Modelling vacuum arcs : from plasma initiation to surface interactions

A better understanding of vacuum arcs is desirable in many of today's 'big science' projects including linear colliders, fusion devices, and satellite systems. For the Compact Linear Collider (CLIC) design, radio-frequency (RF) breakdowns occurring in accelerating cavities influence efficiency optimisation and cost reduction issues. Studying vacuum arcs both theoretically as well as experimentally under well-defined and reproducible direct-current (DC) conditions is the first step towards exploring RF breakdowns. In this thesis, we have studied Cu DC vacuum arcs with a combination of experiments, a particle-in-cell (PIC) model of the arc plasma, and molecular dynamics (MD) simulations of the subsequent surface damaging mechanism. We have also developed the 2D Arc-PIC code and the physics model incorporated in it, especially for the purpose of modelling the plasma initiation in vacuum arcs. Assuming the presence of a field emitter at the cathode initially, we have identified the conditions for plasma formation and have studied the transitions from field emission stage to a fully developed arc. The 'footing' of the plasma is the cathode spot that supplies the arc continuously with particles; the high-density core of the plasma is located above this cathode spot. Our results have shown that once an arc plasma is initiated, and as long as energy is available, the arc is self-maintaining due to the plasma sheath that ensures enhanced field emission and sputtering. The plasma model can already give an estimate on how the time-to-breakdown changes with the neutral evaporation rate, which is yet to be determined by atomistic simulations. Due to the non-linearity of the problem, we have also performed a code-to-code comparison. The reproducibility of plasma behaviour and time-to-breakdown with independent codes increased confidence in the results presented here. Our MD simulations identified high-flux, high-energy ion bombardment as a possible mechanism forming the early-stage surface damage in vacuum arcs. In this mechanism, sputtering occurs mostly in clusters, as a consequence of overlapping heat spikes. Different-sized experimental and simulated craters were found to be self-similar with a crater depth-to-width ratio of about 0.23 (sim) - 0.26 (exp). Experiments, which we carried out to investigate the energy dependence of DC breakdown properties, point at an intrinsic connection between DC and RF scaling laws and suggest the possibility of accumulative effects influencing the field enhancement factor.

Tulevaisuuden suuren kokoluokan fysiikan alan tietoa tuottavat ja hyödyntävät laitteet, kuten hiukkaskiihdyttimet, fuusiolaitteet ja satelliittijärjestelmät tullaan toteuttamaan yhä vaativammissa olosuhteissa. Näissä olosuhteissa sähköpurkauksen aiheuttama valokaari voi syntyä jopa tyhjiössä alentaen laitteiden suorituskykyä. Eräässä maailman suurimmista kiihdytinlaboratorioista, CERN:issä, suunnitellaan yhteistyössä kumppanuuslaitosten kanssa lineaarikiihdytintä, jota kutsutaan lyhenteellä CLIC (Compact Linear Collider). Sen avulla olisi mahdollista törmäyttää elektroneja ja niiden antihiukkasia, nk. positroneja, ennennäkemättömän suurella energialla, lähes tarkalleen valonnopeudella. Siitä huolimatta, että laitteen suunniteltu pituus on noin 50 km, laite olisi suhteellisen "kompakti" nykyisiin kiihdyttimiin verrattuna, sillä se käyttäisi tavallista paljon suurempaa sähkökenttää hiukkasten kiihdyttämiseen. Väitöskirjatyössä käsitellään näiden suurten sähkökenttien vaikutuksesta aiheutuvia valokaaria, jotka johtaisivat hiukkaskimpun menettämiseen CLIC:issä, ja näin ollen rajoittaisivat laitteen tehokkuutta. Vaikka väliaineessa läpilyövien valokaarien fysiikka ymmärretään nykyään jo varsin hyvin, tyhjiössä esiintyvien valokaarien syntyyn ja kehitykseen liittyvät seikat ovat edelleen hyvin epäselviä. Työssä annetaan aiempaa syvällisempi kuvaus tyhjiövalokaarien elinkaarista, eli siitä, miten plasma syttyy tyhjiövalokaaressa, miten se kehittyy, miten katodipinnalla kraatterit voivat muodostua plasman ja katodimateriaalin vuorovaikutuksesta johtuen, ja miten tyhjiövalokaari sammuu. Mallintamiseen käytetään kokeellisten ja simulaatiomenetelmien monipuolista yhdistelmää. CERN:issä suoritettujen kokeiden avulla määritettiin valokaarien ominaisuuksien riippuvuutta valokaaren käyttämästä energiasta. Tämä on CLIC:in kehityksen kannalta tärkeää sekä mahdollistaa teoreettisten ja kokeellisten tulosten vertailun. Plasman syntyä ja kehitystä tyhjiövalokaarissa mallinnettiin erityisesti tähän tarkoitukseen kehitetyn simulaatio-ohjelman avulla, joka käyttää nk. particle-in-cell-menetelmää. Simulaatiossa käytetty fysikaalinen malli perustuu oletukseen, että katodilla on aluksi emitteri, joka emittoi suurilla sähkökentillä elektroneja ja neutraaleja atomeja tietyllä tavalla. Simulaatiomallin erikoispiirteenä on materiaalifysiikan ja plasmafysiikan yhdistäminen, joka kytkee yhteen plasman kehityksen ja kraatterien muodostumisen. Kraatterit mallinnettiin materiaalifysiikassa usein käytetyn molekyylidynamiikkamenetelmän avulla. Näin saadut simulaatiotulokset olivat sopusoinnussa kraattereista tehtyjen kokeellisten havaintojen kanssa.