Высоковольтный вакуумный ввод

Полезная модель относится к вакуумной технике, электротехнике и предназначена для ввода высоковольтного напряжения в вакуум.
-3
Ввод электрического питания в вакуумную систему является одной из наиболее распространённых задач вакуумной техники, решение которой во многом зависит от величины вводимого напряжения и требующегося значения вакуума в системе. Данная задача усложняется при увеличении вводимого напряжения. Дополнительная сложность ввода высокого напряжения в вакуум возникает, если вакуумная система рассчитана на форвакуум (типичный диапазон давлений 10÷10 торр). Данная область давлений остаточного газа сопряжена с возникновением условий, повышающих вероятность электрического пробоя. Решить данную проблему использованием обычной изоляции высоковольтного провода затруднительно, поскольку изоляция дополнительно должна быть вакуумплотной. Все расположенные в вакууме части высоковольтной цепи также должны иметь вакуумплотную изоляцию.
Известно устройство под названием «Высоковольтный вакуумный кабельный ввод», описанное в патенте (SU № 284085 А1, публ. 14.10.1970 г.). Устройство содержит корпус, изготовленный из изоляционного материала, внутри которого проходит токоведущий кабель, полую изоляционную вставку, расположенную между токоведущим кабелем и корпусом, уплотняющие устройства и масляно-силиконовую изоляцию, заполняющую каналы между токоведущим кабелем и изоляционной вставкой и между изоляционной вставкой и корпусом изолятора, а также прижимные кольца, шайбу и хомут. Устройство используется для ввода высокого напряжения к электродам, находящимся в вакуумной камере.
Другое известное устройство под названием «Электрический ввод», описано в патенте (SU № 1256102 А1, публ. 07.09.1986 г.). Электрический ввод содержит корпус в виде усеченного конуса, электрические провода, прокладку из пластичного электроизоляционного материала, электроизоляционный порошок высокой твердости. Устройство относится к электровводам и направлено на повышение надежности при работе.
Также известно изобретение под названием «Высоковольтный вакуумный ввод», которое описано в патенте (SU № 1301207 А1, публ. 07.12.1991 г.). Устройство содержит конический изолятор, который вакуумплотно соединен с электродами, электростатические экраны, которые соединяются между собой в процессе высокотемпературной пайки стягивающими элементами при помощи паяных соединений. Устройство относится к высоковольтным вакуумным вводам, а его целью является повышение электрической прочности.
Наиболее близким по назначению к предлагаемой полезной модели является техническое решение «Высоковольтный вакуумный ввод», описанное в патенте (SU № 997103 А1, публ. 15.02.1983 г.) и предназначенное для повышения надежности при его использовании. Конструкция описываемого технического решения представляет собой корпус, токопроводящий элемент, и расположенный в корпусе изоляционный элемент, выполненный из термопластичного материала, внутри которого установлен электронагреватель. Причем, токопроводящая часть испытуемого прибора подсоединена к высоковольтному вакуумному вводу через разъемный контакт.
К общим недостаткам аналогов и прототипа следует отнести не надежную высоковольтную изоляцию устройства (например, масляно-силиконовая, порошковая, парафиновая), что не допускает их безопасного использования при вводе высокого напряжения, в связи с большой вероятностью электрического пробоя между корпусом, токоведущими составляющими устройства и потребителем.
-6
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение является создание устройства, позволяющего осуществлять ввод высокого напряжения в герметичный вакуумный объём при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (10 торр).
Поставленная задача решается с помощью предлагаемого высоковольтного вакуумного ввода, содержащего изоляционный и токопроводящий элементы, причем,  дополнительно включает металлический фланец, внутри которого расположены изоляционный элемент, выполненный в виде вставки-изолятора, включающей прижимной диск и штуцер с закрепленной на нем изолирующей диэлектрической трубкой, и токопроводящий элемент, выполненный в виде высоковольтного электрода с креплениями, обеспечивающими фиксацию проходящего внутри него высоковольтного провода.
Технический результат заключается в обеспечении надежной работы устройства, позволяющего подводить высокое напряжение к потребителю, установленному внутри вакуумного объема при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (в том числе форвакуума). Это достигается посредством конструкции устройства, в частности использования специальной вставки-изолятора и высоковольтного электрода.
Предлагаемое устройство отличается от описанного в прототипе тем, что используемый изоляционный материал не требуется нагревать, чтобы обеспечить электроизоляцию составляющих ввода и потребителя. Кроме того, ввод высокого напряжения к потребителю, располагающемуся в вакуумном объеме, производится через изолирующую диэлектрическую трубку, в которой находится высоковольтный электрод и внутренний объём которой сообщается с атмосферой. Ввод электричества через диэлектрическую трубку, внутри которой поддерживается атмосферное давление, существенно уменьшает вероятность электрического пробоя. Таким образом, даже если в изолирующей диэлектрической трубке возникнет не герметичность по отношению к вакуумному объёму, то электрический пробой не произойдёт из-за сообщения внутреннего объёма изолирующей диэлектрической трубки c атмосферой.
Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в простых конструктивных элементах, а также в надежности и безопасности предлагаемого устройства, которое обеспечивает ввод высокого напряжения при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума.
