Система высоковольтного изолятора и система ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора - RU2481753C2

Чертежи

Описание

Изобретение относится к системе высоковольтного изолятора и системе ионного ускорителя с такой системой высоковольтного изолятора.

В системах электростатических ионных ускорителей, таких как, в частности, ускорители, пригодные для привода космических аппаратов, в ионизационной камере ионизируется рабочий газ, и ионы под действием электростатического поля выталкиваются через отверстие камеры. Электростатическое поле образуется между катодом, расположенным снаружи ионизационной камеры, обычно смещенным в сторону относительно ее отверстия, и анодом, расположенным на противоположном отверстию конце камеры, и пронизывает камеру. Между анодом и катодом приложено высокое напряжение для создания электростатического поля. Обычно катод лежит, по меньшей мере, приблизительно на потенциале массы космического аппарата, на котором лежат также другие металлические части космического аппарата, а анод лежит на потенциале анода, смещенном относительно массы посредством высокого напряжения. Особенно предпочтительный такой ионный ускоритель известен, например, из WO 03/000550 А. Другие выполнения известны в качестве ускорителей Холла.

Высокое напряжение действует не только между анодом и катодом, но также между анодом, включая подвод высокого напряжения, и другими проводящими конструктивными элементами, находящимися на потенциале, отличном от потенциала анода, в частности, потенциале массы. В то время как конструктивные элементы, разделенные с помощью вакуума окружающего космического пространства, как правило, достаточно изолированы друг от друга от электрического пробоя, в зонах, в которых присутствует рабочий газ, в частности, между анодом и проводящим конструктивным элементом, находящимся выше по потоку газа в подводе газа, существует опасность возникновения коронных разрядов через рабочий газ.

Коронные разряды могут возникать при применении в вакууме также и в других зонах и ситуациях между двумя проводящими частями, которые лежат на разделенных высоким напряжением потенциалах, при этом в диапазоне промежуточного давления (диапазоне Пашина) электрический пробой возможен за счет присутствия газа. В этом случае на сквозных открытых между проводящими конструктивными элементами путях могут возникать разряды, которые имеют большие токи. Плазма, возникающая при разрядах, способна проникать также в небольшие трещины или щели. Хотя с помощью отверстий для отвода газа в окружающий вакуум такие зоны за счет уменьшения давления газа можно сделать короностойкими в диапазоне ниже критического давления, однако при этом в зонах с изменяющимся давлением газа могут все же возникать разряды в диапазоне промежуточного давления, которые затем могут также проникать через отверстия для отвода газа, образованные с помощью сквозных открытых путей. Кроме того, за счет свободных электронов может происходить побочное замыкание также ниже диапазона критического давления, которое является помехой, например, за счет искажений значения тока или расхода мощности, или же может приводить также к дуговому разряду в вакууме.

Независимая от давления изоляция между двумя конструктивными элементами, в частности, конструктивного элемента, находящегося под высоким напряжением, относительно массы достигается с помощью полностью непроницаемого для газа окружения конструктивного элемента, так что отсутствуют сквозные открытые пути между обоими конструктивными элементами, например, посредством заливки или заделывания конструктивного элемента в тело изолятора, что, однако, исключается для разъемных соединений проводников в качестве конструктивного элемента. Кроме того, даже в таких залитых системах высоковольтных изоляторов через длительный период времени могут возникать повреждения, что может приводить к серьезным поломках, в частности, при применении в космических аппаратах при отсутствии возможности замены компонентов.

В основу данного изобретения положена задача создания системы высоковольтного изолятора и системы ионного ускорителя с улучшенной высоковольтной изоляцией.

Решения, согласно изобретению, приведены в независимых пунктах формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения содержат предпочтительные варианты выполнения и модификации изобретения.

