ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ РАЗДЕЛИТЕЛЬ ТРАКТА ПОДАЧИ РАБОЧЕГО ТЕЛА ИСТОЧНИКОВ ИОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ
DIELECTRIC SEPARATOR OF SUPPLY CHANNEL OF WORKING MEDIUM OF ION AND ELECTRON SOURCES

Предлагаемое изобретение относится к средствам подачи рабочего тела (РТ) источников ионов и электронов и может быть использовано в пневматических трактах подачи РТ электроракетных двигателей и систем плазменного напыления, а также применяться в масс-спектрометрах и ионных микроскопах.
Надежное функционирование таких высоковольтных устройств достигается за счет обеспечения необходимой электрической изоляции, т.е. электрической прочности, разделяемых электрических цепей, находящихся под большой разностью потенциалов (1-10 кВ), что исключает возникновение искрового пробоя при течении газа вдоль системы подачи РТ.
Существует два пути решения проблемы возникновения искрового пробоя: первый - это увеличение межэлектродного зазора, что приводит к снижению напряженности электрического поля Е, второй - создание условий, при которых заряженные частицы не смогут набрать энергию, необходимую для ионизации атомов рабочего тела, таких как ксенон и аргон, например, за счет увеличения числа столкновений заряженных частиц со стенками газового тракта.
В уровне техники известен диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела RU 2410742 C1, опубл. 27.01.2011. Принцип работы устройства, раскрытого в данном источнике, состоит в электрическом разделении двух частей устройства, находящихся под разными высокими потенциалами, диэлектрическим изделием, способным пропускать через себя рабочее тело, не допуская при этом его утечки. Недостаток указанного изобретения заключается в том, что оно не обеспечивает необходимую защиту от пробоев при разнице потенциалов выше 1000 В между разделяемыми трактами.
В качестве прототипа выбран диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела, описываемый в статье Bruce A. Banks et al, «Ultra High Voltage Propellant Isolators and Insulators for JIMO Ion Thrusters», American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004-3815. Устройство представляет собой канал из электроизоляционного материала с соединительными элементами на его концах, внутри которого находится диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью. Данный тип изолятора основан на принципе снижения длины свободного пробега заряженных частиц и снижения напряженности электрического поля за счет увеличения расстояния между электродами. Недостатками развязок такого типа являются высокое гидравлическое сопротивление и массогабаритные размеры устройства. Кроме того, при изготовлении высоковольтного изолятора магистрали рабочего тела порошок спекают при высоких температурах порядка 1500-2000°C. Это необходимо для конструкционной прочности изделия, препятствующей высыпанию порошка, но полученное устройство в свою очередь имеет высокое гидравлическое сопротивление.
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, способного разделять находящиеся под разностью потенциалов в 1-10 кВ детали диэлектрическим изделием, пропускающим рабочее тело, и лишенного при этом недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении электрической прочности и высокой технологичности предлагаемого устройства.
Данный результат достигается в диэлектрическом разделителе тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов, содержащем удлиненный корпус из электроизоляционного материала с соединительными элементами на концах и продольным каналом, заполненным диэлектрическим неорганическим материалом с открытой пористостью, за счет расположения по длине канала поперечных сеток, препятствующих перемещению материала.
В примере осуществления устройства диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью представляет собой керамическую вату.
Установка в канале поперечных сеток, ограничивающих свободное перемещение диэлектрического неорганического материала с открытой пористостью, в конкретном примере керамической ваты, позволяет избавиться от дополнительного технологического процесса спекания, также сохраняется возможность заполнить равномерно без зазоров корпус по сечению канала, более того использование указанного материала без спекания снижает гидравлическое сопротивление.
Поперечные сетки распределяют потенциал по диаметру канала, тем самым падает напряженность поля, что повышает электрическую прочность изделия, помимо этого, можно установить необходимое количество секций, формируемых сетками, подбирая также длину диэлектрического корпуса между соединительными элементами, находящимися под напряжением.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно повышается электрическая прочность и технологичность предлагаемого устройства.
