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Les propulseurs électriques : principe et fonctionnement
Le fonctionnement d’un propulseur électrique peut être schématiquement décrit par trois étapes successives. Un gaz ou ergol est injecté et ionisé dans une chambre spécifique. Cet étage d’ionisation doit être le plus efficace possible de sorte à ioniser la totalité du débit de gaz injecté. Les ions créés sont ensuite accélérés grâce à l’application d’un champ électrique. Enfin, une cathode externe émet des électrons neutralisant les ions accélérés afin qu’ils puissent être extraits du propulseur. En outre, dans le propulseur de Hall décrit dans cette section, une partie des électrons émis par cette cathode participent également à l’ionisation du gaz.
Les gaz ionisés utilisés en propulsion électrique sont le plus souvent des gaz nobles. Ils sont inertes chimiquement et, contrairement aux gaz moléculaires, ne nécessitent pas d’énergie supplémentaire pour la dissociation. Parmi les gaz nobles, on distingue le xénon car il a une masse atomique élevée et une faible énergie d’ionisation (cf. Tableau I.3). Le radon est un gaz rare radioactif de masse supérieure au xénon mais son isotope le plus stable a une demi-vie de seulement 4 jours ce qui nuit à son utilisation. Certains métaux lourds (Mercure, Césium) ont été employés en propulsion électrique [Sovey 2001] pour leur masse importante et leur énergie d’ionisation très faible mais furent abandonnés en raison de leur toxicité et de leur nature corrosive.
Les propulseurs de Hall
Le propulseur de Hall représenté sur la Figure I.10 constitue le concept sur lequel se base cette étude. Contrairement au propulseur ionique décrit ci-dessus, les ions ne sont plus accélérés au travers d’une grille polarisée mais au travers d’une chute de potentiel induite par une barrière magnétique. Ce propulseur n’est donc plus sujet à la limitation de courant imposée par la loi de Child-Langmuir.
La chambre d’ionisation est constituée d’un canal de longueur – et de largeur ® formé par deux cylindres concentriques en céramique. Les céramiques les plus souvent utilisées sont en nitrure de bore (BN ou BN-SiO2) en raison de leur dureté, leur résistance à l’impact des ions et leur faible taux d’émission électronique secondaire [Goebel 2008]. En laboratoire, l’alumine (Al203) est parfois employée, car moins coûteux, mais ce matériau est davantage sujet à de l’émission électronique secondaire. Une différence de potentiel comprise entre 150 et 500 V est appliquée entre l’anode placée au fond du canal et une cathode externe. De type « creuse » ou à « filament », cette dernière joue également le rôle de canon à électrons. Une partie des électrons émis rejoignent l’anode après avoir ionisé le gaz tandis que l’autre partie assurent la neutralisation de la plume d’ions. L’injection des gaz (typiquement 5 mg/s de xénon pour un propulseur de 1 kW) se fait au niveau de l’anode, située au fond du canal. On utilise fréquemment une « douche » constituée de céramique poreuse de sorte à_homogénéiser la pression de gaz dans le propulseur. Un champ magnétique radial (direction @) d’intensité maximale de l’ordre de 200 G est appliqué en sortie du canal grâce à un circuit magnétique le plus souvent constitué de fer doux et de bobines.
Instabilités
De nombreuses instabilités ont été observées pour des fréquences variant de 1 kHz à la dizaine de MHz [Choueiri 2001]. On en distingue 4 catégories observées à la fois expérimentalement et à travers les modélisations :
Des oscillations azimutales (direction F × G) de l’ordre du kHz appelées « rotating spokes » [McDonald 2011] [Ellison 2012].
Des oscillations axiales basse fréquence (10-20 kHz) appelées « plasma breathing » [Boeuf 1998]. Il s’agit d’oscillations engendrées par la déplétion périodique des neutres dans la région de fort champ magnétique.
Des oscillations du temps de transit des ions dans la direction axiale (100-500 kHz) [Barral 2005].
Des oscillations haute fréquence azimutales (1-10 MHz) du courant de Hall électronique appelées Electron Drift Instabilities (EDI) [Boeuf 2018].
Objectifs et déroulement de la thèse
Point de départ et objectifs de la thèse
Les propulseurs électriques se distinguent des propulseurs chimiques par leur impulsion spécifique élevée. Ils permettent ainsi de réduire la masse d’ergol à embarquer ce qui se traduit par une diminution du coût au lancement ou par la possibilité d’ajouter de la charge utile. Leur utilisation a cependant longtemps été limitée aux manœuvres légères de type « maintenance d’orbite », toujours en complément de la propulsion chimique. Les progrès techniques réalisés ces dernières années permettent de concevoir des propulseurs dans une gamme très large de puissance pour équiper aussi bien les nano-satellites que les satellites géostationnaires. Certains industriels ont aujourd’hui décidé de s’affranchir totalement de la propulsion chimique et conçoivent de nouvelles plateformes pour satellite « 100 % électrique »
On distingue principalement aujourd’hui deux catégories de propulseurs électriques : les propulseurs à grilles et les propulseurs de Hall. Ces derniers ont l’avantage de ne pas extraire les ions à travers une grille (meilleure durée de vie) et ne sont, de ce fait, pas sujets à la limitation de la densité de courant extrait à travers une grille polarisée. Cependant, dans les propulseurs de Hall, l’ionisation du gaz et l’accélération des ions sont contrôlées par le même champ électrique. Il est alors impossible de découpler la poussée délivrée (taux d’ionisation) et l’impulsion spécifique (vitesse d’extraction des ions).
