Development of electrostatic diagnostics for PEGASES magnetic fi ltering and ion-ion plasma formation
D éveloppement de diagnostics électrostatiques pour le filtrage magn étique et la formation du plasma ion-ion dans le propulseur PEGASES
Résumé
PEGASES is a gridded ion thruster that accelerates both positive and negative ions for thrust. This needs the creation of an ion-ion plasma to be able to extract negative ions from the plasma. Efficient ionization as well as attachment requires a plasma with two electron temperatures: one hot to create positive ions and one cold to create negative ions. The ion-ion plasma is created using a magnetic filter that allows electron cooling and slowing down their diffusion. With this method, a high electron temperature region is obtained near the ionization source, upstream of the maximum magnetic field, and a low electron temperature region downstream of the maximum magnetic field. To understand fully this segregation of the PEGASES plasma, this thesis has focused on the development of suitable electric diagnostic. Several problems occur when i) plasma is created with a Radio Frequency (RF) source that might create large RF plasma potential fluctuations, which will lead to difficulties in probe measurements, ii) electrostatic measurement in magnetized plasmas are difficult because of electron anisotropies in the magnetic field, and iii) for the measurements in ion-ion plasma (symmetrical current-voltage characteristics) where few theory exist to extract plasma parameters, for our pressure range. Two electrical diagnostics and a model to extract plasma parameters in electronegative plasmas have been developed during my PhD at the LPP. The first electrical diagnostic is a capacitive floating probe allowing the measurement of RF plasma potential fluctuations. With its measurements, the PEGASES source has been modified to decrease the RF fluctuations. The second diagnostic is a Langmuir probe adapted to make measurements in electronegative magnetized plasmas. High etching rate of our electronegative gas and anisotropy created by the magnetic field impose some constraints on the materials and the dimension chosen to design the probe. The model reproduces Langmuir probe characteristics in electronegative plasmas assuming Boltzmann distributions. From measured I-V curves and with a fitting procedure incorporating the analytical model allows to deduce i) the temperature and density of electrons and both positive and negative ions for high electronegativity ($n_-/n_e>50$), and ii) temperature and density of electrons and density of both positive and negative ion for low electronegativity ($n_-/n_e<50$). These diagnostics allow us to study the effect of various magnetic field configurations on an electropositive and electronegative plasmas. In the former case, we showed that only the positive gradient of the magnetic field reduce the electron temperature, therefore a minimum electron temperature is obtained close to the maximum magnetic field. This minimum temperature can be controlled by the strength of the magnetic field, while the pressure controls the temperature upstream. When an electronegative gas is used, an ion-ion plasma is formed around 1 cm after the maximum magnetic field. The ion density is relatively constant across the magnetic filter while the electron density drops by three orders of magnitude. On the contrary of electropositive plasmas, where the minimum temperature is obtained at the maximum magnetic field, pressure and the percentage of SF6 controls the position of the ion-ion plasma formation. A simple model based on the measured ion densities and temperatures has evaluated the efficiency of PEGASES to be $T=25$~mN.kW$^{-1}$ and $I_{\rm{sp}}=3790$~s, which is ten times less with an exhaust surface four times smaller than the T6 gridded thruster from QinetiQ, which will propel the Bepi-Colombo mission.
PEGASES est un propulseur à grilles qui accélère à la fois des ions positifs et des ions négatifs pour la poussée. Il nécessite la création d'un plasma ion-ion afin de permettre l'extraction des ions négatifs. Pour obtenir un taux d'ionisation et un taux d'attachement efficaces, le plasma doit être composé de deux températures électroniques : une température élevée pour créer les ions positifs et une faible pour créer les ions négatifs. Ce plasma ion-ion est créé au moyen d'un filtre magnétique qui permet le refroidissement des électrons et qui ralentit leur diffusion. Avec cette méthode, on obtient une forte température électronique près de la zone d'ionisation, avant le maximum de champ magnétique, et une température faible dans la région en aval du filtre magnétique. Plusieurs problèmes se posent alors i) le plasma est excité à la RadioFréquence (RF), celle-ci est susceptible de créer des fluctuations RF du potentiel plasma importantes rendant les mesures de sondes difficiles, ii) les mesures électrostatiques dans les plasmas magnétisés sont rendues difficiles à cause de l'anisotropie des électrons dans un champ magnétique et iii) pour les mesures en plasma ion-ion (caractéristiques courant-tension symétriques) peu de théories existent pour extraire les paramètres plasmas dans nos régime de pressions. Deux diagnostics électrostatiques et un modèle pour extraire les paramètres plasmas dans les plasmas électronégatifs ont été mis au point pendant ma thèse au LPP. Le premier diagnostic est une sonde flottante capacitive permettant la mesure des fluctuations RF du potentiel plasma. Avec ces mesures, la source de PEGASES a été ajustée pour diminuer ces fluctuations. Le second diagnostic est une sonde de Langmuir adaptée pour faire des mesures dans les plasmas électronégatifs magnétisés. Le haut taux de gravure du gaz électronégatif utilisé ainsi que l'anisotropie électronique créée par le champ magnétique impose certaines contraintes sur les matériaux et les dimensions de la sonde de Langmuir. Le modèle reproduit les caractéristiques de sonde de Langmuir dans les plasmas électronégatifs supposant des distributions de Boltzmann. Depuis les courbes I-V mesurées et une procédure d'ajustement de courbe intégrée au modèle analytique il est possible de mesurer i) les températures et les densités des électrons et des ions positifs et négatifs pour les plasmas fortement électronégatifs ($n_-/ n_e>50$), et ii) la température des électrons et les densités des ions positifs et négatifs pour les plasma faiblement électronégatifs ($n_-/ n_e<50$). Ces diagnostics nous ont permis d'étudier l'effet de différents champs magnétiques sur un plasma électropositif et électonégatif. Dans le premier cas, nous avons montré que seul le gradient positif du champ magnétique induit une diminution de la température électronique, le minimum de température électronique est ainsi obtenu au maximum du champ magnétique. Ce minimum de température peut être contrôlé grâce à l'intensité du champ magnétique alors que la pression contrôle la température en amont du filtre. Lorsque qu'un gaz électronégatif est utilisé, un plasma ion-ion est créé environ 1 cm après le maximum de champ magnétique. Les densités d'ions sont relativement constantes au travers du filtre magnétique alors que la densité électronique chute de 3 ordres de grandeur. Contrairement aux plasmas électropositifs où le minimum de température électronique est obtenu au maximum de champ magnétique, la formation du plasma ion-ion est contrôlée par la pression et le ratio de SF6 dans le mélange. Un modèle simple basé sur la mesure des densités et des températures des ions a permis d'évaluer l'efficacité de PEGASES à $T=25$~mN.kW$^{-1}$ et $I_{\rm{sp}}=3790$~s, qui est dix fois moins pour une surface d'éjection quatre fois plus petite que le propulseur ionique à grille T6 de chez QinetiQ qui va propulser la mission Bepi-Colombo.
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