DE102007044070A1

DE102007044070A1 - Ionenbeschleunigeranordnung und dafür geeignete Hochspannungsisolatoranordnung

Info

Publication number: DE102007044070A1
Application number: DE102007044070A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Kornfeld; Hans-Peter Dr. Harmann; Norbert Dr. Koch
Original assignee: Thales Electron Devices GmbH
Current assignee: Thales Electronic Systems GmbH
Priority date: 2007-09-14
Filing date: 2007-09-14
Publication date: 2009-04-02
Also published as: KR101468118B1; CN101855948B; US20110089836A1; KR20100098594A; CN101855948A; EP2191699A1; WO2009037195A1; RU2010114721A; US8587202B2; JP5449166B2; RU2481753C2; JP2010539373A; EP2191699B1

Abstract

Für eine Ionenbeschleunigeranordnung mit einem elektrostatischen Beschleunigungsfeld zwischen einer auf Massepotential liegenden Kathode und einer auf Hochspannungspotential liegenden Anode und mit einer Gaszuführung wird vorgeschlagen, in die Gaszuführung einen gasdurchlässigen, offen porösen Isolatorkörper einzufügen. Beschrieben ist ferner eine u. a. für eine solche Ionenbeschleunigeranordnung und zur coronafesten Isolierung anderer auf Hochspannung liegender Bauteile geeignete Hochspannungsisolatoranordnung mit einem derartigen Isolatorkörper.

Description

Die Erfindung betrifft eine Ionenbeschleunigeranordnung und eine insbesondere dafür geeignete Hochspannungsisolatoranordnung.
In elektrostatischen Ionenbeschleunigeranordnungen, wie sie insbesondere zum Antrieb von Raumflugkörpern geeignet sind, wird in einer Ionisationskammer ein Arbeitsgas ionisiert und die Ionen werden unter dem Einfluss eines elektrostatischen Feldes durch eine Öffnung der Kammer ausgestoßen. Das elektrostatische Feld ist zwischen einer außerhalb der Ionisationskammer, typischerweise seitlich gegen deren Öffnung versetzt angeordneten Kathode und einer an dem der Öffnung entgegen gesetzten Fuß der Kammer angeordneten Anode ausgebildet und durchsetzt die Kammer. Zwischen Anode und Kathode liegt eine Hochspannung zur Erzeugung des elektrischen Feldes. Typischerweise liegt die Kathode zumindest annähernd auf dem Massepotential des Raumflugkörpers, auf welchem auch andere metallische Bauteile des Raumflugkörpers liegen, und die Anode liegt auf einem durch die Hochspannung gegen Masse versetzten Anodenpotential. Ein besonders vorteilhafter derartiger Ionenbeschleuniger ist beispielsweise aus der WO03/000550 A bekannt. Andere Ausführungen sind als Hall-Thruster bekannt.
Die Hochspannung wirkt nicht nur zwischen Anode und Kathode, sondern auch zwischen der Anode einschließlich der Hochspannungszuleitung und anderen leitenden Bauteilen auf einem von dem Anodenpotential verschiedenen Potential, insbesondere dem Massepotential. Während durch das Vakuum des umgebenden Weltraums getrennte Bauteile in der Regel ausreichend gegen Spannungsüberschläge gegeneinander isoliert sind, besteht in Bereichen, in welchen das Arbeitsgas auftritt, insbesondere zwischen der Anode und einem stromaufwärts des Gasstromes in der Gaszuleitung befindlichen leitenden Bauteil die Gefahr von Coronaentladungen durch das Arbeitsgas.