Le concept de propulseur de Hall double étage consiste à séparer l’étage d’ionisation de la région d’accélération. Le découplage entre impulsion spécifique et poussée permet d’obtenir un système versatile, adaptable aux diverses missions que rencontre un satellite.
Ce concept rend également pertinent l’utilisation d’ergols alternatifs et moins coûteux que le xénon. Par exemple, l’utilisation de l’argon en lieu et place du xénon permet d’atteindre la même impulsion spécifique (vitesse des ions) en appliquant une tension accélératrice moins élevée. En contrepartie, le degré d’ionisation à travers la barrière magnétique serait moins important. La présence d’un étage d’ionisation pourrait alors compenser cette diminution du degré d’ionisation dans l’étage d’accélération.
Depuis les années 2000, de nombreux concepts de DSHT ont été testés. Ils n’ont cependant, pour la plupart, jamais atteint un niveau de performance satisfaisant. De plus, ces études se concentrent principalement sur les performances du propulseur en termes de poussée et de rendement. On ne trouve pas, dans la littérature, d’étude approfondie sur le concept même de propulseur de Hall double étage (découplage entre ionisation et accélération des ions).
Cette thèse s’inscrit dans ce contexte, à savoir l’étude d’un nouveau concept de propulseur de Hall double étage. Ce travail a été réalisé dans le cadre d’un projet R&T CNES d’une durée de 3 ans en collaboration avec le laboratoire ICARE (Orléans). L’objectif de la thèse, et plus généralement de ce projet, est de démontrer expérimentalement la pertinence et la faisabilité du concept de propulseur de Hall double étage. Ce projet peut être divisé en trois axes de travail :
Améliorer notre compréhension physique des DSHT à travers notamment une étude bibliographique préalable au projet.
Proposer un nouveau concept de DSHT [Dubois-Brevet] : il s’agit d’une part de concevoir le type de source plasma qui constituera le premier étage, et d’autre part de dimensionner un circuit magnétique permettant de réaliser le raccord entre la configuration magnétique de la chambre d’ionisation et la barrière d’accélération de Hall. La source inductive proposée sera caractérisée indépendamment du propulseur [Dubois 2018-b].
Réaliser un prototype de laboratoire et le tester dans un caisson sous vide. En parallèle, simuler le fonctionnement du propulseur ID-HALL grâce à un modèle hybride 2D adapté (logiciel HALLIS [HALLIS]) [Dubois 2018-b].
Déroulement de la thèse
Chronologiquement, le déroulement de cette thèse a suivi trois phases :
La première phase consiste en la proposition d’un nouveau concept de DSHT et à la réalisation d’un prototype de laboratoire. Il s’agit dans un premier temps d’identifier, grâce à une étude bibliographique, les différents critères à suivre permettant d’obtenir un DSHT efficace. Il s’en suit la conception d’un nouveau concept de DSHT : le propulseur ID-HALL. Celui-ci a la particularité de posséder une source plasma inductive et magnétisée. Un travail sur la configuration magnétique est mené, en collaboration avec l’équipe de recherche GREM3 du LAPLACE, pour permettre le bon raccordement magnétique entre les lignes de champ magnétique du premier étage et la barrière magnétique « de Hall ». Dans un deuxième temps, un prototype de laboratoire est construit en collaboration avec le service mécanique du laboratoire et différents prestataires extérieurs.
La deuxième partie de ce travail consiste en une caractérisation expérimentale de la source inductive du propulseur ID-HALL. Cette caractérisation constitue le cœur de ce travail de thèse. Grâce aux diagnostics développés durant la thèse, la source est caractérisée spatialement en densité et température électronique pour différentes conditions expérimentales (pression, champ magnétique, puissance, gaz). Cette étude permet également d’améliorer nos connaissances sur les sondes électrostatiques et sur les différentes informations qu’elles peuvent fournir en fonction des conditions expérimentales. La source inductive a également été optimisée tout au long de la thèse en vue notamment de maximiser le transfert de puissance vers le plasma. Cette optimisation a nécessité la construction d’une nouvelle boîte d’adaptation d’impédance.
Enfin, durant les derniers mois de thèse, le propulseur est installé dans un caisson sous vide et les premiers tests préliminaires sont réalisés. Il s’agit de mesures de la caractéristique courant-tension du propulseur et de l’énergie des ions extraits. Ces mesures sont réalisées en fonctionnement simple et double étage. Parallèlement à ces mesures, des simulations via un modèle hybride à 2 dimensions adapté au propulseur ID-HALL sont effectuées. Ces différents travaux permettent de donner des pistes quant au fonctionnement double étage du propulseur et permettent de mieux guider le travail qui sera réalisé après cette thèse.
