4.9: Desglose

La ruptura ocurre cuando el campo eléctrico es lo suficientemente fuerte como para que un electrón desviado saque electrones de átomos o moléculas dando como resultado un efecto en cascada produciendo un plasma conductor de electrones. Hay dos tipos de efectos que causan descomposición. Uno de ellos es el efecto multiactor que ocurre en la interfaz de un metal o dieléctrico con un gas de vacío o baja presión donde los electrones son despojados del metal o dieléctrico. El otro es el efecto corona que se produce en un gas, incluso a presiones bastante bajas, en el que los electrones son despojados de átomos o moléculas en el gas. El plasma de electrones corta las superficies conductoras a diferentes potenciales, y en el peor de los casos provoca la destrucción de componentes. Pero incluso antes de que se establezca un plasma suficientemente denso, los efectos incluyen la generación de ruido, el aumento de las pérdidas óhmicas y la distorsión de la señal no lineal ya que la ruptura es un efecto fuertemente no lineal el número de electrones libres creados es una fuerte función no lineal del campo eléctrico y, por lo tanto, del voltaje.

4.8.1 Efecto Multipactor

El efecto multiactor se debe a la emisión secundaria de electrones cuando un electrón de movimiento rápido en un gas de vacío o baja presión impacta un metal o un dieléctrico. Si la energía del electrón libre está por encima de un primer campo crítico\(E_{c1}\), un electrón en el material se excitará y en ocasiones se emitirá desde el material. El electrón inicial penetrará en el material por varias constantes de celosía pero seguirá un camino en zig-zag. Si la energía de este electrón está por debajo de un segundo valor crítico\(E_{c2}\), entonces solo penetrará una o unas pocas constantes de celosía y se emitirá de nuevo al vacío (o gas de baja presión). Si el electrón tiene una energía inicial por encima\(E_{c2}\) entonces penetrará en el material una distancia considerable y quedará atrapado. El material real y el acabado superficial tienen un efecto significativo en la emisión de electrones.

El número de electrones que salen de la superficie por cada electrón impactante se denomina rendimiento de emisión de electrones secundarios (SEY) y esto incluye el electrón inicial que puede o no ser emitido. Si SEY es mayor que uno entonces el número de electrones libres se avalancha y eventualmente podría conducir a la destrucción del dispositivo. Antes de que eso ocurra, existe un efecto de equilibrio que limita el crecimiento de los números de electrones libres. El principio entre estos es el campo que es producido por los propios electrones libres que contrarresta el campo creado por un potencial de voltaje aplicado externamente. La geometría de referencia utilizada para medir el efecto multiactor es una estructura de placa paralela con un voltaje\(V\) entre las placas que están separadas por una distancia\(d\). Esta geometría generalmente tiene los umbrales más bajos para el efecto multiactor. Para otras geometrías, es decir, geometrías de placas no paralelas, la región de campo alto donde se crean los electrones secundarios puede no ser donde se ubica el plasma, es decir, la región donde se acumulan los electrones libres. Así se reduce el crecimiento en el número de electrones libres. Otro efecto limitante es la frecuencia de la señal aplicada a las placas donde una señal de alta frecuencia podría invertir limitando la acumulación de electrones libres. Así, el voltaje aplicado\(V_{\text{multipactor}}\), requerido para iniciar el efecto multiactor es una función de\(d\), material, acabado del material, y frecuencia\(f\). Si hay un electrón libre entre las placas entonces el electrón acelerará y adquirirá velocidad y así energía. El voltaje requerido para iniciar la ionización por impacto. Se encuentra experimentalmente que existe un voltaje mínimo\(V_{\text{min}}\) requerido para que se inicie el efecto. Luego hay una relación lineal entre\(V_{\text{multipactor}}\) y el producto\(f\cdot d\). Los materiales y el acabado del material también tienen un impacto en la ionización Por ejemplo, la plata limpiada con acabado espejo tiene una primera energía crítica,\(E_{c1} = 130\text{ eV}\) mientras que la plata expuesta al aire tiene\(E_{c1} = 20\text{ eV}\). Los lineamientos para los umbrales de ionización multiactor para diversos materiales se dan en [50].

4.8.2 Efecto Corona

Multipaction describe la ionización de materiales en un vacío o en cuando el ambiente tiene un gas a baja presión. A medida que aumenta la presión del gas las moléculas en el gas se descompondrán y esto se denomina efecto corona. Si\(\mathsf{e}\) es un electrón y\(\mathsf{M}\) es una molécula entonces el proceso de ionización corona es descrito por

\[\label{eq:1}\mathsf{e}+\mathsf{M}\to\mathsf{e}+\mathsf{e}+\mathsf{M}^{+} \]

y la molécula adquiere una carga positiva después de que un electrón ha sido despojado. El proceso competitivo que limita el número de electrones libres disponibles es cuando un electrón libre se combina con una molécula y en el aire estas interacciones involucran principalmente nitrógeno\(\mathsf{N}\) y oxígeno\(\mathsf{O}\):

\[\label{eq:2}\mathsf{e}+\mathsf{N}_{2}^{+}\to\mathsf{N}+\mathsf{N}\quad\text{and}\quad\mathsf{e}+\mathsf{O}_{2}\to\mathsf{O}^{-}+\mathsf{O} \]

La energía mínima requerida para el efecto corona depende en gran medida de la presión del gas. A presiones muy bajas, la ionización se debe únicamente a la multipacción. Por encima de una multipacción crítica pero de baja presión es reemplazada por el efecto corona ya que a medida que aumenta la densidad de moléculas se vuelve más fácil ionizar más moléculas. La energía mínima requerida para el efecto corona se produce cuando la presión en múltiplos de la presión atmosférica estándar es aproximadamente igual a la frecuencia en gigahercios. Un mayor aumento en la presión reduce la trayectoria principal libre de un electrón y menos electrones libres son capaces de adquirir la energía de requisición [50].

4.8.3 Resumen

La avería puede llevar a la destrucción del dispositivo, pero incluso a niveles muy bajos puede causar productos de intermodulación, es decir, distorsión de intermodulación pasiva, que oscurecen las pequeñas señales recibidas. La avería es un problema particular cuando hay campos altos, especialmente en filtros con altas densidades de energía debido a la resonancia. La avería puede ser un problema en las estaciones base, radares y satélites, ya que a menudo operan con potencias EM de kilovatios a megavatios, e incluso potencias más altas cuando se operan con ciclos de trabajo bajos.