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Über die Mehr-Photonen-Spektroskopie an Xenon zur plasmadiagnostischen Untersuchung elektrischer Weltraumantriebe
(2014) Eichhorn, Christoph; Auweter-Kurtz, Monika (Prof. Dr.-Ing. habil.)
Die Zwei-Photonen laserinduzierte Fluoreszenzspektroskopie gilt als wichtiges nicht-intrusives Verfahren zur quantitativen Bestimmung von atomaren und molekularen Grundzustandsdichten in Plasmaströmungen. In neutralem Xenon existiert eine Reihe möglicher Übergänge zur Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz für Laseranregungswellenlängen zwischen 200 und 260 nm, einem Bereich der mit durchstimmbaren, frequenzverdoppelten Farbstofflasern abgedeckt werden kann. Xenon stellt gegenwärtig den meistverwendeten Treibstoff in Ionen- und Hall-Effekt-Triebwerken dar. Die Notwendigkeit der plasmadiagnostischen Untersuchung atomarer Dichten neutralen Xenons im Freistrahl derartiger elektrischer Weltraumantriebssysteme erwächst durch das Auftreten dieser Spezies infolge von Mechanismen wie unvollständiger Ionisation des Treibstoffs in der Entladungskammer, Rekombination ionisierter Atome durch Gitter- oder Wandkollisionen oder als Beitrag der Neutralisatorströmung. Populationen neutralen Xenons nahe des Gittersystems sind darüber hinaus in physikalische Prozesse wie Ladungsaustauschreaktionen involviert, welche zu einem Rückstrom ionisierter Spezies in das Triebwerk oder auf Komponenten des Raumfahrzeugs und daraus resultierenden Beschädigungen führen können. Die Messung von Grundzustandspopulationen neutralen Xenons mit der Methode der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenz erfordert für den vorliegenden Anwendungsfall aufgrund der charakteristisch kleinen Massenströme in der Schuberzeugung elektrischer Weltraumantriebe und den daraus resultierenden geringen Teilchendichten im Bereich von typischerweise 10^{17} bis 10^{18} m^{-3} neben einem sensitiven Versuchsaufbau die Auswahl von Absorptions- und Fluoreszenzübergängen mit möglichst großen optischen Übergangsraten. In dieser Arbeit werden in einer systematischen Studie eine Reihe von Übergängen quantitativ untersucht und hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit zur Grundzustandsdiagnostik in dünnen Xenon-Plasmen, wie sie im Freistrahl elektrischer Weltraumantriebe vorliegen, diskutiert. Es werden dabei Zustände der 6p, 6p', 7p, 8p, 9p, 4f, 5f und 6f Multipletts durch Zwei-Photonen-Absorption in einer statischen Kaltgaszelle angeregt und die natürlichen Lebensdauern und Stoßdeaktivierungskoeffizienten für einige angeregte Zustände bestimmt. Relative Zwei-Photonen-Absorptionsquerschnitte werden für jeweils zwei Paare von Zuständen der 6p und 6p' Multipletts gemessen. Unter Berücksichtigung der Eigenemission des Plasmas im Freistrahl des zu untersuchenden Ionentriebwerks wird, in Bezug auf frühere Studien zur Anwendung der Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie in der Plasmadiagnostik elektrischer Weltraumantriebe, ein Anregungsschema unter Verwendung des 6p'[1/2]_0 Zustands als sinnvolle Erweiterung der bisher verwendeten Übergänge identifiziert. Weiterhin werden Messungen zur Zwei-Photonen laserinduzierten Fluoreszenzspektroskopie im Freistrahl des Radiofrequenz-Ionentriebwerks RIT-10 präsentiert. Die Untersuchungen erfolgen auf Grundlage zweier verschiedener Anregungsschemen unter Verwendung der 6p'[1/2]_0 und 6p'[3/2]_2 Zustände. Relative Grundzustandsdichten werden im Kaltgasstrom in Abhängigkeit des Massenstroms bestimmt. Bei Betrieb des Triebwerks werden Testbedingungen unter Variation des Massenstroms, sowie weiterer Betriebsparameter wie der Leistung des Radiofrequenzgenerators untersucht und diskutiert. Die Ergebnisse zeigen die Anwendbarkeit oben genannter Anregungsschemen für die plasmadiagnostische Charakterisierung des Freistrahls elektrischer Weltraumantriebe wie des hier untersuchten Radiofrequenz-Ionentriebwerks.