[论文解读] 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 4

一句话总结

本文通过测量CERN高重复频率（HRR）直流火花系统的动态响应，以确定真空击穿的本征导通时间。采用1 kHz重复频率、50 Ω匹配同轴脉冲成形线路（PFL）及快速MOSFET开关，测得电流和电压上升时间均为12 ns，表明击穿导通时间小于12 ns，挑战了以往带宽受限的测量结果，提示本征时间尺度低于12 ns。

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.

研究动机与目标

• 测量高梯度射频结构中真空击穿的本征导通时间。
• 将模拟预测的亚纳秒级击穿发展过程与实验数据进行基准对比。
• 通过表征CERN直流火花系统的瞬态响应，降低击穿极限的不确定性。
• 研究在低群速度结构中，射频结构带宽还是本征击穿动力学限制了性能。
• 通过最小化杂散阻抗并提升系统带宽，提高测量保真度。

提出的方法

• 高重复频率（HRR）直流火花系统采用200 m长同轴脉冲成形线路（PFL），电容为2 nF，可在12 kV电压下储存高达1.4 J能量。
• 采用固态MOSFET开关替代机械继电器，实现最高1 kHz重复频率，且开关速度优于以往系统。
• 电压和电流信号通过75 MHz电压探头和200 MHz电流互感器测量，由1 GHz带宽示波器采集。
• 信号采用误差函数模型拟合，以提取10%–90%上升和下降时间，最小化失真影响。
• 使用PSpice对电路进行仿真，采用理想化元件，包括击穿开关和匹配阻抗，以与实测数据对比。
• 系统采用同轴、阻抗匹配的组件设计，以减少反射并提升带宽，实现亚10 ns时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在超高真空条件下，铜点-平面几何结构中真空击穿的本征导通时间是多少？
• RQ2 测量到的上升时间在多大程度上受限于系统带宽，而非实际击穿动力学？
• RQ3 HRR系统提升后的带宽与以往系统相比，在分辨快速瞬态事件方面表现如何？
• RQ4 测得的击穿上升时间能否用于验证或优化粒子-网格（PIC）模拟模型中击穿起始过程？
• RQ5 射频加速结构的带宽是否限制了观测到的击穿性能，还是其性能由本征击穿动力学决定？

主要发现

• 击穿期间测得的电流上升时间和电压下降时间均为12 ns，表明具有快速瞬态响应。
• 12 ns的上升时间低于系统的理论分辨率极限，提示本征击穿导通时间小于12 ns。
• 测得的上升时间显著快于以往CERN直流火花系统测得的150 ns上升时间，后者带宽较低。
• 击穿后电弧电压在250 ns至400 ns之间稳定在11 V，与洁净铜的已知值约20 V一致，表明击穿后状态稳定。
• 信号中的反射和振 ringing 表明存在残余阻抗不匹配，未来迭代中将予以减少，以提升动态范围和带宽。
• 结果表明，在低群速度结构中，击穿导通时间不受射频结构带宽限制，支持本征动力学决定性能极限的假设。