Investigation of magnetized radio frequency plasma sources for electric space propulsion

par Jan Dennis Gerst

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Stéphane Mazouffre.

Le président du jury était Laïfa-Eladi Boufendi.

Le jury était composé de Stéphane Mazouffre, Laïfa-Eladi Boufendi, Michel Dudeck, Gilles Cartry, Tiberiu Minea, Willy Bohn, Brigitte Serreault, Ane Aanesland.

Les rapporteurs étaient Michel Dudeck, Gilles Cartry.

  • Titre traduit

    Sources plasma RF magnétisées : applications à la propulsion spatiale


  • Résumé

    Le propulseur PEGASES (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) est un nouveau type de propulseur électrique pour la propulsion spatiale. Il utilise des ions négatifs et positifs créés par une décharge radiofréquence à couplage inductif pour générer la poussée. L’accélération électrostatique des ions est assurée par un ensemble de grilles polarisées. Un filtre magnétique est utilisé pour augmenter la quantité d'ions négatifs dans la cavité du propulseur. Le propulseur PEGASES est non seulement une source qui permet de créer un plasma d'ions négatifs à forte densité, et même un plasma d'ion-ion, mais il peut également être utilisé comme un propulseur ionique classique. Cela signifie qu'un plasma est créé dans un gaz électropositif (e.g. Xe) et que les ions positifs sont extraits et accélérés. Dans ce cas, il est nécessaire de neutraliser le plasma derrière la zone d'accélération, comme dans d'autres propulseurs ioniques. Les performances du propulseur PEGASES ont été étudiées principalement dans du xénon afin de comparer les résultats obtenus avec les propulseurs ioniques de type RIT. Le propulseur a été étudié à l'aide d'une série de sondes telles qu’une sonde de Langmuir, une sonde plane, une sonde capacitive et un RPA (pour Analyseur à Champ Retardateur). De plus, une sonde en champs croisés ExB a été développée pour mesurer la vitesse des ions quittant le propulseur ainsi que la fraction des différentes espèces ioniques présentes dans le plasma.


  • Résumé

    The PEGASES thruster (Plasma Propulsion with Electronegative Gases) is a novel type of electric thruster for space propulsion. It uses negative and positive ions produced by an inductively coupled radio frequency discharge to create the thrust by electrostatically accelerating the ions through a set of grids. A magnetic filter is used to increase the amount of negative ions in the cavity of the thruster. The PEGASES thruster is not only a source to create a strongly negative ion plasma or even an ion-ion plasma but it can also be used as a classical ion thruster. This means that a plasma is created and only the positive ions are extracted and accelerated making it necessary to neutralize the plasma behind the acceleration stage like in other ion thrusters. The performances of the PEGASES thruster have been investigated mainly in xenon in order to compare the obtained results with RIT-type ion thrusters. The thruster has been investigated with the help of a variety of probes such as a Langmuir probe, a planar probe, a capacitive probe and a RPA (Retarding Potential Analyzer). In addition, an ExB probe has been developed to measure the velocity of the ions leaving the thruster and to differentiate between the ion species present in the plasma.


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