KR20140131365A - 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치는 엔빌로프, 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키도록 구성된 와류 발생기, 그 사이에 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성된 엔빌로프 내의 제1 및 제2 전극, 및 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 관련된 절연 하우징을 포함한다. 상기 장치는 전자기 방사선이 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 차폐 시스템을 추가로 포함한다. 상기 장치는 차폐 시스템을 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함한다.

Description

전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHODS FOR GENERATING ELECTROMAGNETIC RADIATION}

본 발명은 전자기 방사선(electromagnetic radiation)을 발생시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 예시적인 실시예는 아크(arc) 튜브 또는 엔빌로프(envelope)의 내측 표면을 따라 액체의 와류(vortexing) 흐름을 갖는 아크 램프에 관한 것이다.

전기 아크 램프는 광범위한 목적을 위한 전자기 방사선을 생산하는 데 사용된다. 종래의 전형적인 직류(DC) 아크 램프는 자주 아크 튜브로서 지칭되는 석영(quartz) 엔빌로프 내에 장착되는 2개의 전극, 즉 캐소드 및 애노드를 포함한다. 엔빌로프는 제논(xenon) 또는 아르곤과 같은 불활성 가스로 채워진다. 전력 공급부는 전극들 사이에 연속적인 플라즈마 아크를 유지하는데 사용된다. 플라즈마 아크 내에서, 플라즈마는 높은 전류에 의해 입자 충돌을 통해 고온으로 가열되며, 또한 전극들 사이를 흐르는 전류에 대응하는 세기로 전자기 방사선을 방출한다.

가장 강력한 타입의 아크 램프는 이른바 "수벽(water-wall)" 아크 램프이며, 여기에서 물과 같은 액체는 아크 챔버 엔빌로프의 내측 표면을 따라 흐르는 와류 액체 벽("수벽")을 형성하기 위해 접선 속도로 아크 챔버를 통해 순환된다. 와류 액체 벽은 이를 통해 아크가 방출되는 불활성 가스 컬럼(column)의 주변을 냉각한다. 이 냉각 효과는 아크 직경에 제약을 가하며, 또한 아크에 포지티브 다이나믹 임피던스를 제공한다. 와류 액체 벽의 급속한 흐름율은 이 냉각 효과가 아크 방출의 전체 길이에 대해 대략 일정한 것을 보장하여, 균일한 아크 상태 및 전자기 방사선의 공간적으로 균일한 방출로 나타난다. 불활성 가스의 와류 흐름은 아크를 안정시키기 위해 와류 액체 벽으로부터 바로 방사방향으로 내향하여 유지된다. 와류 액체 벽은 엔빌로프의 내측 표면으로부터 열을 효과적으로 제거하고 또한 적외선을 흡수하며, 따라서 엔빌로프에 의해 흡수된 전자기 방사선의 양을 낮춘다. 또한, 와류 액체 벽은 전극에 의해 증발된 또는 스퍼터링된 임의의 물질을 제거하여, 엔빌로프의 암화(暗化)(darkening)를 방지한다. 본 출원과 중복되는 발명자권을 공유하며 또한 여기에 참조인용된, 노드웰(Nodwell) 등에 허여된 미국 특허 제4,027,185호는 제1 수벽 아크 램프를 개시하고 있는 것으로 여겨진다. 이런 수벽 아크 램프에 대한 추가적인 개선이 캠(Camm) 등에 허여된 미국 특허 제4,700,102호, 캠 등에 허여된 미국 특허 제4,937,490호, 파르페니욱(Parfeniuk) 등에 허여된 미국 특허 제6,621,199호, 캠 등에 허여된 미국 특허 제7,781,947호, 및 캠 등에 의한 미국 특허출원 공개 제2010/0276611호에 개시되어 있으며, 본 출원과 중복된 발명자권을 공유하는 이 모든 것은 본 출원과 공동으로 소유되며, 또한 여기에 참조인용된다.

와류 액체 벽의 전술한 효과로 인해, 이런 수벽 아크 램프는 다른 타입의 아크 램프 보다 훨씬 더 높은 전력속(電力束)(power flux)을 가질 수 있다. 예를 들어, 노드웰 등에 허여된 전술한 미국 특허 제4,027,185호는 140 킬로와트에서의 작동을 서술 및 고려하고 있으며, 또한 본 출원의 양수인에 의해 제조된 후속의 수벽 아크 램프는 500 킬로와트까지 연속적인 작동을 위해 또한 6 메가와트까지 펄스형 또는 플래시형(flashed) 작동을 위해 등급이 매겨졌다. 그에 반해, 다른 타입의 아크 램프는 전형적으로 수십 킬로와트로 제한된 연속적인 출력을 갖는, 덜 강력한 크기의 전체 치수이다.

이런 고-전력 수벽 아크 램프의 많은 적용은 수 초와 같은 짧은 기간 동안의 작동만을 요구한다. 예를 들어, 공동으로 소유된 미국 특허 제6,941,063호에 개시된 바와 같이, 반도체 웨이퍼의 플래시-보조형(flash-assisted) 급속 열 어닐링에 있어서, 아르곤 플라즈마 수벽 아크 램프는 웨이퍼를 초 당 250℃ 내지 초당 400℃ 의 램프율(ramp rate)로 실온으로부터 600℃ 내지 1250℃ 범위의 어딘가의 중간 온도로 대략 등온(isothermal) 방식으로 단지 수초 동안 가열하기 위해, 반도체 웨이퍼를 연속적으로 조사(照射)(irradiate)하도록 활성화될 수 있다. 중간 온도에 도달함에 따라, 다른 아르곤 플라즈마 수벽 아크 램프는 급작스러운 고-전력 조도(照度)(irradiance) 플래시를 생산하도록 활성화되며, 이것은 장치 측부 표면을 초 당 100,000℃ 를 초과하는 램프율로 더 높은 어닐링 온도로 가열하기 위해 예를 들어 약 1 밀리초(millisecond)의 주기를 가질 수 있다. 따라서, 각각의 어닐링 사이클에 있어서, 수벽 아크 램프는 어닐링 사이클들 사이에 긴 냉각 기간을 가지며 1 밀리초로부터 수 초 범위의 주기 동안 활성될 수 있다.

본 발명자들은 이전의 전형적인 적용에 포함되었던 것 보다 더욱 도전적인 조건으로 더 긴 주기 동안 수벽 아크 램프의 연속적인 작동을 조사하였다. 이런 조건은 다른 타입의 아크 램프가 그 상당히 낮은 전력 출력으로 인해 이런 조건을 유발시킬 수 없기 때문에, 임의의 다른 타입의 아크 램프에 의해 이전에 경험한 것으로는 여겨지지 않는다.

예를 들어, 본 발명자들은 클래딩(cladding) 프로세스에 사용하기 위해 레이저 또는 용접 클래딩 헤드에 대한 대안으로서 수벽 아크 램프를 조사하였으며, 그에 따라 다양한 타입의 코팅이 금속 구조물에 융착(fuse)된다. 금속 구조물은 강철 파이프, 튜브, 플레이트(plate) 또는 바아(bar), 또는 그 내구성 및 수명이 부식 또는 마모에 의해 악영향을 받는 임의의 다른 구조물을 포함할 수 있다. 코팅은 예를 들어 내식성(corrosion resistant) 합금, 내마모성 합금, 서멧(cermet), 세라믹 또는 금속 분말을 포함할 수 있다. 코팅은 금속 구조물상에 침착(deposit)되며, 또한 아크 램프는 그후 코팅을 금속 구조물에 야금학적으로 접합하기 위해 코팅을 열처리한다.

예를 들어, 파이프의 내측 표면에 내식성 코팅의 접합과 같은 일부 이런 클래딩 적용은, 특별한 도전을 제기한다. 이런 프로세스를 위해, 수벽 아크 램프는 아크에 의해 방출된 실질적으로 모든 전자기 방사선을 직사각형 비임(beam)으로 지향시키기 위해 특수화된 반사기(reflector)에 끼워질 수 있다. 그후, 수벽 아크 램프는 하향으로 향하는 비임으로 파이프 내측에 삽입되며, 또한 상기 파이프는 아크 램프가 파이프의 중심 축선을 따라 전방으로 점진적으로 이동할 동안 그 중심 축선에 대해 회전되며, 그에 따라 파이프의 전체 내부 표면을 따라 비임을 스캐닝하고 또한 코팅을 파이프에 야금학적으로 접합한다. 유리하게, 수벽 아크 램프를 한 번에 100 내지 500 킬로와트의 전력 레벨로 수 시간 동안 연속적으로 작동시킴으로써, 처리량(throughput)은 종래의 레이저 또는 용접 클래딩 프로세스 이상으로 상당히 증가될 수 있다.

그러나, 본 발명자들은 이전의 수벽 아크 램프 디자인은 이런 조건에 대해 이상적으로 적합할 수 없음을 발견하였다. 전술한 미국 특허 제4,027,185호, 4,700,102호, 및 제4,937,490호에 개시된 예시적인 실시예와 같은 초기 디자인은 그 도전성 전극 조립체를 둘러싸는 절연 하우징을 갖지 않으며, 또한 그에 따라 아크가 2개의 전극들 사이가 아니라 도전성 전극 조립체들 중 하나와 파이프 사이에 부주의하게 형성되는 것을 유발시키는 전압 파괴의 가능성으로 인해, 작은 직경의 금속 파이프 내로의 삽입에 부적절하다. 전술한 미국 특허 제6,621,199호 및 제7,781,947호에 개시된 예시적인 실시예와 같은 나중의 디자인은, 그 캐소드 조립체를 둘러싸는 절연 하우징을 가지며, 또한 그 애노드가 접지되거나 또는 접지 전위에 상대적으로 가깝게 유지될 수 있으므로, 이런 램프는 전압 파괴 및 부주의한 아크 방전(arcing)의 위험성 없이 접지된 도전성 파이프 내로 삽입될 수 있다. 그러나, 이들 나중의 두 디자인의 예시적인 실시예는 아크로부터 상대적으로 작은 백분율의 전자기 방사선이 아크 램프 내에서 내부로 이동하고 또한 절연 하우징의 내부 표면을 타격하는 것을 허용할 수 있다.

