Experimental study of the role of extrinsic and intrinsic vacuum arc breakdown mechanisms

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7754-4
Title: Experimental study of the role of extrinsic and intrinsic vacuum arc breakdown mechanisms
Alternative title: Kokeellinen tutkimus ulkoisten ja sisäisten mekanismien vaikutuksesta tyhjiövalokaariläpilyöntien syntyyn
Author: Saressalo, Anton
Other contributor: Helsingin yliopisto, matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
Helsingfors universitet, matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics
Materiaalitutkimuksen ja nanotieteiden tohtoriohjelma
Doktorandprogrammet i materialforskning och nanovetenskap
Doctoral Programme in Materials Research and Nanoscience
Helsinki Institute of Physics
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021-12-11
Language: en
URI: http://urn.fi/URN:ISBN:978-951-51-7754-4
http://hdl.handle.net/10138/336482
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: Electric discharge is present in various aspects of our everyday lives. Internal combustion engines rely on spark plugs for the running of the motor, fluorescent lighting functions by gas discharge and a lightning bolt strikes somewhere on earth every second. An electrical breakdown is an event where a voltage across two conductive electrodes, separated by an electrically insulating medium, becomes high enough for the insulating properties of the medium to be weakened, subsequently allowing an electric current to pass through the medium. A special type of such an event is a vacuum arc breakdown, where the electrodes are separated by a gap of void, which acts as a good insulator, but will still be breached under sufficiently high voltage. When controlled, the electric arcing can be used as a powerful tool to focus energy to a specific location. However, several applications are also hindered by the occurrence of breakdowns, including particle accelerators, vacuum interrupters and solar panels. A common factor in these applications is the aim to maximize the electric field strength to optimize the operational efficiency and ecological footprint of such a device. The breakdown phenomenon is at the crossroads of many fields of science, including plasma, materials and surface physics. Effort to explain the breakdown origin has been ongoing for more than a hundred years, and, despite of the constant progress, there are only hypotheses on the exact nature of the process. This work presents an experimental approach for studying the breakdown phenomenon between Cu electrodes, separated by a vacuum gap. The breakdowns are generated as a consequence of repeatedly applying high-voltage pulses across the gap. As a result, statistics, such as breakdown frequency, of the events are investigated and any effects on the surface analyzed. It was shown that cleaning the electrode surface, either by the electric pulsing or plasma treatment, improves the breakdown resistance of the system, whereas any idle time between the high-voltage pulses increases the breakdown probability. Furthermore, it was found that the breakdown events can be attributed to distinct classes, suggesting separate processes responsible for the breakdown generation. One set of processes were labeled extrinsic, as they are driven by the external factors responsible of the surface contamination of the electrode surface. The other processes were characterized as intrinsic, as they were defined by inherent material properties and continued affecting the breakdown frequency even when the effect of extrinsic processes was minimized by plasma cleaning of the surface. Understanding the formation mechanisms of a vacuum arc breakdown allows designing applications that can sustain higher electric fields without breakdown events. The results of this work provide insight on how improving the surface state of an electrode can increase its breakdown resistance. Additionally, an algorithm is presented for recovering the pulsing voltage after a previous breakdown to a high level in an optimal way, with a minimal probability of follow-up breakdowns.Sähköisiä purkauksia esiintyy lukuisissa arkipäiväisissäkin tilanteissa. Polttomoottorit käyttävät sytytystulppia moottorin käynnistämiseen, loisteputkivalaistuksen toiminta perustuu sähköpurkauksiin kaasussa ja salama iskee jossain päin maapalloa joka sekunti. Sähköinen läpilyönti on tapahtuma, jossa kahden eristeellä erotetun, sähköä johtavan elektrodin välinen sähköjännite kasvaa liian suureksi, eristeen kestokyvylle. Tämän seurauksena sähkövirta pääsee kulkemaan elektrodien välillä. Tyhjiövalokaariläpilyönti on tämän ilmiön erikoistapaus, jossa elektrodeja erottaa tyhjiö, joka toimii hyvänä eristeenä, mutta on silti murrettavissa, kun jännite nousee riittävän suureksi. Hallituissa olosuhteissa valokaaria voi käyttää tehokkaana työkaluna energian keskittämiseksi määrättyyn paikkaan. Läpilyönnit kuitenkin myös rajoittavat useiden sovelluksien toimintaa. Näihin kuuluvat muun muassa hiukkaskiihdyttimet, tyhjiökatkaisijat ja aurinkokennot. Kyseisiä sovelluksia yhdistää tavoite sähkökentän voimakkuuden maksimoimiseksi, mikä mahdollistaa laitteen käytön maksimitehokkuudella, ekologinen jalanjälki minimoiden. Läpilyöntien tutkiminen on monien tieteenalojen, kuten plasma-, materiaali- ja pintafysiikan risteyksessä. Läpilyönteihin liittyviä ilmiöitä on yritetty selittää jo yli sadan vuoden ajan. Tasaisesta edistyksestä huolimatta tapahtumaketjun tarkasta luonteesta tunnetaan kuitenkin edelleen vain erilaisia hypoteeseja. Tässä työssä tutkitaan tyhjiövalokaariläpilyönti-ilmiötä kuparielektrodien välissä kokeellisin menetelmin. Läpilyöntejä synnytetään tuottamalla korkeajännitepulsseja elektrodien välillä ja niitä tutkitaan analysoimalla tapahtumien tilastollisia ominaisuuksia, kuten taajutta, sekä niiden vaikutuksia elektrodien pintoihin. Tutkimuksissa osoitettiin, että elektrodien pinnan puhdistaminen - joko sähköpulsseilla tai plasmakäsittelyllä - parantaa läpilyöntikestävyyttä, kun taas minkä tahansa pituinen aika pulssien välillä kasvattaa läpilyöntien todennäköisyyttä. Lisäksi huomattiin, että läpilyöntejä voi luokitella eri kategorioihin, mikä puolestaan vihjaa erilaisista prosesseista, jotka vaikuttavat läpilyöntien syntyyn. Yksi prosessityyppi tunnistettiin ulkoiseksi, sillä siihen vaikuttavat erityisesti ulkoiset tekijät, kuten elektrodipinnan kontaminaatio. Toinen prosessityyppi luokiteltiin sisäiseksi, koska sen nähtiin liittyvän materiaalin luontaisiin ominaisuuksiin ja sen vaikutus läpilyöntitaajuuteen säilyi, vaikka ulkoisten prosessien vaikutus minimoitiin pinnan plasmapuhdistuksella. Läpilyöntien syntymekanismien ymmärtäminen mahdollistaa sovellukset, jotka kestävät entistä korkeampia sähkökenttiä ilman läpilyöntejä. Tämän työn tulokset kertovat, kuinka elektrodin pinnan puhtaustilan parantaminen voi nostaa sen läpilyöntikestävyyttä. Lisäksi työssä esitellään optimaalinen algoritmi pulssitusjännitteen nostamiseksi aiemman läpilyönnin jälkeen niin, että välittömien jatkoläpilyöntien todennäköisyys voidaan minimoida.
Subject: physics
Rights: Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Saressalo_Anton_Dissertation_2021.pdf 11.56Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record