RU2684166C1 - Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов - Google Patents
Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2684166C1 RU2684166C1 RU2018121395A RU2018121395A RU2684166C1 RU 2684166 C1 RU2684166 C1 RU 2684166C1 RU 2018121395 A RU2018121395 A RU 2018121395A RU 2018121395 A RU2018121395 A RU 2018121395A RU 2684166 C1 RU2684166 C1 RU 2684166C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- ion
- dielectric
- electron sources
- working medium
- grids
- Prior art date
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 claims abstract description 10
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 claims abstract description 10
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims description 13
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 7
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 claims description 5
- 239000012772 electrical insulation material Substances 0.000 claims description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 abstract 1
- 239000012777 electrically insulating material Substances 0.000 abstract 1
- 238000002294 plasma sputter deposition Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 7
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 6
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 3
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 description 2
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 description 2
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 229920002313 fluoropolymer Polymers 0.000 description 1
- -1 for example Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 239000003380 propellant Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
- H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
- H05H1/54—Plasma accelerators
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Изобретение относится к средствам подачи рабочего тела (РТ) источников ионов и электронов и может быть использовано в пневматических трактах подачи РТ плазменным ускорителям и системам плазменного напыления, а также применяться в масс-спектрометрах и ионных микроскопах. Диэлектрический разделитель содержит удлиненный корпус из электроизоляционного материала с соединительными элементами на концах и продольным каналом, заполненным диэлектрическим неорганическим материалом с открытой пористостью, при этом по длине канала расположены поперечные сетки, препятствующие перемещению материала. Техническим результатом является повышение электрической прочности, а также возможность установки необходимого количества секций, формируемых сетками, подбора длины диэлектрического корпуса диэлектрического разделителя тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов между соединительными элементами, находящимися под напряжением. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Description
Предлагаемое изобретение относится к средствам подачи рабочего тела (РТ) источников ионов и электронов и может быть использовано в пневматических трактах подачи РТ электроракетных двигателей и систем плазменного напыления, а также применяться в масс-спектрометрах и ионных микроскопах.
Надежное функционирование таких высоковольтных устройств достигается за счет обеспечения необходимой электрической изоляции, т.е. электрической прочности, разделяемых электрических цепей, находящихся под большой разностью потенциалов (1-10 кВ), что исключает возникновение искрового пробоя при течении газа вдоль системы подачи РТ.
Существует два пути решения проблемы возникновения искрового пробоя: первый - это увеличение межэлектродного зазора, что приводит к снижению напряженности электрического поля Е, второй - создание условий, при которых заряженные частицы не смогут набрать энергию, необходимую для ионизации атомов рабочего тела, таких как ксенон и аргон, например, за счет увеличения числа столкновений заряженных частиц со стенками газового тракта.
В уровне техники известен диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела RU 2410742 C1, опубл. 27.01.2011. Принцип работы устройства, раскрытого в данном источнике, состоит в электрическом разделении двух частей устройства, находящихся под разными высокими потенциалами, диэлектрическим изделием, способным пропускать через себя рабочее тело, не допуская при этом его утечки. Недостаток указанного изобретения заключается в том, что оно не обеспечивает необходимую защиту от пробоев при разнице потенциалов выше 1000 В между разделяемыми трактами.
В качестве прототипа выбран диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела, описываемый в статье Bruce A. Banks et al, «Ultra High Voltage Propellant Isolators and Insulators for JIMO Ion Thrusters», American Institute of Aeronautics and Astronautics, 2004-3815. Устройство представляет собой канал из электроизоляционного материала с соединительными элементами на его концах, внутри которого находится диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью. Данный тип изолятора основан на принципе снижения длины свободного пробега заряженных частиц и снижения напряженности электрического поля за счет увеличения расстояния между электродами. Недостатками развязок такого типа являются высокое гидравлическое сопротивление и массогабаритные размеры устройства. Кроме того, при изготовлении высоковольтного изолятора магистрали рабочего тела порошок спекают при высоких температурах порядка 1500-2000°C. Это необходимо для конструкционной прочности изделия, препятствующей высыпанию порошка, но полученное устройство в свою очередь имеет высокое гидравлическое сопротивление.
Задача настоящего изобретения состоит в создании устройства, способного разделять находящиеся под разностью потенциалов в 1-10 кВ детали диэлектрическим изделием, пропускающим рабочее тело, и лишенного при этом недостатков прототипа.
Технический результат заключается в повышении электрической прочности и высокой технологичности предлагаемого устройства.
Данный результат достигается в диэлектрическом разделителе тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов, содержащем удлиненный корпус из электроизоляционного материала с соединительными элементами на концах и продольным каналом, заполненным диэлектрическим неорганическим материалом с открытой пористостью, за счет расположения по длине канала поперечных сеток, препятствующих перемещению материала.
