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ALTERNANZA SCUOLA-LAVORO Progetto INAF/IAPS – Liceo Scientifico “Talete”

“Misure in Camera a Plasma: Valutazione degli effetti dell’assetto di un

sensore di campo elettrico”

Sommario Che cosa è il plasma ......................................................................................................................... 1

Camera a Plasma SIM.PL.EX. ............................................................................................................ 2

Esperimento ..................................................................................................................................... 5

Preparazione dell’ambiente sperimentale ....................................................................................... 6

Vuoto ............................................................................................................................................ 6

Sorgente ........................................................................................................................................ 7

Diagnostica dell’ambiente sperimentale ...................................................................................... 7

Movimentazione .............................................................................................................................. 8

Misure del Vf (potenziale di floating) al variare dell’assetto del probe ........................................... 9

Risultati e conclusioni ....................................................................................................................... 9

Che cosa è il plasma

Il plasma può essere considerato il quarto stato della materia, oltre allo stato solido,

liquido, e aeriforme e si ottiene fornendo alle molecole di un gas un’energia sufficiente a

dissociarle e ionizzare gli atomi. Il 99.9% della materia visibile nell’Universo si trova allo

stato di plasma. Il plasma è un gas ionizzato, costituito da un insieme di elettroni e ioni e

globalmente neutro. Il termine "ionizzato" indica che uno o più elettroni sono stati

strappati dai rispettivi atomi. Nel plasma deve essere sempre verificato che ne = ni

(neutralità del plasma), dove ne è la densità di elettroni, ed ni la densità degli ioni.

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Nel Plasma permangono separate le cariche positive da quelle negative per cui in un

volume di lato superiore a λd -Lunghezza di Debye 0

2

eD

k T

nq

- possiamo considerare

il plasma globalmente neutro.

La più importante sorgente di Plasma nell’ambiente terrestre è il Sole che è, esso stesso,

costituito da materia allo stato di plasma. Anche la sua atmosfera è completamente

ionizzata a causa delle temperature dell’ordine dei milioni di gradi. Dall’espansione della

corona si genera il vento solare che è un plasma che investe continuamente tutto lo spazio

interplanetario ed i pianeti che incontra.

Nella ionosfera, regione dell’atmosfera terrestre tra i 60 ed i 1000 km circa, la ionizzazione

è in gran parte determinata da radiazioni UV, X, e raggi cosmici.

Le sue condizioni vengono ricreate nella camera a plasma, permettendo quindi verifiche

sperimentali dei fenomeni fisici associati alle interazioni che hanno luogo tra satelliti

orbitanti nella ionosfera terrestre ed il plasma ambiente.

Camera a Plasma SIM.PL.EX. La camera a plasma SIM.PL.EX dell’IAPS/INAF è una facility in grado di riprodurre il plasma

tipico della fascia E della ionosfera (200-700 km di quota). I parametri di plasma che si

possono riprodurre sono:

o Nplasma 1011 - 1012 m-3;

o Te 1000 – 4000 K;

I satelliti in orbita LEO (Low Earth Orbit) hanno una velocità di circa 8 km/s. Per questo

motivo è necessario accelerare il plasma alla stessa velocità per poter simulare il moto

relativo tra satelliti e plasma ambiente. Ciò avviene applicando una opportuna d.d.p.

(differenza di potenziale) tra la sorgente di plasma e la camera.

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FIGURA 1. LA CAMERA A PLASMA SIM.PL.EX.

Le parti principali della camera sono il sistema da vuoto (dimensioni: 4.5m di lunghezza,

1.7m di diametro) le bobine per il campo magnetico, la sorgente di plasma e la diagnostica

di plasma.

Per poter simulare l’ambiente ionosferico in modo soddisfacente, occorre ridurre la densità

del plasma e del gas neutro residuo affinché il plasma prodotto si possa considerare “non

collisionale” ovvero possano essere trascurate le interazioni tra particelle durante gli

esperimenti. A tale scopo si azionano in sequenza le pompe del sistema da vuoto composto

da tre pompe meccaniche in grado di generare un “pre-vuoto” (fino a 10-3 mbar), e una

Cryo pompa a condensazione (alto vuoto, fino a 10-7 mbar). A queste pressioni il libero

cammino medio associato all’interazione più probabile (scambio di carica ione-neutro) è

molto maggiore delle dimensioni della camera.

È inoltre possibile simulare anche il campo geomagnetico incontrato lungo l’orbita (B 0.2

– 0.7 G). La camera è allineata alla direzione nord-sud del campo magnetico terrestre.

Applicando opportuni valori di corrente su due sistemi di bobine (asse Y e asse Z) è

possibile variare il campo magnetico in camera fino ad annullarlo.

La sorgente di plasma (di tipo Kaufmann) consiste essenzialmente in una camera di

ionizzazione dove un gas neutro (nel nostro caso viene usato l’argon poiché è un gas nobile

ed ha una massa atomica confrontabile con le molecole biatomiche presenti nella

ionosfera) viene sottoposto al bombardamento da parte degli elettroni, emessi da un

primo filamento catodico di tungsteno per effetto termoionico e accelerati verso un anodo.

