Sonde en champs E et B croisés Mesure de la vitesse des ions dans
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Réseau des Plasmas Froids Atelier FDE, Orléans, 21-23 Nov. 2011. Sonde en champs E et B croisés Mesure de la vitesse des ions dans un plasma. Stéphane Mazouffre, Mihaela Cirisan, Dennis Gerst ICARE, CNRS, Orléans, France. Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sommaire Principe d’une sonde E×B Exemple de mesures Construction - Optimisation Sonde classique en plasma ion-ion Sonde double-étage Sonde E×B : concept avancé Conclusions Bibliographie Atelier FDE Diagnostics pour la FDV des ions Spectroscopie laser (LIF) - ions positifs - technique complexe Analyseur d’énergie (RPA) - ions positifs et négatifs - pas de sélection de la charge Sonde E× ×B (filtre de Wien) - ions positifs et négatifs - sélection de la charge Orléans, Nov. 2011 Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde E× ×B : Principe r r Fe = qE Champ magnétique (aimants) : B = const Champ électrique variable (électrodes) : E = U/d r r r r Force de Lorentz : F = q(E + v × B) r r r E⊥B ⊥ v qE − qv 0B = 0 ⇒ v 0 = E U = B Bd + r r r Fm = qv × B r v Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde E× ×B : Exemple de mesures Détermination de la FDV ionique dans un propulseur de Hall Ii ≈ nA PPS-20k ML (Snecma – ICARE) Ions accélérés dans une chute de potentiel Uacc v= 2z ion eUacc mion B. Reid et al., AIAA paper 08-5287 (2008) Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Objectif caractérisation du plasma d’un propulseur à effet Hall - mesure de la FDV des ions - détermination de la « température » → sonde E×B à haute-résolution Paramètres ions positifs : Xe+, Xe2+, Xe3+, Kr+, Kr2+, Ar+, Ar2+ tension d’accélération = 200 – 300 V intervalle des vitesses à sondes : vion = 17100 – 54000 m/s Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Optimisation par simulations numériques Résolution Amplitude de B Longueur de la section E×B Longueur des collimateurs Diamètres des orifices Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Optimisation par simulations numériques Haute résolution Collimateurs longs Faible niveau de signal → amplification Champ B intense ∆v δ= ∝ v0 Faible rayon de Larmor m v rL = ion ⊥ qion B 1 B Diaphragmes petites → trajectoire courbée Recherche numérique de la solution optimale Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Optimisation par simulations numériques Exemple de trajectoire ionique en champ fort Solution non optimale → modification de B, géométrie Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Optimisation par simulations numériques Champ B B (T) Utilisation d’écrans capable de capter le flux magnétique : fer pur (armco) acier magnétique B (T) sans écran z x (m) y B (T) B = 0.184 T B (T) avec écran z x (m) y Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Optimisation par simulations numériques E (V/m) Champ E Electrodes planes Tension variable (sélection en vitesse) Polarisation de +U/2 à –U/2 symétrie / à la masse z E (V/m) E (V/m) y z x U = 50 – 110 V x (m) Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde E× ×B classique Trajectoires ioniques ions Xe+ v = 17300 m/s δ = 0,5 % x y z x Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde classique en plasma ion-ion Sonde E×B classique Plasma ion-ion : m(A+) ≈ m(A-) et |q(A+)| = |q(A-)| Ion positif r r Fe = qE + r r r Fm = qv × B Ion négatif r r r Fm = qv × B r v E v0 = B - r v r r Fe = qE → Pas de séparation entre les ions positifs et négatifs Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde double-étage Deuxième étage - Champ Es → séparation entre les ions + et - sélectionnés dans le premier étage - 2 collecteurs → détection simultanée des charges positives et négatives Plasmas ion-ion et électronégatifs (filtrage des électrons) Brevet déposé Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde double-étage Objectif caractérisation de plasmas ion-ion - mesure de la FDV des ions positifs et négatifs - détermination de la « température » → sonde E×B à haute-résolution Paramètres Plusieurs gaz utilisés : O2 (O+, O-, O2+), SF6 (SF3+, SF5+, F-, SF3-…) tension d’accélération = 1 – 50 V intervalle des vitesses à sondes : vion = 1000 – 24550 m/s Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde double-étage Optimisation par simulations numériques - vitesses ioniques relativement faibles → intensité de B réduite - introduction d’un deuxième étage - champ Es de séparation des charges - deux capteurs pour la collecte du courant ionique collecteurs d’ions 2ème étage Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde double-étage Cas d’un plasma d’oxygène E (V/m) U = 1.8 – 12 V Champ E Us = 0.37 – 16 V Champ B z B = 9,3 mT B (mT) E (V/m) x x (m) Es x (m) Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Construction d’une Sonde double-étage Trajectoires ioniques O- O+ ions O+/Ov = 3460 m/s δ = 1,5 % x x y z x z Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde E× ×B : concept avancé Collecteur d’ions = matrice de micro détecteurs de Faraday (e.g. 256 détecteurs de 150 µm de long) → différenciation et détection simultanée d’ions positifs et négatifs ayant la même vitesse (v = E/B) → manipulation E variable et Es fixe : choix de v (détection au centre de la matrice) E fixe et Es variable : dispersion due à la charge Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Sonde E× ×B : concept avancé Differenciation : E = const, Es variable A-, A+, A2+ Micro détecteurs de Faraday A- A+ v0 Choix de v0 : E variable, Es = 0 x z A2+ Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Conclusions Sonde ExB Mesures directe de la FDV d’ions positifs → pas de dérivation du signal Mesures de la FDV d’ions multichargés / négatifs si sonde doublé-étage Système simple sensible bonne résolution en vitesse volumineux peu flexible (optimisé pour une plage de vitesse) Optimisation via des simulations numériques Faible niveau de courant nA – pA (chaine de détection adaptée) Calibration nécessaire (RAP ou LIF) Atelier FDE Orléans, Nov. 2011 Bibliographie R. L. Seliger, E×B mass-separator design, J. Appl. Phys. 43, 2352 (1972). G.F. Matthews, A combined retarding field analyser and ExB probe for measurement of ion and electron energy distribution in tokamak edge plasmas, J. Phys. D: App. Phys 17, 2243 (1984). Y.-Z. Kuang, X. Guo-Qing, S.-T. Yang, E×B momentum analyzer for broad-beam ion sources, Proceedings of the 23rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, San Diego, California, AIAA paper 87-1081 (1987). S.-W. Kim, A. D. Gallimore, Plume study of a 1.35-kW SPT-100 using an E×B probe, J. Spacecraft Rockets 39, 904 (2002). R. R. Hofer, A. D. Gallimore, Ion species fractions in the far-field plume of a high-specific impulse Hall thruster, Proceedings of the 39th Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, AIAA paper 03-5001 (2003). M.E. Arciaga, A.G. Mendenilla, H.J. Ramos, Characteristics of an ExB probe for extraction of H- ions from a magnetized sheet plasma source, Rev. Sci. Instrum. 74, 951 (2003). B. Reid, R. Shastry and A. Gallimore, Angularly- resolved ExB probe spectra in the plume of a 6- kW Hall thruster, Proceedings of the 44th Joint Propulsion Conference, Hartford, CT, AIAA paper 08-5287 (2008)
