[論文レビュー] Measurement of the dynamic response of the CERN DC spark system and preliminary estimates of the breakdown turn-on time

Nicholas Shipman, S. Calatroni+2 more|Research Explorer (The University of Manchester)|Jun 4, 2012

Vacuum and Plasma Arcs参考文献 7被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、CERNの高繰返し率（HRR）DCスパーク系の動的応答を測定し、真空中のブレークダウンの固有の起動時間を特定する。1 kHz繰返しレートのシステムに50 Ω整合の同軸パルス形成ラインと高速MOSFETスイッチを用い、電流および電圧の立ち上がり時間12 nsを測定した。これは、ブレークダウンの起動が12 ns未塔に発生することを示し、従来の帯域幅制限測定を挑戦し、12 ns未塔の固有時間スケールが存在することを示唆する。

ABSTRACT

The new High Repetition Rate (HRR) CERN DC Spark System has been used to investigate the current and voltage time structure of a breakdown. Simulations indicate that vacuum breakdowns develop on ns timescales or even less. An experimental benchmark for this timescale is critical for comparison to simulations. The fast rise time of breakdown may provide some explanation of the particularly high gradients achieved by low group velocity, and narrow bandwidth, accelerating structures such as the T18 and T24. Voltage and current measurements made with the previous system indicated that the transient responses measured were dominated by the inherent capacitances and inductances of the DC spark system itself. The bandwidth limitations of the HRR system are far less severe allowing rise times of approximately 12ns to be measured.

研究の動機と目的

• 高勾配RF構造における真空中ブレークダウンの固有の起動時間を測定すること。
• 実験データと照らし合わせて、ナノ秒未塔のブレークダウン発展を予測するシミュレーションのベンチマークをとること。
• CERN DCスパーク系の過渡応答を特徴づけることで、ブレークダウン限界の不確実性を低減すること。
• RF構造の帯域幅が、低群速度構造における性能を制限しているのか、それとも固有のブレークダウンダイナミクスが制限要因なのかを調査すること。
• 不要インピーダンスを最小限に抑え、システム帯域幅を向上させることで、測定の正確性を向上させること。

提案手法

• 高繰返し率（HRR）DCスパーク系は、200 mの同軸パルス形成ライン（PFL）を用い、2 nFの静電容量で最大1.4 Jを12 kVで蓄える。
• 機械的リレーに代わり、固体状態のMOSFETスイッチを採用し、最大1 kHzの繰返しレートを達成し、従来のシステムよりも高速なスイッチングを実現。
• 電圧と電流信号は、75 MHzの電圧プローブと200 MHzの電流トランスフォーマーを用いて測定され、1 GHz帯域幅のオシロスコープに記録される。
• 歪みの影響を最小限に抑えるために、信号は誤差関数モデルにフィットさせ、10%–90%の立ち上がり・立ち下がり時間を抽出する。
• PSpiceを用いたシミュレーションにより、理想化された部品（ブレークダウン用スイッチとインピーダンス整合）を含む回路をモデル化し、実測値と比較する。
• 同軸構造とインピーダンス整合部品を採用することで、反射を低減し、帯域幅を向上させ、10 ns未塔の解像度を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超高真空下における銅のポイントプレーン幾何構造における真空中ブレークダウンの固有の起動時間は何か？
• RQ2 測定された立ち上がり時間は、実際のブレークダウンダイナミクスではなく、システムの帯域幅によって制限されている程度はどの程度か？
• RQ3 HRRシステムの向上した帯域幅は、従来のシステムと比較して、高速過渡現象をどの程度よく解像できるか？
• RQ4 測定されたブレークダウン立ち上がり時間は、ブレークダウン発生の粒子-場（PIC）シミュレーションモデルの検証または精緻化に利用できるか？
• RQ5 RF加速構造の帯域幅が観察されるブレークダウン性能を制限しているのか、それとも固有のブレークダウンダイナミクスが支配的か？

主な発見

• ブレークダウン時の電流立ち上がり時間と電圧立ち下がり時間は、両方とも12 nsであり、迅速な過渡応答を示している。
• 12 nsの立ち上がり時間は、システムの理論的解像度限界を下回っており、固有のブレークダウン起動時間が12 ns未塔であると示唆している。
• 測定された立ち上がり時間は、帯域幅が低い前回のCERN DCスパークシステムで観測された150 nsの立ち上がり時間よりも著しく速く、12 ns未塔である。
• ブレークダウン後の焼け残り電圧は、250 nsから400 nsの間で11 Vに安定し、清浄な銅の既知の値（約20 V）と整合しており、安定した後続状態を示している。
• 信号に見られる反射やリバーブは、残留インピーダンス不整合を示しており、今後のバージョンでこれを低減することで、動的範囲と帯域幅を向上させる予定である。
• 結果から、低群速度構造におけるブレークダウンの起動時間は、RF構造の帯域幅によって制限されていないことが示され、性能限界は固有のダイナミクスによって支配されているという仮説を支持する。