RU190682U1

RU190682U1 - High Voltage Vacuum Input

Info

Publication number: RU190682U1
Application number: RU2019111139U
Authority: RU
Inventors: Александр Сергеевич Кубанкин; Юрий Сергеевич Кубанкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Вакуумные системы и технологии"
Priority date: 2019-04-15
Filing date: 2019-04-15
Publication date: 2019-07-09

Abstract

Полезная модель относится к вакуумной технике, электротехнике и предназначена для ввода высоковольтного напряжения в вакуум. Высоковольтный вакуумный ввод содержит изоляционный и токопроводящий элементы. Устройство дополнительно включает металлический фланец, внутри которого расположены изоляционный элемент, выполненный в виде вставки-изолятора, включающей прижимной диск и штуцер с закрепленной на нем изолирующей диэлектрической трубкой, и токопроводящий элемент, выполненный в виде высоковольтного электрода с креплениями, обеспечивающими фиксацию проходящего внутри него высоковольтного провода. Наиболее востребованным данное устройство будет в наукоёмком производстве и научных экспериментах, в частности при работе с устройствами, расположенными внутри вакуумной камеры при форвакууме и требующими подвода газа.The invention relates to vacuum technology, electrical engineering and is designed to introduce high voltage to vacuum. High-voltage vacuum input contains insulating and conductive elements. The device additionally includes a metal flange, inside of which there is an insulating element, made in the form of an insulator insert, which includes a clamping disk and a fitting with an insulating dielectric tube attached to it, and a conductive element, made in the form of a high-voltage electrode with fixtures that fix the high-voltage passing inside it wires This device will be most in demand in high-tech production and scientific experiments, in particular when working with devices located inside the vacuum chamber at forevacuum and requiring gas supply.

Description

Полезная модель относится к вакуумной технике, электротехнике и предназначена для ввода высоковольтного напряжения в вакуум.The invention relates to vacuum technology, electrical engineering and is designed to introduce high voltage to vacuum.

Ввод электрического питания в вакуумную систему является одной из наиболее распространённых задач вакуумной техники, решение которой во многом зависит от величины вводимого напряжения и требующегося значения вакуума в системе. Данная задача усложняется при увеличении вводимого напряжения. Дополнительная сложность ввода высокого напряжения в вакуум возникает, если вакуумная система рассчитана на форвакуум (типичный диапазон давлений 10÷10^-3 торр). Данная область давлений остаточного газа сопряжена с возникновением условий, повышающих вероятность электрического пробоя. Решить данную проблему использованием обычной изоляции высоковольтного провода затруднительно, поскольку изоляция дополнительно должна быть вакуумплотной. Все расположенные в вакууме части высоковольтной цепи также должны иметь вакуумплотную изоляцию.The introduction of electrical power to a vacuum system is one of the most common tasks of vacuum technology, the solution of which largely depends on the magnitude of the input voltage and the required value of vacuum in the system. This task is complicated by increasing the input voltage. The added complexity of introducing high voltage into a vacuum arises if the vacuum system is designed for forevacuum (typical pressure range is 10 ÷ 10 ^-3 Torr). This area of residual gas pressure is associated with the occurrence of conditions that increase the likelihood of electrical breakdown. To solve this problem using conventional high-voltage wire insulation is difficult, because the insulation must additionally be vacuum-tight. All parts of the high voltage circuit located in a vacuum should also be vacuum-tightly insulated.

Известно устройство под названием «Высоковольтный вакуумный кабельный ввод», описанное в патенте (SU № 284085 А1, публ. 14.10.1970 г.). Устройство содержит корпус, изготовленный из изоляционного материала, внутри которого проходит токоведущий кабель, полую изоляционную вставку, расположенную между токоведущим кабелем и корпусом, уплотняющие устройства и масляно-силиконовую изоляцию, заполняющую каналы между токоведущим кабелем и изоляционной вставкой и между изоляционной вставкой и корпусом изолятора, а также прижимные кольца, шайбу и хомут. Устройство используется для ввода высокого напряжения к электродам, находящимся в вакуумной камере.A device is known under the name “High-voltage vacuum cable gland”, described in the patent (SU No. 284085 A1, publ. 10/14/1970). The device comprises a housing made of an insulating material, inside which a current-carrying cable passes, a hollow insulating insert located between the current-carrying cable and the housing, sealing devices and an oil-silicone insulation that fills the channels between the current-carrying cable and the insulation insert and between the insulation insert and the insulator housing, and also clamping rings, washer and clamp. The device is used to introduce high voltage to the electrodes in a vacuum chamber.

