DE3046629C2

DE3046629C2 - Verfahren zur Herstellung von Isolatoroberflächen

Info

Publication number: DE3046629C2
Application number: DE3046629A
Authority: DE
Inventors: Bernd 6105 Ober-Ramstadt Fischer
Original assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Current assignee: GSI Gesellschaft fuer Schwerionenforschung mbH
Priority date: 1980-12-11
Filing date: 1980-12-11
Publication date: 1985-04-04
Also published as: FR2496328A1; DE3046629A1; FR2496328B1; US4416724A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Isolationseigenschaften von Isolierkörpern gehen oft dadurch verloren, daß ihre Oberflächen durch leitende Niederschläge kontaminiert werden. Dies kann z. B. durch Metalldämpfe geschehen, die sich bei Funkenüberschlägen oder beim Betrieb von Metallionenquellen auf einem Isolierkörper niederschlagen.

Es ist nun bekannt, die Isolationseigenschaften von Isolatoren durch Vergrößern der Oberfläche ihrer Festkörpermatrix zu verbessern. Dazu wird eine besondere Formgebung des Isolierkörpers verwendet, wobei die Oberfläche durch Rippenstrukturen vergrößert wird, wodurch die Isolationseigenschaften erst nach stärkerer Kontamination mit leitenden Niederschlägen schlechter werden sollten.

Ein solcher Isolierkörper ist aus der DE-OS 15 40 309 bekannt. Bei dem Hochspannungsisolator wird die Oberfläche durch Rippenstrukturen vergrößert Die Schutzwirkung dieser Rippenstruktur gegen leitende Kontamination beruht auf einer vergrößerten Oberfläche. Dadurch verteilen sich leitende Niederschläge auf einer größeren Fläche mit dem Ergebnis eines erhöhten Obcrflächcnwidcrstandes. Weiterhin besteht die Schutzwirkung in einer teilweisen Abschattung des Isolators gegen leitende Niederschläge, die bevorzugt aus einer Richtung kommen. Durch zusätzliche Kingstrukturen mit senkrechten Flächen auf den Isolatorrippen läßt sich bei Außenraumisolatoren zudem noch erreichen, daß ein durch Regen oder Tau erzeugter Feuchtigkeitsfilm schneller abläuft, was zu einer Erhöhung des Oberflächenwiderstandes an den senkrechten Rächen führt Die durch solche Formgebung erzielbare Oberflächenvergrößerung ist jedoch mit eine/n Faktor 10 relativ gering, so daß auch die erreichte Schutzwirkung klein bleibt
Von diesem Stand der Technik ausgehend Ut nun

ίο Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Isolationseigenschaften von Isolatoren, die vor allem Metalldampfniederschlägen z. B. bei Funkenüberschlag oder bei Einsatz in Sputterionenquellen, ausgesetzt sind, durch Vergrößern ihrer Oberfläche in bezug auf die Festkörperi;atrix zu verbessern und die Zerstörung der Isolatorwirkung aufgrund solcher Kontaminationen hinauszuschieben.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den kennzeichnenden Teilen der Unteransprijche zu entnehmen,

Nach der erfindungsgemäßen Methode wird eine irrgartenähnliche MikroStruktur erzielt, die die Bildung elektrisch leitender Bereiche auch bei starker Kontamination mit Metalldampfniederschlägen auf mikroskopische Flächen beschränkt Insbesondere werden folgende Vorteile erzielt:

1. Die Isolatoroberfläche wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren um einen Faktor 1000 oder mehr vergrößert, was mit herkömmlichen Verfahren nicht zu erreichen ist

2. Die nach dem Stand der Technik komplizierte Formgebung des Isolierkörpers kann entfallen, statt dessen kann ein relativ einfacher Isolierkörper, dessen Gestalt nur durch andere technische oder wirtschaftliche Überlegungen bestimmt werden kann, mit einer mikrostrukturierten Folie umwickelt oder formtreu umhüllt v^rden.

3. Diese, mikrostrukturierte Folie kann nach dem heutigen Stand der Beschleunigertechnik mit.einer hohen Geschwindigkeit von etwa 1 m²/sek, hergestellt werden, d. h. es kann ein kostengünstiges Serienprodukt erzielt werden.

