Il catodo neutralizzatore

Uno dei sottosistemi più importanti nei propulsori ad effetto Hall è sicuramente il catodo, che deve assolvere la duplice funzione di sorgente di elettroni primari per la ionizzazione del propellente nella camera e di sorgente di elettroni per la neutralizzazione del flusso ionizzato in uscita dal propulsore. I catodi cavi (Hollow Cathodes - HC) funzionano secondo il principio fisico dell’emissione termoionica, che è il rilascio spontaneo degli elettroni da un materiale quando esso è portato alla temperatura necessaria, denominato inserto o emettitore. La geometria più semplice è quella di un catodo cavo cilindrico che, a seconda della geometria alla sezione di uscita, sono stati classificati da Katz [51] in tre categorie. Se alla sezione di uscita è presente un disco forato, è possibile definire il rapporto di aspetto come il rapporto tra la lunghezza del foro e il suo diametro. Per grandi valori del rapporto di aspetto (vale a dire piccoli diametri), il catodo opera ad un’elevata pressione interna e una frazione significativa della potenza si deposita nella piastra di estremità anche dovuto ad un intenso bombardamento ionico sulle pareti dell’orifizio. In questo caso, l’inserto si riscalda principalmente dal flusso conduttivo tra la piastra e l’inserto, così come dalla radiazione termica del plasma nell’orifizio e il catodo è classificato come catodo cavo con orifizio (Orificed Hollow Cathode – OHC). Man mano che il diametro dell’orifizio aumenta, la pressione diminuisce e il riscaldamento dell’inserto risulta prevalentemente dal bombardamento delle particelle del plasma. Quando il diametro dell’orifizio raggiunge le dimensioni del diametro del tubo catodico, si ottiene l’architettura del catodo cavo a singolo canale (Single Channel Hollow Cathode), che operano a pressioni molto più basse, nell’ordine di 102 𝑃𝑎 e il bombardamento ionico risulta il meccanismo dominante del riscaldamento dell’emettitore. La scelta del primo tipo di geometria, permette la formazione di un plasma denso nella zona dell’inserto, che evita il problema della saturazione dello spazio di carica delle pareti e contemporaneamente limita la temperatura elettronica a valori al di sotto dei 5 eV. La pressione del plasma in questa zona è dell’ordine di 103 _{~ 10}4 _{𝑃𝑎, , fattore che permette di limitare la portata di gas necessaria al}

funzionamento.

Idealmente, le caratteristiche del plasma nel catodo neutralizzatore possono essere divise in tre regioni principali, che sono quelle dell’inserto emettitore (Emitter), dell’orifizio (Orifice) e dell’elettrodo di mantenimento, anche detto Keeper. Uno schema del OHC è mostrato nella Figura

182 5.38. I propulsori ad effetto Hall utilizzano tipicamente un singolo catodo cavo per il loro funzionamento, anche se molti modelli sono equipaggiati con due unità per ridondanza.

Figura 5.38 Schema dell’architettura del catodo neutralizzatore.

Il tubo catodico è ricoperto da un riscaldatore che viene utilizzato nella fase di accensione per portare il materiale dell’inserto fino alla temperatura di emissione termoionica e una volta che il dispositivo raggiunge le condizioni di regime, il calore prodotto nella scarica è sufficiente a mantenere la temperatura dell’inserto e il riscaldatore può essere spento.

Il rilascio degli elettroni dal materiale dell’inserto per emissione termoionica è un fenomeno importante che determina le caratteristiche di consumo di potenza e di rendimento del catodo cavo. La scelta del tipo di materiale dell’inserto dipende principalmente dalla preferenza di una bassa funzione di lavoro, dal tasso di evaporazione e dalla resistenza all’avvelenamento da parte di impurità presenti nel propellente. I materiali di uso più comune per gli inserti degli OHC, sono il tungsteno impregnato in ossidi di bario (BaO – W) e l’Esaboruro di Lantanio (LaB6). Il materiale BaO – W è un mosto di bario e allumina impregnato in una matrice di tungsteno che possiede una bassa funzione di lavoro, intorno agli 1,6 eV e può emettere elettroni a temperature al di sotto dei

