[論文レビュー] Evidence of electric breakdown induced by bubbles in liquid argon

F. Bay, C. Cantini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Power Transformer Diagnostics and Insulation被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、高電圧下における液体アルゴン内の電気的破壊を調査し、気泡の形成が誘電破壊強度を100 kV/cmから40 kV/cmまで著しく低下させることを実証した。これは、アルゴンガスの誘電破壊強度が低いことによるものであり、GLACIERが計画するニュートリノ物理学用大規模液体アルゴン検出器の設計に重要な知見を提供する。

ABSTRACT

We report on the results of a high voltage test in liquid argon in order to measure its dielectric rigidity. Under stable conditions and below the boiling point, liquid argon was found to sustain a uniform electric field of 100 kV/cm, applied in a region of 20 cm$^2$ area across 1 cm thick gap. When the liquid is boiling, breakdowns may occur at electric fields as low as 40 kV/cm. This test is one of the R&D efforts towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment (GLACIER) as proposed Liquid Argon Time Projection Chamber (LAr TPC) for the LBNO observatory for neutrino physics, astrophysics and nucleon decay searches.

研究の動機と目的

• 大規模ニュートリノ検出器への応用を目的として、高電圧条件下における液体アルゴンの誘電破壊強度を測定すること。
• 液体アルゴンにおける沸騰および気泡形成が電気的破壊閾値に与える影響を調査すること。
• 今後の検出器開発研究のため、均一電界配置を有する高電圧試験装置の性能を検証すること。
• LBNO実験のためのGLACIER液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバの開発を支援すること。
• 信号増幅のための二相操作（液体・蒸気）の可能性を、電荷像検出器において評価すること。

提案手法

• Rogowskiプロファイル電極を用いた真空断熱デュアール内に、20 cm²の均一電界領域を有する高電圧試験装置を構築した。
• 液体アルゴンは分子ふるいおよび銅カートリッジを用いて精製され、不純物を低減し、残留圧を<10⁻⁴ mbar未満に維持した。
• システムは1 cmギャップに最大-100 kVの電圧を印加し、沸騰しない液体アルゴンでは100 kV/cmの電界を生成した。
• 電圧は20秒間で上昇させ、安定性をテストし、高電圧同軸ケーブルを介した誘導結合によりオシロスコープで放電をモニタリングした。
• 蛇行形熱交換器を介して液体窒素を循環させることで圧力を低下させ、制御された気泡形成を誘発した。
• 放電イベントは窓を通して視認し、放電電流検出によって電気的にモニタリングした。電界強度は圧力制御により調整された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 沸騰しない安定した状態における液体アルゴンが破壊を起こさずに耐えられる最大電界強度は何か？
• RQ2 沸騰する液体アルゴンに気泡が存在する場合、破壊閾値にどのような影響を与えるか？
• RQ3 アルゴンガスの誘電破壊強度が低いことから、液体アルゴン内の気泡が電気的破壊の優先的経路として機能する可能性は何か？
• RQ4 圧力誘発沸騰と液体アルゴン内での電気的破壊発生との関係は何か？
• RQ5 制御された高電圧環境下において、液体アルゴンの誘電破壊強度は温度、圧力、相状態にどのように依存するか？

主な発見

• 沸点未満の状態で、液体アルゴンは100 kV/cmの均一電界を破壊なしに維持でき、誘電破壊強度は100 kV/cmを超えることを示した。
• 沸騰する液体アルゴンでは、電気的破壊が40 kV/cmという極めて低い電界で発生し、安定した液体アルゴンと比べ顕著に低下した。
• 放電イベントは目に見える気泡の形成と強く相関しており、気泡が放電経路の発生または促進に関与している可能性を示唆した。
• 930 mbarでは70 kV/cmで放電が発生し、880 mbar未満の圧力では40 kV/cmで放電が発生した。これは閾値が圧力に依存することを示した。
• 観察された破壊強度の低下は、液体アルゴンに比べ誘電破壊強度が低いアルゴンガスの性質に起因し、気泡が優先的な放電経路を形成しているとされた。
• 本システムは-100 kVで4時間以上安定して稼働し、繰り返し充電サイクルを経ても安定していたことから、非沸騰条件下での装置の耐久性が確認された。