4. Die spezielle mikroskopische Irrgartenstruktur ermöglicht eine Schutzwirkung, die mehrere Größenordnungen über der liegt, die durch eine reine Oberflächenvergrößerung erzielt werden kann.
5. Die MikroStruktur unterdrückt auch die Emission von Sekundärelektronen, -ionen und UV-Licht und schaltet somit eine weitere Quelle zur Ausbreitung von Hochspannungsüberschlägen weitgehend aus.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll im folgenden und anhand der F i g. 1 und 2 kurz erläutert werden: Die

F i g. 1 zeigt die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer nach dem Verfahren hergestellten Isolatoroberfläche und die

F i g. 2 schematisch eine zur Herstellung einer solchen benutzbaren Vorrichtung.

In der F i g. 1 ist ein Beispiel einer nach dem beschriebenen Verfahren strukturierten Glimmeroberfläche gezeigt. Es handelt sich dabei um eine rasterelektronenmikroskopische Originalaufnahme mit eingeblendetem Maßstab. Um diese Struktur für die rasterelektronenmikroskopische Aufnahme wenigstens sehr schwach leitend machen zu können, wurde sie mit einer Dosis von ca. 10⁹ Ionen/cm² und besonders weiten Ätzkanälen

hergestellt Optimal wäre an sich eine Porosität P von ungefähr 1, wobei diese Porosität

Zahl der Löcher χ Fläche des Einzelloches
Gesamtfläche des unbearbeiteten Materiales

ist. Die Räche des Einzelloches ist die theoretische Oberfläche eines nach dem Ätzen entstandenen Loches bzw. der Öffnung eines einzelnen Ätzkanals auf einer ungestörten bzw. großen Fläche. Die Porosität P kann nun sowohl größer als auch kleiner 1 sein. Sie ist dann größer i, wenn eine »Oberätzung« vorliegt, d.h. die Strukturierung stärker ausgeprägt ist Die in der F i g. 1 gezeigt rhombische Form der Löcher mit der aus photographischen Gründen gewählten Porosität P größer als 1_ ist durch die Kristallstruktur von Glimmer und die als Ätzsäure verwendete Rußsäure bedingt und für das Erzielen des gewünschten Effektes unwesentlich.

Die gewünschte Oberflächenvergrößerung wird wie folgt erreicht:

Der zu schützende Isolierkörper wird im Vakuum von al'en Seiten mit einem Strahl schwerer Ionen bestrahlt Dabei bilden sich in einer Oberflächenschicht latente Kernspurkanäle von etwa 100 A Durchmesser und einer von der Ionenenergie abhängigen Tiefe, ζ. Β. ΙΟμίτι für eine Ionenenergie von etwa 1 MeV/Nukleon. Diese Kanäle werden durch einen anschließenden Entwicklungsoder Ätzprozeß auf einen beliebig größeren Durchmesser erweitert Durch eine passende Wahl der Bestrahlungsdosis (lonenzahl pro cm²) und Entwicklungszeit für das entsprechende Ätzmittel kann dann erreicht werden, daß etwa die Hälfte der Isolierkörperfläche bzw. der Festkörpermatrix mit Kernspurkanälen bedeckt ist und eine irrgartenförmige Oberflächenstruktur entsteht. Die mit dem Verfahren erzielte Schutzwirkung zeigt folgende Gegenüberstellung:

Wird ein isolierendes Glimmerplättchen im unbehandelten Zustand in einer Sputteranlage 4 Minuten bei 20 mA Entladungsstrom mit Gold beschichtet, mißt man zwischen zwei gegenüberliegenden Kontaktpunkten einen Widerstand von etwa 50 Ω. Wird ein solches Plättchen aber zuvor mit etwa 5 · 10* 1,4 MeV/Nukleon Argonionen pro cm² bestrahlt, anschließend 20 Minuten in 40%iger Flußsäure entwickelt und dann wie beschrieben mit Gold beschichtet, so mißt man zwischen den Kontakten 'ediglich einen Isolation! widerstand von mehr als 10¹⁰ Ω bei einer Prüfspannung von 1 kV. Statt eines Festkörpers mit größeren Volumen kann auch eine Isolierfläche mit dem Verfahren so strukturiert werden, daß sich ihre Isolatioir.eigenschaften stark verbessern. Mit dieser einfach und in großen Mengen herstellbaren Folie kann dann jeder beliebige Isolatorkörper durch Einwickeln gegen Metalldämpfe geschützt werden. Dabei kann die Folie so ausgewählt werden, daß sie besonders günstige Eigenschaften bezüglich der Registrierung von Kernspuren und ihrer chemischen Entwicklung aufweist. Als besonders günstig gelten hierbei Materialien, in denen geätzte Kernspuren mit möglichst konstantem Durchmesser erzeugt werden können. Geeignet sind z. B. Polycarbonate und Polymethylmetacrylate. Im Prinzip lassen sich in allen isolierenden Festkörpern latente Kernspuren erzielen und auch durch Ätzen zu mehr oder weniger schlanken kegelförmigen Kanälen erweitern.

