Caracterização de cátodos ocos para propulsão iônica
| Autor(a) principal: | |
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| Data de Publicação: | 2014 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | por |
| Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE |
| Texto Completo: | http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/05.29.21.11 |
Resumo: | Os cátodos ocos são dispositivos que podem fornecer de forma eficiente alta densidade de corrente de elétrons, de modo que são componentes fundamentais para propulsores iônicos como principal fonte de elétrons para a geração de plasma na câmara de descarga e para neutralização do feixe de íons. O Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) tem desenvolvido cátodos ocos desde o ano 2002, e estudos experimentais detalhados para caracterizar o seu desempenho não foram realizados até o momento. A presente dissertação apresenta um estudo experimental minucioso sobre a caracterização da descarga de cátodos ocos equipados internamente com insertos de folha de tântalo e externamente com eletrodos de vigia envolventes. Foram testados três diferentes diâmetros de orifícios das ponteiras dos cátodos e dos eletrodos de vigia envolventes. Foram identificados os modos de descarga (pluma, difusivo, pontual e transições) e foram medidos parâmetros de plasma (usando uma sonda de Langmuir cilíndrica simples) para diferentes condições operacionais, onde se variaram parâmetros tais como vazão mássica, tensão de descarga e corrente de descarga e usando argônio ou xenônio. Três diferentes circuitos elétricos de corrente de descarga foram comutados, diodo com anodo, diodo com eletrodo de vigia e tríodo, dependendo da estabilidade da descarga de catodo. Os dados coletados pela sonda eletrostática foram pós-processados usando-se um algoritmo para estimar as densidades de elétrons e íons, potencial flutuante, potencial de plasma e temperatura de elétrons em diferentes posições axiais da sonda, a partir da superfície do eletrodo de vigia até perto do anodo. Os resultados obtidos neste trabalho, em termos de modos de descarga e parâmetros de plasma estão de acordo com os relatados na literatura e são considerados como os típicos para cátodos ocos. |
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info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCaracterização de cátodos ocos para propulsão iônicaCharacterization of hollow cathodes for ion thruster2014-06-04Rodrigo Intini MarquesGilberto Marrega SandonatoFernando de Souza CostaHomero Santiago MacielJenny Carolina Robledo AsencioInstituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)Programa de Pós-Graduação do INPE em Combustão e PropulsãoINPEBRcátodos ocospropulsores iônicossonda eletrostáticahollow cathodesion thrusterseletrostatic probeOs cátodos ocos são dispositivos que podem fornecer de forma eficiente alta densidade de corrente de elétrons, de modo que são componentes fundamentais para propulsores iônicos como principal fonte de elétrons para a geração de plasma na câmara de descarga e para neutralização do feixe de íons. O Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) tem desenvolvido cátodos ocos desde o ano 2002, e estudos experimentais detalhados para caracterizar o seu desempenho não foram realizados até o momento. A presente dissertação apresenta um estudo experimental minucioso sobre a caracterização da descarga de cátodos ocos equipados internamente com insertos de folha de tântalo e externamente com eletrodos de vigia envolventes. Foram testados três diferentes diâmetros de orifícios das ponteiras dos cátodos e dos eletrodos de vigia envolventes. Foram identificados os modos de descarga (pluma, difusivo, pontual e transições) e foram medidos parâmetros de plasma (usando uma sonda de Langmuir cilíndrica simples) para diferentes condições operacionais, onde se variaram parâmetros tais como vazão mássica, tensão de descarga e corrente de descarga e usando argônio ou xenônio. Três diferentes circuitos elétricos de corrente de descarga foram comutados, diodo com anodo, diodo com eletrodo de vigia e tríodo, dependendo da estabilidade da descarga de catodo. Os dados coletados pela sonda eletrostática foram pós-processados usando-se um algoritmo para estimar as densidades de elétrons e íons, potencial flutuante, potencial de plasma e temperatura de elétrons em diferentes posições axiais da sonda, a partir da superfície do eletrodo de vigia até perto do anodo. Os resultados obtidos neste trabalho, em termos de modos de descarga e parâmetros de plasma estão de acordo com os relatados na literatura e são considerados como os típicos para cátodos ocos.Hollow cathodes are devices that can provide, efficiently, high electron current densities, so that, they are primary components for ion thrusters as the main source of electrons for plasma generation in the discharge chamber, and for the ion beam neutralization, as well. The Associated Plasma Laboratory (LAP) at National Institute for Space Research (INPE) has been developing hollow cathodes since 2002, and no detailed experimental studies have been carried out to characterize their performance, so far. The present dissertation brings a detailed experimental study on the discharge characterization of hollow cathodes equipped internally with rolled tantalum foil inserts and externally with enclosed keepers. Three different orifice diameters on the tips of the cathodes and enclosed keepers were tested. Discharge modes (plume, diffuse, spot