Numerical model for axisymmetric inductively coupled plasma (ICP) in radio-frequency (RF) ion thrusters

Abstract

Radyo-frekansı iyon motorları içinde bulunan indüktif etkileşimli plazma parametrelerinielde etmek için iki boyutlu eksenel simetri kullanılarak bir sayısal modelgeliştirildi. Sayısal model akışkan ve elektromanyetik modellerin etkileşimi göz önünealınarak oluşturuldu. Model, plazmayı oluşturan iyonlar, elektronlar ve nötr gazınsüreklilik yasasına uyduğu var sayılarak geliştirildi. Akış parametrelerinin konumsaldağılımlari, model denklemlerinin sonlu hacimler yöntemiyle SIMPLE algoritmasıkullanılarak çözülmesiyle elde edildi. İyon parçacık yoğunluğu, üç boyutta iyon hızdagılımı, nötr parçacık yoğunluğu, üç boyutta nötr parçacık hız dağılımı, elektron akışı,elektron sıcaklığı, elektron potansiyel ve elektromanyetik alan dağılımları geliştirilenmodel ile hesaplandı. Elde edilen parametreler iyon motoru performansını ölçmek içinkullanıldı. Bu calışmada sunulan model ile elde edilen sonuçlarin literatürdeki deneylerlerle aynı egilimleri gösterdiği gözlemlendi ve model ticari kullanıma açık bir yazılımla doğrulandı. Model C++ programlama dili kullanılarak AETHER ismi verilen yazılımbiciminde kodlandı. Modelin uygulanması sonucu bir radyo-frekansı iyon motorundaverim ile itki arasında doğrusal olmayan bir denge olduğu ortaya konuldu.

A numerical model is developed to evaluate the inductively coupled plasma properties in a 2-D axisymmetric domain inside an RF ion thruster discharge chamber. The model is built by incorporating an electromagnetic model with a fluid model to describe the plasma. The three species, ions, electrons and neutrals, inside the plasma are modeled assuming that they obey the continuum approach. The spatial distributions of flow parameters are obtained by solving the fluid equations with the SIMPLE algorithm using the finite volume discretization. The flow parameters that can be monitored are ion number density, ion velocity in three dimensions, neutral number density, neutral velocity in three dimensions, electron flux, electron temperature, electric potential and electromagnetic fields. The resulting flow parameters are used to evaluate the thruster performance and efficiency. The model presented in this study demonstrates the same tendency with the experimental results from the literature and verified through comparison with commercial codes. The code is implemented as a software framework, which is named as AETHER, using C++ programming language. The model lays out that after a certain amount of power deposition, there is a trade-o between the efficiency and the thrust in an RF ion thruster.