В системе электростатического ионного ускорителя с ионизационной камерой и анодным электродом, расположенным в ионизационной камере, и подводом газа для ввода рабочего газа в ионизационную камеру, во время ввода рабочего газа обычно рабочий газ находится в диапазоне давления, в котором при высоком напряжении в несколько киловольт, приложенном во время работы между электродом и потенциалом массы, может возникать коронный разряд от анодного электрода в качестве первого конструктивного элемента через рабочий газ ко второму проводящему конструктивному элементу, который расположен выше по потоку в подводе газа, то есть в направлении потока подаваемого рабочего газа перед ионизационной камерой. За счет введения в подвод газа тела изолятора, которое содержит проницаемый для газа открытый (с открытыми порами) пористый диэлектрик, предотвращается такой коронный разряд и одновременно обеспечивается возможность подачи рабочего газа в ионизационную камеру. Электрически проводящие, в частности, металлические вторые конструктивные элементы подвода газа, включая предпочтительно предусмотренный управляемый клапан, расположены внутри пути прохождения потока газа по потоку выше тела изолятора, в то время как анодный электрод и электрически проводящие первые конструктивные элементы, лежащие на пути прохождения потока рабочего газа, расположены по потоку ниже тела изолятора. В частности, первые конструктивные части образуют лежащие ближе всего ниже по потоку к телу изолятора электрически проводящие, в частности, металлические конструктивные элементы, а вторые конструктивные элементы образуют лежащие ближе всего выше по потоку к телу изолятора электрически проводящие, в частности, металлические конструктивные элементы. Поток газа принудительно проходит через проницаемое для газа тело изолятора. Побочные пути прохождения рабочего газа в обход тела изолятора, на которых был бы снова возможен высоковольтный пробой, не предусмотрены. Проницаемое для газа тело изолятора может быть предпочтительно вставлено в одно или несколько непроницаемых для газа изолирующих диэлектрических тел и окружено ими по сторонам.

Введение проницаемого для газа тела изолятора в путь прохождения потока газа обеспечивает, в частности, также компактную конструкцию подвода газа в ионном ускорителе, поскольку необходимо удерживать лишь небольшое расстояние между лежащим на массе подводом газа и находящейся под высоким напряжением анодной системой при промежуточном включении тела изолятора. Предпочтительно, расстояние от тела изолятора до проводящих частей анодной системы и/или подвода газа может быть меньше наименьшего размера тела изолятора поперек направления основного потока рабочего газа через тело изолятора, в частности, также меньше наименьшего размера тела изолятора в направлении основного потока рабочего газа. Тело изолятора предпочтительно выполнено в виде диска и ориентировано поверхностью диска поперек направления основного потока рабочего газа. Тело изолятора предпочтительно расположено на противоположной ионизационной камере стороне анодной системы.

Система высоковольтного изолятора с проницаемым для газа, имеющим открытые поры телом изолятора между двумя проводящими конструктивными элементами на разделенных высоким напряжением потенциалах, которая, как указывалось выше, особенно предпочтительно находится между электродом ионизационной камеры и проводящим конструктивным элементом по потоку выше подвода газа, является предпочтительной при применении в вакууме с высокими напряжениями и подводом газа в пространство между проводящими конструктивными элементами, в частности, в системе ионного ускорителя в качестве привода в космическом аппарате. При этом в случае общего применения предусмотрено, что два проводящих конструктивных элемента, которые лежат на разделенных высоким напряжением различных потенциалах, изолированы друг от друга с помощью изоляционного устройства, и, по меньшей мере, одна часть изоляционного устройства образована проницаемым для газа, имеющим открытые поры телом изолятора. Изоляционное устройство может, в частности, окружать проводящие конструктивные части со всех сторон. Такая система высоковольтного изолятора имеет значение, когда в пространстве, пронизываемом электростатическим полем высокого напряжения, между изолированными друг от друга конструктивными элементами может проникать газ. Когда имеются определенные соотношения давления и высокого напряжения, то через плазму в газе может возникать путь тока, в частности путь постоянного тока. Поток газа возможен между первым частичным пространством на сторонах первого проводящего конструктивного элемента и во втором частичном пространстве на сторонах второго проводящего конструктивного элемента через проницаемое для газа тело изолятора. Побочные пути прохождения газа, по которым газ мог бы проходить в обход проницаемого для газа тела изолятора и в которых мог бы возникать путь постоянного тока, не предусмотрены.