절연 하우징의 내부 표면상에 입사된 아크 방사선이 높은 전력 레벨에서 더 짧은 작동 기간을 또는 낮은 전력 레벨에서 더 긴 작동 기간을 포함하는 종래의 조건에 대해 문제가 되는 경향이 없더라도, 수백 킬로와트로 장기간 동안 일관된 연속적인 작동에 대해 새로운 문제점이 발생하기 시작할 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,781,947호에 개시된 바와 같이, 캐소드 조립체를 둘러싸는 절연 하우징은 ULTEM™ 플라스틱으로 제조될 수 있으며, 이것은 탁월한 내열성 및 이것이 높은 전압을 고립(standoff)시키는 것을 허용하는 유전체 특성을 갖는 비정질 열가소성 폴리에테르이미드(PEI) 수지이다. 그러나, ULTEM™ 플라스틱의 어마어마한 내열 특성에도 불구하고, 예를 들어 일부 클래딩 적용을 위해 연속적인 작동의 분 내지 수 시간 범위의 긴 주기 동안 심지어 수백 킬로와트의 막대한 전력 레벨로 작동할 때 아크에 의해 방출된 매우 작은 백분율의 전자기 방사선에 대한 일관된 노출은, 결국 플라스틱의 과열 및 노출된 표면의 용융(melting)을 유발시킬 수 있다. 더욱이, 플라스틱은 아크에 의해 방출된 일부 파장에 대해 적어도 부분적으로 투명하려는 경향이 있으며, 그 결과 아크 방사선은 플라스틱 내로 깊이 흡수될 수 있어서 내부 가열 및 용융을 유발시키며, 또한 플라스틱을 통해 이동하고 그리고 인접한 금속 부품을 조사할 수 있어서, 금속 부품이 금속에 인접한 플라스틱의 표면을 용융시키기에 충분히 뜨거워지는 것을 유발시킨다.

이런 과열 문제는 일부 클래딩 적용에 포함된 환경적인 조건에 의해 악화될 수 있다. 예를 들어, 코팅을 파이프의 내측 표면에 야금학적으로 접합하기 위해 아크 램프가 8-인치 직경 파이프 내로 삽입된다면, 파이프 내의 제한된 공간 허용 및 오차 허용도(clearance)는 열을 그 주변 환경으로 소산(dissipate)시키는 램프의 능력을 감소시키려는 경향이 있다. 더욱이, 램프는 가열된 파이프가 적외선을 방출할 수 있고 또한 대기를 통한 도전 및 대류(convection)를 통해 램프를 가열시킬 수도 있기 때문에, 그 환경에 의해 가열될 수도 있다.

본 발명자들은 단순히 세라믹 층과 같은 불투명한 차폐물(shield)을 ULTEM™ 플라스틱의 내부 표면상에 직접적으로 위치시키는 것은 차폐물이 아크 방사선에 의해 충분히 가열되어 플라스틱의 인접한 표면을 용융시키려는 경향이 있기 때문에, 이들 문제를 해결하기에 자체적으로 충분하지 않다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 단순히 ULTEM™ 플라스틱을 세라믹 절연 하우징으로 교체하는 것은 이들 문제에 대해 자체적으로 실행 가능한 해결책이 아님을 발견하였다. 세라믹 물질이 아크 방사선에 대해 불투명하고 또한 ULTEM™ 플라스틱 보다 훨씬 큰 내열성을 갖더라도, 내부의 노출된 표면을 가열하는 것은 세라믹 물질을 균열시키려는 경향이 있는, 세라믹 물질에 큰 열 구배(gradient) 및 응력을 유발시키며, 또한 이런 균열은 그 상대적으로 낮은 파괴 인성(fracture toughness)으로 인해 세라믹 물질에 특히 문제가 된다. 세라믹 물질과 ULTEM™ 플라스틱의 열팽창 차이는 플라스틱에 응력을 생성시킬 수 있으며, 이것이 파괴로 이어진다. 더욱이, 세라믹 물질은 너무 취성(brittle)이어서 절연 하우징이 일부 적용에 대해 견딜 것으로 예상되는 기계적 응력을 견디지 못할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예에 따라, 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치는 엔빌로프, 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키도록 구성된 와류 발생기, 그 사이에 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성된 엔빌로프 내의 제1 및 제2 전극, 및 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 관련된 절연 하우징을 포함한다. 상기 장치는 전자기 방사선이 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 차폐 시스템을 추가로 포함한다. 상기 장치는 차폐 시스템을 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 추가로 포함한다.

유리하게, 이런 실시예에 있어서, 차폐 시스템은 아크에 의해 방출된 전자기 방사선이 절연 하우징의 내부 표면을 타격하는 것을 방지하며, 그에 따라 직접적인 조도에 의한 절연 하우징의 과열 및 용융을 방지한다. 유사하게, 또한 차폐 시스템은 내부 아크 방사선이 절연 하우징을 통해 이동하고 또한 아크 램프의 다른 인접한 부품을 타격하는 것을 방지하며, 그에 따라 이런 다른 인접한 부품들이 절연 하우징의 인접한 표면을 과열 및 용융시키는 것을 방지한다. 차폐 시스템을 냉각함으로써, 차폐 시스템의 과열이 피해지며, 그에 따라 유리하게 차폐 시스템의 부품이 절연 하우징의 인접한 표면을 과열 및 용융시키는 것을 방지한다.

다른 예시적인 실시예에 따라, 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치는 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키기 위한 수단, 및 엔빌로프 내에서 제1 및 제2 전극들 사이에 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 수단을 포함한다. 상기 장치는 전자기 방사선이 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하기 위한 수단을 추가로 포함한다. 상기 장치는 상기 차단하기 위한 수단을 냉각시키기 위한 수단을 추가로 포함한다.

다른 예시적인 실시예에 따라, 전자기 방사선을 발생시키는 방법은 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키는 단계, 및 엔빌로프 내에서 제1 및 제2 전극들 사이에 플라즈마 아크를 발생시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 전자기 방사선이 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차폐 시스템으로 차단하는 단계를 추가로 포함한다. 상기 방법은 차폐 시스템을 냉각하는 단계를 추가로 포함한다.

차단 단계는 차폐 시스템의 절연 차폐 부품의 불투명한 표면으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 절연 차폐 부품은 세라믹 차폐 부품을 포함할 수 있다. 냉각 단계는 절연 차폐 부품의 불투명한 표면을 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.

대안적으로, 또는 추가하여, 차단 단계는 엔빌로프의 불투명한 부분으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 엔빌로프의 불투명한 부분은 그 내측 표면상에 불투명한 코팅을 갖는 엔빌로프의 일부를 포함할 수 있다. 대안적으로, 엔빌로프의 불투명한 부분은 불투명한 석영으로 구성될 수 있다. 냉각 단계는 엔빌로프의 불투명한 부분을 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.

대안적으로, 또는 추가하여, 차단 단계는 차폐 시스템의 도전성 차폐 부품의 불투명한 표면으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 냉각 단계는 도전성 차폐 부품을 도전성으로 냉각하는 단계를 포함할 수 있다. 도전성으로 냉각하는 단계는 도전성 차폐 부품과 액체 냉각된 도전체 사이에서 열 에너지를 도전시키는 단계를 포함할 수 있다.

따라서, 일부 실시예에 있어서, 차단 단계는 차폐 시스템의 절연 차폐 부품의 불투명한 표면, 엔빌로프의 불투명한 부분, 및 차폐 시스템의 도전성 차폐 부품의 불투명한 표면으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

차단 단계는 전자기 방사선이 O-링 시일(seal)을 타격하는 것을 차단하는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 엔빌로프에 대해 적어도 하나의 부품을 내열성 O-링 시일로 밀봉하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

상기 방법은 전자기 방사선이 전극들 중 다른 하나의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 제2 차폐 시스템으로 차단하는 단계, 및 제2 차폐 시스템을 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

차단 단계는 전자기 방사선이 엔빌로프의 환형의(annular) 내부 용적으로부터 축방향으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해, 차폐 시스템의 광-파이핑(light-piping) 차폐 부품으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 광-파이핑 차폐 부품은 엔빌로프의 말단 단부에 인접한 불투명한 와셔(washer)를 포함할 수 있다. 냉각 단계는 와셔를 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.

상기 방법은 절연 하우징의 외측 표면의 적어도 일부를 외부 열 차폐물로 열-차폐하는 단계, 및 외부 열 차폐물을 냉각하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

예시적인 실시예의 다른 양태 및 특징은 첨부한 도면과 함께 이런 실시예의 하기의 설명의 검토에 따라 본 기술분야의 숙련자에게 명확해질 것이다.

도면은 본 발명의 실시예를 도시하고 있다.

도 1은 제1 실시예에 따라 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치의 등각도이다.
도 2는 도 1의 장치의 단면도이다.
도 3은 도 1의 장치의 일부의 상세한 단면도이다.
도 4는 도 1의 장치의 캐소드 조립체의 분해된 등각도이다.
도 5는 도 4에 도시된 캐소드 조립체의 분해된 단면도이다.
도 6은 도 1의 장치의 엔빌로프의 세그먼트형 단면도이다.
도 7은 도 1의 장치의 애노드 조립체의 분해된 등각도이다.
도 8은 도 6에 도시된 애노드 조립체의 분해된 단면도이다.
도 9는 도 1의 장치의 애노드 측단면도이다.
도 10은 도 1의 장치의 캐소드 측단면도이다.
도 11은 제2 실시예에 따라 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치의 엔빌로프의 세그먼트형 단면도이다.
도 12는 제3 실시예에 따라 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치의 등각도이다.

도 1, 2 및 3에 있어서, 본 발명의 제1 실시예에 따라 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치가 도 2에 일반적으로 도면부호 100 으로 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 엔빌로프(102), 및 상기 엔빌로프(102)의 내측 표면을 따라 액체(106)의 와류 흐름을 발생시키도록 구성된 와류 발생기(104)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 그 사이에 플라즈마 아크(112)를 발생시키도록 구성된 엔빌로프(102) 내에 제1 및 제2 전극(108, 110)을 추가로 포함한다.

