ERWEITERUNG DER PLASMADIAGNOSTISCHEN INSTRUMENTE DES AEPD SYSTEMS MIT OPTISCHEN METHODEN: STATUS

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1 ERWEITERUNG DER PLASMADIAGNOSTISCHEN INSTRUMENTE DES AEPD SYSTEMS MIT OPTISCHEN METHODEN: STATUS Christoph Eichhorn, Frank Scholze, Carsten Bundesmann, Horst Neumann Institut für Oberflächenmodifizierung, Permoserstraße 15, D Leipzig Ionenstrahlprozessen, Mühlleithen, März 2014

2 Motivation Einige bekannte Weltraummissionen unter Verwendung elektrischer Triebwerke [1] Deep Space 1 (USA) [2] Artemis (Europa) [3] SMART-1 (Europa) [4] Hyabusa (Japan) [5] DAWN (USA) Bildquellen: [1] NASA/JPL, [2] ESA, _Integrated_Applications/Artemis [3] ESA, [4] Ikeshita/MEF/ISAS/JAXA, [5] NASA/JPL/Caltech,

3 Motivation Definition: Das Prinzip elektrischer Weltraumantriebe besteht in der Beschleunigung von Gasen zu Antriebszwecken durch elektrische Heizung und/oder elektrische und magnetische Kräfte. Ziolkowski-Gleichung Die Beschleunigungsmechanismen elektrischer Weltraumantriebe erlauben wesentlich höhere Austrittsgeschwindigkeiten als bei chemischen Antrieben. Charakteristika: kleine Massendurchsätze kleine Schubkräfte (typ. N bis einige N) lange Schubperioden andersartige Bahntrajektorien bei z. B. interplanetarem Transfer

4 Einleitung: AEPD System Advanced Electric Propulsion Diagnostics (AEPD)-Komplex ESMS 5-Achsen-Positionierungssystem Standard Instrumentierung: Optische Sensoren: Telemikroskop, Triangular laser head Thermodiagnostischen Sensoren Pyrometer Plasmadiagnostische Sensoren: Faraday Sonde, energieselektives Massenspektrometer (ESMS) Sensoren in Entwicklung: Retarding Potential Analyzer (RPA), Thermosonde, E x B - Sonde Faraday Sonde Telemikroskop z Pyrometer, Triang laser head y x Modularer Aufbau aus Aluminiumprofilen [6] C. Bundesmann, M. Tartz, F. Scholze, H.J. Leiter, F. Scortecci, R.Y. Gnizdor, H. Neumann, Rev. Sci. Instrum. 77 (2010)

5 Einleitung: AEPD-System Messungen an RIT-22 Telemikroskop (Erosion Gitterlochdurchmesser) Faraday Sonde (Stromdichte) Pyrometer (Gitter Temperatur) ESMS (Ernergie- und Massenverteilung) [7] C. Bundesmann et al., Paper IEPC (2009) [8] C. Bundesmann, M. Tartz, F. Scholze, H.J. Leiter, F. Scortecci, H. Neumann, J. Propul Power 27 (2011) 532

6 Erweiterungen: Optische Emissionsspektroskopie OES Erweiterungen: Optische Emissionsspektroskopie Motivation: Nicht-intrusive Methode zur Bestimmung von Plasmaparametern Karabadzhak Modell: Extraktion lokaler Elektronentemperaturen [9-11] elektronenstoßinduzierte Anregung aus dem Grundzustand elektronenstoßinduzierte Anregung aus (6s [3/2] 2 ) metastabilem Zustand ionenstoßinduzierte Anregung aus dem Grundzustand Ionenstoßinduzierte Emissions-Anregungsquerschnitte verfügbar bis 900 ev [12] Verbesserte Stoß-Strahlungsmodelle basierend auf Emissions-Querschnitten elektronenstoßinduzierter Anregung aus metastabilen Zuständen [12a] [9] G. F. Karabadzhak, Y.-H. Chiu, R.A. Dressler, J. Appl. Phys. 99 (2006) [10] T.S. Matlock, W.A. Hargus, C.W. Larson, M.R. Nakles, Paper AIAA [11] R. Spektor, E. J. Beiting, Paper IEPC [12] J.D. Sommerville, L.B. King, Y.H. Chiu, R. Dressler, J. Propul. Power 24 (2008) 880 [12a] R.O. Jung, J.B. Boffard, L.W. Anderson, C.C. Lin, Phys. Rev. A 72 (2005)