L’étude du propulseur ID-HALL est désormais reprise par Alexandre Guglielmi, qui a effectué son stage de master au laboratoire LAPLACE début 2017 et qui poursuit actuellement les travaux en tant que doctorant depuis Octobre 2017. Il est assisté, depuis Septembre 2018, par Álvaro Martín Ortega, étudiant en Post-Doc.
Etat de l’art – Comprendre les raisons d’un échec
Le concept de propulseur de Hall double étage n’est pas une idée nouvelle. Depuis les années 2000, différents prototypes ont été proposés et testés. Néanmoins, aucun n’a montré de performances satisfaisantes, notamment dans le découplage entre ionisation et accélération des ions, caractéristique du DSHT idéal.
Chaque prototype de DSHT étudié peut s’assimiler à une source de plasma spécifique à laquelle est superposé un étage d’accélération à barrière magnétique classiquement rencontré dans un propulseur de Hall. Cependant les propulseurs qui sont décrits dans les deux sections suivantes peuvent se classer en deux catégories. On distingue donc les DSHT où l’étage d’ionisation est localisé dans une chambre séparée du canal d’accélération et les DSHT dont l’étage d’ionisation se trouve dans le canal d’extraction. Après avoir présenté divers prototypes de DSHT, nous discuterons des conditions nécessaires permettant d’obtenir un DSHT efficace. Les conclusions de cette étude nous amènerons à la proposition d’un nouveau concept présenté dans la section II.2.
Concepts avec chambre d’ionisation séparée
De nombreuses sources plasma qui sont habituellement utilisées pour des applications autres que la propulsion ont été envisagées pour l’étage d’ionisation. Quatre d’entre elles sont présentées dans cette partie.
Nasa 173-GT
L’étage d’ionisation de ce propulseur, étudié par Peterson [Peterson 2004], se compose d’une cathode creuse émettrice d’électrons énergétiques de plusieurs dizaines d’eV dans une chambre « multicusps » (nous définirons les cusps dans la partie II.2.2.) permettant de limiter les pertes d’ions aux parois. Il s’agit d’une configuration similaire à celle rencontrée dans un propulseur à grille à l’exception de la grille d’extraction des ions remplacée ici par une barrière magnétique (Figure II.1).
Les résultats rapportés dans la thèse de Peterson sont assez décevants puisque le fonctionnement en simple étage et en double étage ne montre pas réellement de différence.
L’efficacité •˜ qui exprime le rapport entre la puissance délivrée par le moteur et la puissance électrique injectée est de seulement 30 % pour un débit de 5 mg/s de xénon (typiquement 50 – 60 % pour un propulseur de Hall). On peut penser que les ions créés dans la source ne sont pas efficacement guidés vers le canal d’accélération malgré le confinement magnétique. Enfin, la trajectoire des ions est mal maîtrisée car il a été mesuré une divergence de la plume atteignant 45°.
Propulseur SPT-MAG
Ce DSHT, proposé par Morozov et Bugrova [Bugrova 2005], repose sur une configuration complexe de champ magnétique de type « Galathea » proposée par Morozov dans les années 90 [Morozov 1998]. Il est constitué d’une chambre d’ionisation comprenant une paroi anodique et une bobine torique centrale « Myxina » et d’un second étage d’accélération à barrière magnétique. Une différence de potentiel de quelques dizaines de volts est appliquée entre une électrode intermédiaire localisée dans le premier étage proche du canal d’accélération et l’anode principale placée sur la bobine Myxina et sur la paroi de la chambre. Cette électrode, joue le rôle de cathode pour l’étage d’ionisation et d’anode pour l’étage d’accélération. Dans la chambre d’ionisation, un circuit magnétique induit deux zones de fort champ magnétique séparées par une ligne séparatrice visible sur la Figure II.2.
Les électrons sont piégés le long de cette ligne séparatrice et leur temps de résidence plus important permet une ionisation efficace du gaz. En première approximation, les lignes de champ magnétique sont équipotentielles. Un creux de potentiel électrique apparaît donc entre le centre et la paroi de la chambre d’ionisation. Les ions sont piégés dans ce puit de potentiel et guidés vers l’entrée du canal pour être accélérés dans le second étage.
Des simulations utilisant un modèle hybride (ions et neutres particulaires, électrons fluides) [Garrigues 2008] [Boniface 2006] ont montré qu’un contrôle indépendant de l’ISP et de la poussée est possible. Ainsi, en augmentant le débit de gaz (Tableau II.1), on peut augmenter la poussée tout en conservant une ISP constante. A l’opposé (Tableau II.2), il est possible d’augmenter l’ISP sans modifier la poussée délivrée en faisant varier le débit et la tension.
