Dissertations / Theses on the topic 'Hall effect thruster'

Current state-of-the-art plasma thrusters are limited in power density and thrust density by power losses to plasma-facing walls and electrodes. In the case of Hall effect thrusters, power deposition to the discharge channel walls and anode negatively impact the efficiency of the thruster and limit the attainable power density and thrust density. The current work aims to recreate thruster-relevant wall-interaction physics in a quiescent plasma and investigate them using electrostatic probes, in order to inform the development of the next generation of high-power-density / high-thrust-density propulsion devices. Thruster plasma-wall interactions are complicated by the occurrence of the plasma sheath, a thin boundary layer that forms between a plasma and its bounding wall where electrostatic forces dominate. Sheaths have been recognized since the seminal work of Langmuir in the early 1900’s, and the theory of sheaths has been greatly developed to the present day. The theories are scalable across a wide range of plasma parameters, but due to the difficulty of obtaining experimental measurements of plasma properties in the sheath region, there is little experimental data available to directly support the theoretical development. Sheaths are difficult to measure in situ in thrusters due to the small physical length scale of the sheath (order of micrometers in thruster plasmas) and the harsh plasma environment of the thruster. Any sufficiently small probe will melt, and available optical plasma diagnostics do not have the sensitivity and/or spatial resolution to resolve the sheath region. The goal of the current work is to experimentally characterize plasma sheaths xxvi in a low-density plasma that yields centimeter-thick sheath layers. By generating thick sheaths, spatially-resolved data can obtained using electrostatic probes. The investigation focuses on the effects of electron emission from the wall and several factors that influence it, including wall material, wall temperature, wall surface roughness and topology, as well as the scaling of sheaths from the low-density plasma environment towards thruster conditions. The effects of electron emission and wall material are found to agree with classical fluid and kinetic theory extended from literature. In conditions of very strong emission from the wall, evidence is found for a full transition in sheath polarities rather than a non-monotonic structure. Wall temperature is observed to have no effect on the sheath over boron nitride walls independent of outgassing on initial heat-up, for sub-thermionic temperatures. Wall roughness is observed to postpone the effects of electron emission to higher plasma temperatures, indicating that the rough wall impairs the wall’s overall capacity to emit electrons. Reductions in electron yield are not inconsistent with a diffuse-emission geometric trapping model. Collectively, the experimental data provide an improved grounding for thruster modeling and design.Current state-of-the-art plasma thrusters are limited in power density and thrust density by power losses to plasma-facing walls and electrodes. In the case of Hall effect thrusters, power deposition to the discharge channel walls and anode negatively impact the efficiency of the thruster and limit the attainable power density and thrust density. The current work aims to recreate thruster-relevant wall-interaction physics in a quiescent plasma and investigate them using electrostatic probes, in order to inform the development of the next generation of high-power-density / high-thrust-density propulsion devices. Thruster plasma-wall interactions are complicated by the occurrence of the plasma sheath, a thin boundary layer that forms between a plasma and its bounding wall where electrostatic forces dominate. Sheaths have been recognized since the seminal work of Langmuir in the early 1900’s, and the theory of sheaths has been greatly developed to the present day. The theories are scalable across a wide range of plasma parameters, but due to the difficulty of obtaining experimental measurements of plasma properties in the sheath region, there is little experimental data available to directly support the theoretical development. Sheaths are difficult to measure in situ in thrusters due to the small physical length scale of the sheath (order of micrometers in thruster plasmas) and the harsh plasma environment of the thruster. Any sufficiently small probe will melt, and available optical plasma diagnostics do not have the sensitivity and/or spatial resolution to resolve the sheath region. The goal of the current work is to experimentally characterize plasma sheaths xxvi in a low-density plasma that yields centimeter-thick sheath layers. By generating thick sheaths, spatially-resolved data can obtained using electrostatic probes. The investigation focuses on the effects of electron emission from the wall and several factors that influence it, including wall material, wall temperature, wall surface roughness and topology, as well as the scaling of sheaths from the low-density plasma environment towards thruster conditions. The effects of electron emission and wall material are found to agree with classical fluid and kinetic theory extended from literature. In conditions of very strong emission from the wall, evidence is found for a full transition in sheath polarities rather than a non-monotonic structure. Wall temperature is observed to have no effect on the sheath over boron nitride walls independent of outgassing on initial heat-up, for sub-thermionic temperatures. Wall roughness is observed to postpone the effects of electron emission to higher plasma temperatures, indicating that the rough wall impairs the wall’s overall capacity to emit electrons. Reductions in electron yield are not inconsistent with a diffuse-emission geometric trapping model. Collectively, the experimental data provide an improved grounding for thruster modeling and design.

Le Propulseur à Effet Hall est un moteur sans grille, dans lequel un champ magnétique radial confine les électrons d'un plasma formé entre deux cylindres coaxiaux diélectriques. La chute de la conductivité électronique qui en résulte permet l'établissement d'un champ électrique axial pour extraire les ions. La relativement faible poussée (100 mN) et la forte impulsion spécifique (vitesse des ions éjectés de 20 km/s) rendent le propulseur bien adapté aux tâches de maintien sur orbite des satellites ou de petits transferts d'orbite. L'étude porte sur la modélisation des phénomènes physiques dans le propulseur associée à une étude expérimentale, plus limitée, et destinée à valider ou compléter les modèles. La modélisation est basée sur une description des phénomènes de transport des particules (électrons, ions, neutres) en champs électrique et magnétique croisés. Un modèle développé au CPAT a été complété et utilisé pour chercher les conditions optimales de fonctionnement, en particulier l'étude de la configuration magnétique des moteurs à Effet Hall existants. De plus, nous avons développé un modèle pour étudier de nouveaux concepts de moteurs à Effet Hall, en particulier un moteur à Effet Hall à Double Etage, dans lequel on cherche à contrôler séparément la génération du plasma et l'accélération des ions. La partie expérimentale a consisté à utiliser des techniques de diagnostics plasma (interférométrie de Fabry-Pérot) permettant de mesurer la distribution du champ électrique dans le système, résultant de la présence du plasma et des tensions appliquées aux électrodes. Les mesures ont été effectuées sur le moyen d'essai PIVOINE installé à Orléans. La confrontation systématique des résultats expérimentaux et de simulation a permis de mieux définir les possibilités et les limites du modèle et d'en améliorer ses capacités prédictives<br>Hall Effect Thrusters (HETs) are gridless ion engines where a magnetic field barrier is used to impede the electron motion toward the anode and generate a large electric field that provides collisionless ion acceleration. The thrust is about 100 mN and the specific impulse of HETs is in the range 1600-2000 s (i. E. The velocity of ejected xenon ions is on the order of 16-20 km/s). The thrust and the specific impulse of standard Single Stage HETs are well adapted to the missions of orbit correction and station keeping. The goal here is to model the physical phenomena occurring in such a thruster, and, in correlation with experimental studies, to validate and/or improve the assumptions of the model. The model describes the transport of the electrons, ions, and neutrals in crossed electric and magnetic fields. The model developed at CPAT was extended and used to identify conditions for optimal operation of the thruster, with particular attention to the influence of the magnetic field distribution on the thruster operation. In addition, we developed a model to study new thuster concepts such as a Double Stage Hall Effect Thruster, where ionization and acceleration are accomplished in two stages. The experimental study involved using specific plasma diagnostics (Fabry-Perot Interferometry) in order to measure the electric field distribution in the thruster. Measurements were made at the PIVOINE test facility in Orléans. Systematic comparisons between experimental results and simulations allowed us to define more clearly the limits of the model and to improve its predictive ability

The current technological age is embodied by a constant push for increased performance and efficiency of electronic devices. This push is particularly observable for technologies that comprise free electron sources, which are used in various technologies including electronic displays, x-ray sources, telecommunication equipment, and spacecraft propulsion. Performance of these systems can be increased by reducing weight and power consumption, but is often limited by a bulky electron source with a high energy demand. Carbon nanotubes (CNTs) show favorable properties for field electron emission (FE) and performance as electron sources. This dissertation details the developments of a uniquely designed Spindt type CNT field emission array (CFEA), from initial concept to working prototype, to specifically prevent electrical shorting of the gate. The CFEA is patent pending in the United States. Process development enabled fabrication of a CFEA with a yield of up to 82%. Furthermore, a novel oxygen plasma etch process was developed to reverse shorting after CNT synthesis. CFEA testing demonstrates FE with a current density of up to 293 μA/cm² at the anode and 1.68 mA/cm² at the gate, with lifetimes in excess of 100 hours. A detailed analysis of eighty tested CFEAs revealed three distinct types of damage. Surprisingly, about half of the damaged chips are not electrically shorted, indicating that the CFEAs are very robust. Potential applications of this technology as cathodes for spacecraft electric propulsion were explored. Exposure to an operating electric propulsion thruster showed no significant effect or damage to the CFEAs, marking the first experimental study of CNT field emitters in an electric propulsion environment. A second effort in spacecraft propulsion is a collaboration with the Air Force Institute of Technology (AFIT). CFEAs are the payload on an AFIT developed Cube Satellite, called ALICE, to test electron emission in the space environment. ALICE has passed flight tests and is awaiting launch scheduled for 5 December 2013.