Coronaentladungen können in Vakuumanwendungen auch in anderen Bereichen und Situationen zwischen zwei leitenden Bauteilen, welche auf durch eine Hochspannung getrennten Potentialen liegen, auftreten, wobei in einem Zwischendruckbereich (Paschenbereich) ein Spannungsüberschlag durch vorhandenes Gas erleichtert wird. In zwischen den leitenden Bauteilen durchgehend offenen Pfade können dann Entladungen zünden, die hohe Ströme tragen. Ein in den Entladungen entstehendes Plasma ist in der Lage, auch in kleine Risse oder Spalte einzudringen. Über Entgasungsöffnungen gegen ein umgebendes Vakuum können solche Bereiche zwar durch Absenkung des Gasdrucks unter den kritischen Druckbereich coronafest gemacht werden, wobei aber in Bereichen mit wechselndem Gasdruck wiederum Entladungen in dem Zwischendruckbereich auftreten können, welche dann auch durch die durchgehend offenen Pfade bildenden Entgasungsöffnungen durchgreifen können. Ferner kann es auch unterhalb des kritischen Druckbereichs durch freie Elektronen zu einem Nebenschluss kommen, welcher z. B. durch Stromwertverfälschungen oder Leistungsverbrauch störend ist oder auch eine Vakuumbogenentladung zünden kann.
Eine druckunabhängige Isolation zwischen zwei Bauteilen, insbesondere eines eine Hochspannung führenden Bauteils gegen Masse, ist durch vollständiges Umschließen eines Bauteils erreichbar, so dass keine durchgehend offenen Pfade zwischen den beiden Bauteilen vorliegen, z. B. durch Verguss oder Einbetten eines Bauteils in einen Isolatorkörper, was aber für lösbare Leiterverbindungen als Bauteil ausscheidet. Es zeigt sich ferner, dass über einen längeren Zeitraum auch in solchen vergossenen Hochspannungsisolatoranordnungen Schäden auftreten, was insbesondere bei Anwendung in Raumflugkörpern oh ne die Möglichkeit des Austausches von Komponenten schwere Schäden nach sich ziehen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ionenbeschleunigeranordnung und eine insbesondere dafür geeignete Hochspannungsisolatoranordnung mit verbesserter Hochspannungsisolation anzugeben.
Erfindungsgemäße Lösungen sind in den unabhängigen Ansprüchen beschrieben. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.
Bei einer elektrostatischen Ionenbeschleunigeranordnung mit einer Ionisationskammer und einer in der Ionisationskammer angeordneten Elektrode und einer Gaszuführung zur Einleitung von Arbeitsgas in die Ionisationskammer liegt während der Einleitung von Arbeitsgas typischerweise ein Druckbereich des Arbeitsgases vor, in welchem bei der im Betrieb zwischen der Elektrode und dem Massepotential anliegenden Hochspannung im Kilovoltbereich eine Coronaentladung von der Anodenelektrode als erstem Bauteil durch das Arbeitsgas zu einem leitendem zweiten Bauteil auftreten könnte, welches stromaufwärts in der Gaszuführung, d. h. in Strömungsrichtung des zugeführten Arbeitsgases vor der Ionisationskammer angeordnet ist. Durch Einfügen eines Isolatorkörpers in die Gaszuführung, welcher ein gasdurchlässiges offen poröses (offenporiges) Dielektrikum enthält, wird eine solche Coronaentladung verhindert und zugleich eine Zuführung von Arbeitsgas in die Ionisationskammer ermöglicht. Metallische Teile der Gaszuführung einschließlich eines vorteilhafterweise vorgesehenen steuerbaren Ventils sind stromaufwärts des Isolatorkörpers angeordnet.
Die Einfügung des gasdurchlässigen Isolationskörper ermöglicht insbesondere auch eine kompakte Bauweise der Gaszuführung in dem Ionenbeschleuniger, da nur ein geringer Abstand zwischen der auf Masse liegenden Gaszuführung und der auf Hochspannung liegenden Anodenanordnung unter Zwischenfügen des Isolatorkörpers eingehalten werden muss. Vorteilhafterweise kann der Abstand des Isolatorkörpers zu leitenden Teilen der Anodenanordnung und/oder der Gaszuführung geringer sein als die kleinste Abmessung des Isolatorkörpers quer zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsgases durch den Isolatorkörper, insbesondere auch kleiner als die kleinste Abmessung des Isolatorkörpers in Hauptströmungsrichtung des Arbeitsgases. Der Isolatorkörper ist vorzugsweise scheibenförmig ausgebildet und mit der Scheibenfläche quer zur Hauptströmungsrichtung des Arbeitsgases ausgerichtet. Der Isolatorkörper ist vorteilhafterweise auf der der Ionisationskammer abgewandten Seite der Anodenanordnung angeordnet.