Другое известное устройство под названием «Электрический ввод», описано в патенте (SU № 1256102 А1, публ. 07.09.1986 г.). Электрический ввод содержит корпус в виде усеченного конуса, электрические провода, прокладку из пластичного электроизоляционного материала, электроизоляционный порошок высокой твердости. Устройство относится к электровводам и направлено на повышение надежности при работе.Another known device called "Electric input" is described in the patent (SU No. 1256102 A1, publ. 07/09/1986). Electrical input includes a body in the form of a truncated cone, electrical wires, a strip of plastic insulating material, high-hardness electrical insulating powder. The device relates to electrical leads and is aimed at improving reliability during operation.

Также известно изобретение под названием «Высоковольтный вакуумный ввод», которое описано в патенте (SU № 1301207 А1, публ. 07.12.1991 г.). Устройство содержит конический изолятор, который вакуумплотно соединен с электродами, электростатические экраны, которые соединяются между собой в процессе высокотемпературной пайки стягивающими элементами при помощи паяных соединений. Устройство относится к высоковольтным вакуумным вводам, а его целью является повышение электрической прочности. The invention is also known under the name "High-voltage vacuum input", which is described in the patent (SU No. 1301207 A1, publ. 07.12.1991). The device contains a conical insulator, which is vacuum-connected to the electrodes, electrostatic screens, which are interconnected during the high-temperature soldering process by means of solder joints. The device relates to high-voltage vacuum bushings, and its purpose is to increase the electrical strength.

Наиболее близким по назначению к предлагаемой полезной модели является техническое решение «Высоковольтный вакуумный ввод», описанное в патенте (SU № 997103 А1, публ. 15.02.1983 г.) и предназначенное для повышения надежности при его использовании. Конструкция описываемого технического решения представляет собой корпус, токопроводящий элемент, и расположенный в корпусе изоляционный элемент, выполненный из термопластичного материала, внутри которого установлен электронагреватель. Причем, токопроводящая часть испытуемого прибора подсоединена к высоковольтному вакуумному вводу через разъемный контакт.The closest in purpose to the proposed utility model is the technical solution "High-voltage vacuum input", described in the patent (SU No. 997103 A1, publ. 15.02.1983) and designed to improve reliability when using it. The design of the described technical solution is a case, a conductive element, and an insulating element located in the case, made of a thermoplastic material, inside which an electric heater is installed. Moreover, the conductive part of the test device is connected to the high-voltage vacuum input through a detachable contact.

К общим недостаткам аналогов и прототипа следует отнести не надежную высоковольтную изоляцию устройства (например, масляно-силиконовая, порошковая, парафиновая), что не допускает их безопасного использования при вводе высокого напряжения, в связи с большой вероятностью электрического пробоя между корпусом, токоведущими составляющими устройства и потребителем. The common shortcomings of the analogs and the prototype include not reliable high-voltage insulation of the device (for example, oil-silicone, powder, paraffin), which does not allow their safe use when entering high voltage, due to the high probability of electrical breakdown between the housing, the current-carrying components of the device and by the consumer.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение является создание устройства, позволяющего осуществлять ввод высокого напряжения в герметичный вакуумный объём при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (10^-6 торр). The problem to which the proposed technical solution is directed is the creation of a device that allows high-voltage injection into a sealed vacuum volume at a residual gas pressure from atmospheric to high vacuum (10 ^-6 Torr).

Поставленная задача решается с помощью предлагаемого высоковольтного вакуумного ввода, содержащего изоляционный и токопроводящий элементы, причем, дополнительно включает металлический фланец, внутри которого расположены изоляционный элемент, выполненный в виде вставки-изолятора, включающей прижимной диск и штуцер с закрепленной на нем изолирующей диэлектрической трубкой, и токопроводящий элемент, выполненный в виде высоковольтного электрода с креплениями, обеспечивающими фиксацию проходящего внутри него высоковольтного провода. The problem is solved using the proposed high-voltage vacuum input containing insulating and conductive elements, and additionally includes a metal flange, inside of which are an insulating element made in the form of an insert-insulator, including a pressure disc and a fitting with an insulating dielectric tube fixed on it, and conductive element, made in the form of a high-voltage electrode with fasteners, ensuring fixation of the high-voltage wire passing inside it.

