Development of a compact, low power traveling magnetic field plasma accelerator

Electrodeless plasma propulsion devices represent a promising advancement in the fi eld of electric propulsion, as they allow to overcome the main lifetime limitations of current technology by not implementing components heavily a ffected by erosion such as electrodes or acceleration grids. This report presents the work done to develop a proof-of-concept device based on traveling magnetic fi eld, usable as acceleration stage of a dual-stage electrodeless propulsion system if coupled with a plasma source. The interaction between plasma and a traveling magnetic field is explained from a theoretical point of view, both thanks to a classical approach and both thanks to more recent theories supported by particle simulation results. The design phase is then presented, with a discussion of all the benefi ts and problems of diff erent strategies studied to generate a traveling magnetic field. A proof-of-concept based on the selected technology has been built and a description of its characteristics has been presented, along with an explanation of how the system operated. Measurements with di fferent probes in diff erent operative conditions have then been performed. Current and magnetic field measurementsvwere needed to determine the correct functioning of the accelerator, followed by Faraday probe and time-of- flight measurements to detect any interaction between plasma and magnetic field, and possibly to understand if such effect accelerated plasma. Results of all those tests have been presented and discussed. We have been able to determine that the traveling magnetic field generated coupled with the plasma flow, however we were not able to detect any acceleration phenomenon in accordance with our predictions. Implementation of diff erent type of measurements could prove useful to provide a final assessment on this new and promising propulsion technique.

La propulsione al plasma senza elettrodi rappresenta uno tra i pi u promettenti sviluppi nel campo della propulsione elettrica, in quanto permettono di oltrepassare le limitazioni sulla vita operativa dei sistemi classici grazie al non utilizzo di componenti ad alto grado di usura quali sono gli elettrodi e griglie di accelerazione. Questo documento presenta il lavoro svolto per progettare e sviluppare un modello di prova di un sistema basato su un campo magnetico traslante, utilizzabile come stadio di accelerazione di un sistema propulsivo a doppio stadio se accoppiato a una sorgente di plasma. La teoria su cui tale sistema si basa viene mostrata tramite equazioni classiche, unite a una visione pi u recente per quanto riguarda l'interazione tra campo mangetico in movimento e plasma supportata da simulazioni numeriche. La fase di progetto mette in luce aspetti positivi e negativi delle diverse tecniche prese in considerazione per la generazione di un campo magnetico traslante, e presenta quale soluzione e statta considerata migliore per il nostro esperimento. Successivamente tale sistema e stato realizzato, e viene cos ì presentata una descrizione dei vari componenti nonch e del principio di funzionamento. Sono state eseguite misurazioni con sonde di corrente e di campo magnetico per confermare che il sistema funzionasse correttamente e che generasse un campo magnetico in accordo con quanto previsto; sono poi seguite misure con sonde immerse in plasma per valutare la presenza di un'interazione tra il campo magnetico prodotto e il flusso di plasma. I risultati di tali test sono presentati e discussi. Abbiamo mostrato un accoppiamento tra plasma e campo magnetico, ma purtroppo non siamo stati in grado di confermare che tale fenomeno abbia l'e ffetto di un pistone magnetico, poich e misure di velocit a si sono rivelate in disaccordo con quanto previsto e non a dabili. Sviluppi futuri dovrebbero interessare le tecniche di misurazione, in quanto sistemi di test pi u avanzati e precisi potrebbero chiarire de nitivamente tutti gli aspetti legati a questa nuova e promettente tecnologia di propulsione.