Сущность изобретения поясняется на фиг.
Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов содержит удлиненный корпус 3 из электроизоляционного материала, например, керамики на основе оксида алюминия, оксида циркония, оксида кремния, нитрида бора, оксида циркония, пластмасс, органического стекла, фторопласта или резины. В качестве удлиненного корпуса могут выступать трубка, стержень, капилляр и другие элементы различных вытянутых форм, т.е. у которых длина значительно больше ширины и высоты, и поперечных сечений, в которых есть или может быть выполнено продольное отверстие.
Продольное отверстие в корпусе 3, в частности осевое, в рамках данной заявки называется каналом, по которому проходит РТ. Канал может иметь различное сечение, но преимущественным вариантом реализации является круглое. По длине канала установлены мелкоячеистые поперечные сетки 7, например, из металла или графита толщиной около 0.1-0.2 мм, разделяющие диэлектрический неорганический материал 4 с открытой пористостью. В качестве указанного материала может использоваться керамическая вата, порошок оксида алюминия, порошок оксида кремния, оксид циркония, порошок нитрида бора и др. виды материалов. Сетки 7 разделяют массы материала 4 между собой, не допуская его перемещение - пересыпание из одной формируемой сетками 7 секции корпуса 3 в другую. Исходя из этого условия, подбирается размер ячеек сеток. На концах корпуса 3 перед соединительными элементами также должны быть установлены элементы, предотвращающие выпадение материала 4 из корпуса 3, что очевидно для специалиста в данной области техники. В качестве таких элементов могут выступать те же сетки 7.
Расположенные по длине канала поперечные сетки 7 держатся в нем за счет сил трения и дополнительно фиксируются наполняющим канал материалом 4. Так сетки 7 разделяют диэлектрический неорганический материал 4 с открытой пористостью, обеспечивая деление потенциала за счет накопления заряда на сетках 7, что приводит к снижению напряженности электрического поля в межсеточном зазоре. Число сеток 7 подбирается таким образом, чтобы падение потенциала между ними было меньше минимума кривой Пашена.
Материал 4 предотвращает возникновение лавинного пробоя, создавая гидравлическое сопротивление для протекающего газа и тем самым повышая давление Р в канале корпуса. Кроме того, материал 4 повышает число столкновений, снижая энергию заряженных частиц.
Соединительные элементы 1-2, 5-6 на концах корпуса могут быть изготовлены из металла, резины или пластмассы. На фиг. показаны в качестве примера соединительных элементов манжеты 2 и 5, которые припаиваются к корпусу 3, и штуцеры 1 и 6, которые припаиваются к манжетам 2 и 5 соответственно.
Предлагаемое решение работает следующим образом.
Рабочее тело, такое как ксенон (Хе), проходит через полость крепежного элемента 1 и 2 в полость корпуса 3 протекает через диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью 4 и сетки 7, где происходит деление потенциала между сетками и в конечном счете - между крепежными элементами 1-2 и 5-6 диэлектрического разделителя тракта подачи рабочего тела и поступает через крепежные элементы 5,6 потребителю.
В результате испытаний экспериментальных образцов, имеющих корпус в виде керамической трубки, канал которой заполнен в одном случае керамической ватой, а в другом порошком оксида алюминия, ограниченных в перемещении по концам канала и по его длине сетками из стали 12Х18Н10Т, была подтверждена возможность разделять находящиеся под разностью потенциалов в 1-10 кВ элементы тракта подачи рабочего тела электроракетных двигателей. Изобретение может также использоваться в системах плазменного напыления, в масс-спектрометрах и ионных микроскопах.
Таким образом, предлагаемое решение найдет широкое применение в высоковольтных источниках ионов и электронов, т.к. обеспечивается повышенная электрическая прочность и технологичность изделия.