Multipactor effekt

Multipactoreffekten är ett fenomen i radiofrekventa (RF) förstärkares vakuumrör och vågledare , där sekundär elektronemission i resonans med ett alternerande elektriskt fält under vissa förhållanden leder till exponentiell elektronmultiplikation, vilket kan skada och till och med förstöra RF-enheten.

Beskrivning

Simulering av coxial multipactor. Elektronmolnet rör sig mellan den inre och yttre ledaren i resonans, vilket orsakar en elektronlavin : på 5 nanosekunder ökar antalet elektroner 150×.

Multipactoreffekten uppstår när elektroner som accelereras av radiofrekventa (RF) fält är självförsörjande i ett vakuum (eller nära vakuum) via en elektronlavin orsakad av sekundär elektronemission. En elektrons påverkan på en yta kan, beroende på dess energi och vinkel, släppa ut en eller flera sekundära elektroner i vakuumet. Dessa elektroner kan sedan accelereras av RF-fälten och träffa samma eller annan yta. Skulle anslagsenergierna, antalet frigjorda elektroner och tidpunkten för nedslagen vara sådana att en ihållande multiplikation av antalet elektroner inträffar, kan fenomenet växa exponentiellt och kan leda till driftsproblem för RF-systemet såsom skador på RF-komponenter eller förlust eller förvrängning av RF-signalen.

Mekanism

Mekanismen för multipactor beror på orienteringen av ett RF-elektriskt fält med avseende på ytan. Det finns två typer av multipactor: två-ytor multipactor på metaller och enkel-ytor multipactor på dielektrikum.

Två-ytor multipactor på metaller

Detta är en multipactor-effekt som uppstår i gapet mellan metalliska elektroder. Ofta är ett RF-elektriskt fält normalt mot ytan. En resonans mellan elektronflygtid och RF-fältcykel är en mekanism för multipactor-utveckling.

Förekomsten av multipactor är beroende av att följande tre villkor är uppfyllda: Det genomsnittliga antalet frigjorda elektroner är större än eller lika med en per infallande elektron (detta beror på ytans sekundära elektronutbyte) och den tid det tar för elektronen att resa från ytan från vilken den släpptes till ytan den träffar med är en heltalsmultipel av hälften av RF-perioden och det genomsnittliga sekundära elektronutbytet är större än eller lika med ett.

Enkelyta multipactor på dielektrikum

Det finns en multipactoreffekt som uppstår på en dielektrisk yta. Ofta är ett RF-elektriskt fält parallellt med ytan. Den positiva laddningen som ackumuleras på den dielektriska ytan lockar elektroner tillbaka till ytan. En multipactorhändelse med en yta är också möjlig på en metallyta i närvaro av ett korsat statiskt magnetfält.

Frekvens-gap produkt i två-ytor multipactor

Förhållandena under vilka multipactor kommer att uppstå i tvåytor multipactor kan beskrivas med en kvantitet som kallas frekvens-gap-produkten. Överväg en uppsättning med två ytor med följande definitioner:

d

, avstånd eller gap mellan ytorna

\omega

, vinkelfrekvens för RF-fältet

{\displaystyle V_{0}} ,

topp platta-till-platta RF-spänning

E_ {0}

, elektriskt toppfält mellan ytorna, lika med

V_{0}

/

d

.

RF-spänningen varierar sinusformigt. Betrakta den tidpunkt då spänningen vid elektrod A passerar genom 0 och börjar bli negativ. Om man antar att det finns minst 1 fri elektron nära A, kommer den elektronen att börja accelerera åt höger mot elektrod B. Den kommer att fortsätta att accelerera och nå en maximal hastighet ½ av en cykel senare precis när spänningen vid elektrod B börjar bli negativ. Om elektronen/elektronerna från elektrod A träffar elektrod B vid denna tidpunkt och producerar ytterligare fria elektroner, kommer dessa nya fria elektroner att börja accelerera mot elektrod A. Processen kan sedan upprepas och orsaka multipactor. Vi hittar nu sambandet mellan plattavståndet, RF-frekvensen och RF-spänningen som orsakar den starkaste multipactorresonansen.

Betrakta en tidpunkt då elektroner just har kolliderat med elektrod A vid position -d/2. Det elektriska fältet är på noll och börjar peka åt vänster så att de nyligen frigjorda elektronerna accelereras åt höger. Newtons rörelseekvation för de fria elektronerna är

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

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

Lösningen på denna differentialekvation är

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

där vi har antagit att när elektronerna initialt lämnar elektroden har de noll hastighet. Vi vet att resonans inträffar om elektronerna kommer till elektroden längst till höger efter halva perioden av RF-fältet, $t_{\frac {1}{2}}={\frac {\ pi }{\omega }}$ . Om vi pluggar in detta i vår lösning för $x(t)$ får vi

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}}

Att omordna och använda frekvensen $f$ istället för vinkelfrekvensen ger

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

.