Технический результат заключается в обеспечении надежной работы устройства, позволяющего подводить высокое напряжение к потребителю, установленному внутри вакуумного объема при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (в том числе форвакуума). Это достигается посредством конструкции устройства, в частности использования специальной вставки-изолятора и высоковольтного электрода.The technical result is to ensure reliable operation of the device, which allows to supply high voltage to a consumer installed inside a vacuum volume at a residual gas pressure from atmospheric to high vacuum (including forevacuum). This is achieved through the design of the device, in particular the use of a special insulator insert and a high-voltage electrode.

Предлагаемое устройство отличается от описанного в прототипе тем, что используемый изоляционный материал не требуется нагревать, чтобы обеспечить электроизоляцию составляющих ввода и потребителя. Кроме того, ввод высокого напряжения к потребителю, располагающемуся в вакуумном объеме, производится через изолирующую диэлектрическую трубку, в которой находится высоковольтный электрод и внутренний объём которой сообщается с атмосферой. Ввод электричества через диэлектрическую трубку, внутри которой поддерживается атмосферное давление, существенно уменьшает вероятность электрического пробоя. Таким образом, даже если в изолирующей диэлектрической трубке возникнет не герметичность по отношению к вакуумному объёму, то электрический пробой не произойдёт из-за сообщения внутреннего объёма изолирующей диэлектрической трубки c атмосферой.The proposed device differs from that described in the prototype in that the insulating material used is not required to be heated in order to provide electrical insulation to the input and consumer components. In addition, the input of high voltage to the consumer, located in the vacuum volume, is made through an insulating dielectric tube, which contains a high-voltage electrode and the internal volume of which communicates with the atmosphere. Entering electricity through a dielectric tube, inside which atmospheric pressure is maintained, significantly reduces the likelihood of electrical breakdown. Thus, even if an impermeability with respect to the vacuum volume does not appear in the insulating dielectric tube, electrical breakdown will not occur due to the internal volume of the insulating dielectric tube c with the atmosphere.

Преимущество предлагаемой полезной модели заключается в простых конструктивных элементах, а также в надежности и безопасности предлагаемого устройства, которое обеспечивает ввод высокого напряжения при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума. The advantage of the proposed utility model lies in simple structural elements, as well as in the reliability and safety of the proposed device, which provides a high voltage input at a pressure of residual gas from atmospheric to high vacuum.

Полезная модель поясняется чертежом.The utility model is illustrated in the drawing.

Фиг. 1 – Общий вид устройства.FIG. 1 - General view of the device.

Фиг. 2 – Общий вид устройства в разрезе.FIG. 2 - General view of the device in section.

Фиг. 3 – Общий вид устройства в сборе с вакуумным объемом.FIG. 3 - General view of the device assembly with a vacuum volume.

Устройство состоит из металлического фланца 1, вставки-изолятора 2, включающей прижимной диск 3 и штуцер 4, изолирующей диэлектрической трубки 5, высоковольтного электрода 6 с креплениями 7 и высоковольтного провода 8 (Фиг. 1, Фиг. 2).The device consists of a metal flange 1, an insulator insert 2, including a pressure disc 3 and a fitting 4, an insulating dielectric tube 5, a high-voltage electrode 6 with fasteners 7 and a high-voltage wire 8 (Fig. 1, Fig. 2).

