Ortsaufgelöste Multiplex-Spektroskopie an Plasmaentladungen unter Verwendung von Lichtwellenleitern und CCD-Detektoren

Abstract

Die Plasmen in elektrischen Triebwerken und ihren Neutralisatoren sind intensive Lichtquellen. Die Untersuchung ihrer Spektren bietet somit die Möglichkeit, Informationen über das Plasma zu erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein System für die Emissions-Spektrografie aufgebaut, das es erlaubt eine ausgedehnte Lichtquelle ortsaufgelöst zu spektroskopieren. Über mehrere Glasfasern wird das Licht der Quelle zum Monochromator geführt, dort spektral zerlegt und auf einem positionsempfindlichen Detektor abgebildet. Man erhält je Glasfaser ein Spektrum im gewählten Wellenlängenbereich. Als Detektor kommt ein scientific CCD des Typs ANDOR OE-DV420 zum Einsatz. Dessen Quanteneffizienz und das Transmissionsverhalten des Monochromators wurden mit Hilfe des bekannten Spektrums einer Deuterium-Lampe vermessen. Ferner wurden der durch Dunkelstrom im CCD verursachte Untergrund und dessen Rauschen untersucht. Messungen mit 14 in einem Zeilen-Array angeordneten 100um Glasfasern wurden durchgeführt. Die Fähigkeit des Systems zur bildgebenden Spektroskopie konnte hierbei erfolgreich demonstriert werden. Für jeden Bildpunkt lässt sich das Spektrum auswerten. So kann der Einfluss der Betriebsparameter auf das Triebwerk ortsaufgelöst untersucht werden. Über einen Vergleich mit theoretischen Modellen oder anderen experimentellen Untersuchungen könnte man Informationen über die Plasmaparameter der Gasentladung in verschiedenen Bereichen des Triebwerks erhalten. Zwei Ionentriebwerke wurden diesbezüglich spektroskopisch untersucht: Am High Efficient Multistage Plasma (HEMP) Thruster und am Radiofrequenz-Ionen-Triebwerk_ (RIT) wurden nicht ortsaufgelöste Messungen, am RIT zusätzlich ortsaufgelöste Messungen durchgeführt. Beim RIT konnte die Farbänderung im Leuchten der Gasentladung des Triebwerks erklärt werden, die beim Übergang vom Standby- auf den Schub-Modus zu beobachten ist. Am HEMP wurde gezeigt, dass sich ein Zusammenhang zwischen den Betriebsparametern wie Strom oder Massenfluss und den Linienintensitäten von Xe I, II und III feststellen lässt. Die bildgebende Emissions-Spektroskopie ist ein aussichtsreiches und vielfältiges Instrument, das sich als Teil der Diagnostik eines Ionen-Triebwerks eignet. Es stellt ein nicht-invasives Verfahren dar, das parallel zu anderen Diagnostik-Methoden betrieben werden kann und keine speziellen Anpassungen des Triebwerks erfordert. The plasmas in electric thrusters and their neutralizers are intensive sources of light. Analyzing their spectra offers the opportunity to gain information about the plasma. A system for emission-spectroscopy was developed, that allows for a space resolved spectroscopic examination of spacious light sources. Several glass fibers guide the light from the source to a monochromator where its spectrum is dispersed and projected onto a position sensitive detector. The quantum efficiency, dark current and noise of the ANDOR OE-DV420 scientific CCD detector have been examined. Measurements with an array of 14x100µm glass fibres demonstrate the systems's capability for imaging spectroscopy, where every pixel consists of a spectrum of the light source. Information derived from these spectra can be compared to operational parameters of the thruster, theoretical models and alternative experimental data about its plasma. With the described setup measurements on two thrusters have been conducted. They include non-space-resolved spectroscopy of the High Efficient Multistage Plasma (HEMP) Thruster and the Radiofrequency-Ion-Thruster (RIT) and additional space resolved spectroscopy of a RIT. Colour changes of the RIT's plasma discharge during transition from standby-mode to thrust-mode could be explained by the obtained spectra. The existence of a relation between massflow and the intensity of Xe I, II and III lines in the spectrum of a HEMP could be observed. The results indicate that imaging spectroscopy is a promising instrument and suitable as part of the diagnostic setup for Ion Thrusters. It is a non-invasive method that can be used parallel to other diagnostic methods.