Electrostatic model for antenna signal generation from dust impacts. Numerical simulations and laboratory experiments

Transient voltage perturbations are caused by dust impacts on spacecrafts and captured by the Radio Plasma Wave Science instruments. The plasma cloud generated after the impact is responsible for the generation of the waveforms by means of the interaction between the antennas and spacecraft main body. This thesis presents a general electrostatic model that takes into account the collection of the charge of the spacecraft and the flight of electrons and ions to infinity. The escape, carried out by positive and negative carriers, is characterized by an enormous difference in speed and causes the typical shape of the waveforms. Numerical simulations are performed to reproduce the signals generated by the RPWS mounted on the spacecraft considering as a discriminating parameter the impact location. The spacecraft-antennas mutual interaction is described using the Maxwell capacitance matrix. A spherically shaped spacecraft equipped with four cylindrical antennas is fabricated in order to conduct experimental impact measurements with the dust accelerator facility. The antennas are configured as two monopoles and a dipole. Dust particles, accelerated at velocities greater than 20 km/s, impact the satellite and the consequent waveforms captured by the antennas are recorded. The fitting of the data provides good to excellent results using few fitting parameters, such as the ion and electron escape speeds. As a final step, calibration tests of an Hexanode delay line detector were conducted to determine the shape of the expanding ions. The presented general model creates a step by step procedure to analyze waveforms produced by antennas. Missions investigating the distribution of dust particles in different space environments are many and the presented electrostatic model can be applied to study the generated space dust waveforms.

Le perturbazioni transitorie di tensione sono causate da impatti di polvere spaziale sui satelliti e catturate dagli strumenti Radio Plasma Wave Science. La nuvola di plasma generata dopo l'impatto è responsabile della generazione delle forme d'onda per mezzo dell'interazione tra le antenne e il corpo principale del satellite. Questa tesi presenta un modello elettrostatico generale che tiene conto della raccolta della carica del veicolo spaziale e della fuga di elettroni e ioni all'infinito. La fuga, effettuata da portatori positivi e negativi, è caratterizzata da un'enorme differenza di velocità e determina la forma tipica delle forme d'onda. Vengono eseguite simulazioni numeriche per riprodurre i segnali generati dal RPWS montato sul satellite considerando come parametro discriminante la posizione dell'impatto. L'interazione reciproca antenne-satellite è descritta utilizzando la matrice di capacità di Maxwell. Viene fabbricato un veicolo spaziale di forma sferica dotato di quattro antenne cilindriche per condurre misurazioni sperimentali di impatti di polvere spaziale usando l’acceleratore elettrostatico. Le antenne sono configurate come due monopoli e un dipolo. Le particelle di polvere accelerate a velocità superiori a 20 km/s urtano il satellite e le conseguenti forme d'onda catturate dalle antenne e vengono registrate. L'adattamento dei dati fornisce risultati da buoni ad eccellenti utilizzando pochi parametri di adattamento, come la velocità di fuga di ioni ed elettroni. Come fase finale, sono stati condotti test di calibrazione di un rivelatore a linea di ritardo, Hexanode, per determinare la forma con cui gli ioni si espandono. Il modello generale presentato crea guida per analizzare le forme d'onda prodotte dalle antenne. Le missioni che studiano la distribuzione delle particelle di polvere in diversi ambienti spaziali sono molte e il modello elettrostatico presentato può essere applicato per studiare le forme d'onda generate dalla polvere spaziale.