JP4673212B2 - 直流高電圧真空装置 - Google Patents

Description

本発明は真空容器内に設けられた電極に直流高電圧を印加するように構成された直流高電圧真空装置に関する。

一般的に真空容器内では、大気中に比して、高電圧に対する絶縁が可能である。真空中では、電極間の１ｍｍ当たりの耐電圧は１０ｋＶ以上であるが、大気中では電極間の１ｍｍ当たりの耐電圧は３ｋＶ程度である。この性質を利用して多くの高電圧機器に真空容器が用いられている。例えば、真空遮断器、真空断路機などの電力機器、ブラウン管等がある。最近では、計測用電子顕微鏡や医療用Ｘ線管などにも利用されている。ブラウン管、計測用電子顕微鏡及び医療用Ｘ線管では、直流電圧の絶縁に真空容器が用いられている。

真空を用いた絶縁は、電界の局部集中があると大幅に耐電圧性能が低下する。電極に突起があると、電界の局部集中を引き起こし、そこからの電子放出に起因する耐電圧性能の低下が発生する。従って、電極の突起は避けるべきである。特に直流電圧を印加する場合には、電極の極性が変化しないので、陽極に突起があれば連続的に電子を放出し、直ちに絶縁不良を発生する危険性が高い。電界の局部集中を防止するためには、電極に突起を設けなければよい。そのために、電極を、表面が鏡面となるように研磨する、所謂、鏡面研磨を徹底する。

真空容器を製造すると内部に微細な塵埃が残留することがある。この塵埃が電極表面に付着すると、電極表面に突起が生成されたのと同様になる。従って、局部的な電界集中から電子放出が起き、電極間の耐電圧性能を低下させる。真空容器内に残留する塵埃をなくすことが理想であるが、工業的に量産する工程のすべてで塵埃を全く無くすことは困難である。真空容器の製造をクリーンルームなどの清浄な環境にて行うことにより、製造工程における塵埃の残留を極力排除することができるが、製品として稼動中に金属同士の摺動などによって微細な塵埃が発生することもある。更には、長期間の運転後に修理が必要になると、真空容器を分解しなければならない。このような場合にも、真空容器内に塵埃が混入することもある。

真空容器内の塵埃は、高電圧電極と低電圧電極の間を往復する。塵埃が一方の電極に接触すると電極から塵埃へ瞬時に電荷が注入され、塵埃はその電極と同電位になる。こうして一方の電極と同電位となった塵埃と対向電極の間に静電気力が働く。この力と重力との合力によって塵埃が対向電極へと飛行する。塵埃には重力が働くから、塵埃が下方の電極から上方の電極へ飛行するには大きな静電力が必要になる。この静電気力は電極間の電界によって生成される。

電界の強さが小さい場合には、塵埃は飛び上がらず電極表面で立ち上がるなどの現象が発生する。電界の強さが大きくなると、塵埃は下方の電極からも飛び上がり、上方の電極へ到達する。こうして電極間を繰返し飛行するようになる。このような塵埃の電極間往復運動は直流電圧特有の現象である。また真空中であるために、塵埃は空気抵抗を受けることなく電極間を往復する。ここまでの現象では、真空容器内を塵埃が飛行するのみであるために、大きな問題ではない。ところが更に電界の強さが大きくなると、プラス側の電極に塵埃が接触した瞬間に電極上に突起が生成されたのと同様になる。塵埃の先端から電界によって電子が放出されるようになる。電子放出が盛んになると終には電極間の短絡が発生する。

従って、直流高電圧真空容器内に残留、発生または混入などで生じた塵埃を電極表面の突起にならないようにすれば良い。

本発明の目的は、真空容器において塵埃が残留または混入しても耐電圧性能を損なうことなく運転できる直流高電圧真空装置を提供することにある。

本発明による直流高電圧真空装置は、絶縁壁によって形成されたケーシングと、該ケーシング内に形成された真空排気された密閉空間と、該密閉空間内に配置され直流が印加される電極と、上記密閉空間内の塵埃を捕捉する塵埃捕捉容器と、を有し、該塵埃捕捉容器は上記電極によって形成される電界の影響を受けない位置に配置されている。

