Characterization of Plasma Streams and Ion Populations from Plasma Thrusters for Space Propulsion

Damba, Julius (2020). Characterization of Plasma Streams and Ion Populations from Plasma Thrusters for Space Propulsion. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.64130.

Description

Title: Characterization of Plasma Streams and Ion Populations from Plasma Thrusters for Space Propulsion
Author/s:
  • Damba, Julius
Contributor/s:
  • Conde Lopez, Luis
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Física Aplicada [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Plasma engines for space propulsion generate plasma jets (also denominated plasma plumes) having supersonic ion groups with typical speeds in the order of tens of kilometres per second, which lies between electron and ion thermal speeds. The design and features of the alternative low power hybrid ion engine (ALPHIE), a simple plasma accelerator with DC power consumptions below 450W and that uses moderate propellant mass flow rates of xenon or argon, are discussed. The thruster depends on only one electron source for both propellant gas ionization and ion beam neutralization, thus coupling the plasma production and space-charge neutralization processes. The operation parameters of this plasma engine are studied in the laboratory in connection to the ion energy distribution function (IEDF) obtained with a retarding-field/retarding-potential analyzer (RFEA/RPA). The ALPHIE plasma beam expansion produces a mesothermal plasma with two-peaked ion energy spectra composed of low- and high-energy ion groups. The characteristic speeds of the fast-ion group, in the range 36.6–43.5km·s−1, are controlled by the engine’s acceleration voltage. These supersonic velocities are about one order of magnitude higher than typical ion sound speeds of the background plasma. The plasma beam density is driven by the ionizing electron flow from the cathode, which influences the maximum current of both IEDF peaks. The specific impulse estimated on the basis of the experimental results and the measured thrust are also presented. The stationary plasma expansion process is studied experimentally using a four-grid retarding-field energy analyzer (RFEA), an emissive probe and a Langmuir probe (LP) – all mounted on a multiprobe structure displaced in three dimensional (3D) space. Specifically, the plasma beam properties from the measured RFEA current–voltage (I–V ) characteristic curves is presented. The experimental results show the ion energy spectra shapes to remain nearly unaltered over 300mm along the plasma jet expansion axis. The measured ion energy distribution function (IEDF) results from the superposition of different ion groups and has two dominant populations: a low-energy group constituted of ions from the background plasma – is produced by the interaction of the plasma jet with the walls of the vacuum chamber, and a fast-ion population composed of ions from the plasma beam moving at supersonic speeds with respect to the low-energy ions. The decreasing current density spatial profiles of the plasma jet are compared with those of the low-energy ion group, which are not uniform along the axis of symmetry owing to the small contributions from other ion populations with intermediate speeds (energies). The spatial variation of the electron energy distribution functions (EEDFs) in the direction of the plasma plume expansion is also studied using the combined emissive/Langmuir probe diagnostics. The results, which are inevitably affected by the plasma wake behind the LP probe (produced by the supersonic ion flow), however, show a strong evidence of an electron energy thermalization. Contrary to the ions, the relatively lighter electrons experience important energy exchange processes along the plasma plume. ----------RESUMEN---------- Los motores de plasma para propulsión espacial generan chorros de plasma (también denominados penachos de plasma) que tienen grupos de iones supersónicos con velocidades típicas del orden de decenas de kilómetros por segundo, que se encuentra entre las velocidades térmicas de iones y electrones. Se discuten el diseño y las características del motor alternativo de iones híbridos de baja potencia (ALPHIE), un acelerador de plasma simple con consumos de potencia de CC por debajo de 450W y que utiliza tasas de flujo másico de propulsor moderado de xenón o argón. El propulsor utiliza solo una fuente de electrones tanto para la ionización del gas propulsor como para la neutralización del haz de iones, acoplando así la producción de plasma y los procesos de neutralización de la carga espacial. Los parámetros de funcionamiento de este motor de plasma se estudian en el laboratorio en relación con la función de distribución de energía iónica (IEDF) obtenida con un analizador de campo retardado (retarded field energy analyzer RFEA o retarded potential analyzer RPA en inglés). La expansión del haz de plasma de ALPHIE produce un plasma mesotérmico con espectros de energía de dos picos compuestos de grupos iónicos de baja y alta energía. Las velocidades características de los grupos de iones rápidos, en el rango de 36.6–43.5km·s−1, están controladas por un voltaje de aceleración. Estas velocidades supersónicas son aproximadamente un orden de magnitud más altas que la velocidad de sonido iónica típica del plasma de fondo. La densidad del haz de plasma es impulsada por el flujo de electrones ionizantes desde el cátodo que influye en la corriente máxima de ambos picos IEDF. El impulso específico y el empuje generado se estiman sobre la base de los resultados experimentales obtenidos que también se presentan. El proceso de expansión de plasma estacionario se estudia experimentalmente utilizando un analizador de energía de campo de retardo de cuatro rejillas (RFEA), una sonda emisora (emissive probe, EP en inglés) y una sonda Langmuir (Langmuir probe, LP), todo montado en una estructura que las desplaza en las tres direcciones del espacio. Específicamente, se presentan las propiedades del haz de plasma de las curvas características de corriente-voltaje (I–V ) medidas con el RFEA. Los resultados experimentales muestran que los espectros de energía iónica permanecen casi inalterados a lo largo de 300mm a lo largo del eje de expansión del chorro de plasma. La función de distribución de energía iónica medida (ion energy distribution function, IEDF en inglés) resulta de la superposición de diferentes grupos iónicos y tiene dos poblaciones dominantes: un grupo de baja energía constituido por iones del plasma de fondo es producido por la interacción del chorro de plasma con las paredes de la cámara de vacío, y una población de iones rápidos compuesta de iones del haz de plasma que se mueve a velocidades supersónicas con respecto a los iones de baja energía. Los perfiles espaciales decrecientes de densidad de corriente del chorro de plasma se comparan con los del grupo iónico de baja energía, que no son uniformes a lo largo del eje de simetría debido a las pequeñas contribuciones de otras poblaciones de iones con velocidades intermedias. La distribución espacial de las funciones de distribución de energía de electrones (electron energy distribution function, EEDF en inglés) en la dirección de la expansión del plasma también se estudió utilizando el diagnóstico combinado de sondas EP/LP. Los resultados se ven inevitablemente afectados por la estela de plasma detrás de la sonda LP producida por el flujo de iones supersónicos, sin embargo, muestran una fuerte evidencia del proceso de termalización de la energía electrónica. A diferencia de los iones, los electrones de luz experimentan importantes procesos de intercambio de energía a lo largo de la columna de plasma.

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Item ID: 64130
DC Identifier: http://oa.upm.es/64130/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:64130
DOI: 10.20868/UPM.thesis.64130
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 29 Sep 2020 06:36
Last Modified: 29 Sep 2020 06:36
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