Dans les faits, ce concept est difficile à mettre en œuvre du fait de la complexité de la cartographie magnétique à utiliser. Des résultats expérimentaux [Bugrova 2007] sur le SPT-MAG ont montré un fonctionnement selon deux modes : forte poussée (i.e. 190 mN à 300 V et 9 mg/s de débit massique de xénon) ou forte impulsion spécifique (i.e. 3650 s à 900 V et 3 mg/s de xénon). Cependant, il n’est pas démontré que le propulseur fonctionne réellement en double étage, à savoir si le plasma dans la source est généré par les électrons issus de l’anode intermédiaire ou ceux émis par la cathode externe (fonctionnement en simple étage).
Propulseur de Hall ECR
Ce prototype développé par des chercheurs de l’université de Tokyo [Molina-Morales 2001] et schématisé sur la Figure II.3 combine une chambre d’ionisation (source micro-onde ECR) à un étage d’accélération dérivé d’un propulseur de Hall classique (d’un diamètre de 150 mm).
L’onde micro-onde est injectée à l’arrière de la chambre d’ionisation. La région de résonance a lieu entre deux couronnes d’aimants localisées quelques centimètres en amont du canal d’accélération. On définit la fréquence de Résonance Cyclotron Electronique (RCE) par : ΩÁ%Ž = .d (II.1)
Dans les dexpériences menées, la fréquence de l’onde était de 4.25 GHz. Le champ magnétique permettant d’atteindre les conditions de RCE est donc de 1500 G, ce qui est bien plus élevé que le champ magnétique utilisé dans la barrière magnétique d’un propulseur de Hall, de l’ordre de 200 G. Etant donné la proximité des deux zones magnétiques, il semble impossible d’éviter une forte interaction magnétique entre ces deux régions conduisant inévitablement à de mauvaises conditions de fonctionnement pour l’étage d’accélération. Un autre problème évoqué par les auteurs est que, dans une décharge ECR, l’onde micro-onde ne se propage plus dans le plasma lorsque celui-ci atteint une densité critique. En effet, la permittivité du milieu s’écrit : 7 = 7 ]1 − b• ^ (II. 2) avec b• la pulsation plasma qui s’écrit : b = }]1 . ^ • 7 (II.3) On a 7 = 0 lorsque b• = b, ce qui, pour une fréquence de 4.25 GHz, correspond à une densité critique de 2.2×1011 cm-3 (inférieure à la densité habituellement rencontrée dans les propulseurs de Hall simple étage, de l’ordre de 1012 cm-3). Pour toutes ces raisons, il semble que le concept de propulseur de Hall double étage ECR ait été abandonné.
Propulseur de Hall hélicon
Un autre prototype représenté sur la Figure II.4 consiste en l’association d’un premier étage constitué d’une source hélicon avec un canal d’accélération de Hall classique [Peterson 2011]. Ce mode de couplage est très efficace : avec quelques mTorr d’argon et une puissance injectée de 1 kW, il permet d’atteindre des densités plasma de 1013 cm-3 [Boswell 1997].
Les résultats expérimentaux [Shabshelowitz 2012] montrent que l’augmentation de la puissance injectée dans la source modifie très peu la poussée et que, malgré des puissances élevées, le gain en poussée comparé au fonctionnement simple étage reste limité (Figure II.5). On peut supposer, qu’en dépit d’une forte ionisation dans le premier étage, les pertes d’ions sur les parois ne sont pas négligeables et qu’une part importante des ions extraits proviennent d’une ré-ionisation dans l’étage d’accélération.
Réaliser un propulseur de Hall double étage efficace
Les différents concepts de propulseur de Hall double étage présentés dans la littérature présentent des performances mitigées et ne démontrent pas clairement qu’un fonctionnement en double étage multimodal est possible. Cependant, les études réalisées mettent en évidence trois éléments nécessaires à la réalisation du propulseur de Hall double étage efficace :
La source d’ionisation (premier étage) doit être efficace et capable de générer des densités plasma supérieures à 1012 cm-3.
Les pertes d’ions sur les parois entre le premier étage et l’étage d’accélération doivent être minimisées au risque de perdre le bénéfice de l’ionisation dans le premier étage.
Les ions doivent être extraits et guidés efficacement depuis la région d’ionisation vers la zone d’accélération.
Une source de plasma efficace et adaptée : la source inductive.
Il existe différents types de sources permettant, sans apport d’électrons extérieurs, de générer des densités de plasma supérieures à 1012 cm-3 à des pressions de quelques mTorr (sources micro-ondes, radiofréquences, hélicons…). Nous avons constaté à l’issue de cette étude bibliographique que des difficultés sont rencontrées avec l’utilisation des sources micro-ondes comme premier étage. La densité critique au-delà de laquelle l’onde ne se propage plus dans le plasma est bien trop basse au vu des performances requises. Les sources hélicons (ainsi que ECR) requièrent quant à elles l’utilisation d’un champ magnétique ≈ 200 G) d’intensité élevée ( ≈ 1000. G), difficilement raccordable avec la barrière magnétique du second étage .
