Multipacting

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Multipacting (auch Multipactoring) bezeichnet einen vakuumelektronischen Effekt, bei dem Elektronen in einem HF-Feld synchron hin und her oszillieren . Wenn dabei der Sekundärelektronen-Emissions-Koeffizient SEY (secondary electron yield) beteiligter Elektroden oder anderer Oberflächen, die von Elektronen getroffen werden, größer als 1 ist, wächst die Anzahl der am Prozess beteiligten Elektronen lawinenartig an (Pendelelektronenvervielfachung).

Multipacting (M.P.) kann sich entwickeln, wenn die Elektronenlaufzeit zwischen den Elektroden 1/2, 3/2, 5/2, 7/2, usw. Perioden der angelegten HF-Spannung beträgt. In all diesen Fällen können die Elektronen eine Netto-Beschleunigung zwischen den Elektroden erzielen und unter Umständen einen lawinenartig anwachsenden Strom erzeugen. Im nachstehenden Multipacting-Zonen-Diagramm sind Flächen dargestellt, bei denen die Multipacting-Resonanzbedingungen erfüllt sind. Auf der horizontalen Achse ist das Produkt aus HF-Frequenz und räumlichem Abstand der beteiligten Oberflächen aufgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Spitzenamplitude der HF und die entsprechende HF-Leistung eines 50-Ω-Systems aufgetragen.


Multipacting-Zonen

Multipacting.bmp

Beim M.P. können große Energiemengen in kleinen Volumina umgesetzt werden, so dass unter Umständen Elektroden oder HF-Fenster zerstört werden. Selbst wenn es nicht zu irreversiblen Schäden kommt, kann M.P. beispielsweise die HF-Ausgangsleistung einer Mikrowellenröhre merklich reduzieren oder Rauschmodulation auf dem HF-Ausgangssignal erzeugen.


Arten von M.P.

1.Einseitiges M.P. im elektrischen Feld: Hierbei wird ein Elektron bei einer bestimmten Phase aus einer Oberfläche ausgelöst und kehrt nach 1, 2, 3 Perioden zur Oberfläche zurück, löst hier wiederum im Mittel eine oder mehrere Elektronen aus. Der Vorgang wiederholt sich von neuem. Diese Form des Multipacting tritt nur mit einem zusätzlichen Magnetfeld auf, da die Elektronen sonst zu wenig Energie besitzen.

2. Zweiseitiges M.P. im elektrischen Feld: Bei dieser Art wird ein Elektron zu einer bestimmten Phase aus der Oberfläche gelöst, trifft aber nach 1/2, 3/2, 5/2 Perioden auf die gegenüberliegende Fläche, löst hier im Mittel ein oder mehrere Elektronen aus und trifft nach weiteren 1/2, 3/2, 5/2 Perioden auf die Ausgangsfläche und löst hier wiederum Elektronen aus.

3. M.P. mit Magnetfeld: Die äußere Wand eines Resonators ist ein Gebiet hoher magnetischer und niedriger elektrischer Feldstärken. Wird hier ein Elektron ausgelöst und durch das elektrische Feld von der Oberfläche weg beschleunigt, so beschreibt es, bedingt durch das Magnetfeld, eine Zyklotron-Bahn. Beim Wiederauftreffen auf die Oberfläche löst es dann wiederum Elekronen aus.


Unterdrückung von M.P.

  • Tritt M.P. beim Betrieb einer Mikrowellenröhre auf, so kann es möglicherweise durch Veränderung der magn. Strahlfokussierung unterbunden werden.
  • Bei Beschleunigungs-Cavities kann man versuchen die problematischen HF-Spannungsbereiche zu meiden oder so schnell zu durchfahren, dass sich keine gefährliche Stromstärke entwickeln kann.
  • Im Falle dass Oberflächenverunreinigungen mit einem hohen SEY das M.P. verursachen, kann man diese durch Konditionieren reinigen. Dabei kann es sehr hilfreich sein, die zum Konditionieren verwendete HF-Leistung zu modulieren. Dadurch werden die M.P.-Bedingungen - abhängig von der Modulationsfrequenz - immer nur kurzzeitig erfüllt, so dass sich nur ein kleiner Strom aufbaut, der die Oberfläche reinigt, aber keine Schäden anrichten kann.
  • Bei neu zu konstruierenden Hochleistungs-HF-Komponenten (Röhren, Cavities, Koppler) kann man präventive Maßnahmen ergreifen. Sie zielen entweder darauf ab, M.P. gefährdete Geometrien zu vermeiden, oder, wenn das nicht möglich ist, den SEY von gefährdeten Geometrien auf einen Wert kleiner 1 zu reduzieren. Dazu kann man Oberflächen mit einem geeigneten Material mit einem SEY<1 beschichten (z.B. Titan, Titannitrit). Hilfreich ist auch, die Oberfläche aufzurauhen. Durch aufrauhen (beispielsweise mittels Sandstrahlen) erreicht man, dass Sekundärelektronen, die in der behandelten Oberfläche erzeugt werden, nur mit einer Wahrscheinlichkeit <1 wieder aus der, im mikroskopischen Maßstab stark zerklüfteten, Oberfläche heraus finden.