2.1 CATODI CAVI 2. CONTESTO ED OBIETTIVI DELLA TESI

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2. CONTESTO ED OBIETTIVI DELLA TESI

I propulsori a ioni e ad effetto Hall che utilizzano una scarica di elettroni per ionizzare il gas propellente e creare il plasma nel propulsore, necessitano di un catodo per rendere disponibili gli elettroni. In aggiunta, i propulsori devono neutralizzare il fascio di ioni che lasciano il propulsore, fornendo elettroni dal catodo al fascio. Le proprietà del materiale che costituisce l’emettitore, la configurazione geometrica del catodo e le condizioni operative determinano, in larga misura, le prestazioni e la vita operativa dei propulsori ad ioni e ad effetto Hall [4]. Nella parte iniziale del presente capitolo viene fornita una descrizione qualitativa dei catodi cavi, passando poi all’illustrazione dell’attività di ricerca in corso presso Alta. Nell’ultima sezione sono descritti gli obiettivi della presente tesi.

2.1 CATODI CAVI

Le prestazioni e la vita operativa dei propulsori ad ioni e ad effetto Hall sono fortemente condizionate dal funzionamento del catodo, che rappresenta quindi un componente di primaria importanza. Il primo catodo utilizzato nei propulsori ad ioni era costituito da un semplice filamento in tungsteno. Tali catodi a filamento erano caratterizzati da temperature dell’ordine di 2000 K e richiedevano una alta potenza di riscaldamento che portava ad effetti negativi inevitabili sui rendimenti del propulsore. Inoltre, l’evaporazione del materiale alle elevate temperature, limitava la vita operativa del filamento a poche centinaia di ore, rendendolo inadatto per applicazioni spaziali di lunga durata. Il concetto di catodo cavo fu sviluppato per risolvere queste problematiche agli inizi degli anni ‘70. Di seguito verrà fornita una descrizione dell’architettura fondamentale di un catodo cavo con orifizio, le diverse regioni del plasma che si formano ed i modi operativi.

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2.1.1 ARCHITETTURA DEI CATODI CAVI

La configurazione più utilizzata per il neutralizzatore è quella del catodo cavo cilindrico con disco d’estremità dotato di un piccolo foro (Orifice Hollow Cathode) riportata nella figura seguente.

Figura 2.1- Architettura di un neutralizzatore [5]

Il tubo, di materiale refrattario, funge da guida per il propellente da ionizzare e presenta all’estremità a valle un disco forato (Orifice Plate) per incrementare la pressione del gas in contatto con l’emettitore. All’interno del tubo si trova un inserto, detto emettitore, di materiale a bassa funzione di lavoro che emette elettroni per effetto termoionico. Esternamente si trova il riscaldatore che ha il compito di portare in temperatura l’emettitore e favorirne l’emissione termoionica. Dopo che l’emettitore ha raggiunto la temperatura necessaria a sostenere l’arco elettrico, il riscaldatore viene spento ed il catodo può operare in modalità auto-riscaldata. I possibili meccanismi di auto-riscaldamento sono:

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 15 - riscaldamento attraverso l’orifizio, quando il calore, generato per effetto

Ohm nel plasma altamente collisionale dell’orifizio, viene trasferito dall’orifizio all’emettitore per conduzione o irraggiamento;

- bombardamento ionico, dove la maggior parte della potenza trasferita all’emettitore viene dagli ioni contenuti nel plasma interno al catodo;

- bombardamento elettronico, quando la maggior parte della potenza in ingresso nell’inserto proviene elettroni energetici contenuti nel plasma.

La geometria e la grandezza dei catodi cavi dipende dalla quantità di corrente che devono emettere. I catodi cavi in genere ricadono in tre categorie in base alla forma dell’orifizio (Figura 2.2). I catodi del tipo A (Type A), usati in applicazioni con bassa corrente, sono caratterizzati da un piccolo diametro dell’orifizio rispetto alla lunghezza. I catodi con piccolo orifizio sono caratterizzati da una pressione interna dell’ordine dei 100 Torr che riduce la penetrazione del plasma nella regione dell’emettitore. A livello di orifizio il plasma diventa molto denso (10 − 10 ) con conseguente aumento della dissipazione ohmica che viene trasmessa alle pareti prevalentemente per irraggiamento. Le temperature elettroniche sono di circa 1-2 eV per tutte le tipologie di catodo. Quindi l’emissione di corrente dall’interno è ottenuta sfruttando la modalità di auto-riscaldamento dell’orifizio. Nei catodi del tipo B (Type B), il diametro dell’orifizio è grande quanto la lunghezza, per tanto si ha una diminuzione della pressione interna del plasma. In questo caso, l’inserto è riscaldato attraverso bombardamento ionico, elettronico o di entrambi i tipi, a seconda delle condizioni operative e dalla geometria. Infine nella configurazione del tipo C (Type C), l’orifizio è praticamente inesistente, ha quindi lo stesso diametro dell’inserto. La pressione è più bassa di tutte le altre configurazioni ed il meccanismo di auto-riscaldamento è dovuto al bombardamento ionico. Quest’ultimo tipo di catodo è simile a quello comunemente chiamato catodo cavo a singolo canale (ScHC), sostanzialmente formato da un tubo senza orifizio ed

