Efecto multipactor - Multipactor effect

El efecto multipactor es un fenómeno en radiofrecuencia (RF) amplificador de tubos de vacío y guías de onda , donde, bajo ciertas condiciones, secundaria de electrones de emisión en resonancia con una conductores campo eléctrico alterno a exponencial de electrones multiplicación, dañando posiblemente e incluso destruir el dispositivo de RF.

Descripción

Simulación de multipactor coxial. La nube de electrones se mueve entre el conductor interno y externo en resonancia, provocando una avalancha de electrones : en 5 nanosegundos, el número de electrones aumenta 150 ×.

El efecto multipactor se produce cuando los electrones acelerados por radiofrecuencia (RF) los campos son auto-sostenido en un vacío (o casi vacío) a través de un electrón avalancha causada por secundario de emisión de electrones. El impacto de un electrón en una superficie puede, dependiendo de su energía y ángulo, liberar uno o más electrones secundarios en el vacío. Estos electrones pueden luego ser acelerados por los campos de RF e impactar con la misma u otra superficie. Si las energías de impacto, el número de electrones liberados y el momento de los impactos fueran tales que se produzca una multiplicación sostenida del número de electrones, el fenómeno puede crecer exponencialmente y puede provocar problemas operativos del sistema de RF, como daños en los componentes de RF pérdida o distorsión de la señal de RF.

Mecanismo

El mecanismo del multipactor depende de la orientación de un campo eléctrico de RF con respecto a la superficie. Hay dos tipos de multipactor: multipactor de dos superficies en metales y multipactor de una sola superficie en dieléctricos.

Multipactor de dos superficies sobre metales

Este es un efecto multipactor que ocurre en el espacio entre los electrodos metálicos. A menudo, un campo eléctrico de RF es normal a la superficie. Una resonancia entre el tiempo de vuelo de los electrones y el ciclo de campo de RF es un mecanismo para el desarrollo de multipactores.

La existencia de multipactor depende de que se cumplan las siguientes tres condiciones: El número medio de electrones liberados es mayor o igual a uno por electrón incidente (esto depende del rendimiento de electrones secundarios de la superficie) y el tiempo que tarda el electrón viajar desde la superficie desde la cual fue liberado hasta la superficie con la que impacta es un múltiplo entero de la mitad del período de RF y el rendimiento promedio de electrones secundarios es mayor o igual a uno.

Multipactor de superficie única en dieléctricos

Hay un efecto multipactor que se produce en una superficie dieléctrica. A menudo, un campo eléctrico de RF es paralelo a la superficie. La carga positiva acumulada en la superficie dieléctrica atrae electrones hacia la superficie. También es posible un evento multipactor de superficie única en una superficie metálica en presencia de un campo magnético estático cruzado.

Producto de intervalo de frecuencia en multipactor de dos superficies

Las condiciones bajo las cuales se producirá el multipactor en un multipactor de dos superficies se pueden describir mediante una cantidad denominada producto de intervalo de frecuencia. Considere una configuración de dos superficies con las siguientes definiciones:

${\ Displaystyle d}$, distancia o espacio entre las superficies

${\ Displaystyle \ omega}$, frecuencia angular del campo de RF

${\ Displaystyle V_ {0}}$, voltaje de RF pico de placa a placa

${\ Displaystyle E_ {0}}$, campo eléctrico de pico entre las superficies, igual a / .${\ Displaystyle V_ {0}}$${\ Displaystyle d}$

El voltaje de RF varía sinusoidalmente. Considere el momento en el que el voltaje en el electrodo A pasa por 0 y comienza a volverse negativo. Suponiendo que hay al menos 1 electrón libre cerca de A, ese electrón comenzará a acelerarse hacia la derecha hacia el electrodo B. Continuará acelerándose y alcanzará una velocidad máxima ½ de un ciclo más tarde, justo cuando el voltaje en el electrodo B comience a convertirse en negativo. Si los electrones del electrodo A chocan contra el electrodo B en este momento y producen electrones libres adicionales, estos nuevos electrones libres comenzarán a acelerarse hacia el electrodo A. El proceso puede repetirse causando multipactor. Ahora encontramos la relación entre el espaciado de placas, la frecuencia de RF y el voltaje de RF que causa la resonancia multipactor más fuerte.

Considere un punto en el tiempo en el que los electrones acaban de chocar con el electrodo A en la posición -d / 2. El campo eléctrico está en cero y comienza a apuntar hacia la izquierda, de modo que los electrones recién liberados se aceleran hacia la derecha. La ecuación de movimiento de Newton de los electrones libres es

${\ Displaystyle a (t) = {\ frac {F (t)} {m}}}$

${\ Displaystyle {\ ddot {x}} (t) = {\ frac {qE_ {0}} {m}} ~ \ sin (\ omega t)}$

La solución a esta ecuación diferencial es

${\ Displaystyle x (t) = - {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega ^ {2}}} \ sin (\ omega t) + {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega} } t - {\ frac {d} {2}}}$

donde hemos asumido que cuando los electrones inicialmente abandonan el electrodo tienen velocidad cero. Sabemos que la resonancia ocurre si los electrones llegan al electrodo de más a la derecha después de la mitad del período del campo de RF, . Conectando esto a nuestra solución para obtener ${\ Displaystyle t _ {\ frac {1} {2}} = {\ frac {\ pi} {\ omega}}}$${\ Displaystyle x (t)}$

${\ Displaystyle x (t _ {\ frac {1} {2}}) = - {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega ^ {2}}} \ sin (\ omega t _ {\ frac {1} {2}}) + {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega}} t _ {\ frac {1} {2}} - {\ frac {d} {2}}}$

${\ Displaystyle {\ frac {d} {2}} = - {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega ^ {2}}} \ sin (\ omega {\ frac {\ pi} {\ omega} }) + {\ frac {qE_ {0}} {m \ omega}} {\ frac {\ pi} {\ omega}} - {\ frac {d} {2}}}$

Reorganizar y usar la frecuencia en lugar de la frecuencia angular da ${\ Displaystyle f}$

${\ displaystyle fd = {\ frac {1} {2 {\ sqrt {\ pi}}}} {\ sqrt {\ frac {qV_ {0}} {m}}}}$.

