6.
PROGETTO DEL NEUTRALIZZATORE
6.1 Introduzione
Il lavoro di progettazione è iniziato, come già detto, dall’analisi della letteratura pertinente. La maggior parte della letteratura analizzata fa riferimento all’impiego del neutralizzatore nei propulsori a ioni, mentre la parte restante riguarda il suo impiego nei propulsori ad effetto Hall e nei plasma contactors. Tuttavia, come spesso evidenziato all’interno degli stessi articoli, la configurazione geometrica di base del catodo, la tecnologia richiesta ed i fenomeni fisici essenziali, sono gli stessi per tutte queste applicazioni [ 3 ].
6.2 Scelta configurazione di base
L’architettura adottata per la parte finale del neutralizzatore è quella del catodo cavo cilindrico con disco d’estremità dotato di un piccolo foro (orificed hollow cathode) che è già stata descritta nel paragrafo 4.2.
Per la parte destinata all’interfaccia con il propulsore è stata scelta una geometria semplice, assialsimmetrica: in questo modo è stata garantita la facilità realizzazione e la possibilità di montare il catodo indifferentemente sul propulsore o su un supporto per la prova con una piastra anodica nella configurazione a diodo.
E’ stato infine previsto l’utilizzo di una copertura della parte terminale del neutralizzatore che possa essere utilizzata come elettrodo di mantenimento (keeper electrode). Questo elettrodo è utile sia in fase di accensione, in quanto è più agevole innescare l’arco tra catodo e keeper e successivamente trasferire
l’arco sull’anodo, sia nelle fasi di non operative del propulsore (idle mode) durante le quali non si voglia spegnere l’arco. Questa copertura funziona anche come schermo radiativo per la parte interna del dispositivo: grazie a questo effetto è stato possibile limitare la potenza del riscaldatore e garantire una temperatura dell’inserto durante il funzionamento (con riscaldatore spento) sufficiente per l’auto-sostentamento della scarica.
E’ stata quindi adottata la configurazione generale illustrata nella Figura 6-1 riportata di seguito.
Figura 6-1 Configurazione di base del neutralizzatore.
6.3 Dimensionamento
Di seguito si riportano le principali fasi che hanno caratterizzato il dimensionamento di tutte le varie componenti.
Inserto
Il primo passo nel dimensionamento dell’inserto ha riguardato la scelta del materiale di cui è fatto. Come già detto, il materiale utilizzato è un materiale drogato, a bassa funzione di lavoro; scartato il lantanio esaboride (LaB6) per i motivi visti nel paragrafo 4.1, la scelta si è ridotta alla
composizione da utilizzare per il tungsteno poroso impregnato con ossidi di bario, calcio e allumino (BaO, CaO, Al2O3). Le composizioni comunemente impiegate sono 5:3:2, 4:1:1 e 3:1:1 dove la notazione indica i coefficienti stechiometrici di BaO:CaO:Al2O3 [ 14 ]. Analizzando la letteratura si è giunti alla conclusione che le proporzioni più opportune per i nostri scopi fossero 4:1:1. Il tungsteno impregnato permette di soddisfare tutti i requisiti necessari per una elevata affidabilità, anche grazie alla possibilità di avere una temperatura operativa a regime (950-1000°C) molto inferiore a quella ottenibile con altri materiali, come ad esempio il lantanio esaboride (1300°C) usato estensivamente nelle applicazioni di progettazione russa. Inoltre esso permette un incremento delle prestazioni del propulsore (efficienza e impulso specifico) ed il contenimento dei costi del sottosistema di propulsione elettrica (catodo e PPU, Power Processor Unit) [ 5 ].
Il diametro interno dell’inserto è stato scelto utilizzando un criterio empirico riportato in [ 7 ]: il rapporto tra la corrente richiesta e il diametro interno dell’inserto vale 12 A/mm. Peraltro nella fonte citata in quell’articolo, un saggio di Kaufman [ 6 ], si applica tale regola riferendosi al diametro del foro nel disco di estremità. Analizzando i dati raccolti in letteratura riguardo alle dimensioni ed alle prestazioni di vari catodi di questo tipo, si è però verificato che l’interpretazione più accreditata di tale regola sia la prima, quella utilizzata nell’ambito di questa tesi.