Les sources radiofréquences (hors hélicon) représentent une solution pertinente car elles permettent de générer de grands volumes de plasma de forte densité. Elles sont notamment utilisées à l’échelle industrielle pour le traitement de surfaces. De plus, ces sources fonctionnent en général sans champ magnétique statique additionnel.
Positionnement de l’étage d’ionisation
Un aspect important des propulseurs de Hall concerne la position de la zone d’ionisation par rapport à la zone d’accélération. Un fonctionnement en mode double étage ne sera possible que si la grande majorité des ions créés dans la source d’ionisation est extraite et accélérée à travers la barrière magnétique du propulseur.
Pour chaque ion extrait du propulseur, un électron est émis par la cathode pour assurer la quasi-neutralité du plasma dans la région d’accélération. Dans un propulseur de Hall simple étage, la région d’ionisation chevauche en partie la région d’accélération. Les électrons parviennent à traverser la barrière magnétique grâce aux collisions électron-neutre, aux interactions des électrons avec les parois, et aux turbulences (transport anormal). Il a aussi été montré expérimentalement [Tsikata 2009] et numériquement [Boeuf 2018] que les instabilités du courant électronique azimutal EDI jouent un rôle fondamental dans ce transport. Si le gaz en amont de la barrière magnétique est totalement ionisé (mode double étage), les collisions et instabilités ne suffisent plus pour garantir le transport axial des électrons. Boeuf a montré via un code particulaire 2D axial-azimutal [Boeuf 2018] que lorsque la fréquence de collision électron-neutre est trop petite, des instabilités axiales du courant d’ions se développent (transit time) à une fréquence de 1 MHz sur une longueur de quelques centimètres.
Un autre point concerne l’interface entre la chambre d’ionisation et le canal d’extraction. Dans la plupart des DSHT déjà construits, la section d’extraction est petite devant la surface des parois du premier étage. Ainsi, que ce soit pour le propulseur SPT-MAG ou pour le NASA 173-GT proposant un confinement efficace des ions dans la chambre d’ionisation, on constate des pertes importantes à l’interface avec le canal d’accélération (les ions sont soit collectés par la cathode intermédiaire, soit se recombinent sur les parois du canal d’extraction).
Les deux points développés ci-dessus nous amènent à conclure que d’une part la source d’ionisation du premier étage doit être située dans une région immédiatement en amont de la zone d’accélération, ou dans le meilleur des cas se superposer avec celle-ci. D’autre part, les ions doivent être extraits et guidés efficacement depuis la région d’ionisation vers la zone d’accélération. Cela passe par une connexion efficace entre le champ magnétique permettant le confinement des ions dans la chambre d’ionisation avec la barrière magnétique d’extraction. Cette connexion est notamment difficile à réaliser dans le cas des sources hélicons ou ECR pour lesquelles il est nécessaire de conserver une distance importante entre les deux étages du propulseur.
Proposition d’un nouveau concept de DSHT : le propulseur ID-HALL
A partir des conclusions établies dans la partie précédente, un nouveau concept de propulseur double étage est proposé. Il se distingue des prototypes précédents par la nature de sa source d’ionisation, sa géométrie, et sa configuration magnétique. Il a été conçu pour ioniser efficacement le gaz dans le premier étage, limiter les pertes d’ions aux parois, et extraire efficacement les ions vers la région d’accélération. Ce concept a été baptisé ID-HALL pour « Inductive Double stage Hall thruster » en référence à son premier étage constitué d’une source plasma inductive.
Source plasma inductive magnétisée
Le concept ID-HALL, schématisé sur la Figure II.16, est constitué d’une source ICP insérée dans un tube en quartz fermé à une extrémité (configuration schématisée sur la Figure II.11-c) et d’un étage d’accélération similaire à la barrière magnétique rencontrée dans un propulseur de Hall simple étage.
La source ICP est constituée d’un enroulement de fil de cuivre. Elle a la particularité d’être magnétisée grâce à un circuit magnétique constitué d’aimants et de pièces en fer doux. Une source similaire a déjà été étudiée expérimentalement [Arancibia 2013-a] [Arancibia 2013-b] et numériquement [Song 2014]. Il a notamment été démontré que l’ajout d’un champ magnétique statique (via un aimant cylindrique placé à l’intérieur de l’antenne) permet de générer un plasma localement très dense (jusqu’à 1012 cm-3 à une pression de 3 mTorr et une puissance absorbée de 125 W). Ce type de décharge peut également être entretenu à des pressions très basses (jusqu’à 0.1 mTorr [Arancibia 2013-b]), ce qui est impossible à atteindre avec une source non-magnétisée. Enfin, ce type de source est adapté à la géométrie cylindrique du propulseur de Hall et permet d’atteindre une grande proximité entre l’étage d’ionisation et l’étage d’accélération (cf. Figure II.16).
