Soutenance de thèse de Valentin PIGEON

Dans les propulseurs à effet Hall – un type de propulseur à plasma – l’interaction entre le plasma et les parois en céramique a un impact sur la durée de vie et les performances de ces machines. Ceci est dû en partie à l’émission d’électrons secondaires (EES), capable de refroidir le plasma, ce qui diminue le taux d’ionisation, et peut déclencher de la turbulence et des instabilités. Pour ces raisons, il est nécessaire de comprendre l’interaction plasma-céramique et d’évaluer l’impact de l’EES. Cette étude est destinée principalement à caractériser les gaines plasma – le mécanisme fondamental impliqué dans l’interaction plasma-paroi – faisant face aux céramiques des propulseurs à effet Hall. Celles-ci sont comparées aux gaines d’autres matériaux utilisés en physique des plasmas en précisant l’influence de l’EES. La partie expérimentale de cette étude repose principalement sur le diagnostic de fluorescence induite par laser permettant de sonder les gaines plasmas de manière non-intrusive. La structure des gaines, les variations de la densité ionique et la forme des fonctions de distribution ionique sont présentées et discutées. Il apparaît que la gaine varie d’un matériau à l’autre et que l’EES des céramiques de propulseurs est plus faible que celle des autres céramiques étudiées. Ce dernier résultat est cohérent avec de précédentes études. D’autre part, la densité ionique atteint un maximum près de l’entrée de la gaine, un résultat non prédit par les théories de gaine. Les résultats expérimentaux sont comparés à un modèle de gaine 1D cinétique et à des simulations cinétiques, qui tous deux utilisent des taux d’émission secondaire disponibles dans la littérature. En complément, une discussion sur les sondes émissives est présentée ; celle-ci traite de la détermination des incertitudes de mesure du potentiel plasma établie avec la technique du point d’inflexion. Enfin, la première étape pour la mesure de gaines plasma hautement émissive par fluorescence induite par laser est présentée.

In Hall-effect ion thrusters, the interaction between the plasma and the ceramic walls has an impact on the devices’ lifetime and performances. This is partially due to the secondary electron emission (SEE), a phenomenon that may cool down the plasma, resulting in a lower ionization rate, and may trigger turbulence and instabilities. For these reasons, it is necessary to understand the plasma-ceramic wall interaction and evaluate the impact of the SEE. This study mainly focuses on plasma sheaths – the fundamental mechanism involved in plasma-wall interaction – standing in front of Hall thrusters’ ceramics. Those sheaths are compared to other materials’ ones used in plasma devices, and the influence of the SEE on them is studied. The experimental part of the study mainly relies on the laser induced fluorescence diagnostic that allows to probe plasma sheaths in a non-intrusive way. The sheaths’ structure, the ion density variations and the ion distribution functions’ shape are presented and discussed. It is shown that the sheath is material dependent and that the thrusters’ ceramics’ SEE is lower than for the other studied ceramics, which is coherent with previous measurements. Also, a peak in the ion density is observed near the sheath entrance, a result not captured by the classical sheath theory. These experimental results are compared with a 1D kinetic sheath model and kinetic simulations that use the SEE yields found in the literature. Additionally, a discussion about emissive probes is given, which deals with the uncertainty determination of the plasma potential measurement using the inflection point technique. Finally, the first step of highly emissive plasma sheath measured with laser induced fluorescence is presented.