本発明によると、真空容器において塵埃が残留または混入しても耐電圧性能を損なうことなく運転できる。

図１に本発明による直流高電圧真空容器の一実施例を示す。図１は直流高電圧真空容器の概略を示すものであり、電極を強調して表示している。実際の直流高電圧真空容器には他の構成要素が設けられているが、ここでは省略している。

直流高電圧真空容器は、ケーシング3と１対の電極1、２とリング状の塵埃捕捉容器5とを有する。重力の方向は、図１にて上から下に向かう方向であるとする。従って、電極１は天井側、電極２は底面側にある。

ケーシング3はガラスやセラミックス等の絶縁壁によって形成されている。ケーシング3の内部は、真空排気された密閉空間４である。ケーシング3の外側６は、空気、絶縁油、絶縁性ガス等が充填されている。

電極1、２は互いに対向するように配置されている。一方の電極には高電圧が印加され他方の電極には低電圧が印加される。電極1、２は、それぞれ、半径方向内端の内端部1-a、2-aと、それを支持する支柱1-b、2-bと、支柱に接続された外部端子1-c、2-cとを有する。外部端子1-c、2-cの外端はケーシング3の外側に配置されている。

塵埃捕捉容器5は密閉空間４の底面に配置されている。本例では、塵埃捕捉容器5は底面側の電極２の外部端子2-cに埋め込まれるように配置されている。

電極1、２間に直流高電圧が印加されると、密閉空間４内に電界が生成される。ケーシング3内の塵埃は、高電圧電極１と低電圧電極２の間を往復する。このような塵埃の電極間の飛行は、上述のように、直流高電圧が加わる真空容器内で発生する現象である。

塵埃がプラス側の電極に接触すると、瞬時に、塵埃の先端から電子が放出する危険性がある。しかしながら、本例では、ケーシング3の底面に塵埃捕捉容器５を設ける。電極間を飛行している塵埃は重力により、塵埃捕捉容器５を捕捉される。塵埃捕捉容器５内の電界は略無視できる程度である。塵埃は、一旦、塵埃捕捉容器５に入ると、再び電極間を飛行することがなくなる。

図２を参照して本発明による塵埃捕捉容器5の構造を説明する。図２ａは、塵埃捕捉容器5の断面構成を示し、図２ｂは、塵埃捕捉容器5の平面構成を示す。塵埃捕捉容器5は、内側円筒部5-a、外側円筒部5-b、及び、リング状の底板5-cを有し、これらの３つの部材によってリング状の溝5-eが形成される。このリング状の溝の中央には、電極２が配置されるための貫通孔5-fが形成されている。

リング状の溝5-eの上端に、複数の棒5-dが半径方向に沿って所定の間隔にて配置されている。図２ｂに示すように、棒5-dによってリング状の溝5-eの開口は部分的に閉じられる。棒と棒の間に窓5-gが形成されている。

棒5-dの断面は、上面に平坦な面が形成されないならどのような形状であってもよく、例えば、円形又は上に凸の三角形であってもよい。

上から落ちてきた塵埃のうち、棒5-dの間に落下した塵埃は、そのまま下方に落下し、底板5-c上に堆積される。上から落ちてきた塵埃のうち、棒5-dに衝突した塵埃は棒5-dの表面を滑って、棒5-dの間を落下し、底板5-c上に堆積される。こうして底板5-c上に堆積した塵埃は、塵埃捕捉容器5の外部に飛び出すことはない。

窓5-gが小さいと、塵埃捕捉容器5によって塵埃を捕捉する機能が低下するが、捕捉した塵埃が飛び出すことを防止する機能は高くなる。窓5-gが大きいと、塵埃捕捉容器5によって塵埃を捕捉する機能が高まるが、捕捉した塵埃が飛び出すことを防止する機能は低くなる。窓5-gは棒5-dの径と数によって決まる。

