La Camera a Plasma - INAF

La Camera a Plasma
COMPOSIZIONE GRUPPO DI RICERCA:
RESPONSABILE;
COORDINATORE ATTIVITÀ;
CONSULENTE SCIENTIFICO;
SUPPORTO TECNOLOGICO;
LAVORAZIONI MECCANICHE;
Dr.ssa Elisabetta De Angelis
Dr. Piero Diego
Dr. Giuliano Vannaroni
Sig. Nello Vertolli
Sig. Alfredo Morbidini
GENERALITA’
La camera a plasma, dell’INAF-IAPS di Roma, è una facility in grado di riprodurre, al suo interno, le condizioni di
plasma tipiche dello strato F della ionosfera (T=1000–3000 K, ne≈ ni ≈ 1011-1012m-3, V_relativa ≈ 8 km/s) e di
quote Low Earth Orbit (LEO) in cui operano satelliti per la misura di parametri dell’ambiente terrestre, per le
telecomunicazioni, la difesa, e la stazione spaziale. La camera da vuoto è di acciaio inossidabile non
magnetizzabile (µ=1) con un volume utile di circa 9 m3. In essa si può raggiungere un vuoto limite dell’ordine di
5*10-7 mbar.
Una grande struttura di bobine che circonda la camera a plasma ha la funzione di compensare il campo magnetico
terrestre al suo interno e di generare campi noti durante gli esperimenti. Il campo può essere variato tra 0 e 1 G
lungo due direzioni: assiale (componente orizzontale parallela all’asse della camera) e verticale.
Dato che la camera è disposta con il suo asse lungo la direzione Nord-Sud, questo sistema consente il completo
controllo del campo magnetico terrestre all’interno della camera. L’accuratezza del campo applicato è di circa ±
0.02 G ottenuta in un volume di circa 0,5 m3 in prossimità del centro delle bobine. In particolare per
l’azzeramento del campo Terrestre è sufficiente ottenere un valore <0.04 G all’interno della camera, valore in
cui si ottengono raggi di girazione confrontabili con il raggio della camera (i.e. il moto degli elettroni non è più
controllato dal campo ma dai processi collisionali sulle pareti della camera).
La camera a plasma è particolarmente utile per effettuare test di compatibilità con l’ambiente ionosferico e
valutare le variazioni delle funzionalità, per effetto della presenza del plasma ionosferico, degli strumenti
destinati ad operare a bordo di satelliti.
Grazie al moto di insieme del plasma è possibile simulare l’effetto delle regioni di compressione e di svuotamento
che si generano rispettivamente nella direzione della ram e della wake in orbita.
Attraverso test in camera a plasma è possibile valutare perturbazioni indotte da correnti parassite causate dal
plasma ambiente su componenti, sensori, e parti di satelliti. Ciò permette di valutare processi di erosione,
verificare il corretto trasferimento di segnali, e di correggere eventuali errori sistematici nelle misure che saranno
effettuate dai payload sotto test.
LA SORGENTE
La sorgente di plasma è situata in prossimità di una delle due porte principali della camera. Il plasma è prodotto
attraverso una scarica in ambiente di Argon all’interno di un cilindro cavo (le cui pareti giocano il ruolo di anodo)
dove il gas neutro viene bombardato da elettroni emessi da un filamento riscaldato a temperature termoioniche
(catodo). Il processo è ottimizzato dalla presenza di un campo magnetico locale indotto da bobine coassiali
all’anodo.
La ionizzazione produce un plasma (con un potenziale pari a circa quello dell’anodo) da cui si estrae la sola
componente ionica con una griglia posta all’uscita del suddetto cilindro. La componente ionica viene così estratta
dalla sorgente e subito neutralizzata dall’emissione di elettroni da un secondo filamento (posto all’esterno della
sorgente) prima di entrare nello spazio di test della camera.
Gli elettroni prodotti dal filamento neutralizzatore hanno una temperatura di circa 1000-3000K ben simulando
la temperatura elettronica aspettata nel plasma ionosferico.
Il fascio ionico è accelerato all’interno della camera per effetto del salto tra il potenziale dell’anodo della sorgente
(15V) e quello a cui si porta il plasma nella camera (circa 3V). Per l’Argon, con una differenza di potenziale di circa
12V si ottiene una velocità del fascio di circa 8km/s che simula la velocità relativa (tra payload sotto test e
ionosfera) incontrata in orbita.
VARIABILITA’ DELLE CONDIZIONI DI PLASMA
I valori dei parametri di plasma nella camera, ad una data distanza dalla sorgente, possono essere sensibilmente
incrementati.