El producto se denomina producto de intervalo de frecuencia. Tenga en cuenta que esta ecuación es un criterio para la mayor cantidad de resonancia, pero el multipactor aún puede ocurrir cuando esta ecuación no se satisface. ${\ displaystyle fd}$

Historia

Este fenómeno fue observado por primera vez por la física francesa Camille Gutton , en 1924, en Nancy.

El multipactor fue identificado y estudiado en 1934 por Philo T. Farnsworth , el inventor de la televisión electrónica, quien intentó aprovecharlo como amplificador. Más comúnmente en la actualidad, se ha convertido en un obstáculo que debe evitarse para el funcionamiento normal de aceleradores de partículas , electrónica de vacío , radares , dispositivos de comunicación por satélite , etc. Se ha propuesto una nueva forma de multipactor (Kishek, 1998), y posteriormente se ha observado experimentalmente, en la que la carga de una superficie dieléctrica cambia considerablemente la dinámica de la descarga del multipactor.

Referencias

Otras lecturas

• C. Gutton, Sur la décharge électrique à fréquence très élevée , Comptes-Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, vol.178, p.467, 1924
• Farnsworth, Philo Taylor (1934). "Televisión por barrido de imágenes electrónicas". Revista del Instituto Franklin . Elsevier BV. 218 (4): 411–444. doi : 10.1016 / s0016-0032 (34) 90415-4 . ISSN  0016-0032 .
• J. Rodney M. Vaughan, multipactor , IEEE Trans. Electron Devices, vol. 35, No 7, julio de 1988.
• Kishek, RA; Lau, YY; Ang, LK; Valfells, A .; Gilgenbach, RM (1998). "Descarga multipactor en metales y dieléctricos: revisión histórica y teorías recientes". Física de Plasmas . Publicación AIP. 5 (5): 2120–2126. doi : 10.1063 / 1.872883 . hdl : 2027.42 / 71019 . ISSN  1070-664X .
• Kishek, RA; Lau, YY (5 de enero de 1998). "Descarga multipactor en un dieléctrico". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 80 (1): 193-196. doi : 10.1103 / physrevlett.80.193 . ISSN  0031-9007 .
• Valfells, Agust; Kishek, RA; Lau, YY (1998). "Respuesta en frecuencia de descarga multipactor". Física de Plasmas . Publicación AIP. 5 (1): 300–304. doi : 10.1063 / 1.872702 . hdl : 2027,42 / 69474 . ISSN  1070-664X .
• RA Kishek, Interacción de descargas multipactor y estructuras rf , Ph.D. disertación, Universidad de Michigan, Ann Arbor (1997)
• Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). "Potencia depositada en un dieléctrico por multipactor". Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). 26 (3): 290–295. doi : 10.1109 / 27.700756 . ISSN  0093-3813 .
• Lau, YY; Verboncoeur, JP; Valfells, A. (2000). "Efectos de carga espacial en multipactor en un dieléctrico". Transacciones IEEE sobre ciencia del plasma . Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE). 28 (3): 529–536. doi : 10.1109 / 27.887665 . ISSN  0093-3813 .
• A. Valfells, descarga multipactor : respuesta de frecuencia, supresión y relación con la ruptura de la ventana , Ph.D. disertación, Universidad de Michigan, Ann Arbor (2000)
• Anderson, RB; Getty, WD; Freno, ML; Lau, YY; Gilgenbach, RM; Valfells, A. (2001). "Experimento multipactor sobre una superficie dieléctrica". Revisión de instrumentos científicos . Publicación AIP. 72 (7): 3095–3099. doi : 10.1063 / 1.1380687 . hdl : 2027.42 / 71183 . ISSN  0034-6748 .
• RB Anderson, Experimento multipactor en una superficie dieléctrica , Ph.D. disertación, Universidad de Michigan, Ann Arbor (2001)
• Riyopoulos, Spilios; Chernin, David; Dialetis, Demos (1995). "Teoría del multipactor de electrones en campos cruzados". Física de Plasmas . Publicación AIP. 2 (8): 3194–3213. doi : 10.1063 / 1.871151 . ISSN  1070-664X .

En línea

• Estudio del efecto multipactor en la operación de múltiples portadoras dentro de los componentes de microondas del espacio Ph. Mader, J. Puech, H. Dillenbourg, Ph. Lepeltier, L. Lapierre, J. Sombrin. PDF consultado en diciembre de 2006
• Desglose de las guías de onda debido al efecto multipactor. HM Wachowski, Aerospace Corp El Segundo California, mayo de 1964. Consultado en diciembre de 2006
• Experimento multipactor en una superficie dieléctrica RB Anderson, WD Getty, ML Brake, YY Lau, RM Gilgenbach, A. Valfells, Rev. Sci. Instrum., 72, 3095, julio de 2001

Ver también

• Plasma acoplado capacitivamente
• Avalancha de electrones
• Fusor