and transitions) were identified, as well as, the plasma parameters were measured (the latter using a single cylindrical Langmuir probe) under different operating parameters, such as the mass flow rate, discharge voltage and current, and using argon or xenon. Three different configurations of the electrical circuit carrying the discharge current were switched, namely, anode-diode, keeper-diode and triode, depending on the stability of the cathode discharge. The data collected by the electrostatic probe were post processed using a numerical algorithm, such that, densities of electrons and ions, plasma and floating potentials, and electron temperature could be all estimated for different axial locations of the probe, apart from the keeper tip up to distances near the anode. The results obtained in this work, in terms of discharge modes and plasma parameters, are in agreement to those reported in the literature and are considered as typical ones for hollow cathodes.http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/05.29.21.11info:eu-repo/semantics/openAccessporreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPEinstname:Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)instacron:INPE2021-07-31T06:54:36Zoai:urlib.net:sid.inpe.br/mtc-m21b/2014/05.29.21.11.36-0Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttp://bibdigital.sid.inpe.br/PUBhttp://bibdigital.sid.inpe.br/col/iconet.com.br/banon/2003/11.21.21.08/doc/oai.cgiopendoar:32772021-07-31 06:54:37.36Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do INPE - Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)false |
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Hollow cathodes are devices that can provide, efficiently, high electron current densities, so that, they are primary components for ion thrusters as the main source of electrons for plasma generation in the discharge chamber, and for the ion beam neutralization, as well. The Associated Plasma Laboratory (LAP) at National Institute for Space Research (INPE) has been developing hollow cathodes since 2002, and no detailed experimental studies have been carried out to characterize their performance, so far. The present dissertation brings a detailed experimental study on the discharge characterization of hollow cathodes equipped internally with rolled tantalum foil inserts and externally with enclosed keepers. Three different orifice diameters on the tips of the cathodes and enclosed keepers were tested. Discharge modes (plume, diffuse, spot and transitions) were identified, as well as, the plasma parameters were measured (the latter using a single cylindrical Langmuir probe) under different operating parameters, such as the mass flow rate, discharge voltage and current, and using argon or xenon. Three different configurations of the electrical circuit carrying the discharge current were switched, namely, anode-diode, keeper-diode and triode, depending on the stability of the cathode discharge. The data collected by the electrostatic probe were post processed using a numerical algorithm, such that, densities of electrons and ions, plasma and floating potentials, and electron temperature could be all estimated for different axial locations of the probe, apart from the keeper tip up to distances near the anode. The results obtained in this work, in terms of discharge modes and plasma parameters, are in agreement to those reported in the literature and are considered as typical ones for hollow cathodes. |
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Os cátodos ocos são dispositivos que podem fornecer de forma eficiente alta densidade de corrente de elétrons, de modo que são componentes fundamentais para propulsores iônicos como principal fonte de elétrons para a geração de plasma na câmara de descarga e para neutralização do feixe de íons. O Laboratório Associado de Plasma (LAP) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE) tem desenvolvido cátodos ocos desde o ano 2002, e estudos experimentais detalhados para caracterizar o seu desempenho não foram realizados até o momento. A presente dissertação apresenta um estudo experimental minucioso sobre a caracterização da descarga de cátodos ocos equipados internamente com insertos de folha de tântalo e externamente com eletrodos de vigia envolventes. Foram testados três diferentes diâmetros de orifícios das ponteiras dos cátodos e dos eletrodos de vigia envolventes. Foram identificados os modos de descarga (pluma, difusivo, pontual e transições) e foram medidos parâmetros de plasma (usando uma sonda de Langmuir cilíndrica simples) para diferentes condições operacionais, onde se variaram parâmetros tais como vazão mássica, tensão de descarga e corrente de descarga e usando argônio ou xenônio. Três diferentes circuitos elétricos de corrente de descarga foram comutados, diodo com anodo, diodo com eletrodo de vigia e tríodo, dependendo da estabilidade da descarga de catodo. Os dados coletados pela sonda eletrostática foram pós-processados usando-se um algoritmo para estimar as densidades de elétrons e íons, potencial flutuante, potencial de plasma e temperatura de elétrons em diferentes posições axiais da sonda, a partir da superfície do eletrodo de vigia até perto do anodo. Os resultados obtidos neste trabalho, em termos de modos de descarga e parâmetros de plasma estão de acordo com os relatados na literatura e são considerados como os típicos para cátodos ocos. |
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