이 실시예에 있어서, 장치(100)는 전극들 중 하나로의, 이 실시예에서는 제1 전극(108)으로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징(114), 및 전자기 방사선이 절연 하우징(114)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 일반적으로 도면부호 116 으로 도시된 차폐 시스템을 추가로 포함한다. 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 차폐 시스템(116)을 냉각하도록 구성된 일반적으로 도면부호 118 로 도시된 냉각 시스템을 추가로 포함한다.

이 실시예에 있어서, 장치는 전극들 중 다른 하나의, 이 실시예에서는 제2 전극(110)의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 절연 하우징(120), 및 전자기 방사선이 제2 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 제2 차폐 시스템(122)을 추가로 포함한다. 또한, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 제2 차폐 시스템(122)을 냉각하도록 구성된다.

제1 및 제2 차폐 시스템(116, 122)과 그리고 냉각 시스템(118)이 하기에 더욱 상세히 서술된다.

일반적으로, 제1 및 제2 차폐 시스템(116, 122)과 또한 하기에 더욱 상세히 서술된 냉각 시스템(118)의 상보적인(complementary) 양태를 제외하고는, 장치(100)는 전술한 공동으로 소유된 미국 특허 제7,781,947호에 개시된 바와 유사하다. 따라서, 불필요한 반복을 피하기 위해, 본 실시예의 부수적인 특징의 많은 상세한 내용이 본 발명으로부터 생략된다.

캐소드 조립체 및 캐소드 측부 차폐 시스템

도 1, 2, 3, 4, 및 5를 참조하면, 이 실시예에서 장치(100)는 도 4 및 5에 일반적으로 도면부호 400 으로 도시된 캐소드 조립체를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 캐소드 조립체(400)는 캐소드 격리 스페이서(404)에 연결된 캐소드 공급 플레이트(402)를 포함하며, 이것은 다시 와류 발생기(104)에 연결되며, 이것은 다시 제1 전극(108)에 연결되고, 이것은 이 실시예에서 캐소드로서 작용한다.

이 실시예에 있어서, 캐소드 공급 플레이트(402)는 액체 냉각제(coolant) 입구 포트(410), 액체 냉각제 출구 포트(412), 및 불활성 가스 공급 입구 포트(414)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 액체 냉각제 입구 포트(410)는 이 실시예에서 탈-이온수(de-ionized water)인 액체 냉각제의 가압된 공급을 수용하며, 또한 액체 냉각제를 와류 발생기(104)에 그리고 제1 전극(108)에 공급한다. 또한, 이 실시예에 있어서, 액체 냉각제 출구 포트(412)는 제1 전극(108)의 내부를 통해 순환된 액체 냉각제를 배출한다. 제1 전극(108)을 통한 액체 냉각제의 순환은 전술한 공동으로 소유된 미국 특허 제7,781,947호에 더욱 상세히 개시되어 있으며, 또한 그에 따라 여기에서는 추가적인 상세한 내용이 생략된다. 마지막으로, 이 실시예에 있어서, 불활성 가스 공급 입구 포트(414)는 이 실시예에서는 아르곤인 불활성 가스의 가압된 공급을 수용하며, 또한 이를 와류 발생기(104)에 공급한다.

이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 액체 냉각제의 가압된 공급을 수용하며, 이것은 그후 가압된 액체를 엔빌로프(102) 내로 배출하는 와류 발생기 내의 복수개의 내부 구멍을 통해 채널링(channeling)된다. 특히, 액체가 와류 발생기의 구멍을 통해 강제될 때, 이것은 엔빌로프(102)에 대해 방사방향 및 축방향으로의 성분을 갖는 속도 뿐만 아니라 엔빌로프(102)의 내측 표면의 원주에 접하는 속도 성분을 획득한다. 따라서, 가압된 액체가 와류 발생기(104)를 빠져나가고 그리고 엔빌로프(102)에 들어갈 때, 액체는 이것이 제2 전극(110)을 향해 축방향으로 엔빌로프를 횡단할 때 엔빌로프(102)의 내측 표면의 둘레로 순환하는 액체(106)의 와류 흐름("수벽"으로도 지칭되는)을 형성한다. 유사하게, 이 실시예에 있어서, 또한 와류 발생기(104)는 불활성 가스의 가압된 공급을 수용하며, 이것은 와류 발생기(104) 내의 복수개의 구멍을 통해 채널링되며 또한 그후 액체(106)의 와류 흐름으로부터 미세하게 방사방향으로 내향하여 엔빌로프(102) 내로 배출되므로, 빠져나가는 가스는 방사방향 및 축방향 뿐만 아니라 수벽의 내측 표면에 접하는 속도 성분도 갖는다. 따라서, 가압된 가스가 와류 발생기(104)로부터 그리고 엔빌로프(102) 내로 강제될 때, 이것은 액체(106)의 와류 흐름으로부터 바로 방사방향으로 내향하여, 액체(106)의 와류 흐름과 동일한 회전 방향으로 둘레로 빙글빙글 도는 와류 가스 흐름을 형성한다. 액체(106)의 와류 흐름 및 그 내부에 포함된 가스의 와류 흐름을 발생시키기 위해 와류 발생기(104) 및 그 내부의 구멍의 구조는 전술한 공동으로 소유된 미국 특허 제7,781,947호에 개시되어 있으며, 또한 그에 따라 여기에서는 추가적인 상세한 설명이 생략된다.

이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 전기 도전체이다. 특히, 이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 황동(brass)으로 구성되며, 또한 이 실시예에서는 캐소드로서 작용하는 제1 전극(108)으로의 전기 연결부의 일부를 형성한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 제1 전극(108)으로의 전기 연결부는 도 1에 도시된 절연된 전기 버스바아(busbar)(420)를 포함하며, 이것은 절연 하우징(114)을 통해 연장하는 도 1 및 4에 도시된 절연된 버스 커넥터(422)를 통해, 도 4에 도시된 와류 발생기(104)의 전기 연결 표면(424)에 연결된다. 이 실시예에 있어서, 절연된 버스 커넥터(422)는 장치(100)의 애노드 측부를 향하는 연결 포트를 가지며, 이것은 최소한의 방사방향 외향 돌출로 조밀한(compact) 전기 연결을 촉진시킨다. 따라서, 절연된 전기 버스바아(420), 절연된 버스 커넥터(422), 및 와류 발생기(104)는 모두 캐소드로의 전기 연결의 부분을 형성한다.

따라서, 작동 중, 와류 발생기(104)는 제1 전극(108)과 동일한 전위에 있다. 이 실시예에 있어서, 절연된 전기 버스바아(420)의 다른 단부는 전기 케이블에 의해 장치(100)를 위한 전력 공급부(도시되지 않음)의 네거티브 전압 단자(terminal)에 연결되며, 그에 따라 제1 전극(108) 및 와류 발생기(104)를 전력 공급부의 네거티브 단자에 연결한다. 전력 공급부는 예를 들어 플래시-램프 작동을 위한 전용의 커패시터 뱅크와 같은 이 실시예의 연속적인 작동에 요구되지 않는 부품들을 선택적으로 생략하고 있는, 예를 들어 전술한 미국 특허 제7,781,947호에 개시된 바와 유사한 전력 공급부를 포함할 수 있다. 대안적으로, 다른 적절한 전력 공급부가 대체될 수 있다. 따라서, 이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 전력 공급부 및 캐소드의 네거티브 단자와 동일한 전압으로 있으며, 이것은 이 실시예에서 접지에 대해 시동 시 약 30 킬로볼트 정도의 높은 전압 및 작동 시 300 볼트까지의 전압을 포함할 수 있다.

이 실시예에 있어서, 캐소드 격리 스페이서(404)는 와류 발생기(104)와 캐소드 공급 플레이트(402) 사이의 전압 파괴 및 의도하지 않은 아크 방전을 방지하기 위해, 와류 발생기(104)와 캐소드 공급 플레이트(402) 사이에 고-전압 고립 절연기로서 작용한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 캐소드 격리 스페이서(404)는 열가소물로 구성되며, 이것은 이 실시예에서는 백색 DELRIN™ 폴리옥시메틸렌(POM)이다.

마찬가지로, 와류 발생기(104)가 제1 전극(108)으로의 전기 연결부의 일부를 형성하기 때문에, 이 실시예에서 절연 하우징(114)이 와류 발생기(104)를 둘러싸고, 또한 와류 발생기(104)와 장치(100)에 근접한 임의의 도전성 물체 사이의 부주의한 전압 파괴 또는 아크 방전을 방지하기 위해 고립 절연 하우징으로서 작용한다. 실제로, 이 실시예에 있어서, 절연 하우징(114)은 전체 와류 발생기(104) 및 대부분의 제1 전극(108)을 둘러싼다. 절연 하우징(114)이 제1 전극(108)의 축방향으로 최내측인(innermost) 팁을 둘러싸지 않을 정도로, 절연 하우징(114) 및 엔빌로프(102)가 축방향으로 중첩되므로, 제1 전극(108)의 상기 최내측 부분이 엔빌로프(102)에 의해 둘러싸인다. 따라서, 와류 발생기(104) 및 제1 전극(108)의 전체 고-전압 서브조립체는 엔빌로프(102)와 절연 하우징(114)의 중첩 조합에 의해 둘러싸인다. 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)는 하기에 더욱 상세히 서술되는 바와 같이 석영으로 구성된다. 또한, 이 실시예에 있어서, 절연 하우징(114)은 비정질 열가소성 폴리에테르이미드(PEI) 수지, 즉 SABIC(예전에 제너럴 일렉트릭 플라스틱스 디비전에 의한)에 의해 제조된 ULTEM™ 플라스틱이다.

