[논문 리뷰] Measurement of the dynamic response of the CERN DC spark system and preliminary estimates of the breakdown turn-on time

Nicholas Shipman, S. Calatroni외 2명|Research Explorer (The University of Manchester)|2012. 06. 04.

Vacuum and Plasma Arcs참고 문헌 7인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 고반복률(HRR) DC 스팿터 시스템의 동적 반응을 측정하여 진공 파손의 고유 전환 시간을 평가한다. 1 kHz 반복률 시스템과 50 Ω 일치된 동축 펄스 형성 라인, 고속 MOSFET 스위칭을 사용하여 전류 및 전압 상승 시간을 12 ns로 측정함으로써, 파손 전환은 12 ns 이내에 발생함을 시사하며, 이는 이전의 대역폭 제한 측정 결과에 도전하며, 12 ns 이하의 고유 시간 스케일이 존재할 가능성을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고기울기 RF 구조에서 진공 파손의 고유 전환 시간을 측정하기 위해.
• 나노초 이하의 파손 발전에 대한 시뮬레이션 예측을 실험 데이터와 비교하기 위해.
• CERN DC 스파크 시스템의 일시적 반응을 특성화하여 파손 한계에 대한 불확도를 줄이기 위해.
• RF 구조의 대역폭이 낮은 군속도 구조에서 성능을 제한하는가, 아니면 고유 파손 역학이 결정하는가를 조사하기 위해.
• 산란 임피던스를 최소화하고 시스템 대역폭을 향상시켜 측정 정밀도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 고반복률(HRR) DC 스파크 시스템은 200 m 길이의 동축 펄스 형성 라인(PFL)을 사용하며, 2 nF 커패시터를 포함하여 최대 1.4 J의 에너지를 12 kV에서 저장한다.
• 기계적 릴레이 대신 고체 상태 MOSFET 스위치를 사용하여 최대 1 kHz의 반복률을 달성하고 이전 시스템보다 더 빠른 스위칭을 가능하게 한다.
• 전압 및 전류 신호는 75 MHz 전압 프로브와 200 MHz 전류 트랜스포머를 사용하여 측정하고, 1 GHz 대역폭 온스코프로 기록한다.
• 왜곡 영향을 최소화하기 위해 신호는 오차 함수 모델에 맞추어 10%–90% 상승 및 하강 시간을 추출한다.
• PSpice를 사용한 시뮬레이션은 이상화된 구성 요소, 즉 파손용 스위치와 일치 임피던스를 포함한 회로를 모델링하여 실제 측정 결과와 비교한다.
• 동축 구조와 일치 임피던스 구성 요소를 사용하여 반사와 대역폭 향상을 최적화하고, 10 ns 이하의 해상도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초고진공 조건에서 구리 점-평판 기하구조에서 진공 파손의 고유 전환 시간은 얼마인가?
• RQ2 측정된 상승 시간이 실제 파손 역학이 아닌 시스템의 대역폭 제한으로 인해 제한되는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 HRR 시스템의 향상된 대역폭은 이전 시스템 대비 빠른 일시적 사건을 해상도 면에서 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 측정된 파손 상승 시간을 사용하여 입자-세포(PIC) 시뮬레이션 모델의 파손 발생 초기 단계를 검증하거나 보완할 수 있는가?
• RQ5 RF 가속 구조의 대역폭이 관측된 파손 성능을 제한하는가, 아니면 고유 파손 역학이 결정하는가?

주요 결과

• 파손 중 측정된 전류 상승 시간과 전압 하강 시간은 모두 12 ns로, 빠른 일시적 반응을 나타낸다.
• 12 ns 상승 시간은 시스템의 이론적 해상도 한계 이하이므로, 고유 파손 전환 시간이 12 ns 이하임을 시사한다.
• 이전 CERN DC 스파크 시스템에서 관측된 150 ns 상승 시간과 비교해 보면, 이 시스템의 상승 시간은 훨씬 빠르며, 이는 대역폭이 낮았기 때문이다.
• 파손 후 연소 전압은 250 ns에서 400 ns 사이에 11 V로 안정화되며, 깨끗한 구리의 알려진 값인 약 20 V와 일치하여 안정된 후파손 조건을 시사한다.
• 신호의 반사 및 리버버버션은 잔여 임피던스 불일치를 시사하며, 향후 버전에서 이를 줄여 동적 범위와 대역폭을 향상시킬 계획이다.
• 결과는 저군속도 구조에서 RF 구조의 대역폭이 파손 전환 시간을 제한하지 않으며, 성능 한계가 고유 역학에 의해 결정된다는 가설을 지지한다.