Distribution axiale du champ électrique du propulseur de Hall PPI en géométrie 2S0
(200 V, 1 mg/s-Xe, Al2O23).
Mon équipe vient de publier un article dans le journal Plasma Sources Science and Technology sur l’évolution dans le temps du champ électrique dans la décharge en champ croisée d’un propulseur de Hall : Time evolution of the electric field in a Hall thruster, J. Vaudolon, B. Khiar, S. Mazouffre, Plasma Sources Sci. Technol. Fast Track Com. 23, 022002 (2014).
Il s’agit là d’un première puisque les oscillations naturelles du champ E à basses-fréquences n’avaient jusqu’à ce jour jamais été observées, seules des oscillations forcées avaient été mesurées (par mon équipe il y a deux ans). Je ne vais pas décrire ici le contenu de l’article et la dynamique du champ électrique autour de la fréquence dite de respiration du plasma. Les lecteurs intéressés peuvent télécharger l’article et se plonger dans les mesures par spectroscopie laser et les résultats. Je voudrais par contre m’étendre un peu sur ce que certains collègues physiciens des plasmas appellent une anomalie.
La figure ci-dessus (publiée dans l’article) montre la distribution moyenne du champ électrique dans le propulseur PPI de 200 W qui a servit à nos expériences. Le champ E est bien localisé dans la zone de fort champ magnétique comme attendu. Ce qui est beaucoup plus surprenant est la forme du profil. Dans les travaux expérimentaux et et les simulations numériques conduits jusqu’à aujourd’hui, la distribution de champ E est de type courbe en cloche, ce qui signifie que’elle possède un seul maximum qui en général est localisé au voisinage du maximum du champ magnétique. Dans nos expériences, le champ E possèdent deux maxima bien distincts, l’un à l’intérieur du propulseur, l’autre à l’extérieur. D’où le mot anomalie employé par certains.
Nous avons pu éliminer une erreur de mesures en analysant nos sources d’erreur. La méthode de calcul du champ E n’est pas à mettre en cause ici. De plus la mesure est parfaitement reproductible et un résultat identique vient d’être obtenu à l’aide d’une sonde électrostatique. Qu’elle est dont l’origine de cette distribution à deux maxima ?
A ce jour rien n’est encore certain mais la cause la plus probable est sans doute à chercher du côté de la géométrie du propulseur. Le PPI est utilisé ici dans sa version dite 2S0. La largeur du canal annulaire dans lequel la décharge plasma est produite et confinée possède une largeur double de la largeur S0 dite standard que l’on retrouve sur les propulseurs de vol par exemple (voir mes billets écrit en 2010 et 2011 sur le sujet). Mon équipe a montré que l’augmentation de la largeur du canal conduit à une augmentation significative des performances par diminution des pertes aux surfaces. Un élargissement du canal pourrait aussi avoir des conséquences sur le transport des électrons qui est à l’origine du profil du champ E. Il se pourrait qu’un canal large génère une discontinuité dans la mobilité des électrons en permettant une séparation des processus physiques. A l’intérieur le transport des électrons serait dominé par les collisions avec les parois. A l’extérieur la micro-turbulence serait à l’oeuvre. Il faut noter qu’en géométrie S0 la distribution de champ possède un seul maximum.
La diffusion des électrons à travers le champ magnétique transverse est en grande partie responsable des performances d’un propulseur de Hall. Nos travaux ont donc un intérêt fondamental mais aussi très pratique. Le chemin est encore long et sans doute sinueux avant d’obtenir une réponse claire et définitive. Il se peut même que nous fassions fausse route et qu’il nous faille repartir de zéro. La stratégie – certes classique – est dont la suivante. Il faut augmenter la quantité de données expérimentales en étudiant l’effet du gaz et du matériau, en changeant la géométrie et en conduisant des observations sur un propulseur de grandes dimensions. Il faudrait aussi que des recherches similaires soient menés par une autre équipe afin de recouper nos observations.