СОВМЕСТИМЫЙ С ВАКУУМОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ИЗОЛЯТОР
VACUUM COMPATIBLE ELECTRICAL INSULATOR

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к совместимому с вакуумом электрическому изолятору.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
В данной области техники электрические изоляторы хорошо известны. Электрические изоляторы используются в электрическом оборудовании для поддерживания и разделения электрических проводников без позволения току протекать через сам изолятор. Все электрические изоляторы становятся электропроводными, когда к ним прикладывается достаточно высокое напряжение, и при этом электрическое поле отрывает электроны от атомов изолятора (известное как «напряжение пробоя» изолятора). Электрический изолятор обычно используется в высокоэнергетических плазменных системах, ускорителях заряженных частиц или высоковольтных генераторах. В некоторых случаях применения электрические изоляторы должны быть совместимыми с вакуумом (например, при установке как часть вакуумного сосуда), т.е., электрические изоляторы должны выдерживать напряжение на поверхности изолятора без пробоя, поддерживая при этом условия вакуума. Электрические изоляторы, используемые в вакууме, предрасположены к пробою по поверхности изолятора при напряжениях, которые намного ниже напряжений, требуемых, чтобы вызвать пробой через сам материал изолятора при нахождении в воздушной атмосфере. Кроме того, для некоторых случаев применения (например, плазменные системы), электрический изолятор должен выдерживать воздействие высокоэнергетической ионизированной плазмы, которая может контактировать с поверхностью изолятора, без повреждения этой поверхности.
2
3
Чаще всего используемыми материалами для совместимых с вакуумом электрических изоляторов являются керамические материалы, такие как оксид алюминия (AlO). Оксид алюминия, используемый в качестве изолятора, является совместимым с вакуумом и может выдерживать напряжения на их поверхности без пробоя; однако изготовление керамического изолятора большого размера может быть проблематичным. Самый крупный известный имеющийся на рынке изолятор из оксида алюминия имеет в диаметре около 1 м. Проблема, связанная с изготовлением крупных компонентов из оксида алюминия, заключается в том, что в процессе изготовления он может легко разрушиться. Как результат, изготовление изоляторов большого размера из оксида алюминия представляет собой сложный и дорогостоящий процесс. Некоторые известные решения по созданию изолятора большого размера из оксида алюминия включают в себя использование вместо одного большого изолятора нескольких небольших плиток из оксида алюминия, но это привносит дополнительную сложность в установку изолятора и может ухудшить качество вакуума.
2
Еще одним материалом электрических изоляторов является стекло (SiO). Из стекла можно изготавливать изделия очень больших размеров, и оно является хорошим электрическим изолятором. Однако при воздействии заряженных частиц (например, плазмы) стекло легко повреждается, и в вакууме увеличение заряда на поверхности стекла может вызвать перекрытие по поверхности из-за высокого поверхностного удельного электрического сопротивления стекла. Заряженные частицы могут повреждать поверхность стекла и вызывать отказ изолятора и/или значительно уменьшать выдерживаемое напряжение, которое необходимо поддерживать по поверхности изолятора.
В качестве материала для электрических изоляторов используется также пластик. Электрические изоляторы из пластика можно изготавливать очень большого размера, но они не совместимы с применениями в вакууме (у них слишком высокая дегазация) и легко разрушаются при воздействии заряженных частиц.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
В одном аспекте предлагается совместимый с вакуумом электрический изолятор. Совместимый с вакуумом электрический изолятор содержит стеклянную подложку, имеющую по меньшей мере одну переднюю поверхность с по меньшей мере частью, которая открыта воздействию заряженных частицы высокой энергии или фотонов, и керамический слой, покрывающий по меньшей мере одну часть по меньшей мере одной передней поверхности стеклянной подложки.
В одном аспекте стеклянная подложка представляет собой один кусок стекла, имеющий круглую форму и диаметр по меньшей мере 1 м.
В одном аспекте стеклянная подложка изготовлена из боросиликатного стекла. Керамический слой может изготавливаться из материала, выбранного из группы, состоящей из оксида иттрия и оксида алюминия.