Il diametro interno dell’inserto dovrebbe quindi essere 1.67 mm, tuttavia, per garantire un opportuno margine di sicurezza, si è scelto di utilizzare un diametro di 2 mm.
Anche per stabilire la lunghezza si è utilizzato un criterio semi-empirico. Il valore che più spesso ricorre in letteratura per la densità di corrente emessa per effetto termoionico dalla superficie dell’inserto è sicuramente 50 A/cm2. Noto il raggio dell’inserto, siamo stati così in grado di determinare la lunghezza necessaria dell’inserto, circa 16 mm; anche in questo caso abbiamo però maggiorato questa dimensione in modo da tenere conto di eventuali fenomeni sfavorevoli come ad esempio gli effetti di bordo. La lunghezza dell’inserto è stata così fissata pari a 20 mm; questo valore è stato scelto tenendo conto del fatto che spesso in letteratura sono stati incontrati inserti aventi un rapporto lunghezza-diametro pari a 10.
Per lo spessore dell’inserto si è invece scelto il più piccolo valore compatibile con i requisiti di fattibilità e robustezza del pezzo.
Tubo
Il tubo svolge la duplice funzione di sostegno del complesso inserto-riscaldatore, e di raccordo con la flangia di supporto e l’alimentazione gassosa; lo sforzo meccanico a cui è sottoposto è molto limitato.
Inizialmente si è pensato di ricavare un risalto nella parte interna del tubo per fornire un riferimento assiale all’inserto (Figura 6-2); si è quindi scelto uno spessore di parete il più piccolo possibile compatibilmente con le esigenze costruttive e le dimensioni dei prodotti reperibili a catalogo.
Figura 6-2 Primo schema di bloccaggio dell’inserto.
Tuttavia si è subito manifestata la complessità tecnologica legata alla realizzazione di uno spallamento all’interno di un tubo di pochi millimetri di diametro; pertanto si è preferito adottare una soluzione più semplice e meno costosa sebbene meno elegante: il diametro interno del tubo è stato scelto pari a quello esterno dell’inserto, mentre la funzione di bloccaggio di quest’ultimo è stata demandata ad un secondo tubo avente gli stessi diametri dell’inserto e lunghezza sufficiente a coprire la distanza tra la flangia e l’inserto stesso (Figura 6-3).
Figura 6-3 Schema di bloccaggio dell’inserto adottato.
Infine la lunghezza del tubo è stata scelta pari a 42 mm; questa misura è stata ritenuta ideale da un lato per garantire un riscaldamento non eccessivo della flangia e dall’altro per permettere un corretto posizionamento sull’anodo.
La parte più calda del dispositivo è sicuramente quella situata all’estremità del tubo e tale deve rimanere durante il funzionamento, pena l’impossibilità di sostenere l’arco. Dato che non vogliamo ricorrere all’utilizzo del riscaldatore durante le normali fasi operativa del neutralizzatore, la progettazione delle restanti parti del catodo è stata fatta con l’obbiettivo di limitare il flusso di calore dall’inserto verso la flangia per conduzione e per irraggiamento verso lo spazio circostante [ 8 ]. Inoltre, uno dei requisiti termici di progetto riguarda la temperatura della flangia che non deve essere troppo elevata. Per quanto riguarda il materiale con cui realizzare il tubo, esistono molte alternative; di seguito (Tabella 6-1) si riportano le più comuni, indicando per ciascuna i vantaggi e gli svantaggi [ 8 ].