Sur la Figure II.16, nous pouvons apercevoir en traits bleus la cartographie magnétique de l’étage d’ionisation. Ce champ permet de renforcer l’efficacité du couplage inductif tout en se raccordant de façon optimale à la barrière magnétique. Cette configuration est analogue aux « ring cusps » définis dans la partie II.2.2. Ces cusps permettent de confiner le plasma et de limiter les pertes aux parois. Dans la section suivante, nous détaillons plus précisément le dimensionnement et la conception du circuit magnétique.
Dimensionnement du circuit magnétique
L’enjeu principal dans la conception du propulseur ID-HALL est d’associer une source inductive magnétisée à un étage d’accélération de type Hall constitué d’une barrière magnétique dont la valeur centrale du champ doit être comprise entre 150 et 200 G. De plus, la configuration magnétique doit être adaptée pour limiter les pertes aux parois et confiner le plasma proche de la zone d’accélération. Il a donc été nécessaire de dimensionner un circuit magnétique. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur des simulations 2D en éléments finis réalisées avec le logiciel FEMM [FEMM].
On pose une série de contraintes définissant les valeurs de champ magnétique souhaitées en différents points mais aussi les contraintes liées à la géométrie et aux matériaux utilisés. Les contraintes géométriques peuvent se résumer selon les quatre points suivants :
Le cylindre central, en quartz, a une épaisseur radiale de 1.5 mm et une épaisseur de 3 mm sur son extrémité. Ce sont des contraintes liées à la tenue au vide du tube en quartz. En effet, sur le prototype construit, la source ICP sera placée à l’intérieur du tube en quartz dans un environnement à la pression atmosphérique, de sorte à faciliter son accès et son refroidissement.
La longueur du canal ne doit pas excéder 40 mm et sa largeur en sortie 10 mm. Le tube central a quant à lui un diamètre de 23 mm. Ces chiffres seront discutés dans la partie II.3.3.
Le circuit magnétique dans le cylindre central est contraint par l’encombrement de la bobine et de son support ainsi que par le passage des fils d’alimentation.
L’utilisation d’aimants en Samarium Cobalt (SmCo) est privilégiée par rapport à des bobines pour des questions d’encombrement. L’aimant SmCo, bien qu’ayant un champ coercitif plus faible que le Néodyme, a une température de Curie (au-delà de laquelle la démagnétisation est permanente) d’environ 450°C, ce qui rend pertinent son utilisation dans le propulseur.
La cartographie magnétique doit quant à elle respecter les spécifications suivantes :
L’intensité du champ magnétique au centre de la barrière d’accélération doit être d’environ 150 G avec la possibilité de faire varier sa valeur entre 100 et 200 G.
Le contour de champ magnétique constant le long des parois de la chambre d’ionisation doit avoir une intensité d’au moins 50 G (valeur discutée dans la partie II.2.2.).
Les lignes de champ® doivent être parallèles aux parois pour limiter au mieux la hauteur de pertes ?.
Le choix du circuit magnétique, représenté sur la Figure II.17, s’est basé sur deux couronnes aimantées situées à chaque extrémité de la source inductive et deux autres couronnes, de rayon plus important, situées autour de la paroi externe de la cavité. Des pièces en fer doux permettent de conduire le flux magnétique et de fermer le circuit. Une configuration utilisant un aimant central à l’intérieur de la source ICP avait été envisagée,
Source plasma inductive
Le développement de la source inductive magnétisée utilisée comme premier étage du propulseur ID-HALL a nécessité une attention particulière. Cette source, de dimension très restreinte, doit générer un plasma dense et supporter une dissipation ohmique de plusieurs dizaines de Watts. Un travail a porté sur le dimensionnement des pièces et le choix des matériaux utilisés pour garantir un fonctionnement optimal.
Géométrie et construction
La source est schématisée sur la Figure II.23-a. L’ensemble mesure 30 mm de long pour un diamètre de 23 mm. Les éléments constituant le circuit magnétique sont maintenus grâce à trois pièces supports en résine époxy. La pièce centrale, filetée, accueille la bobine. Les deux autres pièces, latérales, soutiennent les facettes en fer doux et comportent des petits logements creux pour recevoir les aimants. Les pièces supports latérales et celles en fer sont percées pour permettre le passage des fils d’alimentation et le refroidissement. Les trois pièces en plastique, du fait de leur complexité, ont été réalisées en impression 3D [INITIAL].
Optimisation du couplage et réduction des pertes
La source telle qu’elle a été conçue utilise des pièces ferromagnétiques en fer doux permettant de canaliser le flux magnétique statique. Cette source a été testée dans un premier temps avec à un générateur de puissance RF disponible en laboratoire utilisant la fréquence commerciale de 13.56 MHz. Pour une puissance délivrée de 200 W et une pression d’argon de 5 mTorr, l’efficacité du transfert de puissance, mesurée grâce à la sonde I-V, ne dépasse pas 50 %. Ainsi, sur les 200 W délivrés par le générateur, au moins 100 W sont dissipés dans le circuit magnétique. Le système est donc soumis à un chauffage important qui peut démagnétiser les aimants et faire fondre les pièces du support. En outre, une tension supérieure à 1 kV a été mesurée aux bornes de la bobine ce qui indique une part importante de couplage capacitif. Par conséquent, cette source n’est pas utilisable en tant que telle et un travail d’optimisation a dû être réalisé.
