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デバイスに損傷を与え、破壊に至る可能性があります。

説明

同軸マルチパクターのシミュレーション。電子雲は共鳴して内側導体と外側導体の間を移動し、電子なだれを引き起こします。5ナノ秒で電子の数は150倍に増加します。[1]

マルチパクター効果は、無線周波数（RF）場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によって真空（または真空付近）で自立的に保持され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。これらの電子はその後、RF場によって加速され、同じ表面または別の表面に衝突する可能性があります。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が、電子数の持続的な増加を引き起こすような場合、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やRF信号の損失または歪みなどの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。

メカニズム

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、および磁場とそ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。

金属上の2表面マルチパクター

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、以下の3つの条件が満たされることに依存します。放出される電子の平均数は入射電子1個あたり1個以上（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はRF周期の半分の整数倍であり、平均二次電子収量は1個以上です。

単面マルチパクター

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、誘電体表面でも発生する可能性があり、その場合、RF電界は表面と平行になることが多いです。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面マルチパクターにおける周波数ギャップ積

2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記述できます。次の定義を持つ2面構成を考えてみましょう。

d {\displaystyle d} 、表面間の距離またはギャップ
ω {\displaystyle \omega} 、RF電界の角周波数
V 0 {\displaystyle V_{0}} 、プレート間のピークRF電圧
E 0 {\displaystyle E_{0}} 、表面間のピーク電界、/に等しい V 0 {\displaystyle V_{0}} d {\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刻を考えてみましょう。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頃です。この時点で電極Aからの電子が電極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。このプロセスは繰り返され、マルチパクターが発生します。ここで、最も強いマルチパクター共鳴を引き起こすプレート間隔、RF周波数、およびRF電圧の関係を求めます。

電子が-d/2の位置で電極Aに衝突した時点を考えてみましょう。電界は0で、左を向き始めているため、新たに解放された電子は右に加速されます。ニュートンの自由電子の運動方程式は

a （ t ） ＝ F （ t ） m {\displaystyle a(t)={\frac {F(t)}{m}}}
x ¨ （ t ） ＝ q E 0 m   sin ⁡ （ ω t ） {\displaystyle {\ddot {x}}(t)={\frac {qE_{0}}{m}}~\sin(\omega t)}

この微分方程式の解は

x （ t ） ＝ − q E 0 m ω 2 sin ⁡ （ ω t ） + q E 0 m ω t − d 2 {\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の速度はゼロであると仮定します。電子がRF電場の周期の半分後に右端の電極に到達すると共鳴が起こることが分かっています。これを解に代入すると、 t 1 2 ＝ π ω {\displaystyle t_{\frac {1}{2}}={\frac {\pi }{\omega }}} x （ t ） {\displaystyle x(t)}

x （ t 1 2 ） ＝ − q E 0 m ω 2 sin ⁡ （ ω t 1 2 ） + q E 0 m ω t 1 2 − d 2 {\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}}}
d 2 ＝ − q E 0 m ω 2 sin ⁡ （ ω π ω ） + q E 0 m ω π ω − 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 周波数を使用して整理すると、 f {\displaystyle f}

f d ＝ 1 2 π q V 0 m {\displaystyle fd={\frac {1}{2{\sqrt {\pi }}}}{\sqrt {\frac {qV_{0}}{m}}}} と

この積は周波数ギャップ積と呼ばれます。この式は共鳴量が最大になる基準ですが、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。 f d {\displaystyle fd}

形状の影響

マルチパクティングは、表面の形状と電場および磁場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、あるいは完全に除去するための形状に基づく技術は数多くあります。1つは、電子放出の正確な位置で電場の方向を変更する小規模な溝を設けることで、一部の電子をプロセスをサポートしない方向に蹴り飛ばす方法です。[4]もう1つのアプローチは、表面の大規模な波形化によって2点マルチパクティングにおける電子の飛行時間を周期的に変化させ、マルチパクティング共鳴条件を破壊する方法です。[5]さらに、空洞表面の曲率に特定の変化を加えることで、電子が発生点[6]または空洞-ビームパイプ遷移面[7]に戻る機会を奪います。これらのさまざまな表面改質技術は、さまざまな形状におけるマルチパクティングを抑制するための強力なツールとなります。

歴史

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察されました

マルチパクターは、1934年に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特定され、研究されました。彼はそれを増幅器として利用しようとしました。今日では、粒子加速器、真空 電子機器、レーダー、衛星通信機器などの正常な動作にとって避けるべき障害となっています。

