La schermatura magnetica

Nel tentativo di proteggere le pareti della camera dallo sputtering, possono essere utilizzate tecniche di controllo della topologia in prossimità delle pareti della camera, che impiegano magneti permanenti, come quelle utilizzate nei propulsori HEMP-T (Highly Efficient Multistage Plasma Thruster) [36] e DCFT (Diverging Cusped Field Thruster) [37], in cui si sfrutta l’effetto dello specchio magnetico sugli elettroni per prevenire il deterioramento. Altre tecniche impiegano solenoidi ausiliari (trim coils) in prossimità delle pareti della camera, che modificano la topologia localmente con una configurazione multi-cuspidi, in modo da ridurre il bombardamento del plasma sulle pareti e fornire il campo magnetico necessario ad accelerare gli elettroni in direzione azimutale, modificando di conseguenza anche il campo elettrico locale. Mikellides et al. affermano che però non c’è stato mai un disegno del propulsore che abbia dimostrato in un test di laboratorio l’assenza di usura del canale (o almeno la riduzione sensibile di qualche ordine di grandezza rispetto alle configurazioni tipiche) dall’inizio fino alla fine del test [34].

Una tecnica più recente, denominata “Schermatura Magnetica” (Magnetic Shielding) utilizza un approccio differente per ottenere l’effetto di protezione della camera. I principi della schermatura magnetica sono stati investigati da Mikellides et al. [33] nel tentativo di individuare le ragioni fisiche che hanno determinato l’anomalo comportamento del BPT-4000 durante il test di propulsione continua per 10400 ore (Qualification Life Test [38]). Le simulazioni numeriche condotte al Jet Propulson Laboratory (JPL) con un codice di simulazione del plasma bidimensionale assialsimmetrico (Hall2De), hanno permesso di individuare le seguenti ragioni fisiche per il comportamento stazionario a “erosione zero” del BPT-4000 rispetto alle condizioni della fase iniziale del test:

1. La riduzione del campo elettrico parallelo alle pareti evita che gli ioni acquisiscano un energia cinetica d’impatto eccessiva prima di entrare nella guaina.

2. La riduzione della caduta di potenziale nella guaina riduce ulteriormente il totale dell’energia acquisita dagli ioni prima dell’impatto.

3. La riduzione della densità numerica degli ioni (alle pareti) riduce il flusso di ioni verso le pareti.

88 Il principio fondamentale della schermatura magnetica si basa su un’analisi alternativa dell’equazione del potenziale termalizzato, in cui “l’equipotenzialità” lungo le linee magnetiche che si estendono in profondità del canale è ottenuta facendo in modo che il termine del potenziale (𝜙₀) sia molto maggiore del termine di pressione elettronica (𝐾_𝑒𝑇_𝑒0ln_𝑛𝑛

0) e quindi le deviazioni della perpendicolarità tra i campi, elettrico e magnetico, sia trascurabile. La schermatura magnetica applica il concetto di “equipotenzializzazione” a particolari linee di campo denominate “linee radenti” (grazing lines) che si estendono dai poli magnetici avvolgendo le pareti della camera in profondità nel canale. Le linee radenti corrispondono ad un potenziale prossimo alla tensione di scarica (𝜙0 ≈ 𝑉) e ad una bassa temperatura degli elettroni (𝑇𝑒 ~ 1 − 3 𝑒𝑉). Nella Figura 4.12 è

mostrato il confronto qualitativo tra le distribuzioni di potenziale e temperatura elettronica lungo le pareti della camera, della topologia tradizionale (SPT-like) senza schermatura (US) e della topologia con schermatura magnetica (MS), assieme ad una linea radente.

Figura 4.12 Distribuzioni qualitative del potenziale e della temperatura elettronica lungo le pareti della camera, utilizzando la topologia tradizionale US (a sinistra) e MS (a destra) [34].

Con specifici software di simulazione del plasma e una campagna sperimentale, le linee radenti possono essere progettate perpendicolari alle pareti della camera e sviluppare campi elettrici perpendicolari alle pareti di forte intensità, che forzeranno l’accelerazione degli ioni lontano da esse senza pregiudicare il rendimento di spinta. La schermatura magnetica (MS) può quindi ridurre il flusso d’impatto degli ioni sulle pareti di diversi ordini di grandezza [39].

