Análisis del efecto multipactor en guías rectangulares parcialmente rellenas de dieléctrico
Andrés Berenguer Alonso

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 guíasde 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.