Plasma diagnostic techniques applied to a new plasma thruster technology

With the increasing presence and interest of humans in the exploration and conquest of space, there has been a rise in interest in satellites of small, micro and nano sizes. These spacecrafts are used in missions that can last for years, which is why they are often equipped with electric thrusters due to their high specific impulse. The growing demand has driven research for new small-scale plasma based propulsion technologies, such as ALPHIE, developed at the Universidad Politécnica de Madrid. Understanding the characteristics of the plasma generated during operation is crucial for optimizing its performance. Different plasma diagnotic techniques are available nowadays, allowing a better knowledge about different plasma parameters. The aim of this study is to inves- tigate the application of different diagnostic technique in analyzing ALPHIE’s discharge plasma, contributing to his development. Two Langmuir probes with spherical shape are going to be designed, built and used in order to obtain fundamental plasma parameters such as electron and ion density, electron temperature and plasma potential. A graphical analysis is presented and used to compute such parameters. Since the expected plasma potential computed is affected by low level of accuracy an emissive probe is designed and built to independently measure the plasma potential with better accuracy. Two different technique are proposed, the floating potential method and the inflection point method. A comparison between these diagnostic methods is presented and finally the inflection point method is chosen for its better accuracy, although more affected by noise. Through LabVIEW software a specific program is developed to automatise the test controlling laboratory instruments.

Con la crescente presenza e interesse degli esseri umani nell’esplorazione e conquista dello spazio, è aumentata l’attenzione per i satelliti di piccole, micro e nano dimensioni. Questi veicoli spaziali vengono utilizzati in missioni che possono durare anni, motivo per cui sono spesso equipaggiati con propulsori elettrici grazie al loro alto impulso specifico. La crescente domanda ha stimolato la ricerca di nuove tecnologie di propulsione basate su plasma, come ALPHIE, sviluppato presso la Universidad Politécnica de Madrid. Com- prendere le caratteristiche del plasma generato durante il funzionamento è fondamentale per ottimizzarne le prestazioni. Attualmente sono disponibili diverse tecniche di diagnos- tica del plasma, che ne permettono una migliore conoscenza. Lo scopo di questo studio è indagare l’applicazione di diverse tecniche diagnostiche nell’analisi del plasma generato da ALPHIE, contribuendo ad una migliore comprensione e sviluppo. Due sonde di Lang- muir con forma sferica verranno progettate, costruite e utilizzate per ottenere parametri fondamentali del plasma come la densità degli elettroni e degli ioni, la temperatura degli elettroni e il potenziale del plasma. Verrà presentata un’analisi grafica per calcolare tali parametri. Poiché il potenziale del plasma calcolato tramite la sonda di Langmuir è caratterizzato da un basso livello di accuratezza, verrà progettata e costruita una sonda emissiva per misurare indipendentemente il potenziale del plasma con maggiore precisione. Vengono proposte due metodi di analisi differenti, il metodo del potenziale flottante e il metodo del punto di inflessione. Viene presentato un confronto tra queste tecniche di- agnostiche e infine il metodo del punto di inflessione viene scelto per la sua maggiore accuratezza, sebbene più influenzato dal rumore. Attraverso il software LabVIEW viene sviluppato un programma specifico per automatizzare il test controllando gli strumenti di laboratorio.