Über die Mehr-Photonen-Spektroskopie an Xenon zur plasmadiagnostischen Untersuchung elektrischer Weltraumantriebe

Abstract

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.

Two-photon absorption laser induced fluorescence spectroscopy represents an important non-intrusive method with respect to quantitative measurements of atomic and molecular ground state densities in plasma flows. In neutral xenon, a variety of possible two-photon transitions applying laser excitation between 200 and 260 nm exists, which corresponds to a wavelength range that is covered with tunable, frequency doubled dye lasers. For engineering and physical reasons, xenon is currently the favored propellant in ion- and Hall-effect thrusters. There is a need for plasmadiagnostic measurements of the densities of neutral xenon in the plume of such electric thrusters, since this species occurs due to mechanisms like incomplete ionization of the propellant in the discharge chamber, recombination of the ionized particles in collisions with the chamber walls or components of the grid system, as a contribution of the neutralizer flow, or as a background species in vacuum ground test facilities. In addition, populations of neutral xenon that reside in the exit area of the thruster near the grids are involved in physical processes like charge exchange transfer, which can finally produce a backflow of ionized particles into the thruster or striking other crucial components of the space vehicle, leading to damage of critical components such as the grid system or solar arrays.

The application of two-photon absorption spectroscopy for the plasmadiagnostic investigation of neutral xenon ground state populations in the plume of electric thrusters is challenging due to the low particle densities of the order 10^{17} to 10^{18} m^{-3} related to the small mass flows that are characteristical for such electric propulsion devices. Therefore, besides a sensitive experimental set-up, the selection of an efficient excitation scheme with respect to large transition rates of the two-photon absorption process and the selected fluorescence transition, is of importance to detect analyzable signal intensities.

Within this work, a variety of two-photon excitation schemes is investigated within a systematic study, and discussed with regard to their feasibility for quantitative ground state diagnostics in a thin xenon plasma. Levels of the 6p, 6p', 7p, 8p, 9p, 4f, 5f and 6f multiplets are excited by laser induced two-photon absorption in a static cold gas cell. Natural lifetimes and collisional deactivation coefficients are measured for a number of two-photon excited levels. Relative two-photon absorption cross sections are measured for two pairs of levels of the 6p and 6p' multiplets. With regard to an emission spectroscopic analysis of the plasma emission in the plume of the investigated ion thruster, an excitation scheme involving the 6p'[1/2]_0 level is found as a useful extension to formerly applied two-photon transitions for ion thruster plasmadiagnostic investigations.

In addition, results of two-photon absorption laser-induced fluorescence measurements in the plume of the radiofrequency ion thruster RIT-10 are reported. In these investigations, two different transitions for two-photon absorption, using excitation of the 6p'[1/2]_0 and 6p'[3/2]_2 levels, are applied. Relative ground state densities are measured in the cold gas flow for different mass flows. During thruster operation, test conditions with variation of the mass flow, and other operational parameters such as the power of the radiofrequency generator, are investigated and discussed. The results demonstrate the feasibility of two-photon absorption laser induced fluorescence spectroscopy involving the two excitation schemes mentioned above for plasmadiagnostic investigations of neutral xenon species in the plume of electric propulsion systems such as the radiofrequency ion thruster RIT-10.