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 16 emettitore a bassa funzione di lavoro. Se sono presenti più canali il catodo prende il nome di catodo cavo multicanale (McHC).

Figura 2.2 - Schematizzazione delle tre configurazioni caratteristiche dei catodi cavi [4]

Un’altra possibile classificazione può essere fatta in base al materiale utilizzato come emettitore di elettroni. La caratteristica fondamentale di un emettitore è data dalla sua bassa funzione di lavoro, definita come la minima energia necessaria a rimuovere un elettrone dalla superficie solida del materiale fino ad una distanza molto superiore rispetto a quella di reticolo, ma minore rispetto a quella del grano cristallino. Questa proprietà fondamentale dipende dalla struttura cristallografica del materiale. Il valore della funzione di lavoro, che si auspica essere il più baso possibile, determina la temperatura del catodo per l’insorgere di una data scarica. Infatti l’emissione termoionica avviene quando gli elettroni contenuti nella banda di valenza dell’emettitore, guadagnano sufficiente energia per oltrepassare la barriera potenziale rappresentata dalla funzione di lavoro. L’emettitore composto da esaboruro di lantanio ( ) è utilizzato come emettitore nei catodi cavi dal 1970 e più di 200 SPT propulsori ad effetto Hall sono stati utilizzati in applicazioni terrestri

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 17 orbitali utilizzando catodi con . Le ragioni più importanti che portano all’utilizzo di catodi ad rispetto ai tradizionali metalli refrattari o catodi con dispensori impregnati, sono la robustezza, alte densità di correnti e la lunga vita operativa. I catodi ad hanno una funzione di lavoro di circa 2.67 eV dipendente dalla stechiometria superficiale ed emissioni al di sopra di 10 /

alla temperatura di 1.900 K.

I catodi cavi sono normalmente racchiusi da un altro elettrodo chiamato keeper (Figura 2.3).

Figura 2.3 - Schematizzazione di un catodo cavo con il keeper [4]

La funzione di prioritaria importanza che deve svolgere il keeper, è quella di facilitare l’innesco dell’arco elettrico nel catodo, per mantenere la temperatura del catodo e quindi la modalità operativa nel caso in cui la scarica o corrente del fascio sia interrotta temporaneamente, e di proteggere l’orifizio ed il riscaldatore dal bombardamento da parte di ioni ad alta energia che limita la vita del catodo. Il

keeper è normalmente polarizzato positivamente relativamente al catodo, in modo

da far avviare la scarica durante la fase di accensione o ridurre l’energia del bombardamento ionico durante il normale funzionamento operativo del catodo. La vita del keeper è molto importante per la vita operativa del catodo e del motore.

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2.1.2 FISICA DEI CATODI CAVI

Gli elettroni emessi dall’emettitore, definiti elettroni primari [6], ionizzazio il gas di processo tramite un processo di eccitazione a cascata creando un plasma denso a bassa temperatura. Il plasma interno è spinto dal campo elettrico sostenuto che passa attraverso le regioni del catodo definite come:

- regione inserto - regione orifizio - regione catodo-keeper - regione esterna

La prima è la porzione del tubo del catodo cavo delimitata dall’inserto. La presenza di un campo elettrico ambipolare che compensa il maggior rateo di perdita degli elettroni verso la parete rispetto agli ioni, dà origine alla formazione di uno strato di cariche negative in prossimità della superficie dell’emettitore chiamato guaina (sheat). La guaina crea una barriare per le cariche elettriche negative, accelerando gli ioni, in modo da rispettare la condizione di quasi-neutralità del plasma. Questa condizione è la base della formazione di un doppio strato catodico chiamata doppia guaina (double sheath), dove si ha un doppio strato di cariche di segno opposto. Gli elettroni contenuti nel plasma riescono a raggiungere la superficie dell’emettitore solamente se possiedono sufficiente energia in grado di oltrepassare la doppia barriera potenziale. Gli elettroni emessi dall’emettitore invece sono accelerati dalla doppia guaina. La ionizzazione delle cariche neutre nella regione dell’inserto avviene per impatto diretto con gli elettroni emessi o, più probabilmente, attraverso un processo di eccitazione a gradini. Il trasferimento di energia dagli ioni alla superficie dell’emettitore garantisce in larga parte alla modalità di auto-riscaldamento. Inoltre, il flusso di ioni ha l’importante compito di neutralizzare le carica negativa generata dallo strato di elettroni superficiale. Il plasma è quindi separato dalla parete dell’inserto, dalla doppia guaina. Il doppio strato si riduce ad un semplice strato quando l’emissione elettronica è trascurabile.

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 19 La seconda regione, quella interna all’orifizio, è caratterizzata dal valore più alto di densità di corrente rispetto a qualunque altra regione del catodo. Più piccolo è l’orifizio, maggiore è la pressione interna. Quindi l’orifizio deve poter condurre la corrente con la più piccola sezione possibile. Il plasma nell’orifizio modifica le linee iso-potenziali facendole risalire all’interno della regione dell’emettitore permettendo quindi il passaggio di scariche dal plasma esterno a quello contenuto internamente al catodo. Gli ioni creati per ionizzazione del gas ed accelerati dal potenziale della guaina, trasferiscono la loro energia alla parete dell’orifizio, dando origine così al modo di auto-riscaldamento dell’orifizio stesso. In Figura 2.4 è visibile la doppia guaina creata nella riduzione di sezione tra inserto ed orifizio. L’effetto della doppia guaina in questa zona, è quello di trattenere ioni ed accelerare gli elettroni verso l’orifizio. Inoltre la doppia guaina accelera ioni dall’orifizio verso l’inserto. Una spiegazione della formazione della doppia guaina viene dalla conservazione della corrente. Essendo la densità del plasma molto grande internamente all’orifizio rispetto all’inserto, la condizione di quasi neutralità impone un flusso elettronico verso l’orifizio per compensare la perdita di ioni [7]. La regione catodo-keeper, è caratterizzata da un meccanismo molto complesso che dipende dalla combinazione dei processi gasdinamici ed elettromagnetici. A causa della repentina espansione del gas rispetto alla regione dell’orifizio, si riduce drasticamente la densità del plasma e la temperatura.

Nella zona esterna al keeper il plasma si espande nell’ambiente esterno. Il comportamento di questo plasma dipende fortemente dalle condizioni operative. In alcuni casi l’espansione può quindi risultare graduale, in altri si può notare la formazione di una vera e propria ‘’palla’’ di plasma. Lo studio di questa regione, può dare informazioni relative al meccanismo di erosione degli elettrodi.

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Figura 2.4 - Schematizzazione del plasma in un catodo cavo [5]

2.1.3 I MODI OPERATIVI

Le ricerche effettuate nell’attività sperimentale sui catodi cavi [5], [8] e [9] hanno mostrato l’esistenza di molti modi operativi per il catodo, specialmente quando testato nella configurazione a diodo. Tuttavia i modi operativi principali sono due e sono conosciuti come spot mode e plume mode. Questi due modi dipendono fortemente dalla corrente estratta dal catodo e dalla portata del propellente.

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Figura 2.5 - Illustrazione dei modi operativi [5].

Nella Figura 2.5 sono riportati questi due modi operativi per neutralizzatori per motori a ioni, tuttavia è riportato anche l’andamento del modo plume per catodi più piccoli. A portate molto basse il tentativo di estrarre un’elevata corrente comporta un voltaggio dell’anodo relativamente alto ed a disturbi elettrici significativi (curva O). La scarica è quindi molto luminosa intorno all’estremità del catodo e siamo in presenza del modo plume. Aumentando la portata si rendono disponibili gradualmente correnti sempre più elevate (curva P). Improvvisamente si ha la transazione al modo spot in cui la corrente può essere aumentata mentre il potenziale rimane basso. (curva Q). La transizione include anche una regione in cui la caratteristica elettrica ha pendenza negativa. Nel modo spot si ha una luminosità generale minore, con la radiazione luminosa che viene emessa principalmente dall’orifizio del catodo. Quando la portata viene ulteriormente aumentata, la transazione si sposta verso correnti più basse (curva R). Alla fine, alle portate più elevate, il modo plume è completamente assente e i disturbi che lo accompagnano spariscono (curva S). Quando la portata e la corrente sono basse ed il catodo si trova in condizioni di alto vuoto, si può identificare un altro modo operativo chiamato

