CN105556631A - 用于确定真空断续器内部压力的方法以及真空断续器自身 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于确定在中压或高压下使用的真空断续器的内部压力的方法，根据权利要求1和5的前序部分，其中真空断续器的工业真空内部布置有至少一个固定接触片和至少一个可移动接触片，并且其中所述接触片电连接到外部电气固定点。为了在真空断续器内部的严酷状况下实现高精度的压力传感，而不用真空断续器内部的附加装置，外部电气固定点与外部电能源相连接，并且在真空断续器的断开或打开位置处，冷阴极真空测量计的效果将被使用，该效果在于，打开触点之间的泄漏电流生成由真空断续器内部的剩余气体的x射线感应电离，对作为结果的电流进行高精度测量，以便通过该电流来确定真空断续器内部的剩余气体压力。

Description

用于确定真空断续器内部压力的方法以及真空断续器自身

本发明涉及一种用于确定中压用或高压用的真空断续器的内部压力的方法，以及真空断续器布置本身，根据权利要求1和5的前序部分，其中真空断续器的工业真空(technicalvacuum)的内部布置有至少一个固定的接触片和至少一个可移动的接触片，其中以覆盖真空断续器内部的相关容积的方式施加轴向的且绝大部分均匀的磁场，并且其中接触片电连接到外部的电气固定点。

真空断续器需要至少低于10^-1Pa的真空压力以便成功地阻断大电流。因此贯穿真空断续器的寿命期间都需要保证该真空压力，真空断路器寿命通常是20年以上。近年来关于这个问题有一些讨论。对剩余气体压力的测量是一种诊断学方法，未来其重要性将会提高。一方面，这是因为安装的基座的相关部分现在达到了所能保证的寿命的末期。此外，期望在新的领域中使用真空断续器技术，其中可能需要对真空状态进行监控。

用于真空的压力测量装置也是公知的。但真空断续器内部的压力传感器的实现不是简单可适用的。常见的真空测量设备不能容易地被集成在封闭的VI瓶内，而且它们通常也会导致整个系统可靠性的降低。此外，在生产期间或在运行期间(例如，在短路阻断期间)，瓶内的状况对已知的压力传感器有相当的破坏性。

此外，已经在运行中的真空断续器没有配备任何真空测量传感器。因此，只能通过使用外加装置来进行对它们的真空状态的评估。

研究在生产之后形成的低压(10^-6Pa)下的真空状态的常见方法是目前所谓的“磁控管(magnetron)”或“反磁控管”原理。这是对常见的冷阴极压力计测量原理的应用，但区别在于，包括两个电极和/或屏蔽的瓶被用作测量系统。尽管该系统被用于若干应用，尤其是用在生产以及服务的质量控制期间，但是在某些应用中仍然存在困难。

因此本发明的目的在于，基于真空断续器内部的磁控管测量方法来改进高精度的压力传感。

本发明是，真空断续器内部的电流由真空断续器内部的表面材料的x射线感应电离所生成的种子电子(seedelectron)启动，从而形成电子和离子的作为结果的电流，对该电流进行高分辨率的测量，以便通过该电流确定真空断续器内部的剩余气体压力。

为此，在靠近真空断续器的位置放置外部x射线源，以便以预定的方式增强所描述的生成种子电子的效果。

磁控管测量计的主要操作原理可以按以下方式被描述：磁场和电场结合的效果是形成“陷阱”，该陷阱具有长时间捕获电子的可能性，从而避免由于与某边界碰撞而引起的任何损失。由于通过一些“循环路径”造成的瓶内部的这种长路径，因此行进的距离变得与剩余气体的平均自由程(mean-freepath)具有可比性。这意味着在一段时间之后，电子将最终与来自剩余气体的原子发生碰撞。在这样的电离碰撞中，电子将生成额外的电子和离子。当离子被阴极收集时，新的电子也将被捕获到陷阱中，直到通过另外的碰撞将该电子从陷阱中移除。通过这种方式，生成由与剩余气体的相互作用而生成的可测量电流。根据该描述显而易见的是，该电流与电离碰撞的数量相关，并因此与剩余气体的密度(压力)相关。

因此，剩余气体碰撞和作为结果的进一步的电子发射可以被定量地使用以用于确定剩余气体压力。

将真空断续器用作冷阴极真空测量计的唯一要求是，具有用于在真空断续器内部施加轴向磁场并且可能对两个触头或者一个触头和一个屏蔽施加高压(通常在1-10kV之间)的装置，以及用于确定非常小的电流信号以记录这种效果的装置。但由此重要的益处是，可以很容易地确定真空断续器内部的压力。

已经提出了若干用于压力测量的技术。最常用的一种技术是如上所述的“磁控管原理”。这种方法需要在两个触头之间或者在触头和屏蔽之间施加外部轴向磁场和高电压。它还需要启动磁控管电流。这可以通过由宇宙辐射产生的种子电子实现或者通过由初始场致发射电流提供来实现。基本原理如图1所示。

为了使这种磁控管放电开始，需要初始的“种子电子”，初始的种子电子接着引发附加的电离过程的雪崩，直到宏观上的电流流过真空断续器。通过种子电子来启动磁控管电流通常难以实现，尤其在低压下更是如此。即使是商用的磁控管测量计(所谓的冷阴极磁控管测量计)，通常需要几秒至几分钟来启动。由于其作为陷阱被建立，即保持电子被限制，因此在这个启动阶段之后电流保持连续地流动。这可以类似地被用在针对真空断续器的磁控管测量原理中。这里不具备电场的“完美陷阱”的配置，但仍有一些电子被保持在真空容积中。因此，真空断续器中类似磁控管的测量通常产生更复杂的电流形式。此外，真空断续器是受限制的真空容积。放电本身会导致剩余气体的清除或“泵浦(pumping)”。即，由放电移除剩余气体。因此，电流分布不是恒定的，而是通常在开始处具有短脉冲，在之后具有较小的连续电流。这个电流脉冲的最大值通常被用作所测量出的电流。

由于初始的种子电子是随机产生的，因此启动这个电流的开始时间是统计分布的。这导致真空测量的不确定性，或者这根本不允许该测量原理的应用。

为了减少启动时间，通常施加非常大(～10kV)的高电压。这样的效果是，从电极中的一个或屏蔽的场致发射生成种子电子，该电极中的一个或屏蔽然后用作阴极。这种方法的缺点在于，不能根据磁控管的优化操作来选择大电压，例如，以便减小泵浦效应(pumpingeffect)。

因此，本发明通过使用x射线辐射源在真空断续器内部产生种子电子，来解决磁控管电流的启动问题。

在正常操作状况下真空断续器中的剩余气体的低粒子密度不允许在其内部的真空容积中直接发生电离过程。

但必须牢记的是，在围绕真空容积的固体材料内产生大量的电子。这些电子中的大部分被该材料吸收，但是在靠近表面处产生的电子具有逸出该固体材料并进入真空容积的可能性。这些就是接下来我们所寻求的种子电子。

因此，对本申请来说重要的是，泄漏电流不是偶然地例如由环境辐射启动的，而是以可复制的方式通过使用确定的x射线源而启动的，以便以可复制并且精确的方式使用该效果。

本发明使用的基本效果如下。

当能量超过几十kV时，x射线辐射被材料吸收到剩下较少一部分，这是因为对大部分轻级和中级的重元素来说该能量在K线以上。因此，具有该能量的x射线光子很有可能越过真空断续器外面的固体材料，该固体材料是陶瓷和/或“裸体”真空断续器的屏蔽或者甚至是嵌入真空断续器的情况下的极材料(大部分通常是环氧树脂或热塑性塑料)。作为真空断续器瓶设计中出现的典型材料，Cu和Al2O3的吸收长度如下所示。例如，100kV的x射线对于Cu具有1mm以上的吸收长度，对于氧化铝具有1cm以上的吸收长度。

见图1。

x射线辐射将产生遍及固体材料的电子。种子电子将由这些x射线光子产生，这些x射线光子在靠近任何材料表面的小范围中释放电子。通常地，在值为几十nm内产生的电子被释放的可能性很大。这在很大程度上依赖于电子能量，给定这里的电子在keV的范围内，这是与启动磁控管放电最相关的因素。

