An experimental study of the interactions with low frequency instabilities in hall thrusters

Hall Thrusters oscillations have been studied for a long time. The complex dynamics of the plasma formed and accelerated by these devices makes numerical simulations not easy and the physical interpretation of the observed behavior during experiments is still not fully satisfying. More recent is the attempt to interact with the so called low frequency instabilities, characterized by frequencies in the range of tens of kHz; eventually the partial or total dampening of these oscillations throughout active systems is pursued. This thesis aims to expand the interaction capability with low frequency oscillations by the modulation of the magnetic field used in Hall thrusters throughout a different system architecture compared to the previous ones used in past studies. A prototype of the system is thus conceived, described and built; data aquired during a preliminary experimental testing process are then discussed. Two different thrusters and three cathodes have been used during the laboratory experience. While numerous open loop interaction phenomena have been observed proving a successful result for a non ordinary system architecture, the instabilities control performances of the closed loop configuration are still unsatisfactory. It is thus confirmed that the presented interaction strategy is, at least at this date, too complex and not understood enough to be successfully applied for control purpose. On the other hand, the open loop interaction could definitely bring new insight on the dynamics of Hall thrusters. In appendix A the refurbishment and improvement of a modern hollow cathode is reported. The rebuilt cathode opens the possibility of using an existing higher power laboratory Hall Thruster designed to run on Nitrogen, allowing in this way the testing of the described system on this kind of device and other experimental studies as well.

I fenomeni oscillatori presenti negli Hall Thruster sono da lungo tempo oggetto di studio. La loro simulazione e l’interpretazione fisica di ciò che viene sperimentalmente osservato è, in alcuni casi, ancora non del tutto soddisfacente a causa della complessa dinamica del plasma presente all’interno di tali propulsori. Più recente è invece il tentativo di interagire con le instabilità aventi frequenze nell’ordine delle decine di kHz, dette instabilità di bassa frequenza, ed eventualmente rimuoverle, o quantomeno attenuarle, attraverso sistemi attivi. Questa tesi vuole estendere attuali le potenzialità d’interazione con tali fenomeni oscillatori attraverso la modulazione del campo magnetico presente nei propulsori ad effetto Hall utilizzando una diversa architettura rispetto alle precedenti. Viene quindi concepito, descritto e realizzato un prototipo di tale sistema che dimostrerà, in parte, la desiderata interazione col propulsore. Segue quindi l’analisi dei dati ottenuti da una preliminare indagine sperimentale condotta su due propulsori Hall affiancati da tre diversi catodi. Nonostante siano numerosi i fenomeni osservati nella configurazione ad anello aperto, i risultati relativi al controllo in anello chiuso delle instabilità descritte restano ancora fortemente limitati. Ciò conferma come tale strategia d’interazione risulti, almeno ad oggi, troppo complessa e non sufficientemente analizzata da un punto di vista teorico, per permetterne una vincente applicazione nello smorzamento attivo delle instabilità di plasma e propulsore. La dimostrata capacità di interazione in anello aperto offre invece una preziosa fonte di nuovi dati sperimentali, la cui analisi potrebbe fornire nuova luce sulla dinamica dei propulsori Hall. In appendice A si descrive il processo di ricondizionamento e miglioramento di un moderno catodo cavo di media potenza che consentirà di utilizzare un esistente propulsore da laboratorio di potenza superiore ed alimentato con propellente non convenzionale, l’azoto, offrendo quindi la possibilità di testare il sistema di interazione sviluppato su tale dispositivo, così come l’opportunità di svolgere altri tipi di indagini sperimentali.