Такая система высоковольтного изолятора является, в частности, предпочтительной при разъемном штекерном соединении между источником высокого напряжения и электродом, лежащим при работе, например, ионного ускорителя на высоком потенциале относительно потенциала массы. Штекерное соединение предпочтительно обеспечивает возможность того, что начиная с отдельного изготовления источника высокого напряжения и одного или нескольких приводных модулей в ходе опробования вплоть до установки в космическом аппарате обеспечивается многократное размыкание проводящего соединения, в частности, через изолированный кабель, между источником высокого напряжения и электродом приводного модуля, а также обеспечивается более простое обращение со всем устройством, чем при одноразовой заливке изолятора проводящего соединения.

Кроме того, проницаемое для газа, имеющее открытые поры тело изолятора в изоляционном устройстве является в целом более стойким в течение длительного времени, чем залитые или другие непроницаемые для газа изолирующие оболочки проводящего конструктивного элемента. В основе этого лежит понимание того, что обычные пластмассовые изоляционные материалы, которые пригодны для применения в космических аппаратах и при высоком напряжении, часто имеют еще газовые включения, в частности, между проводником и изоляцией, в которых могут возникать микроплазмы, которые с течением времени могут повреждать изоляционное устройство так сильно, что могут возникнуть коронные разряды между проводящими конструктивными элементами. За счет проницаемого для газа тела изолятора такие возможно имеющиеся газовые включения легче устраняются благодаря отводу газа в окружающее космическое пространство.

Также в условиях, при которых вокруг изоляционного устройства имеется газ в диапазоне промежуточного давления или диапазоне высокого давления, в частности, также при изменяющемся давлении газа, особенно предпочтительным является проницаемое для газа пористое тело изолятора. А именно, при наличии газа в диапазоне промежуточного давления может зажигаться плазма как внутри, так и снаружи полого пространства изоляционного устройства, однако между проводящими конструктивными элементами не может образовываться сквозной путь постоянного тока. При выходе из диапазона промежуточного давления, что происходит вследствие проницаемости для газа пористого тела изолятора внутри и снаружи полого пространства изоляционного устройства, гаснет существующая плазма, или соответственно, не загорается новая плазма.

Проницаемое для газа тело изолятора может быть образовано, например, с помощью имеющей открытые поры пены или же предпочтительно с помощью имеющего открытые поры керамического материала. Средняя величина пор имеющего открытые поры диэлектрика в направлении электрического поля, вызываемого высоким напряжением, между конструктивными элементами предпочтительно составляет меньше 100 мкм. Тело изолятора является особенно предпочтительным, когда размеры полых пространств в проницаемом для газа теле изолятора в направлении электрического поля, создаваемого высоким напряжением, меньше дебаевой длины. Пути прохождения потока газа через тело изолятора предпочтительно отклонены относительно прямого прохождения между стороной входа газа и стороной выхода газа.

Проницаемое для газа тело изолятора может быть также образовано с помощью нескольких частичных тел.

Ниже приводится подробное пояснение изобретения на основе предпочтительных примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - подвод газа с телом изолятора;

фиг.2 - разъемное соединение проводника с телом изолятора;

фиг.3 - модификация системы, согласно фиг.2.

На фиг.1 схематично показана приводная система электростатического ионного ускорителя для привода космического аппарата. Система имеет само по себе используемую и известную ионизационную камеру IK, которая открыта в продольном направлении LR в одну сторону в отверстии АО для выхода струи, и в продольном направлении противоположно отверстию АО для выхода струи содержит анодную систему AN у основания ионизационной камеры. Ионизационная камера ограничена по сторонам стенкой KW камеры из предпочтительно диэлектрического, например, керамического материала и может иметь, в частности, кольцевое поперечное сечение. Анодная система AN состоит в показанном примере из анодного электрода АЕ и опорного тела AT анода. В зоне отверстия для выхода струи, предпочтительно с боковым смещением относительно отверстия для выхода струи, расположена катодная система КА. Между анодным электродом АЕ и катодной системой КА приложено высокое напряжение, которое создает в ионизационной камере электрическое поле, ориентированное в продольном направлении LR, с помощью которого ионы рабочего газа, ионизированного в ионизационной камере, ускоряются и в виде плазменной струи РВ выбрасываются из камеры в продольном направлении. Обычно катод лежит на потенциале массы космического аппарата, содержащего приводную систему, а анодная система на потенциале HV высокого напряжения источника высокого напряжения. В ионизационной камере имеется еще магнитное поле, прохождение которого зависит от конструкции приводной системы и при само по себе известном выполнении содержит несколько расположенных на расстоянии друг от друга структур касп (Cusp) с чередующейся полярностью. Системы магнитов, создающие магнитное поле, сами по себе известны, например, из указанного выше уровня техники и поэтому в целях наглядности не изображены на фиг.1.

