Эффект мультипакторный представляет собой явление , в радиочастотном (РЧ) усилитель вакуумных трубок и волноводах , где, при определенных условиях, вторичной электронной эмиссии в резонансе с переменным электрическим полем приводит к экспоненциальному размножению электронов, может привести к повреждению и даже разрушая РЧ устройство.
Описание
Эффект мультипактора возникает, когда электроны, ускоренные радиочастотными (RF) полями, самоподдерживаются в вакууме (или около вакуума) за счет электронной лавины, вызванной вторичной электронной эмиссией. Удар электрона о поверхность может, в зависимости от его энергии и угла, высвободить один или несколько вторичных электронов в вакуум. Эти электроны затем могут быть ускорены радиочастотными полями и столкнуться с той же или другой поверхностью. Если энергия удара, количество выпущенных электронов и время столкновения будут такими, что происходит устойчивое умножение количества электронов, явление может расти экспоненциально и может привести к эксплуатационным проблемам радиочастотной системы, таким как повреждение радиочастотных компонентов или потеря или искажение радиосигнала.
Механизм
Механизм мультипактора зависит от ориентации ВЧ электрического поля по отношению к поверхности. Существует два типа мультипакторов: двухповерхностный мультипактор на металлах и одноповерхностный мультипактор на диэлектриках.
Двухповерхностный мультипактор по металлам
Это мультипакторный эффект, возникающий в зазоре между металлическими электродами. Часто электрическое РЧ поле направлено перпендикулярно поверхности. Резонанс между временем электронного полета и РЧ поля цикла является механизмом для развития мультипакторного.
Существование мультипактора зависит от следующих трех условий: среднее количество высвобождаемых электронов больше или равно одному на падающий электрон (это зависит от выхода вторичных электронов на поверхности) и времени, затрачиваемого электроном. для перемещения от поверхности, с которой он был выпущен, к поверхности, с которой он сталкивается, является целым числом, кратным половине периода RF, а средний выход вторичных электронов больше или равен единице.
Одноповерхностный мультипактор на диэлектриках
Это мультипакторный эффект, возникающий на диэлектрической поверхности. Часто электрическое поле RF параллельно поверхности. Положительный заряд, накопленный на поверхности диэлектрика, притягивает электроны обратно к поверхности. Одноповерхностный мультипактор также возможен на металлической поверхности при наличии скрещенного статического магнитного поля.
Произведение частотной щели в двухповерхностном мультипакторе
Условия, при которых мультипактор будет возникать в мультипакторе с двумя поверхностями, можно описать величиной, называемой произведением частотного промежутка. Рассмотрим установку с двумя поверхностями со следующими определениями:
- , расстояние или зазор между поверхностями
- , угловая частота ВЧ поля
- , пиковое ВЧ напряжение между пластиной
- , пиковое электрическое поле между поверхностями, равное / .
ВЧ-напряжение изменяется синусоидально. Рассмотрим время, в которое напряжение на электроде А проходит через 0 и начинает становиться отрицательным. Если предположить, что рядом с A есть хотя бы 1 свободный электрон, этот электрон начнет ускоряться вправо к электроду B. Он продолжит ускоряться и достигнет максимальной скорости ½ цикла позже, когда напряжение на электроде B начнет становиться равным. отрицательный. Если электрон (ы) от электрода A столкнется с электродом B в это время и произведет дополнительные свободные электроны, эти новые свободные электроны начнут ускоряться к электроду A. Затем процесс может повториться, вызывая мультипактор. Теперь мы найдем взаимосвязь между расстоянием между пластинами, ВЧ частотой и ВЧ напряжением, которая вызывает самый сильный 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 только что освобожденные электроны ускоряются вправо. Уравнение движения свободных электронов Ньютона имеет вид
Решение этого дифференциального уравнения есть
где мы предположили, что когда электроны первоначально покидают электрод, они имеют нулевую скорость. Мы знаем, что резонанс возникает, если электроны достигают крайнего правого электрода после половины периода ВЧ поля,. Включив это в наше решение для мы получили
Перестановка и использование частоты вместо угловой частоты дает
- .
Продукт называется произведением частотной разницы. Имейте в виду, что это уравнение является критерием наибольшего резонанса, но мультипактор все же может возникать, когда это уравнение не выполняется.
История
Это явление впервые наблюдал французский физик Камиль Гуттон в 1924 году в Нанси.
Мультипактор был идентифицирован и изучен в 1934 году Фило Т. 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. Была предложена и впоследствии экспериментально обнаружена новая форма мультипактора (Кишек, 1998), в которой зарядка диэлектрической поверхности значительно изменяет динамику разряда мультипактора.