Les propulseurs électriques sont de plus en plus utilisés pour des missions de correction de trajectoire des satellites et pourront dans un avenir proche être utilisés pour le transfert d’orbite. Ces propulseurs constituent une excellente alternative aux propulseurs chimiques grâce à leur rendement élevé et une substantielle économie de carburant réalisée par rapport aux propulseurs chimiques. Les propulseurs à effet Hall créent la poussée par l’accélération d’ions positifs de xénon ou de krypton dans un plasma confiné par un champ magnétique. L’objet de ce manuscrit concerne principalement les caractéristiques de l’accélération des ions et des atomes dans un propulseur à effet Hall. Les influences de la largeur du canal de décharge, de la topologie magnétique et de la cathode sur l’efficacité d’accélération des ions sont étudiées. Des pistes d’optimisation de l’architecture du propulseur sont alors proposées qui pourraient être particulièrement avantageuses sur les propulseurs de petite taille, comme l’élargissement du canal et l’augmentation du champ magnétique près des parois du canal. L’influence de la position et du potentiel de la cathode sur la déviation du faisceau ionique est révélée. L’évolution temporelle basse fréquence du champ électrique est mesurée par comptage synchrone de photons et suggère que la température atomique joue un rôle important dans les oscillations basse fréquence de la décharge. Par ailleurs, l’influence du champ magnétique sur les performances d’un propulseur proche des modèles de vol a été mesurée grâce à l’utilisation d’un moteur doté d’une topologie magnétique flexible. Ceci a montré la difficulté de définir un paramètre numérique capable de synthétiser l’information complexe de la répartition spatiale du champ magnétique dans le canal de décharge. Les très faibles modifications des performances par le champ magnétique soulignent l’importance de la précision dans la mesure<br>Electric propulsion systems are more and more often used for trajectory correction of satellites and may soon be used for orbit transfer. These devices represent a great alternative to classic chemical propulsion devices thanks to their high efficiency and propellant mass savings. Hall effect thruster provide thrust by the acceleration of xenon or krypton ions in a magnetized confined plasma. The study presented in this manuscript mainly addresses characteristics of ion and atom acceleration in a Hall effect thruster. Influence of channel width, magnetic topology and cathode parameters on ion acceleration efficiency is investigated. Ways to optimize thruster architecture are suggested that may be particularly relevant for low power thrusters, such as widening thruster channel and increasing magnetic field amplitude near channel walls. Influence of cathode position with respect to the thruster channel exit plane and its potential with respect to ground on ion beam deviation has been revealed with two thrusters. Low frequency time evolution of the accelerating electric field was measured using lock-in photon counting system. Results strongly suggest that the atom temperature plays a crucial role in low frequency time evolution of the whole plasma discharge. Measurement of performances as a function of the magnetic field demonstrated that numeric parameters are compulsory to carry on a relevant parametric study. These parameters would summarize the 2D information of magnetic topology. Weak influence of magnetic topology revealed that thrust measurement precision needs to be increased by at least one order of magnitude if one wants to reach a better understanding of plasma confinement in a Hall effect thruster

Dans ces travaux, nous présentons des méthodes d'optimisation théoriques et numériques pour la conception optimale de circuits magnétiques pour propulseurs à effet Hall. Ces problèmes de conception sont des problèmes inverses très difficiles à résoudre que nous formulons sous forme de problèmes d'optimisation topologique. Les problèmes resultant sont non convexes avec des contraintes aux équations différentielles de Maxwell. Au cours de ces travaux, des approches originales ont été proposées afin de résoudre efficacement ces problèmes d'optimisation topologique. L'approche de densité de matériaux SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui est une variante de la méthode d'homogénéisation a été privilégiées. De plus, les travaux de ma thèse ont permis la mise en place de codes d'optimisation dénommé ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) utilisant en parallèle les logiciels de calculs scientifiques Matlab et d'élément finis FEMM (Finite Element Method Magnetics). Dans ATOP, nous utilisant à la fois des algorithmes d'optimisation locale de type descente basés sur une analyse de la sensibilité du problème et des algorithmes d'optimisation globale principalement de type Branch and Bound basés sur l'Arithmétique des Intervals. ATOP permettra d'optimiser à la fois la forme topologique des circuits magnétiques mais aussi le temps et le coût de production de nouvelles génération de propulseurs électriques<br>In this work, we present theoretical and numerical optimization method for designing magnetic circuits for Hall effect thrusters. These design problems are very difficult inverse ones that we formulate under the form of topology optimization problems. Then, the obtained problems are non convex subject to Maxwell equations like constraints. Some original approaches have been proposed to solve efficiently these topology optimization problems. These approaches are based on the material density model called SIMP approach (Solid Isotropic Material with Penalization) which is a variante of the homogenization method. The results in my thesis allowed to provide optimization source code named ATOP (Algorithm To Optimize Propulsion) unsung in parallel two scientific computing softwares namely Matlab and FEMM (Finite Element Method Magnetics). In ATOP, we use both local optimization algorithms based on sensitivity analysis of the design problem; and global optimization algorithms mainly of type Branch and Bound based on Interval Arithmetic analysis. ATOP will help to optimize both the topological shape of the magnetic circuits and the time and cost of production (design process) of new generations of electrical thrusters

Des années 50 à nos jours, la propulsion électrique n'a cessé d'évoluer afin de s'imposer dans le domaine de la propulsion spatiale. Les Propulseurs à effet Hall (PEH) sont principalement utilisés pour des missions de correction de trajectoire ou de maintien en orbite des satellites. Ils délivrent des faisceaux d'ions à forte densité de courant et à faible énergie, ce qui en font de bons candidats potentiels pour d'autres applications comme la microélectronique ou encore les traitements de surfaces. Le xénon est l'ergol le plus utilisé en raison de sa masse élevée et de son faible énergie d'ionisation. Cependant son coût élevé et la difficulté d’approvisionnement motivent la recherche d'alternatives pour le fonctionnement des MEH. C'est dans ce cadre que cette thèse s'est inscrite avec l'idée d'un développement d'une source de faible puissance fonctionnelle en argon. L'amorçage d'une telle décharge n'étant pas immédiat, une démarche progressive qui passe par des décharges de mélange de gaz a été adoptée. Les décharges Xe-Ar se sont révélées très intéressantes pour la compréhension des mécanismes physiques qui régissent les PEH. La caractérisation en vitesse des ions Xe II (par Fluorescence Induite par Laser) associée à l'analyse en énergie par RPA a permis de remonter à des informations utiles sur les zones d'ionisation et d'accélération. Une technique originale de résolution temporelle du RPA basée sur une interruption rapide de la décharge ou sur les oscillations naturelles du courant de décharge, a été développée et a permis l'identification et la quantification des différentes espèces présentes dans le jet d'ions. Grâce aux résultats de l'étude paramétrique des décharges de mélange Xe-Ar, une décharge d'argon pur a pu être amorcée et caractérisée pour la première fois dans un PEH de faible puissance<br>Since the 50s, electric propulsion has improved in order to establish itself on space propulsion field. The Hall Effect Thruster (HET) are mainly used for trajectory correction or satellites orbit maintaining. The HET provide high current densities and low energy ion beam that making it a good candidate for other applications such as microelectronics or surface treatments. Xenon propellant is most commonly used due to its high atomic mass and its low ionization energy. However, the high cost and difficult supply of xenon, leads to looking for alternative propellant for HET operation. In this context, this PhD thesis had as goal the development of a functional Argon low power source. Argon discharge ignition is not immediate, that why a progressive approach which involves gas mixture discharges was adopted. The Xe-Ar discharge gives very interesting results for the understanding of physical mechanisms governing HET. The characterization of Xe II ions velocity (Laser Induced Fluorescence) associated to the energy analysis by RPA have provided access to useful information on ionization and acceleration areas. An original time resolved RPA technique, based on an ultra-fast discharge interruption or on the discharge current oscillations, has been developed. This technique allows the identification and the quantification of different species present in the ion beam. Thanks to the discharge Xe-Ar study, a pure argon discharge could be initiated and characterized for the first time in a low power HET

