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

Abstract

Radyo-frekansı iyon motorları i ̧cinde bulunan ind ̈uktif etkile ̧simli plazma parame-trelerini elde etmek i ̧cin iki boyutlu eksenel simetri kullanılarak bir sayısal modelgeli ̧stirildi. Sayisal model aki ̧skan ve elektromanyetik modellerin etkile ̧simi g ̈oz ̈on ̈unealınarak olu ̧sturuldu. Model, plazmayı olu ̧sturan iyonlar, elektronlar ve n ̈otr gazins ̈ureklilik yasasina uydu ̆gu var sayılarak geli ̧stirildi. Akı ̧s parametrelerinin konum-sal da ̆gılımlari, model denklemlerinin sonlu hacimler y ̈ontemiyle SIMPLE algoritmasikullanılarak ̧coz ̈ulmesiyle elde edildi. ̇Iyon par ̧cacık yo ̆gunlu ̆gu, ̈u ̧c boyutta iyon hızda ̆gılımı, n ̈otr par ̧cacık yo ̆gunlu ̆gu, ̈u ̧c boyutta n ̈otr par ̧cacık hız da ̆gılımı, elektron akı ̧sı,elektron sıcaklı ̆gı, elektron potansiyel ve elektromanyetik alan da ̆gılımları geli ̧stirilenmodel ile hesaplandı. Elde edilen parametreler iyon motoru performansını ̈ol ̧cmek i ̧cinkullanıldı. Bu ̧calı ̧smada sunulan model ile elde edilen sonu ̧clarin literat ̈urdeki deneyler-lerle aynı e ̆gilimleri g ̈osterdi ̆gi g ̈ozlemlendi ve model ticari kullanıma a ̧cık bir yazılımlado ̆grulandı. Model C++ programlama dili kullanılarak AETHER ismi verilen yazılımbi ̧ciminde kodlandı. Modelin uygulanması sonucu bir radyo-frekansı iyon motorundaverim ile itki arasında do ̆grusal olmayan bir denge oldu ̆gu 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.