7 Erweiterungen: Optische Emissionsspektroskopie OES Implementierung f/0.3 Sammellinse in Zylindergehäuse Lichtwellenleiteranschluss mit Vakuumdurchführung 500 mm Spektrometer Kalibrierung mit zertifiziertem Strahlungsstandard (Ulbrichtkugel, Gigahertz GmbH) Zielstellung im Rahmen des AEPD Projekts Set-up zur Messung axialer und radialer Profile im Freistrahl eines Triebwerks Implementierung in bestehende AEPD-Softwareumgebung Auslegung als standardisiertes Messwerkzeug für verschiedene

8 Optische Emissionsspektroskopie OES: Status / Resultate Optische Emissionsspektroskopie: Status /Resultate Emissionspektroskopisches Test-set-up: 500 mm Spektrometer in Czerny-Turner Konfiguration (Cromex 500SI) 50/300/1200 Linien/mm Gitter Thermo-gekühlter 750x248 pixel CCD Detektor (Santa Barbara Instrument Group) Weitere AEPD installierte Hardware AD Konverter ESMS Faraday-Sonde Triebwerk Sammellinse + Lichtwellenleiter Energie-selektives Massenspektrometer (Hiden EQP 300) (1<m<300 amu, 0-5 kev) PC CCD Spektrometer Graphit Faraday Sonde, Ø 1.9 mm

9 Optische Emissionsspektroskopie OES: Status / Resultate Untersuchte Ionenquelle: ISQ40RF [12b] 4 cm Gitterdurchmesser 2 (3)-Gitter Konfiguration Entladungs-Frequenz MHz Neutralisation durch Gitterumpolung (Screen-Gitter negativ Beschleunigungs- Gitter ground) IOM Vakuumtestanlage Vakuumkammer Länge ~ 3m, Durchmesser 1.1 m 2 Turbomolekularpumpen à 2200 l/s, 1 Kryopumpe 6000 l/s Tankdruck ~ 1E-7 mbar Tankdruck bei Gasfluss 1.5 sccm Xenon ~ 1.5E-5 mbar [12b] M. Zeuner, F. Scholze, B. Dathe, H. Neumann, Surf. Coat. Tech (2001) 39

10 Optische Emissionsspektroskopie OES: Status / Resultate Xe I Emissionsspektrum im nahen IR, Integrationszeiten 10<t<250 s; U screen = V, Xenon Gasfluss 1.5 sccm, P RF = W, Tankdruck 1.6 x 10-5 mbar

11 Optische Emissionsspektroskopie OES: Status / Resultate Deutliche Änderung der Linienverhältnisse I( =823)/I( =828) und I( =834)/I( =828) mit vs. ohne Neutralisation: Unterschiedliche Regime der Elektronenenergien Kenntnis der Elektronenenergieverteilung notwendig für die Extraktion von Elektronentemperaturen

12 Anstehende OES-Forschungsthemen / Status Anstehende OES-Forschungsaufgaben Bestimmung ionenstoßinduzierter Emissions-Anregungsquerschnitte für Xe II Ionenenergien größer als 900 V Charakterisierung der Freistrahlen der Ionenquellen ISQ40RF sowie eines µrit, RF-Neutralisator Status Integration der Emissionsspektroskopie-Sonde auf dem AEPD-Komplex während der nächsten Messkampagnen DLR Projekt beantragt Warten auf Bescheid den