183 1000 °C. Purtroppo questo materiale è molto sensibile all’avvelenamento e richiede la massima purezza del propellente, oltre che una pulitura della superficie dell’inserto nella fase previa all’avviamento, che aumenta i tempi necessari all’accensione del propulsore. L’avvelenamento comporta un innalzamento drammatico della funzione di lavoro del materiale e di conseguenza l’emissione termoionica cessa alla temperatura di progetto. La necessità di purificare il propellente richiede di equipaggiare nel veicolo un sistema di purificazione del propellente e questo aumenta notevolmente i costi del apparato propulsivo.

Il LaB6, dall’alto canto, permette anch’esso di ottenere elevate densità di corrente, ma è resistente all’avvelenamento e possiede un basso tasso di evaporazione, che prolunga la vita operativa dell’inserto e quindi dell’intero sottosistema catodico. Questo materiale violaceo è stato scoperto per la prima volta da Lafferty [52] ed è utilizzato come emettitore dal 1970. L’elevata conducibilità termica del materiale permette una distribuzione uniforme della temperatura nella superficie dell’inserto. Le densità di corrente raggiungibili sono dell’ordine di 105 _𝐴/𝑚2 _{ad una temperatura}

di 1900 K, utilizzando tensioni minori di 20 V. La funzione di lavoro del LaB6 è di 2,73 eV, che è leggermente maggiore di quella del BaO –W e di conseguenza per ottenere il medesimo ammontare di densità di corrente è necessario operare a temperature più elevate. Un altro svantaggio del LaB6 è che le brusche variazioni di temperatura possono causarne la rottura fragile ed inoltre, il materiale reagisce chimicamente con molti dei materiali refrattari comunemente utilizzati come il tungsteno e il molibdeno e di conseguenza il materiale supporto dell’inserto deve essere scelto con attenzione. Le proprietà termiche della grafite sono simili a quelle del LaB6 e i due materiali non reagiscono chimicamente, quindi risulta una buona opzione per la scelta del materiale di supporto. La definizione delle interfacce dell’inserto sono un importante sfida nella ricerca e lo sviluppo dei catodi cavi con orifizio (OHC).

La progettazione di questi dispositivi è un compito assai complesso, i tempi caratteristici di residenza del plasma all’interno del tubo catodico sono molto minori dei tempi caratteristici per la ionizzazione del plasma, fatto che richiede di modellare il plasma facendo ricorso ai termini temporalmente non lineari delle equazioni di bilancio. Un modello analitico che permette di ottenere una rapida stima delle caratteristiche degli OHC è stato sviluppato a Andrenucci et al. [53], questo modello permette di valutare le proprietà del plasma senza dover fare ricorso a dati sperimentali, quali la distribuzione di temperatura delle superfici, come parametri di ingresso per

184 risolvere il sistema di equazioni. Le equazioni di conservazione della corrente totale, dell’energia, del flusso numerico e della pressione delle particelle dei plasmi presenti nelle tre regioni principali del neutralizzatore, sono risolte numericamente per stimare i parametri della temperatura elettronica, della densità numerica delle particelle cariche e degli atomi neutri, senza fare ricorso alla condizione di equilibrio si Saha.

Il disegno del neutralizzatore si basa su una complessa articolazione dei parametri di funzionamento, persino il modello analitico più robusto come quello in [53] necessita di impostare le dimensioni dei singoli componenti del catodo come parametri di ingresso e quindi la progettazione di un nuovo disegno richiede saper stimare le caratteristiche geometriche. Nel presente lavoro di tesi, il dimensionamento dei componenti del neutralizzatore si è basato sul confronto delle dimensioni di alcuni dei catodi individuate nelle pubblicazioni, tenendo in considerazione la corrente totale per cui sono stati progettati, i vincoli di temperatura massima tollerabile dai materiali e quelli della densità di corrente massima tollerabile nella zona più critica, che è quella dell’orifizio. Goebel [54] [55], mostra che le temperature tipiche degli emettitori in LaB6, che operano a densità di corrente dell’ordine di 2 ∙ 105 _𝐴/𝑚2_{, sono intorno ai 2000 K. La}