Produkten $fd$ kallas frekvensgap-produkten. Tänk på att denna ekvation är ett kriterium för största mängd resonans, men multipactor kan fortfarande uppstå när denna ekvation inte är uppfylld.

Historia

Detta fenomen observerades första gången av den franske fysikern Camille Gutton 1924 i Nancy .

Multipactor identifierades och studerades 1934 av Philo T. Farnsworth , uppfinnaren av elektronisk television, som försökte dra fördel av den som en förstärkare. Mer vanligt nuförtiden har det blivit ett hinder som ska undvikas för normal drift av partikelacceleratorer , vakuumelektronik, radar , satellitkommunikationsenheter och så vidare. En ny form av multipactor har föreslagits (Kishek, 1998) och sedan experimentellt observerats, där laddning av en dielektrisk yta avsevärt förändrar dynamiken hos multipactorurladdningen.

Vidare läsning

C. Gutton, Sur la décharge électrique à fréquence très élevée , Comptes-Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, vol.178, s.467, 1924
Farnsworth, Philo Taylor (1934). "Television med elektronbildsskanning". Journal of the 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). "Multipaktorurladdning på metaller och dielektrika: Historisk översikt och nyare teorier". Plasmas fysik . AIP-publicering. 5 (5): 2120–2126. doi : 10.1063/1.872883 . hdl : 2027.42/71019 . ISSN 1070-664X .
Kishek, RA; Lau, YY (1998-01-05). "Multipaktorurladdning på en dielektrikum". Fysiska granskningsbrev . American Physical Society (APS). 80 (1): 193–196. doi : 10.1103/physrevlett.80.193 . ISSN 0031-9007 .
Valfells, Agust; Kishek, RA; Lau, YY (1998). "Frekvenssvar av multipactor urladdning". Plasmas fysik . AIP-publicering. 5 (1): 300–304. doi : 10.1063/1.872702 . hdl : 2027.42/69474 . ISSN 1070-664X .
RA Kishek, Interaktion mellan multipactor urladdning och rf strukturer , Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (1997)
Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). "Ström avsatt på en dielektrikum med multipactor". IEEE-transaktioner på plasmavetenskap . Institutet för el- och elektronikingenjörer (IEEE). 26 (3): 290–295. doi : 10.1109/27.700756 . ISSN 0093-3813 .
Lau, YY; Verboncoeur, JP; Valfells, A. (2000). "Rymdladdningseffekter på multipactor på ett dielektrikum". IEEE-transaktioner på plasmavetenskap . Institutet för el- och elektronikingenjörer (IEEE). 28 (3): 529–536. doi : 10.1109/27.887665 . ISSN 0093-3813 .
A. Valfells, Multipactor discharge: frequency response, suppression och relation to window breakdown , Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (2000)
Anderson, RB; Getty, WD; Broms, ML; Lau, YY; Gilgenbach, RM; Valfells, A. (2001). "Multifaktorexperiment på en dielektrisk yta". Granskning av vetenskapliga instrument . AIP-publicering. 72 (7): 3095–3099. doi : 10.1063/1.1380687 . hdl : 2027.42/71183 . ISSN 0034-6748 .
RB Anderson, Multipactor experiment på en dielektrisk yta, Ph.D. avhandling, University of Michigan, Ann Arbor (2001)
Riyopoulos, Spilios; Chernin, David; Dialetis, Demos (1995). "Teori om elektronmultipaktor i korsade fält". Plasmas fysik . AIP-publicering. 2 (8): 3194-3213. doi : 10.1063/1.871151 . ISSN 1070-664X .

Uppkopplad

Studie av Multipactor-effekten i multi-bärardrift inuti rymdmikrovågskomponenter ^{[ död länk ]} Ph. Mader, J. Puech, H. Dillenbourg, Ph. Lepeltier, L. Lapierre, J. Sombrin. PDF tillgänglig december 2006
Nedbrytning i vågledare på grund av multipactoreffekten. HM Wachowski, Aerospace Corp El Segundo California, maj 1964. Åtkomst december 2006
Multipactor experiment på en dielektrisk yta RB Anderson, WD Getty, ML Brake, YY Lau, RM Gilgenbach, A. Valfells, Rev. Sci. Instrum., 72, 3095, juli 2001

Se även