In Hall propulsion, the thrust is provided by the acceleration of ions in a plasma generated in a cross-field configuration. Standard thruster configurations have annular channels with an almost radial magnetic field at the channel exit. A potential difference is imposed in the axial direction and the intensity of the magnetic field is calibrated in order to hinder the electron motion, while leaving the ions non-magnetised. Magnetic field lines can be assumed, as a first approximation, as lines of constant electron temperature and of thermalized potential. In typical thruster configurations, the discharge occurs inside a ceramic channel and, due to plasma–wall interactions, the electron temperature is typically low, less than few tens of eV. Hence, the magnetic field lines can be effectively used to tailor the distribution of the electrostatic potential. However, the erosion of the ceramic walls caused by the ion bombardment represents the main limiting factor of the thruster lifetime and new thruster configurations are currently under development. For these configurations, classical first order models of the plasma dynamics fail to grasp the influence of the magnetic topology on the plasma flow. In the present paper, a novel approach to investigate the correlation between magnetic field topology and thruster performance is presented. Due to the anisotropy induced by the magnetic field, the gradients of the plasma properties are assumed to be mainly in the direction orthogonal to the local magnetic field, thus enabling a quasi-one-dimensional description in magnetic coordinates. Theoretical and experimental investigations performed on a 5 kW class Hall thruster with different magnetic field configurations are then presented and discussed.
ホールスラスタにおいて、推力は交差磁場配置で生成されるプラズマ中のイオンの加速によって提供される。標準的なスラスタ構成は、出口にほぼ半径方向の磁場を有する環状チャネルを備えている。軸方向に電位差が印加され、磁場強度はイオンを非磁化のまま保ちつつ電子の運動を妨げるように調整される。磁力線は、第一近似として、一定の電子温度および熱化電位の等値線とみなすことができる。典型的なスラスタ構成では、放電はセラミックチャネル内部で発生し、プラズマと壁面の相互作用により、電子温度は通常数十eV未満と低く保たれる。したがって、磁力線は静電ポテンシャルの分布を調整するために効果的に利用できる。しかしながら、イオン衝撃によるセラミック壁の侵食はスラスタ寿命の主な制限要因であり、現在新しいスラスタ構成が開発されている。これらの構成に対しては、古典的な一次元プラズマ力学モデルでは、磁場トポロジーがプラズマ流に及ぼす影響を十分に把握することができない。本論文では、磁場トポロジーとスラスタ性能の相関関係を調査するための新しいアプローチを提示する。磁場によって誘起される異方性により、プラズマ特性の勾配は局所磁場に直交する方向に主に存在すると仮定され、これにより磁力線座標に基づく準一次元記述が可能となる。5kW級ホールスラスタにおいて異なる磁場構成を用いて実施した理論的および実験的調査結果を提示し、考察する。