Eine Hochspannungsisolatoranordnung, mit einem gasdurchlässigen, offen porösen Isolatorkörper zwischen zwei leitenden Bauteilen auf durch eine Hochspannung getrennten Potentialen, wie sie in der beschriebenen Weise von besonderem Vorteil zwischen einer Elektrode einer Ionisationskammer und einem leitenden Bauteil stromaufwärts einer Gaszuführung vorliegt, ist auch in anderer allgemeinerer Verwendung in Vakuumanwendungen mit Hochspannungen, insbesondere wiederum bei einer Ionenbeschleunigeranordnung als Antrieb in einem Raumflugkörper vorteilhaft. Hierbei ist in allgemeiner Anwendung vorgesehen, dass zwei leitende Bauteile, welche auf durch eine Hochspannung getrennten unterschiedlichen Potentialen liegen, durch eine Isolationsvorrichtung gegeneinander isoliert sind und wenigstens ein Teil der Isolationsvorrichtung durch einen gasdurchlässigen, offen porösen Isolatorkörper gebildet ist. Die Isolationsvorrichtung kann insbesondere eines der leitenden Bauteile allseitig umgeben.
Eine solche Hochspannungsisolatoranordnung ist insbesondere von Vorteil bei einer lösbaren Steckverbindung zwischen einer Hochspannungsquelle und einer im Betrieb z. B. eines Ionenbeschleunigers auf Hochspannung gegen ein Massepotential liegenden Elektrode. Die Steckverbindung ermöglicht vorteilhafterweise, dass von der getrennten Herstellung einer Hochspannungsquelle und eines oder mehrerer Antriebsmodule über Erprobungsmaßnahmen bis zum Einbau in einen Raumflugkörper eine Leiterverbindung, insbesondere über ein isoliertes Kabel, zwischen der Hochspannungsquelle zu einer Elektrode des Antriebsmoduls immer wieder gelöst und die Gesamtvorrichtung dadurch wesentlich einfacher gehandhabt werden kann als bei einmaligem Isolatorverguss einer Leiterverbindung.
Darüber hinaus erweist sich der gasdurchlässige, offen poröse Isolatorkörper in der Isolationsvorrichtung insgesamt als langzeitbeständiger als vergossene oder andere nicht gasdurchlässige Isolationsummantelungen eines leitenden Bauteils. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass herkömmliche Kunststoff-Isolationsmaterialien, welche für Raumflugkörper- und Hochspannungsanwendungen geeignet sind, häufig noch Gaseinschlüsse, insbesondere zwischen Leiter und Isolierung aufweisen, in welchen Mikroplasmen entstehen können, welche die Isolationsvorrichtung im Lauf der Zeit so weit schädigen können, dass Coronaentladungen zwischen leitenden Bauteilen entstehen können. Durch den gasdurchlässigen Isolatorkörper werden solche eventuell vorhandenen Gaseinschlüsse durch Ableiten des Gases in den umgebenden Weltraum leichter abgebaut.
Auch in Umgebungen, in welchen um die Isolationsvorrichtung ein Gas in einem Zwischendruckbereich oder einem Hochdruckbereich, insbesondere auch bei wechselndem Gasdruck, vorliegt, ist der gasdurchlässige poröse Isolations körper von besonderem Vorteil. zwar kann bei Vorliegen von Gas in einem Zwischendruckbereich sowohl innerhalb als auch außerhalb des Hohlraums der Isolationsvorrichtung ein Plasma zünden, es kann sich aber kein zwischen den leitenden Bauteilen durchgehender Gleichstrompfad ausbilden. Wird der Zwischendruckbereich wieder verlassen, was wegen der Gasdurchlässigkeit des porösen Isolatorkörpers innerhalb und außerhalb des Hohlraums der Isolationsvorrichtung erfolgt, erlischt ein bestehendes Plasma bzw. zündet kein neues.