All’interno della sorgente si trova un ulteriore campo magnetico, generato da una bobina

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con il fine di ottimizzare la ionizzazione riducendo il volume di interazione tra il gas neutro

e gli elettroni. Allo scopo di ricreare le condizioni di plasma ionosferico, ovvero

temperatura elettronica di qualche migliaio di gradi Kelvin, è necessario bloccare gli

elettroni primari che hanno decine di migliaia di gradi di temperatura. Una griglia

polarizzata impedisce la fuoriuscita degli elettroni accelerati, mentre permette il passaggio

degli ioni verso la camera a plasma. Il fascio ionico viene successivamente neutralizzato per

mezzo di un secondo filamento, detto “neutralizzatore”, disposto all’esterno della camera

di ionizzazione, riproducendo quindi un plasma complessivamente neutro nell’ambiente

sperimentale.

FIGURA 2. SCHEMA RIASSUNTIVO DEL FUNZIONAMENTO DELLA SORGENTE DI PLASMA

Il sistema di diagnostica dei parametri del plasma nel corso degli esperimenti è basato su

un sistema computerizzato che utilizza dei sensori di Langmuir che raccolgono i dati

ottenuti applicando una rampa di tensioni e misurando la corrente raccolta dal plasma.

L’analisi delle curve caratteristiche (vedi fig. 2) corrente-tensione così ottenute permette di

ricavare la densità del plasma, la temperatura degli elettroni e il potenziale di plasma,

mentre l’energia degli ioni è misurata dal RPA (14 eV equivalgono a circa 8 km/s).

FIGURA 3. CURVA CARATTERISTICA DI UN SENSORE DI UNA LANGMUIR

Plasma beam

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Un’altra grandezza caratteristica misurabile tramite un sensore nel plasma è il cosiddetto

potenziale di floating Vf che rappresenta il potenziale assunto dal sensore per equilibrare i

flussi di corrente ionica ed elettronica raccolti su di esso (secondo la formula 0i ).

In virtù della grande velocità termica degli elettroni 8

term

e

kTV

m

questi sono raccolti in

numero maggiore rispetto agli ioni. Ciò determina una variazione spontanea del potenziale

del sensore a valori più negativi rispetto al potenziale di plasma (distanza tra i due

potenziali dipende dalla temperatura degli elettroni ovvero pari a qualche kTe).

L’esperimento L’obiettivo dell’esperimento consiste nella valutazione del potenziale di un sensore di

campo elettrico in relazione alle variazioni delle sue superfici di raccolta di ioni ed elettroni

del plasma.

Il sensore da noi studiato è composto da sfere di 6 cm di diametro di cui viene misurato il

potenziale per valutare il campo elettrico lungo la congiungente tra coppie di sfere.

Il potenziale misurato è il Vf che il sensore assume nel plasma che, come noto, dipende da

parametri di plasma, campo magnetico, e fattori geometrici che influiscono sulla raccolta di

particelle.

Per ragioni di simmetria il sensore è stato progettato in modo da avere un cilindro (detto

stub esterno) contrapposto al suo supporto (vedi fig. 4).

FIGURA 4. RAPPRESENTAZIONE DI UN SENSORE SFERICO CON STUB CILINDRICO

Tali stubs riducono la superficie di raccolta di ioni ed elettroni sulla sfera. In virtù della

direzionalità del flusso di ioni (opposta alla velocità del satellite) gli stubs possono produrre

anche un’ulteriore zona di ombra sulla superficie di raccolta ionica. Di contro il flusso di

elettroni può essere considerato isotropo a causa della velocità termica (centinaia di volte

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maggiore di quella degli ioni argon) e pertanto non sarà sensibilmente diminuito da

eventuali zone d’ombra.

È stato osservato che al variare dell’assetto dello stesso probe all’interno della camera il

potenziale di floating Vf del sensore cambia sebbene non vari il potenziale di plasma poiché

gli ioni sono rilevati dal sensore in quantità minore e quindi, posto il potenziale di plasma

come zero di riferimento, il potenziale di floating risulta negativo.

Preparazione dell’ambiente sperimentale Vuoto

Dopo aver atteso tre ore per il raggiungimento della temperatura di esercizio della Crio-

pompa (14 gradi Kelvin) abbiamo attivato le pompe meccaniche che in circa un’ora

svuotano la camera alla pressione idonea a metterla in comunicazione con la suddetta

pompa a condensazione (pre-vuoto) che poi impiegherà circa 24 ore per portare la camera

ad una pressione pari a 10-7 mbar (alto vuoto).

Dopo lo svuotamento abbiamo analizzato i residui di elementi presenti nella camera grazie

ad uno spettrometro di massa. I dati rilevati dallo spettrometro hanno mostrato la

presenza di residui dell’umidità ambientale (ossigeno e azoto) che non possono essere

diminuiti sotto un certo valore nonostante l’azione della Crio-pompa. All’accensione della

sorgente chiaramente si evidenzia un picco di argon (massa 40) iniettato nella camera.