マルチパクト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、SRF空洞の性能を大きく制限する要因として発見されたときです。

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ました。この形態では、誘電体表面の帯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します。

参照

参考文献

  1. ^ Romanov, Gennady (2011). 「CST Particle Studioを用いた同軸導波管におけるマルチパクターの最新情報」(PDF) . 2011年粒子加速器会議議事録: 2.同軸導波管における電子マルチパクター放電のシミュレーションをCST Particle Studioを用いて行った。主な目的は、高度な確率的放出モデルと組み合わせた多粒子アプローチが放電閾値に及ぼす影響を検証することである。ほとんどのシミュレーションは解析結果およびより簡略化された数値コードの結果と一致した。
  2. ^ abc Valery D. Shemelin、Sergey A. Belomestnykh著『加速空洞におけるマルチパクター（シリーズ第1巻：粒子加速と検出）』第1版、ISSN 1611-1052、Springer Nature Switzerland AG、2020年
  3. ^ ab I. Ben-Zvi、JF Crawford、JP Turneaure著『加速空洞における電子増倍』、PAC1973議事録、粒子加速器会議、サンフランシスコ（1973年）、54ページ
  4. ^ W. Xu他, BNL SRF用マルチパクティングフリー1/4波長チョークジョイント設計, IPAC2015議事録. 国際粒子加速器会議, リッチモンド, 2015, p. 1935
  5. ^ D. Naik, I. Ben-Zvi, 56MHz 1/4波長共振器におけるマルチパクティングの抑制. Phys. Rev.ST Accel. Beams 13 , 052001 (2010)
  6. ^ U. Klein, D. Proch, 超伝導RF構造におけるマルチパクティング、電子加速器の将来の可能性に関する会議議事録、シャーロッツビル、1979年、p. N1
  7. ^ S. Belomestnykh, V. Shemelin, 空洞とビームパイプ間のマルチパクティングフリー遷移. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 595, 293 (2008)
  8. ^ Kishek, RA; Lau, YY; Ang, LK; Valfells, A.; Gilgenbach, RM (1998). 「金属および誘電体上のマルチパクター放電：歴史的レビューと最近の理論」. Physics of Plasmas . 5 (5). AIP Publishing: 2120– 2126. doi :10.1063/1.872883. hdl : 2027.42/71019 . ISSN  1070-664X.

さらに詳しく

  • 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
  • ファーンズワース、フィロ・テイラー (1934). 「電子画像走査によるテレビジョン」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, July 1988.
  • Kishek, R. A.; Lau, Y. Y. (1998-01-05). "Multipactor Discharge on a Dielectric". Physical Review Letters. 80 (1). American Physical Society (APS): 193–196. doi:10.1103/physrevlett.80.193. ISSN 0031-9007.
  • Valfells, Agust; Kishek, R. A.; Lau, Y. Y. (1998). "Frequency response of multipactor discharge". Physics of Plasmas. 5 (1). AIP Publishing: 300–304. doi:10.1063/1.872702. hdl:2027.42/69474. ISSN 1070-664X.
  • RAキシェク、「マルチパクター放電と高周波構造の相互作用」、博士論文、ミシガン大学アナーバー校（1997年）
  • Lau, YY; Kishek, RA; Gilgenbach, RM (1998). 「マルチパクターによる誘電体への電力蓄積」、IEEE Transactions on Plasma Science . 26 (3). 米国電気電子学会 (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効果」IEEE Transactions on Plasma Science . 28 (3). 電気電子学会誌 (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校 (2000)
  • アンダーソン, RB; ゲッティ, WD; ブレーキ, ML; ラウ, YY; ギルゲンバッハ, RM; ヴァルフェルス, A. (2001). 「誘電体表面における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,誘電体表面における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)
  • Riyopoulos, Spilios; Chernin, David; Dialetis, Demos (1995). 「交差場における電子マルチパクターの理論」. Physics of Plasmas . 2 (8). AIP Publishing: 3194– 3213. doi :10.1063/1.871151. ISSN  1070-664X .

オンライン

  • 宇宙マイクロ波機器内部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 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破壊 HM Wachowski, Aerospace Corp エルセグンド カリフォルニア州, 1964年5月. 2006年12月アクセス
  • 誘電体表面における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

参照

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