Modeling of a microwave plasma electron source for neutralization of ion thrusters

par Yu Zhu

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Jean-Pierre Boeuf et de Laurent Liard.

Soutenue en 2013

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les sources électroniques sont utilisées pour neutraliser le flux d'électrons sortant d'un propulseur ionique. Les neutraliseurs conventionnels sont des cathodes creuses thermoioniques. Elles sont malheureusement fragiles, chères et très sensibles à la contamination par des espèces étrangères comme l'oxygène pour les orbites basses. Ainsi, des efforts de recherche autour des sources électroniques sont en cours. A l'aide d'un modèle analytique global ainsi qu'un modèle numérique auto-cohérent, je me suis attaché, durant ma thèse, à comprendre la physique qui régit les sources plasmas micro-ondes d'électrons et à comparer les résultats des modèles avec les résultats expérimentaux. Dans un premier temps, nous avons cherché à mieux comprendre la phase de génération du plasma sous des conditions similaires à celles de l'expérience. En particulier, nous avons pu trouver les meilleurs seuils de taux de flux de gaz, de pression de gaz et de taille de l'ouverture d'extraction des électrons, afin de déclencher le claquage. Ensuite, nous avons cherché les valeurs maximum de courant électronique qu'il est possible d'extraire de la source plasma, suivant les plages de pression de l'expérience, et nous avons fourni des informations quantitatives sur les caractéristiques du plasma (densité plasma, température électronique, etc. . . ). Nous avons trouvé que le courant maximum dans la source n'est pas très sensible à la pression et se situe autour de 20 mA/W. Connaissant le courant maximum, nous avons basé notre dernière étude numérique sur la théorie de gaine, afin de régler la taille de l'ouverture, dans le but d'extraire tous les électrons de la source plasma. Dans cette étude ainsi que la précédente, les outils analytiques et numériques ont été employés, et les résultats se sont trouvés être en bonne correspondance avec ceux de l'expérience.

  • Titre traduit

    Modélisation d'une source plasma microonde d'électrons pour la neutralisation d'un propulseur spatial ionique


  • Résumé

    The electron sources are used to neutralize the ion beams from the ion thrusters. The conventional neutralizers are thermoionic hollow cathodes, which are fragile, expensive and very sensitive to the contaminations, especially by Oxygen in Low Earth Orbit. Therefore, the research in seeking a plasma electron source is still very active. In my thesis, I have tried to understand the physics behind a microwave plasma electron source, by means of analytical global model and self-consistent numerical model, and compared the results with the experimental results. The first effort was devoted to better understand the plasma generation under the conditions similar to those of experiments. In particular, we found the best thresholds of gas flow rate, gas pressure and aperture size in order to trigger the breakdown. The second effort was devoted to understand how much is the maximum electron current that is available for extraction in the plasma source under the operation pressure range, and provide quantitative information on the plasma characteristics (plasma density, electron temperature, etc. . . ). We found the maximum current in this source is not very sensitive to the pressure and is around 20 mA/W. Knowing the maximum current, we based our last numerical study on the sheath theory, to tune the aperture size in order to extract all the electrons out from the plasma source. In the second and last study, both analytical and numerical tools were employed, and the results were in good agreements with those from the experiments.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (159 p.)
  • Annexes : Références bibliogr. en fin de chapitres

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  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque électronique.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2013 TOU3 0005
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