Advances plasma sources for space applications

Un propulsore Helicon è un sistema di propulsione elettrica in cui la sorgente di plasma (sorgente Helicon) è un tubo dielettrico circondato da bobine che generano un debole campo magneto statico (fino a 0.15 T), e un'antenna in radio frequenza che lavora nel range di frequenze tra 1 e 50 MHz. Le figure di merito di un propulsore Helicon (ad es. impulso specifico) dipendono dai parametri di plasma (ad es. densità di plasma), che dipendono dalla potenza depositata dall'antenna nel plasma. Una simile sorgente di plasma può essere utilizzata nelle antenne al plasma gassoso, dispositivi che sfruttano un gas ionizzato per irradiare campi elettromagnetici. Le antenne al plasma potrebbero offrire diversi vantaggi rispetto alle antenne convenzionali, cosa che le rende adatte ad applicazioni nel campo delle telecomunicazioni da spazio. Le performance delle antenne al plasma (ad es. il guadagno) dipendono dai parametri della scarica di plasma (ad es. densità di plasma e pressione dei neutri), così come l'efficienza del sistema di generazione del plasma. Nonostante le differenze di forma, campo di applicazione e condizioni di lavoro, i propulsori Helicon e le antenne al plasma condividono le stesse problematiche di tipo fisico: (i) la propagazione di onde, (ii) la deposizione di potenza e (iii) il trasporto di particelle cariche all'interno del plasma. Per risolvere l'accoppiamento plasma-onda, abbiamo usato ADAMANT, un codice numerico full-wave nel dominio della frequenza, che tratta il plasma come un insieme di correnti di polarizzazione. Grazie a questo codice, abbiamo valutato numericamente le proprietà radiative della configurazione più semplice di plasma antenna, un dipolo al plasma. Abbiamo verificato numericamente che il dipolo al plasma può avere la stessa distribuzione di corrente di un dipolo metallico e individuato nella densità di plasma e nella pressione dei neutri i parametri che più influenzano le performance dell'antenna. Per analizzare le condizioni di equilibro di una sorgente di plasma, abbiamo accoppiato ADAMANT con un solutore fluido zero dimensionale. Questo nuovo strumento numerico è stato utilizzato per progettare e realizzare diverse sorgenti di plasma. Questo nuovo approccio ci ha permesso di analizzare diverse combinazioni di gas, geometrie e pressioni dei neutri svincolate dalle sorgenti di plasma disponibili in commercio. Le sorgenti di plasma sono state caratterizzate in termini di densità di plasma e della sua distribuzione assiale grazie d un interferometro a microonde. Una di queste sorgenti è stata utilizzata in uno dei primi prototipi di plasma antenna che lavora nel range del GHz. Il guadagno ed il pattern di radiazione del dipolo al plasma sono stati misurati in un ambiente aperto. Questi risultati sono in buon accordo con quelli delle simulazioni. Nonostante questo, il dipolo al plasma ha un guadagno minore del 57% rispetto a quello di un dipolo metallico nelle stesse condizioni di lavoro. Questo è dovuto ad una pressione dei neutri elevata a fronte di una densità di plasma non abbastanza alta. Questo ha condotto ad una sorgente di plasma con bassa conducibilità e alte perdite.