Полезная модель поясняется чертежом.
Фиг. 1 – Общий вид устройства.
Фиг. 2 – Общий вид устройства в разрезе.
Фиг. 3 – Общий вид устройства в сборе с вакуумным объемом.
Устройство состоит из металлического фланца 1, вставки-изолятора 2, включающей прижимной диск 3 и штуцер 4, изолирующей диэлектрической трубки 5, высоковольтного электрода 6 с креплениями 7 и высоковольтного провода 8 (Фиг. 1, Фиг. 2).
Металлический фланец 1 стандартизованного типа, например, ISO, KF или CF, изготовлен из нержавеющей стали. Вставка-изолятор 2, изготовленная из керамического материала, представляет собой цельную деталь, которая содержит прижимной диск 3, позволяющий вакуумплотно установить вставку-изолятор 2 в металлическом фланце 1, а также штуцер 4, позволяющий вакуумплотно закрепить изолирующую диэлектрическую трубку 5. Изолирующая диэлектрическая трубка 5 изготовлена из материала с низким уровнем газовыделения в вакууме и с высокой электрической прочностью. Толщина стенки изолирующей диэлектрической трубки 5 должна быть достаточной для предотвращения электрического пробоя через ее стенку. При необходимости подвижности потребителя высокого напряжения, установленного в вакуумном объеме, изолирующая диэлектрическая трубка 5 может быть гибкой. Со стороны атмосферы вставка-изолятор 2 закрывает открытые металлические участки устройства. В центре вставки-изолятора 2 имеется сквозное отверстие, в котором вакуумплотно установлен высоковольтный электрод 6, таким образом, чтобы со стороны вакуумного объема высоковольтный электрод 6 располагался внутри изолирующей диэлектрической трубки 5 и его части не имели прямого контакта с вакуумным объёмом. Высоковольтный электрод 6 изготовлен из металлической трубки, на концах которой предусмотрены крепления 7 для проходящего внутри нее высоковольтного провода 8. Для обеспечения безопасности, высоковольтный провод 8 имеет высоковольтную изоляцию со стороны атмосферы.
Работает устройство следующим образом (Фиг. 3).
-6
Для осуществления работы высоковольтного вакуумного ввода, необходимо соединить фланец вакуумного объема и металлический фланец 1 устройства, в котором вакуумплотно закреплена вставка-изолятор 2 с помощью содержащегося прижимного диска 3, а на ее штуцере 4 вакуумплотно закреплена диэлектрическая трубка 5. В сквозное отверстие вставки-изолятора 2, внутрь диэлектрической трубки 5, установлен высоковольтный электрод 6, на концах которого с помощью креплений 7 зафиксирован проходящий внутри него высоковольтный провод 8. Также, необходимо подключить высоковольтный провод 8 к потребителю внутри вакуумной камеры и к источнику питания. После герметичного соединения предлагаемого устройства с вакуумным объемом, который соединен с вакуумной откачной системой, производится процесс откачки газа из откачиваемого объема. Когда в откачиваемом объеме установится необходимое (в зависимости от поставленной задачи) давление остаточного газа на высоковольтный электрод 6, подается высокое напряжение. Особенность конструкции высоковольтного вакуумного ввода обеспечивает соединение высоковольтного электрода 6 с атмосферой, при этом, внутри изолирующей диэлектрической трубки 5, в которой установлен высоковольтный электрод 6, также всегда будет поддерживаться атмосферное давление. Это исключает возможность электрического пробоя в вакуумном объеме даже при нарушении герметичности конструкции предлагаемого устройства, что позволяет безопасно использовать его при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (10 торр).
Конкретный пример работы устройства.
-1
Фланец типа CF 40 вакуумной камеры объемом 20 литров был соединен с металлическим фланцем 1 типа CF 40 устройства. Вставка-изолятор 2, включающая прижимной диск 3 и штуцер 4, была изготовлена из оксида циркония. Изолирующая диэлектрическая трубка 5 длиной порядка 300 мм была выполнена из поливинилхлорида. Высоковольтный электрод 6 длиной порядка 20 мм, внутренний диаметр которого 5 мм, а внешний – 8 мм, изготовлен из ковара. Крепления 7 выполнены в виде прижимных винтов. При проведении испытаний с помощью высоковольтного провода 8, закрепленного на концах высоковольтного электрода 6, потребителю подавалось напряжение 3÷4 кВ при давлении остаточного газа внутри вакуумного объема порядка 10 торр. В течение 24 недель проведения испытаний одного и того же высоковольтного вакуумного ввода для использования в условиях форвакуума не было зафиксировано ни одного электрического пробоя при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума.
Применение предлагаемой полезной модели возможно в вакуумных устройствах, требующих высоковольтного питания. Наиболее востребованным данное устройство будет в наукоёмком производстве и научных экспериментах, в частности при работе с устройствами, расположенными внутри вакуумной камеры при форвакууме и требующими подвода газа. К таким устройствам, например, относятся газонаполненные пропорциональные счётчики или многопроволочные пропорциональные камеры, которые являются одними из наиболее часто используемых детекторов ионизирующих излучения и, обычно, применяются в условиях атмосферного давления или высокого вакуума.