Development of a plasma simulation tool for Radio Frequency Ion Thrusters

Abstract

For the simulation of the inductively coupled plasma in a micro-Newton Radio Frequency Ion Thruster (RIT), PlasmaPIC was developed from scratch in this thesis. It is based on the particle in cell (PIC) method and distinguishes itself with a fully three-dimensional simulation of plasma discharge including an electrodynamic part. PlasmaPIC features the investigation of arbitrary geometries, which can be imported from common computer aided design (CAD) tools.The very long simulation time of a three-dimensional simulation is dramatically reduced by incorporating a massive parallelization using the domain decomposition method. In this context, different software parallelization libraries as well as hardware architectures, CPU and GPU, are tested and compared. The CPU architecture performing the message passing interface (MPI) is the most promising concept due to the great scalability and is employed in PlasmaPIC . Depending on the mesh size, up to one thousand cores were efficiently used.Although PlasmaPIC was designed for the modeling of inductively coupled low pressure discharges, it supports the modeling of different low pressure discharges.The capabilities of PlasmaPIC are demonstrated by showing and analyzing the results of the electrodynamic plasma discharge simulation in a micro-Newton RIT and an electrostatic DC-discharge. In detail the impact of the power deposition and the neutral gas pressure is investigated for the micro-Newton RIT. For the latter, measurements for larger RITs are available and in good agreement with the simulation results.Beside the high spatial resolution in PlasmaPIC the temporal resolution of nanoseconds reveals the moving striations in a DC-discharge as well as a considerable oscillating plasma sheath in the micro-Netwon RIT during one rf-cycle, which is hard to obtain in experiments.The main advantage of PlasmaPIC is its ability to predict plasma and performance parameters for new thruster designs on a microscopic scale. By this means PlasmaPIC introduces a new way of understanding and optimizing micro-Newton RITs Für die Simulation des induktiv gekoppelten Plasmas in einem Mikronewton-Radiofrequenz-Ionentriebwerk (RIT), wurde PlasmaPIC von Grund auf in dieser Arbeit entwickelt. Es basiert auf dem Particle in Cell (PIC)-Verfahren und zeichnet sich durch eine vollständige dreidimensionale Simulation von Plasmaentladungen aus. PlasmaPIC unterstützt die Untersuchung von beliebigen Geometrien, die von gewöhnlichen Computer Aided Design (CAD)-Tools importiert werden können.Die sehr lange Simulationszeit einer dreidimensionalen Simulation wird drastisch reduziert durch den Einbau einer massiven Parallelisierung unter Verwendung des Domänenzerlegungsverfahrens. In diesem Zusammenhang sind verschiedene Software-Parallelisierung-Bibliotheken sowie unterschiedliche Hardware-Architekturen, CPU und GPU, getestet und verglichen worden. Aufgrund der hohen Skalierbarkeit hat sich die CPU-Architektur unter Verwendung des Message Passing Interface (MPI) als das vielversprechendste Konzept herauskristallisiert und wurde in "PlasmaPIC" implementiert. Abhängig von der Anzahl der verwendeten Zellen wurden bis zu tausend Kerne effizient genutzt.Obwohl PlasmaPIC für die Modellierung der induktiv gekoppelten Niederdruckentladungen entwickelt wurde, unterstützt es die Modellierung von verschiedenen anderen Niederdruckentladungen.Die Fähigkeiten von PlasmaPIC werden anhand der Darstellung und Analyse der Ergebnisse einer Plasmaentladung in einem Mikronewton-RIT und einer elektrostatischen Gleichstromentladung aufgezeigt. Im Speziellen wird die Auswirkung der Leistungsabgabe sowie des Neutralgasdruckes in einem Mikronewton-RIT untersucht. Für letztere Untersuchung sind Messungen für größere RITs verfügbar, die gut mit den Simulationsergebnissen übereinstimmen.Neben der hohen räumlichen Auflösung besitzt PlasmaPIC eine zeitliche Auflösung im Bereich von Nanosekunden, die es ermöglicht sich bewegenden Streifen in einer Gleichstromentladung aufzuzeigen sowie eine erhebliche Oszillation der Plasmarandschicht in einem Mikronewton-RIT offenbart, die während eines rf-Zykluses stattfindet. Gerade die Oszillation der Randschicht kann nur schwer experimentell nachgewiesen werden.Der Hauptvorteil von PlasmaPIC besteht in seiner Fähigkeit, Plasma- und Leistungsparameter für neue Triebwerk-Designs auf mikroskopischer Skala vorherzusagen. Auf diese Weise eröffnet PlasmaPIC einen neuen Zugang zu einem besseren Verständnis und der Optimierung von Mikronewton-RITs.