Étude des interaction plasma/surface et d'érosion sur le moteur plasma de PPS de faible puissance.

Study of the plasma/wall interaction and erosion on a plasma thruster of low power.

• Auteur / Autrice : Antoine Tavant
• Direction : Anne Bourdon, Pascal Chabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des plasmas
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Saclay (2015-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des plasmas (Palaiseau, Essonne ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Pere Roca i Cabarrocas
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne Bourdon, Pascal Chabert, Achim Von Keudell, Gwenaël Fubiani, Sedina Tsikata
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Achim Von Keudell, Gwenaël Fubiani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hall, Effet

Propulsion électrique

Modèles mathématiques

Plasmas (gaz ionisés)

Mots clés libres

Propulsion electrique

Simulation PIC

Modèle de gaine polytropique

Instabilité de dérive cyclotronique

Electrical propulsion

PIC simulation

Non-isothermal sheath model

Cyclotron drift instability

Résumé

Les moteurs électriques pour satellites, qui accélèrent les ions d'un plasma, sont primordiaux pour le succès des missions spatiales (GPS, météo, communication, etc.).Le moteur à effet Hall fait partie des technologies les plus performantes et utilisées.Cependant, sa conception et son optimisation sont longs et coûteux, car des processus clefs sont encore mal compris, en particulier, le transport des électrons et l'interaction plasma-paroi.Afin d'étudier ces deux phénomènes, nous utilisons une simulation cinétique bidimensionnelle.Grace aux résultats de simulation 2D, nous avons mis en évidence que les électrons sont non-locaux, car ils sont absorbés plus vite aux parois qu'ils ne sont thermalisés par les collisions.En conséquence, nous avons développé un modèle de gaine avec une loi d'état polytropique pour les électrons, qui décrit plus précisément l'interaction plasma-surface.Ce modèle peut être utilisé en présence, ou non, d'émission électronique secondaire.Lorsque l'émission secondaire est présente, le modèle de gaine présente jusqu'à trois solutions, ce qui explique les oscillations de gaines observées dans les simulations.

Electric propulsion systems that accelerate plasma ions are important for the success of spatial missions (GPS, weather forecast, communication, etc.).The Hall effect thruster is one of the most used and efficient technology.However, its conception and optimization is slow and costly, as key processes are still poorly understood, in particular the electron transport and the plasma-wall interaction.In order to study both phenomena, we use a bi-dimensional kinetic simulation.We showed with 2D PIC simulation results that electrons are non-local, as they are absorbed more quickly at the wall compared to the collision frequency.Consequently, we derived a non-isothermal sheath model using a polytropic state law for the electrons that describes more accurately the plasma-wall interaction.The model can be used with and without secondary electron emission.With electron emission, the sheath model can present up to three solutions, explaining the oscillations observed in the simulations.The azimuthal instability observed, responsible for the electron transport, is compared to the dispersion relation of the ion acoustic wave and the electron cyclotron drift instability.We show that, while the first linear stage of the instability is well understood, the saturated quasi-steady-state is affected by particle-wave interactions and non-linear mechanisms that are not included in the dispersion relation.