В примере осуществления устройства диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью представляет собой керамическую вату.
Установка в канале поперечных сеток, ограничивающих свободное перемещение диэлектрического неорганического материала с открытой пористостью, в конкретном примере керамической ваты, позволяет избавиться от дополнительного технологического процесса спекания, также сохраняется возможность заполнить равномерно без зазоров корпус по сечению канала, более того использование указанного материала без спекания снижает гидравлическое сопротивление.
Поперечные сетки распределяют потенциал по диаметру канала, тем самым падает напряженность поля, что повышает электрическую прочность изделия, помимо этого, можно установить необходимое количество секций, формируемых сетками, подбирая также длину диэлектрического корпуса между соединительными элементами, находящимися под напряжением.
Таким образом, достигается указанный технический результат, а именно повышается электрическая прочность и технологичность предлагаемого устройства.
Сущность изобретения поясняется на фиг.
Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов содержит удлиненный корпус 3 из электроизоляционного материала, например, керамики на основе оксида алюминия, оксида циркония, оксида кремния, нитрида бора, оксида циркония, пластмасс, органического стекла, фторопласта или резины. В качестве удлиненного корпуса могут выступать трубка, стержень, капилляр и другие элементы различных вытянутых форм, т.е. у которых длина значительно больше ширины и высоты, и поперечных сечений, в которых есть или может быть выполнено продольное отверстие.
Продольное отверстие в корпусе 3, в частности осевое, в рамках данной заявки называется каналом, по которому проходит РТ. Канал может иметь различное сечение, но преимущественным вариантом реализации является круглое. По длине канала установлены мелкоячеистые поперечные сетки 7, например, из металла или графита толщиной около 0.1-0.2 мм, разделяющие диэлектрический неорганический материал 4 с открытой пористостью. В качестве указанного материала может использоваться керамическая вата, порошок оксида алюминия, порошок оксида кремния, оксид циркония, порошок нитрида бора и др. виды материалов. Сетки 7 разделяют массы материала 4 между собой, не допуская его перемещение - пересыпание из одной формируемой сетками 7 секции корпуса 3 в другую. Исходя из этого условия, подбирается размер ячеек сеток. На концах корпуса 3 перед соединительными элементами также должны быть установлены элементы, предотвращающие выпадение материала 4 из корпуса 3, что очевидно для специалиста в данной области техники. В качестве таких элементов могут выступать те же сетки 7.
Расположенные по длине канала поперечные сетки 7 держатся в нем за счет сил трения и дополнительно фиксируются наполняющим канал материалом 4. Так сетки 7 разделяют диэлектрический неорганический материал 4 с открытой пористостью, обеспечивая деление потенциала за счет накопления заряда на сетках 7, что приводит к снижению напряженности электрического поля в межсеточном зазоре. Число сеток 7 подбирается таким образом, чтобы падение потенциала между ними было меньше минимума кривой Пашена.
Материал 4 предотвращает возникновение лавинного пробоя, создавая гидравлическое сопротивление для протекающего газа и тем самым повышая давление Р в канале корпуса. Кроме того, материал 4 повышает число столкновений, снижая энергию заряженных частиц.
Соединительные элементы 1-2, 5-6 на концах корпуса могут быть изготовлены из металла, резины или пластмассы. На фиг. показаны в качестве примера соединительных элементов манжеты 2 и 5, которые припаиваются к корпусу 3, и штуцеры 1 и 6, которые припаиваются к манжетам 2 и 5 соответственно.
Предлагаемое решение работает следующим образом.
Рабочее тело, такое как ксенон (Хе), проходит через полость крепежного элемента 1 и 2 в полость корпуса 3 протекает через диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью 4 и сетки 7, где происходит деление потенциала между сетками и в конечном счете - между крепежными элементами 1-2 и 5-6 диэлектрического разделителя тракта подачи рабочего тела и поступает через крепежные элементы 5,6 потребителю.
В результате испытаний экспериментальных образцов, имеющих корпус в виде керамической трубки, канал которой заполнен в одном случае керамической ватой, а в другом порошком оксида алюминия, ограниченных в перемещении по концам канала и по его длине сетками из стали 12Х18Н10Т, была подтверждена возможность разделять находящиеся под разностью потенциалов в 1-10 кВ элементы тракта подачи рабочего тела электроракетных двигателей. Изобретение может также использоваться в системах плазменного напыления, в масс-спектрометрах и ионных микроскопах.
Таким образом, предлагаемое решение найдет широкое применение в высоковольтных источниках ионов и электронов, т.к. обеспечивается повышенная электрическая прочность и технологичность изделия.