図３を参照して、棒5-dの径と数について説明する。ここでは、棒5-dとして円柱棒を用いた場合について説明する。図４の横軸は、円柱棒の直径、縦軸は千時間当たりの短絡回数である。図示のように、円柱棒の直径が１３ｍｍよりも大きいと、短絡発生回数が増加する。これは、円柱棒の直径が１３ｍｍよりも大きくなると、塵埃が円柱棒の上面に付着し、滑って落下しなくなるためである。従って、円柱棒の直径は、１２ｍｍ以下である必要がある。

次に、円柱棒の数を計算する。円柱棒の直径をｄ、内側円筒部5-aの外径をＤ、円柱棒の数をｎとする。ｎは次の式を満たす必要がある。
ｎ＜π×D／ｄ

少なくとも６本の円柱棒を設ける必要がある場合には、円柱棒の直径ｄは次の式を満たす必要がある。
ｄ＜π×D／６

内側円筒部5-aの外径Ｄが一定である場合、円柱棒の直径ｄと本数ｎは互いに相反関係にある。円柱棒の直径ｄが大きくなると本数ｎは少なくなり、本数ｎが多くなると、直径ｄは小さくなる。

図４を参照して塵埃捕捉容器を電子顕微鏡の電子銃に設けた例を説明する。絶縁壁からなる真空容器１３内に電子銃11と電極12が配置されている。電子銃11は上側に配置され、電極12は下側に配置されている。電子銃11は、電子銃部11-aと電子銃シールド11-bを有し、プラスの高電圧が印加される。電極12は、電子導入筒12-aと外壁12-bを有する。電子銃11と電極12の間に直流高電圧が印加される。電子銃部11-aからの電子は、電子導入筒12-aを通って下方に導かれる。

電極１２の電子導入筒12-aの周囲に塵埃捕捉容器14が配置されている。塵埃捕捉容器14は図２に示したものと同様であってよい。

真空容器１３内の塵埃は自重により下方に落下し塵埃捕捉容器14に捕捉される。真空容器１３内に電界が生成されると、塵埃は下方に落下し塵埃捕捉容器14に捕捉される。一旦塵埃捕捉容器14に捕捉された塵埃はそこから飛び出すことはない。

こうして、真空容器１３内の塵埃は塵埃捕捉容器14に捕捉されるから、塵埃に起因した短絡を防止することができる。

図５を参照して塵埃捕捉容器をＣＴ用Ｘ線管に設けた例を説明する。ＣＴ用Ｘ線管は、ガラス製の真空容器23と、その中に配置された回転陽極21と電子銃を含む陰極22とを有する。真空容器23の周囲に複数の塵埃捕捉容器24が設けられている。ＣＴ用Ｘ線管は、回転するドーナツ状の筒の内部に設置され、ドーナツ状の筒の回転と同じ周期で高速回転する。ＣＴ用Ｘ線管は水平方向の軸線周りに回転する。ＣＴ用Ｘ線管内の塵埃は遠心力により回転軸線より半径方向外方向に飛び、真空容器23の周囲に配置された塵埃捕捉容器24に捕捉される。

図６を参照して、ＣＴ用Ｘ線管に設けられた塵埃捕捉容器24の構造の詳細を説明する。図示のように塵埃捕捉容器24は、周回底板24-aと２枚の側面板24-b,24-cと上部の蓋板24-dとを有し、これらの部材によって空間２６が形成される。周回底板24-aと２枚の側面板24-b,24-cは真空容器23に接続され、真空容器23と共に回転する。蓋板24-dと側面板24-b,24-cは互いに分離しており、従って、真空容器23が回転しても蓋板24-dは回転しない。真空容器23内の塵埃は、遠心力によって半径方向外方に移動し、矢印にて示すように、蓋板24-dと側面板24-b,24-cとの隙間から空間２６内に捕捉される。一旦空間２６内に捕捉された塵埃はそこから外に飛び出ることはない。