В еще одном аспекте предлагается система возбуждения плазмы. Система возбуждения плазмы содержит вакуумный сосуд, первый электрод и второй электрод, вмонтированные в вакуумный сосуд и разнесенные для образования между ними промежутка с таким расчетом, чтобы между первым и вторым электродами можно было прикладывать напряжение, и электрический изолятор, установленный между этими двумя электродами. Электрический изолятор содержит стеклянную подложку с по меньшей мере одной передней поверхностью с по меньшей мере частью, открытой воздействию плазмы внутри вакуумного сосуда, и керамический слой, покрывающий по меньшей мере одну часть по меньшей мере одной передней поверхности.
Помимо вышеописанных аспектов и вариантов осуществления, при обращении к прилагаемым фигурам и изучении последующего подробного раскрытия станут очевидными дополнительные аспекты и варианты осуществления.
Краткое описание фигур
На всех фигурах одни и те же позиции могут использоваться повторно для указания соответствия между обозначенными ими элементами. Фигуры приведены для иллюстрации приведенных в качестве примера вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Размеры и относительные положения элементов на фигурах не обязательно приведены в масштабе. Например, для повышения удобочитаемости фигур формы различных элементов и углы вычерчены не в масштабе, и некоторые из этих элементов произвольно увеличены и произвольно расположены.
На фиг. 1 представлен схематический вид сверху высоковольтного совместимого с вакуумом стеклянного электрического изолятора с керамическим покрытием.
На фиг. 2 представлен схематический разрез плазмотрона (генератора плазмы) со стеклянным электрическим изолятором с керамическим покрытием, установленным в промежутке между внутренним электродом и наружным электродом.
На фиг. 3а представлен фотоснимок экспериментального стеклянного электрического изолятора с керамическим покрытием после испытания под воздействием высокого напряжения, высокого вакуума и плазмы.
На фиг. 3b представлен увеличенный фотоснимок покрытия электрического изолятора, показанного на фиг. 3а.
На фиг. 4 представлен фотоснимок непокрытой стороны стекла непокрытого электрического изолятора после испытания под воздействием высокого напряжения, высокого вакуума и плазмы.
Подробное раскрытие конкретных варианты осуществления
Варианты осуществления изобретения, описанные в настоящем документе, относятся к электрическому изолятору, предназначенному для практических применений в большом размере и в условиях вакуума. Согласно некоторым вариантам осуществления электрический изолятор предназначен для использования в системах возбуждения плазмы и ускорителях частиц, в которых изолятор помещается в промежутке между электродами. Согласно некоторым вариантам осуществления электрический изолятор может иметь диаметр около 2 м или более. Самый крупный имеющийся на рынке керамический (например, из оксида алюминия) изолятор имеет в диаметре около 1 м, и себестоимость изготовления таких больших изоляторов из оксида алюминия составляет несколько сотен тысяч долларов за штуку. В отличие от известных подобных изоляторов ожидается, что варианты осуществления электрического изолятора в соответствии с настоящим изобретением будут проще и дешевле в изготовлении.
Варианты осуществления электрического изолятора, раскрытого в настоящем документе, могут устанавливаться в вакуумном сосуде, разработаны весьма крупными (не ограниченными по размеру) и способны выдерживать воздействие заряженных частиц высокой энергии, таких как плазма.
Варианты осуществления настоящего изобретения описаны в настоящем документе для случая использования в системе возбуждения плазмы. Однако специалисту в области техники, к которой относится изобретение, ясно, что в других случаях применения, например, в рентгеновских системах, электронно-лучевых трубках, инжекторах пучка, ускорителях частиц или иных устройствах, требующих электрических изоляторов, могут использоваться другие варианты осуществления изобретения. Приведенное ниже обсуждение системы возбуждения плазмы это просто пример одной такой реализации, не предназначенный для ограничения в части методики. Специалисты в данной области техники поймут, что настоящее изобретение применимо и к другим системам, требующим установки электрического изолятора, работающего в вакууме.
