[논문 리뷰] Initial high electric field – vacuum arc breakdown test results for additively manufactured pure copper electrodes

Andris Ratkus, Toms Torims외 11명|arXiv (Cornell University)|2023. 09. 26.

Vacuum and Plasma Arcs인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 CERN에서 사용하는 펄스형 DC 테스트를 통해 진공 환경에서 적층 제조(AM)된 순구리 전극의 고전계 성능을 평가한다. 높은 표면 거칠기에도 불구하고 AM 전극는 10⁻⁵번의 파동당 붕괴율 이하로 안정된 붕괴율을 기록했으며, 115 μm 갭에서 최대 40 MV/m의 전계를 유지하여 RFQ와 같은 가속기 부품에 대한 AM 구리의 실현 가능성을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고전계 조건에서 적층 제조된 순구리 전극의 진공 아크 붕괴 성능을 평가하기 위해.
• 고전계 진공 응용 분야에서 AM 구리 전극 성능에 대한 初기 기준 값을 수립하기 위해.
• 표면 거칠기와 AM 제조 공정이 전압 내성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존의 산소 제거 및 열처리를 거친 순구리 전극과의 성능을 비교하기 위해.
• 향후 RFQ 등 소형 가속기 부품에 대한 AM의 실현 가능성을 뒷받침하기 위해.

제안 방법

• 1000 Hz 반복 주기와 1 μs 펄스 폭을 가진 CERN 시스템을 사용하여 펄스형 고전압 DC 테스트를 수행하였다.
• AM 순구리 음극은 99.95% 순도의 Cu 분말을 사용한 EOS M280 레이저 풍선 베드 합성 시스템으로 제작되었다.
• 양극 전극는 표면 거칠기 Ra = 0.4 μm를 확보하기 위해 일반적인 machining을 적용하였으며, AM 음극은 측정된 Ra = 8.28–10.67 μm 및 Rz = 42.10–52.76 μm를 보였다.
• 간격 높이는 AM 음극의 어깨 높이를 조절하여 제어하였으며, 270 μm 및 115 μm 갭에서 테스트를 수행하였다.
• 표면 거칠기는 Mitutoyo 접촉 프로파일로미터 및 3D GOM Atos Compact Scan을 사용하여 특성화하였다.
• 붕괴율은 지속적으로 모니터링되었으며, 허용 가능한 최대 값은 1 × 10⁻⁵번의 붕괴/펄스였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 높은 표면 거칠기에도 불구하고 적층 제조된 순구리 전극은 진공에서 고전계를 유지할 수 있는가?
• RQ2 AM 구리 전극의 붕괴율은 기존의 매끄럽고 산소가 제거된 열처리를 거친 순구리 전극과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 감소된 갭 간격에서 AM 구리 전극이 달성할 수 있는 최대 전계 강도는 얼마인가?
• RQ4 고전계 진공 조건에서 AM 구리 전극의 전극 조정 과정은 시간이 지남에 따라 어떻게 진행되는가?
• RQ5 표면 거칠기는 AM 구리 부품에서 전계 방출과 붕괴 기원을 얼마나 제한하는가?

주요 결과

• AM 구리 전극는 115 μm 갭에서 안정적인 전계 40 MV/m를 달성하였으며, 이는 750 MHz 소형 RFQ 설계의 작동 조건에 해당한다.
• 테스트 전반에 걸쳐 붕괴율이 1 × 10⁻⁵번의 붕괴/펄스 이하로 유지되어 뛰어난 성능 안정성을 나타냈다.
• 270 μm 갭에서는 최대 전계로 26 MV/m에 도달했으며, 붕괴는 12 MV/m에서 발생하였다.
• 높은 표면 거칠기에도 불구하고, 동일 조건에서 기존의 매끄러운 구리 전극보다 AM 전극가 낮은 붕괴율을 보였다.
• 기준 전극에 비해 동일한 전계 수준에 도달하기 위해 약 두 배의 펄스 수가 필요하여 안정화가 더 느리다는 것을 시사했다.
• 표면 거칠기로 인한 빛 산산조각 날림으로 인해 115 μm 갭 테스트에서 붕괴의 일관된 국소화가 관측되지 않아 정밀한 결함 매핑이 제한되었다.