이 실시예에 있어서, 절연 하우징(114)은 ULTEM™ 의 2개의 분리된 부재, 즉 축방향으로 최외측인(outermost) 부재(114a) 및 축방향으로 최내측인 부재(114b)로부터 제조되며, 이것은 도 2, 3, 및 5에 도시된 바와 같이 함께 접착제로 접합 및 볼트결합된다. 조립되었을 때, 와류 발생기(104)는 절연 하우징(114)의 축방향으로 최외측인 부재(114a)에 의해 완전히 둘러싸여지며, 또한 와류 발생기(104)의 축방향으로 내향하여-마주하는(inward-facing) 표면은 절연 하우징(114)의 축방향으로 최내측인 부재(114b)의 축방향으로 외향하여-마주하는 표면에 대해 O-링으로 밀봉되며, 이것은 이 실시예에서 실리콘으로 구성된다.

도 3 내지 도 5를 참조하면, 이 실시예에 있어서, 절연 하우징(114)은 이 실시예에서는 질소인 가압된 절연 가스를 수용하기 위해 절연 가스 공급 입구 포트(430)를 추가로 포함한다. 가압된 질소는 2-부재형(two-piece) 절연 하우징(114)의 축방향으로 최내측인 부재의 방사방향으로 내향하여-마주하는 표면과 하기에 논의되는 절연 차폐 부품(440)의 방사방향으로 외향하여-마주하는 표면 사이에 형성된, 도 3에 도시된 얇은 간극(432)을 채운다. 얇은 간극(432)은 2개의 O-링(442, 444)에 의해 밀봉되며, 이것은 이 실시예에서는 실리콘으로 구성되어 있다. 가압된 질소 간극은 효과적인 높은 전압 연면(沿面) 거리(creepage distance)를 증가시키며, 그에 따라 제1 전극(108)의 높은 전압을 고립시키고 또한 제1 전극과 제2 전극(110) 이외의 도전성 물체[하기에 서술된 차폐 시스템의 구리 도전성 차폐 부품을 특히 포함하지만, 더 일반적으로는 장치(100)의 내부 또는 외부에서 전극에 근접한 임의의 다른 도전성 물체를 포함함] 사이의 부주의한 전압 파괴 또는 아크 방전을 방지하는 절연 하우징(114)의 능력을 강화시킨다.

도 2, 3, 4, 5, 및 6을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 캐소드 조립체(400)는 차폐 시스템(116)의 다양한 부품을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 절연 차폐 부품(440)을 포함하며, 이것은 이 실시예에서 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 불투명한 표면을 갖는다. 특히, 이 실시예에 있어서, 절연 차폐 부품(440)은 불투명한 세라믹 물질로 구성된 세라믹 차폐 부품이며, 또한 그에 따라 그 모든 표면이 불투명하다. 특히, 아직 이 실시예에 있어서, 절연 차폐 부품(440)은 코닝(Corning)에 의해 제조된 가공 가능한 유리 세라믹인 MACOR™ 으로 구성된다.

또한, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 도전성 차폐 부품(450)을 포함하며, 이것은 이 실시예에서도 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 불투명한 표면을 갖는다. 특히, 이 실시예에 있어서, 도전성 차폐 부품(450)은 가공된 구리로 구성되어 있으며, 또한 그에 따라 그 모든 표면이 불투명하다.

도 2, 3, 및 6을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460)을 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460)은 그 내측 표면상에 불투명한 코팅(462)을 갖는 엔빌로프의 부분을 포함한다. 특히, 아직 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)는 헤라에우스(Heraeus)에 의해 제조된 전기적으로 융착된 석영인 HSQ 300 등급(grade)으로 구성되어 있으며, 또한 불투명한 코팅(462)은 HRC™ 헤라에우스 반사 코팅이며, 이것은 높은 열적(thermal) 안정성을 갖는 자외선으로부터 적외선까지 광범위한 스펙트럼 범위에 대해 확산성[램버트에 가까운(near-Lambertian)] 반사율을 제공하는 개방된 다공성 미세구조를 갖는 순수 실리카 물질로 구성된다. 이 실시예에 있어서, 불투명한 코팅(462)은 캐소드 측부에서 엔빌로프(102)의 내측 표면의 축방향으로 최외측 70 mm 위에 적용된다. 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)는 캐소드 측부에서 약 2.5 mm 의 두께를 가지며, 또한 불투명한 코팅은 약 0.5 내지 1 mm 의 두께를 갖는다.

따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 차폐 시스템(116), 또는 특히 절연 차폐 부품(440)의 불투명한 표면, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460), 및 도전성 차폐 부품(450)의 불투명한 표면은 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선이 절연 하우징(114)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 차단한다.

도 3, 5, 및 6을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 아크에 의해 방출된 전자기 방사선이 O-링 시일을 타격하는 것을 차단하도록 추가로 구성된다. 이에 관해, 이 실시예에 있어서, 캐소드 조립체(400)는 엔빌로프(102)에 대해 장치(100)의 적어도 하나의 부품을 밀봉하도록 구성된 내열성 O-링 시일(470)를 추가로 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 내열성 O-링 시일(470)는 차폐 시스템(116)의 절연 차폐 부품(440)의 내부 표면에 대해 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460)의 외측 표면을 밀봉한다. 이 실시예에 있어서, 내열성 O-링 시일(470)는 듀퐁(DuPont)에 의해 제조된 KALREZ™ 과불화 엘라스토머(perfluoroelastomer) O-링 시일이며, 또한 캐소드 조립체(400)의 다른 곳에서 사용된 실리콘 0-링(408, 442, 444) 보다 더 큰 내열성을 갖는다. 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460), 또는 특히 불투명한 코팅(462)은 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선이 내열성 O-링 시일(470)를 타격하는 것을 차단한다.

유리하게, 불투명한 코팅(462)이 엔빌로프(102)의 외측 표면이 아니라 내측에 적용되기 때문에, 불투명한 코팅(462)은 엔빌로프(102)와 절연 차폐 부품(440) 사이를 밀봉하는 내열성 0-링 밀봉부(470)의 능력과 간섭되지 않는다.

또한, 이 실시예에 있어서, 도 3 및 6에 도시된 바와 같이, 차폐 시스템(116)은 전자기 방사선이 엔빌로프의 환형의 내부 용적으로부터 축방향으로 빠져나가는 것을 방지하도록 구성된 광-파이핑 차폐 부품(480)을 추가로 포함한다. 이 실시예에 있어서, 광-파이핑 차폐 부품은 불투명한 와셔를 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 불투명한 와셔는 엔빌로프(102)의 축방향으로 외향하여-마주하는 캐소드 측부와 절연 차폐 부품(440)의 축방향으로 내향하여-마주하는 인접부(abutment) 사이에 개재된 백색 반사형 Teflon™ 스페이서를 포함한다. 대안적으로, 광-파이핑 차폐 부품(480)이 생략될 수 있다.

이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)의 전술한 부품, 즉 절연 차폐 부품(440)의 불투명한 표면, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460), 도전성 차폐 부품(450)의 불투명한 표면, 및 광-파이핑 차폐 부품(480)은 애노드 조립체 및 애노드 측부 차폐 시스템의 요약에 따라 하기에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이 냉각 시스템(118)에 의해 유리하게 냉각된다.

애노드 조립체 및 애노드 측부 차폐 시스템

도 2, 7, 및 8에 있어서, 아크 방사선으로부터 장치(100)의 캐소드 측부에서 절연 하우징(114)의 차폐에 추가하여, 이 실시예에 있어서, 유사한 차폐가 장치(100)의 애노드 측부에 제공된다. 따라서, 여기에서 서두에 언급한 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 전극들 중 다른 하나의, 이 실시예에서는 제2 전극의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 절연 하우징(120)을 추가로 포함하며, 이것은 애노드로서 작용하도록 구성된다. 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 전자기 방사선이 제2 절연 하우징(120)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 제2 차폐 시스템(122)을 추가로 포함한다. 또한, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)이 제2 차폐 시스템(122)을 냉각하도록 구성된다.

도 2, 7, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 장치(100)의 애노드 조립체가 일반적으로 도면부호 700으로 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 애노드 조립체(700)는 액체 및 가스 배출 튜브(702) 및 배출 챔버(704)를 포함하며, 이를 통해 액체(106)의 와류 흐름 및 불활성 가스의 와류 흐름이 장치(100)로부터 배출된다. 이 실시예에 있어서, 액체 및 가스 배출 튜브(702)는 스테인레스 강으로 구성되며, 또한 배출 챔버(704)는 고성능 플라스틱으로 구성된 절연 하우징이며, 이것은 이 실시예에서 ULTEM™ 플라스틱이다. 이 실시예에 있어서, 액체 및 가스 배출 튜브(702)의 축방향으로 최내측인 단부는 도 8에 도시된 2개의 O-링(706)에 의해 배출 챔버(704)의 축방향으로 최외측인 단부 내로 삽입되고 그리고 이에 대해 밀봉되며, 이것은 이 실시예에서는 에틸렌 프로필렌 다이엔(diene) 모노머(EPDM) O-링이다.

도 1, 2, 7 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 애노드 조립체(700)는 제2 전극(110)에 부착되며 또한 이와 전기적으로 통신하는 전극 하우징(708)을 추가로 포함한다. 이 실시예에 있어서, 전극 하우징(708)은 황동으로 구성된 도전성 하우징이며, 또한 전기 연결 표면(710)을 포함한다. 이 실시예에 있어서, 절연된 전기 버스바아[도시되지는 않았지만, 그러나 도 1에 도시된 버스바아(420)와 유사한]는 절연된 버스 커넥터[도시되지는 않았지만, 그러나 도 1에 도시된 커넥터(422)와 유사하며, 또한 최소한의 방사방향 돌출로 조밀한 전기 연결을 촉진시키기 위해 장치(100)의 애노드 측부를 향하는 연결 포트를 갖는]를 통해 전기 연결 표면(710)에 연결된다. 절연된 전기 버스바아의 다른쪽 단부는 전기 케이블(도시되지 않음)에 의해 장치(100)를 위한 전력 공급부(도시되지 않음)의 포지티브 전압 단자에 연결된다. 따라서, 작동 중 전극 하우징(708)은 제2 전극(110)과 동일한 전위에 있으며, 이 둘은 전력 공급부의 포지티브 단자에 연결된다. 이 실시예에 있어서, 이 포지티브 단자 전압은 +300 볼트까지 변할 수 있다. 이 실시예에 있어서, 전극 하우징(708)이 노출되기 때문에, 장치(100)는 전극 하우징과 장치(100)가 삽입될 수 있는 접지된 원통형 파이프 사이에 수 밀리미터를 초과하여 최소한의 분리 간극을 유지하도록 구조적으로 구성되므로, 간극의 대기는 두 구조물들 사이의 최적의 전위차에 대해 파이프로부터 전극 하우징을 충분히 절연한다. 대안적으로, 포지티브 단자 전압은 전술한 미국 특허 제7,781,947호에 개시된 바와 같이 접지될 수 있다.

