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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