Claims (2)
1. Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов, содержащий удлиненный корпус из электроизоляционного материала с соединительными элементами на концах и продольным каналом, заполненным диэлектрическим неорганическим материалом с открытой пористостью, отличающийся тем, что по длине канала расположены поперечные сетки, препятствующие перемещению материала.
2. Диэлектрический разделитель по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрический неорганический материал с открытой пористостью представляет собой керамическую вату.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018121395A RU2684166C1 (ru) | 2018-06-09 | 2018-06-09 | Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018121395A RU2684166C1 (ru) | 2018-06-09 | 2018-06-09 | Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2684166C1 true RU2684166C1 (ru) | 2019-04-04 |
Family
ID=66090111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018121395A RU2684166C1 (ru) | 2018-06-09 | 2018-06-09 | Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2684166C1 (ru) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2540140C2 (ru) * | 2013-04-24 | 2015-02-10 | Мельников Юрий Константинович | Ускоритель плазмы |
| EP2891389A1 (en) * | 2012-08-29 | 2015-07-08 | General Fusion Inc. | Apparatus for accelerating and compressing plasma |
| WO2015177938A1 (ja) * | 2014-05-23 | 2015-11-26 | 三菱重工業株式会社 | プラズマ加速装置及びプラズマ加速方法 |
| EP3275291A1 (en) * | 2015-03-24 | 2018-01-31 | Di Canto, Gennaro | Plasma propulsion system and method |
-
2018
- 2018-06-09 RU RU2018121395A patent/RU2684166C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2891389A1 (en) * | 2012-08-29 | 2015-07-08 | General Fusion Inc. | Apparatus for accelerating and compressing plasma |
| RU2540140C2 (ru) * | 2013-04-24 | 2015-02-10 | Мельников Юрий Константинович | Ускоритель плазмы |
| WO2015177938A1 (ja) * | 2014-05-23 | 2015-11-26 | 三菱重工業株式会社 | プラズマ加速装置及びプラズマ加速方法 |
| EP3275291A1 (en) * | 2015-03-24 | 2018-01-31 | Di Canto, Gennaro | Plasma propulsion system and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| You et al. | Motion and discharge characteristics of metal particles existing in GIS under DC voltage | |
| Rajović et al. | Influence of ${\rm SF} _ {6}\hbox {--}{\rm N} _ {2} $ Gas Mixture Parameters on the Effective Breakdown Temperature of the Free Electron Gas | |
| JP5449166B2 (ja) | 高電圧絶縁装置および、当該高電圧絶縁装置を備えたイオン加速装置 | |
| RU2684166C1 (ru) | Диэлектрический разделитель тракта подачи рабочего тела источников ионов и электронов | |
| Moore et al. | 1D PIC-DSMC simulations of breakdown in microscale gaps | |
| US20110080095A1 (en) | Filament electrical discharge ion source | |
| Allen et al. | The role of negative ions in the propagation of discharges across insulating surfaces | |
| Koliatene et al. | Impact of the aeronautic environment on the Partial Discharges Ignition: A basic study | |
| Slade et al. | Electrical breakdown in atmospheric air between closely spaced (0.2/spl mu/m-40/spl mu/m) electrical contacts | |
| Hagerman et al. | High power vacuum spark gap | |
| Lin et al. | The influence of electric field distribution on insulator surface flashover | |
| RU2703848C1 (ru) | Газоэлектрическая развязка | |
| Shanmugam et al. | Surface Charging and its Influence on Lightning Impulse Flashover Characteristics of Polymeric Insulator | |
| Wang et al. | Effects of the electromagnetic power coupling on vacuum breakdown | |
| Bogomaz et al. | Near electrode voltage drops in high current high pressure discharges with fast energy input | |
| Hackam et al. | Corona inception and electrical breakdown in a coaxial cylindrical geometry | |
| Topală et al. | Theoretical and experimental study of mechanisms governing the occurrence of electric discharges in gases | |
| Zhong et al. | Prediction of microparticle-initiated breakdown in mm-scaled air gap based on townsend theory and streamer inception | |
| Femi et al. | Effect of electric field on electrical breakdown arc behavior of micro contact gaps: A 3D approach | |
| Rahaman | Investigation of a high-power, high-pressure spark gap switch with high repetition rate | |
| He et al. | Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, B | |
| Babich et al. | Peculiarities of Electrical Breakdown in Dense Electronegative Gases at High Overvoltages. | |
| Zhang et al. | Influence of impulse wave front time on flashover characteristics of coaxial bus line of 220kV GIS | |
| Trump | High gradient studies for accelerator systems | |
| Nagorniy et al. | Limitations of EHD control flows and jets using corona discharges in gas |