이 실시예에 있어서, 전극 하우징(708)은 도 7에 도시된 액체 냉각제 입구(712)를 추가로 포함하며, 이것은 냉각 시스템(118)으로부터 액체 냉각제를 수용한다. 액체 냉각제는 도 8에 도시된 냉각 채널(714)을 통해 제2 전극(110) 내로 채널링되며, 이것은 액체 냉각제를 애노드 내로 지향시켜 이것을 냉각시킨다. 액체 냉각제는 제2 전극(110)을 통해 순환하며, 그후 배출 챔버(704) 및 배출 튜브(702) 내로 제2 전극(110)을 빠져나오며, 이를 통해 이것은 엔빌로프(102)를 빠져나오는 액체 및 가스와 함께 장치(100)를 빠져나간다. 제2 전극을 통한 냉각제의 순환이 공동으로 소유된 미국 특허 제7,781,947호에 개시되어 있으며, 또한 그에 따라 여기에서는 추가적인 상세한 내용이 생략된다.

도 2, 7, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 전극 하우징(708)은 그 사이의 연결을 밀봉하는 O-링에 의해 제2 절연 하우징(120)에 연결된다. 이 실시예에 있어서, O-링(716)은 실리콘 O-링이다.

이 실시예에 있어서, 장치(100)는 엔빌로프에 대해 장치(100)의 적어도 하나의 부품을 밀봉하도록 구성된 내열성 O-링 시일을 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 제2 절연 하우징(120)은 2개의 내열성 O-링 시일(720)를 포함하며, 이것은 이 실시예에서 엔빌로프(102)의 외측 표면에 대해 제2 절연 하우징(120)의 내측 표면을 밀봉하기 위해, 듀퐁에 의해 제조된 KALREZ™ 과불화 엘라스토머 O-링 시일이다.

도 2, 6, 7, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 애노드 조립체(700)는 제2 차폐 시스템(122)의 다양한 부품을 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(122)은 전자기 방사선이 엔빌로프(102)의 환형의 내부 용적으로부터 축방향으로 빠져나가는 것을 방지하도록 구성된 광-파이핑 차폐 부품(724)을 포함한다. 특히, 아직까지 이 실시예에 있어서, 광-파이핑 차폐 부품(724)은 엔빌로프의 말단 단부에 인접한 불투명한 와셔를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 불투명한 와셔는 황동으로 구성되어 있다. 따라서, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선의 일부가 엔빌로프(102)의 환형의 내부 용적 내에서 축방향으로 외향하여 이동할 수 있을 정도로, 광-파이핑 부품(724)은 이런 방사선이 엔빌로프(102)의 말단 단부를 축방향으로 빠져나가는 것을 차단하며, 그에 따라 이런 방사선이 제2 절연 하우징(120)을 타격하거나 또는 그 내부에 들어가는 것을 방지한다.

유사하게, 이 실시예에 있어서, 제2 절연 하우징(120)의 내측 표면도 하기에 서술된 차폐 시스템(122)의 2개의 추가적인 부품에 의해 방사방향으로 외향하여 이동하는 아크 방사선에 대해 차폐된다.

도 2, 7, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 제2 차폐 시스템(122)은 불투명한 표면을 갖는 도전성 차폐 부품(730)을 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 도전성 차폐 부품(730)은 제2 절연 하우징(120)의 축방향으로 최내측인 단부 내로 삽입되는 슬리브(sleeve)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 슬리브는 불투명한 구리로 구성되어 있으며, 또한 그에 따라 그 모든 표면이 불투명하다.

도 2, 6, 7, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(122)은 도 6에 도시된 바와 같이 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(740)을 추가로 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 엔빌로프의 불투명한 부분(740)은 그 내측 표면상에 불투명한 코팅(742)을 갖는 엔빌로프의 일부를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 불투명한 코팅(742)은 유사한 캐소드 측부 불투명한 코팅(462)과 관련하여 서두에 서술한 바와 같이 HRC™ 헤라에우스 반사 코팅이다. 이 실시예에 있어서, 불투명한 코팅(742)은 애노드 측부에서 엔빌로프(102)의 내부 표면의 축방향으로 최외측 80 mm 위에 적용된다. 이 실시예에 있어서, 엔빌로프(102)는 애노드 측부에서 약 3 mm 의 두께를 가지며, 또한 불투명한 코팅은 약 0.5 내지 1 mm 의 두께를 갖는다.

도 2, 6, 및 8을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 제2 차폐 시스템(122)은 전자기 방사선이 O-링 시일을 타격하는 것을 차단하도록 추가로 구성된다. 특히, 이 실시예에 있어서, 엔빌로프의 불투명한 부분(740)은 아크로부터 방출된 전자기 방사선이 내열성 0-링(720)을 타격하는 것을 차단한다.

따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 제2 차폐 시스템(122), 또는 특히 광-파이핑 차폐 부품(724), 도전성 차폐 부품(730)의 불투명한 표면, 및 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(740)은 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선이 제2 절연 하우징(120)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 차단한다. 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(122)의 모두 3개의 이들 부품은 하기에 서술되는 바와 같이 냉각 시스템(118)에 의해 유리하게 냉각된다.

반사기 조립체

도 1, 2, 및 3을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 장치(100)는 일반적으로 도면부호 150 으로 도시된 반사기 조립체를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 반사기 조립체(150)는 반사기(152)를 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 반사기(152)는 엔빌로프(102)를 통해 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 반사기(152)의 바닥에 형성된 직사각형 개구(도시되지 않음)를 통해 지향시키도록 구성된 타원형 반사기이다. 이 실시예에 있어서, 반사기(152)는 폴리싱된(polished) 구리 본체를 가지며, 또한 그 타원형 반사 표면은 로듐(rhodium) 표면이다. 특히, 반사형 로듐 표면을 형성하기 위해, 반사기(152)의 타원형 내측 표면은 먼저 무전기(electroless) 니켈로, 그 후 고 레벨의 광택 니켈로, 그 후 금으로, 그 후 로듐으로 코팅된다.

도 1, 2, 및 3을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 반사기 조립체(150)는 반사기 조립체(150)를 캐소드 조립체(400)에 연결하기 위한 캐소드 조립체 지지 플레이트(154), 및 반사기 조립체(150)를 애노드 조립체(700)에 연결하기 위한 애노드 조립체 지지 플레이트(156)를 추가로 포함한다. 이 실시예에 있어서, 캐소드 조립체 지지 플레이트(154) 및 애노드 조립체 지지 플레이트(156)는 구리로 구성된다.

도 2, 3, 및 4를 참조하면, 이 실시예에 있어서, 캐소드 조립체 지지 플레이트(154)는 도전성 차폐 부품(450)과 인접하며, 또한 도전성 차폐 부품(450)을 통해 그리고 캐소드 조립체 지지 플레이트(154)의 본체 내로 절연 하우징의 축방향으로 최내측인 부재(114b)를 통해 연장하는 복수개의 볼트에 의해 캐소드 조립체(400)에 고정된다.

유사하게, 도 2 및 7을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 애노드 조립체 지지 플레이트(156)는 도전성 차폐 부품(730)과 인접하며, 또한 도전성 차폐 부품(730)을 통해 그리고 애노드 조립체 지지 플레이트(156)의 본체 내로 제2 절연 하우징(120)의 축방향으로 최내측인 단부를 통해 연장하는 복수개의 볼트에 의해 애노드 조립체(700)에 고정된다.

이 실시예에 있어서, 반사기 조립체(150)의 3개의 주요 부품, 즉 반사기(152), 캐소드 조립체 지지 플레이트(154), 및 애노드 조립체 지지 플레이트(156)는 모두 예를 들어 도면부호 158, 160, 및 162 로 도시된 바와 같은 내부 냉각제 채널을 가지며, 하기에 서술되는 바와 같이 이를 통해 액체 냉각제가 지향된다.

냉각 시스템

도 1, 2, 3, 9, 및 10에 있어서, 냉각 시스템은 도 2에 일반적으로 도면부호 118 로 도시되어 있다. 일반적으로, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 차폐 시스템(116) 및 제2 차폐 시스템(122)의 다양한 부품을 냉각한다.

이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 도 9 및 10에 도시된 상부 매니폴드(902) 및 하부 매니폴드(904)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 하부 매니폴드(904)는 반사기 조립체(150)의 상부에 장착 및 부착되며, 또한 상부 매니폴드(902)는 하부 매니폴드(904)의 상부에 장착 및 부착된다.

이 실시예에 있어서, 상부 매니폴드(902) 및 하부 매니폴드(904)는 장치(100)의 애노드 측부가 장치(100)가 유체 공급 소스 시스템(도시되지 않음)으로부터 액체 또는 가스의 공급을 수용할 수 있도록 모든 외부 유체 연결을 위해 사용되고, 또한 장치의 캐소드 측부가 장치의 상이한 부분들 사이의 유체 연결만을 위해 사용되고 그리고 외부 유체 연결을 위해서는 사용되지 않도록 구성된다. 캐소드로의 전기 연결을 위한 절연된 버스 커넥터(422) 및 애노드로의 전기 연결을 위한 유사한 버스 커넥터 모두는, 장치(100)의 애노드 측부를 향하는 연결 포트를 갖는 것이 인식될 것이다. 따라서, 유체 연결 및 전기 연결의 구성은 유리하게 장치(100)의 조밀한 디자인으로 나타나며, 모든 외부 연결은 애노드 측부로부터 이루어지며, 이것은 예를 들어 클래딩 적용을 위한 8-인치 직경 파이프의 내부와 같은 비좁은 환경 내로 장치(100)의 삽입을 촉진시킨다.

