Multipactor effekt - Multipactor effect

Den multipactor effekt er et fenomen i radiofrekvens (RF) forsterker vakuumrør og bølgeledere , hvor, under visse betingelser, sekundær elektronemisjon for resonans med et elektrisk vekselfelt fører til eksponensiell elektron multiplikasjon og eventuelt skader og til og med ødelegge den RF-enheten.

Beskrivelse

Simulering av koaksial multipaktor. Elektronskyen beveger seg mellom den indre og ytre lederen i resonans og forårsaker et elektronskred : i 5 nanosekunder øker antall elektroner 150 ×.

Multipaktoreffekten oppstår når elektroner akselerert av radiofrekvente (RF) felt blir selvopprettholdt i et vakuum (eller nær vakuum) via et elektronskred forårsaket av sekundær elektronutslipp. Effekten av et elektron til en overflate kan, avhengig av energi og vinkel, frigjøre en eller flere sekundære elektroner i vakuumet. Disse elektronene kan da akselereres av RF-feltene og påvirkes med samme eller annen overflate. Hvis påvirkningsenergiene, antall frigitte elektroner og tidspunktet for innvirkningene er slik at en vedvarende multiplikasjon av antall elektroner oppstår, kan fenomenet vokse eksponentielt og kan føre til driftsproblemer i RF-systemet, for eksempel skade på RF-komponenter eller tap eller forvrengning av RF-signalet.

Mekanisme

Mekanismen til multipaktor avhenger av orienteringen til et RF-elektrisk felt i forhold til overflaten. Det er to typer multipaktor: to-flate multipaktor på metaller og en-overflate multipaktor på dielektrikum.

To-flate multipaktor på metaller

Dette er en multipaktoreffekt som oppstår i gapet mellom metallelektroder. Ofte er et RF-elektrisk felt normalt til overflaten. En resonans mellom elektronflytid og RF-feltsyklus er en mekanisme for multipaktorutvikling.

Tilstedeværelsen av multipaktor er avhengig av at følgende tre betingelser er oppfylt: Gjennomsnittlig antall frigitte elektroner er større enn eller lik en per innfallende elektron (dette er avhengig av overflatens sekundære elektronutbytte ) og tiden det tar av elektronet å reise fra overflaten som den ble frigitt fra til overflaten den påvirker med, er et helt tallmultipel av halvparten av RF-perioden, og det gjennomsnittlige sekundære elektronutbyttet er større enn eller lik en.

Enkeltflatemultipaktor på dielektrikum

Det er en multipaktoreffekt som oppstår på en dielektrisk overflate. Ofte er et RF-elektrisk felt parallelt med overflaten. Den positive ladningen akkumulert på den dielektriske overflaten tiltrekker seg elektroner tilbake til overflaten. En multipaktorhendelse med en overflate er også mulig på en metalloverflate i nærvær av et krysset statisk magnetfelt.

Frekvensgapsprodukt i to-flate multipaktor

Forholdene der multipaktor vil forekomme i to overflatemultipaktorer, kan beskrives med en mengde som kalles frekvensgapet. Vurder et to-flate-oppsett med følgende definisjoner:

${\ displaystyle d}$, avstand eller spalte mellom overflatene

${\ displaystyle \ omega}$, vinkelfrekvens på RF-feltet

${\ displaystyle V_ {0}}$, topp plate-til-plate RF-spenning

${\ displaystyle E_ {0}}$, topp elektrisk felt mellom overflatene, lik / .${\ displaystyle V_ {0}}$${\ displaystyle d}$

RF-spenningen varierer sinusformet. Tenk på tidspunktet da spenningen ved elektrode A går gjennom 0 og begynner å bli negativ. Forutsatt at det er minst 1 fritt elektron nær A, vil elektronet begynne å akselerere til høyre mot elektrode B. Det vil fortsette å akselerere og nå en maksimal hastighet ½ av en syklus senere akkurat som spenningen ved elektrode B begynner å bli negativ. Hvis elektronen (e) fra elektroden A treffer elektroden B på dette tidspunktet og produserer ytterligere frie elektroner, vil disse nye frie elektronene begynne å akselerere mot elektrode A. Prosessen kan da gjenta og forårsake multipaktor. Vi finner nå forholdet mellom plateavstand, RF-frekvens og RF-spenning som forårsaker den sterkeste multipaktorresonansen.

