Nanoscale multiphysics simulations of vacuum arc initiation

Abstract

Vaakumläbilöök on elektrilahendus, mis tekib vaakumis tugevate elektriväljade toimel. Sellised läbilöögid on piirav tegur paljudes rakendustes, sealhulgas osakestekiirendites, röntgentorudes, vaakumlülitites, termotuumareaktorites ja kosmosetehnoloogias. Kuna vaakumläbilöögi tekke aluseks olevad füüsikalised mehhanismid on keerukad, ei ole sellest protsessist, vaatamata aastakümnete pikkusele uurimistööle, veel täielikku arusaama kujunenud. Praeguse arusaama kohaselt on protsessi algus põhjustatud elektroodide pinnal tekkivate nanomõõtmeliste pinnadefektidega, mis omakorda on seotud elektronide emissiooni, lokaalse kuumenemise ja sellele järgneva juhtiva plasma moodustumisega. Varasemad simulatsioonide põhjal tehtud uuringud on keskendunud vaakumläbilöögi algatamise üksikutele etappidele. Seni ei ole veel loodud mudelit, mis ühendaks kõik need etapid terviklikuks sidustatud raamistikuks. Käesolevas töös kirjeldatakse multifüüsikalise simulatsioonimudeli väljatöötamist elektriväljades paiknevate metallpindade uurimiseks ning selle rakendamist vaakumläbilöögi algatamise eri etappide käsitlemisel. Sellise mudeli eesmärk on suurendada arusaama eri füüsikaliste nähtuste omavahelistest seostest ja vaakumläbilöögi teket mõjutavatest teguritest. Töös esitatud simulatsioonid ühendavad elektrivälja, elektronide emissiooni, elektrivoolu ja kuumenemise arvutused metallpindade atomistlike simulatsioonide ning plasma simulatsioonidega. Plasma ja pinna vastastikmõjusid modelleeritakse sidustades lõplike elementide meetodi (finite element method, FEM) ja molekulaardünaamika (molecular dynamics, MD) simulatsioonid plasma moodustumise simulatsioonidega (particle-in-cell, PIC). Mudelsüsteemiks on alalispinge all olev vase (Cu) elektroodide paar omavahelise vaakumpiluga, milles üle 100 MV/m suurune makroskoopiline elektrivälja tugevus võimendub lokaalselt üle 10 GV/m. Elektronide väljaemissioon põhjustab katoodipinna Joule’i kuumenemist, mis võib tõsta pinnatemperatuuri piisavalt kõrgele, et algaks vase aatomite aurustumine. Need neutraalsed vase aatomid võivad ioniseeruda ning moodustada juhtiva plasma, mis koosneb elektronidest ja eri laengutasemetega ioonidest, näiteks Cu+ ja Cu2+, võimaldades elektrivoolu kulgemist elektroodide vahel. Simulatsioonitulemused toetavad praegust arusaama vaakumläbilöögist ning seovad omavahel selle eri etapid. Pinnamorfoloogia muutused seostati elektronide emissiooni muutustega, mis toetab hüpoteesi, et elektriväljade mõjul võivad moodustuda nanomõõtmelised pinnateravikud. Näidati, et lisaks elektriväljale ka magnetväljad vähendavad läbilöögikindlust. Simuleeritud läbilöögivälja tugevused osutusid võrreldavaks eksperimentaalselt mõõdetud väärtustega. Kuumenemise dünaamikat, aurustumist ja plasma vastastikmõjusid kaare algatamise ajal kvantifitseeriti eri väljatugevustel. Otsene väljaionisatsioon osutus plasma algatamise varajastes etappides oluliseks, samal ajal kui hilisemates etappides domineeris põrkeionisatsioon. Plasma ja pinna vastastikmõjude kvantifitseerimine läbilöögi algusfaasis näitas, et suurema osa algsest aurust annab aurustumine, mille järel hakkab sõltuvalt ioonpommitusest üha enam panustama pihustumine. Leiti, et termiliste isekiirenevate protsesside jätkumiseks on vajalik esmase eelplasma moodustumine, mis võib lõpuks areneda iseennast säilitavaks kaarlahenduseks. Kuna vaakumläbilöögi teke hõlmab mitmesugust füüsikalist nähtust ning mitut pikkus- ja ajaskaalat, muutuvad arvutisimulatsioonid üha olulisemaks nii alusmehhanismide mõistmisel kui ka uute materjalide väljatöötamisel. Käesoleva töö eesmärk on anda terviklikum käsitlus nanoskaala protsessidest, mille mõistmine on oluline vaakumkaarte tekke vähendamiseks.

A vacuum arc (vacuum breakdown) is an electric discharge occurring in vacuum Under high electric fields. Breakdowns are a limiting factor in many applications, such as particle accelerators, X-ray tubes, vacuum interrupters, fusion reactors and space technology. Due to the complex physical mechanisms underlying vacuum arc initiation, a full picture of the process is yet to be completed, despite decades of studies. Current understanding connects the formation of nanoprotrusions on electrode surfaces to electron emission, localised heating and subsequent formation of a conducting plasma. Previous simulation studies have focused on specific aspects of these stages of vacuum arc initiation, but no model has combined each of the stages together in a fully coupled, self-consistent framework. This thesis describes the development of a multiphysics simulation model for studying metal surfaces under electric fields, which is applied to study different stages of vacuum arc initiation. The goal for such a model is to improve understanding of the couplings between different physical phenomena and factors contributing to vacuum arcing. The simulations presented in this thesis combine electric field, electron emission, electric current and heating calculations with atomistic simulations of metal surfaces, as well as plasma simulations. Plasma-surface interactions are modelled in a self-consistent manner by coupling together finite element method (FEM) and molecular dynamics (MD) simulations of the metal surface with particle-in-cell (PIC) simulations of plasma formation. The model system is a pair of copper (Cu) electrodes (DC cathode and anode) separated by a vacuum gap, such that a macroscopic electric field of over 100 MV/m is locally enhanced to over 10 GV/m. Field emission of electrons results in Joule heating of the cathode surface, which can increase the surface temperature sufÏciently for evaporation of Cu atoms to start. These Cu neutrals can ionise to form a conducting plasma consisting of electrons and ions of various charge levels such as Cu+ and Cu2+, allowing the flow of current between the electrodes. The simulation results support current understanding of the vacuum arcing phenomenon, providing connections between the different stages. Surface morphology changes were connected to changes in electron emission, supporting the possibility for nanoprotrusions to form due to electric fields. Both electric and magnetic fields were shown to reduce breakdown performance. Simulated breakdown fields were shown to be comparable to experimentally measured values. Heating dynamics, evaporation and plasma interactions during arc initiation were quantified at different fields. Direct field ionisation was shown to be significant during early stages of plasma initiation, while impact ionisation dominated at later stages. Quantification of plasma-surface interactions during arc initiation showed that evaporation provides most of the initial vapour, after which sputtering contributes in increasing amounts depending on ion bombardment. It was found that the formation of an initial pre-plasma is necessary for continuation of thermal runaways, which may eventually develop into a self-sustaining arc. Since vacuum arcing involves the coupling of various physical phenomena, as well as multiple length and time scales, computer simulations become increasingly important for understanding fundamental mechanisms and engineering new materials. The current work aims to provide a more comprehensive picture of the nanoscale processes that would be important in mitigating arc occurrence.