Der gasdurchlässige Isolationskörper kann z. B. durch einen offenporigen Schaum oder vorzugsweise durch ein offenporiges Keramikmaterial gebildet sein. Die mittlere Porengröße des offenen porösen Dielektrikums in Richtung des durch die Hochspannung bewirkten elektrischen Feldes zwischen den Bauteilen liegt vorteilhafterweise unter 100 μm. Der Isolatorkörper ist besonders vorteilhaft, wenn die Abmessungen der Hohlräume in dem gasdurchlässigen Isolatorkörper in Richtung des durch die Hochspannung aufgebauten elektrischen Feldes kleiner sind als die Debye-Länge. Die Strömungspfade des Gases durch den Isolatorkörper sind vorteilhafterweise gegenüber einem zwischen Gaseintrittsseite und Gasaustrittsseite geraden Verlauf umgelenkt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele noch eingehend veranschaulicht. Dabei zeigt:
1 eine Gaszuführung mit einem Isolatorkörper,
2 eine lösbare Leiterverbindung mit einem Isolatorkörper,
3 eine Abwandlung der Anordnung nach 2.
In 1 ist schematisch eine Antriebsanordnung eines elektrostatischen Ionenbeschleunigers zum Antrieb eines Raumflugkörpers skizziert. Die Anordnung weist in an sich gebräuchlicher und bekannter Art eine Ionisationskammer IK auf, welche in einer Längsrichtung LR nach einer Seite an einer Strahlaustrittsöffnung AO offen ist und in Längsrichtung der Strahlaustrittsöffnung AO entgegen gesetzt eine Anodenanordnung AN beim Fußpunkt der Ionisationskammer enthält. Die Ionisationskammer ist seitlich durch eine Kammerwand KW aus vorzugsweise dielektrischem, z. B. keramischem Material begrenzt und kann insbesondere einen ringförmigen Querschnitt besitzen. Die Anodenanordnung AN besteht im skizzierten Beispiel aus einer Anodenelektrode AE und einem Anodenträgerkörper AT. Im Bereich der Strahlaustrittsöffnung, vorzugsweise seitlich gegen die Strahlaustrittsöffnung versetzt, ist eine Kathodenanordnung KA angeordnet. Zwischen Anodenelektrode AE und Kathodenanordnung KA liegt eine Hochspannung, welche in der Ionisationskammer ein in Längsrichtung LR weisendes elektrisches Feld erzeugt, durch welches Ionen eines in der Ionisationskammer ionisierten Arbeitsgases beschleunigt und als Plasmastrahl PB in Längsrichtung aus der Kammer ausgestoßen werden. Typischerweise liegt die Kathode auf Massepotential des die Antriebsanordnung enthaltenden Raumflugkörpers und die Anodenanordnung auf einem Hochspannungspotential HV einer Hochspannungsquelle. In der Ionisationskammer ist noch ein Magnetfeld vorhanden, dessen Verlauf von der Bauart der Antriebsanordnung abhängt und in besonders vorteilhafter, in an sich bekannter Ausführung in Längsrichtung beabstandet mehrere Cusp-Strukturen mit alternierender Polarität enthält. Die ein Magnetfeld erzeugenden Magnetanordnungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik, und in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht mit eingezeichnet.
Ein Arbeitsgas AG, beispielsweise Xenon ist in einem Vorratsbehälter GQ als Gasquelle gespeichert und über eine Gaszuleitung GL und ein steuerbares Ventil GV der Ionisationskammer IK zugeleitet, wobei im skizzierten Beispiel die Einleitung des Arbeitsgases in die Ionisationskammer von der der Ionisationskammer abgewandten Seite der Anodenanordnung und seitlich an dieser vorbei erfolgt, was durch die die Strömungsrichtungen anzeigenden Pfeile veranschaulicht ist.