Рабочий газ AG, например ксенон, хранится в резервуаре GQ в качестве источника газа и подводится через подвод GL и управляемый клапан GV в ионизационную камеру IK, при этом в показанном примере ввод рабочего газа в ионизационную камеру происходит с противоположной ионизационной камере стороны анодной системы и сбоку от нее, как обозначено стрелками, указывающими направление потока.

Подвод GL газа и другие конструктивные элементы подвода газа лежат обычно на потенциале массы, так что также между этими конструктивными элементами и анодной системой AN действует высокое напряжение, и во время подвода рабочего газа от источника GQ газа в ионизационную камеру существует опасность возникновения коронного разряда между анодной системой и конструктивными элементами, лежащими на потенциале М массы, через имеющийся рабочий газ, находящийся в диапазоне промежуточного давления. Под диапазоном промежуточного давления понимается диапазон давления, в котором может зажигаться через газ газовый разряд. Диапазон промежуточного давления зависит, среди прочего, от высокого напряжения.

В пути прохождения потока рабочего газа между конструктивными элементами подвода газа, лежащими на потенциале массы, например, газопроводом GL, и анодной системой введено проницаемое для газа тело IS изолятора из имеющего открытые поры диэлектрика, который предпочтительно выполнен в виде имеющего открытые поры керамического тела. Тело изолятора в предпочтительном варианте выполнения, как показано на фиг.1, выполнено в виде диска и ориентировано плоскостью диска поперек направления основного потока через тело изолятора между поверхностью EF входа газа и поверхностью AF выхода газа. Направление основного потока через тело изолятора проходит в изображенном примере параллельно продольному направлению LR. Плоскость диска тела изолятора лежит параллельно предпочтительно также дискообразным конструктивным элементам анодного электрода и опорного тела анода анодной системы. Между опорным телом AT анода и телом IS изолятора предпочтительно включена газопроводящая экранная система GB, которая предпочтительно выполнена из металла и лежит на потенциале анода с высоким напряжением относительно массы.

Тело изолятора является стойким к пробою при высоком напряжении, возникающем при работе приводной системы. При работе системы на поверхности AF выхода газа быстро устанавливается по существу высоковольтный потенциал HV анодной системы, а на поверхности EF входа газа - по существу потенциал М массы, так что наполненные газом объемы между подводом GL газа, лежащим на потенциале массы, и поверхностью EF входа газа изолятора, или соответственно, объем VA между анодной системой и поверхностью AF выхода газа, являются по существу свободными от поля и в этих объемах VM, VA не могут возникать коронные разряды.

Тело изолятора предпочтительно не имеет сквозных структур, открытых по прямой линии между поверхностью EF входа газа и поверхностью выхода газа. Пути прохождения потока рабочего газа между поверхностью EF входа газа и поверхностью выхода газа отклоняются от прямого прохождения и образованы, в частности, полыми пространствами пор, соединенными между собой, и распределенными внутри тела изолятора и, как правило, разветвлены. Средний размер таких полых пространств пор в направлении, перпендикулярном поверхности входа газа и поверхности выхода газа, предпочтительно меньше 100 мкм. Величина пор в направлении, параллельном поверхности входа газа и поверхности выхода газа и тем самым по существу поперек направления поля, создаваемого высоким напряжением, имеет сравнительно небольшое значение, так что можно использовать также тело изолятора, например, из волоконного материала с направлением волокон поперек направления электрического поля. Средний размер таких полых пространств в направлении, перпендикулярном поверхности входа газа и поверхности выхода газа, предпочтительно меньше дебаевой длины, которую можно рассчитать с помощью известных формул при заданных рабочих параметрах, в частности, при известном максимальном давлении рабочего газа, которое на стороне поверхности EF входа газа обычно составляет порядка 30-150 мбар и на стороне выхода газа, например, меньше 1 мбар.