Utilisation de ferrites dans le circuit magnétique
Si on s’intéresse à d’anciens travaux d’optimisation de sources ICP (lampes RF, antennes planes) [Godyak 2013] [Colpo 2005], on remarque que malgré des fréquences RF basses (de 800 KHz à 2 MHz), les efficacités de transfert de puissance dépassent 90 %. Ces sources ont pour point commun d’utiliser des ferrites magnétiques. Ils sont employés pour canaliser les lignes de champ magnétique RF. Ainsi, l’inductance de l’antenne RF augmente, le coefficient de couplage inductif devient plus élevé ce qui a pour effet de diminuer le courant traversant la bobine.
Les ferrites ont plusieurs avantages qui les distinguent du fer doux. Ils ont une résistivité élevée ce qui atténue les pertes par courants de Foucault et il est possible de se procurer des ferrites dimensionnés pour des fréquences allant jusqu’à 6 MHz (ces ferrites sont couramment utilisés pour protéger les circuits électriques des ondes électromagnétiques extérieures). Dans le cas du propulseur ID-HALL, les ferrites auraient deux fonctions :
Canaliser les lignes de champ magnétique statique afin de garantir la topologie magnétique spécifique (cusps, barrière magnétique) du propulseur.
Canaliser les lignes de champ RF de sorte à maximiser le couplage inductif et à réduire les pertes.
L’utilisation des ferrites dans le propulseur ID-HALL pose quelques difficultés. Ce matériau est fragile, peu usinable,V et il est difficile de se procurer certaines géométries. De plus, la perméabilité magnétique pour le champ statique reste en deçà de celle du fer doux. Néanmoins, des simulations sous FEMM ont montré que l’utilisation de ce matériau n’impacte que très légèrement la cartographie magnétique. Nous avons donc choisi d’opter pour ce matériau.
Un ferrite peut se modéliser comme l’association en série d’une résistance et d’une inductance. Si on pose V = Vè + ¶Vèè, la perméabilité complexe du ferrite, on a : áC = ´C + ¶-C b = ¶b-C è(Vè − ¶Vèè) (II.37)
avec :
V′ la perméabilité réelle reflétant la capacité du ferrite à conduire les lignes de champ magnétique.
Méthodes de dépouillement
Dans cette partie, nous présentons les démarches employées pour traiter les données de sonde. Nous1 décrivons, les informations apportées par l’étude du courant électronique collecté ( •, C, , fonctions de distribution en énergie des électrons). Cette sonde étant utilisée dans un environnement magnétisé, il s’avère également intéressant d’étudier les théories de collection des ions car ces derniers ne sont pas affectés par le champ magnétique.
Lissage des données
Si on se limite aux données brutes acquises par le boîtier de sonde, le bruit de la mesure est préjudiciable pour avoir une bonne estimation du potentiel plasma et de la fonction de distribution en énergie des électrons. La méthode la plus couramment utilisée, dite des « moyennes glissantes », permet de réduire les aspérités mais atténue trop durement les variations rapides et les points d’inflexion. L’algorithme de Savitzky-Golay [Savitzky 1964] semble mieux adapté car il permet à la fois de lisser les¸ données brutes et de conserver avec précision les points d’inflexion. Pour chaque point de la courbe brute, on considère ¸ − ; ¸ + et on détermine par régression le polynôme de degré N minimisant.
Exploitation du courant ionique
L’enjeu de ce travail est d’avoir connaissance de la densité électronique en exploitant le courant de saturation ionique collecté par la sonde de Langmuir dans la région des potentiels négatifs. Cette démarche est intéressante car pour des champs magnétiques d’intensité B < 500 G, les ions collectés ne sont pas magnétisés. En effet, si on considère des ions d’argon • collectés à la vitesse de Bohme= 8.,6 une³ température≫e électronique de 4 eV, et un champ magnétique de 150 G, on a f†* . De nombreuses théories de collection d’ions ont été développées (résumées dans [Chen 2001]), mais de par les différentes approximations prises et l’hypothèse de gaine non collisionnelle, il faut considérer chaque résultat avec prudence.
1. La théorie OML (Orbital Motion Limit), proposée par Langmuir [Mott-Smith 1926], repose sur l’hypothèse que les ions venant de l’infini sont accélérés par le potentiel appliqué sur la sonde et suivent une trajectoire orbitale. Cela revient à supposer une épaisseurŒ≫Œ de,e gaine) infinie (faible densité) et non collisionnelle (faible pression pour respecter *•Ž. Le potentiel dans la gaine doit également varier lentement de sorte à minimiser l’effet du champ électrique. En effet, dans le cas des ions de température , la vitesse d’agitation sensibles au = .\/( R )) \ dérive* imposée par le champ thermique est beaucoup faible que la vitesse de ≈300L électrique ( . doit être suffisamment petit Upour éviter que les ions potentielU de *la sonde*†- ne soient collectés.
