[论文解读] Modeling rf breakdown arcs

З. Инсепов, J. Norem+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 8, 2010

Vacuum and Plasma Arcs参考文献 14被引用 11

一句话总结

本文提出了一种自洽的、多阶段模型，用于描述805 MHz加速器腔体内射频击穿电弧的物理机制，结合了分子动力学模拟表面断裂、粒子-网格法模拟（OOPIC/VORPAL）等离子体电离与增长，以及电液动力学分析表面损伤。关键贡献在于识别出高密度、低温等离子体的形成是导致单极电弧行为的驱动力，其表面电场超过1 GV/m，与观测到的陨石坑形成及X射线脉冲上升时间一致。

ABSTRACT

We describe breakdown in 805 MHz rf accelerator cavities in terms of a number of self consistent mechanisms. We divide the breakdown process into three stages: 1) we model surface failure using molecular dynamics of fracture caused by electrostatic tensile stress, 2) we model the ionization of neutrals responsible for plasma initiation and plasma growth using a particle in cell code, and 3) we model surface damage by assuming a process similar to unipolar arcing. We find that the cold, dense plasma in contact with the surface produces very small Debye lengths and very high electric fields over a large area, consistent with unipolar arc behavior, although unipolar arcs are strictly defined with equipotential boundaries. These high fields produce strong erosion mechanisms, primarily self sputtering, compatible with the crater formation that we see. We use OOPIC modeling to estimate very high surface electric fields in the dense plasma and measure these field using electrohydrodynamic arguments to relate the dimensions of surface damage with the applied electric field. We also present a geometrical explanation of the large enhancement factors of field emitters.This is consistent with the apparent absence of whiskers on surfaces exposed to high fields. The enhancement factors we derive, when combined with the Fowler-Nordheim analysis produce a consistent picture of breakdown and field emission from surfaces at local fields of 7 - 10 GV/m. We show that the plasma growth rates we obtain from OOPIC are consistent with growth rates of the cavity shorting currents using x ray measurements. We believe the general picture presented here for rf breakdown arcs should be directly applicable to a larger class of vacuum arcs. Results from the plasma simulation are included as a guide to experimental verification of this model.

研究动机与目标

• 解决高梯度加速器腔体中射频真空击穿物理机制长期存在的不确定性问题。
• 解释限制铜基射频结构性能的、纳秒级快速放电过程的物理机制。
• 建立一个统一模型，整合机械失效、等离子体动力学与表面侵蚀机制。
• 提供与实验X射线测量结果及表面损伤形貌一致的预测框架。
• 将模型适用范围扩展至射频腔体之外的其他真空电弧现象，包括托卡马克天线与电子束焊接。

提出的方法

• 通过分子动力学模拟，基于场致发射凸起处的静电拉应力（库仑爆炸）驱动表面断裂。
• 利用OOPIC Pro与VORPAL粒子-网格法代码模拟等离子体的起始与增长，追踪中性粒子的电离与电子动力学。
• 通过OOPIC模拟估算致密等离子体中极端表面电场（>1 GV/m），并利用电液动力学标度律进行验证。
• 结合弗朗克-诺德海姆场致发射理论与几何增强因子，解释局部电场达7–10 GV/m的现象。
• 将模拟的等离子体增长速率与实测X射线脉冲上升时间进行关联，验证放电动力学。
• 采用解析电液动力学分析，将观测到的陨石坑尺寸与施加电场及等离子体密度关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高电场下，射频腔体中初始击穿的物理机制是什么？
• RQ2 高密度、低温等离子体如何在电弧放电过程中形成并维持？
• RQ3 空间电荷与电子动力学在限制和塑造放电电流中起什么作用？
• RQ4 尽管边界非等势，致密等离子体中的表面电场与经典单极电弧中的电场相比如何？
• RQ5 所提出的模型在多大程度上可定量解释观测到的陨石坑形貌与X射线脉冲特性？

主要发现

• 静电拉应力（库仑爆炸）引起的表面断裂被确定为射频击穿电弧的主要触发机制。
• 使用OOPIC模拟的等离子体增长速率与实验测得的X射线脉冲上升时间一致，验证了模型的时间动力学。
• 致密、低温等离子体在表面产生超过1 GV/m的电场，与单极电弧行为一致，即使在非等势边界条件下亦成立。
• 电液动力学建模将观测到的陨石坑尺寸与施加电场关联，提供了一种定量诊断工具。
• 结合模型所得几何增强因子与弗朗克-诺德海姆分析，计算得到的局部电场强度为7–10 GV/m，与实验观测一致。
• 自溅射与强烈局部加热被识别为导致陨石坑形成的主导侵蚀机制。