating, etching, etc.

A cet effet, l'invention a pour objet une source ionique du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend en outre une électrode de convergence qui est située au voisinage immédiat de la sortie des moyens de passage capillaire et qui est reliée à une source de courant complémentaire dont le potentiel est de l'ordre de grandeur de celui du bottier
Le bord de cette électrode situé à proximité de la sortie des moyens de passage capillaire suit avantageusement le profil de cette sortie en s'étendant sur toute sa longueur, en par ticulier dans le cas où ces moyens sont constitués par une fente plane, bien que l'invention soit tout aussi-bien applicable au cas d'une fente cylindrique ou elliptique.For this purpose, the invention relates to an ion source of the aforementioned type, characterized in that it further comprises a convergence electrode which is located in the immediate vicinity of the outlet of the capillary passage means and which is connected to a complementary current source whose potential is of the order of magnitude of that of the casement
The edge of this electrode located near the exit of the capillary passage means advantageously follows the profile of this outlet extending over its entire length, in particular in the case where these means are constituted by a flat slot, although the invention is equally applicable to the case of a cylindrical or elliptical slot.

Gracie à cet agencement, la forme du champ électri- que régnant dans le voisinage direct de la sortie d'émission se trouve notablement modifiée, et ceci en provoquant une augmentation importante de la densité angulaire du faisceau dont la divergence tombe en dessous de 300 et peut atteindre 100 et même moins. A cet avantage s'ajoute en outre une augmentation également importante de l'uniformité du faisceau, d'émission. Thanks to this arrangement, the shape of the electric field prevailing in the direct vicinity of the emission output is significantly modified, and this by causing a significant increase in the angular density of the beam whose divergence falls below 300 and can reach 100 and even less. In addition to this advantage is added a significant increase in the uniformity of the emission beam.

Dans un mode de réalisation particulier de l'inven-tion, il peut être prévu que l'électrode de convergence soit inclinée, au voisinage de la sortie des moyens de passage capillaire, par rapport au plan perpendiculaire à la direction de ladite sortie. De préférence, elle fait avec ce plan un angle de l'ordre de 600. In a particular embodiment of the inven-tion, it can be provided that the convergence electrode is inclined, in the vicinity of the output of the capillary passage means, relative to the plane perpendicular to the direction of said outlet. Preferably, it makes with this plane an angle of the order of 600.

De manière particulièrement avantageuse, le bord de l'électrode de convergence situé à proximité de la sortie des moyens de passage capillaire peut etre disposé dans le plan contenant la sortie de ces moyens de passage et perpen diculaire a la direction de sortie. De préférence, ce bord peut être situé a une distance de cette sortie de l'ordre de 0,5 à 1 mm. Avantageusement également, l'électrode de convergence est formée d'une feuille dont l'épaisseur est de l'ordre de 0,5 mm. In a particularly advantageous manner, the edge of the convergence electrode situated near the outlet of the capillary passage means may be arranged in the plane containing the outlet of these passage means and perpendicular to the exit direction. Preferably, this edge may be located at a distance from this output of the order of 0.5 to 1 mm. Advantageously also, the convergence electrode is formed of a sheet whose thickness is of the order of 0.5 mm.

Suivant une caractéristique particulièrement importante de l'invention, il peut être prévu que la source principale de courant soit conçue pour que l'intensité du courant qui passe entre cette source et le boîtier soit de l'ordre de grandeur du milliampère. En effet, dans les sources ioniques connues, ce courant est habituellement de trois ordres de grandeur plus faible, c'est-à-dire de l'ordre de grandeur du microampère. According to a particularly important feature of the invention, it can be provided that the main source of current is designed so that the intensity of the current flowing between this source and the housing is of the order of magnitude of milliampere. Indeed, in known ion sources, this current is usually three orders of magnitude lower, that is to say, the order of magnitude of the microamp.

Avantageusement également, le potentiel de I'élec- trode de convergence peut être différent du potentiel du boitier d'une valeur comprise entre + 10 % et - 10 %. De préférence enfin, la source principale de courant peut être conçue pour que le potentiel du boîtier soit positif et de l'ordre de 5 a 10 kV et celui de 11 électrode d'extraction soit négatif et de l'ordre de 2 à 8 kV. Advantageously also, the potential of the convergence electrode may be different from the potential of the box by a value of between + 10% and -10%. Preferably, finally, the main source of current may be designed so that the potential of the housing is positive and of the order of 5 to 10 kV and that of 11 extraction electrode is negative and of the order of 2 to 8 kV .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description qui va suivre, à titre d'exemple non limitatif, et en regard des dessins annexés sur lesquels :
- La Fig. 1 représente -une vue schématique et en coupe d'une source ionique à émission de champ suivant un mode de réalisation particulier de l'invention.Other features and advantages of the invention will emerge from the description which follows, by way of non-limiting example, and with reference to the appended drawings in which:
FIG. 1 is a diagrammatic sectional view of a field emission ion source according to a particular embodiment of the invention.