周回底板24-aと蓋板24-dの一部にはＸ線を取り出すためにガラス25が設けられている。このような構成でも、十分に塵埃を捕捉することができるが、本例では更に、蓋板24-dに蓋板重り24-gが設けられ、蓋板重り24-gの先端に蓋板レール24-fが設けられている。一方、周回底板24-aには蓋板摺動輪24-eが設けられている。蓋板摺動輪24-eの突起は、蓋板レール24-fの凹部内に配置されている。しかしながら、蓋板摺動輪24-eは真空容器23と共に回転するが、回転蓋板レール24-fは静止している。従って、蓋板摺動輪24-eと回転蓋板レール24-fは互いに離れている。こうして本例では、ＣＴ用Ｘ線管が回転しても塵埃捕捉容器24の蓋板24-dは回転しないので安定的に塵埃を捕捉することができる。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明の一実施例になる直流高電圧真空容器を示す断面図である。 本発明による塵埃捕捉容器の構造を示す図である。 円柱棒の直径と短絡発生回数を示す特性図である。 本発明の一実施例になる直流高電圧真空容器を電子顕微鏡の電子銃に適用した例を示す断面図である。 本発明の一実施例になる直流高電圧真空容器をＣＴ用Ｘ線管に適用した例を示す断面図である。 本発明の一実施例になる直流高電圧真空容器の塵埃捕捉容器をＣＴ用Ｘ線管に適用した例を示す断面図である。

符号の説明

１、２…電極、３…ケーシング、４…密閉空間、５…塵埃捕捉容器、６…外側

Claims (4)

1. 絶縁壁によって形成されたケーシングと、該ケーシング内に形成された真空排気された密閉空間と、該密閉空間内に配置され直流が印加される電極と、上記密閉空間内の塵埃を捕捉する塵埃捕捉容器と、を有し、該塵埃捕捉容器は上記電極によって形成される電界の影響を受けない位置に配置され、
   上記電極は上側の電極と下側の電極を有し、上記塵埃捕捉容器は上記下側の電極の周囲に且つ上記ケーシングの底部に設けられ、
   上記塵埃捕捉容器は、内側円筒部と外側円筒部とリング状の底板とを有し、これらの３つの部材によってリング状の溝が形成され、該リング状の溝の中央には、上記下側の電極が配置されるための貫通孔が形成され、上記リング状の溝の上端に、複数の棒が半径方向に沿って所定の間隔にて配置されていることを特徴とする直流高電圧真空装置。
2. 請求項１記載の直流高電圧真空装置において、上記電極の一方は電子銃であり、上記電極の他方は筒状の電極であり、上記塵埃捕捉容器は上記筒状の電極の周囲に配置されていることを特徴とする直流高電圧真空装置。
3. 絶縁壁によって形成されたケーシングと、該ケーシング内に形成された真空排気された密閉空間と、該密閉空間内に配置され直流が印加される電極と、上記密閉空間内の塵埃を捕捉する塵埃捕捉容器と、を有し、該塵埃捕捉容器は上記電極によって形成される電界の影響を受けない位置に配置され、
   上記ケーシングは水平な軸線周りに回転可能な管球であり、上記塵埃捕捉容器は、上記管球の周囲に設けられていることを特徴とする直流高電圧真空装置。
4. 請求項３記載の直流高電圧真空装置において、上記塵埃捕捉容器は、上記管球に設けられ上記管球と共に回転する外周面部材及び該外周面の両側の側面部材と、該外周面部材及び側面部材によって形成される容器を覆うように設けられ固定された内周面部材と、上記内周面部材と上記側面部材の間に形成された開口と、を有し、上記管球内の塵埃が遠心力によって上記開口を経由して上記塵埃捕捉容器内に入るように構成されていることを特徴とする直流高電圧真空装置。
   

Images