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Computation for Design and Optimization Program, 2007.<br>Includes bibliographical references (p. 173-177).<br>In recent years, many groups have numerically modeled the near-anode region of a Hall thruster in attempts to better understand the associated physics of thruster operation. Originally, simulations assumed a continuum approximation for electrons and used magnetohydrodynamic fluid equations to model the significant processes. While these codes were computationally efficient, their applicability to non-equilibrated regions of the thruster, such as wall sheaths, was limited, and their accuracy was predicated upon the notion that the energy distributions of the various species remained Maxwellian at all times. The next generation of simulations used the fully-kinetic particle-in-cell (PIC) model. Although much more computationally expensive than the fluid codes, the full-PIC codes allowed for non-equilibrated thruster regions and did not rely on Maxwellian distributions. However, these simulations suffered for two main reasons. First, due to the high computational cost, fine meshing near boundaries which would have been required to properly resolve wall sheaths was often not attempted. Second, PIC is inherently a statistically noisy method and often the extreme tails of energy distributions would not be adequately sampled due to high energy particle dissipation. The current work initiates a third generation of Hall thruster simulation. A PIC-Vlasov hybrid model was implemented utilizing adaptive meshing techniques to enable automatically scalable resolution of fine structures during the simulation. The code retained the accuracy and versatility of a PIC simulation while intermittently recalculating and smoothing particle distribution functions within individual cells to ensure full velocity space coverage. A non-Monte Carlo collision technique was also implemented to reduce statistical noise.<br>(cont.) This thesis details the implementation and thorough benchmarking of that new simulation. The work was conducted with the aid of Delta Search Labs' supercomputing facility and technical expertise. The simulation was fully-parallelized using MPI and tested on a 128 processor SGI Origin machine. We gratefully acknowledge that funding for portions of this work has been provided by the United States Air Force Research Laboratory and the National Science Foundation.<br>by Justin M. Fox.<br>S.M.

Alors que les applications spatiales prennent une place de plus en plus cruciale dans nos vies, les coûts d'opération des satellites doivent être réduits. Ceci peut être obtenu par l'utilisation de systèmes de propulsion électriques, plus efficients que leurs homologues chimiques traditionnellement utilisés. Une des technologies de propulsion électrique la plus performante et la plus utilisée est le propulseur à effet Hall, toutefois ce système reste complexe et peu compris. En effet de nombreuses questions, concernant le transport anormal des électrons ou les interactions plasma/paroi, sont encore ouvertes.Les réponses à ces questions sont basées sur des mécanismes cinétiques et donc ne peuvent être résolues par des modèles fluides. De plus les caractéristiques géométriques et temporelles de ces mécanismes les rendent difficilement observables expérimentalement. Par conséquent nous avons, pour répondre à ces questions, développé un code cinétique bi-dimensionnel.Grâce à un modèle simplifié de propulseur à effet Hall, nous avons observé l'importance de l'instabilité de dérive électronique pour le transport anormal. Ensuite en utilisant un modèle réaliste de propulseur, nous avons pu étudier les effets des interactions plasma/paroi sur la décharge plasma. Nous avons également pu quantifier les effets intriqués des émissions électroniques secondaires et de l'instabilité de dérive sur le transport anormal. Par une étude paramétrique sur les émissions électroniques secondaires, nous avons pu identifier trois régimes de décharge plasma. Finalement l'impact des ergols alternatifs a pu être étudié en utilisant des processus collisionnels réalistes<br>As space applications are increasingly crucial in our daily life, satellite operating costs need to be decreased. This can be achieved through the use of cost efficient electric propulsion systems. One of the most successful and competitive electric propulsion system is the Hall effect thruster, but this system is characterized by its complexity and remains poorly understood. Indeed some key questions, concerning electron anomalous transport or plasma/wall interactions, are still to be answered.Answers to both questions are based on kinetic mechanisms, and thus cannot be solved with fluid models. Furthermore the temporal and geometrical scales of these mechanisms make them difficult to be experimentally measured. Consequently we chose, in order to answer those questions, to develop a bi-dimensional fully kinetic simulation tool.Using a simplified simulation of the Hall effect thruster, we observed the importance of the azimuthal electron drift instability for anomalous cross-field electron transport. Then, using a realistic model of a Hall effect thruster, we were able to study the effects of plasma/wall interactions on the plasma discharge characteristics, as well as to quantify the coupled effects of secondary electron emission and electron drift instability on the anomalous transport. Through parametric study of secondary electron emission, three plasma discharge regimes were identified. Finally the impact of alternative propellants was studied

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2005.<br>Includes bibliographical references (p. 136-139).<br>MIT's fully kinetic particle-in-cell Hall thruster simulation is adapted for use on parallel clusters of computers. Significant computational savings are thus realized with a predicted linear speed up efficiency for certain large-scale simulations. The MIT PIC code is further enhanced and updated with the accuracy of the potential solver, in particular, investigated in detail. With parallelization complete, the simulation is used for two novel investigations. The first examines the effect of the Hall parameter profile on simulation results. It is concluded that a constant Hall parameter throughout the entire simulation region does not fully capture the correct physics. In fact, it is found empirically that a Hall parameter structure which is instead peaked in the region of the acceleration chamber obtains much better agreement with experiment. These changes are incorporated into the evolving MIT PIC simulation. The second investigation involves the simulation of a high power, central-cathode thruster currently under development. This thruster presents a unique opportunity to study the efficiency of parallelization on a large scale, high power thruster. Through use of this thruster, we also gain the ability to explicitly simulate the cathode since the thruster was designed with an axial cathode configuration.<br>by Justin M. Fox.<br>S.M.

Aujourd’hui les propulseurs à effet Hall ont gagné une position dominante dans le marché des propulseurs électriques spatiales. Ce grand succès est du surtout à leur simplicité de réalisation (par rapport aux autres typologies des propulseurs) et à leur efficacité (par rapport aux propulseurs chimiques traditionnels). Les propulseurs à effet Hall sont aujourd’hui utilisés sur un très grand nombre des plateformes satellitaires (surtout pour les télécommunications). Les composants principales d’un propulseur à effet Hall sont : le circuit magnétique, le canal plasma, l’anode (placé au fond du canal plasma avec injecteur du gaz) et la cathode (placée à l’extérieur du canal plasma). Le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall est basé sur la génération d’un champ électrique axial (généré entre l’anode et la cathode) et d’un champ magnétique radial (perpendiculaires entre eux). Le champ magnétique a le rôle de former une zone de très forte concentration électronique (il emprisonne les électrons générés par la cathode) pour permettre aux atomes neutres du gaz de se ioniser. Le champ électrique a le rôle d’accélérer les ions vers l’extérieur du canal. Cette accélération génère la poussée. Le champ magnétique joue un rôle crucial dans le fonctionnement d’un propulseur à effet Hall. La forme du champ magnétique impacte sur les performances propulsifs et sur l’érosion du propulseurs. La topologie magnétique classique des propulseurs à effet Hall n’a subi presque pas des changements depuis les années de développement de cette technologie parce qu’elle garanti des performances propulsifs assez satisfaisantes. Aujourd’hui, avec les nouvelles exigences propulsifs, il y a une très forte nécessité des moteurs avec une durée de vie plus longue. Des nouvelles topologie magnétique innovante sont proposés aujourd’hui comme par exemple le "Magnetique-Shielding" ou le "Wall-Less" . Ces topologies magnétique bouleverse complètement la topologie magnétique classique (en gardant des performances propulsif satisfaisantes) pour protéger le moteur de l’érosion du plasma. Dans cette thèse une autre approche a été adopté. Nous avons pensé d’utiliser une topologie magnétique classique et de déplacer les parties du circuit magnétique attaquées par l’érosion vers des zones moins dangereuses. Nous avons agit sur la forme du circuit magnétique et pas sur la forme de la topologie magnétique pour garder les même performances propulsifs de la topologie magnétique classique. L’objectif de la thèse était de créer des outils pour le design et l’optimisation des circuits magnétiques des propulseurs à effet Hall. Un algorithme nommé ATOP a été créé dans l’équipe de recherche GREM3 du laboratoire LAPLACE de Toulouse. Cette thèse a contribué à la création de la section d’optimisation paramétrique (ATOPPO) et d’une section d’optimisation topologique basée sur les algorithmes génétiques (ATOPTOga) de l’algorithme ATOP. Les algorithme conçues dans cette thèse permettent d’optimiser des propulseurs existants (en terme de forme, masse et courant) ou de concevoir des nouveaux propulseurs (nécessité de concevoir un nouveau propulseur capable de reproduire une topologie magnétique précise). Les algorithmes développées ont démontrés leur efficacité à travers leur application sur un propulseur réel, le PPS-1350-E® de SAFRAN. Ce propulseur a été optimisé en terme de masse et de courant bobines (minimisation de la masse et du courant bobines). Les algorithmes développés ont démontré donc leur efficacité comme instrument d’optimisation et de design. Ces deux algorithmes ont été utilisé pour le design d’un circuit magnétique innovant qui a comme objectif de réduire l’érosion du moteur. Les résultats de ce processus de design ont amené à la réalisation et à la construction d’un prototype qui possède la même topologie magnétique du propulseur PPS- 1350-E® commercialisé par SAFRAN mais avec une circuit magnétique de forme différente.