Рекомендации
- ^ Романов, Геннадий (2011). «Обновление мультипактора в коаксиальных волноводах с использованием CST Particle Studio» (PDF) . Труды конференции по ускорителям частиц 2011 года : 2.
Моделирование электронного мультипакторного разряда в коаксиальном волноводе было выполнено с использованием CST Particle Studio с основной целью проверить влияние многочастичного подхода в сочетании с усовершенствованной вероятностной моделью излучения на пороги разряда. Большинство симуляций согласуются с аналитическими результатами и результатами более упрощенных числовых кодов.
дальнейшее чтение
- К. Гаттон, Sur la décharge électrique à fréquence très élevée , Comptes-Rendus Hebdomadaires des Séances de l'Académie des Sciences, vol.178, p.467, 1924.
- Фарнсворт, Фило Тейлор (1934). «Телевидение путем сканирования электронного изображения». Журнал Института Франклина . Elsevier BV. 218 (4): 411–444. DOI : 10.1016 / s0016-0032 (34) 90415-4 . ISSN 0016-0032 .
- Дж. Родни М. Воган, Multipactor , IEEE Trans. Электронные устройства, т. 35, № 7, июль 1988 г.
- Кишек, РА; Лау, ГГ; Ang, LK; Valfells, A .; Гильгенбах, Р.М. (1998). «Мультипакторный разряд на металлах и диэлектриках: исторический обзор и современные теории». Физика плазмы . Издательство AIP. 5 (5): 2120–2126. DOI : 10.1063 / 1.872883 . ЛВП : 2027,42 / 71019 . ISSN 1070-664X .
- Кишек, РА; Лау, YY (1998-01-05). «Мультипакторный разряд на диэлектрике». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 80 (1): 193–196. DOI : 10.1103 / physrevlett.80.193 . ISSN 0031-9007 .
- Вальфеллс, Агуст; Кишек, РА; Лау, YY (1998). «Амплитудно-частотная характеристика мультипакторного разряда». Физика плазмы . Издательство AIP. 5 (1): 300–304. DOI : 10.1063 / 1.872702 . ЛВП : 2027,42 / 69474 . ISSN 1070-664X .
- Кишек Р.А. Взаимодействие мультипакторного разряда и ВЧ структур , канд. Экон. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (1997)
- Лау, ГГ; Кишек, РА; Гильгенбах, Р.М. (1998). «Мощность, приложенная к диэлектрику мультипактором». IEEE Transactions по науке о плазме . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 26 (3): 290–295. DOI : 10.1109 / 27.700756 . ISSN 0093-3813 .
- Лау, ГГ; Verboncoeur, JP; Вальфеллс, А. (2000). «Воздействие пространственного заряда на мультипактор на диэлектрике». IEEE Transactions по науке о плазме . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE). 28 (3): 529–536. DOI : 10.1109 / 27.887665 . ISSN 0093-3813 .
- А. Вальфеллс, Мультипакторный разряд: частотная характеристика, подавление и связь с разрушением окна , Ph.D. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (2000)
- Андерсон, РБ; Гетти, WD; Тормоз, мл; Лау, ГГ; Гильгенбах, РМ; Вальфеллс, А. (2001). «Мультипакторный эксперимент на диэлектрической поверхности». Обзор научных инструментов . Издательство AIP. 72 (7): 3095–3099. DOI : 10.1063 / 1.1380687 . ЛВП : 2027,42 / 71183 . ISSN 0034-6748 .
- Р. Б. Андерсон, Мультипакторный эксперимент на диэлектрической поверхности , канд. диссертация, Мичиганский университет, Анн-Арбор (2001)
- Риопулос, Спилиос; Чернин, Давид; Dialetis, Demos (1995). «Теория электронного мультипактора в скрещенных полях». Физика плазмы . Издательство AIP. 2 (8): 3194–3213. DOI : 10.1063 / 1.871151 . ISSN 1070-664X .
В сети
- Исследование эффекта мультипактора при работе с несколькими несущими внутри космических микроволновых компонентов [ мертвая связь ] Ф. Мадер, Дж. Пуэш, Х. Дилленбург, Ф. Лепельтье, Л. Лапьер, Дж. Сомбрин. PDF, доступ в декабре 2006 г.
- Пробой волноводов из-за эффекта мультипактора. HM Wachowski, Aerospace Corp. El Segundo California, май 1964 г. По состоянию на декабрь 2006 г.
- Мультипакторный эксперимент на диэлектрической поверхности Р. Б. Андерсон, В. Д. Гетти, М. Л. Тормоз, Ю. Ю. Лау, Р. М. Гильгенбах, А. Вальфеллс, преп. Instrum., 72, 3095, июль 2001 г.
Смотрите также
- Емкостная плазма
- Электронная лавина
- Фузор