MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■035    ▼a(MiAaPQ)umichrackham005383
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aBrown,  Zachariah  A.
■24510▼aSmall-scale  Instability  Driven  Electron  Transport  in  Hall  Thrusters
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Michigan▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a163  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  85-12,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Jorns,  Benjamin  Alexander.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Michigan,  2024.
■520    ▼aThere  is  an  increasing  demand  for  efficient  electric  propulsion  technologies  for  orbital  station  keeping  and  deep-space  missions.  Hall  effect  thrusters,  as  a  leading  form  of  electric  propulsion,  exhibit  superior  propellant  efficiency  through  high  specific  impulse  values,  resulting  in  significant  reductions  in  mission  costs  and  propellant  mass.  This  has  led  to  their  extensive  utilization  for  spacecraft  applications,  including  orbit-raising  maneuvers,  attitude  control,  and  interplanetary  propulsion.  However,  despite  their  widespread  use  the  underlying  physics  governing  the  operation  of  Hall  thrusters  are  not  fully  understood.  Due  to  the  lack  of  understanding  of  key  physical  processes,  currently  Hall  thrusters  cannot  be  readily  simulated,  and  the  development  of  new  systems  heavily  relies  on  costly  and  time-consuming  experimental  testing.Our  research  aims  to  delve  into  the  first  principles  of  Hall  thruster  physics  and  address  several  deficiencies  in  our  understanding  that  impede  predictive  simulations.  Notably,  the  transport  of  electrons  across  the  magnetic  field  lines  of  Hall  thrusters  is  orders  of  magnitude  greater  than  predicted  by  simple  fluid  models.  The  Hall  thruster  modeling  community  has  recently  reached  a  consensus  that  plasma  turbulence  is  the  most  likely  cause  of  this  anomalous  cross-field  transport.  In  this  work,  we  experimentally  validate  the  role  of  electron  drift  instability  (EDI)  in  electron  transport  within  Hall  thrusters.  Despite  widespread  consensus  on  its  significance,  this  topic  has  predominantly  relied  on  numerical  simulations  with  limited  experimental  validation.  These  simulations  exhibit  notable  disparities  concerning  the  formation  of  the  EDI,  relevant  oscillation  frequencies  and  wavelengths,  and  the  extent  of  the  resulting  electron  transport.  Such  uncertainties  impede  the  development  of  precise  and  universally  applicable  low-fidelity  models  that  accurately  represent  electron  transport.  To  address  these  ambiguities,  we  employ  experimental  methodologies,  including  the  direct  measurement  of  EDI  using  electrostatic  probes  inserted  into  a  Hall  thruster.  These  probes  measure  high-speed  plasma  density  oscillations,  and  subsequent  spectral  analyses  of  these  measurements  offer  insights  into  the  dispersion  relation  of  the  EDI,  its  growth  and  saturation  patterns,  and  the  level  of  induced  electron  transport.  Our  measurements  identified  the  presence  of  plasma  waves  characteristic  of  the  electron  drift  instability.  Furthermore,  through  bispectral  analysis,  an  inverse  energy  cascade  was  identified  whereby  the  EDI  initially  grows  following  its  linear  dispersion  relation  at  discrete  resonance  frequencies.  Subsequently,  the  resonances  couple  together,  transferring  energy  from  high  frequency  and  small  wavelength  to  low  frequency  and  long  wavelength.  This  energy  cascade  occurs  as  the  waves  propagate  downstream  of  the  Hall  thruster,  where  eventually  most  of  the  wave  energy  belongs  to  the  long-wavelength  component.  These  experimental  findings  serve  as  validation  for  several  simulation  and  modelling  effort  the  first  proposed  these  mechanisms.  Moreover,  we  utilized  these  measurements  of  plasma  wave  properties  to  calculate  the  wave-driven  anomalous  cross-field  transport  and  validated  these  calculations  through  laser-based  measurement  of  the  true  cross-field  transport  levels.  This  provides  the  first  experimental  proof  that  the  EDI  is  the  mechanism  controlling  electron  transport  in  Hall  thruster  plasma  plumes.  Overall,  this  investigation  enhances  the  understanding  of  the  EDI's  characteristics,  advances  electron  transport  models,  and  brings  the  field  one  step  closer  to  predictive  Hall  thruster  modeling. 
■590    ▼aSchool  code:  0127.
■650  4▼aPhysics
■650  4▼aAerospace  engineering
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■650  4▼aElectrical  engineering
■653    ▼aHall  thrusters
■653    ▼aElectron  transport
■653    ▼aBispectral  analysis
■653    ▼aDiscrete  resonance  frequencies
■653    ▼aElectron  drift  instability
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■690    ▼a0605
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■690    ▼a0607
■690    ▼a0791
■71020▼aUniversity  of  Michigan▼bAerospace  Engineering.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g85-12B.
■790    ▼a0127
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17162781▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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