Sonde en champs E et B croisés Mesure de la vitesse des ions dans un plasma.

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1 Réseau des Plasmas Froids Atelier FDE, Orléans, Nov 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.

2 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

3 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

4 Sonde E B : Principe 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 F m r qe r = F e r r = qv B + v r r r E B r v qe qv B = 0 v0 E 0 = = B U Bd

5 Sonde E B : Exemple de mesures Détermination de la FDV ionique dans un propulseur de Hall I i na PPS-20k ML (Snecma ICARE) Ions accélérés dans une chute de potentiel U acc v = 2z ion m eu ion acc B. Reid et al., AIAA paper (2008)

6 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 +, Xe 2+, Xe 3+, Kr +, Kr 2+, Ar +, Ar 2+ tension d accélération = V intervalle des vitesses à sondes : v ion = m/s

7 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

8 Construction d une Sonde E B classique Optimisation par simulations numériques Haute résolution Collimateurs longs Diaphragmes petites Faible niveau de signal amplification Champ B intense 1 v δ = B v 0 Faible rayon de Larmor r L = m q ion ion v B trajectoire courbée Recherche numérique de la solution optimale

9 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

10 Construction d une Sonde E B classique Optimisation par simulations numériques Champ B sans écran B (T) Utilisation d écrans capable de capter le flux magnétique : fer pur (armco) acier magnétique B (T) x (m) avec écran z y B (T) B = T B (T) z x (m) y

11 Construction d une Sonde E B classique Optimisation par simulations numériques Champ E E (V/m) Electrodes planes Tension variable (sélection en vitesse) Polarisation de +U/2 à U/2 symétrie / àla masse E (V/m) z y z E (V/m) x U = V x (m)

12 Construction d une Sonde E B classique Trajectoires ioniques ions Xe + v = m/s δ= 0,5 % x y z x

13 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 F m r r = qe F e r r = qv B + v r v 0 = E B r F m r r = qv B r r = qe F e - v r Ion négatif Pas de séparation entre les ions positifs et négatifs

14 Sonde double-étage Deuxième étage -Champ E s 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

15 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 : O 2 (O +, O -, O 2+ ), SF 6 (SF 3+, SF 5+, F -, SF 3- ) tension d accélération = 1 50 V intervalle des vitesses à sondes : v ion = m/s

16 Construction d une Sonde double-étage Optimisation par simulations numériques - vitesses ioniques relativement faibles intensité de B réduite - introduction d un deuxième étage -champ E s de séparation des charges - deux capteurs pour la collecte du courant ionique collecteurs d ions 2ème étage

17 Construction d une Sonde double-étage Cas d un plasma d oxygène Champ E U = V U s = V E (V/m) Champ B B = 9,3 mt z x B (mt) E (V/m) E s x (m) x (m)

18 Construction d une Sonde double-étage Trajectoires ioniques ions O + /O - v = 3460 m/s δ= 1,5 % O - O + x x y z z x

19 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 E s fixe : choix de v (détection au centre de la matrice) E fixe et E s variable : dispersion due à la charge

20 Sonde E B : concept avancé A -, A +, A 2+ Differenciation : E = const, E s variable A - A + A 2+ Micro détecteurs de Faraday v 0 Choix de v 0 : E variable, E s = 0 x z

21 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)

22 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 (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 (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 (2008)