2
2
3
2
3
На фиг. 1 показан пример электрического изолятора 10, содержащего стеклянную (SiO) подложку 11 и керамический слой 12 покрытия. Стеклянная подложка 11 содержит тело, которое может действовать как вакуумное уплотнение между высоким вакуумом и окружающей атмосферой. Согласно некоторым вариантам осуществления стеклянная подложка 11 может изготавливаться из боросиликатного стекла. Стеклянная подложка 11 может вырезаться из одного куска стекла и может иметь предопределенные требуемые размер и форму. Например, в проиллюстрированном примере стеклянная подложка 11 имеет круговидную форму (например, диска). Стеклянная подложка 11 имеет по меньшей мере одну переднюю поверхность 11а, покрытую керамическим слоем 12. Передняя поверхность 11а - это поверхность изолятора, подвергающаяся воздействию заряженных частиц высокой энергии. Керамический слой 12 покрытия предназначен для защиты стеклянной подложки 11 от повреждения заряженными частицами высокой энергии или фотонами, при поддерживании напряжения в вакууме. Керамический слой 12 покрытия наносится на переднюю поверхность 11а и должен быть достаточно толстым, чтобы выдерживать напряжения и воздействие заряженных частиц для защиты стеклянной подложки 11. Согласно некоторым вариантам осуществления керамический слой 12 покрытия может быть толщиной 10-200 мкм поверх передней поверхности 11а. Однако специалистам в данной области техники понятно, что в других вариантах осуществления керамический слой покрытия может быть другой толщины. Для нанесения слоя 12 покрытия может использоваться любой подходящий процесс нанесения покрытия. Например, керамический слой 12 покрытия может наноситься на стеклянную подложку 11 путем плазменного напыления, осаждения из паров или любого иного подходящего процесса нанесения, который может использоваться для нанесения керамического покрытия на стеклянную подложку. Керамический слой 12 покрытия может быть, например, из оксида алюминия (AlO) или любого иного керамического материала, известного как подходящего для использования в вакуумной и плазменной средах. Согласно одному варианту осуществления слой 12 покрытия может быть из оксида иттрия (оксида иттрия (III), YO). Стеклянная подложка может иметь цилиндрическую, прямоугольную, трубчатую или любую иную требуемую форму или их комбинацию. Согласно одному варианту осуществления поверхность стеклянной подложки 11 может иметь несколько складок для компенсации разницы коэффициента теплового расширения стеклянной подложки 11 (например, из боросиликатного стекла) и коэффициента теплового расширения керамического слоя 12 покрытия (например, из оксида алюминия, оксида иттрия).
В проиллюстрированном примере изолятора 10 керамический слой 12 покрытия наносится лишь на одну сторону подложки 11, поскольку воздействию вакуума/плазмы подвергается лишь одна из сторон изолятора; однако специалистам в данной области техники понятно, что в пределах объема настоящего изобретения керамическим слоем 12 могут покрываться обе стороны (и/или края) изолятора 10. Передняя поверхность На может представлять собой одну непрерывную поверхность или содержать несколько частей поверхности. Например, передняя поверхность Па может содержать несколько частей поверхности, если изолятор 10 используется в случаях применения, в которых воздействию заряженных частицы высокой энергии подвергаются лишь части изолятора 10; в этих случаях применения две или более покрытые части передней поверхности 11а перемежаются одной или несколькими непокрытыми частями поверхности (не показанными). Электрический изолятор 10, проиллюстрированный на фиг. 1, может иметь непокрытую область 14 вокруг внутреннего диаметра и непокрытую область 15 по наружной окружности электрического изолятора 10. Непокрытые области 14 и 15 могут использоваться как посадочные места для уплотнения (уплотнений), такого (таких) как уплотнительные кольца, которые могут укладываться на области 14, 15 непокрытого стекла, и при этом электрический изолятор 10 может образовывать вакуумное уплотнение и электрически изолирующий барьер между двумя проводниками. Керамический слой 12 покрытия поддерживает электрически изолирующий барьер между электродами и выдерживает воздействие ионизированной плазмы высокой энергии. Например, слой 12 покрытия из оксида алюминия защищает стеклянную подложку 11 от повреждения плазмой и при воздействии плазмы поддерживает ее электроизоляционные свойства. Кроме того, вакуумное уплотнение могло бы выполняться посредством металлического стыковочного кольца, связанного со стеклом. Области непокрытого стекла могли металлизироваться с использованием любого стандартного способа нанесения металла на стеклянную подложку. Металлизированная область стекла могла бы затем герметично сцепляться с подходящим металлом с низким тепловым расширением (таким как, например, Инвар).
