Analysis of multipactor effect in partially dielectric-loaded rectangular waveguides

Abstract

The multipactor effect is a physical phenomenon that is triggered when free electrons, which may be generated in space-borne equipment by cosmic radiation, are subject to electromagnetic fields strong enough to lift electrons from the surface walls of physical devices. Given vacuum conditions, the free electrons can be accelerated rapidly from a surface wall of the device to another because there are no gas particles for the electrons to collide with and be slowed down. Depending on their energy, angle of impact, and the secondary emission characteristics of the wall surface, these impacting electrons can cause secondary electrons to be emitted from the wall. If the radio-frequency field changes phase at the time of collision, it can accelerate these secondary electrons towards the opposite device wall, generating more secondary electrons and enabling exponential growth in the electron population. This build-up, known as a radio-frequency discharge, or the multipactor effect, can be sufficiently large to reflect the incident power, and even damage the device or system involved. The multipactor phenomenon has been studied within several fields in the past. Thus, particle physicists have studied the phenomenon in relation to plasma science and particle beam dynamics, while engineers have used the phenomenon to amplify signals in vacuum tubes and klystrons. Therefore, depending on the situation, the multipactor phenomenon can be viewed either as a valuable tool or an undesirable effect. The current research work focuses on the effects of multipactor breakdown in radio-frequency devices on board space vehicles (e.g. satellites), where it is viewed as an undesirable phenomenon because it can cause irreparable damage to these devices, rendering them unusable. In the context of this research, typical radio-frequency devices used in space applications include waveguides, filters, and multiplexers. While the power handling of these devices has increased in recent years, so has their geometric complexity. Because most multipactor models make some simplifying assumptions, not least about the geometries involved, current models of multipactor are becoming increasingly inaccurate and inefficient as devices become more complex. In the first part of this thesis, a rigorous study of the multipactor effect in a partially dielectric-loaded rectangular waveguide is presented. An efficient multipactor model is developed that could, eventually, analyse the increasingly complex structures used in the space industry. To produce the simulations presented in this thesis, a detailed analysis of the electron dynamics inside this form of waveguide has been performed, taking into account the radio-frequency electromagnetic fields propagating in the waveguide and the electrostatic field that appears because of the charging of the dielectric layer therein. The characterization of this electrostatic field is obtained by computing the electric potential produced by an arbitrary charge distribution on the dielectric layer in a dielectric-loaded waveguide; by numerically solving the equations of motion, the electron trajectories are obtained.Another important element of the electron emission process is the secondary emission yield; defined as the number of secondary electrons emitted per incident electron and being material-specific, it is one of the main drivers of the multipactor effect. A number of different alternatives for modelling the secondary emission yield have also been studied in this thesis. The second part of the thesis has involved detailed numerical simulations of multipactor discharges inside several configurations of rectangular waveguide containing dielectric materials. These simulations have been carried out using bespoke code specifically developed for the purpose in the course of the research work presented here. The results obtained have been validated with real measurements, carried out in the laboratory, on devices manufactured for this purpose.

El efecto multipactor es un fenómeno físico que se desencadena cuando electrones libres, que pueden generarse en los equipos espaciales debido a la radiación cósmica, están sujetos a campos electromagnéticos lo suficientemente intensos como para desprender electrones de la superficie de las paredes de los dispositivos físicos. En condiciones de vacío, los electrones libres pueden acelerarse rápidamente desde la superficie de una pared del dispositivo a otra ya que no existen partículas de gas con las que los electrones colisionen y disminuyan su velocidad. Dependiendo de su energía, ángulo de impacto y las características de emisión secundaria de la superficie de la pared, los electrones impactantes pueden provocar que se emitan nuevos electrones secundarios. Si el campo de radiofrecuencia cambia de fase en el momento de la colisión, puede acelerar los electrones secundarios hacia la pared opuesta del dispositivo, generando más electrones secundarios y permitiendo un crecimiento exponencial en la población de electrones. Esta acumulación, conocida como descarga de radiofrecuencia o efecto multipactor, puede ser lo suficientemente grande como para reflejar la potencia incidente e incluso dañar el dispositivo o sistema involucrado. El fenómeno multipactor se ha estudiado en varios campos en el pasado. Así, los físicos de partículas han estudiado el fenómeno en relación con la ciencia del plasma y la dinámica del haz de partículas, mientras que los ingenieros han utilizado el fenómeno para amplificar señales en tubos de vacío y klistrones. Por tanto, dependiendo de la situación, el efecto multipactor puede verse como una fenómeno beneficioso o como un efecto indeseable. El trabajo de investigación actual se centra en los efectos de la ruptura por multipactor en dispositivos de radiofrecuencia a bordo de vehículos espaciales (por ejemplo, satélites), donde éste se considera un fenómeno indeseable ya que puede causar daños irreparables en estos dispositivos, dejándolos inutilizables. En el contexto de esta investigación, los dispositivos de radiofrecuencia típicos utilizados en aplicaciones espaciales incluyen guías de ondas, filtros y multiplexores. Si bien el manejo de potencia de estos dispositivos ha aumentado en los últimos años, también lo ha hecho su complejidad geométrica. Debido a que la mayoría de los modelos de multipactor hacen algunas suposiciones para simplificar el problema, sobre todo en las geometrías involucradas, los modelos actuales de multipactor se vuelven cada vez más inexactos e ineficientes a medida que los dispositivos se vuelven más complejos. En la primera parte de esta tesis se presenta un estudio riguroso del efecto multipactor en una guía de ondas rectangular parcialmente cargada con dieléctrico. Se desarrolla un modelo multipactor eficiente que podría, eventualmente, analizar las estructuras cada vez más complejas utilizadas en la industria espacial. Para producir las simulaciones presentadas en esta tesis, se ha realizado un análisis detallado de la dinámica del electrón dentro de esta forma de guía de ondas, teniendo en cuenta los campos electromagnéticos de radiofrecuencia que se propagan en la guía de ondas y el campo electrostático que aparece debido a la carga depositada sobre la capa dieléctrica de la misma. La caracterización de este campo electrostático se obtiene calculando el potencial eléctrico producido por una distribución de carga arbitraria en la capa dieléctrica en una guía de ondas cargada con dieléctrico; resolviendo numéricamente las ecuaciones de movimiento, se obtienen las trayectorias de los electrones. Otro concepto importante del proceso de emisión de electrones es el conocido como secondary emission yield; definido como el número de electrones secundarios emitidos por electrón incidente, y siendo específico del material, es uno de los principales impulsores del efecto multipactor. En esta tesis se han estudiado varias alternativas diferentes para modelar el secondary emission yield. La segunda parte de la tesis ha involucrado simulaciones numéricas detalladas de descargas multipactor dentro de varias configuraciones de guías de ondas rectangulares que contienen materiales dieléctricos. Estas simulaciones se han llevado a cabo utilizando un código a medida desarrollado específicamente para este trabajo de investigación. Los resultados obtenidos han sido validados con medidas reales realizadas en laboratorio sobre dispositivos fabricados para tal fin.