configurazione del catodo ha un incidenza marcata sull’erosione dell’orifizio, fattore che può limitare fortemente la vita operativa del dispositivo. È stato stabilito che, a seconda del livello di potenza di esercizio, esiste un diametro minimo dell’orifizio tale da prevenire l’erosione distruttiva: Kaufmann [56] ha trovato che il rapporto tra la corrente e il diametro dell’orifizio doveva essere minore di 12 A/mm e successivamente, Rawlin [57] stabilì un rapporto maggiore pari a 15 A/mm.

Gli OHC sperimentati da Domonkos [58], riportano una descrizione molto accurata delle caratteristiche geometriche, ma sono stati sviluppati per propulsori di classe 300 W e utilizzano inserti in ossidi di bario. La corrente massima di progetto è di soli 1,56 A e il diametro dell’orifizio è di 0,13 mm, che comportano un rapporto di 12 A/mm come prescritto da Kaufmann.

Il modello del OHC descritto in [53] utilizza un diametro del tubo catodico di 7,5 mm, con un inserto il cui diametro interno è di 3 mm con una lunghezza di 6 mm. La portata nominale di questo dispositivo è di 0,3 mg/s e la corrente è di 3 A. I risultati mostrano, tra l’altro, la variazione della potenza assorbita dal catodo nelle diverse zone al variare sia del diametro del foro della piastra a valle del tubo catodico, che al variare del diametro del foro del Keeper. In condizioni di riferimento

185 il diametro dell’orifizio è di 0,3 mm, che implica che il rapporto tra la corrente e il diametro dell’orifizio è di 10 A/mm. Questa configurazione è leggermente sottodimensionata rispetto alle caratteristiche del propulsore in esame ma un analisi della caratteristica elettrica del OHC analizzato, riportata in Figura 5.39, rivela che questo dispositivo potrebbe operare nell’intervallo di corrente richiesto dal propulsore di 1350 W, dato che le condizioni operative sono nello stesso ordine di grandezza.

Figura 5.39 Caratteristica elettrica del OHC sviluppato da Andrenucci et. Al. [53]

Il prototipo del neutralizzatore sviluppato e descritto in seguito, utilizza come modello di riferimento l’OHC descritto da Andrenucci in [53] ed è da considerarsi principalmente un prototipo qualitativo in quanto l’esatto dimensionamento richiederebbe la completa risoluzione del modello teorico, seguita da una campagna sperimentale.

Il dimensionamento del modello proposto inizia dall’interno verso l’esterno con la stima delle dimensioni dell’inserto. È stato imposto che la densità di corrente emessa dalla superficie interna dell’inserto debba essere dello stesso ordine di grandezza del modello di riferimento. Una brusca approssimazione della densità di corrente, nella zona dell’inserto, può essere fatta ipotizzando che essa coincida con la densità di corrente emessa dalla superficie. Facendo ricorso ai valori del diametro interno del tubo dell’inserto, alla sua lunghezza e alla corrente totale, la densità di

186 corrente può essere calcolata dal rapporto tra la corrente e la superficie interna dell’inserto, ottenendo il valore di 5,3 ∙ 10−2 _{𝐴/𝑚𝑚^2 nel catodo di riferimento. Il modo scelto per aumentare}

la corrente totale del neutralizzatore è quello di aumentare la superficie irradiante dell’inserto, conservando il diametro interno dell’inserto di riferimento e un valore simile della densità di corrente. La conservazione dello stesso valore della densità di corrente, comporta una lunghezza dell’inserto di 9 mm, alla corrente nominale di 4,5 A. Se si considera inoltre che il propulsore in esame dovrebbe essere in grado di operare in un intervallo più ampio di potenza, la lunghezza dell’inserto è stata maggiorata a 10 mm e fornisce il valore di 4,8 ∙ 10−2 _{𝐴/𝑚𝑚^2 della densità}

di corrente in condizioni nominali di scarica.

