[论文解读] Initial high electric field – vacuum arc breakdown test results for additively manufactured pure copper electrodes

Andris Ratkus, Toms Torims+11 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2023

Vacuum and Plasma Arcs被引用 3

一句话总结

本研究通过CERN的脉冲直流测试，评估了增材制造（AM）纯铜电极在真空环境下的高电场性能。尽管表面粗糙度较高，AM电极仍实现了低于10⁻⁵次击穿/脉冲的稳定击穿率，并在115 μm间隙下维持了高达40 MV/m的电场，证明AM铜是加速器部件（如RFQ）的可行候选材料。

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.

研究动机与目标

• 评估增材制造纯铜电极在高电场下的真空电弧击穿性能。
• 为AM铜电极在高场真空应用中的性能建立初始参考值。
• 评估表面粗糙度及增材制造工艺对电压耐受能力的影响。
• 将AM电极行为与传统无氧热处理铜电极进行比较。
• 支持AM技术在未来加速器部件（如紧凑型RFQ）中的可行性。

提出的方法

• 采用CERN系统进行脉冲高压直流测试，重复频率为1000 Hz，脉冲宽度为1 μs。
• 使用EOS M280激光粉末床熔融系统，以纯度99.95%的铜粉制造AM纯铜阴极。
• 阳极电极通过传统机加工获得Ra = 0.4 μm的表面粗糙度，而AM阴极的Ra为8.28–10.67 μm，Rz为42.10–52.76 μm。
• 通过调节AM阴极的肩部高度控制间隙高度，测试在270 μm和115 μm间隙下进行。
• 采用Mitutoyo接触式轮廓仪和3D GOM Atos Compact Scan对表面粗糙度进行表征。
• 持续监测击穿率，最大可接受击穿率为1 × 10⁻⁵次击穿/脉冲。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管表面粗糙度较高，增材制造纯铜电极是否能在真空中维持高电场？
• RQ2 AM铜电极的击穿率与传统光滑无氧热处理铜电极相比如何？
• RQ3 在减小间隙高度时，AM铜电极可实现的最大电场强度是多少？
• RQ4 AM铜在高场真空条件下，电极老炼过程随时间如何演变？
• RQ5 表面粗糙度在多大程度上限制了AM铜部件的场致发射与击穿起始？

主要发现

• 在115 μm间隙下，AM铜电极实现了40 MV/m的稳定电场，对应750 MHz紧凑型RFQ设计的工作条件。
• 在整个测试过程中，击穿率始终保持在1 × 10⁻⁵次击穿/脉冲以下，表明性能具有优异的稳定性。
• 在270 μm间隙下，最大电场达到26 MV/m，击穿发生在12 MV/m。
• 尽管表面粗糙度更高，AM电极在相同条件下表现出低于传统光滑铜电极的击穿率。
• 与参考电极相比，AM电极达到同等电场水平所需脉冲数约多一倍，表明其稳定化过程更慢。
• 由于表面粗糙度导致的光散射，在115 μm间隙测试中未观察到稳定的击穿定位，限制了缺陷的精确定位。