Materiale Temperatura
di fusione (K) Vantaggi Svantaggi
Tantalio 3269 Conducibilità termica moderata, basso coefficiente di espansione termica, ampiamente sperimentato
Sputter moderato con xenon, fragilità ad alta
temperatura
Niobio 2741
Conducibilità termica moderata, basso coefficiente di espansione termica, sputter moderato
con xenon Mancanza di sperimentazione, disponibilità limitata Titanio 1941 Conducibilità termica moderata, sputter moderato con xenon, disponibilità immediata Coefficiente di espansione termica moderato, mancanza di sperimentazione, temperatura di fusione relativamente bassa Tungsteno 3653
Sputter moderato con xenon, disponibilità immediata, ampiamente sperimentato Conducibilità termica elevata Molibdeno 2883
Sputter moderato con xenon, disponibilità immediata, ampiamente
sperimentato
Conducibilità termica elevata
Le caratteristiche fondamentali che deve avere il materiale del tubo sono essenzialmente due: bassa conducibilità termica per le ragioni appena viste e basso sputtering per limitare la contaminazione della superficie emittente dell’inserto.
In base a questi requisiti, il materiale più adatto, che è anche quello più volte incontrato in letteratura, risulta essere il tantalio: esso è dotato di un elevato punto di fusione e una bassa conducibilità termica, ma il suo utilizzo incide significativamente sui costi. Si è scelto pertanto il tungsteno che, pur avendo una conducibilità termica superiore, ha comunque un elevato punto di fusione e ha il vantaggio di essere più economico ed avere uno sputtering più basso. Il molibdeno sarebbe potuto essere un altro valido candidato ma gli è stato preferito il tungsteno in virtù di una temperatura di fusione più alta. Niobio e titanio offrirebbero dei miglioramenti sostanziali rispetto all’attuale stato dell’arte, ma, data la loro recente comparsa nel campo di questa specifica applicazione, non offrono al momento le stesse garanzie di affidabilità degli altri materiali elencati; si prevede un loro intenso studio nel prossimo futuro
[ 8 ]. Infine si osserva che l’emissività varia solo leggermente tra i vari
materiali elencati.
Disco di estremità
Come già detto in precedenza questo componente consiste in un disco metallico recante un foro svasato al centro e viene saldato all’estremità a valle del tubo in modo da creare anche un riferimento per l’inserto. Anche in questo caso è stata dapprima valutata l’opportunità di realizzare questo componente di pezzo con il tubo: i maggiori costi derivanti da un tale tipo di soluzione non sono stati però considerati giustificati dai vantaggi di semplicità che avrebbero comportato.
La presenza della svasatura sulla faccia esterna del disco non ha particolari giustificazioni teoriche, tuttavia è riscontrata in tutte le fonti consultate e sembra svolgere la funzione di favorire l’espansione del gas in uscita dal catodo.
In base alle considerazioni fatte nel paragrafo 4.4 a proposito dell’influenza della geometria del componente sulle prestazioni del catodo e a motivazioni di carattere tecnologico, si è scelto di realizzare un foro avente AR = 40% e AR’ = 1.2; si fa notare che questa scelta è in linea con quanto consegue dai
risultati del modello sviluppato esposti nel paragrafo 5.7: a parità di raggio dell’orifizio e di gradiente di potenziale, infatti, il valore AR’ = 1.2 è quello che garantisce un grado di ionizzazione sufficiente mantenendo la pressione a livelli ragionevoli.
Le dimensioni del disco di estremità dimensionato come appena detto, sono illustrate nella Figura 6-4.
Per quanto riguarda la scelta del materiale, sono stati seguiti gli stessi criteri esposti nel paragrafo precedente; pertanto, anche al fine di evitare possibili problemi di compatibilità dei materiali nella saldatura, è stato scelto per il disco lo stesso materiale del tubo ovvero il tungsteno.
Figura 6-4 Dimensioni dell’orifizio.
Flangia
Per la flangia si è scelta una geometria a simmetria assiale che risulti il più possibile di facile realizzazione. Essa viene sfruttata come conduttore elettrico per fornire la differenza di potenziale necessaria alla scarica; per questo motivo è stata dotata di un pin di tungsteno per il collegamento elettrico. E’ stata inoltre provvista di un risalto utile al centraggio della copertura e dei fori necessari al fissaggio di quest’ultima alla flangia e della flangia alla staffa di supporto. Sono stati previsti anche due fori per il passaggio dei terminali elettrici del riscaldatore. Il diametro di tali fori è stato scelto in base al diametro esterno di alcuni tubi in allumina disponibili al Centrospazio: questi tubi, una volta fissati con del collante nei fori,
svolgeranno la funzione di isolante elettrico tra riscaldatore e flangia (Figura 6-5).