Наименьший поперечный размер тела изолятора в плоскости диска в предпочтительном варианте выполнения больше расстояния поверхности выхода газа от анодной системы и/или поверхности входа газа от подвода газа, так что обеспечивается возможность реализации небольшой конструктивной длины в направлении потока рабочего газа. Тело изолятора расположено в системе изолирующих тел с одним или несколькими по существу газонепроницаемыми изолирующими телами КК, которые схематично изображенным образом механически соединены непосредственно или опосредованно с керамической стенкой, тело IS изолятора заполняет все поперечное сечение подвода газа в систему изолирующих тел КК, так что невозможен путь, ведущий в обход тела изолятора, на котором мог бы возникать коронный разряд, распространение плазмы или другой проводящий ток путь.

На фиг.2 показано применение системы высоковольтного изолятора с проницаемым для газа, имеющим открытые поры телом изолятора в штекерном соединении в виде конструктивного элемента, проводящего высокое напряжение. В штекерном соединении SV токопроводящим образом соединены друг с другом два отрезка К1, К2 проводника, чтобы, например, проводить электрическую мощность от источника высокого напряжения на высоковольтном потенциале HV на электрод, например, в показанную на фиг.1 анодную систему AN. Оба отрезка К1, К2 проводника имеют внутренний проводник L1, соответственно, L2 и изолирующую оболочку M1, соответственно, М2. В частности, отрезок К1 проводника может быть гибким кабелем, идущим от источника высокого напряжения, а отрезок К2 проводника - соединительным патрубком на приводном модуле ионного ускорителя. Изолирующая оболочка M1 может быть в этом случае гибкой кабельной оболочкой, например, из PTFE, изолирующая оболочка M1 может быть также трубкой из изоляционного материала.

Штекерное соединение (или другое безразрывное разъемное соединение) предпочтительно обеспечивает возможность размыкания электрического соединения обоих внутренних проводников без разрыва, за счет чего соединение можно, например, создавать для фазы испытаний приводной системы, размыкать во время установки в космический аппарат приводной системы и источника высокого напряжения и затем снова подсоединять, при этом также во время фазы испытаний штекерное соединение, находящееся под напряжением, должно быть стойким к пробою относительно конструктивных элементов, лежащих на потенциале М массы.

Штекерное соединение окружено изоляционным устройством IV, которое проходит в продольном направлении LL обоих проводников над их изолирующими оболочками M1, M2 и окружает со всех сторон штекерное соединение. Когда высокое напряжение источника высокого напряжения приложено к внутренним проводникам, то, как правило, снаружи изоляционного устройства имеется вакуум. Внутри изоляционного устройства в полом пространстве НО вокруг свободно лежащего штекерного соединения, с одной стороны, с момента установки еще может находиться газ, или же после длительного времени проникать, в частности, из пограничного слоя между внутренними проводниками L1, L2 и изолирующими оболочками M1, M2 в пространство вокруг штекерного соединения. Газ в полом пространстве вокруг штекерного соединения может приводить к возникновению плазмы в полом пространстве, которая в течение длительного времени может также повреждать изоляционное устройство. Изоляционное устройство герметизировано относительно кабельных оболочек M1, M2 настолько, что в местах соединения не может проникать плазма, возможно возникающая в полом пространстве НО, и вызывать пробой к потенциалу М массы. По меньшей мере, одна часть стенки изоляционного устройства, ограничивающая полое пространство НО вокруг штекерного соединения, образована проницаемым для газа, имеющим открытые поры телом VK изолятора, которое с помощью аналогичных свойств как у тела IS изолятора из примера, согласно фиг.1, обеспечивает выход газа из полого пространства НО в окружающий вакуум, однако предотвращает то, что плазма, возможно возникающая в полом пространстве, проступит к проводящему конструктивному элементу, лежащему на потенциале массы снаружи полого пространства. Если при работе устройства, содержащего показанную на фиг.2 систему высоковольтного изолятора, например, привода с ионным ускорителем космического аппарата, возникает выброс газа, например, из газового пузыря между внутренним проводником и изолирующей оболочкой, в полое пространство НО, то в данном месте может образовываться плазма, которая, однако, не может проникать через тело VK изолятора наружу и вследствие выхода газа наружу через имеющее открытые поры тело изолятора быстро снова гаснет. В отличие от этого при непроницаемой для газа заливке штекерного соединения изолирующим заливным материалом при возникновении газа в зоне штекерного соединения загорающаяся в нем плазма может гореть дольше и/или повторно снова зажигаться и при известных условиях обнажать проницаемый для плазмы путь в направлении конструктивного элемента, лежащего на массе. Газ, выходящий через тело изолятора наружу, не достигает снаружи изоляционного устройства IV критического давления, необходимого для образования плазмы или коронного разряда.

