真空相容电绝缘体制造技术

技术编号:23293689 阅读:62 留言:0更新日期:2020-02-08 22:44
描述了高压绝缘体的示例。该高压绝缘体是真空相容的,并包括玻璃基板,该玻璃基板具有一个表面以及在该玻璃基板的表面上涂覆的厚度均匀的陶瓷层。绝缘体的覆层表面能够在一段预定时间内承受高压脉冲并暴露于带电粒子辐射。该陶瓷覆层玻璃绝缘体由单片玻璃制成,并可制成很大尺寸。

Vacuum compatible insulator

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】真空相容电绝缘体
本公开总体涉及一种真空相容电绝缘体。
技术介绍
电绝缘体在本领域中是众所周知的。电绝缘体在电气设备中用于支撑和分隔电导体,同时不允许电流流过绝缘体本身。在施加足够大的电压并且电场将电子从绝缘体的原子中拉走时,所有电绝缘体都会导电(称为绝缘体的“击穿电压”)。电绝缘体通常用于高能等离子体系统、带电粒子加速器或高压发生器中。在某些应用中,电绝缘体必须是真空相容的(例如当作为真空容器的一部分安装时),例如电绝缘体必须保持绝缘体表面上的电压而不会被击穿,同时保持真空条件。对于在真空中使用的电绝缘体来说,绝缘体的表面易被击穿,其击穿电压远低于在大气中导致材料本身击穿所需的电压。另外,对于某些应用(例如等离子体系统),电绝缘体需要能承受暴露于可能与绝缘体表面接触的高能电离等离子体的条件,而不损坏该表面。真空相容电绝缘体的最常用材料是陶瓷,例如氧化铝(Al2O3)。用作绝缘体的氧化铝与真空相容,能承受作用在其表面上的电压而不会被击穿;但是,制造大尺寸陶瓷绝缘体可能具有挑战性。最大的已知商售氧化铝绝缘体的直径大约为1米。制造大型氧化铝部件的问题在于,这种氧化铝部件在制造过程中容易破裂。因此,大尺寸氧化铝绝缘体的制造是一个复杂且昂贵的过程。用于提供大尺寸氧化铝绝缘体的一些已知方案包括使用多个小氧化铝块代替一个大绝缘体,但是这给绝缘体的安装增加了额外的复杂性,并且可能损害真空质量。另一种常用的电绝缘体材料是玻璃(SiO2)。玻璃可制成非常大的尺寸,并且是良好的电绝缘体;但是,玻璃在暴露于带电粒子(例如等离子)时很容易损坏,并且在真空条件下,由于玻璃的表面电阻率很高,因此沿玻璃表面积累的电荷可能触发表面闪络。带电粒子可能损坏玻璃表面,并导致绝缘体失效和/或显著降低需要在绝缘体表面上保持的耐受电压。塑料也经常用作电绝缘材料。塑料电绝缘体能制成非常大的尺寸,但与真空应用不相容(释气量太大),并且在暴露于带电粒子时很容易分解。
技术实现思路
在一个方面中,提供了一种真空相容电绝缘体。该真空相容电绝缘体包括:具有至少一个表面并且该表面的至少一部分可暴露于高能带电粒子或光子的玻璃基板、以及覆盖该玻璃基板的至少一个表面的至少一部分的陶瓷层。在一个方面中,玻璃基板是单片玻璃,该单片玻璃是圆形的,并具有至少1米的直径。在一个方面中,玻璃基板由硼硅酸盐玻璃构成。陶瓷层可由选自由氧化钇和氧化铝组成的组的材料构成。在另一个方面中,提供了一种等离子体系统。该等离子体系统包括:真空容器;第一电极和第二电极,该第一电极和第二电极安装在该真空容器中并间隔开,以在它们之间形成间隙,从而可在第一电极和第二电极之间施加电压;以及安装在这两个电极之间的电绝缘体。该电绝缘体包括:具有至少一个表面并且该表面的至少一部分可暴露于真空容器内的等离子体的玻璃基板以及覆盖至少一个表面的至少一部分的陶瓷层。除了上述的方面和实施例之外,通过参考附图并研究以下详细说明,本专利技术的其他方面和实施例将变得明显。附图说明在所有附图中,可重复使用附图标记以指示所指代的元件之间的对应关系。提供这些附图仅用于说明在本文中所述的示例性实施例,而无意限制本公开的范围。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如,各个元件的形状和角度不是按比例绘制的,并且其中一些元件是随意放大和布置的,以加强附图的可读性。图1是高压真空相容陶瓷覆层玻璃电绝缘体的一个示例的示意性俯视图;图2是等离子体发生器的示意性横截面图,其中陶瓷覆层玻璃电绝缘体安装在内电极和外电极之间的间隙中;图3a是在高压、高真空和等离子暴露条件下测试之后的实验性陶瓷覆层玻璃电绝缘体的照片;图3b是图3a的电绝缘体的覆层的特写照片;图4是在高压、高真空和等离子暴露条件下测试之后的无覆层电绝缘体的裸露玻璃侧面的照片。具体实施方式在此说明的本专利技术的实施例涉及一种适合于大尺寸和真空应用的电绝缘体。在一些实施例中,电绝缘体适合用于等离子体产生系统和粒子加速器,其中该绝缘体布置在电极之间的间隙中。在一些实施例中,电绝缘体可具有大约2米或更大的直径。最大的商售陶瓷(例如氧化铝)绝缘体的直径大约为1米,制造这种大尺寸氧化铝绝缘体的成本高达每件数十万美元。与此对比,预计电绝缘体的实施例较简单,并且制造成本较低。本文公开的电绝缘体的实施例可安装在真空容器中,设计成相当大(不受尺寸限制),并且能够承受暴露于高能带电粒子(例如等离子体)的条件。本专利技术的实施例在此是以在等离子体产生系统中使用为例来说明的。但是,本领域技术人员应认识到,本专利技术的其他实施例可用于其他应用,例如X射线系统、电子管、射束注入器、粒子加速器或需要电绝缘体的其他装置。下文中对等离子体产生系统的论述仅是一个此类实施方式的示例,并且无意在形式上进行限制。本领域技术人员应理解,本专利技术适用于需要安装在真空条件下工作的电绝缘体的其他系统。图1示出了电绝缘体10的一个示例,该电绝缘体包括玻璃(SiO2)基板11和陶瓷覆层12。玻璃基板11包括可用作高真空与外部大气之间的真空密封构造的主体。在一些实施方案中,玻璃基板11可由硼硅酸盐玻璃组成。玻璃基板11可以是从单块玻璃上切出的,并且可具有预定的所需尺寸和形状。例如,所示的玻璃基板11的示例具有环形形状(例如盘状)。玻璃基板11具有至少一个覆有陶瓷层12的表面11a。表面11a是暴露于高能带电粒子的绝缘体表面。陶瓷覆层12配置为保护玻璃基板11免受高能带电粒子或光子的损坏,同时仍能保持真空条件下的电压。陶瓷覆层12施加到表面11a上,并且其厚度应当足以维持电压和承受暴露于带电粒子的条件,以保护玻璃基板11。在一些实施例中,陶瓷覆层12可以是表面11a上的10微米-200微米厚覆层。但是,本领域技术人员应理解,在其他实施例中,陶瓷覆层可具有不同的厚度。可使用任何适当的涂覆工艺来施加覆层12。例如,可利用等离子喷涂沉积、气相沉积或可用于将陶瓷覆层施加到玻璃基板上的其他适当的沉积工艺将陶瓷覆层12施加到玻璃基板11上。覆层12例如可以是氧化铝(Al2O3)或已知适合于在真空和等离子环境中使用的其他陶瓷材料。在一个实施方案中,覆层12可以是氧化钇(Y2O3)。玻璃基板可具有圆柱形、矩形、管状或其他所需的形状,或者这些形状的组合。在一个实施例中,玻璃基板11的表面可包括许多折痕(fold),以补偿玻璃基板11(例如硼硅酸盐玻璃)的热膨胀系数与陶瓷覆层12的热膨胀系数(例如氧化铝、氧化钇)之间的差异。在所示的绝缘体10的示例中,陶瓷覆层12仅施加在基板11的一侧上,因为绝缘体仅有一侧面向并暴露于真空/等离子体;但是,本领域技术人员应理解,在不脱离本专利技术的范围的情况下,绝缘体10的两侧(和/或边缘)都可涂覆有陶瓷层12。表面11a可以是连续的单个表面或者包括多个表面部分。例如,在绝缘体10用于绝缘体10仅部分地暴露于高能带电粒子的应用时,表面11a可包括多个表面部分;在这种应用中,两个或更多覆层表面部本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种真空相容电绝缘体,包括:/n玻璃基板,其具有至少一个表面并且所述表面的至少一部分能够暴露于高能带电粒子或光子;和/n陶瓷层,其覆盖所述玻璃基板的所述至少一个表面的所述至少一部分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170620 US 62/522,2681.一种真空相容电绝缘体,包括:
玻璃基板,其具有至少一个表面并且所述表面的至少一部分能够暴露于高能带电粒子或光子;和
陶瓷层,其覆盖所述玻璃基板的所述至少一个表面的所述至少一部分。


