Engineered Surfaces to Control Secondary Electron Yield for Multipactor Suppression

A significant problem for satellites, vacuum electron devices, and particle accelerators is multipactor: an avalanche of electrons caused by recurring secondary electron emission (SEE) in a time-varying electric field. The consequences of multipactor range from temporary to permanent device failure. This research studied how surface topography can be engineered to minimize SEE and suppress multipactor. Two new semi-empirical models (one based on a 2D pore, the other based on a 3D pore) were developed to predict the secondary electron yield (SEY) of a porous surface based on pore aspect ratio and porosity. The models were validated with experimental SEY measurements of microporous gold surfaces. The more accurate 3D model predicts that a porous gold surface with pore aspect ratios = 2.0 and porosity = 0.5 will control the maximum SEY to near unity, providing a multipactor-resistant surface. Both the SEY models and experimental results confirm the understanding that the ability of a porous surface to control SEY is not dependent on pore size

Space–charge limited current in nanodiodes: Ballistic, collisional, and dynamical effects

This Perspective reviews the fundamental physics of space–charge interactions that are important in various media: vacuum gap, air gap, liquids, and solids including quantum materials. It outlines the critical and recent developments since a previous review paper on diode physics [Zhang et al. Appl. Phys. Rev. 4, 011304 (2017)] with particular emphasis on various theoretical aspects of the space–charge limited current (SCLC) model: physics at the nano-scale, time-dependent, and transient behaviors; higher-dimensional models; and transitions between electron emission mechanisms and material properties. While many studies focus on steady-state SCLC, the increasing importance of fast-rise time electric pulses, high frequency microwave and terahertz sources, and ultrafast lasers has motivated theoretical investigations in time-dependent SCLC. We particularly focus on recent studies in discrete particle effects, temporal phenomena, time-dependent photoemission to SCLC, and AC beam loading. Due to the reduction in the physical size and complicated geometries, we report recent studies in multi-dimensional SCLC, including finite particle effects, protrusive SCLC, novel techniques for exotic geometries, and fractional models. Due to the importance of using SCLC models in determining the mobility of organic materials, this paper shows the transition of the SCLC model between classical bulk solids and recent two-dimensional (2D) Dirac materials. Next, we describe some selected applications of SCLC in nanodiodes, including nanoscale vacuum-channel transistors, microplasma transistors, thermionic energy converters, and multipactor. Finally, we conclude by highlighting future directions in theoretical modeling and applications of SCLC.Peer-reviewed (ritrýnd grein

