Electron dynamics in crossed-field discharges
Dynamique des électrons dans les décharges en champs croisés
Résumé
Crossed-field plasma discharges have a wide variety of applications, including space propulsion (e.g. Hall thrusters) and materials processing (planar magnetrons). The crossed magnetic and electric field configuration creates features such as plasma turbulence and anisotropies in particle properties, the understanding of which require detailed information on electrons. Direct experimental study of these features would contribute to the development of high-fidelity numerical simulations of such plasmas, and to an improved understanding of their operation. An intense research effort has been devoted in recent years to the study of phenomena such as so-called "anomalous" electron transport across the field lines, which exceeds by several orders of magnitude that expected from collisions. The lack of complete understanding of this phenomenon limits the predictive capability of numerical codes for thrusters and other devices. Recent work has, however, established a link between this transport and high-frequency instabilities within the plasma. The complexity of this behavior (3D propagation, coupling effects) requires not only the development of high-performance, full-dimensional numerical codes, but also advanced diagnostics for electron behavior and properties.The nature of these discharges (such as high degrees of electron magnetization and energy, architecture) render invasive diagnostics such as Langmuir probes limited in their capacity to probe electron features. In this work, two diagnostics based on Thomson scattering were applied to the study of such features: THETIS (incoherent Thomson scattering), for measurement of individual electron properties such as temperature (more broadly, electron energy distribution functions), density and drift velocity, while PRAXIS (coherent Thomson scattering), for measurement of small-scale electron density fluctuations (associated with MHz-frequency waves). In a 1.5 kW Hall-effect thruster, the evolution of electron properties along the radial direction was directly measured. A radial variation in the electron properties, most marked for electron temperature, was observed. A linear kinetic theory model was used to evaluate the form of the dispersion relation corresponding to the measured plasma conditions, and this was compared with previous measurements made using PRAXIS. This analysis revealed a smoothing effect of the dispersion relation which could be accounted for due to the variation of electron properties along the characteristic measurement volume dimensions. In a HiPIMS planar magnetron, several discharge conditions were studied, with argon and helium, for peak currents ranging from 40 A to 600 A. Time-resolved features such as anisotropy of the drift velocity were measured, and an analysis of the contributions to the particle drifts was performed under varying conditions. The linear kinetic theory was adapted to the magnetron. The application of PRAXIS to measurements in the planar magnetron revealed the presence of two instabilities in the HiPIMS mode, one identified as the electron cyclotron drift instability (ECDI), studied in previous work, and the second mode propagating at an angle of 45° to the target surface. A preliminary analysis of the perturbative influence of a simple Langmuir probe in the plasma was also carried out on the planar magnetron, and it was observed that a systematic increase in the instability group velocity was occurred in the presence of such a probe.The application of advanced electron diagnostics to measurements in this work have enabled an improved characterization (including with high temporal resolution) of the electron properties and dynamics of these crossed-field devices.
Les décharges plasma en champs croisés ont une grande variété d'applications, y compris la propulsion spatiale (les propulseurs de Hall) et le traitement des matériaux (magnétrons planaires). La configuration croisée des champs magnétiques et électriques crée des phénomènes tels que la turbulence plasma et des anisotropies dans les propriétés des particules, dont la compréhension nécessite des informations détaillées sur les électrons. L'étude expérimentale directe de ces caractéristiques contribuerait au développement de simulations numériques de haute fidélité de ces plasmas et à une meilleure compréhension de leur fonctionnement. Un effort de recherche intense a été consacré ces dernières années à l'étude de phénomènes tels que le transport "anormal" d'électrons à travers les lignes de champ, qui dépasse de plusieurs ordres de grandeur le transport attendu par les collisions. L'incompréhension de ce phénomène limite la capacité de prédiction des codes numériques pour les propulseurs et autres dispositifs. Des travaux récents ont cependant établi un lien entre ce transport et les instabilités à haute fréquence dans le plasma. La complexité de ce comportement (propagation 3D, effets de couplage) nécessite le développement de codes numériques performants à trois dimensions, mais aussi des diagnostics avancés pour sonder pour le comportement et les propriétés des électrons. La nature de ces décharges (électrons énergétiques et magnétisés, leur architecture) rend les diagnostics invasifs tels que les sondes de Langmuir limités dans leur capacité à sonder les caractéristiques des électrons. Dans ce travail, deux diagnostics basés sur la diffusion Thomson ont été appliqués : THETIS (diffusion Thomson incohérente), pour mesurer les propriétés individuelles des électrons telles que la température (plus largement, les fonctions de distribution de l'énergie des électrons), la densité et la vitesse de dérive, et PRAXIS (diffusion Thomson cohérente), pour mesurer les fluctuations à petite échelle de la densité des électrons (associées aux ondes MHz). Dans un propulseur à effet Hall de 1,5 kW, l'évolution des propriétés des électrons le long de la direction radiale a été directement mesurée. Une variation radiale, plus marquée pour la température, a été observée. Un modèle de théorie cinétique linéaire a été utilisé pour évaluer la forme de la relation de dispersion correspondant aux conditions de plasma mesurées, et celle-ci a été comparée aux mesures antérieures effectuées avec PRAXIS. Cette analyse a révélé un effet de lissage de la relation de dispersion qui peut être expliqué par la variation des propriétés des électrons le long du volume de mesure. Dans un magnétron planaire HiPIMS, plusieurs conditions de décharge ont été étudiées, avec de l'argon et de l'hélium, pour des courants de pointe allant de 40 A à 600 A. Des caractéristiques résolues en temps, telles que l'anisotropie de la vitesse de dérive, ont été mesurées, et une analyse des contributions aux dérives des particules a été réalisée dans différentes conditions. La théorie cinétique linéaire a été adaptée pour le magnétron. L'application de PRAXIS aux mesures dans le magnétron planaire a révélé la présence de deux instabilités dans le mode HiPIMS, l'une identifiée comme l'instabilité de dérive cyclotronique électronique (ECDI), étudiée dans des travaux antérieurs, et le second mode se propageant à un angle de 45° par rapport à la surface de la cible. Une analyse préliminaire de la perturbation par une simple sonde de Langmuir dans le plasma a également été effectuée sur le magnétron planaire, et il a été observé qu'une augmentation systématique de la vitesse de groupe de l'instabilité se produisait en présence de la sonde. L'application de diagnostics avancés dans le cadre de ce travail a permis une meilleure caractérisation (y compris avec une résolution temporelle élevée) des propriétés et de la dynamique des électrons de ces dispositifs en champs croisés.
Origine : Version validée par le jury (STAR)