C. Eichhorn, F. Scholze, C. Bundesmann, D. Spemann, H. Neumann, H. Leiter
Journal of Propulsion and Power 35 (2019) 1175
https://doi.org/10.2514/1.B37487
Gitterionentriebwerke nutzen eine elektrisch vorgespannte Lochgitteranordnung zur Beschleunigung ionisierter Teilchen, die auf diese Weise den „Treibstoff“ des Antriebssystems bilden. Eine intakte Gittergeometrie (insbesondere die Erhaltung der Lochdurchmesser) ist eine Voraussetzung für die in Weltraumapplikationen geforderte Langlebigkeit solcher Triebwerke. Die Kenntnis ortsaufgelöster Dichten von Plasmaspezies nahe der Austrittsfläche ist wichtig für die quantitative Einschätzung plasma- und oberflächenphysikalischer Prozesse, die während des Betriebs des Triebwerks zu einer ungewollten Lochaufweitung (Gittererosion) führen können. Der Inhalt der Arbeit zeigt, wie lokale Neutralteilchendichten eines relevanten Treibstoffs (Krypton) im Freistrahl eines Gitterionentriebwerke während des Betriebs mit laserspektroskopischen Methoden berührungslos gemessen werden können.
C. Bundesmann, C. Eichhorn, F. Scholze et al.
Eur. Phys. J. D 70 (2016) 212
https://doi.org/10.1140/epjd/e2016-70236-0
Die experimentelle Charakterisierung ist ein wesentlicher Bestandteil in der Entwicklung, Optimierung und Qualifizierung von elektrischen Antrieben in der Raumfahrt oder von Ionenstrahlquellen im Allgemeinen, da mit ihrer Hilfe geprüft werden kann, ob der Raumantrieb oder die Ionenstrahlquelle die Anforderungen der Mission bzw. der avisierten Anwendung erfüllt. Weiterhin können mit der Charakterisierung, die für eine Modellierung des Antriebes bzw. Plasmas notwendigen Parameterwerte ermittelt werden. Es besteht darüber hinaus der Bedarf, die Diagnostik von elektrischen Antrieben zu standardisieren, um an verschiedenen Antrieben bzw. in verschiedenen Testumgebungen Parameterwerte zuverlässig und vergleichbar ermitteln zu können. Mit diesem Ziel wurde eine Diagnostikplattform (Advanced Electric Propulsion Diagnostic – AEPD) entwickelt, die eine umfassende in-situ Charakterisierung elektrischer Raumantriebe (oder Ionenstrahlquellen) erlaubt. Die AEPD-Diagnostikplattform besteht aus einem modularen 5-Achsen-Positioniersystem und umfasst Diagnostiken für die Strahlcharakterisierung (Faradaysonde, Gegenfeldanalysator, ExB-Sonde, aktive Thermosonde), die optische Inspektion (Telemikroskop, lasergestütztes Oberflächenprofilometer) und die thermische Charakterisierung (Pyrometer, Thermokamera). In dieser Arbeit werden die technischen Spezifikationen der Diagnostikplattform beschrieben und erste Ergebnisse der Charakterisierung eines Gitterionentriebwerks RIT-µX gezeigt.
M. Rudolph, H. Hajihoseini, M. A. Raadu, J. T. Gudmundsson, N. Brenning, T. M. Minea, A. Anders, D. Lundin
J. Appl. Phys. 129 (2021) 033303
https://doi.org/10.1063/5.0036902
Die internen Entladungsparameter, die Ionisierungswahrscheinlichkeit der Targetatome und die Rückanziehungswahrscheinlichkeit der Targetionen, sind zwei bedeutende Parameter um Hochleistungs-Impuls-Magnetronsputter-Prozesse (engl. HiPIMS) zu verstehen. Hier wird die experimentelle Bestimmung der beiden so wichtigen Parameter beschrieben. Zukünftig lassen sich so HiPIMS-Prozesse gezielt entwickeln.
