Influence de la topologie magnétique, de la cathode et de la section du canal sur l'accélération des ions dans un propulseur à effet Hall

Influence of magnetic topology, cathode and channel width on ion acceleration processes in a Hall effect thruster

• Auteur / Autrice : Guillaume Bourgeois
• Direction : Stéphane Mazouffre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 27/09/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de combustion aérothermique réactivité et environnement (Orléans, Loiret ; 2007-...)
• Jury : Président / Présidente : Laïfa-Eladi Boufendi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphane Mazouffre, Laïfa-Eladi Boufendi, Fabrice Doveil, Gérard Henrion, Titaina Gibert, Laurent Garrigues, Nader Sadeghi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Doveil, Gérard Henrion

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photons

Accélération (mécanique)

Fluorescence induite par laser

Champs magnétiques (physique spatiale)

Fusées à effet Hall

Mots clés libres

Propulsion spatiale électrique

Propulseur à effet hall

Fluorescence induite par laser

Topologie magnétique

Comptage de photons

Accélération de particules

Electric space propulsion

Hall effect thruster

Laser induced fluorescence

Magnetic topology

Photon counting

Particle acceleration

Résumé

Les propulseurs électriques sont de plus en plus utilisés pour des missions de correction de trajectoire des satellites et pourront dans un avenir proche être utilisés pour le transfert d’orbite. Ces propulseurs constituent une excellente alternative aux propulseurs chimiques grâce à leur rendement élevé et une substantielle économie de carburant réalisée par rapport aux propulseurs chimiques. Les propulseurs à effet Hall créent la poussée par l’accélération d’ions positifs de xénon ou de krypton dans un plasma confiné par un champ magnétique. L’objet de ce manuscrit concerne principalement les caractéristiques de l’accélération des ions et des atomes dans un propulseur à effet Hall. Les influences de la largeur du canal de décharge, de la topologie magnétique et de la cathode sur l’efficacité d’accélération des ions sont étudiées. Des pistes d’optimisation de l’architecture du propulseur sont alors proposées qui pourraient être particulièrement avantageuses sur les propulseurs de petite taille, comme l’élargissement du canal et l’augmentation du champ magnétique près des parois du canal. L’influence de la position et du potentiel de la cathode sur la déviation du faisceau ionique est révélée. L’évolution temporelle basse fréquence du champ électrique est mesurée par comptage synchrone de photons et suggère que la température atomique joue un rôle important dans les oscillations basse fréquence de la décharge. Par ailleurs, l’influence du champ magnétique sur les performances d’un propulseur proche des modèles de vol a été mesurée grâce à l’utilisation d’un moteur doté d’une topologie magnétique flexible. Ceci a montré la difficulté de définir un paramètre numérique capable de synthétiser l’information complexe de la répartition spatiale du champ magnétique dans le canal de décharge. Les très faibles modifications des performances par le champ magnétique soulignent l’importance de la précision dans la mesure.

Electric propulsion systems are more and more often used for trajectory correction of satellites and may soon be used for orbit transfer. These devices represent a great alternative to classic chemical propulsion devices thanks to their high efficiency and propellant mass savings. Hall effect thruster provide thrust by the acceleration of xenon or krypton ions in a magnetized confined plasma. The study presented in this manuscript mainly addresses characteristics of ion and atom acceleration in a Hall effect thruster. Influence of channel width, magnetic topology and cathode parameters on ion acceleration efficiency is investigated. Ways to optimize thruster architecture are suggested that may be particularly relevant for low power thrusters, such as widening thruster channel and increasing magnetic field amplitude near channel walls. Influence of cathode position with respect to the thruster channel exit plane and its potential with respect to ground on ion beam deviation has been revealed with two thrusters. Low frequency time evolution of the accelerating electric field was measured using lock-in photon counting system. Results strongly suggest that the atom temperature plays a crucial role in low frequency time evolution of the whole plasma discharge. Measurement of performances as a function of the magnetic field demonstrated that numeric parameters are compulsory to carry on a relevant parametric study. These parameters would summarize the 2D information of magnetic topology. Weak influence of magnetic topology revealed that thrust measurement precision needs to be increased by at least one order of magnitude if one wants to reach a better understanding of plasma confinement in a Hall effect thruster.