Efecto multipactor

El efecto multipactor es un fenómeno que se produce en los tubos de vacío y guías de onda de los 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, lo que puede dañar e incluso destruir el dispositivo de RF.

El efecto multipactor se produce cuando los electrones acelerados por campos de radiofrecuencia (RF) se autosostenen en el vacío (o casi vacío) mediante una avalancha de electrones causada por la emisión de electrones secundarios . ^{[ 2 ]} El impacto de un electrón sobre 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 u 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 provocar problemas operativos en el sistema de RF, como daños en los componentes de RF o pérdida o distorsión de la señal de RF.

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 en metales y multipactor de una sola superficie en metales o dieléctricos.

Las condiciones bajo las cuales se producirá el efecto multipactor en un sistema multipactor de dos superficies se pueden describir mediante una magnitud 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 de RF

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

${\displaystyle E_{0}}$, campo eléctrico máximo entre las superficies, igual a${\displaystyle V_{0}}$/${\displaystyle d}$.

El voltaje de RF varía sinusoidalmente. Consideremos el instante en que el voltaje en el electrodo A pasa por 0 y comienza a volverse negativo. Suponiendo que hay al menos un electrón libre cerca de A, este comenzará a acelerarse hacia la derecha, en dirección al electrodo B. Continuará acelerándose y alcanzará una velocidad máxima medio ciclo después, justo cuando el voltaje en el electrodo B comience a volverse negativo. Si los electrones del electrodo A chocan con el electrodo B en ese momento y generan electrones libres adicionales, estos nuevos electrones libres comenzarán a acelerarse hacia el electrodo A. El proceso puede repetirse, causando un efecto multipactor. Ahora, determinamos la relación entre la distancia entre las placas, la frecuencia de RF y el voltaje de RF que produce la resonancia multipactor más intensa.

Consideremos un instante en el que los electrones acaban de colisionar con el electrodo A en la posición -d/2. El campo eléctrico es cero y comienza a apuntar hacia la izquierda, de modo que los electrones recién liberados se aceleran hacia la derecha. La ecuación de movimiento de Newton para 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,${\displaystyle t_{\frac {1}{2}}={\frac {\pi }{\omega }}}$. Conectando esto a nuestra solución para${\displaystyle x(t)}$obtenemos

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

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

Reorganizar y utilizar la frecuencia${\displaystyle f}$en lugar de la frecuencia angular da

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

El producto${\displaystyle fd}$Se denomina producto de brecha de frecuencia. Tenga en cuenta que esta ecuación es un criterio para la máxima resonancia, pero el efecto multipactor puede ocurrir incluso cuando no se cumple.

El 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 consiste en ranuras a pequeña escala que modifican la dirección de los campos eléctricos exactamente en la ubicación de la emisión de electrones, impulsando así algunos electrones hacia direcciones que no favorecen el proceso. ^{[ 4 ]} Otro enfoque consiste en ondulaciones a gran escala de la superficie que alteran periódicamente el tiempo de vuelo de los electrones en el multipactor de dos puntos, interrumpiendo así la condición de resonancia multipactor. ^{[ 5 ]} También existen cambios específicos en la curvatura de la superficie de una cavidad que reducen las posibilidades de que los electrones regresen al punto de origen ^{[ 6 ]} o a la superficie de transición entre la cavidad y el tubo del haz. ^{[ 7 ]} Estas diversas técnicas de modificación de la superficie proporcionan una herramienta poderosa para la supresión del multipactor en diversas geometrías.

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

El efecto multipactor fue identificado y estudiado en 1934 por Philo Farnsworth , inventor de la televisión electrónica, quien intentó aprovecharlo como amplificador. Actualmente, se considera 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 el multipacting data de principios de la década de 1970 ^{[ 3 ],} cuando se descubrió como una limitación importante del rendimiento de la cavidad SRF.

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

• Plasma acoplado capacitivamente
• Plasma acoplado inductivamente

• 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". Journal of the Franklin Institute . 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, No 7, julio de 1988.
• Kishek, RA; Lau, YY (1998-01-05). "Descarga multipactor en un dieléctrico". Physical Review Letters . 80 (1). American Physical Society (APS): 193– 196. doi : 10.1103/physrevlett.80.193 . ISSN 0031-9007 . 
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• 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 multipactor: respuesta en 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 de multipactor en 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 operación multiportadora dentro de componentes de microondas espaciales. Ph. Mader, J. Puech, H. Dillenbourg, Ph. Lepeltier, L. Lapierre, J. Sombrin. PDF. Consultado en diciembre de 2006.
• Ruptura en guías de onda debido al efecto multipactor. HM Wachowski, Aerospace Corp., El Segundo, California, mayo de 1964. Consultado en diciembre de 2006.
• Experimento de multipactor en una superficie dieléctrica RB Anderson, WD Getty, ML Brake, YY Lau, RM Gilgenbach, A. Valfells, Rev. Sci. Instrum., 72, 3095, julio de 2001

• Plasma acoplado capacitivamente
• avalancha de electrones
• Fusor