Мультипакторный эффект

Мультипакторный эффект — это явление в радиочастотных (РЧ) усилителей электронных лампах и волноводах , где при определенных условиях вторичная эмиссия электронов в резонансе с переменным электромагнитным полем приводит к экспоненциальному размножению электронов, что может привести к повреждению и даже разрушению радиочастотного устройства.

Описание

Моделирование коксиального мультипактора. Электронное облако движется между внутренним и внешним проводником в резонансе, вызывая электронную лавину : за 5 наносекунд количество электронов увеличивается в 150 раз.

Мультипакторный эффект возникает, когда электроны, ускоренные радиочастотными (РЧ) полями, самоподдерживаются в вакууме (или околовакууме) посредством электронной лавины, вызванной вторичной электронной эмиссией. Удар электрона о поверхность может, в зависимости от его энергии и угла, выпустить один или несколько вторичных электронов в вакуум. Эти электроны могут затем ускоряться радиочастотными полями и ударяться о ту же или другую поверхность. Если энергия удара, количество высвободившихся электронов и время удара таковы, что происходит устойчивое увеличение количества электронов, явление может расти экспоненциально и может привести к проблемам в работе радиочастотной системы, таким как повреждение радиочастотных компонентов или потеря или искажение радиочастотного сигнала.

Механизм

Механизм мультипактора зависит от ориентации ВЧ электрического поля относительно поверхности, а также магнитного поля и его ориентации. Существует два типа мультипакторов: двухповерхностный мультипактор на металлах и одноповерхностный мультипактор на металле или диэлектриках.

Двухповерхностный мультипактор по металлам

Это мультипакторный эффект, возникающий в зазоре между металлическими электродами. Часто радиочастотное электрическое поле перпендикулярно поверхности. Резонанс . между временем полета электрона и циклом радиочастотного поля является механизмом развития мультипактора

Существование мультипактора зависит от выполнения следующих трех условий: среднее число высвобождаемых электронов больше или равно одному на каждый падающий электрон (это зависит от выхода вторичных электронов на поверхности), а также время, затраченное Путь электрона от поверхности, с которой он был выпущен, к поверхности, с которой он сталкивается, является целым числом, кратным половине периода РЧ, а средний выход вторичных электронов больше или равен единице.

Одноповерхностный мультипактор

При учете магнитных полей мультипакторный эффект может иметь место на одной поверхности. Одноповерхностный мультипактор возможен также на металлической поверхности при наличии скрещенного статического магнитного поля. Это также может произойти на поверхности диэлектрика, где часто радиочастотное электрическое поле параллельно поверхности. Положительный заряд, накопленный на поверхности диэлектрика, притягивает электроны обратно на поверхность.

Произведение частотной щели в двухповерхностном мультипакторе

Условия, при которых возникает мультипактор в двухповерхностном мультипакторе, можно описать величиной, называемой произведением частотной щели. Рассмотрим установку с двумя поверхностями со следующими определениями:

$d$, расстояние или зазор между поверхностями

$\omega$, угловая частота радиочастотного поля

$V_{0}$, пиковое ВЧ-напряжение между пластинами

$E_{0}$, пиковое электрическое поле между поверхностями, равное $V_{0}$/ $d$.

ВЧ напряжение изменяется синусоидально. Рассмотрим момент, в который напряжение на электроде А проходит через 0 и начинает становиться отрицательным. Предполагая, что рядом с А есть хотя бы один свободный электрон, этот электрон начнет ускоряться вправо в сторону электрода В. Он продолжит ускоряться и достигнет максимальной скорости через полцикла, как раз в тот момент, когда напряжение на электроде В начнет становиться равным отрицательный. Если электрон(ы) электрода A в это время ударится об электрод B и создаст дополнительные свободные электроны, эти новые свободные электроны начнут ускоряться по направлению к электроду A. Затем процесс может повториться, вызывая мультипактор. Теперь мы находим взаимосвязь между расстоянием между пластинами, радиочастотой и радиочастотным напряжением, которая вызывает сильнейший мультипакторный резонанс.

Рассмотрим момент времени, когда электроны только что столкнулись с электродом A в положении -d/2. Электрическое поле равно нулю и начинает указывать влево, так что вновь освободившиеся электроны ускоряются вправо. Уравнение движения свободных электронов Ньютона имеет вид

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

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

Решение этого дифференциального уравнения есть

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

где предполагается, что когда электроны первоначально покидают электрод, они имеют нулевую скорость. Мы знаем, что резонанс возникает, если электроны достигают крайнего правого электрода после половины периода радиочастотного поля, $t_{\frac {1}{2}}={\frac {\pi }{\omega }}$. Подключив это к нашему решению для $x(t)$ мы получаем

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

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

Перестановка и использование частоты $f$ вместо угловой частоты дает

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

Продукт $fd$ называется произведением частотной щели. Имейте в виду, что это уравнение является критерием наибольшего количества резонанса, но мультипактор все равно может возникнуть, если это уравнение не удовлетворяется.