На фиг. 2 показана схема примера системы 40 возбуждения плазмы, использующей стеклянный электрический изолятор 10 с керамическим покрытием. Система 40 возбуждения плазмы предназначена для возбуждения плазмы и содержит сосуд 41 для возбуждения плазмы с первым электродом 46 и вторым электродом 47. Система 40 возбуждения плазмы вакуумирована с помощью откачивающей системы 44. Стеклянный электрический изолятор 10 с керамическим покрытием установлен рядом с ближним концом 42 сосуда 41, при этом передняя поверхность 10а стеклянной подложки 10b обращена к внутренней полости 45. Передняя поверхность 10а покрыта керамическим слоем (например, из оксида алюминия), так что слой оксида алюминия покрывает переднюю поверхность 10а стеклянной подложки 10b. Для симметричного введения точного количества газа в кольцевой промежуток 48, образованный между электродами 46 и 47, могут использоваться несколько газовых вентилей 43. Система 40 возбуждения плазмы может дополнительно содержать источник 52 питания, предназначенный для подачи разрядного импульса на первый электрод 46, чтобы через промежуток 48 между электродами 46 и 47 протекал ток, ионизируя газ и образуя плазму. Электрический изолятор 10 разделяет электроды 46 и 47 и образует между ними электрически изолирующий барьер. Электрический изолятор 10, проиллюстрированный на фиг. 2, имеет форму диска (кольца) диаметром 1 и или более. Электрический изолятор 10 может иметь другие формы в зависимости от расположения и взаимного положения этих двух электродов.
Пример
Стеклянный электрический изолятор с керамическим покрытием испытан в ряде систем возбуждения плазмы в компании General Fusion Inc. Стеклянный электрический изолятор с керамическим покрытием был установлен между внутренним электродом и электродом с потенциалом земли. Стеклянный электрический изолятор с керамическим покрытием содержал круглую, по форме диска стеклянную подложку, изготовленную из боросиликатного стекла и имевшую наружный диаметр 14 дюймов (35,56 см), внутренний диаметр 4 дюйма (примерно 10,16 см) и толщину 0,75 дюйма (примерно 1,9 см). Керамический слой, покрывавший стеклянную подложку, состоял из оксида алюминия, имел толщину около 100 мкм и был нанесен на стеклянную подложку методом плазменного напыления. Вакуумный сосуд был использован в качестве электрода с потенциалом земли для плазменного разряда. Для уплотнения вакуумного сосуда использовались уплотнительные кольца. К покрытому керамикой стеклянному электрическому изолятору в течение 50-100 мкс на импульс в течение сотен импульсов прикладывалось напряжение около 20 кВ. Покрытый керамикой стеклянный электрический изолятор дополнительно подвергался воздействию плазмы, возбужденной между электродами. Такое же испытание было проведено с использованием непокрытого стеклянного изолятора (см. фиг. 4), имевшего такие же состав и размеры, как и стеклянная подложка стеклянного электрического изолятора с керамическим покрытием. Результаты показаны на фиг. 3 и 4. После испытаний со стеклянным электрическим изолятором с керамическим покрытием (фиг. 3а, 3b) было отмечено небольшое изменение цвета покрытия (наиболее вероятно, загрязнение из вакуумной камеры); однако значительного повреждения поверхности электрического изолятора не произошло, и электрический изолятор выдержал импульсы напряжения и воздействие плазмы. Загрязнение не помешало покрытию поддерживать свои электроизоляционные свойства. Результаты показывают, что при воздействии плазменных разрядов стеклянный электрический изолятор с керамическим покрытием действует столь же эффективно, как и любой сплошной керамический электрический изолятор; однако себестоимость изготовления большого стеклянного изолятора с керамическим покрытием ожидается намного меньшей себестоимости изготовления большого сплошного керамического (из оксида алюминия) изолятора.
В испытаниях, проведенных с непокрытым стеклянным электрическим изолятором (см. фиг. 4), в которых непокрытая сторона электрического изолятора 20 была обращена к вакуумной и плазменной среде, воздействие плазмы вызвало растрескивание поверхности, что снизило способность непокрытого стеклянного электрического изолятора выдерживать напряжение между электродами, приведя в результате к трещинам 30 в объемном материале и утечке вакуума через непокрытый стеклянный электрический изолятор.