Ces dernières années, le nombre de satellites en orbite autour de la Terre a augmenté de manière exponentielle. Grâce à leur faible consommation en carburant, de plus en plus de propulseurs électriques sont utilisés à bord de ces satellites, notamment le propulseur à effet Hall qui est l’un des plus efficaces. De la diversité des applications découle le besoin d’avoir des propulseurs de taille et puissance variables. Cependant, la physique des propulseurs à effet Hall est encore méconnue et les nouveaux designs se font de manière empirique, avec un développement long et coûteux, pour un résultat final limité. Pour pallier ce problème, des codes de simulation peuvent être utilisés mais une meilleure compréhension des phénomènes clés est alors nécessaire, plus particulièrement du transport anormal des électrons qui doit être pris en compte de manière auto-consistante pour pouvoir capturer totalement le comportement de la décharge. Ce transport étant relié à l’instabilité azimutale de dérive électronique, un code 2D particulaire existant a été amélioré pour pouvoir simuler cette direction azimutale mais aussi la direction axiale. Avant d’analyser le comportement de la décharge, ce code a été vérifié sur un cas de benchmark, avec 6 autres codes particulaires développés par différents groupes de recherches internationaux. Ce cas simplifié a été ensuite utilisé pour vérifier de manière intensive un développement analytique pour estimer la force de friction électron-ion, qui est le témoin de la contribution des instabilités azimutales sur le transport anormal. Puis, la dynamique des neutres a été rajoutée pour capturer de manière auto-consistante le comportement de la décharge. Une technique artificielle de loi d’échelle a été adoptée, avec une augmentation de la permittivité du vide, pour alléger les contraintes de stabilité du code particulaire et accélérer les simulations. Grâce à une parallélisation du code efficace, ce facteur artificiel a été réduit de manière significative, se rapprochant ainsi d’un cas proche de la réalité. La force de friction électron-ion a été observée comme étant celle qui contribuait le plus au transport anormal durant les oscillation basse-fréquence du mode de respiration. Pour finir, l’interaction complexe entre le mode de respiration, l’instabilité de transit des ions et l’instabilité de dérive électronique a aussi été étudiée, avec la formation de structures azimutales à grande longueur d’onde, associées à un plus grand transport anormal<br>In the last decade, the number of satellites orbiting around Earth has grown exponentially. Thanks to their low propellant consumption, more and more electric thrusters are now used aboard these satellites, with the Hall thrusters being one of the most efficient. From the diversity of applications stems the need of widening the thruster power capabilities. However, due to a lack of knowledge on Hall thruster physics, this scaling is currently done empirically, which limits the efficiency of the newly developed thrusters and increases the development time and cost. To overcome this issue, numerical models can be used but a deeper understanding on key phenomena is still needed, more specifically on the electron anomalous transport which should be self-consistently accounted for to properly capture the discharge behaviour.As this transport is related to the azimuthal electron drift instability, an existing 2D Particle-In-Cell code was further developed to simulate this azimuthal direction along with the axial direction in which the ions are accelerated, producing the thrust. Prior to analyse the discharge behaviour, this code has been verified on a benchmark case, with 6 other PIC codes developed in different international research groups. This simplified case was later used to stress-test previous analytical developments to approximate the instability-enhanced electron-ion friction force which represents the contribution of the azimuthal instabilities to the anomalous transport. Then, the neutral dynamics has been included to capture the full self-consistent behaviour of the discharge. We used an artificial scaling technique, increasing the vacuum permittivity, to relax the PIC stability constraints and speed-up the simulations. Thanks to an efficient code parallelisation, we managed to reduce this scaling factor to a small value, hence simulating a case close to reality. The electron-ion friction force was found to be the main contributor to the anomalous transport throughout the whole low-frequency breathing mode oscillations. Finally, the complex interaction between the breathing mode, the ion-transit time instabilities and the azimuthal electron drift instabilities has been studied, with the formation of long-wavelength structures associated with an enhanced anomalous transport

This work focuses on improving the thrust-to-power ratio of Hall effect thrusters using in-channel electrodes to reduce ion-wall neutralization and focus the ion beam. A higher thrust-to-power ratio would give Hall thrusters increased thrust with the limited power available on spacecraft. A T-220HT Hall thruster is modified in this work to include a pair of ring electrodes within inside the discharge channel. The electrodes are biased above anode potential to repel ions from the walls and toward the channel centerline. Theoretical analysis of ion loss factors indicate that ion-wall neutralizations remove almost 13% of the total ions produced. Reduced wall losses could significantly improve the thruster performance without increased discharge power or propellant consumption. The thruster performance, plume ion characteristics, and internal plasma contours are experimentally measured. The plume and internal plasma measurements are important to determine the cause of the performance changes. The thruster is tested in three conditions: no electrode bias, low bias (10 V), and high bias (30 V). The performance measurements show the electrodes do indeed improve the thrust and thrust-to-power ratio, the latter only at the low bias level. Adding bias increases the ion density and decreases the plume angle compared to the no bias case. The plume measurements indicate that the performance improvements at low bias are due to increased ion number density as opposed to increased ion energy. The increased ion density is attributed to reduced wall losses, not increased ionization. The in-channel measurements support this due to little change in the acceleration potential or the electron temperature. At the high bias level, a drop in thrust-to-power ratio is seen, even though a larger increase in thrust is observed. This is due to increased power draw by the electrodes. Plume measurements reveal the increased thrust is due to ion acceleration. The internal measurements show increased acceleration potential and electron energy which can lead to increased ionization. At the high bias condition, the electrodes become the dominant positive terminal in the thruster circuit. This causes the increased ion acceleration and the creation of domed potential contours that conform to the near-wall cusp-magnetic fields. The domed contours produce focused electric fields, which cause the decreased wall losses and plume angle.

Thesis (S.M.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Aeronautics and Astronautics, 2004.<br>Includes bibliographical references (p. 77-79).<br>The fully kinetic Hall Thruster simulation built by [1] and used by [2] is further refined and used to obtain results for the P5 SPT Hall thruster at 3kw and 5kw operation. Performance data agree well with experiments [3], although very low values of anomalous diffusivity must be used for convergence. Particle temperatures and plasma potentials in the chamber are similar to experimental results, although charged particles and peak ionization rates are found further upstream than is observed experimentally. Electron transport mechanisms and the magnetic field configuration are analyzed for their physical consistency and effect on particle placement. Electron mobility rates are found to be physical although the reason for high Hall parameter is still unclear. Strong magnetic mirror effects, that are not reported in experimental data, are found in the simulation. Meanwhile, two sputtering models are added to the simulation and tested. A yield model based on [4]'s theories and implemented with [5]'s functions is found to agree well with experimental yield data for 300eV to 1000eV sources, but produces small yields at thruster operating conditions.<br>by Kay Ueda Sullivan.<br>S.M.

Les oscillations dans le plasma d'un propulseur à effet Hall sont susceptibles de provoquer le transport anormal à travers des lignes du champ magnétique. La théorie cinétique linéaire montre qu'en particulier certaines oscillations, de fréquence de l'ordre du mégahertz et de longueur d'onde millimétrique, peuvent jouer un rôle important dans le transport anormal. Les échelles caractéristiques de ces fluctuations ne sont pas détectables par des outils standards comme les sondes. Ce travail décrit pour la première fois l'utilisation d'un diagnostic de diffusion collective (PRAXIS) conçu pour l'étude du plasma du propulseur, qui a mené à l'identification des modes instables dans le plasma. Deux modes hautes fréquences ont été identifiés, se propageant dans les directions azimutale et axiale, avec des longueurs d'onde millimétriques et des fréquences de l'ordre du mégahertz. Les directions de propagation et les ouvertures angulaires de ces modes ont été déterminées. Le mode azimutal, identifié dans la théorie comme agent principal du transport, possède des composantes anti-parallèles au champ magnétique et parallèles au champ électrique et se propage dans une ouverture angulaire très restreinte. Le mode axial montre des caractéristiques liées à la vitesse et la divergence du faisceau d'ions. Le niveau de fluctuation de la densité est associé à une grande amplitude du champ électrique fluctuant. Les résultats des expériences sont en accord avec les prévisions théoriques et apportent de nouvelles informations, permettant ainsi d'améliorer et de développer des modèles pour les deux modes<br>Anomalous electron transport across magnetic field lines in the Hall thruster plasma is believed to be due in part to plasma oscillations. Oscillations of frequencies on the order of a few megahertz and of wavelengths on the order of a millimeter have been shown to be likely to lead to transport. Measurements of fluctuations at these length scales is, however, beyond the reach of conventional thruster diagnostics such as probes. This work describes the first application of a specially-designed collective light scattering diagnostic (PRAXIS) to the measurement of electron density fluctuations and the subsequent identification of unstable modes in the thruster plasma. Two main high frequency modes are identified, propagating azimuthally and axially, of millimetric length scales and megahertz frequencies. The propagation directions and angular openings of the modes are determined. The azimuthallypropagating mode, believed to be responsible for transport, is shown to have wave vector components antiparallel to the magnetic field and parallel to the electric field, and to propagate within an extremely limited region. The axially-propagating mode is shown to have features closely related to the ion beam velocity and divergence. The electron density fluctuation level is calculated and is associated with a high electric field amplitude. The experiments, confirming a number of predictions arising from linear kinetic theory, also provide much additional information permitting the improvement and development of models for both modes