- La Fig. 2 représente une vue en perspective, partielle et avec arrachement de l'électrode d'extraction, de cette source ionique de la Fig. 1. FIG. 2 is a perspective view, partial and broken away of the extraction electrode, of this ion source of FIG. 1.

- Les Fig. 3 à 6 illustrent les faisceaux d'émis- sion obtenus respectivement sans et avec une électrode de convergence conforme a l'invention. - Figs. 3 to 6 illustrate the emission beams obtained respectively without and with a convergence electrode according to the invention.

Comme le montrent les Fig. 1 et 2,-le réservoir de la source ionique est constitué par un boîtier 1 de forme parallélépipédique en molybdène, acier, inconel ou tungstène, comportant une cavité intérieure 2 de forme correspondante et présentant un plan de symétrie d'ensemble P-P. Ce boîtier est complété par des moyens de passage capillaire formant
partie intégrante avec lui et constitués par une fente 3 d'une épaisseur de l'ordre de 0,02 mm, disposée suivant le plan P-P et traversant l'une des parois 4 du boîtier paral lélépipédique. Cette paroi présente vers l'extérieur des parties en saillie 5a et 5b, dont les faces en regard sont parallèles de manière a ménager la fente 3, tandis que leurs faces extérieures sont convergentes en faisant chacune avec le plan P-P un angle a inférieur à 30 . As shown in Figs. 1 and 2, the reservoir of the ion source is constituted by a casing 1 of parallelepiped shape made of molybdenum, steel, inconel or tungsten, comprising an inner cavity 2 of corresponding shape and having a plane of symmetry of assembly PP. This housing is completed by means of capillary passage forming
integral with it and constituted by a slot 3 with a thickness of the order of 0.02 mm, disposed along the plane PP and through one of the walls 4 of the parallelepipedal housing. This wall has outwardly protruding portions 5a and 5b, the facing faces are parallel so as to provide the slot 3, while their outer faces are converging each with the plane PP an angle a less than 30 .

Pour constituer la source ionique, le réservoir 1 est complété par une électrode d'extraction 6, une électrode de convergence 7, une source de courant principale 8 et une source de courant complémentaire 9. L'électrode d'extraction 6 est disposée à proximité de la sortie 3a de la fente 3 et présente la forme d'une plaque perpendiculaire au plan P-P, dans laquelle est ménagée une ouverture oblongue 6a s'éten- dant parallèlement à la sortie 3a de la fente et dont les extrémités sont élargies en 6b (Fig. 2). To constitute the ion source, the reservoir 1 is completed by an extraction electrode 6, a convergence electrode 7, a main current source 8 and a complementary current source 9. The extraction electrode 6 is disposed close to the outlet 3a of the slot 3 and has the shape of a plate perpendicular to the plane PP, in which is formed an oblong opening 6a extending parallel to the outlet 3a of the slot and whose ends are widened in 6b (Fig 2).

L'électrode de convergence 7 est constituée par une feuille plane rectangulaire, présentant une épaisseur de 0,5 mm et ayant sensiblement la même largeur que la sortie 3a de la fente émettrice 3 du boîtier. Cette électrode se trouve disposée de manière que l'un de ses bords 7 soit situé dans le plan Q-Q qui passe par la sortie 3a de la fente et est perpendiculaire au plan P-P, tout en étant situé à une distance de ladite sortie 3a qui est de quelques dixièmes de millimètre (0,5 à 1 mm). A partir de ce bord 7a, l'électrode 7 est inclinée vers l'arrière de manière à faire avec le plan Q-Q un angle a qui est de l'ordre de 600. The convergence electrode 7 is constituted by a rectangular flat sheet having a thickness of 0.5 mm and having substantially the same width as the outlet 3a of the emitter slot 3 of the housing. This electrode is arranged so that one of its edges 7 is located in the plane QQ which passes through the exit 3a of the slot and is perpendicular to the plane PP, while being situated at a distance from said exit 3a which is a few tenths of a millimeter (0.5 to 1 mm). From this edge 7a, the electrode 7 is inclined rearwardly so as to make with the Q-Q plane an angle α which is of the order of 600.

Quant à l'électrode d'extraction 6, elle est disposée dans un plan R-R, également perpendiculaire au plan P-P, mais situé à une certaine distance de la sortie 3a de la fente. As for the extraction electrode 6, it is disposed in a plane R-R, also perpendicular to the plane P-P, but located at a distance from the exit 3a of the slot.

Les bornes de la source de courant principale 8 sont respectivement raccordées par des conducteurs 8a et 8b, d'une part, au boîtier 1 au voisinage de la fente 3, et, d'autre part, à l'électrode d'extraction 6. La source de courant complémentaire 9 est quant elle reliée à l'électrode de convergence 7. The terminals of the main current source 8 are respectively connected by conductors 8a and 8b, on the one hand, to the housing 1 in the vicinity of the slot 3, and, on the other hand, to the extraction electrode 6. The complementary current source 9 is connected to the convergence electrode 7.

Une source ionique à émission de champ telle que décrite ci-dessus, a eté soumise à des essais en laboratoire qui ont donné des résultats qui seront décrits ci-dessous. An ion source with field emission as described above was subjected to laboratory tests which gave results which will be described below.