Figura 6-5 Schema di isolamento dei terminali del riscaldatore.
La flangia termina con un codolo cilindrico che serve per il collegamento del catodo alla linea di alimentazione; la sua lunghezza è tale da garantire temperature sufficientemente basse all’interfaccia con l’alimentazione.
Per provvedere all’isolamento elettrico della linea di alimentazione, necessario ai fini della sicurezza, è stata utilizzata una soluzione semplice basata sull’utilizzo di un isolatore ceramico reperibile nel catalogo Caburn®; di seguito se ne riportano un disegno illustrativo (Figura 6-6) e le principali specifiche tecniche.
Questo particolare è disegnato e qualificato per l’utilizzo in alto e ultra-alto vuoto; utilizza allumina con grado di purezza elevato come isolante e acciaio inossidabile AISI 304 per i terminali saldabili da 1/8’’. Sopporta differenze di potenziale fino a 3 kV ed è utilizzabile in un intervallo di temperature che va da -200°C a 450°C; tuttavia non deve essere sottoposto ad un gradiente termico superiore a 25°C/min. Questo requisito è risultato il più stringente ai fini della scelta della lunghezza del codolo della flangia.
L’isolatore ceramico appena visto è stato poi collegato da un lato alla flangia e dall’altro al tubo di teflon da 1/4’’ dell’alimentazione, rispettivamente tramite un giunto collega tubi metrici su pollici da 10 mm a 1/8’’ ed un giunto a riduzione da 1/4’’ ad 1/8’’, entrambi reperibili sul catalogo della Swagelok®. Di seguito si riporta il disegno definitivo della flangia con indicati gli ingombri (Figura 6-7).
Figura 6-7 Disegno definitivo della flangia.
Riscaldatore
Il riscaldatore è costituito da un filo di tungsteno-renio (W-5Re) avvolto intorno ad una boccola di isolante che evita il contatto elettrico tra filamento e tubo; il filamento è poi ricoperto da un altro strato di isolante sul
quale viene avvolta una lamina molto sottile di un metallo a bassa remissività (molibdeno o tantalio) che svolge la funzione di schermo radiativo.
Il materiale più adatto per il filamento sarebbe stato il tantalio in virtù della più elevata resistività rispetto al materiale scelto (Figura 6-8). E’ stato scelto di utilizzare la lega di tungsteno sopra citata sia per il costo inferiore del materiale, sia per la sua migliore lavorabilità; tutte le aziende contattate per la realizzazione di questo particolare hanno infatti manifestato di preferire il materiale scelto vantando una maggiore esperienza nel suo utilizzo per questo scopo.
Figura 6-8 Resistività di vari materiali (fonte: Plansee).
Per la realizzazione di questo particolare è stato deciso di adottare una soluzione avanzata che consiste nel realizzare l’insieme filamento-isolante in un unico pezzo. Il materiale isolante viene colato direttamente all’interno della cavità ricavata tra lo schermo radiativo e il tubo saldati tramite un disco opportunamente dimensionato; in questo modo si aumenta il grado di isolamento del filamento e allo stesso tempo diminuisce il numero dei componenti separati. Per l’isolante è stata scelta l’allumina che risulta più indicata per l’utilizzo in fusione rispetto ad esempio al nitruro di boro che è invece più indicato per la lavorazione alle macchine utensili.
L’estensione in senso assiale del riscaldatore è stata fissata pari alla lunghezza dell’inserto più un diametro interno dello stesso, per garantire un riscaldamento il più possibile uniforme della superficie emittente.
Gli spessori dei due strati di isolante sono stati scelti in modo da scongiurare fenomeni di perforamento del dielettrico per la parte interna e in modo da garantire un flusso termico il più possibile diretto verso l’inserto.