如果x射线能量太大，则吸收长度将比所讨论的材料长。在这些状况下所产生的电子的数量会很低。可以示出，在较通常的情况下，最优的x射线能量是吸收长度与材料厚度大致相同的x射线能量。这给出能量范围在40keV以上和1MeV以下的能量最适合我们的应用。基于这些数字，我们可以粗略估计出每一个初始光子所产生的种子电子的数量。假定每一个初始光子的电子产出为一，则估计出大约一百万个初始光子产生大约一个电子。因此，为了产生至少几百万个x射线光子，x射线辐射的强度需要足够强。

现今存在x射线源，其产生小于100nm的短脉冲的x射线辐射。这些大多用于材料探测。针对我们的应用，脉冲源的优点是，由于仅在短时间内剂量可以很高，因此其然后被用于在规定时间启动真空断续器的磁控管放电，但不影响之后的操作。可替换地，可以使用连续源以便(仅仅)减少启动放电所需要的时间，这允许剂量较低，但缺点是无法控制启动时间本身。

由于种子电子现在不是由场致发射产生，因而独立于所施加的高电压的电平，因此可以基于合适的放电电流来选择施加到真空断续器的电压电平，而不需要选择高到足以释放足够的场致发射电流的值，这是具有一些几何学的问题。

此外，通过向触头和屏蔽或者向两个触头施加轴向磁场和高电压，磁控管放电被产生，并且电流形状被测量。这个电流的一些值，尤其是这个电流的最大值被测量并且用于推测VI内部的真空度。

图2示出了x射线源的第一种布置。对于X射线源的最好的几何布置是与两个触头成一条直线。

上部触头5是动触头，其固定在波纹管上并且电连接到上部连接点2。

下部的固定触头4与连接点3相连接。

如已经所述的那样，在这种替代方案中，x射线源固定在真空断续器1的外部。

除两个替换方案之外，磁场源必须被布置在接近真空断续器的位置，如图4所示。

因此如果触头打开，则同时发生单元(coincidenceunit)12至少通过电流脉冲来生成磁场，该磁场与x射线源生成信号同时生成。

在打开的触头4和5的连接点2和3之间对该同时发生的影响所产生的电流进行测量。在压力确定单元13中，可以确定真空断续器内部相关的实际剩余气体压力。

位置编号

1真空断续器

2动触点的外部连接点

3固定触点的外部连接点

4固定触点

5动触点

6屏蔽

7陶瓷体

8X射线源

9波纹管

10电流测量设备

11磁场发生器

12同时发生单元

13压力确定

Claims (5)

1.一种用于确定在中压或高压下使用的真空断续器的内部压力的方法，其中真空断续器的工业真空内部布置有至少一个固定接触片和至少一个可移动接触片，并且其中接触片电连接到外部电气固定点，

其中所述外部电气固定点与外部电能源相连接，并且在所述真空断续器的断开或闭合位置处所述外部电能源将被使用，并且此外其中磁场元件或磁场发生装置被应用以生成近似轴向的磁场，从而利用冷阴极真空测量计的效果，

其特征在于，所述真空断续器内部的电流由真空断续器内部的表面材料的x射线感应电离所生成的种子电子启动，从而形成作为结果的电子和离子的电流，对所述电流进行高分辨率的测量，以便通过所述电流确定所述真空断续器内部的剩余气体压力。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，外部x射线源被施加在靠近所述真空断续器的位置，x射线辐射的方向朝向两个电极。

3.一种在中压或高压下使用的真空断续器，其中真空断续器的工业真空内部布置有至少一个固定接触片和至少一个可移动接触片，并且其中所述接触片电连接到外部电气固定点，

其特征在于，所述真空断续器具有内部或外部或内部x射线源，另外还具有内部或外部磁场元件或磁场发生装置，在x射线和或磁场暴露期间通过电流测量装置测量的放电电流被用于在计算装置中确定所述真空断续器中的剩余气体压力。

4.根据权利要求3的真空断续器，

其特征在于，同时发生单元被使用，以便以适时地同时的方式生成用于X射线源和/或磁场发生器和/或高压源的信号。

5.根据权利要求3或4的真空断续器，

其特征在于，确定单元被使用，以用于从所述真空断续器的两个电连接点之间的电流信号确定压力。