Die Gaszuleitung GL und andere Bauteile der Gaszuführung liegen typischerweise auf Massepotential, so dass auch zwischen diesen Bauteilen und der Anodenanordnung AN die Hochspannung wirksam ist und während der Zuleitung von Arbeitsgas von der Gasquelle GQ in die Ionisationsquelle die Gefahr von Coronaentladungen zwischen der Anodenanordnung und den auf Massepotential M liegenden Bauteilen durch das in einem Zwischendruckbereich vorliegenden Arbeitsgas besteht. Als Zwischendruckbereich wird der Druckbereich verstanden, in welchem eine Gasentladung durch ein Gas zünden kann. Der Zwischendruckbereich ist u. a. von der Hochspannung abhängig.
In den Strömungsweg des Arbeitsgases ist zwischen den auf Massepotential liegenden Bauteilen der Gaszuführung, z. B. der Gaszuleitung GL, und der Anodenanordnung ein gasdurchlässiger Isolatorkörper IS aus einem offen porösen Dielektrikum eingefügt, welcher vorzugsweise als offenporiger keramischer Körper ausgeführt ist. Der Isolatorkörper ist in vorteilhafter Ausführungsform wie skizziert scheibenförmig ausgebildet und mit der Scheibenebene quer zur Hauptströmungsrichtung durch den Isolatorkörper zwischen einer Gaseintrittsfläche EF und einer Gasaustrittsfläche AF ausgerichtet. Die Hauptströmungsrichtung durch den Isolatorkörper verläuft im skizzierten Beispiel parallel zur Längsrichtung LR. Die Scheibenebene des Isolatorkörpers liegt parallel zu den vorteilhafterweise gleichfalls scheibenförmigen Bauteilen Anodenelektrode und Anodenträgerkörper der Anodenanordnung. Zwischen Anodenträgerkörper AT und Isolatorkörper IS ist vorteilhafterweise eine gasleitende Blendenanordnung GB eingefügt, welche vorzugsweise metallisch ist und auf Anodenpotential mit Hochspannung gegen Masse liegt.
Der Isolatorkörper ist für die im Betrieb der Antriebsanordnung auftretende Hochspannung durchschlagfest. Im Betrieb der Anordnung stellt sich schnell an der Gasaustrittsfläche AF im wesentlichen das Hochspannungspotential HV der Anodenanordnung und an der Gaseintrittsfläche EF im wesentlichen das Massepotential M ein, so dass die gasgefüllten Volumina zwischen auf Massepotential liegender Gaszuleitung GL und der Gaseintrittsfläche EF des Isolators bzw. VA zwischen der Anodenanordnung und der Gasaustrittsfläche AF im wesentlichen feldfrei sind und in diesen Volumina VM, VA keine Coronaentladungen entstehen.
Der Isolationskörper besitzt vorteilhafterweise keine in gerader Linie zwischen der Gaseintrittsfläche EF und der Gasaustrittsfläche durchgehenden offenen Strukturen. Die Strömungspfade des Arbeitsgases zwischen Gaseintrittsfläche und Gasaustrittsfläche sind gegen einen geraden Verlauf umgelenkt und sind insbesondere durch untereinander verbundene, innerhalb des Isolatorkörpers verteilte Poren-Hohlräume gebildet und in der Regel verzweigt. Die mittlere Abmessung solcher Poren-Hohlräume in Richtung senkrecht zu Gaseintrittsfläche und Gasaustrittsfläche ist vorteilhafterweise kleiner als 100 μm. Die Porengröße in Richtung parallel zu Gaseintrittsfläche und Gasaustrittsfläche und damit im wesentlichen quer zur Richtung des aus der Hochspannung resultierenden Feldes ist demgegenüber von geringerer Bedeutung, so dass auch Isolationskörper aus z. B. faserigem Material mit Faserrichtung quer zur elektrischen Feldrichtung zum Einsatz kommen können. Die mittlere Abmessung solcher Hohlräume in Richtung senkrecht zu Gaseintrittsfläche und Gasaustrittsfläche ist vorteilhafterweise kleiner als die Debye-Länge, welche sich bei gegebenen Betriebsparametern, insbesondere bei bekanntem maximalem Druck des Ar beitsgases, welcher auf der Seite der Gaseintrittsfläche EF typischerweise in der Größenordnung von 30–150 mbar und auf der Gasaustrittsseite beispielsweise unter 1 mbar liegt, aus bekannten Formeln ergibt.
