Dans un propulseur à courant de Hall, la création des ions et leur accélération sont régis par le même phénomène physique. De plus, on observe expérimentalement que le moteur présente un seul point de fonctionnement optimal. 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, une étude bibliographique sur les précédentes tentatives de mettre au point un DSHT a été réalisée. Ce travail a mis en exergue trois éléments de conclusion. La source d’ions doit assurer une densité de plasma supérieure à 1012 cm-3, être proche de la région d’extraction et les pertes d’ions aux parois doivent être minimisées.
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. Le circuit magnétique, constitué de couronnes d’aimants et de pièces en ferromagnétiques, a été dimensionné selon les conclusions issues de l’étude bibliographique. La source inductive a été optimisée en termes d’efficacité de transfert de puissance par ajout de pièces en ferrite et diminution de la fréquence RF d’excitation.
Un travail sur les diagnostics a été mené en vue de la caractérisation de la source inductive. Une sonde capacitive a été construite pour mesurer les oscillations RF du potentiel plasma. Des sondes électrostatiques permettant de déterminer entre autres la densité et la température électronique du plasma ont été développées. Une étude particulière a été menée sur les méthodes d’exploitation des données adaptées à l’environnement magnétisé de la décharge.
Une source d’ionisation préliminaire, à aimant central, a été construite et caractérisée en pression (1 ; 10 mTorr), en puissance (75 ; 200 W) et pour différentes intensités de champ magnétique, de sorte à mieux appréhender la physique particulière de cette décharge. La source inductive du propulseur a ensuite été caractérisée indépendamment du propulseur en argon et xénon pour différente pressions. Le dispositif expérimental a permis notamment de tracer une cartographie 2D de la densité et température. Un modèle 0D de la décharge a été développés et les valeurs globales calculées sont en concordance avec les données expérimentales.
Un modèle 2D hybride, développé au laboratoire, a été adapté à la configuration du propulseur ID-HALL. Des premières simulations ont été effectuées en mode simple ou double étage. Elles mettent évidence un fonctionnement versatile du moteur pour des tensions inférieures à 150V, c’est-à-dire adaptées à des gaz légers comme l’argon. En parallèle, le propulseur a été monté dans son caisson et des mesures préliminaires (température, caractéristique courant-tension) ont été menées. A terme, on visera à démontrer que la densité de courant (mesurée par sonde de flux ionique) et l’énergie des ions (mesurée par RPA) peuvent être, dans certaines conditions, significativement découplées.
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In Hall thrusters, the same physical phenomenon is used both to generate the plasma and to extract and 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.
First, a bibliographic study concerning the previous attempts at developing a DSHT was done, leading to three points of conclusion. The ion source must provide a plasma density higher than 1012 cm-3, be close to acceleration region and the ion losses to the wall have to be minimized.
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 magnetic circuit, made of magnet rings and ferromagnetic parts, was designed according the conclusions drawn from the bibliographic review. The ICP source was improved in terms of power coupling efficiency by adding ferrite parts and by decreasing the heating RF frequency.
Some diagnostics were developed for the purpose of characterizing the ICP ion source. A capacitive probe was built in order to measure the RF fluctuations of the plasma potential. Electrostatic probes aiming to measure the electron densities and temperature were designed. A specific study was conducted to find the best data processing methods regarding the magnetic configuration of this discharge.
A preliminary ionization source with central magnet was built and characterized by varying pressure (1 ; 10 mTorr), power (75 ; 200 W) and magnetic field intensity in order to improve our understanding of this discharge physics. 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. A 0D model of the discharge was designed and the computed global parameters are consistent with experimental measurements.
A laboratory made two-dimensional hybrid model was adapted to the ID-HALL thruster configuration. First simulations were performed in single and double stage. A versatile operation for voltages lower than 150V was highlighted. At the same time, the thruster was mounted in its vacuum chamber and preliminary measures (operating temperature, voltage-current characteristic) were made. A particular 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.
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