Les propulseurs de Hall sont l’une des techniques de propulsion fusée par plasma les plus utilisés. Ils possèdent une impulsion spécifique moyenne et un haut rapport poussé sur puissance qui les rend idéal pour une grande partie des applications commerciales et scientifiques. Une de leurs limitations principales est l’érosion des parois du propulseur par le plasma qui réduit leur durée de vie. La topologie dite “d’écrantage magnétique” est une solution proposée pour prolonger cette durée de vie. Elle est ici appliquée à un petit propulseur de Hall de 200W. Dans cette thèse les règles de mise à l’échelle pour les propulseurs de Hall de la gamme de 100 à 200W sont testées expérimentalement. Un propulseur écranté de 200W est comparé avec un propulseur standard similaire. Le comportement des ions dans ces deux moteurs est extrêmement différent. Des mesures de performance ont été réalisées avec des parois en BN-SiO2 et graphite. Le courant de décharge augmente de 25% avec le graphite dans le propulseur non-écranté. Le résultat et un rendement maximum de 38% avec le nitrure de bore mais de seulement 31% pour le graphite. Le propulseur écranté quant à lui n’atteint que 25% de rendement quel que soit le matériau.Cette baisse de performance dans les petits moteurs écrantés peut être attribuée à un mauvais rendement d’utilisation de l’ergol. Analyses des résultats expérimentaux ainsi que la conduite de simulations suggèrent que cela est dû au fait que la zone d’ionisation ne couvre pas l’ensemble du canal de décharge. Un nouveau design pour un petit propulseur de Hall écranté est proposé<br>Hall thrusters are one of the most used rocket electric propulsion technology. They combine moderate specific impulse with high thrust to power ratio which makes them ideal for a wide range of practical commercial and scientific applications. One of their limitations is the erosion of the thruster walls which reduces their lifespan.The magnetic shielding topology is a proposed solution to prolong the lifespan. It is implemented on a small200W Hall thruster.In this thesis the scaling of classical unshielded Hall thrusters down to 200 and 100W is discussed. A 200W low power magnetically shielded Hall thruster is compared with an identically sized unshielded one. The ion behavior inside the thruster is measured and significant differences are found across the discharge channel.Both thrusters are tested with classical BN-SiO2 and graphite walls. The magnetically shielded thruster is not sensitive to the material change while the discharge current increase by 25% in the unshielded one. The result is a maximum efficiency of 38% for boron nitride in the unshielded thruster but only 31% with graphite.The shielded thruster achieves a significantly lower efficiency with only 25% efficiency with both materials.Analysis of the experimental results as well as simulations of the thrusters reveal that the performance difference is mostly caused by low propellant utilization. This low propellant utilization comes from the fact that the ionization region doesn’t cover all of the discharge channel. A new magnetically shielded thruster is designed to solve this issue

In the last 30 years, numerical models have been developed to properly analyze Hall eect thrusters (HET),leading to a bridge between analytical prediction/empirical intuition and experiments. For companies in thespace sector, these codes serve to much more than simply simulating the thruster, but it provides a fast, cheapand reliable tool for processes such as validation and verication procedures, as well as for technical developmentof the thruster. During the testing of the thruster, mostly measurements upstream from the thruster exhaustare obtained since the high density plasma inside the channel disturbs any measurement inside the channel. Thisresults in the company knowing about the output of the thruster performance, but having little knowledge aboutthe processes and behavior of the thruster itself. The purpose of this study is to help reduce the uncertainty,using existing software to eectively analyze and understand HETs. Because of the physical nature of theproblem, HET simulations follow a multi-scale approach where the thruster is divided into two regions: insidechannel/near-plume region and far-plume region. To study each zone dierent softwares are typically used.This thesis aims to nd a common ground between both software, coupling them and creating a line of analysisto follow when studying HETs.The present thesis will focus on the analysis of the famous SPT-100. The design of this work can be divided intotwo: an hybrid-PIC simulation with a software focusing on the inside channel and near-plume region, Hallis; andanother hybrid-PIC simulation regarding the plasma plume expansion performed with SPIS-EP. During thisproject both software were mastered. Hallis is investigated, emphasizing the empirical modelling of the electronanomalous transport inside the thruster and its consequences on the output results. A sensitivity analysis isperformed to obtain a good set of the empirical parameters that drive the overall performance of the thrusterand the plasma behavior. Once a good match persist between Hallis and nominal operating conditions, theoutput is used to construct the input injection distributions needed by the plasma expansion software (SPIS).Finally, the plasma plume is simulated and results are compared to in-house experimental data. In this way,one is able to control and understand the nal output directly from the behavior of the thruster. It is importantto mention that due to condentiality reasons, the testing data cannot be fully shown and sometimes only thetrend can be analyzed.As a results of the analysis, it is found that establishing the coupling between softwares is feasible, but Halliscode needs to include some characteristics to fully take advantage of its potential. It is determined that theion denition followed by Hallis is enough to perfectly dene the ion energy distribution as well as generalperformance parameters of the SPT-100 (thrust, ionization eciency, power...), but the poor electron modelgenerates some deviation in the results. SPIS simulations and comparison with testing data suggest that Hallisoutput is not enough to properly match the experimental measurements, especially regarding the ion angledistribution function. According to Hallis, such distribution is too narrow compared to the observed plasmaplume. This problem is found to be caused by the small simulation domain of Hallis. Hence, although couplingof the software is easy, more functionalities of Hallis would allow for a better study and more accurate results.

La propulsion électrique est à un tournant de son histoire. La récente mise en oeuvre de satellites de télécommunication "tout-électrique" se traduit par l’ouverture d’un nouveau marché, et par une évolution des besoins opérationnels. L’identification de ces nouvelles missions nécessite l’amélioration des performances de nos moteurs. La première partie de ces travaux rapporte l’utilisation d’un outil de spectroscopie laser destiné à caractériser la distribution en vitesse des ions. Les différentes méthodes de calcul du champ électrique dans les propulseurs de Hall ont été exposées. Deux instabilités ioniques ont été observées et analysées. Les sources d’erreurs liées aux mesures par sondes électrostatiques ont été analysées, et un exemple de sonde plane étudié. Une analyse paramétrique de l’influence des paramètres de champ magnétique sur les performances des propulseurs de Hall a été conduite. Le concept de moteur "sans parois" est présenté. L’identification de ce concept constitue une avancée porteuse de promesses pour l’avenir de la propulsion électrique<br>Electric propulsion is facing new challenges. Recently, the launch of "all-electric" satellites has marked the debut of a new era. Going all-electric now appears as an interesting alternative to conventional systems for telecom operators. A laser spectroscopy technique was used during this research to investigate the ion velocity distribution dynamics. The different methods for determining the electric field in Hall thrusters were exposed. Two unstable ion regimes were identified and examined. Measurement uncertainties using electrostatic probes were assessed. Planar probed have been designed and tested. A thorough investigation of the influence of the magnetic field parameters on the performance of Hall thrusters was performed. The wall-less Hall thruster design was presented, and preliminary experiments have revealed its interest for the electric propulsion community

