Charakterisierung von Neutralgasdichten im Freistrahl und in der Entladungskammer eines Ionentriebwerks durch Zwei-Photonen laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie

• Antragsteller: Dr.-Ing. Christoph Eichhorn
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252723394

Die Erfassung der Eigenschaften neutraler Spezies in Niedertemperaturplasmen ist eine besondere Herausforderung für die Plasmadiagnostik. Die Zwei-Photonen laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie stellt hier eine ausgewiesene Methode zur Bestimmung atomarer oder molekularer Grundzustandsdichten in Plasmen dar, ohne dass Anregungswellenlängen im VUV-Bereich benötigt werden. Im Gegensatz zur Plasmadiagnostik an leichten Atomen wie H, N oder O wurde diese Methode in der quantitativen Untersuchung von Plasmen schwerer Edelgase wie Kr und Xe bislang eher selten angewendet.Für den Betrieb von Ionenquellen besitzen Edelgase eine große Bedeutung als Prozessgase bei Schichtabscheidungsprozessen oder der Modifikation von Oberflächen in terrestrischen Anwendungsgebieten. Darüber hinaus, aus raumfahrttechnologischer Sicht, wird insbesondere Xenon als Treibstoffspezies elektrischer Weltraumantriebe, vorwiegend für Gitterionen- und Hallionentriebwerke, eingesetzt. Die Charakterisierung des erzeugten Freistrahls sowie der Plasmaparameter in der Entladungskammer ist unerlässlich für das Verständnis physikalischer Phänomene, etwa in Zusammenhang mit Ladungsaustauschreaktionen sowie für die Optimierung dieser Triebwerke.Neutralteilchenspezies treten in Triebwerksplasmen aufgrund unvollständiger Ionisation in der Entladungskammer, als Bestandteil der Neutralisatorströmung im Freistrahl, sowie als Hintergrundgas in Bodentestanlagen auf. Insbesondere Ladungsaustauschreaktionen zwischen schnellen Ionen und langsamen Neutralgasatomen können negative Folgeerscheinungen wie die durch Sputterprozesse bedingte Erosion wichtiger Triebwerkskomponenten bewirken. Plasmadiagnostische Untersuchungen basierend auf der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie zur quantitativen Analyse der Dichte von Neutralgasatomen sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse, da sich deren Charakterisierung den gängigen verfügbaren Verfahren, wie bspw. Faraday-, Langmuir- oder ExB- bzw. RPA-Sondenmesstechniken, aufgrund der fehlenden elektrischen Ladung entzieht.Innerhalb des vorgeschlagenen Projekts soll die Zwei-Photonen laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie zur Bestimmung lokaler Grundzustandsdichten neutralen Xenons im Freistrahl eines Ionentriebwerks angewendet werden. Aus den gemessenen Dichteverteilungen sollen Rückschlüsse auf die durch Ladungsaustausch gebildete Neutralteilchenspezies erfolgen. Für geeignete Testbedingungen soll der Anteil schneller Neutralteilchen durch die Dopplerverschiebung der Absorptionswellenlänge direkt gemessen werden. Mit der Installation geeigneter optischer Zugänge werden die Messungen auf die Entladungskammer des Triebwerks ausgedehnt, wo die Kenntnis von Neutralgasverteilungen eine wichtige Möglichkeit der Validierung numerischer Simulationen der Entladung liefert. Zusätzlich werden Entladungsbedingungen der Ionenquelle mit Krypton als Betriebsgas quantitativ untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen