The objective of this thesis is to provide a better understanding of various physical phenomena related to microplasmas/microdischarges. For this purpose, arrays of microreactors on silicon were studied. Different array configurations were fabricated to analyse the influence of each parameter on the physical operation of these devices. The present work focuses on the development and characterisation of micro-discharge devices based on silicon. In this thesis, direct current (DC) and alternating current (AC) regimes are studied using different discharge configurations. For the fabrication of these reactors, Silicon wafers are structured and processed in a cleanroom. Fabrication technology used is compatible with the CMOS technology. The microreactors are fabricated with nickel and silicon electrodes, separated by a dielectric layer of SiO2 with a thickness of 6 μm. The thickness of the dielectric is much lower here than the microreactors studied so far. The devices consist of cavities with 25 to 150 μm in diameter. Experiments of the microdischarges are performed in inert gases at a pressure between 100 and 1000 Torr. We first studied the phenomena of ignition and extinction for the microdevices based on alumina. Then, we studied the microreactors based on silicon containing 1 to 1024 cavities under DC and AC regimes. Characteristics of microdischarges were studied by electrical measurements, measurements of optical emission spectroscopy (OES), laser diode absorption spectroscopy (DLAS) and phase resolved optical emission spectroscopy (PROES). These diagnostics allowed us to investigate the phenomena of ignition, extinction, instability and failure mechanisms of the microplasma devices. This thesis work allowed testing the performance and technological limitations of the silicon based microdischarge arrays. Particular attention was paid to their life time.

Electric Propulsion (EP) is widely acknowledged as a crucial technology for future space missions, offering significant propellant savings and enabling exploration of planetary missions with smaller spacecraft (s/c). For precise attitude control of these smaller spacecraft, Field Emission Electric Propulsion (FEEP) has emerged as a favorable option due to its exceptional thrust controllability. However, the successful operation of FEEP, as well as most other EP systems, relies on an electron source, typically a Hollow Cathode (HC), to neutralize the ion beam. This cathode’s behavior must be characterized through ground testing before being integrated with the thruster. Once integrated, the whole thruster undergoes further testing. While the testing phase plays an essential role in achieving mission objectives, there is a scarcity of comprehensive papers describing the design of test setups for cathodes, such as Heaterless Hollow Cathode (HHC), or EP thrusters like FEEP. The lack of detailed information makes it challenging for those not well-versed in this particular testing methodology to effectively replicate the tests. In an effort to address this issue, this thesis utilizes literature studies and thermal analyses to propose a HHC test setup by focusing on the anode configuration and the electrical interface; Subsequently, parts of this HHC test setup are reused in a conceptual vacuum chamber adaptation, facilitating testing of FEEP. Specifically, for the HHC setup, two stainless steel plate-shaped anodes are manufactured, and an accompanying electrical schematic diagram is presented to demonstrate the proper connection of power supplies and other necessary equipment. For the FEEP setup, a chevron beam target, an aluminum shield to protect the pump, and a heat-dissipating stand are introduced. These two test setups, along with the underlying motivation, can ideally simplify future cathode and thruster testing processes, especially for those having limited familiarity with this subject matter. / Elektrisk framdrivning är allmänt erkänt som en avgörande teknologi för framtida rymduppdrag eftersom elektrisk framdrivning erbjuder betydande bränslebesparingar och möjliggör utforskning av planetära uppdrag med mindre rymdfarkoster. För exakt styrning av dessa mindre rymdfarkoster har fältjonisationsframdrivning framträtt som ett fördelaktigt alternativ på grund av sin exceptionellt styrbara drivkraft. Dock är den framgångsrika driften av fältjonisationsframdrivning, liksom de flesta andra elektriska framdrivningssystem, beroende av en elektronkälla, vanligtvis en hålkatod, för att neutralisera jonstrålen. Denna katods beteende måste karakteriseras genom marktester innan den integreras med drivsystemet. Efter integrationen genomgår hela drivsystemet ytterligare tester. Trots att testfasen spelar en avgörande roll för att uppnå uppdragsmålen finns det en brist på omfattande rapporter som beskriver utformningen av testupplägg för katoder, såsom värmelösa hålkatoder, eller elektriska framdrivningssystem så som fältjonisationsframdrivning. Den bristfälliga informationen gör det svårt för dem som inte är insatta i denna specifika testmetodik att effektivt replikera testerna. I ett försök att lösa detta problem använder denna avhandling litteraturstudier och termiska analyser för att föreslå en testuppsättning för en värmelös hålkatod genom att fokusera på anodkonfigurationen och det elektriska gränssnittet; Därefter återanvänds delar av denna värmelösa hålkatods-testuppsättning i en konceptuell vakuumkammar-anpassning för att underlätta testning av fältjonisationsframdrivning. Specifikt för den värmelösa hålkatods-uppsättningen tillverkas två platta anoder av rostfritt stål, och ett tillhörande schematiskt diagram över det elektriska gränssnittet presenteras för att demonstrera korrekt anslutning av strömförsörjning och annan nödvändig utrustning. För fältjonisationsframdrivnings-uppsättningen introduceras ett chevron-mönstrat jonstråle-mål, ett aluminiumskydd för pumpen och ett värmeavledande stativ. Dessa två testuppsättningar, tillsammans med den underliggande motiveringen, kan i bästa fall förenkla framtida testprocesser för katoder och drivsystem, särskilt för dem som har begränsad kännedom om ämnet.