Fig. 2 ist schema'isch eine Bestrahlungseinrichtung für das vorgeschlagene Verfahren dargestellt, die sich im Vakuum bei einem Drj^k von weniger als ΙΟ-⁴ Torr befindet. Mit 1 ist der Schwerionenstrahl bezeichnet.

der sich entlang der Achse 5 erstreckt und der in dem nicht näher dargestellten Vakuumgehäuse verläuft Der Schwerioneiistrahl 1, 5 wird dabei von einem Schwerionenbeschleuniger — hier vorzugsweise vom Typ UNILAC — erzeugt und in die der Bestrahlung dienende Vakuumkammer geleitet Seine Energie und lonensorte sind je nach Strukturierungstiefe und zu bestrahlendem Material vorgewählt Ein im Strahl 1 rotierendes Gitter 2 fängt einen Teil des Strahles auf und wird zur Dosismessang verwendet Es wird durch den Motor 7 angetrieben. Nach dem Gitter 2 ist in den Strahl 1 mitdg zu dessen Achse 5 ein magnetischer Deflektor 3 eingeschaltet, mit dessen Hilfe der Strahl 1 gespreizt wird, um eine größere Räche 6 des zu bestrahlenden Festkörpers bzw. der Probe in der gewünschten Dichte beaufschlagen zu können. Hinter dem Deflektor 3, der ringförmig ausgebildet sein kann, ist die Halterung 4 für das zu bestrahlende Material angeordnet Bei der dargestellten Ausführungsform der Halterung 4 handelt es sich um zwei Transportrollen, zwischen denen eine folienförmige Festkörpermatrix als zu bestrahlend* Räche 6 durch die Strahlachse 5 gespult werden kann. Dabii kann über die Spulgeschwindigkeit die Bestrahlungsdosis eingestellt werden. Ebensogut kann als Halterung auch eine Drehvorrichtung zur allseitigen Bestrahlung z. B. eines räumlich ausgedehnten Isolierkörpers Verwendung finden.

30

45

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55

eo

65

Bezugszeichenliste:

1 Schwerionenstrahl

2 rotierendes Gitter

3 magnetischer Deflektor

4 Wechselvorrichtung

5 Strahlachse

6 bestrahlte Räche bzw. Probe

7 Motor

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Isolatoroberflächen durch Vergrößern der Oberfläche einer als Innenraumisolator, welcher insbesondere Metalldampfniederschlägen ausgesetzt ist, dienenden Festkörpermatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoroberfläche gleichmäßig mit einem Ionenstrahl beschossen wird und die dadurch entstandenen Kernspuren durch chemische Ätzmittel so erweitert werden, daß sich benachbarte, individuelle Ätzkanäle gerade überschneiden bzw. berühren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl aus schweren Ionen besteht

3. Verfahren nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Festkörpermatrix eine Folie ist, mit welcher Isolatoren formtreu umhüllbar sind.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität vorzugsweise 1 beträgt.

5. Vorrichtung zur Ausübung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welchem Energie, Dichte und Ionensorte des Schwerionenstrahles je nach Strukturierungsstufe und zu bestrahlendem Material vorgegeben werden, mit einem Schwerionenbeschleuniger zur Erzeugung des Schwerionenstrahles und einer Vakuumkammer in die der Strahl eintritt und in der sich die Vorrichtung befindet, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung (1,5) gcehen vor der Festkörpermatrix (6) ein quer zum Strahl rotierendes Gitter (2) angeordnet ist, an welches sich vor der Probe (6) bzw. der Probenhalte- oder Wechselvorrichtung (4) ein magnetischer Deflektor (3) um den Strahl (1) herum anschließt.