Efecto multipactor

El efecto multipactor es un fenómeno en los tubos de vacío y guías de ondas de amplificadores de radiofrecuencia (RF) , donde, bajo ciertas condiciones, la emisión de electrones secundarios en resonancia con un campo electromagnético alterno conduce a una multiplicación exponencial de electrones, posiblemente dañando e incluso destruyendo el dispositivo de RF.

Descripción

Simulación de un multipactor coaxial. La nube de electrones se mueve entre el conductor interno y externo en resonancia, lo que provoca una avalancha de electrones : en 5 nanosegundos, el número de electrones aumenta 150 veces. ^[1]

El efecto multipactor se produce cuando los electrones acelerados por campos de radiofrecuencia (RF) se automantienen en el vacío (o casi vacío) a través de una avalancha de electrones causada por la emisión de electrones secundarios . ^[2] El impacto de un electrón contra una superficie puede, dependiendo de su energía y ángulo, liberar uno o más electrones secundarios en el vacío. Estos electrones pueden ser acelerados por los campos de RF e impactar con la misma superficie o con otra. Si las energías de impacto, el número de electrones liberados y el momento de los impactos son tales que se produce 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 o 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, así como del campo magnético y su orientación. ^{[2] : 61–66} Hay dos tipos de multipactor: multipactor de dos superficies sobre metales y multipactor de una sola superficie sobre metal o dieléctricos.

Multipactor de dos superficies sobre metales

Se trata de un efecto multipactor que se produce en el espacio entre electrodos metálicos. A menudo, un campo eléctrico de RF es normal a la superficie. Una resonancia entre el tiempo de vuelo del electrón y el ciclo del campo de RF es un mecanismo para el desarrollo del efecto multipactor.

La existencia de multipactor depende de que se cumplan las tres condiciones siguientes: el número promedio 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 en viajar desde la superficie desde la que fue liberado hasta la superficie 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

El efecto multipactor puede ocurrir en una sola superficie cuando se tienen en cuenta los campos magnéticos. ^{[2] : 91–105  [3]} Un evento multipactor de una sola superficie también es posible en una superficie metálica en presencia de un campo magnético estático cruzado. También puede ocurrir en una superficie dieléctrica, donde a menudo un campo eléctrico de RF es paralelo a la superficie. La carga positiva acumulada en la superficie dieléctrica atrae electrones de regreso a la superficie.

Producto de brecha de frecuencia en multipactor de dos superficies

Las condiciones en las que se producirá un multipactor en dos superficies se pueden describir mediante una cantidad denominada producto de brecha de frecuencia. Consideremos una configuración de dos superficies con las siguientes definiciones:

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

${\displaystyle \omega }$, frecuencia angular del campo RF

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

${\displaystyle E_{0}}$, campo eléctrico 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 acelerar hacia la derecha en dirección al electrodo B. Continuará acelerando y alcanzará una velocidad máxima medio ciclo después, justo cuando el voltaje en el electrodo B comienza a volverse negativo. Si el electrón o los electrones del electrodo A chocan con el electrodo B en este momento y producen electrones libres adicionales, estos nuevos electrones libres comenzarán a acelerar hacia el electrodo A. El proceso puede repetirse y causar un multipactor. Ahora encontramos la relación entre el espaciado de las placas, la frecuencia de RF y el voltaje de RF que causa la resonancia multipactora más fuerte.

Consideremos un momento en el tiempo en el que los electrones acaban de colisionar 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 Newton del movimiento 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 de 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 se supone que cuando los electrones abandonan inicialmente el electrodo tienen velocidad cero. Sabemos que la resonancia ocurre si los electrones llegan al electrodo más a la derecha después de la mitad del período del campo de RF, . Sustituyendo esto en nuestra solución para obtenemos ${\displaystyle t_{\frac {1}{2}}={\frac {\pi }{\omega }}}$ ${\displaystyle x(t)}$

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

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

Reorganizando y utilizando la frecuencia en lugar de la frecuencia angular se obtiene ${\displaystyle f}$

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

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

Efectos de la geometría

El efecto multipactor depende de la geometría de la superficie y de la distribución exacta de los campos eléctricos y magnéticos. Existen varias técnicas basadas en la geometría para reducir o incluso eliminar el efecto multipactor: una es mediante ranuras a pequeña escala que modifican la dirección de los campos eléctricos exactamente en el lugar de la emisión de electrones, lo que hace que algunos de los electrones se desvíen hacia direcciones que no favorecen el proceso. ^[4] Otro enfoque es mediante corrugaciones a gran escala de la superficie que alteran periódicamente el tiempo de vuelo de los electrones en el efecto multipactor de dos puntos, lo que altera la condición de resonancia del efecto multipactor ^[5]. Luego, hay cambios específicos en la curvatura de la superficie de una cavidad que estropean las posibilidades de que los electrones regresen al punto de origen ^[6] o a la superficie de transición de la cavidad al tubo de la viga. ^[7] Estas diversas técnicas de modificación de la superficie proporcionan una herramienta poderosa para la supresión del efecto multipactor en varias geometrías.

Historia

Este fenómeno fue observado por primera vez por el físico francés Camille Gutton , en 1924, en Nancy .

El multipactor fue identificado y estudiado en 1934 por Philo Farnsworth , el inventor de la televisión electrónica, quien intentó aprovecharlo como amplificador. Hoy en día, 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.

La primera aplicación de computadoras para investigar la multipacificación data de principios de la década de 1970 ^[3], cuando se descubrió que era una limitación importante del rendimiento de la cavidad SRF.

Se ha propuesto ^[8] una nueva forma de multipactor, que posteriormente se ha observado experimentalmente, en la que la carga de una superficie dieléctrica cambia considerablemente la dinámica de la descarga del multipactor.

