Diagnostic de la plume des propulseurs ioniques avec accélération RF

par Lui txai Calvoso Habl

Projet de thèse en Physique

Sous la direction de Pascal Chabert.

Thèses en préparation à l'Institut polytechnique de Paris , dans le cadre de École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris , en partenariat avec Laboratoire de Physique des Plasmas (laboratoire) depuis le 01-09-2019 .


  • Résumé

    Pour l'opération des propulseurs ioniques classiques, un système de neutralisation externe est nécessaire afin de compenser l'accumulation de charge générée par l'accélération des ions et éviter le retour des ions. Ces neutraliseurs sont généralement des systèmes complexes, difficiles à miniaturiser et ne peuvent fonctionner qu'avec peu de types de gaz. Le nouveau concept de polarisation radiofréquence des grilles d'accélération résout ce problème en permettant l'extraction quasi-simultanée d'ions et d'électrons à partir de la même décharge de plasma. Au cours des dernières années, de nombreuses études expérimentales et numériques ont été menées pour comprendre la physique de ce nouveau concept, mais de nombreux phénomènes restent mal compris, en particulier dans la région de la plume de plasma, en raison des limitations des techniques actuelles. L'objectif principal de ce projet de thèse est de développer une compréhension plus approfondie des processus physiques dans la région de la plume du propulseur d'accélération RF et de leur connexion aux mécanismes de performance et de limitation de vie du propulseur à travers des études numériques, expérimentales et analytiques de l'expansion de la plume. Afin d'obtenir une image réaliste des phénomènes qui se produisent dans la région de la plume, l'étude inclura le développement de nouvelles méthodes de diagnostic du plasma, développement d'un code PIC 2D pour simuler l'expansion du plasma et la formulation d'une analyse théorique initiale du plasma anisotrope et de la gaine RF inverse formée à la sortie du propulseur. Avec ces outils, une nouvelle description détaillée des principaux effets physiques survenant lors du fonctionnement des propulseurs ioniques avec accélération RF sera présentée, fournissant un ensemble de règles opérationnelles fondamentales aux futurs propulseurs utilisant ce concept d'accélération.

  • Titre traduit

    Plume diagnostics of ion thrusters with RF acceleration


  • Résumé

    For the operation of typical gridded ion thrusters, an external neutralization system is required to compensate the charge accumulation generated by the ion acceleration and avoid beam stalling. These neutralizers are usually complex systems, hard to downscale and can only be operated with few types of gases. The recent novel concept of radio-frequency biasing of the acceleration grids solves this problem by allowing the quasi-simultaneous extraction of both ions and electrons from the same plasma discharge. In the recent years, many experimental and numerical studies have been conducted to understand the physics of this new concept but many phenomena are still not well understood, especially in the far region of the plume, due to limitation in the present techniques. The main objective of this PhD project is to develop a deeper understanding of the physical processes happening in the plume region of the RF acceleration thruster and their connection to the performance and life-time limiting mechanisms of the thruster through numerical, experimental and analytical studies of the plume expansion. In order to obtain a realistic picture of the phenomena occurring in the downstream region of the plume, the study will include the development novel plasma diagnostic methods, development of a 2D PIC code to simulate the expansion of the plasma and the formulation of an initial analytical model of the anisotropic plasma plume and inverse RF sheath formed at the thruster exit. With these tools, a new and detailed description of the most important physical effects happening during the operation of gridded ion thrusters with RF acceleration will be presented, providing a set of fundamental scaling and operational rules so that future thrusters using this concept of acceleration will be better understood and optimized for the application in future space missions.