Кроме того, покрытие было нанесено на стеклянную подложку, выполненную по форме как удлиненный стержень и испытанную. Один электрод был зажат на одном конце покрытого стеклянного стержня, а другой на противоположном конце стеклянного стержня. Сборка электродов с изолятором между ними была помещена в вакуумную камеру, и между электродами было приложено напряжение (около 30 кВ). Для инициирования пробоя между электродами и возбуждения плазмы в вакуумную камеру был введен газообразный гелий. По окружности стеклянного стержня было нанесено керамическое покрытие, образовавшее слой покрытия на передней поверхности изолятора. В испытаниях, проведенных с покрытыми стеклянными стержневыми изоляторами, изоляторы были способными выдерживать повторяющиеся пробои без значительного повреждения или потери способности выдерживать напряжение.
В настоящем документе показаны и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и случаи применения, однако понятно, что объем настоящего изобретения ими не ограничивается, поскольку в пределах объема настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут внести изменения, особенно в свете вышеописанных идей. Так, например, в любом способе или процессе, описанном в настоящем документе, действия или операции, составляющие этот способ/процесс, могут выполняться в любой подходящей последовательности и не обязательно ограничиваются какой-либо конкретной раскрытой последовательностью. В разных вариантах осуществления элементы и компоненты могут конструктивно исполняться или располагаться иным образом, объединяться и/или исключаться. Различные признаки и процессы, описанные выше, могут использоваться независимо друг от друга или могут различными путями объединяться. Все возможные комбинации и подкомбинации, как предполагается, находятся в пределах объема настоящего изобретения. Ссылки по всему тексту настоящего описания на «некоторые варианты осуществления», «вариант осуществления» и т.п. означают, что конкретные признак, конструкция, структура, стадия, процесс или характеристика, описанные в связи с вариантом осуществления, включены в по меньшей мере один вариант осуществления. Таким образом, появления по всему тексту настоящего описания выражений «согласно некоторым вариантам осуществления», «согласно одному варианту осуществления» и т.п. не обязательно все относятся к одному и тому же варианту осуществления и могут относиться к одному или нескольким одинаковым или разным вариантам осуществления. Отвечающие требованию патентоспособности «новизна» способы и системы, описанные в настоящем документе, могут реализовываться в самых разных иных формах. Кроме того, в пределах сущности изобретений, описанных в настоящем документе, возможны различные исключения, добавления, замены, эквиваленты, перекомпоновки и изменения формы вариантов осуществления, описанных в настоящем документе.
В соответствующих случаях описаны различные аспекты и преимущества вариантов осуществления. Следует понимать, что вовсе необязательно, что все эти аспекты или преимущества могут быть достигнуты в любом конкретном варианте осуществления. Так, например, следует понимать, что различные варианты осуществления могут реализовываться так, что достигается или оптимизируется одно преимущество или группа преимуществ, описанных в настоящем документе, без необходимости достижения других аспектов или преимуществ, которые могут описываться или предполагаться в настоящем документе.
Условный язык, используемый в тексте настоящего описания, такой как среди прочего «может», «мог», мог бы», «могут», «например» и т.п., если конкретно не указано иначе, или иного не требует контекст, обычно предназначен передать, что определенные варианты осуществления включают, в то время как другие варианты осуществления не включают определенные признаки, элементы и/или стадии. Таким образом, этот условный язык обычно не предназначен подразумевать, что признаки, элементы и/или стадии каким-либо образом требуются для одного или нескольких вариантов осуществления, или что один или несколько вариантов осуществления обязательно включают логику для определения с вводом или подсказкой оператора или без них - включены ли эти признаки, элементы и/или стадии или должны ли выполняться в каким-либо конкретном варианте осуществления. Ни один отдельный признак или группа признаков не требуется и не является непременным (непременной) для любого конкретного варианта осуществления. Термины «содержащий», «включающий», «имеющий» и т.п. являются синонимами и используются во включающем смысле, в неограничивающей форме и не исключают дополнительные элементы, признаки, действия, операции и т.д. Кроме того, союз «или» используется в своем более широком, включающем смысле (а не в своем исключающем смысле), так что при использовании, например, в перечне элементов союз «или» означает один, некоторые или все элементы в этом перечне.
Иллюстративные расчеты, модели, результаты, графики, значения и параметры вариантов осуществления, описанных в настоящем документе, предназначены для иллюстрации, а не для ограничения раскрытых вариантов осуществления. Другие варианты могут конструктивно исполняться и/или использоваться иначе, чем в иллюстративных примерах, описанных в настоящем документе.