La question de la propulsion spatiale a été un enjeu politique au coeur de la guerre froide et reste un enjeu stratégique de nos jours. La technologie chimique déjà en place sur les moteurs fusées s'avère être limitée par la vitesse d'éjection et la durée de vie des appareils. La propulsion électrique et plus particulièrement le moteur à effet Hall apparait ainsi comme la technologie la plus performante et la plus utilisée pour diriger un satellite dans l'espace. Cependant, la physique à l'intérieur d'un propulseur étant complexe, de par les champs électromagnétiques ou les processus de collisions importants, toutes les particularités de fonctionnement du moteur ne sont pas parfaitement expliquées. Au bout de centaines d'heures d'essais, certains prototypes voient leur paroi s'éroder de façon anormale et des instabilités électromagnétiques se développent au sein de la chambre d'ionisation. La mobilité des électrons mesurée est en contradiction avec les modèles analytiques et soulèvent des problématiques sur la physique du plasma à l'intérieur de ces moteurs. Par conséquent, le code AVIP a été développé afin de proposer un code 3D massivement parallèle et non-structuré à Safran Aircraft Engines modélisant le plasma instationnaire à l'intérieur du propulseur. Des méthodes lagrangiennes et eulériennes sont utilisées et intégrées dans le code et mon travail s'est concentré sur le développement d'un modèle fluide, étant plus rapide et donc mieux adapté à la conception et au design industriel. Le modèle fluide est basé sur un modèle aux moments avec une expression rigoureuse des termes de collisions et une description précise des conditions limites pour les gaines. Ce modèle a été implémenté numériquement dans un formalisme non structuré et optimisé de façon à être performant sur les nouvelles architectures de calcul. La modélisation retenue et les efforts d'optimisation ont permis de réaliser un calcul réel de moteur à effet Hall afin de retrouver les propriétés globales de fonctionnement telles que l'accélération des ions ou encore la localisation de la zone d'ionisation. Un second cas d'application a finalement reproduit avec succès les instabilités azimutales dans le propulseur avec un modèle fluide et a justifié le rôle de ces instabilités dans le transport anormal des électrons et l'érosion des parois<br>The space propulsion has been a political issue in the midst of the Cold War and remains nowadays a strategic and industrial issue. The chemical propulsion on rocket engines is limited by its ejection velocity and its lifetime. Electric propulsion and more particularly Hall effect thrusters appear then as the most powerful and used technology for space satellite operation. The physic inside a thruster is complex because of the electromagnetic fields and important collision processes. Therefore, all specificities of the engine operation are not perfectly understood. After hundreds of hours of tests, thruster walls are curiously eroded and electromagnetic instabilities are developping within the ionization chamber. The measured electron mobility is in contradiction with the analytical models and raises issues on the plasma behavior inside the discharg chamber. As a result, the AVIP code was developed to provide a massively parallel and unstructured 3D code to Safran Aircraft Engines modeling unsteady plasma inside the thruster. Lagrangian and Eulerian methods are used and integrated in the solver and my work has focused on the development of a fluid model which is faster and therefore better suited to industrial conception. The model is based on a set of equations for neutrals, ions and electrons without drift-diffusion hypothesis, combined with a Poisson equation to describe the electric potential. A rigorous expression of collision terms and a precise description of the boundary conditions for sheaths have been established. This model has been implemented numerically in an unstructured formalism and optimized to obtain good performances on new computing architectures. The model and the numerical implementation allow us to perform a real Hall effect thruster simulation. Overall operating properties such as the acceleration of the ions or the location of the ionization zone are captured. Finally, a second application has successfully reproduced azimuthal instabilities in the Hall thruster with the fluid model and justified the role of these instabilities in the anomalous electron transport and in theerosion of the walls

Dans un propulseur à courant de Hall, la création des ions et leur accélération sont régis par le même phénomène physique. L'idée du propulseur de Hall double étage (DSHT) est de découpler l'ionisation du gaz (poussée) et l'accélération des ions (ISP), de sorte à rendre le système davantage versatile. Les travaux menés durant cette thèse visent à démontrer, grâce à des essais expérimentaux, la pertinence et la faisabilité d'un tel concept. Dans un premier temps, un prototype de DSHT, baptisé ID-HALL, a été conçu et assemblé. Il est constitué d'une source inductive magnétisée insérée dans un tube en céramique et d'un étage d'accélération identique à une barrière magnétique de propulseur simple étage. La source inductive a été optimisée de sorte à réduire le couplage capacitif et à maximiser l'efficacité du transfert de puissance par ajout de pièces en ferrite et diminution de la fréquence RF d'excitation. Dans un deuxième temps, la source inductive du propulseur a été caractérisée indépendamment du propulseur en argon et xénon pour différentes pressions. Le dispositif expérimental a permis notamment de tracer une cartographie 2D de la densité et de la température. Enfin, le propulseur a été monté dans son caisson et des mesures préliminaires (caractéristiques courant-tension, mesures par sonde RPA) ont été menées. En parallèle, des simulations utilisant un modèle hybride 2D ont été effectuées en mode simple et double étage. Elles mettent en évidence un fonctionnement versatile du moteur pour des tensions inférieures à 150 V. A terme, on visera à démontrer que la densité de courant et l'énergie des ions peuvent être, dans certaines conditions, significativement découplées<br>In Hall thrusters, the same physical phenomenon is used both to generate the plasma and to accelerate ions. Furthermore, only a single operating point is experimentally observed. The double stage Hall thruster (DSHT) design could allow a separate control of ionization (thrust) and ions acceleration (ISP) to make the system more versatile. The work carried out during this PhD aims to experimentally demonstrate the relevance and the feasibility of this concept. Firstly, a new design of DSHT, called ID-HALL, was proposed and a new prototype was built. It combines the concentric cylinder configuration of a single stage Hall thruster with a magnetized inductively coupled RF plasma source (ICP) whose coil is placed inside the inner cylinder. The ICP source was improved in terms of power coupling efficiency by adding ferrite parts and by decreasing the heating RF frequency. The ICP source used in the ID-HALL thruster was then characterized independently of the thruster using argon and xenon and varying pressure. The experimental setup has allowed to measure the spatial variations of the electron density and temperature. Finally, the thruster was mounted in its vacuum chamber and preliminary measures (voltage-current characteristics, RPA measurements) were led. At the same time, simulations using a two-dimensional hybrid model were performed in single and double stage. A versatile operation for voltages lower than 150 V was highlighted. An emphasis will be given to demonstrate that the current density (given by the ion flux probe) and the ions energy (given by the RPA) might be significantly decoupled

Il est bien connu que les plasmas froids magnétisés dans des dispositifs tels que les propulseurs Hall et les sources d'ions montrent souvent l'émergence d'instabilités qui peuvent provoquer des phénomènes de transport anormaux et affecter fortement le fonctionnement du dispositif. Dans cette thèse, nous étudions les possibilités de simuler ces instabilités de manière auto-cohérente par la modélisation fluide. Cela n'a jamais été fait auparavant pour ces conditions de plasma froid, mais cela présente un grand intérêt potentiel pour l'ingénierie. Nous avons utilisé un code fluide quasi-neutre développé au laboratoire LAPLACE, appelé MAGNIS (MAGnetized Ion Source), qui résout un ensemble d'équations fluides pour les électrons et les ions dans un domaine 2D perpendiculaire au champ magnétique. On a constaté que dans de nombreux cas d'intérêt pratique, les simulations MAGNIS produisent des instabilités et des fluctuations du plasma. Un premier objectif de cette thèse est de comprendre l'origine de ces instabilités observées dans MAGNIS et de s'assurer qu'elles sont un résultat physique et non un artefact numérique. Pour ce faire, nous avons effectué une analyse de stabilité linéaire basée sur des relations de dispersion, dont les taux de croissance et les fréquences qui en sont issus analyse ont été comparés avec succès à ceux mesurés dans les simulations de MAGNIS pour des configurations simples et forcés à rester dans un régime linéaire. Nous avons ensuite identifié les principaux modes et mécanismes de ces instabilités (induits par les champs électrique et magnétique, le gradient de densité et l’inertie), connus de la littérature, susceptibles de se produire dans ces simulations de fluides. Par la suite, nous avons simulé l'évolution non-linéaire et la saturation des instabilités et quantifié le transport anormal généré dans différents cas relatifs aux sources d'ions en fonction de divers paramètres clés du système (champs électriques et magnétiques et température des électrons). Enfin, nous avons mis en évidence plusieurs limitations de MAGNIS, et plus généralement de modèles fluides, dues aux approximations physiques (quasi-neutralité, absence d'effets cinétiques). Nous avons montré que les modes fluides sont parfois les plus instables à des échelles infiniment petites où la théorie n'est plus valable et ne peuvent donc être résolues numériquement. Nous avons proposé différentes manières de remédier à ce problème par l’introduction de termes diffusifs inspirés de la physique à petite échelle (non-neutralité, rayon de Larmor), que nous avons ensuite testés dans MAGNIS<br>It is well known from experiments that magnetized low-temperature plasmas in devices such as Hall thrusters and ion sources often show the emergence of instabilities that can cause anomalous transport phenomena and strongly affect the device operation. In this thesis we investigate the possibilities to simulate these instabilities self-consistently by fluid modeling. This is of great potential interest for engineering. We used a quasineutral fluid code developed at the LAPLACE laboratory, called MAGNIS (MAGnetized Ion Source), solving a set of fluid equations for electrons and ions in a 2D domain perpendicular to the magnetic field lines. It was found that in many cases of practical interest, MAGNIS simulations show plasma instabilities and fluctuations. A first goal of this thesis is to understand the origin of the instabilities observed in MAGNIS and make sure that they are a physical result and not numerical artifacts. For this purpose, we carried out a detailed linear stability analysis based on dispersion relations, from which analytical growth rates and frequencies were successfully compared with those measured in MAGNIS simulations for simple configurations forced to remain in a linear regime. We then identified these linear unstable modes and their responsible mechanisms (involving parameters such as the density gradient, electric and magnetic fields and inertia), known from the literature, that are likely to occur in these fluid simulations. Subsequently, we simulated the nonlinear evolution and saturation of the instabilities and quantified the anomalous transport generated in different cases relevant to ion sources, depending on various key parameters of the system (electric and magnetic fields and electron temperature). Finally, we highlighted several limitations of MAGNIS, and more generally of fluid models, due to the physical approximations made (quasineutrality, absence of kinetic effects). We showed that the fluid modes are sometimes most unstable at infinitely small scales for which the theory is no longer valid and which cannot be resolved numerically. We proposed, and tested in MAGNIS, ways to overcome this problem by introducing effective diffusion terms representing small scale processes (non-neutrality, Larmor radius)

