マルチパクター効果

マルチパクター効果は、無線周波数(RF)増幅器の 真空管および導波管における現象であり、特定の条件下では、交流電磁場と共鳴する二次電子放出によって指数関数的な電子増殖が起こり、RF デバイスが損傷したり、破壊される可能性があります。

マルチパクター効果は、無線周波数（RF）フィールドによって加速された電子が、二次電子放出によって引き起こされる電子なだれを介して真空（または真空に近い状態）で自立するときに発生します。 ^[2]電子が表面に衝突すると、そのエネルギーと角度に応じて、1つまたは複数の二次電子が真空中に放出されます。これらの電子は、RFフィールドによって加速され、同じ表面または別の表面に衝突します。衝突エネルギー、放出される電子の数、および衝突のタイミングによって、電子の数の持続的な増加が発生する場合、この現象は指数関数的に増大し、RFコンポーネントの損傷、RF信号の損失または歪みなど、RFシステムの動作上の問題につながる可能性があります。

マルチパクターのメカニズムは、表面に対するRF電界の向きと、磁場の向きに依存します。^{[2] ：61–66}マルチパクターには、金属上の2表面マルチパクターと金属または誘電体上の1表面マルチパクターの2種類があります。

これは金属電極間のギャップで発生するマルチパクター効果です。多くの場合、RF 電界は表面に対して垂直です。電子の飛行時間と RF 電界周期の共鳴がマルチパクター発生のメカニズムです。

マルチパクターの存在は、次の 3 つの条件が満たされていることに依存します: 放出される電子の平均数が入射電子 1 個あたり 1 以上であること (これは表面の二次電子収量に依存)、電子が放出された表面から衝突する表面まで移動するのにかかる時間が RF 周期の半分の整数倍であること、および平均二次電子収量が 1 以上であること。

マルチパクター効果は、磁場を考慮すると、単一の表面で発生する可能性があります。^{[2] : 91–105  [3]}単一表面マルチパクターイベントは、交差静磁場が存在する金属表面でも発生する可能性があります。また、RF電界が表面と平行になっていることが多い誘電体表面でも発生する可能性があります。誘電体表面に蓄積された正電荷は、電子を表面に引き戻します。

2 つの表面マルチパクターでマルチパクターが発生する条件は、周波数ギャップ積と呼ばれる量で説明できます。次の定義を持つ 2 つの表面設定を考えてみましょう。

${\displaystyle d}$、表面間の距離または隙間

${\displaystyle \omega }$、RFフィールドの角周波数

${\displaystyle V_{0}}$、プレート間ピークRF電圧

${\displaystyle E_{0}}$表面間のピーク電界は/に等しい。${\displaystyle V_{0}}$${\displaystyle d}$

RF 電圧は正弦波状に変化します。電極 A の電圧が 0 を通過して負になり始める時間について考えます。A の近くに少なくとも 1 つの自由電子があると仮定すると、その電子は電極 B に向かって右に加速し始めます。電子は加速を続け、半サイクル後に最大速度に達します。ちょうど電極 B の電圧が負になり始めるときです。この時点で電極 A の電子が電極 B に衝突して追加の自由電子を生成すると、これらの新しい自由電子は電極 A に向かって加速し始めます。このプロセスが繰り返され、マルチパクターが発生します。これで、プレート間隔、RF 周波数、および最も強いマルチパクター共鳴を引き起こす RF 電圧の関係がわかりました。

電子が位置-d/2で電極Aに衝突した時点を考えてみましょう。電界はゼロで左を向き始めており、新たに解放された電子は右に向かって加速されます。ニュートンの自由電子の運動方程式は

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

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

この微分方程式の解は

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

ここで、電子が最初に電極を離れるとき、その速度はゼロであると仮定する。電子がRF場の周期の半分後に右端の電極に到着すると共鳴が起こることが分かっている。これを の解に代入すると、 ${\displaystyle t_{\frac {1}{2}}={\frac {\pi }{\omega }}}$${\displaystyle x(t)}$

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

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

角周波数の代わりに 周波数を使って並べ替えると、${\displaystyle f}$

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

この積は周波数ギャップ積と呼ばれます。この式は共鳴の最大量の基準ですが、この式が満たされない場合でもマルチパクターが発生する可能性があることに留意してください。 ${\displaystyle fd}$