Металлический фланец 1 стандартизованного типа, например, ISO, KF или CF, изготовлен из нержавеющей стали. Вставка-изолятор 2, изготовленная из керамического материала, представляет собой цельную деталь, которая содержит прижимной диск 3, позволяющий вакуумплотно установить вставку-изолятор 2 в металлическом фланце 1, а также штуцер 4, позволяющий вакуумплотно закрепить изолирующую диэлектрическую трубку 5. Изолирующая диэлектрическая трубка 5 изготовлена из материала с низким уровнем газовыделения в вакууме и с высокой электрической прочностью. Толщина стенки изолирующей диэлектрической трубки 5 должна быть достаточной для предотвращения электрического пробоя через ее стенку. При необходимости подвижности потребителя высокого напряжения, установленного в вакуумном объеме, изолирующая диэлектрическая трубка 5 может быть гибкой. Со стороны атмосферы вставка-изолятор 2 закрывает открытые металлические участки устройства. В центре вставки-изолятора 2 имеется сквозное отверстие, в котором вакуумплотно установлен высоковольтный электрод 6, таким образом, чтобы со стороны вакуумного объема высоковольтный электрод 6 располагался внутри изолирующей диэлектрической трубки 5 и его части не имели прямого контакта с вакуумным объёмом. Высоковольтный электрод 6 изготовлен из металлической трубки, на концах которой предусмотрены крепления 7 для проходящего внутри нее высоковольтного провода 8. Для обеспечения безопасности, высоковольтный провод 8 имеет высоковольтную изоляцию со стороны атмосферы. A standardized metal flange 1, such as ISO, KF or CF, is made of stainless steel. The insulator insert 2, made of a ceramic material, is an integral part that contains a clamping disk 3, which allows to install the insulator insert 2 vacuum-tightly in the metal flange 1, as well as the fitting 4, which allows to fix the insulating dielectric tube 5 vacuum-tight. Insulating dielectric tube 5 made of a material with low gassing in vacuum and with high electrical strength. The wall thickness of the insulating dielectric tube 5 should be sufficient to prevent electrical breakdown through its wall. If necessary, the mobility of the consumer high voltage installed in the vacuum volume, the insulating dielectric tube 5 can be flexible. From the side of the atmosphere, the insert-insulator 2 covers the open metal parts of the device. In the center of the insulator 2, there is a through hole in which a high-voltage electrode 6 is vacuum-mounted, so that from the vacuum volume the high-voltage electrode 6 is located inside the insulating dielectric tube 5 and its parts do not have direct contact with the vacuum volume. The high-voltage electrode 6 is made of a metal tube, at the ends of which fastenings 7 are provided for the high-voltage wire 8 passing inside it. To ensure safety, the high-voltage wire 8 has high-voltage insulation from the atmosphere.

Работает устройство следующим образом (Фиг. 3). The device operates as follows (Fig. 3).

Для осуществления работы высоковольтного вакуумного ввода, необходимо соединить фланец вакуумного объема и металлический фланец 1 устройства, в котором вакуумплотно закреплена вставка-изолятор 2 с помощью содержащегося прижимного диска 3, а на ее штуцере 4 вакуумплотно закреплена диэлектрическая трубка 5. В сквозное отверстие вставки-изолятора 2, внутрь диэлектрической трубки 5, установлен высоковольтный электрод 6, на концах которого с помощью креплений 7 зафиксирован проходящий внутри него высоковольтный провод 8. Также, необходимо подключить высоковольтный провод 8 к потребителю внутри вакуумной камеры и к источнику питания. После герметичного соединения предлагаемого устройства с вакуумным объемом, который соединен с вакуумной откачной системой, производится процесс откачки газа из откачиваемого объема. Когда в откачиваемом объеме установится необходимое (в зависимости от поставленной задачи) давление остаточного газа на высоковольтный электрод 6, подается высокое напряжение. Особенность конструкции высоковольтного вакуумного ввода обеспечивает соединение высоковольтного электрода 6 с атмосферой, при этом, внутри изолирующей диэлектрической трубки 5, в которой установлен высоковольтный электрод 6, также всегда будет поддерживаться атмосферное давление. Это исключает возможность электрического пробоя в вакуумном объеме даже при нарушении герметичности конструкции предлагаемого устройства, что позволяет безопасно использовать его при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума (10^-6 торр).To implement the high-voltage vacuum input, it is necessary to connect the flange of the vacuum volume and the metal flange 1 of the device in which the insert-insulator 2 is vacuum-fixed with the help of the clamping disc 3, and the dielectric tube 5 is vacuum-tightly fixed to its end-hole 2, inside the dielectric tube 5, a high-voltage electrode 6 is mounted, at the ends of which, using fasteners 7, a high-voltage wire 8 passing inside it is fixed. Connect high-voltage wire 8 to the consumer inside the vacuum chamber and to the power source. After the sealed connection of the device with a vacuum volume, which is connected to a vacuum pumping system, the process of pumping gas from the pumped volume is performed. When the required (depending on the task) pressure of the residual gas on the high-voltage electrode 6 is established in the pumped volume, a high voltage is applied. The design feature of the high-voltage vacuum input provides the connection of the high-voltage electrode 6 with the atmosphere, while inside the insulating dielectric tube 5, in which the high-voltage electrode 6 is installed, atmospheric pressure will also always be maintained. This eliminates the possibility of electrical breakdown in the vacuum volume, even in violation of the tightness of the design of the proposed device, which allows it to be used safely at residual gas pressure from atmospheric to high vacuum (10 ^-6 Torr).

