Electric propulsion such as a pulsed plasma thruster, an ion thruster, and a Hall thruster, has been widely studied and developed for a variety of space missions including formation flying and micro-spacecraft constellation due to their advantages of providing a highly specific impulse and a reduced propellant mass in comparison with conventional propulsion. The basic concept of electric propulsion was developed in the early 1900s, and one of the electric propulsion, which is a stationary plasma thruster (SPT), was first launched into space in 1971 into space for station keeping on communication satellite. Electric propulsion can be classified into electrothermal, electrostatic, and electromagnetic types based on the operating principle. Electric propulsion has steadily been used for space missions like station keeping on satellites, and more difficult missions such as the Hayabusa asteroid sample return mission. As the demand for simple and advanced missions in space increases, electric propulsion will be an essential device for space applications in the near future. A Hall thruster is an electrostatic type electric propulsion, which generates plasmas by Hall effects in the channel. In general, electrons are supplied from a cathode, and magnetic fields are produced by electromagnets or permanent magnets that retain electrons at the end of the channel so that ionized ions are accelerated by electric fields. Hall thrusters have a simple and compact device structure and show a higher thrust density and a specific impulse at a given power on account of unlimited space charges. These make a Hall thruster more valuable for space applications. There are two types of Hall thrusters: annular type and cylindrical type. The annular type thruster has been studied since the 1960s, but recently, the cylindrical type thruster, which does not have an inner magnetic core and an inner wall, has been developed to make up for the shortcomings of the annular type Hall thruster.
In this dissertation, we reported a study on the generation of multiply charged ions and its effects on the thruster performance as well as the ion beam characteristics in Hall thruster plasmas. Ion beam characteristics related to the multiply charged ions are dependent on the geometrical structures. Two types of thrusters, a cylindrical Hall thruster (CHT) and an annular Hall thruster (AHT), are compared under an identical condition including an identical channel diameter, channel depth, and propellant mass flow rate. A high propellant utilization in a CHT is caused by a high ionization rate, which leads to a large fraction of multiply charged ions. Ion currents and utilizations are very different due to the presence of multiply charged ions. Furthermore, multiply charged ions and plume characteristics in Hall thruster plasmas are investigated with regard to the magnetic field configuration. Differences in the plume shapes and differences in the fractions of ions with different charge states are demonstrated in the counter-current and co-current magnetic field configurations. The number of multiply charged ions is much higher, and high-charge-state ions including $Xe^{4+}$ are observed in the co-current configuration.
Multiply charged ions have an influence on the thruster performance as well as the ion beam characteristics. In two typical magnetic field configurations of a CHT, ion beam characteristics, such as ion current, propellant efficiency, ion energy distribution, and ion fractions with different charge states, are obviously different. Therefore, these features bring about different thruster performances. Furthermore, large fractions of multiply charged ions and high ionization rates are observed and they have a strong influence on the thruster performance and the ion beam characteristics. The overall relationship between the thruster performances and plume characteristics under different magnetic field configurations is studied in relation to the multiply charged ions.
Finally, we analyzed the significant parameters such as the thruster performance, the beam characteristics including geometrical and magnetic configurations, the magnetic mirror effects, the ion energy distribution function, and the multiply charged ion fractions to understand the effects of these characteristics on the generation of multiply charged ions. Among the co-current and counter-current configurations of the CHT and the AHT, the co-current configuration shows the highest fractions of multiply charged ions and high energetic ions and the widest full width at half maximum. In particular, for the CHT, the region where the magnetic fields are broadly distributed has a great influence on the fraction of multiply charged ions, and it is confirmed by altering the channel length of the CHT. The distribution of the magnetic field is related to the electron confinement so that the broad region where magnetic fields are distributed in the CHT could enhance the probability of the stepwise ionization in the channel due to broadly confined electrons.