Die kleinste Querabmessung des Isolatorkörpers in der Scheibenebene ist in vorteilhafter Ausführung größer als der Abstand der Gasaustrittsfläche von der Anodenanordnung und/oder der Gaseintrittsfläche von der Gaszuleitung, so dass sich eine in Strömungsrichtung des Arbeitsgases geringe Baulänge realisieren lässt. Der Isolatorkörper ist in einer Isolierkörperanordnung mit einem oder mehreren im wesentlichen gasdichten Isolierkörpern KK angeordnet, welche in schematisch dargestellter Weise mit der Kammerwand direkt oder indirekt mechanisch verbunden sind. Der Isolatorkörper IS füllt den gesamten Querschnitt der Gaszuführung in der Anordnung der Isolierkörper KK aus, so dass kein an dem Isolatorkörper vorbei führender Pfad gegeben ist, über welchem eine Coronaentladung, eine Plasmaausbreitung oder ein sonstiger stromleitender Pfad entstehen könnte.
In 2 ist eine Anwendung einer Hochspannungsisolatoranordnung mit einem gasdurchlässigen offen porösen Isolatorkörper an einer Steckerverbindung als hochspannungsführendem Bauteil skizziert. In der Steckerverbindung SV seien zwei Leitungsabschnitte K1, K2 stromführend miteinander verbunden, um z. B. elektrische Leistung von einer Hochspannungsquelle auf Hochspannungspotential HV an eine Elektrode wie z. B. die Anodenanordnung AN nach 1 zu leiten. Die beiden Leitungsabschnitte K1, K2 weisen jeweils einen Innenleiter L1 bzw. L2 und einen isolierenden Mantel M1 bzw. M2 auf. Insbesondere kann der Leitungsabschnitt K1 ein von einer Hochspannungsquelle kommendes flexibles Kabel und der Leitungsabschnitt K2 ein Anschlussstutzen an einem Ionenbeschleuniger-Antriebsmodul sein. Der Isoliermantel M1 kann dann z. B. ein flexibler Kabelmantel, z. B. aus PTFE sein, der Isoliermantel M1 kann z. B. auch ein Rohr aus Isoliermaterial sein.
Die Steckerverbindung (oder eine andere zerstörungsfrei lösbare Verbindung) ermöglicht vorteilhafterweise das zerstörungsfreie Lösen der elektrischen Verbindung der beiden Innenleiter, wodurch z. B. für eine Erprobungsphase einer Antriebsanordnung die Verbindung hergestellt, während des Einbaus von Antriebsanordnung und Hochspannungsquelle in einen Raumflugkörper getrennt und danach wieder zusammengefügt werden kann, wobei auch während der Erprobungsphase die hochspannungsführende Steckerverbindung gegen auf Massepotential M liegende Bauteile durchschlagfest sein muss.