Эффекты геометрии

Мультипактирование зависит от геометрии поверхности и точного распределения электрического и магнитного полей. Существует ряд основанных на геометрии методов уменьшения или даже устранения мультипакторного эффекта: один из них — использование небольших канавок, которые изменяют направление электрических полей точно в месте эмиссии электронов, тем самым отбрасывая некоторые электроны в нужных направлениях. которые не поддерживают процесс. Другой подход заключается в использовании крупномасштабных гофров поверхности, которые периодически изменяют время полета электронов при двухточечном мультипакте, тем самым нарушая условие мультипакторного резонанса. Затем происходят специфические изменения кривизны поверхности полости, которые снижают шансы электронов вернуться в точку происхождения. или поверхность перехода трубы из полой балки. Эти различные методы модификации поверхности представляют собой мощный инструмент для подавления мультипакта в различных геометриях.

История

Это явление впервые наблюдал французский физик Камилла Гуттон в 1924 году в Нанси .

Мультипактор был идентифицирован и изучен в 1934 году Фило Фарнсвортом , изобретателем электронного телевидения, который попытался использовать его в качестве усилителя. В настоящее время чаще всего это становится препятствием, которого следует избегать для нормальной работы ускорителей частиц , вакуумной электроники , радаров , устройств спутниковой связи и т. д.

Первое применение компьютеров для исследования мультипакта относится к началу 1970-х годов. когда это было обнаружено как основное ограничение производительности резонатора SRF.

Была предложена новая форма мультипактора: и впоследствии экспериментально обнаружено, что зарядка поверхности диэлектрика существенно меняет динамику мультипакторного разряда.

Дальнейшее чтение

• К. Гаттон, Об электрическом разряде очень высокой частоты , Еженедельные отчеты сессий Академии наук, том 178, стр. 467, 1924 г.
• Фарнсворт, Фило Тейлор (1934). «Телевидение посредством электронного сканирования изображений». Журнал Института Франклина . 218 (4). Эльзевир Б.В.: 411–444. дои : 10.1016/s0016-0032(34)90415-4 . ISSN   0016-0032 .
• Дж. Родни М. Воган, Multipactor , IEEE Trans. Электронные устройства, том. 35, № 7, июль 1988 г.
• Кишек, РА; Лау, ГГ (5 января 1998 г.). «Мультипакторный разряд на диэлектрике». Письма о физических отзывах . 80 (1). Американское физическое общество (APS): 193–196. дои : 10.1103/physrevlett.80.193 . ISSN   0031-9007 .
• Вальфеллс, Агуст; Кишек, РА; Лау, YY (1998). «Частотная характеристика мультипакторного разряда». Физика плазмы . 5 (1). Издательство АИП: 300–304. дои : 10.1063/1.872702 . hdl : 2027.42/69474 . ISSN   1070-664X .
• Р.А. Кишек, Взаимодействие мультипакторного разряда и высокочастотных структур , канд. техн. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (1997).
• Лау, ГГ; Кишек, РА; Гильгенбах, Р.М. (1998). «Энергия, передаваемая на диэлектрик мультипактором». Транзакции IEEE по науке о плазме . 26 (3). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 290–295. дои : 10.1109/27.700756 . ISSN   0093-3813 .
• Лау, ГГ; Вербонкёр, Япония; Валфеллс, А. (2000). «Эффекты пространственного заряда на мультипакторе на диэлектрике». Транзакции IEEE по науке о плазме . 28 (3). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 529–536. дои : 10.1109/27.887665 . ISSN   0093-3813 .
• А. Вальфеллс, Мультипакторный разряд: частотная характеристика, подавление и связь с пробоем окна , к.т.н. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (2000 г.)
• Андерсон, РБ; Гетти, штат Вашингтон; Тормоз, МЛ; Лау, ГГ; Гильгенбах, РМ; Валфеллс, А. (2001). «Мультипакторный эксперимент на поверхности диэлектрика». Обзор научных инструментов . 72 (7). Издательство AIP: 3095–3099. дои : 10.1063/1.1380687 . hdl : 2027.42/71183 . ISSN   0034-6748 .
• Р.Б. Андерсон, Мультипакторный эксперимент на поверхности диэлектрика , к.т.н. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (2001 г.)
• Рийопулос, Спилиос; Чернин, Дэвид; Диалетис, Демос (1995). «Теория электронного мультипактора в скрещенных полях». Физика плазмы . 2 (8). Издательство AIP: 3194–3213. дои : 10.1063/1.871151 . ISSN   1070-664X .

Онлайн

• Исследование эффекта мультипактора при работе на нескольких несущих внутри космических СВЧ-компонентов Ф. Мадер, Ж. Пюх, Х. Дилленбург, Ф. Лепельтье, Л. Лапьер, Ж. Сомбрен. PDF-файл, доступ в декабре 2006 г.
• Пробой волноводов из-за эффекта мультипактора. HM Wachowski, Aerospace Corp El Segundo, Калифорния, май 1964 г. По состоянию на декабрь 2006 г.
• Мультипакторный эксперимент на диэлектрической поверхности Р.Б. Андерсон, В.Д. Гетти, М.Л. Брейк, Ю.Я. Лау, Р.М. Гильгенбах, А. Валфеллс, Rev. Sci. Инструмент., 72, 3095, июль 2001 г.

См. также

• Емкостно-связанная плазма
• Электронная лавина
• Фузор