Il tubo catodico di riferimento possiede un diametro pari a 7,5 mm, ma purtroppo non è specificato se questo sia il diametro interno o esterno del tubo, quindi nella definizione delle dimensioni del catodo si è scelto di utilizzare tale valore come diametro medio. Sebbene sia stato individuato che possono essere utilizzati degli spessori molto minori, uno spessore di 1mm appare appropriato, scelta che comporta un diametro interno di 7 mm e uno esterno di 9 mm. La lunghezza del tubo ha un influenza diretta sull’entità della temperatura dell’inserto, un tubo troppo corto tende ad aumentare la frazione di calore persa dall’inserto verso la base del tubo, rispetto alla frazione persa per l’effetto termoionico. All’aumentare della lunghezza del tubo, le perdite di energia per conduzione diminuiscono, favorendo l’isolamento termico degli elementi ad alta temperatura. Se il trasferimento di calore per conduzione non è abbastanza intenso, l’orifizio può surriscaldarsi e impedire il funzionamento del dispositivo in maniera anche irreversibile. Nel caso in cui il trasferimento conduttivo sia troppo intenso, la temperatura dell’inserto non potrebbe essere mantenuta al valore necessario per ottenere la densità di corrente richiesta, o impedire l’emissione del neutralizzatore. Sulla base anche delle proporzioni del PPS-1350 in Figura 5.2, è stata scelta una lunghezza di 33,4 mm per il tubo catodico. Il tantalio, utilizzato per la costruzione del tubo catodico del modello di riferimento, è un materiale resistente ad alte temperature e non reagisce chimicamente con il LaB6.

Nell’estremità del tubo catodico è saldata la piastra dell’orifizio. Per evitare problemi durante saldatura dei due componenti, lo spessore della piastra è impostato a 1,2 mm in modo che il processo di saldatura, come quello a fascio di elettroni, non ne provochi il deterioramento. La lunghezza dell’orifizio risulta essere minore della lunghezza della piastra e quindi solitamente si

187 ricorre ad uno smusso a 45° per definire la lunghezza effettiva dell’orifizio. La stima delle dimensioni dell’orifizio è stata fatta conservando i parametri di rapporto di aspetto dell’orifizio e della corrente di scarica rispetto al diametro. La conservazione del valore di 10 A/mm calcolata per il catodo di riferimento, implica un diametro dell’orifizio di 0,45 mm alla corrente di scarica di 4,5 A. Nel catodo di riferimento alle condizioni nominali il rapporto di aspetto dell’orifizio è 1, 3̅, valore che comporta una stima della lunghezza dell’orifizio di 0,6 mm. Considerato lo spessore del disco, la lunghezza dello smusso risulta anch’essa di 0,6 mm. Diversi studi, come quelli condotti da Aringhieri [59], Domonkos [58] e Andrenucci [53], mostrano i risultati della variazione dei parametri del plasma nell’orifizio al variare del rapporto di aspetto. Di particolare importanza sono il consumo di potenza, il grado di ionizzazione del plasma e la pressione. In linea di principio un orifizio più lungo implica ionizzazione migliore e una pressione più elevata, ma un maggiore consumo di potenza.

La schematica del catodo cavo è mostrata in Figura 5.40, in cui sono mostrati alcuni dei componenti descritti in precedenza. Per far in modo che l’inserto sia mantenuto nella posizione giusta, è stata inserita una molla all’interno del tubo catodico per mantenere compresso l’inserto. Per evitare le interfacce tra materiali diversi in questo elemento che lavora ad alta temperatura e per limitare il numero di fornitori diversi, il materiale della molla e dei cilindri distanziatori e del riscaldatore è scelto uguale a quello del tubo catodico: il tantalio.

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Figura 5.40 Schema dei componenti del tubo catodico.

