Développement d'un diagnostic plasma micro-onde appliqué aux systèmes de propulsion électrique

Development of a microwave plasma diagnostic applied to electric propulsion systems

• Auteur / Autrice : Federico Boni
• Direction : Tiberiu Minea, Julien Jarrige, Victor Désangles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 24/11/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des gaz et des plasmas (Orsay, Essonne ; 1965-....) - Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Paul Booth
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sedina Tsikata, Ralf Peter Brinkmann, Gabi-Daniel Stancu, Trevor Lafleur
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sedina Tsikata, Ralf Peter Brinkmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fusées à effet Hall

Résonance cyclotronique

Électrons -- Distribution

Cavités résonnantes (microondes)

Mots clés libres

Diagnostic plasma

Sonde résonante micro-onde

Densité électronique

Propulsion électrique

Propulseur plasma ECR

Tuyère magnétique

Plasma diagnostic

Microwave resonant probe

Electron density

Electric propulsion

ECR plasma thruster

Magnetic nozzle

Résumé

Dans le contexte de l'industrie du New Space, un nombre croissant de satellites de petite taille embarque des systèmes de propulsion électrique (EP) miniaturisés. Ces propulseurs permettent une réduction de la masse au lancement, une augmentation de l'impulsion totale des missions et un positionnement précis des satellites. Cependant, certaines technologies sont relativement nouvelles et de nouvelles études sont nécessaires afin d'améliorer la compréhension de leurs principes physiques de fonctionnement ainsi que leurs performances. La première partie de ce travail consiste à développer une sonde résonante micro-onde de type curling probe (CP), un diagnostic permettant la mesure de la densité électronique dans les plasmas magnétisés à basse pression. Les caractéristiques de cette sonde la rendent pertinente pour l'étude des propulseurs électriques. C'est une sonde compacte, ne collectant pas de courant du plasma, et facile à mettre en œuvre. La sonde CP est étudiée à l'aide de simulations numériques et de mesures expérimentales. La fréquence de résonance de la sonde est exprimée en fonction de ses paramètres géométriques. Cette relation permet de résoudre la question de la nature du résonateur (quart d'onde ou demi-onde) qui restait ouverte dans la littérature. Le développement d'une méthode de calibration absolue, utilisant des étalons solides de permittivité électrique connue, permet de calculer précisément la valeur de la densité électronique d'un plasma. La fréquence de travail de la sonde détermine la précision de la mesure, la sensibilité, et la densité maximum mesurable. L'utilisation de la seconde harmonique permet d'effectuer des mesures sur une large gamme de densité, tout en gardant une très bonne précision aux faibles valeurs. Une méthode de correction prenant en compte les effets de gaine se formant à la surface de la sonde est développée. La validité de ces méthodes de calibration et de correction des effets de gaine est évaluée expérimentalement dans le plasma produit par un propulseur à résonance cyclotronique électronique (ECR) et dans une source plasma à couplage inductif. Les densités mesurées par la sonde CP sont en bon accord avec d'autres diagnostics bien connus dans la littérature (sondes hairpin et de Langmuir). La seconde partie propose la caractérisation d'un propulseur ECR à l'aide de la sonde CP ainsi que d'autres diagnostics : balance de poussée, fluorescence induite par laser, et sondes électrostatiques. La mesure directe des poussées - totale, magnétique, et thermique - permet d'étudier les mécanismes de production de poussée. La poussée magnétique représente la contribution plus importante à la poussée totale (au-delà de 70 %) quand l'efficacité du propulseur est élevée. La majeure partie de la poussée magnétique est produite par le volume du plasma dans la source du propulseur. Une combinaison de différents diagnostics permet d'estimer l'anisotropie de la température des électrons. Dans la source du propulseur, la composante perpendiculaire de la température des électrons est jusqu'à six fois supérieure à la composante parallèle. L'expansion du plasma dans la tuyère magnétique est comparée avec des modèles existants. Le long de l'axe de symétrie du propulseur, le profil de la densité électronique peut être approché par un modèle isotherme, tandis que la densité décroit plus vite en s'éloignant de l'axe. Le refroidissement observé des électrons dans le panache peut être décrit par une expansion polytropique. Enfin, une méthode permettant des mesures résolues temporellement avec la sonde CP est développée. Des mesures résolues à 10 µs dans le panache du propulseur ECR permettent d'identifier des oscillations de la densité électronique à quelques dizaines de kilohertz.

In the New Space industry context, a growing number of small satellites are equipped with miniaturized electric propulsion (EP) systems. These devices enable the reduction of mass at launch and provide accurate and long-lifetime operations. However, some EP concepts are relatively new, and extensive research is required to understand their governing physical principle and improve their performance. In the first part of this work, we develop a microwave resonant probe called curling probe (CP), a diagnostic aiming to perform electron density measurements in low-pressure and magnetized plasmas. Characteristics of this probe make it suitable for electric plasma thruster investigations: compactness, reduced intrusivity (no collection of charges), and ease of implementation. The development of the CP is conducted through numerical simulations and experimental testing. An equation relating the resonance frequency and the spiral geometry parameters is defined and help us solve the ambiguity of the quarter/half-wavelength nature of the resonator. An absolute calibration method is developed using solid dielectric etalons of known permittivity. It allows precisely inferring the electron density value, offering a valid alternative to previous methods based on numerical simulations. Measurement accuracy, sensitivity, and maximum measurable density are linked to the probe working frequency. The utilization of the second harmonic resonance extends the measurable density range, allowing highly accurate measurements over a wide range of densities. A correction method for the plasma sheath forming at the probe surface is developed. The validity of the calibration and plasma sheath correction methods is assessed experimentally inside the plasma produced by an electron cyclotron resonance (ECR) thruster and by an inductively coupled discharge. Curling probe results are compared with other well-established diagnostics (hairpin and Langmuir probe) with discrepancies below 30%. In the second part, the curling probe is used to characterize an ECR thruster along with other diagnostics: thrust stand, laser-induced fluorescence, and electrostatic probes. Direct measurements of the total, magnetic, and thermal thrusts are performed, allowing the investigation of the thrust production mechanisms. Magnetic thrust is the major contribution to the total thrust (above 70%) when high thrust efficiency is obtained. Most of the magnetic thrust is produced by the plasma volume inside the thruster source. The electron temperature anisotropy is inferred from the different diagnostics. It is found that the perpendicular electron temperature is almost six times larger than the parallel component inside the thruster source. Plasma expansion in the magnetic nozzle is compared with existing models. Along the thruster symmetry axis, the electron density profile can be described with an isothermal model, whereas the density decrease is faster when moving away from the axis. Electron cooling is observed along the plume, and experimental electron temperature profiles can be described with a polytropic law. Last, a method enabling temporally resolved measurements with the CP is developed. Measurements performed inside the plume of the ECR thruster with a 10 µs time resolution lead to the identification of electron density oscillations at a few dozen kilohertz.