89 La Figura 4.13 mostra de distribuzioni del potenziale e della temperatura elettronica lungo la linea media del canale, sia delle simulazioni computazionali che dei dati rilevati sperimentalmente, del propulsore H6 nella configurazione tradizionale (US) a sinistra e nella configurazione con schermatura magnetica MS a destra. Si può notare che nella configurazione con la schermatura magnetica, entrambe le distribuzioni sono traslate in corrispondenza della sezione di uscita. Questo suggerisce che l’accelerazione del plasma nella configurazione MS non è localizzata all’interno della camera ma avviene al di fuori di essa. Dato che il contributo gasdinamico all’accelerazione del getto in un HET è trascurabile rispetto alle forze elettrostatiche, è possibile utilizzare la camera principalmente per il contenimento del flusso di Hall necessario alla ionizzazione e sfruttare l’effetto a lungo raggio delle forze elettromagnetiche per accelerare gli ioni a valle del canale.

Figura 4.13 Confronto del potenziale e della temperatura elettronica tra le configurazioni US (a sinistra) e MS (a destra) del propulsore H6 [34].

Fino ad ora sono stati analizzati genericamente i criteri teorici da seguire per sviluppare una topologia ottimale del campo magnetico. Purtroppo l’esatta topologia magnetica MS dell’H6 non è presentata esplicitamente nelle pubblicazioni analizzate e neanche la configurazione del circuito magnetico che la produce, ma è possibile sfruttare la proprietà isoterma delle linee magnetiche per modellarla a partire dai risultati delle simulazioni riportate nella Figura 4.14 in cui è presentato il confronto tra la configurazione senza la schermatura magnetica (US) e quella con la schermatura magnetica (MS).

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Figura 4.14 Simulazioni del potenziale (in alto), della temperatura elettronica (in mezzo) e della densità numerica del plasma (in basso). I vettori (in basso) descrivono la densità di corrente degli ioni. Propulsore H6 [34].

91 Come visto nel paragrafo precedente, la sovrapposizione delle linee di campo alla distribuzione di temperatura elettronica è molto accurata nel caso US e quindi, con lo scopo di fornire una guida qualitativa della topologia MS da progettare, sono di seguito affiancate la

Figura 4.15, che mostra la rappresentazione schematica della topologia MS dell’H6 e la Figura 4.16, che mostra il dettaglio ruotato della temperatura elettronica riportata in Figura 4.14.

Figura 4.15 Schema della topologia dell’H6 MS [40].

Figura 4.16 Dettaglio della simulazione computazionale della temperatura elettronica nella

sezione del propulsore H6 MS [34].

In definitiva, gli obiettivi del processo di ottimizzazione del circuito magnetico del HET da 1350 W, che sarà descritto in seguito, sono:

 Garantire un valore massimo dell’intensità del campo magnetico lungo la linea mediana del canale di 20 mT in condizioni nominali di funzionamento.

 Permettere un’intensità massima del campo magnetico radiale lungo la linea media del canale di 30 mT, nel caso in cui il circuito sia prossimo alle condizioni di saturazione.

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 Garantire che il picco della distribuzione del campo magnetico radiale lungo la linea media del canale sia situato leggermente oltre la sezione di uscita della camera.

 Massimizzare il gradiente del campo magnetico radiale nella sezione di ionizzazione del canale.

 Fare in modo che le linee magnetiche di massima intensità presentino convessità in corrispondenza della linea media del canale, ma concavità in prossimità dei poli magnetici.

Minimizzare l’ingombro e la massa del circuito magnetico.  Figura 4.15 e della Figura 4.16.

Prima di procedere nella progettazione della topologia, analizzeremo prima le diverse architetture dei circuiti magnetici utilizzate in alcuni propulsori a effetto Hall e infine, nel paragrafo 4.4 sarà descritto il metodo impiegato per eseguire la simulazione computazionale.

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