FIGURA 5. MISURA DEI RESIDUI DI GAS IN CAMERA TRAMITE SPETTROMETRO DI MASSA

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Sorgente Per accendere la sorgente è fondamentale assicurarsi che non sia presente ossigeno nel

condotto di alimentazione in quanto, essendo altamente reattivo, potrebbe danneggiare i

filamenti della sorgente. Dunque, prima del loro riscaldamento, tutto il gas presente nel

condotto viene evacuato nella camera e successivamente assorbito dalla Crio.

Successivamente si procede al riscaldamento graduale dei filamenti applicando una rampa

di correnti crescenti con passo di 2 A ogni cinque minuti, fino alla temperatura di esercizio,

al fine di evitare uno shock termico.

A questo punto il gas viene iniettato nella sorgente ed è prodotto un plasma che invade la

camera con un flusso di correnti (ionica ed elettronica) pari a 5mAI .

FIGURA 6. INTERNO DELLA CAMERA CON SORGENTE ATTIVA

Diagnostica dell’ambiente sperimentale Prima di procedere con l‘effettiva misurazione del potenziale di floating assunto dal probe

è necessario verificare che le condizioni del plasma riprodotto all’interno della camera

rispettino i valori attesi. I dati della diagnostica effettuata con cinque sonde Langmuir poste

in vari punti della camera hanno confermato:

Temperatura nel range di 1600-3200 K;

Densità tra 1011 e 1012 m-3;

Energia ionica pari a 14,8 eV, da cui si ricava la velocità degli ioni (v≈ 8,5 km/s)

tramite l’equazione 21

2E mv .

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FIGURA 7. DIAGNOSTICA DEL PLASMA EFFETTUATA CON 5 LANGMUIR PROBES E 1 RETARDING POTENTIAL ANALYSER

Movimentazione Per effettuare le nostre misure di potenziale di floating al variare dell’assetto abbiamo

utilizzato un sistema che permette di ruotare in tutte le direzioni il probe, mantenendo al

contempo la sfera nello stesso punto della camera (i.e. nelle stesse condizioni di plasma)

come mostrato in figura per le posizioni 0;0 e 0;90 (angoli di rotazione dei due assi del

sistema).

FIGURA 8. SISTEMA DI MOVIMENTAZIONE DEL PROBE IN ANALISI

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Misure del Vf (potenziale di floating) al variare dell’assetto del probe

Allo scopo di verificare sperimentalmente la dipendenza del potenziale di floating rispetto

all’eventuale riduzione della superficie di raccolta degli ioni, causata dall’ombra prodotta

dagli stubs, abbiamo collegato il nostro sensore ad un voltmetro di alta precisione che ha

fornito, al variare dell’assetto del sensore, il relativo potenziale di floating. Dalle posizioni di

riferimento selezionate per questa verifica sono stati rilevati diversi valori di potenziale di

floating corrispondenti a diverse superfici di raccolta ionica indotte dall’ombra dello stub.

La misura del potenziale è stata effettuata inizialmente con 0GB , e successivamente

variando il campo magnetico lungo gli assi Y e Z della camera.

Risultati e conclusioni La superficie di raccolta è influenzata dalla posizione dello stub rispetto alla direzione del

flusso del plasma (asse Y) pertanto il potenziale di floating misurato nei vari assetti non

rimane costante.

Il campo elettrico viene misurato come differenza di potenziale tra coppie di probes

i jV VE

d

.

Di conseguenza, se prendessimo in considerazione due probes con diversi assetti,

otterremmo una differenza di potenziale non realmente dovuta ad un campo elettrico ma

ad una diversa ombra creata dallo stub sulla superficie di raccolta degli ioni.

Anche effettuando le misure a vari assetti con campi magnetici applicati lungo gli assi Y e Z,

si riscontra una variazione del potenziale di floating coerente con la variazione dell’area di

collezione degli ioni.

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FIGURA 9. GRAFICO DEI POTENZIALI DI FLOATING AL VARIARE DELL'AREA DI RACCOLTA

DEGLI IONI OTTENUTA PER B=0 (PANNELLO SUPERIORE); BY=0.45 G (PANNELLO

CENTRALE); BZ=0.45 G (PANNELLO INFERIORE)

In virtù della formula i jV V

Ed

dalle variazioni di potenziale di floating tra due probes

potremmo registrare campi elettrici apparenti dell’ordine di decine di mV/m anche in

assenza di effettivi segnali naturali. Considerando inoltre che i suddetti segnali naturali

osservabili in ionosfera hanno delle ampiezze dell’ordine di frazioni di mV/m, ne deriva la

necessità di calcolare e correggere tali campi apparenti per poter ottenere la giusta misura.

Liceo Talete

Belli Lorenzo

Pagni Valerio

Schiavo Francesca

Valente Ludovica

Vanacore Francesca

IAPS/INAF

Piero Diego

Livia Giacomini