13 TALIF-Spektroskopie: Kurze Einführung TALIF-Spektroskopie: Kurze Einführung Prinzip der laserinduzierten Fluoreszenz: Anregung eines ausgewählten atomaren/molekularen Übergangs Detektion der Fluoreszenzstrahlung Extraktion physikalischer Parameter aus der detektierten Fluoreszenz, z.b. Intensität der Fluoreszenz Teilchendichte Dopplershift der Absorptionslinie Translationsgeschwindigkeit Breite der Absorptionslinie Temperatur Triebwerksplasma: Kein Boltzmann-Gleichgewicht Besetzungsverteilung unbekannt Niedrigtemperaturplasma: Neutrales Xenon 5p 6 1 S o 5p 5 ( 2 P o 3/2) 6s 2 [3/2] o 1 5p 5 ( 2 P o 3/2) 6p 2 [5/2] 2 Energie / cm Grundzustand nicht wesentlich entleert Bei Grundzustandsanregung S N 0 Hier: Two-Photon Absorption Laser InducedFluorescence (TALIF) exc / nm x Grundzustand 1 Photon, Auswahlregeln 2 Photonen, Auswahlregeln

14 TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon Plasmen TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon-Plasmen Anregung von 0 Bevorzugtes TALIF Schema in RIT-10 Studie [13] [13] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116

15 TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon Plasmen TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon-Plasmen Anregung von 0 Bevorzugtes TALIF Schema in RIT-10 Studie [13] 7p [3/2] 2 Frühere TALIF-Studie im Freistrahl eines Kaufmann Triebwerks [14] [13] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116 [14] Crofton, Paper AIAA

16 TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon Plasmen TALIF Schemen bisheriger Untersuchungen in Xenon-Plasmen Anregung von 0 Bevorzugtes TALIF Schema in RIT-10 Studie [13] 7p [3/2] 2 Frühere TALIF-Studie im Freistrahl eines Kaufmann Triebwerks [14] 3/2] 2 Frühere TALIF-Studie in einer Helicon-Entladung [15] [13] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116 [14] Crofton, Paper AIAA [15] Aanesland et al, Appl. Phys. Lett. 12 (2007) /1-3

17 TALIF-Spektroskopie: Motivation TALIF-Spektroskopie: Motivation Warum Untersuchung von neutralem Xenon in einem Ionentriebwerk? Neutralteilchen treten auf durch unvollständige Ionisation, als Beitrag der Neutralisatoremission und als Tankhintergrund (Restgasspezies). Gründe für die Untersuchung von Neutralteilchendichten Neutralteilchen verantwortlich für Ladungsaustauschprozesse ( Gittererosion, Lebensdauer des Systems) Xe + (schnell) + Xe (thermisch) Xe + (quasithermisch) + Xe (schnell) Neutralteilchenflüsse Bestandteil kinetischer Vorgänge im Freistrahl Neutralteilchendichten entscheidend für Ionisationskinetik in der Entladungskammer Lokale Neutralteilchendichten werden mit keiner Standardmethode der Triebwerksdiagnostik erfasst

18 TALIF-Spektroskopie: Experimenteller Aufbau

19 TALIF im Freistrahl des RIT- 0 Zustands TALIF im Freistrahl des RIT- 0 Zustands [13] Testbedingung 5.7 sccm, P RFG = 58.4 W, U PHV = 913 V 500 Einzelpulsen pro Wellenlänge Variation des Massenflusses, U PHV = 913 V zentrale Plasmaachse, d = 12 cm [13] Eichhorn et al, J. Propul. Power 28 (2012) 1116, Messungen durchgeführt am Institut für Raumfahrsysteme, Universität Stuttgart

20 Anstehende TALIF-Forschungthemen / Status Anstehende TALIF-Forschungsaufgaben Quantitative, ortsaufgelöste Bestimmung von Neutralteilchendichten Xenons im Freistrahl und der Entladungskammer von Triebwerkssystemen Direkte Messung durch CEX-Prozesse erzeugter Neutralteichenspezies Untersuchungen in Krypton-Plasmen als alternativer Treibstoff Status Nd:YAG gepumpter Farbstofflaser bei 225 nm geladen und schussbereit (10 ns / P ~ GW/cm 2 Überlebenswahrscheinlichkeit bei Beschuss nach eigener Erfahrung dennoch ausreichend groß) DFG Projekt beantragt Warten auf Bescheid