Studies on secondary electron emission induced charging in dielectric materials: Novel methods and applications for space and plasma technologies

• Autores: Leandro Olano García
• Directores de la Tesis: Isabel Montero Herrero (dir. tes.), María Eugenia Dávila Benítez (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2021
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 131
• Tribunal Calificador de la Tesis: Miguel Manso Silván (presid.), Roman Nevshupa (secret.), Cesar Miquel España (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Materiales Avanzados y Nanotecnología por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Física
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen

  • La interacción de la radiación ionizante con la materia es de suma importancia en muchas áreas de la ciencia y tecnología, como la tecnología espacial y del plasma. La emisión de electrones secundarios es una consecuencia directa de la irradiación de electrones sobre los materiales. Para caracterizar los materiales en términos de emisión secundaria de electrones son clave las propiedades físicas del rendimiento de emisión secundaria (SEY según sus siglas en inglés) y el espectro de energía de los electrones secundarios. Los rendimientos de las emisiones secundarias de los materiales suelen ser demasiado altos para evitar el efecto Multipactor u otros fenómenos relacionados en las aplicaciones espaciales. Además, la medición de los espectros de energía de electrones secundarios en materiales dieléctricos es un desafío debido a problemas de carga.

    Por primera vez, en esta tesis doctoral, se ha informado y modelado experimentalmente una sinergia entre dominios conductores y dieléctricos en materiales compuestos. Se han preparado y caracterizado materiales compuestos con SEY < 0.2 hasta energías primarias elevadas (~ 1 keV). Estos materiales compuestos se han modelado mediante una simulación determinista para obtener más información del proceso de interacción entre dominios que produce tan extremadamente bajo rendimiento de emisión secundaria.

    Para obtener los espectros de energía de electrones de materiales dieléctricos, se ha desarrollado un método que aprovecha la carga de materiales dieléctricos durante la irradiación de electrones. El método se probó primero en muestras de conductores flotantes, específicamente para películas de Cu, Ag y Au. Los resultados muestran un buen ajuste entre el nuevo modelo propuesto en esta tesis doctoral y los espectros de electrones obtenidos con un analizador de energía de electrones hemisférico. Una vez probada la validez del método, se utilizó en materiales dieléctricos. Los polímeros Kapton, Teflon y Ultem fueron seleccionados debido a sus aplicaciones en la industria espacial. Se midió el espectro de energía de los electrones secundarios de estos materiales que mostró un pico de 1.9 ± 0.1 eV para Kapton, 2.3 ± 0.1 eV para Teflon y 4.3 ± 0.2 eV para Ultem.

    Los resultados mostrados en esta tesis sobre los materiales compuestos pavimentan el camino para diseñar nuevos materiales de baja SEY. Estos materiales son necesarios en ciertas aplicaciones de vacío, como las comunicaciones RF, ya que un alto rendimiento de emisión secundaria produce una avalancha de electrones que limita la potencia máxima de trabajo de los dispositivos de RF. Además, la investigación sobre la carga de materiales dieléctricos bajo irradiación de electrones ha proporcionado un nuevo método para caracterizar los espectros de energía de electrones secundarios de los dieléctricos. Las mediciones de estos espectros han sido tradicionalmente difíciles debido a la carga del material ya que se necesitaban altas dosis de electrones. El nuevo método presentado permite obtener los espectros de energía con dosis de solo 10 pC/mm2, lo que asegura una distorsión mínima del estado original del material dieléctrico al evitar daños por radiación, carga profunda, defectos, envejecimiento y otros fenómenos inducidos por electrones en el aislante.