Current driven magnetic nozzle flow collimation : analytical and experimental investigation for plasma propulsion applications

Magnetic nozzles are steady state devices used to convert part of the thermal energy of a plasma into direct kinetic energy. These devices find applications in plasma propulsion for space, plasma surface processing and fundamental studies. One of the biggest issues with magnetic nozzles is the observed high beam divergence due to late plasma separation from the guiding field. In this work, the effects of an applied azimuthal electron current at the throat on the flow are analyzed in a finite-electron-temperature magnetic nozzle model. The solution is derived using an approximate analytical model and it shows that such a diamagnetic current increases the performances of the nozzle, especially the thrust coefficient and the specific impulse. A power assessment also shows that this performance gain is achieved more efficiently than what obtainable from plasma heating. Then, three different designs for an actual system to induce the azimuthal current are presented and discussed. The results of the experimental investigation of one of the proposed designs clearly shows that the focusing of the jet does occur, paving the way for the further study and, eventually, for an actual implementation of the concept on space plasma thrusters.

Un ugello magnetico è un dispositivo stazionario atto alla conversione di parte dell'energia termica di un plasma in energia cinetica. Questi dispositivi trovano applicazione nella propulsione spaziale al plasma, in sistemi per il trattamento di superfici ed in studi di fisica fondamentale. La tendenza del plasma a rimanere legato al campo magnetico rappresenta uno dei problemi principale di questi dispositivi e porta a scarse efficienze di divergenza dell'ugello. In questo lavoro viene analizzato l'effetto di una corrente elettronica azimutale applicata alla gola in un modello a temperatura elettronica finita. La soluzione analitica ottenuta mostra che una corrente diamagnetica influisce positivamente sulle performance dell'ugello ed in particolar modo su coefficiente di spinta ed impulso specifico. Un'analisi delle potenze coinvolte mostra inoltre che questo sistema è più efficiente di un semplice riscaldamento del plasma. Quindi, vengono presentate e discusse tre diverse architetture per l'introduzione di questa corrente azimutale. I risultati di un'indagine sperimentale su una di queste alternative mostrano chiaramente l'effetto collimante del sistema, aprendo la strada per ulteriori studi ed, in futuro, per una possibile implementazione su propulsori al plasma per uso spaziale.