Etude des différentes méthodes de mesure
Dans cette partie, nous allons comparer les différentes méthodes utilisées permettant de déterminer la densité et la température électronique. On se placera dans un premier temps dans un environnement non magnétisé avant de voir l’effet d’un champ magnétique statique sur les paramètres mesurés par sonde simple et sonde double. Il s’agit dans cette partie de déterminer les méthodes de dépouillement les mieux adaptées à la caractérisation de la source ICP du propulseur ID-HALL. Les mesures sont effectuées dans un plasma d’argon, à une pression de 3 mTorr pour une puissance absorbée de 125 W.
Plasma non magnétisé
Dans cette configuration, sans champ magnétique statique, l’amplitude ÁÃ des fluctuations du potentiel plasma, telle que définie dans l’équation (III.4) est inférieure à 2 V. On considère donc ici que la mesure de sonde n’est pas affectée par ces oscillations.
Température électronique
La Figure III.21-a représente une EEPF obtenue par sonde de Langmuir dans un plasma non magnétisé. Cette EEPF a son sommet bien défini, situé à une énergie d’environ 1.5 eV. Le critère de validité de Flender [Flender 1996] est donc bien respecté.
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Table des matières
Chapitre I – Vers un nouveau concept de propulseur électrique : le DSHT
I.1 Comment propulser les satellites ?
I.2 Les plasmas froids hors équilibre
I.2.1 Equations générales
I.2.2 Les gaines
I.2.3 Lois d’échelle
I.3 Les propulseurs électriques : principe et fonctionnement
I.3.1 Les propulseurs à grilles
I.3.2 Les propulseurs de Hall
I.4 Le concept de propulseur de Hall double étage
I.5 Objectifs et déroulement de la thèse
I.5.1 Point de départ et objectifs de la thèse
I.5.2 Déroulement de la thèse
Chapitre II : Conception d’un propulseur de Hall double étage
II.1 Etat de l’art – Comprendre les raisons d’un échec
II.1.1 Concepts avec chambre d’ionisation séparée
II.1.2 Concepts avec chambre d’ionisation dans le canal
II.2 Réaliser un propulseur de Hall double étage efficace
II.2.1 Une source de plasma efficace et adaptée : la source inductive.
II.2.2 Rôle du champ magnétique sur le confinement du plasma
II.2.3 Positionnement de l’étage d’ionisation
II.3 Proposition d’un nouveau concept de DSHT : le propulseur ID-HALL
II.3.1 Source plasma inductive magnétisée
II.3.2 Dimensionnement du circuit magnétique
II.3.3 Design et géométrie
II.4 Réalisation du propulseur ID-HALL
II.4.1 Source plasma inductive
II.4.2 Optimisation du couplage et réduction des pertes
II.4.3 Alimentation de la source à 4 MHz
II.4.4 Anode
II.4.5 Cathode émettrice
II.4.6 Moyen d’essai
II.4 Conclusion du chapitre II
Chapitre III : Diagnostics développés pour l’étude de la source ICP
III.1 Sonde capacitive
III.1.1 Construction de la sonde et principe de mesure
III.1.2 Calibration de la sonde
III.2 Les Sondes électrostatiques
III.2.1 La sonde de Langmuir
III.2.2 La sonde double
III.3 Etude des différentes méthodes de mesure
III.3.1 Plasma non magnétisé
III.3.2 Plasma magnétisé
III.3.3 Discussion
III.4 Conclusion
Chapitre IV : Caractérisation de la source inductive
IV.1 Caractérisation préliminaire d’une source inductive avec aimant central
IV.1.1 Présentation de la source
IV.1.2 Dispositif expérimental
IV.1.3 Caractérisation du plasma
IV.1.4 Variation des paramètres de la décharge
IV.2 Caractérisation de la source ICP du propulseur
IV.2.1 Démarche pour initier la décharge
IV.2.2 Caractérisation du plasma
IV.2.3 Caractérisation électrique par sonde courant-tension
IV.3 Intégration de la source dans le propulseur (sans cathode)
IV.3.1 Observations à l’allumage de la décharge
IV.3.2 Mesure par sonde de Langmuir dans le canal
IV.3.3 Adaptation d’un modèle 0D à cette géométrie
IV.3.4 Détermination de ne à partir des mesures par sonde I-V
IV.4 Conclusion du chapitre IV
Chapitre V : Etude du propulseur ID-HALL
V.1 Etude paramétrique des performances via un modèle 2D hybride.
V.1.1 Description du modèle
V.1.2 Résultats des simulations
V.2 Résultats expérimentaux.
V.2.1 Conditions de mesure
V.2.2 Résultats expérimentaux
V.3 Conclusion du chapitre V
Conclusion de la thèse
Le propulseur ID-HALL
Caractérisation de la source ICP magnétisée du propulseur ID-HALL
Etude préliminaire du propulseur ID-HALL
Perspectives et suite des travaux
Bibliographie
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