Advances plasma sources for space applications

A Helicon thruster is an electrical propulsion system where the plasma source, i.e. Helicon source, is a dielectric tube surrounded by coils generating a weak magneto-static field (up to 0.15 T), and a radio frequency antenna working in the range of frequencies 1-50 MHz that drives the discharge. The propulsive figures of merit of a Helicon thruster (e.g. specific impulse) depend on plasma parameters (e.g. plasma density), that are in turn related to the power deposited by the antenna into the plasma. A similar plasma source can be exploited in gaseous plasma antennas, devices that rely on a partially or fully ionized gas to radiate electromagnetic waves. Plasma antennas might offer several advantages with respect to conventional antennas that make them suitable for space communications. As far as plasma antennas are concerned, their performances (e.g. gain) are related to the discharge parameters (i.e. the plasma density, the neutral pressure), and so to the efficiency of the plasma generation system. Regardless the differences in shape, field of application, and working condition, Helicon thrusters and plasma antennas share the same physical problems, namely: (i) wave propagation, (ii) power deposition, and (iii) transport of charged particles within the plasma source. To solve the wave-plasma coupling, we relied on ADAMANT, a full-wave frequency domain tool that takes into account the plasma effect as a polarization current. By means of this tool, we numerically assessed the radiation properties of the simplest plasma antenna configuration, a plasma dipole. We numerically verified that a plasma dipole can feature the same current distribution of a conventional metal dipole, and found that the plasma density, and the neutral pressure are the main parameters driving the plasma antenna performances. To understand the equilibrium conditions of a plasma source, we coupled ADAMANT with a 0-D fluid solver. This new numerical tool was exploited to design, and realize several custom-made plasma sources. This new approach allowed us to explore several combinations of gases, background pressures, and geometries without any constraints related to commercially available sources. By means of a microwave interferometer, we measured the plasma density, and its distribution along the sources. One of these sources was exploited in one of the very first prototypes of plasma antenna working in the GHz regime. The plasma dipole has been tested in an open environment for the gain pattern, and value; these results are in good accordance with the simulation results. Nevertheless, the maximum gain of the plasma dipole is lower by the 57% than the gain of a conventional dipole antenna in same conditions. This is due to a high pressure level, and a low plasma density of the source exploited in the plasma dipole, that lead to low conductance, and high losses within the plasma discharge.

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.