Resumen de New approaches to anti-multipactor coatings for space applications
El 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.
