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Thèse de Lara Popelier le 12 novembre à 14h

Soutenance : amphi Becquerel à l’Ecole Polytechnique à Palaiseau

Titre  : Développement du propulseur PEGASES : source inductive à haute performance et accélération successive de faisceaux d’ions positifs et d’ions négatifs

Résumé  :

PEGASES est un nouveau propulseur conçu et développé au LPP. Un propulseur électrique classique éjecte de la matière positive à grande vitesse depuis un plasma électropositif pour générer la poussée. La nouveauté introduite par PEGASES est le fait que la poussée est générée par l’accélération successive d’ions positifs et d’ions négatifs issus d’un plasma ion-ion continu.

Le propulseur PEGASES est composé de trois étages : (i) un étage d’ionisation constitué d’une source radiofréquence (rf) pour le couplage inductif d’un plasma électronégatif à partir d’un gaz contenant des halogènes, (ii) un étage de filtrage magnétique des électrons à l’aide d’aimants permanents pour obtenir un plasma ion-ion, et (iii) l’étage d’accélération des ions utilisant des grilles polarisées alternativement pour créer un champ électrostatique dont le sens varie dans le temps.

Durant ma thèse, j’ai travaillé essentiellement sur les premier et troisième étages sur deux prototypes de PEGASES. Un plasma ion-ion a été obtenu dans le premier prototype à partir de SF6 grâce à un filtrage magnétique important. Mais le premier prototype a montré des limitations inhérentes et significatives, de sorte que les performances ne sont pas suffisantes pour le processus d’accélération voulu. Afin d’obtenir une source d’ions électriquement performante, on a alors choisi pour le second prototype une source inductive plane utilisant une bobine à noyau de ferrite et une boîte d’accord d’impédance comportant un transformateur à faibles pertes. L’efficacité de transfert de la puissance rf s’élève alors à 90 %. Le couplage capacitif parasite a été réduit en optimisant la boîte d’accord et les progrès sont évalués grâce à la mesure du spectre du potentiel plasma par sonde capacitive.

J’ai étudié le plasma à l’aide de sondes de Langmuir et d’un analyseur de l’énergie des ions (RFEA) dans les deux prototypes. J’ai d’abord montré que le potentiel d’un plasma ion-ion peut être contrôlé par une électrode polarisée en contact avec le plasma.J’ai par la suite étudié l’accélération des ions issus du plasma ion-ion dans le cas continu où la polarisation des grilles est fixée puis en imposant une tension créneau d’amplitude comprise entre 0 et ± 350 V avec une fréquence de l’ordre du kHz. Dans le cas alternatif, les ions positifs et les ions négatifs sont accélérés durant les demi-périodes de polarisation positive et négative respectivement. L’énergie respective des deux populations d’ions peut être contrôlée indépendamment, en continu et en alternatif. Avec ces résultats est démontrée la faisabilité du concept PEGASES et l’étude du propulseur peut passer à l’étape de développement et réalisation.
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Pegases thruster development : ICP source with high performances and successive acceleration of positive ion beams and negative ion beams

The PEGASES thruster is a new plasma thruster developed at LPP. In a classical electric thruster, thrust is produced by positive ions accelerated from an electropositive plasma. The novelty introduced by PEGASES is that thrust is provided by successive acceleration of positive and negative ions from a continuous dual ion source.

The PEGASES thruster can be divided into three stages : (i) the ionization stage consisting in an inductively coupled plasma source to generate an electronegative plasma from halogen-contained gases, (ii) the magnetic electron filtering stage using permanent magnets to obtain an ion-ion plasma, and (iii) the extraction and acceleration stage using alternately biased grids to create an accelerating electrostatic field with time-varying direction in order to accelerate both positive and negative ions.

During this thesis I worked mainly experimentally on the first and third stages of two PEGASES prototypes. An ion-ion plasma was obtained in the first prototype using SF6 and a strong magnetic filter. But the first prototype had some inherent limitations. We therefore moved to a planar ICP source for the second prototype, using a transformer coupled matching network and a ferrite core to obtain an enhanced efficiency. The quest for power transfer efficiency led to use a low-loss step-down transformer, resulting in the possibility to couple up to 90 % of the radiofrequency power to the plasma. A reduction in the stray capacitive coupling was obtained by improving the impedance matching network and investigated via plasma potential oscillations measurement.
I used Langmuir Probes and a Retarding Field Energy Analyser (RFEA) to investigate the plasma in the two prototypes. I showed that the potential of an ion-ion plasma could be controlled with a biased electrode in contact with the plasma. Then I investigated the ion acceleration from the ion-ion plasma with continuous grid bias and with square voltage waveforms in the kHz frequency range and acceleration voltages in the 0 - ± 350 V range. I showed that the positive and negative ions are accelerated in the positive and negative bias half-periods, respectively, and that the respective beam energies can be controlled independently. With these results is provided the first proof-of-concept, and PEGASES is moving from concept towards realization.


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