S. Germer, F. Pietag, J. Polak, T. Arnold
Rev. Sci. Instrum. 87 (2016) 113301
https://doi.org/10.1063/1.4964701
Das Ionenstrahlätzen isolierender Materialien erfordert im Allgemeinen eine Neutralisierung des Ionenstrahles, um Aufladungseffekte zu vermeiden. Unter diesen Bedingungen ist die Messung der Strahlstromdichteverteilung mittels Faradaysonden kaum möglich. Die Ergebnisse solcher elektrischer Messungen können auch ohne Neutralisierung durch Umladungseffekte beeinflusst sein, bei denen schnelle neutrale Atome entstehen, die ihrerseits zum Ätzabtrag beitragen, mit ladungssensitiven Messverfahren aber nicht erfasst werden können. In dieser Studie wurde die Lichtemission von einkristallinen YAG:Ce (Y3Al5O12) Szintillatoren, aufgenommen mit einer CCD-Kamera, genutzt, um die Energiedeposition eines neutralisierten Ionenstrahles aus einer Breitstrahlionenquelle zu visualisieren. Das vorgestellte Diagnostikverfahren wurde mittels Faradaysondenmessungen und Testätzungen validiert. Die Messungen wurden mit einem 1 keV Ar-Ionenstrahl aus einer induktiv gekoppelten HF-Ionenquelle (13,56 MHz) bei einem Gesamtstrom von wenigen mA durchgeführt. Dabei wurden verschiedene Strahleigenschaften wie die laterale Stromdichteverteilung, die Strahldivergenz sowie die Stromdichteverteilung bei gepulstem Quellenbetrieb untersucht, um Informationen über das räumliche Strahlprofil und die Verteilung des Ätzabtrages zu erhalten. Die hervorragenden Eigenschaften der optischen Abbildung mittels Szintillatoren erlaubte auch eine detaillierte Charakterisierung des neutralisierten Ionenstrahles, bis hin zur Visualisierung einzelner Beamlets. Weiterhin konnte eine starke Korrelation zwischen der Intensität der Szintillation, der Strahlstromdichte und der Rate des Ionenabtrages festgestellt werden.
L. Pietzonka, C. Eichhorn, F. Scholze, D. Spemann
J. Electr. Propuls. 2 (2023) 4
https://doi.org/10.1007/s44205-022-00029-4
In diesem Beitrag wird die Anwendung der laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie (LIF-Spektroskopie) im Zentralbereich der Entladungskammer einer mit Xenon betriebenen Radiofrequenz-Breitstrahlionenquelle beschrieben. Hierbei wurden zwei optische Übergange von Schwerteilchenspezies (Atome und einfach geladene Ionen) eines Xenonplasmas im nahen Infrarot bei sehr hoher spektraler Auflösung unter Zuhilfenahme eines durchstimmbaren Diodenlasers mit schmaler Linienbreite untersucht.
Die Bewegung von Teilchen der jeweiligen Plasmaspezies relativ zur Richtung des Laserstrahls induziert aufgrund des Doppler-Effekts eine Verschiebung der individuellen Resonanzfrequenzen und zeigt sich in Form einer spektralen Linienverbreiterung. Unter Berücksichtigung zusätzlich auftretender Linienverbreitungsmechanismen können daher die projizierten Verteilungsfunktionen der Neutralteilchen- und Ionengeschwindigkeiten optisch und somit nicht-intrusiv rekonstruiert werden. Die Breite der Geschwindigkeitsverteilungsfunktionen ist mit der kinetischen Temperatur der jeweiligen Plasmaspezies verknüpft; es konnte gezeigt werden, dass dieser Parameter in beiden Fällen mit der Stärke des in die Entladung eingekoppelten Radiofrequenz-Wechselfeldes korreliert ist.
Die experimentelle Untersuchung von Plasmaschwerteilchenspezies hinsichtlich ihrer kinetischen Temperatur ist ein wesentlicher Baustein für die simulationsbasierte Abschätzung der Leistungsfähigkeit von elektrischen Raumantrieben und der Lebensdauervorhersage für Triebwerkskomponenten. Damit stellt der hier vorgestellte Versuchsaufbau zur LIF-Spektroskopie eine Erweiterung der kooperativ entwickelten Advanced Electric Propulsion Diagnostic (AEPD)-Plattform zur In-Situ-Charakterisierung von Ionentriebwerken dar.