マルチパクティングは、表面の形状と電界および磁界の正確な分布に依存します。マルチパクティング効果を低減または除去するための形状ベースの技術は多数あります。1つは、電子放出の正確な位置で電界の方向を変更する小規模な溝を使用するもので、これにより、一部の電子がプロセスをサポートしない方向に蹴り出されます。^[4]もう1つのアプローチは、2点マルチパクティングにおける電子の飛行時間を定期的に変更する大規模な表面の波形を使用することで、これによりマルチパクティング共鳴条件が破壊されます。^[5]次に、空洞の表面の曲率に特定の変化があり、電子が発生点^[6]または空洞-ビームパイプ遷移表面に戻る可能性が損なわれます。^[7]これらのさまざまな表面変更技術は、さまざまな形状でマルチパクティングを抑制するための強力なツールを提供します。

この現象は、1924年にフランスの物理学者カミーユ・グットンによってナンシーで初めて観測されました。

マルチパクターは、電子テレビの発明者であるフィロ・ファーンズワースによって 1934 年に特定され、研究され、増幅器として利用しようと試みられました。今日では、マルチパクターは、粒子加速器、真空 電子機器、レーダー、衛星通信装置などの正常な動作を妨げる障害物となっています。

マルチパクティングを調査するためにコンピュータが初めて応用されたのは1970年代初頭^[3]で、これがSRF空洞の性能上の大きな制限として発見されたときでした。

新しい形態のマルチパクターが提案され^[8]、その後実験的に観察されたが、このマルチパクターでは誘電体表面の充電によってマルチパクター放電のダイナミクスが大きく変化する。

• 容量結合プラズマ
• 誘導結合プラズマ

• C. ガットン、「科学アカデミーの科学研究」、第 178 巻、467 ページ、1924 年
• ファーンズワース、フィロ・テイラー（1934）。「電子画像スキャンによるテレビ」。フランクリン研究所ジャーナル。218（4）。エルゼビア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、1988 年 7 月。
• Kishek, RA; Lau, YY (1998-01-05). 「誘電体上のマルチパクター放電」. Physical Review Letters . 80 (1). American Physical Society (APS): 193–196. doi :10.1103/physrevlett.80.193. ISSN  0031-9007.
• Valfells, Agust; Kishek, RA; Lau, YY (1998). 「マルチパクター放電の周波数応答」.プラズマ物理学. 5 (1). AIP 出版: 300–304. doi :10.1063/1.872702. hdl : 2027.42/69474 . ISSN  1070-664X.
• RA Kishek、「マルチパクター放電と RF 構造の相互作用」、博士論文、ミシガン大学、アナーバー (1997)
• Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). 「マルチパクターによる誘電体への電力の蓄積」. IEEE Transactions on Plasma Science . 26 (3). 米国電気電子技術者協会 (IEEE): 290–295. doi :10.1109/27.700756. ISSN  0093-3813.
• Lau, YY; Verboncoeur, JP; Valfells, A. (2000). 「誘電体上のマルチパクターに対する空間電荷の影響」. IEEE Transactions on Plasma Science . 28 (3). 米国電気電子技術者協会 (IEEE): 529–536. doi :10.1109/27.887665. ISSN  0093-3813.
• A. Valfells、「マルチパクター放電：周波数応答、抑制、およびウィンドウブレークダウンとの関係」、博士論文、ミシガン大学、アナーバー（2000 年）
• Anderson, RB; Getty, WD; Brake, ML; Lau, YY; Gilgenbach, RM; Valfells, A. (2001). 「誘電体表面でのマルチパクター実験」. Review of Scientific Instruments . 72 (7). AIP Publishing: 3095–3099. doi :10.1063/1.1380687. hdl : 2027.42/71183 . ISSN  0034-6748.
• RB アンダーソン、「誘電体表面でのマルチパクター実験」、博士論文、ミシガン大学アナーバー校 (2001)
• リヨプロス、スピリオス。チャーニン、デヴィッド。ディアレティス、デモ（1995）。 「交差磁場における電子マルチパクターの理論」。プラズマの物理学。2 (8)。 AIP出版: 3194–3213。土井：10.1063/1.871151。ISSN  1070-664X。

オンライン

• 宇宙マイクロ波コンポーネント内のマルチキャリア動作におけるマルチパクター効果の研究^{[リンク切れ]} Ph. Mader、J. Puech、H. Dillenbourg、Ph. Lepeltier、L. Lapierre、J. Sombrin。PDF 2006 年 12 月アクセス
• マルチパクター効果による導波管の故障。HM ウォシャウスキー、エアロスペース コーポレーション、カリフォルニア州エルセグンド、1964 年 5 月。2006 年 12 月にアクセス
• 誘電体表面でのマルチパクター実験 RB Anderson、WD Getty、ML Brake、YY Lau、RM Gilgenbach、A. Valfells、Rev. Sci. Instrum.、72、3095、2001 年 7 月

• 容量結合プラズマ
• 電子雪崩
• フューザー