Конкретный пример работы устройства. A specific example of the operation of the device.

Фланец типа CF 40 вакуумной камеры объемом 20 литров был соединен с металлическим фланцем 1 типа CF 40 устройства. Вставка-изолятор 2, включающая прижимной диск 3 и штуцер 4, была изготовлена из оксида циркония. Изолирующая диэлектрическая трубка 5 длиной порядка 300 мм была выполнена из поливинилхлорида. Высоковольтный электрод 6 длиной порядка 20 мм, внутренний диаметр которого 5 мм, а внешний – 8 мм, изготовлен из ковара. Крепления 7 выполнены в виде прижимных винтов. При проведении испытаний с помощью высоковольтного провода 8, закрепленного на концах высоковольтного электрода 6, потребителю подавалось напряжение 3÷4 кВ при давлении остаточного газа внутри вакуумного объема порядка 10^-1 торр. В течение 24 недель проведения испытаний одного и того же высоковольтного вакуумного ввода для использования в условиях форвакуума не было зафиксировано ни одного электрического пробоя при давлении остаточного газа от атмосферного до высокого вакуума.A CF 40 flange of a 20 liter vacuum chamber was connected to a metal flange 1 of a CF 40 type device. Insert-insulator 2, which includes the presser disk 3 and fitting 4, was made of zirconium oxide. An insulating dielectric tube 5 with a length of about 300 mm was made of polyvinyl chloride. The high-voltage electrode 6 with a length of about 20 mm, the inner diameter of which is 5 mm and the outer diameter is 8 mm, is made of covar. The fasteners 7 are made in the form of clamping screws. When testing using a high-voltage wire 8 attached to the ends of the high-voltage electrode 6, the consumer was supplied with a voltage of 3 ÷ 4 kV at a pressure of residual gas inside a vacuum volume of the order of 10 ^-1 Torr. During the 24 weeks of testing the same high-voltage vacuum input for use in forevacuum conditions, no electrical breakdown was recorded at residual gas pressure from atmospheric to high vacuum.

Применение предлагаемой полезной модели возможно в вакуумных устройствах, требующих высоковольтного питания. Наиболее востребованным данное устройство будет в наукоёмком производстве и научных экспериментах, в частности при работе с устройствами, расположенными внутри вакуумной камеры при форвакууме и требующими подвода газа. К таким устройствам, например, относятся газонаполненные пропорциональные счётчики или многопроволочные пропорциональные камеры, которые являются одними из наиболее часто используемых детекторов ионизирующих излучения и, обычно, применяются в условиях атмосферного давления или высокого вакуума. The application of the proposed utility model is possible in vacuum devices that require high voltage power. This device will be most in demand in high-tech production and scientific experiments, in particular when working with devices located inside the vacuum chamber at forevacuum and requiring gas supply. Such devices, for example, include gas-filled proportional counters or multiwire proportional chambers, which are among the most commonly used detectors of ionizing radiation and are usually used under conditions of atmospheric pressure or high vacuum.

Claims

High-voltage vacuum input containing insulating and conductive elements, characterized in that it further includes a metal flange, inside of which are an insulating element, made in the form of an insert-insulator, including a pressure disc and a fitting with an insulating dielectric tube fixed on it, and a conductive element, made in the form of a high-voltage electrode with fixtures that ensure fixation of a high-voltage wire passing inside it.