В случае лишь очень небольших количествах газа, проникающих в полое пространство НО из проводников К1, К2, в полом пространстве с самого начала не возникает плазма, поскольку не достигается критическое минимальное давление, и из-за проницаемости для газа тела изолятора не происходит накопления нескольких очень небольших количеств газа.

На фиг.3 показана система высоковольтного изолятора в модификации примера, показанного на фиг.2. Трубчатое тело IR изолятора окружает в данном случае непосредственно внутренний проводник L32 не гибкого отрезка К32 проводника и проходит над изолирующей оболочкой M1 отрезка К1 проводника, который является одинаковым с показанным на фиг.2 отрезком К1 проводника. Тело изолятора может быть еще раз окружено наружной трубкой AR, которая может быть также проводящей и лежать на потенциале массы. Концевой колпачок ЕК может быть насажен на охватывающий изолирующий материал М11 конец тела IR изолятора и затянут в продольном направлении относительно наружной трубы IR, когда обеспечивается, что, с одной стороны, газ может выходить через тело изолятора в окружающий вакуум VA из полого пространства вокруг штекерного соединения и, с другой стороны, если нет пути для плазмы, из полого пространства наружу в вакуум или к проводящему конструктивному элементу.

Поскольку в системах высоковольтных изоляторов, показанных в примерах согласно фиг.2 и 3, давление газа, кратковременно возникающее в полом пространстве и достаточное для возникновения плазмы в полом пространстве, обычно значительно ниже давления рабочего газа у тела изолятора или в теле IS изолятора в примере выполнения согласно фиг.1, и тем самым плотность электронов в такой плазме меньше, то дебаевая длина в системах, согласно фиг.2 и 3, обычно больше, чем в примере согласно фиг.1, так что при выверке средней величины пор имеющего открытые поры диэлектрика для применений согласно фиг.2 или 3 допустимо большее значение, чем в примере согласно фиг.1.

Для случая, при котором снаружи полого пространства систем высоковольтных изоляторов, согласно фиг.2 или 3, появляется газ в диапазоне промежуточного давления, плазма может зажигаться как внутри, так и снаружи полого пространства, если выполняются условия зажигания. Однако плазмы не могут проникать в пористое тело изолятора, так что между конструктивными элементами не может создаваться сквозной путь постоянного тока. После упразднения диапазона промежуточного давления, в частности, возникновения вакуума вокруг системы высоковольтного изолятора, снова обеспечивается уже указанная выше функция изоляции.

Признаки, вытекающие из приведенного выше описания, формулы изобретения, а также чертежей, предпочтительно реализуются как по отдельности, так и в различных комбинациях. Изобретение не ограничивается указанными примерами выполнения, а может быть модифицировано различным образом в рамках знания специалиста в области техники.

Реферат

Для системы ионного ускорителя с электростатическим ускорительным полем между лежащим на потенциале массы катодом и лежащим на потенциале высокого напряжения анодом и с подводом газа предлагается введение в подвод газа проницаемого для газа, имеющего открытые поры изоляторного тела. Кроме того, приведено описание пригодной для такой системы ионного ускорителя и стойкой для коронных разрядов изоляции других лежащих на высоком напряжении конструктивных элементов системы высоковольтного изолятора с таким изоляторным телом. Технический результат - повышение стойкости высоковольтной изоляции. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

Формула