L'étude des phénomènes turbulents se développant en sortie du propulseur de Hall est nécessaire pour pouvoir modéliser le transport anormal (par opposition au transport diffusif) des électrons à travers les lignes de champ magnétique. Les relations de dispersion de deux instabilités pouvant être responsables de ce transport ont été mesurées à des échelles millimétriques à l'aide du diagnostic de diffusion collective de la lumière. Ce travail de thèse s'attache à en donner une description aussi bien théorique qu'expérimentale, pierre à l'édifice de la compréhension du transport dans le propulseur. Une instabilité se propageant majoritairement dans la direction azimutale du propulseur y est caractérisée comme étant l'instabilité de dérive électronique ExB et un modèle analytique décrivant la fréquence expérimentale y est dérivé et validé. De plus, le manuscrit présente une méthode de déconvolution du signal de la diffusion collective de la fonction d'appareil pour ce mode. Une fois déconvoluées, les relations de dispersion expérimentales peuvent être ajustées par la fréquence du modèle analytique, ce qui permet de mesurer expérimentalement et de manière originale la température et la densité électronique dans le jet d'ions énergétiques du plasma du propulseur. Enfin, la seconde instabilité, se développant autour de la direction axiale du propulseur, est caractérisée comme l'instabilité double faisceau entre les ions simplement et doublement chargés du plasma<br>The study of turbulent phenomena that grow at the exit plane of the Hall thruster is required to modelize the anomalous transport (in contrast to the diffusion transport) of electrons across the magnetic field lines. The dispersion relations of two instabilities that can be responsible for this transport have been mesured at millimetric scales by mean of the collective light scattering diagnostic. The aim of the thesis is to describe them theoretically as well as experimentally, improving the understanding of the Hall thruster transport. In the thesis, an instability that propagates principally azimuthally is caracterized as the ExB electron drift instability and an analytical model that describes the experimental frequency is derived and validated. In addition, the manuscript presents an original method to unfold the signal of the collective scattering diagnostic from the instrumental function of this mode. Once corrected, the experimental dispersion relations can be adjusted by the frequency given by the analytical model, allowing to measure experimentally and in an original way the electron temperature and density in the energetic ion jet of the Hall thruster plasma. The second instability that is mainly propagating in the axial direction is caracterized as the two-stream instability between the simply and doubly charged ions of the plasma

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<br>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

Dans les propulseurs à effet Hall, l’interaction entre le plasma et les parois en céramique a un impact sur la durée de vie et les performances de ces machines. Ceci est dû en partie à l’émission d’électrons secondaires (EES), capable de refroidir le plasma et peut déclencher de la turbulence et des instabilités. Pour ces raisons, il est nécessaire de comprendre l’interaction plasma-céramique et d’évaluer l’impact de l’EES. Cette étude est destinée principalement à caractériser les gaines plasma faisant face aux céramiques des propulseurs à effet Hall. Celles-ci sont comparées aux gaines d’autres matériaux utilisés en physique des plasmas en précisant l’influence de l’EES. La partie expérimentale de cette étude repose principalement sur le diagnostic de fluorescence induite par laser permettant de sonder les gaines plasmas de manière non-intrusive. La structure des gaines, les variations de la densité ionique et la forme des fonctions de distribution ionique sont présentées et discutées. Il apparaît que la gaine varie d’un matériau à l’autre et que l’EES des céramiques de propulseurs est plus faible que celle des autres céramiques étudiées. Ce dernier résultat est cohérent avec de précédentes études. D’autre part, la densité ionique atteint un maximum près de l’entrée de la gaine, un résultat non prédit par les théories de gaine. Les résultats expérimentaux sont comparés à un modèle de gaine 1D cinétique et à des simulations cinétiques, qui tous deux utilisent des taux d’émission secondaire disponibles dans la littérature. Enfin, la première étape pour la mesure de gaines plasma hautement émissive par fluorescence induite par laser est présentée<br>In Hall-effect ion thrusters, the interaction between the plasma and the ceramic walls has an impact on the devices’ lifetime and performances. This is partially due to the secondary electron emission (SEE), a phenomenon that may cool down the plasma, resulting in a lower ionization rate, and may trigger turbulence and instabilities. For these reasons, it is necessary to understand the plasma-ceramic wall interaction and evaluate the impact of the SEE. This study mainly focuses on plasma sheaths – the fundamental mechanism involved in plasma-wall interaction – standing in front of Hall thrusters’ ceramics. Those sheaths are compared to other materials’ ones used in plasma devices, and the influence of the SEE on them is studied. The experimental part of the study mainly relies on the laser induced fluorescence diagnostic that allows to probe plasma sheaths in a non-intrusive way. The sheaths’ structure, the ion density variations and the ion distribution functions’ shape are presented and discussed. It is shown that the sheath is material dependent and that the thrusters’ ceramics’ SEE is lower than for the other studied ceramics, which is coherent with previous measurements. Also, a peak in the ion density is observed near the sheath entrance, a result not captured by the classical sheath theory. These experimental results are compared with a 1D kinetic sheath model and kinetic simulations that use the SEE yields found in the literature. Finally, the first step of highly emissive plasma sheath measured with laser induced fluorescence is presented

La cathode creuse est un élément clef des propulseurs à plasma. Dans un propulseur à plasma, un gaz propulsif est ionisé dans un canal de décharge puis accéléré hors de celui-ci afin de créer la poussée. Dans le propulseur de Hall en particulier, l'ionisation du gaz est provoquée par l'injection dans le canal de décharge d'un intense courant électronique (de quelques ampères à plus d'une centaine d'ampères). L'élément chargé de fournir le courant électronique de la décharge, la cathode creuse, est crucial dans le fonctionnement du propulseur. Or, celle-ci est souvent idéalisée dans les modèles de propulseur et n'est que rarement étudiée pour sa physique propre. Pourtant, le développement de propulseurs de Hall de haute puissance, destinés à terme à équiper l'ensemble des missions spatiales, requiert la mise au point de cathodes capable de délivrer un fort courant (jusqu'à plus de 100 A) sur des durées de l'ordre de la dizaine de milliers d'heures. Or, la mise au point de nouvelles cathodes s'est révélée difficile en raison de l'absence de modèle susceptible de prédire a priori les performances d'une cathode en fonction de sa conception. On se propose ici de mettre en place un modèle prédictif de cathode creuse capable de retranscrire la physique du fonctionnement de la cathode. L'objectif in fine est bien sûr d'utiliser ce modèle afin de faire le lien entre la conception de la cathode et son fonctionnement dans le but de guider le développement de futures cathodes. On présentera tout d'abord brièvement le contexte d'application des cathodes creuses, et on donnera un rapide aperçu du principe de fonctionnement global de la cathode. Ensuite, après avoir effectué un tour d'horizon des différents modèles numériques de cathode creuse préexistants dans la littérature, on détaillera le modèle de la cathode développé ici, qui incorpore une description fluide du plasma, ainsi que des transferts thermiques aux parois, qui conditionnent en grande partie le bon fonctionnement de la cathode. Un soin particulier sera apporté à la validation des résultats de simulation vis-à-vis des mesures expérimentales disponibles dans la littérature, ce qui nous permettra de perfectionner certains points du modèle afin de mieux traduire la réalité physique. En particulier, une modélisation spécifique de la région de transition entre la décharge interne de la cathode et la plume du propulseur sera réalisée. Ce modèle permettra de mettre en évidence certains phénomènes d'instabilité du plasma spécifiques de cette décharge, qui ont été jusqu'ici observés expérimentalement mais jamais pleinement intégrés aux modèles de cathode creuse. A l'aide du modèle validé, on procèdera à l'analyse physique de l'ensemble des phénomènes qui gouvernent le fonctionnement d'une cathode particulière, la cathode NSTAR développée par la NASA au Jet Propulsion Laboratory. Ensuite, on s'appuiera sur le modèle numérique pour comprendre l'impact sur le fonctionnement de la cathode des choix de conception au travers d'une étude paramétrique autour de la cathode NSTAR. Les tendances dégagées nous permettront de formuler des recommandations quant au développement de cathodes de haute puissance. Enfin, dans le but d'illustrer la versatilité du modèle développé, le comportement d'une cathode creuse employant une géométrie alternative à la cathode NSTAR sera également présenté<br>A hollow cathode is a critical component of plasma thrusters. In a plasma thruster, a propellant gas is ionized in a discharge chamber and accelerated out of it so as to generate thrust. In Hall thrusters in particular, the ionization of the gas is caused by an intense electron current (from a few to hundred amps) which flows through the discharge chamber. The hollow cathode is the device which is responsible for providing the discharge current. This key element is often idealized in thruster numerical models and its physical behavior is rarely studied for its own sake. Yet, developing high power Hall thrusters, designed to propel in the long run every type of space mission, requires new hollow cathodes able to supply an intense electron current (over 100 A) over a duration on the order of ten thousand hours. So far, designing new cathodes proved difficult because of the lack of model capable of predicting the performance of a cathode based on its design. In this work, we build up a predictive model of a hollow cathode capable of simulating the physics relevant to the operation of the cathode. In the end, we aim at using this model to associate design characteristics of the cathode to key aspects of the cathode performance during operation. Our goal with this model is to guide the development of future high power hollow cathodes. We will first briefly describe the range of application of hollow cathodes related to space propulsion. Then we will give a brief account of the working principles of the cathode and we will set the numerical models available in the literature prior to this one out. The numerical model developed in this work will then be described. It includes a fluid treatment of the plasma as well as an account of the heat fluxes to the walls which largely control the performance of the cathode. Simulation results will be thoroughly compared to experimental measurements available in the literature and specific aspects of the model will be refined to match up simulation results with the physical reality. For instance, a model that specifically represents the transition region between the internal plasma of the cathode and the plume of the cathode will be described. This model will enable us to highlight plasma instability phenomena which were so far observed experimentally, yet never properly included in hollow cathode models. Using the model just developed, we will analyze the physics of a particular hollow cathode which has been developed by NASA at the Jet Propulsion Laboratory, the NSTAR hollow cathode. Then, thanks to the numerical model, we will be able to carry out a parametric study revolving around the design of the NSTAR cathode. This will allow us to bring out the influence of the design on the cathode performance and we will eventually express recommendations regarding the design of future high power cathodes. To conclude, the versatility of the numerical model built up here will also be displayed through simulations of the behavior of a hollow cathode based on an alternate geometry

