The plasma parameters temporal evolution of a 30 W-class Vacuum Arc Thruster equipped with a Ni-Cr cathode is examined in the far-field region of the plasma jet. Measurements have been performed 20 cm downstream of the arc region where the plasma is created. The thruster operated at 1 Hz with 25 μs duration current pulses. The maximum current intensity reaches 4000 A about 8 μs after the discharge ignition. The change in the electron density, electron temperature and plasma potential during the short high-current pulse has been obtained by means of time-resolved Langmuir probe measurements. A time-of-flight technique based on a planar probe has been used to determine the mean ion velocity in the plasma jet. In addition, a Faraday cup allowed the determination of the ion current density. The electron density peaks at ∼ 8×10¹⁷ m⁻³ at 12 μs. The electron temperature is above 25 eV at 7 μs and then it stabilizes around 5 eV. Several ion populations are identified. The lowest ion mean velocity amounts to 20 km/s. Interestingly, combining all data allows to assess the ion mean electrical charge and its temporal behavior. The mean charge reaches 12 a few μs after ignition. It decays quickly afterwards and stays unchanged at 2 beyond 10 μs. Analysis of all the results support the idea of two distinct plasma discharge regimes.

Measurements of ion speed in the plume of a pulsed high-current vacuum arc thruster were performed by means of electrostatic probes. The probes were designed to provide direct speed measurements with minimum disturbance on the plasma jet. Typical mean values of $v_i$ for Ti and Cu cathodes are determined at different locations downstream of the electrodes, in the far field region. From one VAT discharge to another, the mean ion speed strongly varies which leads to a large statistical dispersion. Single-shot analysis allows the observation of the plume anisotropy and its high divergence as well as the existence of several ion groups of different speeds throughout a discharge.

The apparent movement of plasma emission sites across the cathode surface of a 30 W high-current vacuum arc thruster is examined using high-speed imaging. Images captured at a frame rate of 450 000 fps reveal the temporal evolution of the cathode spot distribution over the course of a single current pulse. Films were recorded with a titanium cathode and a copper anode. A comparison with the discharge current shows a locally high current density, on the order of 10⁹ A m⁻². Quantitative analysis on clustering of cathode spots, and the mapping of their trajectory over the cathode surface offer insights into the cathode erosion dynamics.

Impact du matériau de la cathode sur les performances et le comportement du plasma d'un propulseur à arc sous vide à fort courant: Les propulseurs à arc sous vide représentent une technologie de propulsion spatiale innovante, légère et compacte. Ils fonctionnent en générant des arcs électriques qui, dans le vide de l'espace, vaporisent et ionisent le matériau composant la cathode. Ce dernier est expulsé à grande vitesse ce qui génère ainsi une poussée dans la direction opposée. Ces propulseurs sont particulièrement adaptés aux petits satellites grâce à leur simplicité, leur faible consommation énergétique et leur utilisation d'un ergol solide, ce qui minimise leur masse. Cependant, la physique des arcs sous vide dans un contexte de propulsion reste encore partiellement méconnue. En particulier, la dynamique de l'érosion de la cathode nécessite des travaux de recherche approfondis pour comprendre, et donc optimiser, l'utilisation des ergols. Dans cette thèse, le comportement du plasma généré par le PJP, un propulseur à arc sous vide développé par l'entreprise COMAT, est analysé à l'aide de divers moyens expérimentaux. Ce propulseur se distingue par sa compacité et sa capacité à développer un fort courant sur une impulsion très brève. Des campagnes de mesures résolues en temps par sondes électrostatiques montrent une densité de plasma élevée, ainsi qu'une vitesse des ions supérieure à celle trouvée dans d'autres propulseurs du même type. Différentes méthodes d'imagerie révèlent que les pieds de l'arc électrique forment des motifs fractals à la surface de la cathode. La façon dont ces motifs se forment, et la manière dont le matériau de la cathode influence leur géométrie, est analysée et interprétée. Enfin, la corrélation entre les phénomènes observés à l'échelle microscopique et les performances globales du propulseur est examinée. Les conclusions de ce travail posent les bases d'une compréhension plus aboutie des processus physiques à l'œuvre dans les propulseurs à arc sous vide, ouvrant la voie à leur optimisation future.