-
Applicando un alimentatore tra sorgente e massa si può aumentare il potenziale di plasma Vp ottenendo,
inoltre, un aumento della temperatura degli elettroni (il plasma con Vp maggiore trattiene anche gli
elettroni più caldi).
-
Aumentando la potenza dei filamenti della sorgente è possibile incrementare la densità del plasma.
-
L’energia E degli ioni può essere aumentata applicando una maggiore tensione all’anodo della sorgente
(la velocità degli ioni crescerà come E1/2).
TEST E MISURE IN CAMERA A PLASMA
- test su strumenti di diagnostica di plasma destinati a volare a orbite LEO;
La presenza di plasma con le caratteristiche sopra descritte permette di svolgere misure in un ambiente simile a
quello in cui opereranno i satelliti. Strumenti dedicati alla diagnostica del plasma spaziale possono essere calibrati
per confronto con quelli della camera con cui monitoriamo la stabilità delle condizioni di plasma. Nei riquadri B
e C sono rappresentati recenti test su Langmuir Probes e Plasma Analyzer Package (CSSAR - Pechino) del satellite
cinese CSES. I sensori sono montati su piattaforma rotante per simulare diverse inclinazioni del satellite rispetto
alla direzione orbitale.
Nel riquadro A si può vedere una fase di prove su 4 Electric Field Detectors (INFN_ITA – LIP_CINA) effettuate per
valutare la sensibilità dei sensori al variare della distanza dalla sorgente (i.e. al variare della densità del plasma –
la Fig. G in basso mostra la mappa di densità del plasma in camera).
-
test di isolamento su celle fotovoltaiche in presenza di plasma;
La differente raccolta di particelle nello spazio (ioni ed elettroni) può dar luogo a fenomeni di carica sui satelliti.
Tali polarizzazioni possono essere accentuate in caso di precipitazioni di particelle dovuti ad attività solare.
Per un corretto funzionamento del sistema di celle fotovoltaiche deve essere garantito l’isolamento elettrico tra
i vari elementi anche in presenza di alte tensioni e di plasma ambiente (conduttore) che può cortocircuitare i
suddetti elementi. In Fig. D si osserva una fase di test condotti in camera a plasma su celle fotovoltaiche.
-
test di isolamento su anodizzazioni e/o verniciature di superfici esposte al plasma spaziale;
Nello spazio può essere utile conoscere lo stato di conducibilità in plasma di alcune superfici. A questo scopo
vengono eseguiti speciali trattamenti e/o verniciature per controllare la conducibilità di tali superfici. Per valutare
l’efficacia dei trattamenti si possono applicare rampe di tensioni positive e negative a campioni di superfici e
misurare la corrente in funzione della tensione. Per la misura in camera a plasma si effettua il confronto tra un
campione trattato ed un elettrodo non trattato come riferimento (Fig. E).
-
misura della resistività di volume di vernici e/o strati conduttivi applicati su superfici esposte al plasma
spaziale;
La resistività di volume ρV di uno strato conduttore di spessore δ può essere determinato utilizzando un elettrodo
con geometria quadrata di lato D, attraverso:
V  R 
D2

con ΔR differenza di resistenza tra elettrodo trattato ed elettrodo di riferimento
In camera a plasma la misura della resistività di volume non dipende dall’area di contatto e dal fattore geometrico
della disposizione dei contatti, come avviene tipicamente nel metodo di misura a quattro punte (van der Pauw).
Inoltre il campione è testato in condizioni simili a quelle incontrate nello spazio (bombardamento ionico e
raccolta di corrente elettronica).
POSIZIONAMENTO E MOVIMENTAZIONE DEI PAYLOADS
A causa della diffusione conica del fascio plasma (in una camera di dimensioni finite) possiamo osservare sensibili
variazioni nella densità del plasma (Fig. G mostra le variazioni della densità ionica) a diverse distanze dalla
sorgente. La camera a plasma è dotata di vari supporti mobili idonei a collocare i payload in vari assetti e posizioni
agendo dall’esterno.
- Fig. H mostra un carrello mobile che può percorrere tutta la lunghezza della camera (asse y) e sopportare
payload di alcune decine di kg. Il carrello è isolato dalla camera da ruote di materiale dielettrico. La precisione
nel posizionamento è dell’ordine del mm per carichi fino a circa 10 kg.
- Fig. I mostra una piattaforma rotante che permette di variare l’angolo di incidenza del fascio di
plasma sulle superfici sotto test (da -45° a +45°). La precisione è di circa 2° per carichi fino a 5 kg.
- Fig. L mostra un sistema di movimentazione motorizzato su due assi progettato per ruotare un payload di
piccola massa (max 0.5 kg) in tutte le direzioni mantenendolo, al contempo, nello stesso punto della camera (i.e.
nelle stesse condizioni di plasma al variare dell’assetto).