이 실시예에 있어서, 상부 매니폴드(902)는 외부 소스(도시되지 않음)로부터 액체 냉각제를 수용하기 위해 매니폴드의 애노드 측부에 주요한 액체 냉각제 입구 포트(906)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 액체 냉각제는 탈이온수이다. 이 실시예에 있어서, 상부 매니폴드(902)는 액체 냉각제의 수용된 흐름을, 상부 매니폴드(902)의 캐소드 측부에서의 캐소드 공급 출구 포트(1002)와 상부 매니폴드(902)의 애노드 측부에서의 애노드 공급 출구 포트(908) 사이로 분할한다.

이 실시예에 있어서, 캐소드 공급 출구 포트(1002)는 액체 냉각제를 캐소드 공급 플레이트(402)의 액체 냉각제 입구 포트(410)로 지향시킨다. 여기에서 서두에 논의된 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 액체 냉각제 입구 포트(410)에 수용된 액체 냉각제는 여기에서 서두에 논의된 바와 같이 액체(106)의 와류 흐름을 발생시키기 위해 와류 발생기(104)에 공급되며, 또한 전극을 통해 순환하고 그리고 이를 냉각하기 위해 제1 전극(108)에 공급된다. 액체(106)의 와류 흐름은 배출 챔버(704) 및 배출 튜브(702)를 통해 장치(100)를 빠져나간다. 제1 전극(108)에 공급된 냉각제는 뜨거운(hot) 캐소드를 통해 순환하고 그후 액체 냉각제 출구 포트(412)를 통해 캐소드 조립체(400)를 빠져나가며, 그후 액체 냉각제 복귀 입구 포트(1004)에서 상부 매니폴드(902)에 다시 들어가며 그리고 상부 매니폴드(902)를 통해 냉각제 출구 포트(910)로 이동하며, 이를 통해 사용된 냉각제가 장치(100)를 빠져나간다.

이 실시예에 있어서, 애노드 공급 출구 포트(908)는 액체 냉각제를 애노드 조립체(700)의 전극 하우징(708)의 액체 냉각제 입구(712)로 지향시킨다. 입구(712)에 수용된 액체 냉각제는 냉각 채널(714)을 통해 또한 제2 전극(110)을 통해 순환되며, 또한 여기에서 서두에 논의된 바와 같이 그후 액체(106)의 와류 흐름 및 엔빌로프(102)를 통과한 가스와 함께 배출 챔버(704) 및 배출 튜브(702)를 통해 배출된다.

이 실시예에 있어서, 상부 매니폴드(902)는 퍼지(purge) 가스 공급 입구(912)를 추가로 포함하며, 이를 통해 가압된 퍼지 가스가 엔빌로프(102)의 외측 둘레로 불활성 가스의 가압된 흐름을 유지하도록 공급된다. 이 실시예에 있어서, 가압된 퍼지 가스는 아르곤이며, 또한 상부 매니폴드(902)는 반사기 조립체(150)의 반사기(152)를 통해 형성된 복수개의 구멍(도시되지 않음)을 통해 수용된 퍼지 가스를 지향시킨다. 일부 적용을 위해, 퍼지 가스의 이런 흐름은 엔빌로프(102) 및 반사기(152)의 외측 표면들의 외부 환경적 입자 오염의 가능성을 감소시킬 수 있다.

이 실시예에 있어서, 하부 매니폴드(904)는 외부 소스(도시되지 않음)로부터 액체 냉각제의 가압된 흐름을 수용하기 위해 또한 액체 냉각제를 반사기 조립체(150)에 공급하기 위해, 반사기 냉각제 공급 입구 포트(920)를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 냉각제는 설비 냉각수이며, 또한 하부 매니폴드(904)는 반사기 조립체(150)를 통해 입구 포트(920)에 수용된 물을 지향시킨다. 특히, 이 실시예에 있어서, 하부 매니폴드(904)는 수용된 냉각제가 반사기(152), 캐소드 조립체 지지 플레이트(154), 및 애노드 조립체 지지 플레이트(156)의 도면부호 158, 160, 및 162 로 도시된 바와 같은 내부 냉각제 채널을 통해 순환하도록 지향시킨다.

이 실시예에 있어서, 하부 매니폴드(904)는 반사기 냉각제 복귀 출구 포트(922)를 추가로 포함한다. 이 실시예에 있어서, 가압된 액체 냉각제가 전술한 바와 같이 반사기 조립체(150)의 내부 냉각 채널을 통해 순환할 때, 하부 매니폴드(904)는 그후 반사기 냉각제 복귀 출구 포트(922)를 통해 액체 냉각제가 장치(100)를 빠져나가도록 지향시킨다.

이 실시예에 있어서, 하부 매니폴드(904)는 제1 불활성 가스 공급 입구 포트(924), 제2 불활성 가스 공급 입구 포트(926), 제1 불활성 가스 공급 출구 포트(1020), 및 제2 불활성 가스 공급 출구 포트(1022)를 추가로 포함한다.

이 실시예에 있어서, 제1 불활성 가스 공급 입구 포트(924)는 불활성 가스의 가압된 공급을 수용하며, 이것은 이 실시예에서는 아르곤이다. 가압된 아르곤은 제1 불활성 가스 공급 출구 포트(1020)에서 하부 매니폴드(904)를 빠져나가며, 이것은 불활성 가스 공급 입구 포트(414)에 연결된다. 불활성 가스 공급 입구 포트(414)는 여기에서 서두에 논의된 바와 같이 액체(106)의 와류 흐름으로부터 방사방향으로 내향하여 아르곤의 와류 흐름을 발생시키기 위해, 아르곤의 가압된 흐름을 와류 발생기(104)에 공급한다.

이 실시예에 있어서, 제2 불활성 가스 공급 입구 포트(926)는 불활성 가스의 가압된 공급을 수용하며, 이것은 이 실시예에서는 질소이다. 가압된 질소는 제2 불활성 가스 공급 출구 포트(1022)에서 하부 매니폴드(904)를 빠져나가며, 이것은 전술한 바와 같이 절연 하우징(114)과 절연 차폐 부품(440) 사이에 도 3에 도시된 얇은 간극(432)을 채우고 그리고 가압하기 위해 절연 가스 공급 입구 포트(430)에 연결된다.

도 1 및 9를 참조하면, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 액체 및 가스 배출 튜브(702)에 연결되고 또한 이로부터 외향하는 액체 및 가스 복귀 출구 포트(950)를 추가로 포함하며, 이를 통해 액체(106)의 와류 흐름, 불활성 가스의 그 동반된 와류 흐름, 및 제2 전극(110)으로부터의 냉각제가 장치(100)를 빠져나간다.

도 2를 참조하면, 이 실시예에 있어서, 또한 냉각 시스템(118)은 하기에 더욱 상세히 논의되는 바와 같이 반사기 조립체(150)의 임의의 부품 뿐만 아니라 와류 발생기(104)를 명확하게 포함하며, 캐소드 조립체 지지 플레이트(154) 및 아노드 조립체 지지 플레이트(156)를 명확하게 포함하는 캐소드 조립체(400)의 임의의 부품을 포함한다.

작동

작동 중, 플라즈마 아크(112)에 의해 방출된 대부분의 전자기 방사선이 엔빌로프(102)를 통해 방사방향으로 외향하여 이동하고 또한 장치(100)를 빠져나가더라도, 아크에 의해 방출된 작은 백분율의 전자기 방사선은 제1 및 제2 전극(108, 110)의 팁을 지나 장치(100) 내에서 축방향으로 외향하여 이동하려는 경향이 있으며, 거기에서 이것은 장치(100)의 내부 부품상에 입사된다. 이 내부 조도가 매우 높은 전력 레벨로 짧은 주기 동안에는, 또는 낮은 전력 레벨로 더 긴 주기 동안에는 문제가 되지 않는 경향이 있더라도, 장치(100)가 수백 킬로와트의 극단적인 전력 레벨로 예를 들어 일부 클래딩 적용을 위해 연속적인 작동의 수 분 내지 수 시간 범위의 더 긴 주기 동안 연속적으로 작동된다면, 이런 내부 조도는 상당한 가열 효과를 가질 수 있다. 본 실시예의 차폐 및 냉각 없이, 이런 가열은 여기에서 서두에 논의된 바와 같이 절연 하우징(114, 120)와 같은 장치(100)의 절연 부품에 대해 문제가 될 수 있다.

도2, 3, 6, 9, 및 10를 참조하면, 본 명세서의 서두에서 논의된 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 전자기 방사선이 절연 하우징(114)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 유리하게 구성된다. 특히, 이 실시예에 있어서, 절연 차폐 부품(440)의 불투명한 표면, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460), 및 도전성 차폐 부품(450)의 불투명한 표면은 아크(112)에 의해 방출된 전자기 방사선이 절연 하우징(114)의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 차단한다. 유리하게, 그에 따라, 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 장치(100) 내의 전자기 방사선이 절연 하우징(114)을 타격하는 것을 방지하며, 그에 따라 이런 방사선이 하우징에 의해 직접적으로 흡수되는 것과 또한 이를 용융하는 것을 방지하며, 또한 이런 방사선이 그후 하우징의 인접한 표면을 용융시키는 장치의 인접한 부품을 과열시키도록 하우징을 통해 이동하는 것을 방지한다.