Die Steckerverbindung ist von einer Isolationsvorrichtung IV umgeben, welche sich in Längsrichtung LL der beiden Leiter über deren Isoliermäntel M1, M2 erstreckt und die Steckerverbindung allseitig umgibt. Wenn Hochspannung von der Hochspannungsquelle an den Innenleitern anliegt, liegt in der Regel außerhalb der Isolationsvorrichtung ein Vakuum vor. Innerhalb der Isoliervorrichtung in dem Hohlraum HO um die freiliegende Steckerverbindung kann zum einen vom Einbau her noch Gas vorhanden sein oder auch nach längerer Zeit insbesondere aus der Grenzschicht zwischen Innenleitern L1, L2 und Isoliermänteln M1, M2 in den Raum um die Steckerverbindung eintreten. Gas in dem Hohlraum um die Steckerverbindung kann zum Entstehen von Plasmen in dem Hohlraum führen, welche über längere Zeit auch die Isoliervorrichtung beschädigen können. Die Isoliervorrichtung ist gegen die Kabelmäntel M1, M2 soweit abgedichtet, dass an den Verbindungsstellen kein im Hohlraum HO eventuell entstehendes Plasma hindurch dringen und einen Überschlag zum Massepotential M bewirken kann. Zumindest ein Teil der den Hohlraum HO um die Steckerverbindung begrenzenden Wandung der Isoliervorrichtung ist durch einen gasdurchlässigen offen porösen Isolatorkörper VK gebildet, welcher mit vergleichbaren Eigenschaften wie der Isolierkörper IS aus dem Beispiel nach 1 Gas aus dem Hohlraum HO in das umgebende Vakuum entweichen lässt, aber verhindert, dass ein im Hohlraum eventuell entstehendes Plasma zu einem auf Massepotential außerhalb des Hohlraums liegenden leitenden Bauteil durchschlägt. Trifft im Betrieb einer die in 2 skizzierte Hochspannungsisolatoranordnung enthaltenden Einrichtung, z. B. einem Ionenbeschleunigerantrieb eines Raumflugkörpes im Weltraum ein Gasstoß, z. B. aus einer Gasblase zwischen einem Innenleiter und einem Isoliermantel, in dem Hohlraum HO auf, so kann sich dort ein Plasma bilden, welches aber nicht durch den Isolatorkörper VK nach außen dringen kann und wegen des durch den offen porösen Isolatorkörper nach außen entweichenden Gases schnell wieder erlischt. Im Unterschied dazu könnte bei einem gasdichten Verguss der Steckverbindung mit einem isolierenden Vergussmaterial beim Auftreten von Gas im Bereich der Steckerverbindung ein darin gezündetes Plasma länger brennen und/oder immer wieder erneut zünden und u. U. einen für Plasma durchlässigen Pfad in Richtung eines auf Masse liegenden Bauteils freilegen. Das durch den Isolatorkörper nach außen entweichende Gas erreicht außerhalb der Isolationsvorrichtung IV nicht den zur Bildung eines Plasmas oder einer Coronaentladung erforderlichen kritischen Druck.
Bei nur sehr geringen in den Hohlraum HO aus den Leitern K1, K2 eintretenden Gasmengen entsteht von vornherein kein Plasma in dem Hohlraum, da ein kritischer Mindestdruck nicht erreicht wird und wegen der Gasdurchlässigkeit des Isolatorkörpers eine Akkumulation mehrerer sehr kleiner Gasmengen nicht stattfindet.
3 zeigt eine Hochspannungsisolatoranordnung in einer Abwandlung des Beispiels nach 2. Ein rohrförmiger Isolatorkörper IR umgibt hier unmittelbar den Innenleiter L32 eines nicht flexiblen Leitungsabschnitts K32 und setzt sich bis über den Isoliermantel M1 des Leitungsabschnitts K1, welcher als gleich zu 2 angenommen sei, fort. Der Isolatorkörper kann nochmals von einem Außenrohr AR umgeben sein, welches auch leitend sein und auf Massepotential liegen kann. Eine Endkappe EK kann auf das den Isoliermantel M11 umgreifende Ende des Isolatorkörpers IR aufgesetzt und in Längsrichtung gegen das Außenrohr AR verspannt sein, wenn gewährleistet ist, dass zum einen Gas durch den Isolatorkörper in das umgebende Vakuum VA aus dem Hohlraum um die Steckerverbindung entweichen kann und zum anderen kein Pfad für ein Plasma aus dem Hohlraum nach außen in das Vakuum oder zu einem leitenden Bauteil besteht.
