[論文レビュー] Initial high electric field – vacuum arc breakdown test results for additively manufactured pure copper electrodes

Andris Ratkus, Toms Torims+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Vacuum and Plasma Arcs被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、CERNのパルス直流試験を用いて、真空中の添加製造（AM）純銅電極の高電界性能を評価した。表面粗さが高いためにもかかわらず、AM電極は10⁻⁵回のブレークダウン/パルス未満の安定したブレークダウン率を達成し、115 μmギャップで最大40 MV/mの電界を維持した。これは、RFQなどの加速器部品にAM銅を用いることが実現可能であることを示している。

ABSTRACT

Additive Machining (AM) technology is already used in many manufacturing domains and provides many benefits such as design freedom, cooling, and performance improvements as well as significant manufacturing time reduction. AM is also being considered for the manufacture of a Radio Frequency Quadrupole, where an important unknown is the voltage holding capability of AM surfaces. To address this question a series of high electrical field tests was performed on additively manufactured (AM) pure copper electrodes using the CERN pulsed dc high-voltage system. The tests were carried out with different test surface conditions such as “rough”, as built by AM, post-processed and machined. During each test, an ultra-high vacuum was maintained, and the breakdown rate monitored by changing the electric field level and pulse structure. The initial results provide the first reference values for AM built pure copper electrodes performance under vacuum arc breakdown test. According to test results, AM process and material powder characterisation as well as post-processing will be improved in preparation for RF power and beam tests on a full RFQ prototype.

研究の動機と目的

• 添加製造された純銅電極の高電界における真空中のアーキングブレークダウン性能を評価すること。
• 高電界真空中応用におけるAM純銅電極性能の初期基準値を確立すること。
• 表面粗さおよびAM製造プロセスが電圧耐久性に与える影響を評価すること。
• 従来の酸素不含有で熱処理を施した銅電極と比較して、AM電極の挙動を評価すること。
• 今後の加速器部品（例えばコンact RFQ）におけるAM技術の実用可能性を支援すること。

提案手法

• CERNのシステムを用いたパルス高電圧DC試験を実施し、繰り返し周波数1000 Hz、パルス幅1 μsとした。
• AM純銅アノードは、99.95%純度の銅粉末を用いたEOS M280レーザー粉末床溶融法で製造した。
• アノード電極は通常の切削加工によりRa = 0.4 μmを達成したが、AMカソードは測定されたRa = 8.28–10.67 μmおよびRz = 42.10–52.76 μmを示した。
• ギャップ高さはAMカソードのショルダー高さを調整することで制御され、270 μmおよび115 μmのギャップで試験が実施された。
• 表面粗さはミズトヨ接触プロファイル計および3D GOM Atos Compact Scanを用いて測定された。
• ブレークダウン率は継続的にモニタリングされ、許容最大値は1 × 10⁻⁵ブレークダウン/パルスであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 添加製造された純銅電極は、表面粗さが高いためにもかかわらず、真空中で高電界を維持できるか？
• RQ2 AM純銅電極のブレークダウン率は、従来の滑らかで酸素不含有かつ熱処理を施した銅電極と比較してどうなるか？
• RQ3 ギャップ高さを低くした場合、AM純銅電極で達成可能な最大電界強度はどの程度か？
• RQ4 高電界真空中条件下におけるAM純銅の電極コンディショニングは、時間経過とともにどのように進行するか？
• RQ5 表面粗さがAM純銅部品におけるフィールドエミッションおよびブレークダウン発生の原因となる限界に、どの程度寄与するか？

主な発見

• AM純銅電極は115 μmギャップで40 MV/mの安定した電界を達成した。これは750 MHzのコンact RFQ設計の動作条件に相当する。
• ブレークダウン率は試験全期間を通じて1 × 10⁻⁵ブレークダウン/パルス未満を維持し、優れた性能安定性を示した。
• 270 μmギャップでは最大電界強度が26 MV/mに達したが、ブレークダウンは12 MV/mで発生した。
• 表面粗さが高かったにもかかわらず、AM電極は同等条件の従来の滑らかな銅電極よりも低いブレークダウン率を示した。
• 基準電極と比較して、同等の電界レベルに達するまでに約2倍のパルス数を要したため、安定化が遅いことが示された。
• 115 μmギャップ試験では、表面粗さによる光の散乱のため、ブレークダウンの局所化が一貫して観察されず、正確な欠陥マッピングが困難であった。