그러나, 차폐 시스템의 추가적인 냉각이 없으면, 추가적인 문제가 발생할 수 있다. 예를 들어, 내부 아크 방사선이 이 실시예에서는 세라믹인 절연 차폐 부품(440)의 내부의 불투명한 표면에 너무 많은 열 에너지를 전달하면, 조사된 내부의 불투명한 표면은 세라믹 물질의 본체 또는 벌크(bulk) 보다 더욱 뜨거워질 수 있어서, 세라믹 물질에 큰 열 구배 및 응력을 유발시키며, 이것은 세라믹 물질을 균열시키고 그후 궁극적으로 이를 파괴시킬 수 있다. 유사하게, 아크 방사선이 이 실시예에서는 구리인 도전성 차폐 부품(450)의 내부 표면에 너무 많은 열 에너지를 전달하면, 도전성 차폐 부품(450)의 전체 질량이 과열될 수 있어서, 절연 하우징(114)의 인접한 표면을 잠재적으로 용융시킨다. 마지막으로, 아크 방사선이 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460)에 너무 많은 열 에너지를 전달하면, 불투명한 부분은 궁극적으로 과열될 수 있고 그리고 상당한 양의 적외선을 방출하기 시작할 수 있다. 유리하게, 따라서, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 차폐 시스템(116)을 냉각함으로써 이들 문제점을 피한다.

이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 와류 발생기(104)를 포함하며, 또한 와류 발생기(104)는 절연 차폐 부품(440)의 불투명한 표면을 액체(106)의 와류 흐름에 노출시키도록 구성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 액체(106)의 와류 흐름은 절연 차폐 부품(440)의 방사방향으로 최내측인 표면과 직접 접촉한다. 액체(106)의 와류 흐름의 높은 용적 흐름율로 인해, 액체(106)의 와류 흐름은 열 에너지가 내부 아크 방사선에 의해 불투명한 표면에 전달될 수 있는 비율 보다 훨씬 빠른 비율로 불투명한 표면으로부터 열 에너지를 제거할 수 있다. 유리하게, 액체(106)의 와류 흐름에 노출된 절연 차폐 부품의 표면은, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하고 또한 이것이 절연 하우징(114)의 내부 표면을 타격하는 것을 방지하는 동일한 불투명한 표면이다. 따라서, 내부 아크 방사선을 차단 및 흡수하는 동일한 불투명한 표면은 불투명한 표면의 과열을 방지하는 액체(106)의 와류 흐름에 의해 냉각된다. 따라서, 절연 차폐 부품(440) 내의 열 구배 및 열 응력이 최소화되며, 그에 따라 그렇지 않으면 그 벌크에 관해 절연 차폐 부품의 불투명한 표면의 차별적인(differential) 가열로부터 발생할 수 있는 절연 차폐 부품(440)의 세라믹 물질의 잠재적 균열 및 파괴의 문제점을 피한다.

또한 도 3을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 또한 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460) 및 광-파이핑 차폐 부품(480)을 액체(106)의 와류 흐름에 노출시키도록 구성된다. 유리하게, 따라서, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선의 차단이라는 역할에도 불구하고, 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460) 및 광-파이핑 차폐 부품(480)은 과열되지 않으며 또한 적외선을 과도하게 방출하는 것을 시작하지 않는다.

이 실시예에 있어서, 절연 차폐 부품(440)의 불투명한 표면 및 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(460)과는 달리, 이 실시예에서 도전성 차폐 부품(450)은 액체(106)의 와류 흐름과 직접 접촉하지 않는다. 오히려, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 도전성 차폐 부품(450)을 도전성으로 냉각하도록 구성된다.

이와 관련하여, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 도전성 차폐 부품(450)과 도전성으로 접촉하고 있는 액체 냉각된 도전체를 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 액체 냉각된 도전체는 반사기 조립체(150)의 캐소드 조립체 지지 플레이트(154)이다. 이 실시예에서 캐소드 조립체 지지 플레이트(154)는 도면부호 158로 도시된 바와 같은 내부 냉각 채널을 가지며, 이를 통해 액체 냉각제가 순환된다는 점을 상기할 수 있을 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 도전성 차폐 부품(450)은 액체 냉각된 캐소드 조립체 지지 플레이트(154)와 직접적으로 도전성 접촉하고 있다. 따라서, 내부 아크 방사선이 도전성 차폐 부품(450)을 가열시키려는 경향이 있을 정도로, 이런 열 에너지는 캐소드 조립체 지지 플레이트(154) 내로 도전되며 또한 그후 그것을 통해 액체 냉각제의 순환 흐름에 의해 제거된다.

이 실시예에 있어서, 장치(100)의 애노드 측부에서 제2 차폐 시스템(122)의 부품은 냉각 시스템(118)에 의해 유사하게 냉각된다.

예를 들어, 도 2 및 6을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 와류 발생기(104)는 엔빌로프(102)의 불투명한 부분(740)과 광-파이핑 차폐 부품(724) 모두를 액체(106)의 와류 흐름에 노출시키도록 구성되며, 그에 따라 이들 2개의 차폐 부품을 냉각시키며 또한 내부 아크 방사선이 이들을 과열시키는 것을 방지한다.

도 2 및 7을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템(118)은 도전성 차폐 부품(730)과 도전성으로 접촉하는 액체 냉각된 도전체를 포함한다. 특히, 이 실시예에 있어서, 액체 냉각된 도전체는 반사기 조립체(150)의 애노드 조립체 지지 플레이트(156)이며, 이것은 도면부호 162 로 도시된 바와 같은 내부 냉각 채널을 가지며, 이를 통해 액체 냉각제가 순환된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 실시예에 있어서, 도전성 차폐 부품(730)은 액체 냉각된 애노드 조립체 지지 플레이트(156)와 직접 도전성으로 접촉한다. 따라서, 내부 아크 방사선이 도전성 차폐 부품(730)을 가열시키는 경향을 가질 정도로, 이런 열 에너지는 애노드 조립체 지지 플레이트(156) 내로 도전되며 또한 그후 그것을 통해 액체 냉각제의 순환 흐름에 의해 제거된다.

대안적 실시예들

도 2, 6, 및 11에 있어서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 엔빌로프가 도 11에 일반적으로 도면부호 1100 으로 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116) 및 차폐 시스템(122)은 도 6에 도시된 엔빌로프(102)를 도 11에 도시된 엔빌로프(1100)로 대체함으로써 수정된다. 이 실시예에 있어서, 차폐 시스템(116)은 엔빌로프(1100)의 불투명한 부분, 즉 캐소드 측부 불투명한 부분(1104)을 포함하며, 또한 유사하게 차폐 시스템(122)은 엔빌로프(1100)의 다른 불투명한 부분, 즉 애노드 측부 불투명한 부분(1106)을 포함한다.

이 실시예에 있어서, 또한 엔빌로프(1100)는 중심 부분(1102)을 포함하며, 이것은 도 6에 도시된 엔빌로프(102)와 동일한 물질, 즉 헤라에우스에 의해 제조된 전기적으로 융착된 석영인 HSQ 300 등급으로 구성된다.

그러나, 이 실시예에 있어서, 불투명한 부분(1104, 1106)은 불투명한 석영으로 구성된다. 특히, 이 실시예에 있어서, 불투명한 부분(1104, 1106)은 헤라에우스에 의해 제조된 OM 100 불투명한 석영 유리로 구성된다. 이 물질은 비정질의 불투명한 석영 매트릭스에 균일하게 분포된 작은, 불규칙한 형상의 마이크론-크기의 세공(pore)을 포함하여, 전자기 방사선의 효과적인 확산 산란(diffuse scattering)으로 나타난다. 이 실시예에 있어서, 불투명한 부분(1104)은 캐소드 측부에서 축방향으로 최외측 55 mm 의 엔빌로프(1100)로 구성되며, 또한 불투명한 부분(1106)은 애노드 측부에서 축방향으로 최외측 80 mm 의 엔빌로프(1100)로 구성된다. 이 실시예에 있어서, 이전의 실시예에서처럼, 불투명한 부분의 길이는 전술한 바와 같이 내부 아크 방사선이 내부 차폐 부품을 타격하는 것을 차단하기에 충분히 길게, 그러나 전극의 팁을 지나 내향하여 연장하지 않도록 충분히 짧게 선택되며, 따라서 그렇지 않으면 반사기 조립체(150)를 통해 장치(100)를 빠져나가는 방사선의 임의의 부주의한 차단을 피한다. 이 실시예에 있어서, 중심 부분(1102)은 동심도(concentricity), 표면 평활성(smoothness), 및 가능한 최대 크기에 대한 치수 정확성을 유지하려고 노력하면서 이들을 함께 세심하게 용융시킴으로써 불투명한 부분(1104, 1106)에 접합된다.

이 실시예에 있어서, 불투명한 부분(1104, 1106)은 이전의 실시예의 불투명한 부분(460, 740)과 동일한 방식으로 냉각 시스템(118)에 의해, 또는 특히 냉각 시스템(118)의 와류 발생기(104)에 의해 발생된 액체(106)의 와류 흐름에 의해 유리하게 냉각된다.

도 1, 9, 10, 및 12에 있어서, 본 발명의 제3 실시예에 따라 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치가 도 12에 일반적으로 도면부호 1200 으로 도시되어 있다. 이 실시예에 있어서, 장치(1200)는 하기에 논의되는 변형예에 관한 것을 제외하고는, 도 1에 도시된 장치(100)와 동일하다.

이 실시예에 있어서, 장치(1200)는 절연 하우징(114)의 외측 표면의 적어도 일부를 열-차폐시키도록 구성된 외부 열 차폐물(1202)을 추가로 포함하며, 또한 냉각 시스템(118)은 외부 열 차폐물(1202)을 냉각하도록 추가로 구성된다.

이 실시예에 있어서, 외부 열 차폐물(1202)은 도전체이다. 특히, 이 실시예에 있어서, 외부 열 차폐물(1202)은 양극산화된(anodized) 알루미늄으로 구성되며, 또한 그 내부 용적을 통해 연장하는 액체 냉각제 채널(도시되지 않음)을 갖는다.

