Jak probíhá multipaktorová jev a jaké metody simulace jsou k dispozici pro jeho studium?

Multipaktor je jev, který vzniká, když elektrony, akcelerované elektrickým polem, vytvářejí řetězovou reakci sekundární emisí elektronů mezi dvěma povrchy. Tento proces se vyskytuje především v kovových strukturách, které jsou součástí satelitních a kosmických zařízení, kde mohou negativně ovlivnit výkon a spolehlivost zařízení. Pochopení mechanismu multipaktoru a metod simulace tohoto jevu je klíčové pro návrh a optimalizaci komponent pro vysokofrekvenční (RF) aplikace v kosmickém průmyslu.

Simulace multipaktoru se používají k modelování a analýze tohoto jevu. Mezi nejběžnější metody simulace patří sledování trajektorií, které se používá například v nástrojích jako ANALYST, MEST nebo Multp. Tato metoda umožňuje dynamické sledování makro-částic složených z velkého počtu částic, což poskytuje intuitivní simulaci fyzikálních jevů, včetně multipaktoru. Metoda partiklových simulací (PIC) je v současnosti jedinou metodou, která umožňuje studium nelineárních efektů složitých struktur a multipaktorových jevů v reálném čase.

Jedním z pokročilých nástrojů pro simulaci multipaktoru je FEST (Full-Wave Electromagnetic Simulation Tool), který byl vyvinut Evropskou vesmírnou agenturou (ESA). Tento nástroj původně sloužil k simulaci elektromagnetického pole v mikrovlnných zařízeních, ale později byly přidány moduly pro simulaci multipaktoru. FEST umožňuje modelování různých struktur, jako jsou obdélníkové nebo kruhové tvary, a dokáže přesně vypočítat elektromagnetické pole, což je klíčové pro analýzu multipaktorových jevů. Pomocí FEST lze simulovat trajektorie elektronů a sledovat jejich dopady, což pomáhá při studiu sekundární emise elektronů a jejich vlivu na elektrické zařízení.

Další metoda je ESA multipaktorový kalkulátor, který poskytuje predikce prahových hodnot multipaktoru pro různé struktury, jako jsou paralelní desky a čtvercové transmisní linky, a pro různé materiály povrchů, například stříbro a hliník. Tento nástroj využívá křivky vyvinuté Woode a Petitem, které byly potvrzeny experimentálními daty a jsou široce akceptovány v kosmickém průmyslu. Ačkoliv jsou tyto křivky konzervativní a mohou podhodnocovat kapacitu zařízení, je to stále užitečný nástroj pro počáteční analýzu.

Při použití těchto simulací je důležité chápat, že účinnost simulací závisí na mnoha faktorech, včetně geometrie zařízení, rozložení pole a počtu inicializovaných částic. Různé metody simulace mají své výhody a omezení. FEST například nebere v úvahu inelastické a elastické rozptylové elektrony, což může ovlivnit přesnost simulací v některých případech. Také konvergence výsledků simulací závisí na počtu počátečních částic, což může ovlivnit přesnost předpovědi.

Jaké jsou vlastnosti sekundárních elektronů při jejich návratu do vzorku pod vlivem prostorového elektrického pole?

Sekundární elektrony emitované z povrchu vzorku se vyznačují různými charakteristikami v závislosti na úhlu emisí, energii a na elektrickém poli v prostoru. Základní chování těchto elektronů závisí na mnoha faktorech, přičemž mezi ně patří síla elektrického pole a jeho asymetrie, která má vliv na jejich trajektorie.

Důležitý je také vliv elektrické energie samotných elektronů. Elektrony s nižší energií jsou obvykle více ovlivněny elektrickým polem a mají tendenci se vracet na povrch vzorku snadněji. Naopak elektronům s vyšší energií je obtížnější se vrátit, protože jejich vyšší rychlost znamená větší kinetickou energii, která jim umožňuje opustit vzorek bez dalších interakcí.

V dalším stupni analýzy můžeme mluvit o mechanismu kaskádového zvyšování počtu sekundárních elektronů. Tento proces zahrnuje situaci, kdy část emitovaných elektronů zůstává v místním elektrickém poli vzorku a vrací se zpět na jeho povrch, kde mohou kolidovat s dalšími elektrony nebo atomy v materiálu a generovat další sekundární elektrony. Tento proces pokračuje, dokud elektron neunikne z vzorku nebo nevede k zadržení v jeho vnitřních vrstvách. Celkový počet emitovaných elektronů se tedy skládá nejen z těch, které přímo opustí vzorek, ale i z těch, které jsou generovány v důsledku vzájemných kolizí.