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2.2 STUDIO DEI CATODI CAVI AD ALTA

L’attività di ricerca nell’ambito dei catodi cavi in corso presso Alta SpA, riguarda la progettazione e la sperimentazione di un catodo cavo termoionico con orifizio (Orificed thermoionic Hollow Cathodes, OHC) per essere usato come sorgente elettronica per un propulsore ad effetto Hall HT-400. Il catodo è stato progettato secondo i requisiti di corrente 1-5 A, portata di propellente 0.25-0.7 mg/s, massima massa 100 g, e vita operativa maggiore di 10000 ore. Come emettitore è stato scelto l’esaboruro di lantanio.

Figura 2.6 - Disegno tridimensionale del catodo cavo progettato ad Alta [10]

Il catodo progettato ha gli stessi componenti di base di tutti i catodi cavi. E’ quindi composto da un emettitore termoionico inserito internamente al tubo del catodo avvolto da un riscaldatore e uno scudo termico e racchiuso nel keeper. L’emettitore interno in è protetto dal contatto diretto con il tubo in tantalio da uno strato sottile di grafite. L’emettitore è tenuto fermo da un molla in tungsteno. Il tubo è sufficientemente lungo e sottile da minimizzare le conduzioni di calore dall’emettitore verso la base del catodo. Il tubo in tantalio ed il keeper sono accoppiati mediante flange e viti, eliminando così la necessità di saldature. La

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 23 massa stimata è di circa 43 g con dimensioni massime di 55 mm di lunghezza e 27 mm di diametro [10].

2.3 OBIETTIVO DELLA TESI

Tra i vari componenti caratterizzanti il catodo cavo, di rilevante importanza risulta essere lo studio e la progettazione del riscaldatore. Anche se l’emettitore in non necessita di una vera attivazione nel senso comune della parola, al fine di ridurre lo stress termico all’accensione e per facilitare l’innesco dell’arco, viene utilizzato un riscaldatore. Riuscire a sviluppare un riscaldatore che sia in grado di raggiungere le alte temperature richieste dall’emettitore con l’assorbimento di quanta minor potenza possibile e ridurre le perdite durante il funzionamento nominale del catodo, rappresenta una importante sfida per i catodi in [10]. L’obiettivo della presente tesi è quello di ricercare le possibili modalità di riscaldamento dell’emettitore, realizzando per ciascuna di esse un modello fisico e verificandone la validità attraverso simulazioni numeriche. Sono state prese in considerazioni anche modalità di riscaldamento alternative alla classica configurazione con riscaldatore ohmico; nel capitolo 3 e 4 sono condotte rispettivamente le analisi relative al riscaldamento mediante conduzione diretta di corrente ed induzione elettromagnetica. Nei capitoli 5 e 6 sono riportate le analisi relative al riscaldamento mediante resistenza elettrica, evidenziando le differenti prestazioni tra filamento dritto e filamento ad avvolgimenti. Nel capitolo 7 è studiata la possibilità di utilizzo del riscaldamento per irraggiamento, mettendo in evidenza l’importanza dell’isolamento elettrico interposto tra riscaldatore e catodo. Nel capitolo 8 sono fornite alcune linee guida sulla scelta dell’isolamento elettrico; seguono le conclusioni. L’intento finale è quello di fornire criteri generali per la progettazione di riscaldatori per catodi.

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2.3.1 REQUISITI

Nel presente studio di un riscaldatore per catodi neutralizzatori, sono stati seguiti i requisiti imposti dalla configurazione geometrica del catodo e dalle potenze e correnti caratteristiche del propulsore ad effetto Hall sviluppato ad Alta Spa. In particolare la sezione geometrica del catodo dove è presente l’emettitore risulta avere le dimensioni come da figura sotto riportata.

Figura 2.7- Schema della sezione del catodo cavo riguardante l’emettitore

con:

r1

1,5 mm

r2

2,5 mm

r3

3,5 mm

r4

3,8 mm

l

6 mm

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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PISA 25 La potenza massima nominale assorbita dal riscaldatore in fase di riscaldamento deve essere inferiore a 100W. La corrente massima disponibile per il riscaldatore è fissata a 10 A. Il riscaldatore deve essere in grado di riscaldare l’emettitore a 1˙900 K in un tempo che deve essere il più breve possibile e dell’ordine di 100 secondi, con una temperatura ambiente di 273 K.