Мультипакторный эффект в радиочастотных устройствах: механизмы и подавление.
Multipactor effect
Мультипакторный эффект в СВЧ-устройствах: причины, типы (двухповерхностный, одноповерхностный) и опасность экспоненциального умножения электронов для приборов.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эффект мультипактора – это явление в радиочастотных (РЧ) усилителях вакуумных лампах и волноводах, при котором, в определенных условиях, вторичная электронная эмиссия, находящаяся в резонансе с переменным электромагнитным полем, приводит к экспоненциальному умножению электронов, что может повредить и даже разрушить РЧ-устройство.
The multipactor effect is a phenomenon in radio frequency (RF) amplifier vacuum tubes and waveguides, where, under certain conditions, secondary electron emission in resonance with an alternating electromagnetic field leads to exponential electron multiplication, possibly damaging and even destroying the RF device.
Механизм
Механизм мультипактора зависит от ориентации радиочастотного электрического поля относительно поверхности, а также от магнитного поля и его ориентации (см. стр. 61–66). Существуют два типа мультипактора: двухповерхностный мультипактор на металлах и одноповерхностный мультипактор на металле или диэлектриках.
The mechanism of multipactor depends on the orientation of an RF electric field with respect to the surface as well as the magnetic field and its orientation (see pp 61 66 in ). There are two types of multipactor: two surface multipactor on metals and single surface multipactor on metal or dielectrics.
Двухповерхностный мультиплектор на металлах
Это многофакторный эффект, возникающий в зазоре между металлическими электродами. Зачастую радиочастотное электрическое поле направлено перпендикулярно поверхности. Резонанс между временем полета электрона и циклом радиочастотного поля является механизмом развития многофакторного эффекта. Возникновение многофакторного эффекта зависит от выполнения следующих трех условий: среднее число электронов, высвобождаемых при попадании одного электрона, должно быть больше или равно единице (это определяется коэффициентом вторичной эмиссии поверхности), время пролета электрона от поверхности, с которой он был испущен, до поверхности, на которую он попадает, должно быть целым кратным половине периода радиочастотного поля, и средний коэффициент вторичной эмиссии должен быть больше или равен единице.
This is a multipactor effect that occurs in the gap between metallic electrodes. Often, an RF electric field is normal to the surface. A resonance between electron flight time and RF field cycle is a mechanism for multipactor development. The existence of multipactor is dependent on the following three conditions being met: The average number of electrons released is greater than or equal to one per incident electron (this is dependent on the secondary electron yield of the surface), and the time taken by the electron to travel from the surface from which it was released to the surface it impacts is an integer multiple of one half of the RF period, and the average secondary electron yield is greater than or equal to one.
Многоплановый одноповерхностный
Многофакторный эффект может возникать на одной поверхности при учёте магнитных полей. См. теорию на стр. 91–105 и результаты моделирования и экспериментов в [укажите источник]. Одноповерхностный многофакторный эффект также возможен на металлической поверхности в присутствии взаимно перпендикулярных статических магнитных полей. Он также может возникать на диэлектрической поверхности, где радиочастотное электрическое поле часто параллельно поверхности. Положительный заряд, накапливающийся на диэлектрической поверхности, притягивает электроны обратно к ней.
The multipactor effect can take place on a single surface when magnetic fields are taken into account. See theory in pp 91 105, and simulations and experiment in. A single surface multipactor event is also possible on a metallic surface in the presence of a crossed static magnetic field. It may also occur on a dielectric surface, where often an RF electric field is parallel to the surface. The positive charge accumulated on the dielectric surface attracts electrons back to the surface.
Эффекты геометрии
Мультипактинг зависит от геометрии поверхности и точного распределения электрических и магнитных полей. Существует ряд методов, основанных на геометрии, для снижения или даже устранения эффекта мультипактинга: один из них – создание мелкомасштабных канавок, которые изменяют направление электрических полей непосредственно в месте эмиссии электронов, отклоняя часть из них в направления, не поддерживающие этот процесс. Другой подход заключается в создании крупномасштабной волнистости поверхности, которая периодически изменяет время пролета электронов при двухточечном мультипактинге, тем самым нарушая условия мультипактингного резонанса. Также применяются специфические изменения кривизны поверхности резонатора, которые уменьшают вероятность возврата электронов в точку эмиссии или на поверхность перехода к пучку. Все эти методы модификации поверхности предоставляют эффективный инструмент для подавления мультипактинга в различных геометриях.
Multipacting depends on the geometry of the surface and the exact distribution of the electric and magnetic fields. There are a number of geometry based techniques to reduce or even eliminate the multipactor effect: One is through small scale grooves which modify the direction of the electric fields exactly at the location of the electron emission, thereby kicking some of the electrons to directions that do not support the process. Another approach is through large scale corrugations of the surface which periodically alter the time of flight of the electrons in two point multipacting, thereby disrupting the multipactor resonance condition Then there are specific changes in the curvature of a cavity's surface that spoil the chances of the electrons to return to the point of origin or cavity beam pipe transition surface. These various surface modifications techniques provide a powerful tool for the suppression of multipacting in various geometries.
История
Это явление впервые было замечено французским физиком Камилем Гаттоном в 1924 году в Нанси. Мультипактор был идентифицирован и изучен в 1934 году Фило Т. Фарнсвортом, изобретателем электронного телевидения, который пытался использовать его в качестве усилителя. В настоящее время это чаще всего является препятствием, которое необходимо избегать для нормальной работы ускорителей частиц, вакуумной электроники, радаров, устройств спутниковой связи и так далее. Первое применение компьютеров для исследования мультипактора относится к началу 1970-х годов, когда он был обнаружен как серьезное ограничение производительности резонаторов СВЧ с сверхпроводящим покрытием. Была предложена новая форма мультипактора (Kishek, 1998), которая впоследствии была экспериментально подтверждена, в которой зарядка диэлектрической поверхности существенно изменяет динамику мультипакторного разряда.
This phenomenon was first observed by the French physicist Camille Gutton, in 1924, at Nancy. Multipactor was identified and studied in 1934 by Philo T. Farnsworth, the inventor of electronic television, who attempted to take advantage of it as an amplifier. More commonly nowadays, it has become an obstacle to be avoided for normal operation of particle accelerators, vacuum electronics, radars, satellite communication devices, and so forth. The first application of computers to investigate multipacting is from the early 1970's when it was discovered as a major SRF cavity performance limitation. A novel form of multipactor has been proposed (Kishek, 1998), and subsequently experimentally observed, in which charging of a dielectric surface considerably changes the dynamics of the multipactor discharge.