Významnou roli hraje intenzita povrchového náboje, který ovlivňuje množství a chování sekundárních elektronů. Množství elektronů, které opustí vzorek, se totiž mění v závislosti na povrchovém napětí a distribuci elektrických polí. Jak ukazuje graf na Obrázku 7.24, s rostoucím povrchovým napětím se zvyšuje návrat sekundárních elektronů na povrch, což vede k vyššímu generování terciárních elektronů v důsledku kaskádového efektu. Tento proces má za následek zvyšování celkového počtu elektronů, které jsou emitovány ze vzorku, a jejich poměr mezi sekundárními a terciárními elektrony se liší podle síly elektrického pole.

Další důležitý aspekt, který je třeba brát v úvahu, je distribuce elektronů v různých oblastech vzorku. Experimenty ukazují, že emisní poměr sekundárních a terciárních elektronů se liší v závislosti na pozici vzorku. Elektrony emitované z různých míst na vzorku mají tendenci vykazovat odlišné trajektorie a poměry emisí. Obrázky a grafy, jako jsou ty na Obrázcích 7.25 a 7.37, ukazují, jak se tyto rozdíly projevují v praktických měřeních pomocí skenovacích elektronových mikroskopů (SEM).

V souhrnu, ačkoli je mechanismus emitování sekundárních elektronů poměrně složitý, jeho porozumění je klíčové pro aplikace, kde se tento jev využívá, například v oblasti povrchových analýz materiálů nebo mikroskopie. Dynamika těchto elektronů je řízena řadou faktorů včetně emisních úhlů, energie elektronů, povrchového napětí a asymetrie elektrického pole. Porozumění těmto procesům umožňuje přesnější analýzu chování materiálů na mikroskopické úrovni.

Jak lze získat parametry γ0, φ a C6 pro různé kovy a jejich vliv na fotoemisní charakteristiky

V oblasti fotoemisních jevů kovů, zejména v kontextu sekundární elektronové emise (SEE), se velmi často setkáváme s měřením parametrů, jako jsou práce výstupu (φ), frekvence γ0 a relativní koeficienty C6, které jsou závislé na teplotě a specifických vlastnostech daných materiálů. Tyto parametry jsou klíčové pro analýzu fotoemisních spekter a mohou sloužit k určení různých charakteristik materiálů při vystavení elektromagnetickému záření.

Z tabulek 9.2 a 9.3, které obsahují získané hodnoty γ0, φ a relativního C6 pro různé kovy, jako jsou Ag, Au, W, Hg, α-Sn, Ta, Pd, β-Sn a γ-Sn, je zřejmé, že práce výstupu a frekvence γ0 se liší v závislosti na typu kovu a teplotě. Například, pro stříbro (Ag) byla průměrná hodnota práce výstupu φ při teplotě 293 K 4.79 eV, zatímco při vyšší teplotě 873 K klesla na 4.69 eV. Podobné změny byly pozorovány u dalších kovů, přičemž v některých případech se hodnota φ při různých teplotách prakticky nezměnila, což naznačuje stabilitu práce výstupu kovů při nižších teplotách.

V dalším kroku je možné tyto hodnoty použít k získání speciálních vzorců pro křivky PS (photoemission spectra) kovu v blízkosti γ0, což zahrnuje výpočty pomocí rovnic (9.13), (9.15) a (9.16), které poskytují vztahy mezi parametry γ0, φ a C6. Tyto vztahy umožňují vytvoření teoretických křivek PS, které lze porovnat s experimentálními daty a získat tak podrobnější představu o chování materiálu při vystavení fotoelektronovému záření.

Dalším důležitým bodem je schopnost použití těchto parametrů k analýze kvantového efektu (QE), což je měřítko pro množství fotoemisních elektronů generovaných při ozáření materiálu. Vzorce (9.12) a (9.15) umožňují definovat univerzální křivky QE kovů při různých teplotách a vlivu externích faktorů, jako je intenzita elektrického pole nebo chemické složení povrchu kovu. Pomocí těchto vzorců je možné nejen získat parametry γ0, φ a C6, ale také analyzovat relativní QE a vytvořit tak předpovědi pro chování materiálu v praxi.

Příklad uvedený pro vzorky S1 až S6, které byly připraveny z kyslíko-čeřeného mědi, ukazuje, jak různé úpravy povrchu kovu (například expozice iontovým paprskem nebo ohřev do vysoké teploty) mohou ovlivnit fotoemisní parametry, jako je φ a γ0. Tato analýza ukazuje, jak je možné experimentálně určovat a teoreticky modelovat změny ve fotoemisních vlastnostech kovů v závislosti na jejich povrchové úpravě.

Je nezbytné si také uvědomit, že při výpočtech a analýzách je nutné brát v úvahu nejen teoretické modely, ale i experimentální podmínky, které mohou mít vliv na výsledky, jako jsou teplota, intenzita světla nebo složení použitého kovu. Z toho důvodu je vhodné tyto experimenty provádět v širším teplotním spektru a pod různými chemickými a fyzikálními podmínkami, aby bylo možné získat přesnější a univerzální výsledky pro dané materiály.