도 9 및 10을 참조하면, 이 실시예에 있어서, 냉각 시스템의 하부 매니폴드(904)는 외부 차폐물 냉각제 공급 출구 포트(1204)를 추가로 포함하며, 또한 상부 매니폴드(902)는 외부 차폐물 냉각제 복귀 입구 포트(1206) 및 외부 차폐물 냉각제 복귀 출구 포트(1208)를 추가로 포함한다. 하부 매니폴드는 반사기 냉각제 공급 입구 포트(920)에 가압된 액체 냉각제 흐름을 수용하며, 또한 가압된 액체 냉각제의 일부를 외부 차폐물 냉각제 공급 출구 포트(1204)로 전환시키며, 이것은 구리 튜브(도시되지 않음)를 통해 외부 열 차폐물(1202)의 냉각제 공급 입구 포트(도시되지 않음)에 연결된다. 액체 냉각제는 외부 열 차폐물(1202)의 내측에서 내부 냉각제 채널을 통해 순환하며, 그후 외부 열 차폐물(1202)의 냉각제 복귀 출구 포트(1210)를 통해 외부 열 차폐물(1202)을 빠져나간다. 냉각제 복귀 출구 포트(1210)는 구리 튜브(도시되지 않음)를 통해 상부 매니폴드(902)의 외부 차폐물 냉각제 복귀 입구 포트(1206)에 연결되며, 이를 통해 사용된 액체 냉각제는 상부 매니폴드(902)를 통해 흐르고 그후 외부 차폐물 냉각제 복귀 출구 포트(1208)를 통해 장치(1200)로부터 빠져나간다.

액체 냉각 외부 열 차폐물(1202)은 일부 특별한 적용에 유리할 수 있다. 예를 들어, 파이프의 내부 표면에 코팅을 야금학적으로 접합하기 위해 장치(1200)가 클래딩을 위해 사용되고 있다면, 장치(1200)는 파이프의 반대쪽 단부로부터 돌출하는 캐소드 조립체(400) 및 반대쪽 단부에서 파이프의 내부표면 위로 정렬된 반사기 조립체(150)에 의해 파이프 내로 완전히 삽입될 수 있다. 코팅된 파이프는 그후 장치(1200)가 파이프를 통해 점진적으로 길이방향으로 후퇴될 동안 회전되므로, 반사기(152)는 상승하는(spiraling) 형태로 파이프의 내부 표면을 가로질러 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 스캐닝한다. 이런 적용에 있어서, 현재 캐소드 조립체(400)와 마주하는 파이프의 부분은 파이프의 그 부분이 반사기로(152)로부터 방출된 높은-세기의 전자기 방사선에 바로 최근에 노출되었을 때 뜨거워지려는 경향이 있다. 따라서, 액체 냉각된 외부 열 차폐물(1202)은 그렇지 않으면 파이프의 주변 환경에서 발생하는 도전, 대류, 및 복사를 통한 열 전달로부터 캐소드 조립체를 차폐한다. 이 실시예에 있어서, 또한 외부 열 차폐물(1202)은 파이프에 의해 산란 또는 반사될 수 있는 아크에 의해 방출된 전자기 방사선으로부터 절연 하우징(114)의 외부를 차폐하며, 또한 가열된 파이프로부터 오는 파편(debris)으로부터 캐소드 조립체(400)를 차폐한다.

대안적으로, 또는 추가하여, 유사한 외부 열 차폐물(도시되지 않음)이 장치(1200)의 애노드 측부에 제공될 수 있다.

이상에서 특정한 실시예가 서술되고 예시되었지만, 이런 실시예는 단지 예시적이며 또한 첨부한 청구범위에 의해 한정되는 바와 같이 본 발명을 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.

Claims (37)

1. 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치로서,
   a) 엔빌로프;
   b) 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키도록 구성된 와류 발생기;
   c) 그 사이에 플라즈마 아크를 발생시키도록 구성된, 엔빌로프 내의 제1 및 제2 전극;
   d) 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징;
   e) 전자기 방사선이 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 차폐 시스템; 및
   f) 차폐 시스템을 냉각하도록 구성된 냉각 시스템을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,
   차폐 시스템은 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 불투명한 표면을 갖는 절연 차폐 부품을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
3. 제2항에 있어서,
   절연 차폐 부품은 세라믹 차폐 부품을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
4. 제2항에 있어서,
   냉각 시스템은 와류 발생기를 포함하며, 또한 와류 발생기는 절연 차폐 부품의 불투명한 표면을 액체의 와류 흐름에 노출시키도록 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
5. 제1항에 있어서,
   차폐 시스템은 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 엔빌로프의 불투명한 부분을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
6. 제5항에 있어서,
   엔빌로프의 불투명한 부분은 그 내측 표면상에 불투명한 코팅을 갖는 엔빌로프의 일부를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
7. 제5항에 있어서,
   엔빌로프의 불투명한 부분은 불투명한 석영으로 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
8. 제5항에 있어서,
   냉각 시스템은 와류 발생기를 포함하며, 또한 와류 발생기는 엔빌로프의 불투명한 부분을 액체의 와류 흐름에 노출시키도록 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
9. 제1항에 있어서,
   차폐 시스템은 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 불투명한 표면을 갖는 도전성 차폐 부품을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
10. 제9항에 있어서,
    냉각 시스템은 도전성 차폐 부품을 도전성으로 냉각하도록 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
11. 제10항에 있어서,
    냉각 시스템은 도전성 차폐 부품과 도전성으로 접촉하는 액체 냉각된 도전체를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
12. 제1항에 있어서,
    차폐 시스템은 전자기 방사선이 O-링 시일을 타격하는 것을 차단하도록 추가로 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
13. 제1항에 있어서,
    엔빌로프에 대해 장치의 적어도 하나의 부품을 밀봉하도록 구성된 내열성 O-링 시일을 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
14. 제1항에 있어서,
    전극들 중 다른 하나의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 절연 하우징, 및 전자기 방사선이 제2 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하도록 구성된 제2 차폐 시스템을 추가로 포함하며, 상기 냉각 시스템은 제2 차폐 시스템을 냉각하도록 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
15. 제1항에 있어서,
    차폐 시스템은 전자기 방사선이 엔빌로프의 환형의 내부 용적으로부터 축방향으로 빠져나가는 것을 방지하도록 구성된 광-파이핑 차폐 부품을 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
16. 제15항에 있어서,
    광-파이핑 차폐 부품은 엔빌로프의 말단 단부에 인접한 불투명한 와셔를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
17. 제15항에 있어서,
    냉각 시스템은 와류 발생기를 포함하며, 또한 와류 발생기는 광-파이핑 차폐 부품을 액체의 와류 흐름에 노출시키도록 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
18. 제1항에 있어서,
    절연 하우징의 외부 표면의 적어도 일부를 열-차폐하도록 구성된 외부 열 차폐물을 추가로 포함하며, 냉각 시스템은 외부 열 차폐물을 냉각하도록 추가로 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
19. 전자기 방사선을 발생시키기 위한 장치로서,
    a) 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키기 위한 수단;
    b) 엔빌로프 내에서 제1 전극과 제2 전극 사이에 플라즈마 아크를 발생시키기 위한 수단;
    c) 전자기 방사선이 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단하기 위한 수단; 및
    d) 상기 차단 수단을 냉각하기 위한 수단을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 장치.
20. 전자기 방사선을 발생시키는 방법으로서,
    a) 엔빌로프의 내측 표면을 따라 액체의 와류 흐름을 발생시키는 단계;
    b) 엔빌로프 내에서 제1 전극과 제2 전극 사이에 플라즈마 아크를 발생시키는 단계;
    c) 전자기 방사선이 전극들 중 하나로의 전기 연결부의 적어도 일부를 둘러싸는 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 차단 시스템으로 차단하는 단계; 및
    d) 차폐 시스템을 냉각하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
21. 제20항에 있어서,
    차단 단계는 차폐 시스템의 절연 차폐 부품의 불투명한 표면으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
22. 제21항에 있어서,
    절연 차폐 부품은 세라믹 차폐 부품을 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
23. 제21항에 있어서,
    냉각 단계는 절연 차폐 부품의 불투명한 표면을 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
24. 제20항에 있어서,
    차단 단계는 엔빌로프의 불투명한 부분으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
25. 제24항에 있어서,
    엔빌로프의 불투명한 부분은 그 내측 표면상에 불투명한 코팅을 갖는 엔빌로프의 일부를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
26. 제24항에 있어서,
    엔빌로프의 불투명한 부분은 불투명한 석영으로 구성되는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
27. 제24항에 있어서,
    냉각 단계는 엔빌로프의 불투명한 부분을 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
28. 제20항에 있어서,
    차단 단계는 차폐 시스템의 도전성 차폐 부품의 불투명한 표면으로 전자기 방사선을 차단하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
29. 제28항에 있어서,
    냉각 단계는 도전성 차폐 부품을 도전성으로 냉각하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
30. 제29항에 있어서,
    도전성으로 냉각하는 단계는 도전성 차폐 부품과 액체 냉각된 도전체 사이에 열 에너지를 도전하는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
31. 제20항에 있어서,
    차단 단계는 전자기 방사선이 O-링 시일을 타격하는 것을 차단하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
32. 제20항에 있어서,
    엔빌로프에 대해 적어도 하나의 부품을 내열성 O-링 시일로 밀봉하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
33. 제20항에 있어서,
    전자기 방사선이 전극들 중 다른 하나의 적어도 일부를 둘러싸는 제2 절연 하우징의 모든 내부 표면을 타격하는 것을 방지하기 위해, 아크에 의해 방출된 전자기 방사선을 제2 차폐 시스템으로 차단하는 단계, 및 상기 제2 차폐 시스템을 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
34. 제20항에 있어서,
    전자기 방사선이 엔빌로프의 환형의 내부 용적으로부터 축방향으로 빠져나오는 것을 방지하기 위해, 전자기 방사선을 차폐 시스템의 광-파이핑 차폐 부품으로 차단하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
35. 제34항에 있어서,
    광-파이핑 차폐 부품은 엔빌로프의 말단 단부에 인접한 불투명한 와셔를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
36. 제34항에 있어서,
    냉각 단계는 광-파이핑 차폐 부품을 액체의 와류 흐름에 노출시키는 단계를 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.
37. 제20항에 있어서,
    절연 하우징의 외측 표면의 적어도 일부를 외부 열 차폐물로 열-차폐하는 단계, 및 상기 외부 열 차폐물을 냉각하는 단계를 추가로 포함하는 것인 전자기 방사선 발생 방법.

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