2.根据权利要求1所述的电绝缘体,其中所述玻璃基板包括单片玻璃。


3.根据权利要求2所述的电绝缘体,其中所述玻璃基板是圆形的,并具有至少1米的直径。


4.根据权利要求3所述的电绝缘体,其中所述玻璃基板是环形盘,具有用于接纳电极的中心开口,并且还包括围绕所述中心开口的无覆层内区以及围绕所述玻璃基板的外周的无覆层外区。


5.根据权利要求4所述的电绝缘体,还包括分别安置在所述无覆层内区和所述无覆层外区上的内流体密封件和外流体密封件。


6.根据权利要求1所述的电绝缘体,其中所述玻璃基板由硼硅酸盐玻璃构成。


7.根据权利要求1所述的电绝缘体,其中所述陶瓷层由选自由氧化钇和氧化铝组成的组的材料构成。


8.根据权利要求7所述的电绝缘体,其中氧化铝的所述陶瓷层的厚度在10微米与200微米之间。


9.根据权利要求1所述的电绝缘体,其中所述至少一个表面包括多个部分,所述多个部分能够暴露于高能带电粒子或光子并覆有所述陶瓷层的覆层,并夹杂布置有至少一个无覆层部分。


10.根据权利要求1所述的电绝缘体,其中所述玻璃基板的所述至少一个表面包括折痕,所述折痕的尺寸和构造使其补偿所述玻璃基板的热膨胀系数与陶瓷覆层的热膨胀系数之间的差异。


11.一种等离子体系统,包括:<...

【专利技术属性】
技术研发人员:凯丽·B·艾普米歇尔·G·拉伯格
申请(专利权)人:通用融合公司
类型:发明
国别省市:加拿大;CA

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