Characterization of neutral gas densities in the plume and the discharge chamber of an ion thruster using two-photon absorption laser induced fluorescence spectroscopy
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Final Report Abstract
Elektrische Weltraumantriebe gewinnen mehr und mehr an Einfluss bei der Auslegung sowohl kommerzieller als auch wissenschaftlicher Raumfahrtunternehmungen. Jüngste Beispiele hierfür sind der Start der europäischen Merkursonde BepiColombo, welche mit vier Gitterionentriebwerken ausgestattet ist, sowie der Trend zu sogenannten „all-electric propulsion satellites“, wie dem von der Firma Boeing erstmalig realisierten und 2015 gestarteten Kommunikationsstelliten ABS-3A. Da elektrische Antriebssysteme aufgrund ihres vergleichsweise geringen Schublevels für lange Operationszeiten von oft mehreren Jahren ausgelegt werden müssen, sind die notwendigen Nachweise der Lebensdauern ihrer Komponenten sehr zeit- und kostenintensiv. Bei Gitterionentriebwerken ist insbesondere die Erosion des Gittersystems ein die Lebensdauer begrenzender Faktor. Eine erosionsbedingte, kontinuierlich voranschreitende Lochaufweitung etwa des Beschleunigungsgitters führt, bei konstantem Schublevel, zunächst zu einer stetigen Veränderung der erforderlichen, einzukoppelnden Leistung, sowie schlussendlich zum irreversiblen Bruch des Gitters. Maßgeblich verantwortlich für den Erosionsprozess sind Ladungsaustauschreaktionen im Gitterbereich zwischen den beschleunigten Primärionen und den aufgrund der limitierten Ionisationseffizienz austretenden Neutralteilchen. Hierbei entsteht eine Fraktion langsamer Sekundärionen, welche, begünstigt durch die elektrische Feldverteilung, auf das Beschleunigungsgitter gelenkt und dessen Oberfläche zerstäuben können. Für die quantitative Erfassung solcher Prozesse ist die experimentelle Bestimmung von Neutralteilchendichten daher von besonderem Interesse. Innerhalb dieses Projekts wurden lokale Teilchendichten neutralen Xenons und neutralen Kryptons im Freistrahl eines Ionentriebwerks unter Anwendung der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (engl. TALIF) gemessen. Diese Untersuchungen sind anspruchsvoll vor allem aufgrund der kleinen Teilchendichten, wie sie im Freistrahl vorliegen, und erfordern, für die hier unumgänglichen großräumigen experimentellen Versuchsgeometrien, in vielen Fällen die Akkumulierung mehrerer hundert Einzelpulse. Es wurde gezeigt, dass die Charakterisierung des Freistrahls eines Gitterionentriebwerks hinsichtlich radialer und axialer Neutralgasverteilungen, sowie die Veränderung von Neutraldichten unter Variation der in die Entladungskammer eingekoppelten Leistung (d. h. Änderung der Masseneffizienz) sowohl für Xenon als auch für Krypton möglich ist. Es wurden hierzu quantitative Messungen vorgelegt. Darüber hinaus wurden erfolgreiche TALIF Messungen in Xenon innerhalb der Entladungskammer einer Gitterionenquelle durchgeführt. In der Entladungskammer sind Neutraldichten eng mit der Kinetik von Ionisations- und Transportprozessen verbunden, und ein kritischer Parameter zur Beurteilung von Verlusten der Plasmabildung („discharge loss“). Die hier dargelegten Arbeiten ebnen den Weg für Untersuchungen der Neutraldichte des besonders interessanten Nah- und Zwischengitterbereichs, welcher z. B. durch eine frontale Fokussierung des Laserstrahls auf ein Gitterloch erreicht werden kann. Sie können Beiträge zum Verständnis von durch Ladungsaustausch bedingten Erosionsraten liefern und demonstrieren weiterhin eine Technik, mit der auch die Entladungskammer plasmadiagnostischen Untersuchungen von Neutralgasdichten zugängig gemacht werden kann.
Publications
- Laser-Induced Fluorescence in the Plume of a Radiofrequency Ion Thruster: Measurements and Excitation Schemes, AIAA Propulsion and Energy Forum, Indianapolis, USA, Paper AIAA- 2019-4168, 2019
Eichhorn, C., Scholze, F., Bundesmann, C., Spemann, D., Neumann, H., Leiter, H.
(See online at https://doi.org/10.2514/6.2019-4168) - Two-Photon Laser-Induced Fluorescence Diagnostics of a Radiofrequency Ion Thruster: Measurements in Xenon and Krypton, 36th International Electric Propulsion Conference, Wien, IEPC Paper-2019-503, 2019
Eichhorn, C., Scholze, F., Bundesmann, C., Spemann, D., Neumann, H., Leiter, H.
(See online at https://doi.org/10.2514/1.B37487) - Two-Photon Laser-Induced Fluorescence in a Radiofrequency Ion Thruster Plume in Krypton, Journal of Propulsion and Power 35 (2019) 1175-1178
Eichhorn, C., Scholze, F., Bundesmann, C., Spemann, D., Neumann, H., Leiter, H.
(See online at https://doi.org/10.2514/1.B37487)