Da bei Hochspannungsisolatoranordnungen nach Art der Beispiele in 2 und 3 ein kurzzeitig in dem Hohlraum anfallender, für die Entstehung eines Plasmas in dem Hohlraum ausreichender Gasdruck typischerweise deutlich unter dem Druck des Arbeitsgases an und in dem Isolatorkörper IS in dem Ausführungsbeispiel nach 1 liegt und damit auch die Elektronendichte in einem solchen Plasma geringer ist, ist die Debye-Länge in Anordnungen nach 2 und 3 typischerweise größer als in dem Beispiel nach 2, so dass bei Ausrichtung der mittleren Porengröße des offen porösen Dielektrikums für Anwendungen nach 2 oder 3 ein größerer Wert tolerierbar ist als in dem Beispiel nach 1.
Für den Fall, dass außerhalb des Hohlraums der Hochspannungsisolatoranordnungen nach 2 oder 3 ein Gasdruck in einem Zwischendruckbereich auftritt, kann sowohl innerhalb als auch außerhalb des Hohlraums ein Plasma zünden, wenn die Zündbedingungen erfüllt sind. Die Plasmen können aber nicht den porösen Isolatorkörper durchdringen, so dass kein durchgehender Gleichstrompfad zwischen den Bauteilen aufgebaut werden kann. Nach Wegfall des Zwischendruckbereichs, insbesondere Einstellen eines Vakuums um die Hochspannungsisolatoranordnung ist wieder die bereits beschriebene Isolationsfunktion gegeben.
Die vorstehend und die in den Ansprüchen angegebenen sowie die den Abbildungen entnehmbaren Merkmale sind sowohl einzeln als auch in verschiedener Kombination vorteilhaft realisierbar. Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern im Rahmen fachmännischen Könnens in mancherlei Weise abwandelbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 03/000550 A [0002]

Claims

Ionenbeschleunigeranordnung mit einer Ionisationskammer (IK) und einer in der Ionisationskammer angeordneten Anodenelektrode (AE) als einem ersten leitenden Bauteil, sowie einer Gaszuführung (GV, GL, GQ) zur Einleitung von Arbeitsgas (AG) in die Ionisationskammer, wobei die Anodenelektrode (AE) auf einer Hochspannung (HV) gegenüber einem in der Gaszuführung stromaufwärts gelegenen zweiten leitenden Bauteil (GL, GV, GQ) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gaszuführung ein gasdurchlässiger Isolationskörper (IS) aus einem offen porösem Dielektrikum angeordnet ist und das Arbeitsgas (AG) durch den Isolationskörper zu der Ionisationskammer (IK) strömt.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenelektrode (AE) am Fuß der Ionisationskammer (IK) einer Strahlaustrittsöffnung (AO) entgegen gesetzt angeordnet ist und dass der Isolatorkörper (IS) auf der der Ionisationskammer (IK) abgewandten Seite der Anodenelektrode angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Anodenelektrode zugewandte Fläche des Isolatorkörpers in Richtung der Anodenelektrode einen Abstand zu einer auf dem Potential der Anode liegenden metallischen Fläche aufweist, der geringer ist als die Abmessung des Isolatorkörpers quer zu dieser Richtung.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolatorkörper scheibenförmig ausgebildet ist und die mittlere Gasstromrichtung durch den Isolatorkörper senkrecht zu der Scheibenfläche verläuft.
Hochspannungsisolatoranordnung mit einem ersten (SV) und einem zweiten (M) leitenden Bauteil, zwischen welche eine Hochspannung anlegbar ist, und mit einer die beiden leitenden Bauteile gegeneinander isolierenden Isolatorvorrichtung (IV), dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorvorrichtung wenigstens teilweise durch einen Isolatorkörper (VK, IR) aus einem offen porösen gasdurchlässigen Dielektrikum gebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine poröse Keramik als offen poröses Dielektrikum.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass gasführende Pfade durch den Isolationskörper gegen einen geraden Verlauf umgelenkt sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Poren-Hohlräume in dem Isolatorkörper in zur Feldrichtung des durch die Hochspannung bewirkten elektrischen Feldes paralleler Richtung kürzer sind als die Debye-Länge.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorvorrichtung (IV) eines der Bauteile (SV) in sich einschließt.
Anordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile (SV) eine lösbare Leiterkontaktstelle umfasst.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Porengröße des offen porösen Dielektrikums unter 100 μm liegt.