[论文解读] Evidence of electric breakdown induced by bubbles in liquid argon

F. Bay, C. Cantini+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 13, 2014

Power Transformer Diagnostics and Insulation被引用 5

一句话总结

本研究调查了在高电压条件下液氩中的电击穿现象，表明气泡的形成会显著降低介电强度——降至40 kV/cm，而稳定、不沸腾的液氩中介电强度可达100 kV/cm。结果提供了关键证据，表明气泡因氩气的介电强度较低，会成为优先的击穿路径，为大型液氩探测器（如用于中微子物理的GLACIER）的设计提供依据。

ABSTRACT

We report on the results of a high voltage test in liquid argon in order to measure its dielectric rigidity. Under stable conditions and below the boiling point, liquid argon was found to sustain a uniform electric field of 100 kV/cm, applied in a region of 20 cm$^2$ area across 1 cm thick gap. When the liquid is boiling, breakdowns may occur at electric fields as low as 40 kV/cm. This test is one of the R&D efforts towards the Giant Liquid Argon Charge Imaging ExpeRiment (GLACIER) as proposed Liquid Argon Time Projection Chamber (LAr TPC) for the LBNO observatory for neutrino physics, astrophysics and nucleon decay searches.

研究动机与目标

• 测量在高电压条件下液氩的介电强度，以应用于大型中微子探测器。
• 研究沸腾和气泡形成对液氩中电击穿阈值的影响。
• 验证具有均匀电场几何结构的高压测试装置在后续探测器研发中的性能。
• 支持LBNO实验中GLACIER液氩时间投影室的开发。
• 评估双相运行（液-汽）在电荷成像探测器中用于信号放大的可行性。

提出的方法

• 使用罗戈夫斯基轮廓电极在真空绝缘杜瓦瓶中构建了一个具有20 cm²均匀电场区域的高压测试装置。
• 通过分子筛和铜柱对液氩进行纯化，以最大限度减少杂质并保持低残余压力（<10⁻⁴ mbar）。
• 系统在1 cm间隙上施加最高-100 kV电压，在非沸腾液氩中产生100 kV/cm的电场。
• 电压在20秒内缓慢上升，以测试稳定性，并通过带有电感耦合的高压同轴电缆连接示波器监测放电情况。
• 通过液氮流经蛇形热交换器降低压力，诱导沸腾，实现气泡的受控形成。
• 通过观察窗目视监测击穿事件，并通过放电电流检测进行电气监测，电场强度通过压力控制调节。

实验结果

研究问题

• RQ1 在稳定、不沸腾的条件下，液氩能承受的最大电场强度是多少，而不会发生击穿？
• RQ2 沸腾液氩中气泡的存在如何影响击穿阈值？
• RQ3 由于氩气的介电强度较低，液氩中的气泡是否可能成为电击穿的优先通道？
• RQ4 压力诱导的沸腾与液氩中电击穿起始之间存在何种关系？
• RQ5 在受控的高压环境中，液氩的介电强度如何随温度、压力和相态变化？

主要发现

• 当液氩温度低于其沸点时，可稳定维持100 kV/cm的均匀电场而未发生击穿，表明其介电强度超过100 kV/cm。
• 在沸腾液氩中，电击穿发生在低至40 kV/cm的电场下，显著低于稳定液氩中的击穿强度。
• 击穿事件与可见气泡的形成密切相关，表明气泡可能引发或促进放电路径的形成。
• 在930 mbar压力下，击穿发生在70 kV/cm；在压力低于880 mbar时，击穿发生在40 kV/cm，表明击穿阈值具有压力依赖性。
• 观察到的击穿强度降低归因于氩气的介电强度低于液氩，气泡因此形成优先放电通道。
• 系统在-100 kV电压下稳定运行超过4小时，并可多次重复充电循环，证实了在非沸腾条件下装置的可靠性。