플라즈마 이온 빔 소스는 코팅 및 식각 등 의 산업공정에서 표면처리를 위한 기술로 활용되며, 궤도 천이와 자세 제어와 같은 우주임무수행을 위한 위성의 엔진으로 다양하게 활용되고 있다. 전기추력기는 플라즈마 이온 빔 소스 중 하나로 화학식추력기와 다르게 높은 이온분사속도와 연료효율을 바탕으로 편대비행, 위성군 등 다양한 우주 탐사 및 임무 활용을 위해 개발 및 연구되고 있다. 홀 추력기는 정전기방식의 전기추력기로 비교적 다른 전기추력기보다 비교적 간단한 구조를 가지며, 그리드가 없어 높은 추력 밀도를 낼 수 있어 위성의 여러 임무수행에 활용 되고있다. 또한, 최근에는 편대비행과 위성군과 같은 다양한 우주 임무 수행을 위한 소형 및 마이크로 위성의 수요가 증가함에 따라, 저전력 홀 추력기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 저전력 홀 추력기는 감소된 소모 전력과 유량으로 인하여 방전 공간의 감소가 필요하며, 방전 공간의 감소는 채널 벽의 부식 및 발열, 전자 전류의 증가 등으로 인한 효율 감소가 나타나게 된다. 이와 같은 문제를 감소시키기위해, 단위 체적당 방전 공간의 부피가 큰 원통형 홀 추력기가 저전력 활용을 위해 최근 활발히 연구되고있다. 원통형 홀 추력기의 가장 큰 특징 중 하나는 높은 이온화 율로 알려져 있으며, 이는 전기추력기의 장점인 연료량 감소와 탑재량 증가를 극대화 시킬 수 있다. 높은 이온화 율은 다중 이온에 의한 효과일 것이라는 가능성만이 추측되어왔다. 하지만, 기존의 고리형구조에서 거의 발견되지 않은 높은 이온화 율과 다중 이온에 대한 연구는 활발히 진행되지 않았다. 본 학위논문에서는 홀 추력기 플라즈마의 다중 이온 발생과 다중 이온이 성능 및 이온 빔 특성에 미치는 효과에 대한 내용을 연구하였다. 다중 이온은 높은 운동량으로 인해 추력기의 성능, 이온 및 전류 효율, 이온 빔 특성에 큰 영향을 미치며, 높은 이온화 율과 관련 있는 다중 이온의 생성 비율은 추력기구조와 자기장구조, 운전압력 등 다양한 요소들에 따라 달라진다.
홀 추력기의 대표적인 구조인 고리형구조와 원통형구조에 따른 차이를 보면, 원통형구조에서는 고리형구조와는 다르게 높은 다중 이온의 비율과 이온화율로 인하여 연료효율이 100%보다 크게 나타났다. 동일한 방전 전압, 유량 조건에서 추력 및 비추력은 모두 원통형구조에서 더 높게 나타났으며, 이는 더 높은 이온화 율과 다중 이온 비율로 인해 더 높게 나타났다. 하지만, 높은 다중 이온 생성 비율은 방전 전류를 증가시킬 수 있기 때문에 전력소모량이 증가 할 수 있다는 단점을 보였다. 자기장에 따른 효과를 살펴보면, 크게 원통형 구조의 자기장구조는 co-current 구조와 counter-current 구조로 나누어지며 자기장구조에 따라 큰 차이를 보였다. 전체 다중 이온의 비율은 co-current 구조에서 약 11% 더 높게 나타났으며, $Xe^{4+}$ 이온도 나타났다. 측정된 추력 및 비추력 모두 co-current 구조에서 더 높게 나타났으며, 이는 증가된 이온화 율과 다중 이온의 비율과 밀접하게 관련되어있다.
자기장구조와 이온 빔의 특성과 밀접한 관련이 있는 다중 이온의 생성 원인에대해서 살펴보면, 자기장구조 및 기하구조에 따라서 다중 이온과 이온 에너지 분포 함수가 매우 다르게 나타났다. 원통형 추력기의 Co-current 구조에서 가장 많은 다중 이온과 반값 폭이 나타났으며, 고리형구조에서 가장 적은 다중 이온과 반값 폭이 나타났다. 원통형구조에서 다중 이온의 생성 비율은 자기미러효과에 따라서는 소폭 변화하였으며, 방전 채널의 길이 감소에 따라서는 크게 감소하였다. 다중 이온의 비율은 다른 자기장 구조에서도 자기장이 분포한 공간이 유사할 때, 비슷하게 나타났으며 추력 측정 결과도 유사하게 나타났다. 따라서, 자기장 분포 공간은 전자의 구속과 밀접히 관련 되어 있으며, 넓은 구간에 분포한 자기장은 이온화 율을 증가 시킬 수 있다. 넓은 구간에 분포한 전자들은 이온이 가속 구간에 도달하기 전에 단계적으로 이온화 율을 증가시킬 수 있다.
원통형구조에서 자기장구조에 따라 추력 성능과 이온 빔 특성이 크게 다르게 나타났다. Co-current 구조의 경우 이온 빔 분사 각도와 전자 전류가 더 작게 나타났지만, 이온 전류와 연료 효율은 counter-current 구조와 비교하여 더 높게 나타났다. 이온에너지분포함수의 최빈값은 유사하였으나, 빠른 이온들에 의해 반값 폭은 co-current의 경우가 더 넓게 나타났다. 실제 측정된 추력과 다중 이온 효과와 플라즈마 플룸 각도 및 연료효율들을 고려한 계산된 추력은 전반적으로 일치하였으며 co-current 구조에서 높게 나타났다. 높은 비율의 다중 이온과 관련된 높은 이온화 율과 낮은 전자 전류, 작은 분사 각도와 같은 특성들이 co-current 구조에서 더 큰 추력을 갖게 하였으며, co-current 구조의 높은 이온화율과 다중 이온 비율에 의해서 높은 추력이 나타났다.