Tenk på et tidspunkt hvor elektroner nettopp har kollidert med elektrode A i posisjon -d / 2. Det elektriske feltet er på null og begynner å peke mot venstre slik at de nylig frigjorte elektronene akselereres mot høyre. Newtons bevegelsesligning av de frie elektronene er

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

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

Løsningen på denne differensialligningen er

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

der vi har antatt at når elektronene først forlater elektroden, har de null hastighet. Vi vet at resonans skjer hvis elektronene kommer til lengst til høyre elektroden etter en halvdel av perioden av RF-feltet, . Plugg dette inn i løsningen vår for vi får ${\ displaystyle t _ {\ frac {1} {2}} = {\ frac {\ pi} {\ omega}}}$${\ displaystyle x (t)}$

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

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

Omorganisering og bruk av frekvensen i stedet for vinkelfrekvensen gir ${\ displaystyle f}$

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

Produktet kalles frekvensgapsproduktet. Husk at denne ligningen er et kriterium for størst mengde resonans, men multipaktor kan fortsatt oppstå når denne ligningen ikke er oppfylt. ${\ displaystyle fd}$

Historie

Dette fenomenet ble først observert av den franske fysikeren Camille Gutton , i 1924, i Nancy.

Multipactor ble identifisert og studert i 1934 av Philo T.Farnsworth , oppfinneren av elektronisk TV, som forsøkte å utnytte den som en forsterker. Mer vanlig i dag har det blitt et hinder for å unngås for normal drift av partikkelakseleratorer , vakuumelektronikk , radarer , satellittkommunikasjonsenheter og så videre. En ny form for multipaktor er blitt foreslått (Kishek, 1998), og deretter eksperimentelt observert, der ladning av en dielektrisk overflate vesentlig endrer dynamikken til multipaktorutladningen.

Referanser

Videre lesning

• C. Gutton, Sur la décharge électrique à fréquence très élevée , Comptes-Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, bind 178, s.467, 1924
• Farnsworth, Philo Taylor (1934). "Fjernsyn med elektronbildeskanning". Tidsskrift for Franklin Institute . 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, nr. 7, juli 1988.
• Kishek, RA; Lau, YY; Ang, LK; Valfells, A .; Gilgenbach, RM (1998). "Multipactor-utslipp på metaller og dielektrikum: Historisk gjennomgang og nyere teorier". Plasmas fysikk . AIP Publishing. 5 (5): 2120-2126. doi : 10.1063 / 1.872883 . hdl : 2027.42 / 71019 . ISSN  1070-664X .
• Kishek, RA; Lau, YY (1998-01-05). "Multipactor Discharge on a Dielectric". Fysiske gjennomgangsbrev . American Physical Society (APS). 80 (1): 193–196. doi : 10.1103 / physrevlett.80.193 . ISSN  0031-9007 .
• Valfells, Agust; Kishek, RA; Lau, YY (1998). "Frekvensrespons for multipaktorutladning". Plasmas fysikk . AIP Publishing. 5 (1): 300–304. doi : 10.1063 / 1.872702 . hdl : 2027.42 / 69474 . ISSN  1070-664X .
• RA Kishek, Interaction of multipactor discharge and rf strukturer , Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (1997)
• Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). "Kraft avsatt på et dielektrikum med multipaktor". IEEE-transaksjoner på plasmavitenskap . Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 26 (3): 290–295. doi : 10.1109 / 27.700756 . ISSN  0093-3813 .
• Lau, YY; Verboncoeur, JP; Valfells, A. (2000). "Romladningseffekter på multipaktor på et dielektrikum". IEEE-transaksjoner på plasmavitenskap . Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). 28 (3): 529–536. doi : 10.1109 / 27.887665 . ISSN  0093-3813 .
• A. Valfells, Multipactor-utladning: frekvensrespons, undertrykkelse og forhold til vinduets sammenbrudd , Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (2000)
• Anderson, RB; Getty, WD; Brems, ML; Lau, YY; Gilgenbach, RM; Valfells, A. (2001). "Multipactor eksperiment på en dielektrisk overflate". Gjennomgang av vitenskapelige instrumenter . AIP Publishing. 72 (7): 3095–3099. doi : 10.1063 / 1.1380687 . hdl : 2027.42 / 71183 . ISSN  0034-6748 .
• RB Anderson, Multipactor eksperiment på en dielektrisk overflate , Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (2001)
• Riyopoulos, Spilios; Chernin, David; Dialetis, Demos (1995). "Teori om elektronmultipaktor i kryssede felt". Plasmas fysikk . AIP Publishing. 2 (8): 3194–3213. doi : 10.1063 / 1.871151 . ISSN  1070-664X .

på nett

• Studie av Multipactor-effekten i multibæreroperasjon i romfart mikrobølgekomponenter Ph. Mader, J. Puech, H. Dillenbourg, Ph. Lepeltier, L. Lapierre, J. Sombrin. PDF åpnet i desember 2006
• Fordeling av bølgeledere på grunn av multipaktoreffekten. HM Wachowski, Aerospace Corp El Segundo California, mai 1964. Besøkt desember 2006
• Multipaktorforsøk på en dielektrisk overflate RB Anderson, WD Getty, ML Brake, YY Lau, RM Gilgenbach, A. Valfells, Rev. Sci. Instrum., 72, 3095, juli 2001

Se også

• Kapasitivt koblet plasma
• Elektronskred
• Fusor