The present thesis is the result of a research period at the Institute of Space and Astronautical Science of the Japanese Aerospace Exploration Agency, ISAS/JAXA within Funaki Laboratory of the Department of Space Flight Systems that followed the path of plume plasma diagnostics for space electric propulsion drives. During the experimental studies two high-current hollow cathodes and an innovative prototype of a low-voltage fully external discharge plasma thruster (XPT) had their plasma plumes diagnosed using electrostatic probes and retarding potential analyser (RPA). A Hall thruster and hollow cathode plume is defined as an unmagnetised quasi-neutral plasma which is mainly formed of neutral particles, electrons, singly and doubly charged ions. Plasma diagnostic techniques provide information through practical observations in order to fully understand the dynamics of the aforementioned plume components, the physical processes taking place within the plume and their effects on the spacecraft, for instance. Mastering these aspects of the plasma plume of space electric propulsion drives bolster the design processes, leading to highly efficient devices. Firstly, the introduction provides insights on the fundamental principles of hollow cathodes and Hall thrusters and a brief presentation of the plasma diagnostic techniques used during the research: single and double Langmuir probes, emissive probes and retarding potential analyser. Then, the fundamental plume diagnostics principles are depicted in an exhaustive way, departing from classical plasma kinetic theory, energy distribution functions and ending with an overview on the theory of charge collection by cylindrical probes. Subsequently, peculiarities of various analysis techniques are exposed for the Langmuir probes, emissive probes and RPA, with an emphasis on their strengths and demerits. The experimental setups for the cathodes and XPT plume diagnostic procedures are then outlined. The experimental logic, setup and electrical diagrams as well as a presentation of each probe design and manufacturing details are extensively discussed. The hollow cathodes experimental results are exposed with a discourse that aims of overviewing the difference between the various data analysis methods applied for the raw data. A discussion ensued based on the results in order to effectively identify mechanisms that produced the observed plasma parameters distributions. For the first time, the plume of a fully external discharge plasma thruster was diagnosed utilising double Langmuir probes.  The thesis highlights the main results obtained for the XPT far-field plume plasma diagnostics. The experimental findings for both thruster centreline positions and 2D plume maps for several axial distances away from the anode plate offer a ground basis for future measurements, a comparison term and a database to support ongoing computational codes. The results are discussed and related to the thruster performances data obtained during previous experiments. The thesis includes consistency analyses between the experimental data and the numerical simulation results and the uncertainties in measured plasma parameters associated with each data analysis procedure are evaluated for each data set. Last, the conclusions underline the main aspects of the research and further work on the previously mentioned plasma diagnostic techniques for hollow cathodes and XPT is suggested.<br>La présente thèse est le résultat d'une période de recherche à l'Institut des Sciences Spatiales et Astronautiques de l'Agence Spatiale Japonaise, ISAS / JAXA qui a suivi la voie des diagnostics du plasma de la plume de propulseurs électriques spatiaux. Au cours des études expérimentales, deux cathodes creuses à fort courant et un prototype innovant d'un propulseur basse tension à décharge externe de plasma (XPT) avaient leurs faisceaux de plasma diagnostiqués en utilisant des sondes électrostatiques et un analyseur à potentiel retardé. La plume d’un propulseur à effet Hall et d’une cathode creuse est définie comme un plasma quasi-neutre non-magnétisé qui est principalement formé de particules neutres, d’électrons, d’ions monovalents et bivalents. Les techniques de diagnostic du plasma fournissent des informations, via des observations pratiques, afin de bien comprendre la dynamique des composants de la plume mentionnés ci-dessus, les processus physiques qui se déroulent dans la plume et leurs effets sur une sonde spatiale, par exemple. La maîtrise de ces aspects du plasma de la plume généré par les propulseurs électriques spatiaux renforce les processus de conception de ce type de propulsion, ce qui conduit à des dispositifs hautement efficaces. Tout d'abord, l'introduction donne un aperçu sur les principes fondamentaux de cathodes creuses et de propulseurs à effet Hall, et une brève présentation des techniques de diagnostic du plasma utilisées lors de la recherche : sondes de Langmuir simples et doubles, des sondes émissives et d’analyseur à potentiel retardé. Ensuite, les principes fondamentaux de diagnostic de la plume sont représentés de manière exhaustive, d’abord la théorie cinétique classique du plasma, les fonctions de distribution en énergie et pour terminer une vue d'ensemble de la théorie de la collecte de charge par des sondes cylindriques. Par la suite, les particularités des diverses techniques d'analyse sont exposées pour les sondes de Langmuir, les sondes émissives et RPA, en mettant l'accent sur leurs avantages et leurs inconvénients. Les montages expérimentaux pour les procédures de diagnostic de la plume-plasma de cathodes et du XPT sont ensuite décrits. La logique expérimentale, les schémas électriques ainsi qu'une présentation de la conception et de la fabrication de chaque sonde sont largement discutés. Les résultats expérimentaux pour les cathodes creuses sont exposés de façon à présenter la différence entre plusieurs méthodes d'analyse de données appliquées aux données brutes. Une discussion s’ensuit, basée sur les résultats afin d'identifier efficacement les mécanismes qui ont produits les propriétés électroniques observées. Pour la première fois, la plume d'un propulseur à décharge externe de plasma a été diagnostiquée en utilisant des sondes de Langmuir doubles. La thèse met en évidence les principaux résultats obtenus pour le diagnostic en champ lointain de la plume-plasma du XPT. Les résultats expérimentaux pour les positions sur l'axe du propulseur et le cartes 2D de la plume pour plusieurs distances axiales loin de l’anode offrent une base pour de futures mesures, un terme de comparaison et une base de données pour appuyer les codes numériques. Les résultats sont discutés et sont rapportés aux données de performances du propulseur obtenus lors des essais précédents. La thèse comprend des analyses de la cohérence entre les données expérimentales et les résultats de simulation numérique, et les incertitudes des paramètres mesurés du plasma associées à chaque procédure d'analyse des données sont évaluées pour chaque ensemble de données. Enfin, les conclusions soulignent les principaux aspects de la recherche et une poursuite des travaux sur les techniques de diagnostic de plasma pour les cathodes creuses et le XPT est suggérée.