[論文レビュー] Modeling rf breakdown arcs

З. Инсепов, J. Norem+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2010

Vacuum and Plasma Arcs参考文献 14被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、805 MHz加速器キャビティにおけるRFブレイクダウンアークの自己一貫的でマルチステージのモデルを提案する。表面破壊には分子動力学、プラズマイオン化および成長には粒子-場シミュレーション（OOPIC/VORPAL）、表面損傷には電気流体力学的解析を組み合わせる。主な貢献は、1 GV/mを超える表面電場を示す高密度で低温のプラズマの形成が、一極性アーク的挙動の原因であると特定したことである。これは観測されたクレーター形成およびX線パルス上昇時間と整合的である。

ABSTRACT

We describe breakdown in 805 MHz rf accelerator cavities in terms of a number of self consistent mechanisms. We divide the breakdown process into three stages: 1) we model surface failure using molecular dynamics of fracture caused by electrostatic tensile stress, 2) we model the ionization of neutrals responsible for plasma initiation and plasma growth using a particle in cell code, and 3) we model surface damage by assuming a process similar to unipolar arcing. We find that the cold, dense plasma in contact with the surface produces very small Debye lengths and very high electric fields over a large area, consistent with unipolar arc behavior, although unipolar arcs are strictly defined with equipotential boundaries. These high fields produce strong erosion mechanisms, primarily self sputtering, compatible with the crater formation that we see. We use OOPIC modeling to estimate very high surface electric fields in the dense plasma and measure these field using electrohydrodynamic arguments to relate the dimensions of surface damage with the applied electric field. We also present a geometrical explanation of the large enhancement factors of field emitters.This is consistent with the apparent absence of whiskers on surfaces exposed to high fields. The enhancement factors we derive, when combined with the Fowler-Nordheim analysis produce a consistent picture of breakdown and field emission from surfaces at local fields of 7 - 10 GV/m. We show that the plasma growth rates we obtain from OOPIC are consistent with growth rates of the cavity shorting currents using x ray measurements. We believe the general picture presented here for rf breakdown arcs should be directly applicable to a larger class of vacuum arcs. Results from the plasma simulation are included as a guide to experimental verification of this model.

研究の動機と目的

• 高勾配加速器キャビティにおけるRF真空ブレイクダウンの物理的メカニズムに長年の不確実性を解消すること。
• 銅ベースRF構造体の性能を制限するナノ秒スケールの急速な放電プロセスを説明すること。
• 機械的破壊、プラズマダイナミクス、表面エロージョンメカニズムを統合した包括的モデルを構築すること。
• 実験的X線測定および表面損傷の形態と整合的な予測フレームワークを提供すること。
• RFキャビティにとどまらず、トカマクアンテナや電子ビーム溶接などの他の真空アーク現象への応用可能性を拡張すること。

提案手法

• 電場発生アスペリティにおける静電的引張応力（クーロン爆発）によって駆動される分子動力学シミュレーションにより、表面破壊をモデル化する。
• OOPIC ProおよびVORPALの粒子-場コードを用いて、中性子のイオン化および電子ダイナミクスを追跡することで、プラズマの発生および成長をシミュレートする。
• OOPICシミュレーションを用いて高密度プラズマ内の極めて高い表面電場（1 GV/m以上）を推定し、電気流体力学的スケーリング則を用いて妥当性を検証する。
• Fowler-Nordheimの場発生理論に幾何学的増幅要因を組み合わせ、局所電場が7–10 GV/mに達することを説明する。
• シミュレートされたプラズマ成長速度と測定されたX線パルス上昇時間の相関関係を検証し、放電ダイナミクスの妥当性を裏付ける。
• 解析的電気流体力学的議論を用いて、観測されたクレーター寸法と印加電場およびプラズマ密度を結びつける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高電場下におけるRFキャビティ内での初期ブレイクダウンを引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ2 高密度で低温度のプラズマは、アーク放電中にどのように形成され、自己持続的に維持されるのか？
• RQ3 空間電荷および電子運動論が放電電流の制限および形状に果たす役割は何か？
• RQ4 等電位境界でない条件下でも、高密度プラズマ内の表面電場は、古典的単極性アークにおけるものと比較してどうなるか？
• RQ5 提案されたモデルによって、観測されたクレーター形態およびX線パルス特性は、定量的にどの程度説明可能か？

主な発見

• 表面破壊は静電的引張応力（クーロン爆発）によって引き起こされ、RFブレイクダウンアークの主要なトリガー機構であると特定された。
• OOPICを用いたシミュレートされたプラズマ成長速度は、実験的X線パルス上昇時間と整合的であり、モデルの時間的ダイナミクスの妥当性が裏付けられた。
• 高密度で低温のプラズマは、等電位境界でない条件下でも1 GV/mを超える表面電場を生成し、一極性アーク的挙動と整合的である。
• 電気流体力学的モデリングにより、観測されたクレーター寸法と印加電場との関係が明確に示され、定量的診断ツールが得られた。
• モデルから導出された幾何学的増幅要因にFowler-Nordheim解析を組み合わせることで、局所電場強度が7–10 GV/mに達することが示され、実験観測と一致した。
• 自己スパッタリングおよび局所的強力な加熱が、クレーター形成の主なエロージョンメカニズムであると特定された。