Per verificare in prima approssimazione tali grandezze è stato utilizzato un modello termico della parte terminale del catodo in transitorio, semplificato e implementato in MATLAB alle differenze finite (Appendice A). Come ipotesi fondamentale, è stato assunto che il flusso termico fosse solo nella direzione radiale. Considerati i piccoli spessori degli elementi in esame e lo scopo di prima approssimazione del modello, la parte di catodo in esame è stata suddivisa nel numero minimo di elementi, ognuno corrispondente ad un componente del catodo (Figura 6-9).
Figura 6-9 Schema del modello alle differenze finite.
Sono state formulate due ulteriori ipotesi: che lo scambio di calore tra elementi contigui avvenga, a causa della scabrosità delle superfici di contatto, in parte per conduzione ed in parte per irraggiamento e che una parte della radiazione emessa dalla superficie interna del catodo venga persa ai bordi (effetto bidimensionale).
Il filamento del riscaldatore è stato schematizzato come uno strato di materiale con generazione interna di calore che fosse in grado di fornire la potenza massima disponibile da requisiti; lo spessore di tale strato è stato determinato in base ad ipotesi di prima approssimazione sulla geometria del filamento.
Sono state quindi eseguite varie simulazioni al variare della geometria dei vari componenti finché è stata trovata la geometria che soddisfacesse i requisiti sulla temperatura ottimale della superficie dell’inserto e sul tempo di riscaldamento della stessa. Di seguito si riportano le dimensioni ottenute (Tabella 6-2). Componente Spessore (mm) Inserto 1 Tubo 1 Isolante interno 2 Isolante esterno 2 Schermo radiativo 0.13
Tabella 6-2 Dimensioni del riscaldatore.
A questo punto si è passati a definire la geometria del filamento del riscaldatore. La configurazione ottimale per l’avvolgimento del riscaldatore sarebbe quella che prevede un numero elevato di spire in modo da rendere il più uniforme possibile il riscaldamento dell’inserto; tuttavia, per motivi tecnologici, il passo dell’avvolgimento non può essere troppo piccolo. I vincoli a cui è soggetto il riscaldatore sono i seguenti:
- potenza massima disponibile; - passo minimo realizzabile;
- estensione assiale del riscaldatore; - diametro di avvolgimento.
Essendo un dispositivo controllato tipicamente in corrente, si è scelto di fissare la corrente che fluisce nel riscaldatore a 6 A. Il passo di avvolgimento più adatto al tipo di soluzione scelta per la realizzazione del riscaldatore, è stato valutato in 1 mm; utilizzando passi più piccoli, infatti, avremmo corso il
rischio di cortocircuitare alcune spire durante la colata dell’isolante. Noti il diametro di avvolgimento e l’estensione in senso assiale dello stesso, è stato possibile determinare la lunghezza del filamento. Infine, dalla relazione che esprime la resistenza elettrica di un filamento:
l R
S
ρ
= ⋅
dove ρ è la resistività del materiale e l e S rispettivamente la lunghezza e la sezione del filamento, e ricavata la resistenza dal requisito sulla potenza, è stato possibile ricavare la sezione del filamento.
Poiché la resistività del materiale ha un andamento crescente con la temperatura, il valore utilizzato nei precedenti calcoli è stato quello in corrispondenza della temperatura finale della superficie dell’inserto, in modo da assicurare che il requisito sulla potenza massima disponibile fosse sempre soddisfatto.
Di seguito sono riportate le principali caratteristiche del filamento appena dimensionato (Tabella 6-3). Materiale W-5Re Corrente 6 A Potenza max 145 W Resistenza a freddo (300 K) 0.53 Ω Resistenza a caldo (1500 K) 4.03 Ω
Diametro del filo 0.3 mm
Passo di avvolgimento 1 mm
Diametro di avvolgimento 9 mm
Numero di avvolgimenti 23
Tabella 6-3 Specifiche del riscaldatore.
Facciamo notare che nel dimensionamento del riscaldatore non sono stati considerati i fenomeni di fatica termica che conseguono ai ripetuti cicli di accensione e spegnimento del dispositivo nell’arco della sua vita operativa, a favore di un approccio più semplice alla progettazione.
Di seguito, infine, si riporta il disegno del neutralizzatore progettato (Figura 6-10) mentre si rimanda all’allegato per i disegni dettagliati.