Les sources de courant ont permis de porter le boî- tier 1 et l'électrode d'extraction 6 aux potentiels suivants:
VE = 7,40 kV
VA =-4,0 kV
L'intensité du courant sur le boîtier 1 est :
IE = 3,0 mA
Lorsque la source est mise sous tension, il apparait à la sortie de la fente 3, un faisceau de métal liquide ionisé 10 qui présente une forme conique telle qu'illustrée sur les Fig. 3 à 6.The current sources have made it possible to carry the casing 1 and the extraction electrode 6 to the following potentials:
VE = 7.40 kV
VA = -4.0 kV
The intensity of the current on the housing 1 is:
IE = 3.0 mA
When the source is energized, an ionized liquid metal beam 10, which has a conical shape as shown in FIGS. 3 to 6.

La Fig. 3 illustre une source ionique ne comportant pas d'électrode de convergence et les essais ont permis d'établir que l'angle de divergence, par rapport à la direction de sortie ou direction moyenne de la fente D était de 36,30. Fig. 3 illustrates an ion source having no convergence electrode and the tests made it possible to establish that the angle of divergence with respect to the direction of exit or mean direction of the slot D was 36.30.

Par contre, dans le cas des sources ioniques conformes à l'invention, suivant la valeur du potentiel appli qué sur l'électrode de convergence 7, on obtient, comme l'illustrent respectivement les Fig. 4 à 6, des valeurs de divergence d suivantes :

On the other hand, in the case of the ion sources according to the invention, according to the value of the potential applied to the convergence electrode 7, FIG. 4 to 6, the following divergence values d:

VE <SEP> - <SEP> 10 <SEP> % <SEP> VE <SEP> 25,80 <SEP> Fig. <SEP> 4
<tb> VE <SEP> 17,80 <SEP> Fig. <SEP> 5
<tb> VE <SEP> + <SEP> 10 <SEP> z <SEP> VE <SEP> 6,040 <SEP> Fig. <SEP> 6
<tb>
Ces essais demontrent donc parfaitement que la disposition originale de l'électrode de convergence 7 permet de réduire l'angle de divergence au-dessous de 300 et même dans certains cas au-dessous de 100. VE <SEP> - <SEP> 10 <SEP>% <SE> VE <SEP> 25.80 <SEP> FIG. <SEP> 4
<tb> VE <SEP> 17.80 <SEP> Fig. <SEP> 5
<tb> VE <SEP> + <SEP> 10 <SEP> z <SE> VE <SEP> 6,040 <SEP> FIG. <SEP> 6
<Tb>
These tests therefore perfectly demonstrate that the original arrangement of the convergence electrode 7 makes it possible to reduce the angle of divergence below 300 and even in some cases below 100.

Claims

10) - Field emission ion source, of the type comprising, on the one hand, a metal case (1) within which is formed a cavity (2) which is intended to form a tank for a metal, or a metal alloy, ionizable and in the liquid state, and which communicates with the outside by capillary-type passage means (3) for the evacuation of this metal or alloy, and, on the other hand, a extraction electrode (6) which is arranged near the outlet (3a) of these passage means (3) and a current source (8) at both terminals of which the housing (1) and this electrode are respectively connected. (6), characterized in that it further comprises a convergence electrode (7) which is situated in the immediate vicinity of the outlet (3a) of the capillary passage means (3) and which is connected to a complementary current source (9) whose potential is of the order of magnitude of that of the housing (1).

20) - ion field emission source according to claim 1, characterized in that the edge (7a) of this electrode (7) located near the outlet (3a) of the capillary passage means (3) follows the profile of this outlet (3a) extending over its entire length.

30) - ion field emission source according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the convergence electrode (7) is inclined, in the vicinity of the outlet (3a) of the capillary passage means (3). ), relative to the plane (QQ) perpendicular to the direction (D) of said output.

40) - field emission ion source according to claim 3, characterized in that 11 convergence electrode (7) makes an angle (d) of about 600 with respect to said plane (QQ) perpendicular to the direction of exit ( D).

5) - ion field emission source according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the edge (7a) of the convergence electrode (7) located near the outlet (3a) of the means capillary passage (3) is disposed in the plane (QQ) containing the outlet (3a) of these passage means and perpendicular to the exit direction.

60) - ion field emission source according to claim 5, characterized in that said edge (7a) of the convergence electrode (7) is located at a distance from the outlet (3a) of the capillary passage means (3). ) of the order of 0.5 to 1 mm.

70) - ion field emission source according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the convergence electrode (7) is formed of a sheet whose thickness is of the order of 0, 5 mm.

80) - ion field emission source according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the main current source (8) is designed so that the intensity of the current flowing between this source (8) and the housing (1) is of the order of magnitude of milliampere.

90) - ion source field emission according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the main source of current (8) is designed so that the potential of the housing (1) is positive and order from 5 to 10 kV and that of the extraction electrode (6) is negative and of the order of 2 to 8 kV.

100) - ion field emission source according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the potential of the convergence electrode (7) is different from the potential of the housing (1) by a value between + 10% and - 10%.