Ver también

• Plasma acoplado capacitivamente
• Plasma acoplado inductivamente

Referencias

1. Romanov, Gennady (2011). "Actualización sobre el multipactor en guías de ondas coaxiales utilizando CST Particle Studio" (PDF) . Actas de la Conferencia de Aceleradores de Partículas de 2011 : 2. Se han realizado simulaciones de descargas de multipactores de electrones en la guía de ondas coaxial utilizando CST Particle Studio, con el objetivo principal de verificar el efecto del enfoque de múltiples partículas combinado con un modelo de emisión probabilística avanzado en los umbrales de descarga. La mayoría de las simulaciones concuerdan con los resultados analíticos y los resultados de códigos numéricos más simplificados.
2. Valery D. Shemelin y Sergey A. Belomestnykh, Multipactor en cavidades aceleradas (libro 1 de una serie: Aceleración y detección de partículas) 1.ª ed. ISSN 1611-1052, Springer Nature Switzerland AG, 2020
3. I. Ben-Zvi, JF Crawford, JP Turneaure, Multiplicación de electrones en cavidades, en Actas de PAC1973, Conferencia sobre aceleradores de partículas, San Francisco (1973), pág. 54
4. W. Xu et al., Diseño de junta de estrangulamiento de un cuarto de onda sin multipacificación para SRF BNL, en Actas de IPAC2015. Conferencia Internacional sobre Aceleradores de Partículas, Richmond, 2015, pág. 1935
5. D. Naik, I. Ben-Zvi, Supresión de la multipacificación en un resonador de cuarto de onda de 56 MHz. Phys. Rev.ST Accel. Beams 13 , 052001 (2010)
6. U. Klein, D. Proch, Multipacting in superconducting RF structures, en Actas de la Conferencia sobre posibilidades futuras para aceleradores de electrones, Charlottesville, 1979, pág. N1
7. S. Belomestnykh, V. Shemelin, Transiciones sin multipacificación entre cavidades y tubos de haz. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 595, 293 (2008)
8. Kishek, RA; Lau, YY; Ang, LK; Valfells, A.; Gilgenbach, RM (1998). "Descarga multipactora en metales y dieléctricos: revisión histórica y teorías recientes". Física de plasmas . 5 (5). AIP Publishing: 2120–2126. doi :10.1063/1.872883. hdl : 2027.42/71019 . ISSN  1070-664X.

Lectura adicional

• 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 escaneo de imágenes electrónicas". Revista del Instituto Franklin . 218 (4). Elsevier BV: 411–444. doi :10.1016/s0016-0032(34)90415-4. ISSN  0016-0032.
• J. Rodney M. Vaughan, Multipactor , IEEE Trans. Electron Devices, vol. 35, n.º 7, julio de 1988.
• Kishek, RA; Lau, YY (5 de enero de 1998). "Descarga multipactora en un dieléctrico". Physical Review Letters . 80 (1). American Physical Society (APS): 193–196. doi :10.1103/physrevlett.80.193. ISSN  0031-9007.
• Valfells, Agust; Kishek, RA; Lau, YY (1998). "Respuesta de frecuencia de la descarga multipactora". Física de plasmas . 5 (1). AIP Publishing: 300–304. doi :10.1063/1.872702. hdl : 2027.42/69474 . ISSN  1070-664X.
• RA Kishek, Interacción de la descarga multipactora y las estructuras de radiofrecuencia , tesis doctoral, Universidad de Michigan, Ann Arbor (1997)
• Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). "Potencia depositada en un dieléctrico por multipactor". IEEE Transactions on Plasma Science . 26 (3). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 290–295. doi :10.1109/27.700756. ISSN  0093-3813.
• Lau, YY; Verboncoeur, JP; Valfells, A. (2000). "Efectos de la carga espacial en el multipactor sobre un dieléctrico". IEEE Transactions on Plasma Science . 28 (3). Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE): 529–536. doi :10.1109/27.887665. ISSN  0093-3813.
• A. Valfells, Descarga multipactora: respuesta de frecuencia, supresión y relación con la ruptura de la ventana , tesis doctoral, Universidad de Michigan, Ann Arbor (2000)
• Anderson, RB; Getty, WD; Brake, ML; Lau, YY; Gilgenbach, RM; Valfells, A. (2001). "Experimento multipactor en una superficie dieléctrica". Review of Scientific Instruments . 72 (7). AIP Publishing: 3095–3099. doi :10.1063/1.1380687. hdl : 2027.42/71183 . ISSN  0034-6748.
• RB Anderson, Experimento multipactor sobre una superficie dieléctrica , tesis doctoral, Universidad de Michigan, Ann Arbor (2001)
• Riyopoulos, Spilios; Chernin, David; Dialétis, Demos (1995). "Teoría del multipactor de electrones en campos cruzados". Física de Plasmas . 2 (8). Publicación AIP: 3194–3213. doi : 10.1063/1.871151. ISSN  1070-664X.

En línea

• Estudio del efecto Multipactor en el funcionamiento de múltiples portadoras en el interior de componentes de microondas espaciales ^{[ enlace inactivo ‍ ]} Ph. Mader, J. Puech, H. Dillenbourg, Ph. Lepeltier, L. Lapierre, J. Sombrin. PDF Accedido en diciembre de 2006
• Fallas en las guías de ondas debido al efecto multipactor. HM Wachowski, Aerospace Corp El Segundo California, mayo de 1964. Consultado en diciembre de 2006
• Experimento con multipactor sobre una superficie dieléctrica RB Anderson, WD Getty, ML Brake, YY Lau, RM Gilgenbach, A. Valfells, Rev. Sci. Instrum., 72, 3095, julio de 2001

Véase también

• Plasma acoplado capacitivamente
• Avalancha de electrones
• Fusor