Journal of Telecommunications and Information Technology, 2014, nr 1

kwartalni

New approaches to anti-multipactor coatings for space applications

Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Aplicada. Fecha de lectura: 08 de febrero de 2016El efecto Multipactor es un fenómeno perjudicial en dispositivos de alta potencia de RF en vacío de gran importancia tecnológica, industrial y económica. Es un viejo problema en la industria espacial, en los aceleradores de partículas de gran energía, en dispositivos toroidales de energía termo-nuclear, en generadores de potencia de RF, y muchas tecnologías electrónicas avanzadas. El efecto o descarga Multipactor se genera y alimenta por la Emisión de Electrones Secundarios (SEE) en las superficies del dispositivo. Por eso siempre su solución o mitigación pasa por reducir esta SEE de los materiales usados en las partes críticas del dispositivo. Los laboratorios de los aceleradores SLAC, CERN, KEK,… y ESTEC y VSC de ESA han dedicado un gran esfuerzo a este problema. Nuestro grupo colabora con los grupos en SLAC, CERN y ESA. El objetivo final y global del trabajo de esta tesis doctoral era el desarrollo y aplicación de recubrimientos anti-multipactor para aplicaciones espaciales de alta potencia de RF, para mitigar o suprimir la descarga multipactor con recubrimientos de baja SEE, estables en el aire y con baja resistencia superficial en la banda Ku (alrededor de 12 GHz). La búsqueda de materiales con baja SEE entra en conflicto con otras propiedades requeridas estrictamente para su aplicación en el espacio. Estas son principalmente muy buena conductividad eléctrica y gran estabilidad en el aire. Esta última está claramente en conflicto con la baja SEE y la alta conductividad. Este enfoque basado en las propiedades físico-químicas de las superficies se ha agotado sin encontrar una buena solución al Multipactor. A partir de en algunas observaciones tanto de nuestro laboratorio como de otros y que no habían sido consideradas en toda sus implicaciones, esta tesis doctoral se basa en varias hipótesis de trabajo importantes y novedosas: i) los diferentes requerimientos que no se pueden cumplir con un solo material se pueden satisfacer por capas de diferentes materiales haciendo uso de las diferentes escalas y penetraciones de las diferentes propiedades requeridas (modelo de capas del recubrimiento). ii) la rugosidad superficial de gran relación de aspecto es muy eficiente en reducir fuertemente la SEE aparente o eficaz y esta propiedad es de la forma y no del tamaño. iii) la rugosidad superficial de gran relación de aspecto aumenta la resistencia superficial de RF pero esto es una propiedad de la forma y del tamaño. Reduciendo suficientemente el tamaño puede hacerse compatible (ii) y (iii). Para la obtención de dicho tipo de rugosidad superficial en el material mejor conductor y de referencia en la industria espacial, Ag electrodepositada, se propuso realizar una amplia y concienzuda investigación en técnicas de micro y nano-estructuración de superficies. Otros objetivos eran desarrollar los recubrimientos y sus aplicaciones en dispositivos prácticos en estrecha colaboración con la industria espacial para satisfacer toda una serie de requerimientos industriales y económicos para su aplicación. Desarrollo del trabajo y metodología Este trabajo de investigación se ha desarrollado en dos grandes proyectos. Cada uno formado por un proyecto del Plan Nacional de I+D+i y otro paralelo de ESA. En ellos han colaborado el grupo de la UAM, el grupo de I. Montero en el ICMM del CSIC, la empresa Tesat Spacecom y ESTEC y VSC de ESA. En esta tesis se presenta el trabajo realizado por el doctorando en la UAM. El trabajo en el primer gran proyecto y tema principal de esta Tesis, tuvo varias etapas: Definición de las capas (materiales, tamaños, estructura, ..) del recubrimiento. Desarrollo de técnicas de preparación y caracterización de los procedimientos y los recubrimientos. Se investigaron más de diez técnicas de micro estructuración de superficies. Para la más prometedora se estudiaron nueve variantes, se prepararon unas cien muestras para estudiar más de cinco propiedades, además se prepararon nueve muestras preindustriales. La investigación fue tecnológica: el objetivo era alcanzar los resultados buscados en menos tiempo. El estudio científico de procesos y mecanismos estaba subordinado al método de la bisección o de ensayo y error. Definición de la técnica y procedimiento óptimo: grabado químico poroso y posterior mentalización con Au. Aplicación a cinco dispositivos industriales. Caracterización científica de los resultados. Caracterización tecnológica e industrial de los dispositivos tratados. Discusión y valoración de los resultados y propuestas para nuevas investigaciones. Los excelentes y novedosos resultados de este primer gran proyecto han permitido la realización de los proyectos siguientes. Estas propuestas dieron lugar al segundo gran proyecto también formado por dos proyectos paralelos realizados por los mismos grupos y centros. En este segundo gran proyecto se ha logrado mantener la práctica supresión del Multipactor alcanzada en el primero pero ahora con recubrimientos de conductividad óptima, la máxima posible, la de los recubrimientos de Ag lisos estándar de la industria. Para ello se han obtenido rugosidades superficiales especiales de escala 100 nm. En este proyecto se desarrolló una de las técnicas “descubiertas” en el proyecto anterior pero para la que no hubo suficiente recursos ni tiempo: grabado auto-organizado con haces de iones asistido por deposición de máscara-surfactante por sputtering

Proceedings of the Fifth International Mobile Satellite Conference 1997

Satellite-based mobile communications systems provide voice and data communications to users over a vast geographic area. The users may communicate via mobile or hand-held terminals, which may also provide access to terrestrial communications services. While previous International Mobile Satellite Conferences have concentrated on technical advances and the increasing worldwide commercial activities, this conference focuses on the next generation of mobile satellite services. The approximately 80 papers included here cover sessions in the following areas: networking and protocols; code division multiple access technologies; demand, economics and technology issues; current and planned systems; propagation; terminal technology; modulation and coding advances; spacecraft technology; advanced systems; and applications and experiments