Il Keeper ha tre funzioni principali, durante la fase di avviamento questo elettrodo fornisce la differenza di potenziale necessaria all’estrazione degli elettroni dal tubo catodico e successivamente all’avviamento esso può essere scollegato dal sistema elettrico, ma le sue pareti continuano ad evitare la dispersione del calore irraggiato dalla superficie del tubo catodico e lo proteggono dal bombardamento ionico del plasma nel getto del propulsore.

L’elettrodo di mantenimento deve essere costruito in un materiale con una conducibilità termica bassa, dato che le sue pareti servono come schermo radiativo per la parte interna del dispositivo, in questo modo si limita la potenza richiesta dal riscaldatore durante la fase di accensione e si mantiene elevata la temperatura dell’inserto, durante il funzionamento a regime, per l’auto- sostentamento della scarica. Secondo i risultati di Andrenucci [53], il diametro del foro di uscita del Keeper dovrebbe essere leggermente più grande di quello dell’orifizio, per cui il diametro è stato scelto pari a 0,6 mm. Il materiale scelto per la costruzione del Keeper è la lega di titanio, che ha una conducibilità termica e una resistenza allo sputtering moderate, una immediata disponibilità sul mercato e un costo nettamente inferiore rispetto al tantalio utilizzato per la costruzione del tubo catodico.

189 Il disegno del riscaldatore come quello schematizzato in Figura 5.40 è costituito da un filo di un materiale resistivo in grado di sopportare temperature elevate, avvolto intorno al tubo catodico. In questo disegno, l’isolamento dei fili del riscaldatore con un materiale dielettrico, che possa anch’esso sopportare elevate temperature, è essenziale per prevenire il cortocircuito. Interposto tra il riscaldatore e il Keeper è solitamente posto uno scudo termico che aiuti a limitare le perdite di calore per irraggiamento. Vi sono delle alternative a questo tipo di architettura per il disegno del riscaldatore, una delle soluzioni comunemente adottate è quella di accomodare i fili del riscaldatore in appositi vani eseguiti su un cilindro ceramico. Il filamento è poi ricoperto da un altro strato di materiale isolante avvolto da una lamina sottile di un metallo a bassa emissività che svolge la funzione di schermo radiativo. Quest’ultima soluzione presenta il vantaggio di distribuire il calore in maniera più uniforme sul materiale dell’inserto, ma impiega più tempo a raggiungere la temperatura necessaria, rispetto al disegno ad avvolgimento proposto nello schema.

Le interfacce di supporto del tubo catodico e del Keeper devono essere in grado di fornire l’isolamento elettrico degli elettrodi. Questi elementi dovrebbero avere caratteristiche dielettriche e avere un basso coefficiente di conducibilità termica e potrebbero quindi essere costruiti in materiale ceramico come il nitruro di boro utilizzato per la camera del propulsore. Dato che è necessario operare il tubo catodico e il Keeper a tensioni indipendenti, anche la bulloneria di collegamento sui supporti dovrebbe essere dielettrica. La modellazione solida svolta, del catodo neutralizzatore, è mostrata in F.

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Figura 5.41 Configurazione del catodo neutralizzatore per l’HET 1350 W.

Vi sono ancora molti altri aspetti da tenere in considerazione nella progettazione del catodo neutralizzatore e lo sviluppo di un nuovo disegno richiede un approfondita analisi termica e strutturale seguita da un accurata sperimentazione. Se si tiene presente che gli HET di classe 1350 W sono disponibili in commercio da quasi mezzo secolo e che i neutralizzatori sono utilizzati anche in altri tipi di propulsori spaziali come ad esempio quelli a griglie ioniche, sarebbe possibile evitare di progettare un nuovo modello dall’inizio e utilizzare invece uno dei dispositivi di pari classe omologati per il volo e presenti sul mercato. In alternativa, sarebbe possibile, in collaborazione con l’azienda produttrice, modificare un modello omologato per il volo, progettato per funzionare ad un intervallo di corrente dello stesso ordine di grandezza. Un esempio potrebbe essere quello di adattare il modello HC3 di Sitael [60], che è progettato per un intervallo di corrente nominale da 1 a 3 A, che con qualche accorgimento dovrebbe essere in grado di funzionare alla corrente di 4,5 A.

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