專利名稱：一種真空絕緣結(jié)構(gòu)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于一種真空絕緣結(jié)構(gòu)，特別涉及真空脈沖功率技術領域耐受脈沖電壓作用的絕緣結(jié)構(gòu)。
背景技術：
目前脈沖功率技術中的功率已達到數(shù)太瓦，脈沖頻率也已達到數(shù)千赫茲。脈沖功率系統(tǒng)中真空絕緣部件的絕緣性能限制了絕緣部件的尺寸、系統(tǒng)性能及運行方式。材料的真空沿面閃絡場強一般遠小于體擊穿場強與真空擊穿場強，其真空沿面閃絡特性決定了真空絕緣性能。在介質(zhì)腔加速器(Dielectric Wall Accelerator)及大型閃光照像系統(tǒng)的直線加速腔內(nèi)，因結(jié)構(gòu)緊湊性、低橫向阻抗及系統(tǒng)整體造價的要求，絕緣密封件的真空沿面閃絡成為國內(nèi)外需迫切解決的問題。在其它高功率粒子束加速器、微波窗結(jié)構(gòu)設計及太空飛行器的絕緣結(jié)構(gòu)設計中也面臨同樣的問題。
在脈沖電壓作用下，真空沿面閃絡一般從陰極、絕緣材料及真空的結(jié)合點處開始，經(jīng)過復雜的二次電子增益過程，在絕緣材料表面的解附氣體層中產(chǎn)生流注放電，如圖1所示。絕緣材料的幾何特征、真空度、電極形狀等對真空沿面閃絡場強均有影響，人們針對上述因素采取單一或多種措施提高閃絡場強，如采用45°圓錐臺結(jié)構(gòu)、凹形電極等。但上述措施或未能顯著提供真空沿面閃絡場強，或只能顯著提高單極性脈沖電壓的耐受水平，且長期運行效果較差。
美國Tetra公司的J.M.Elizondo博士等人和Lawrence Livermore國家實驗室的S.E.Sampayan等人采用微堆層技術，如圖2所示，由片狀金屬6與片狀絕緣材料5交錯堆疊而成，得到堆迭形式的高梯度絕緣材料。其閃絡場強最高提高到4倍，接近真空間隙擊穿場強。
上述微堆層結(jié)構(gòu)有明顯缺陷，主要為(1)這種技術適合于平面加工、平板電極間的縱向絕緣，如圖3所示。而核技術領域中的大型閃光照像系統(tǒng)及微波系統(tǒng)均有徑向絕緣的要求，需滿足同軸電極間的徑向閃絡要求的絕緣材料，如圖4所示?，F(xiàn)有技術的堆迭層結(jié)構(gòu)形式因亞毫米尺度的薄壁金屬圓筒與薄壁絕緣材料圓筒很難加工，且薄壁金屬圓筒與薄壁絕緣材料圓筒之間不易結(jié)合。若采取涂鍍方法，則加工時很難控制薄壁圓筒型金屬與絕緣材料的厚度、致密度、結(jié)合力，無法保證各絕緣層、金屬層的均勻性而無法實現(xiàn)。目前還未見到能滿足徑向絕緣要求的微堆層結(jié)構(gòu)。(2)材料的機械性能較難控制，其抗拉強度較低。絕緣膜片與金屬膜片采用粘膠結(jié)合，而粘膠的抗拉伸強度一般為幾十兆帕。(3)眾所周知，絕緣材料的沿面閃絡發(fā)生在絕緣材料表面的真空區(qū)域內(nèi)，對沿面閃絡產(chǎn)生影響的也僅是絕緣材料表面幾十納米深度范圍內(nèi)的分子結(jié)構(gòu)特性及其附著物特性。真空沿面閃絡現(xiàn)象是一表面過程，而上述絕緣結(jié)構(gòu)采用絕緣薄片與金屬薄片交錯并行排列，這種結(jié)構(gòu)固然可以抑制絕緣材料沿面的二次電子發(fā)射，但其結(jié)構(gòu)相對于材料表面而言，則明顯累贅了。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術徑向絕緣不好，縱向拉伸強度差的缺點，本發(fā)明提出一種新型高梯度電絕緣結(jié)構(gòu)，它采用低二次電子發(fā)射系數(shù)的絕緣材料膜層環(huán)與金屬膜層環(huán)相結(jié)合的復合膜層結(jié)構(gòu)。本發(fā)明可充分利用復合膜層的低二次電子發(fā)射系數(shù)特征，提高沿面閃絡場強，拓寬應用范圍。
本發(fā)明采用以下技術方案以絕緣材料作為基底，在其需耐受脈沖電壓的與真空接觸的表面上設置復合膜層。該復合膜層由低二次電子發(fā)射系數(shù)絕緣材料膜層和金屬膜層構(gòu)成。絕緣材料膜層位于基體絕緣材料的表面。金屬膜層可嵌入基體絕緣材料或嵌入絕緣材料膜層。金屬膜層嵌入基體絕緣材料時，金屬膜層與絕緣材料膜層呈環(huán)狀相間分布，金屬膜層外表面與絕緣材料膜層外表面齊平，各金屬膜層橫截面相同，接近矩形，各絕緣膜層橫截面相同，接近矩形；金屬膜層寬度不大于250微米，厚度不大于200微米，嵌入基體絕緣材料深度不大于100微米；絕緣材料膜層寬度不大于500微米，厚度不大于100微米。金屬膜層嵌入絕緣材料膜層時，各金屬膜層呈環(huán)狀均勻分布在絕緣材料膜層上，金屬膜層外表面與絕緣材料膜層外表面齊平，各金屬膜層橫截面相同，接近矩形；金屬膜層寬度不大于250微米，嵌入絕緣膜層深度不大于100微米，各金屬膜層中心間距相同，金屬膜層間絕緣膜層寬不大于500微米。金屬膜層可由多種金屬復合構(gòu)成，與基體絕緣材料及絕緣膜層接觸之處設有過渡金屬層，過渡金屬層厚度小于2微米。
脈沖作用下真空沿面閃絡的過程為真空沿面閃絡的起始點為陰極、絕緣材料和真空的三結(jié)合點處，因場致發(fā)射或熱場致發(fā)射產(chǎn)生一次電子，一次電子在陰陽兩極間電場力作用下漂移，部分一次電子撞擊絕緣材料表面，產(chǎn)生二次電子，并在材料表面形成表面電荷。二次電子在極間電場和表面電荷電場作用下在絕緣材料表面漂移，撞擊絕緣材料表面，產(chǎn)生二次電子，并在材料表面形成表面電荷。如此周而復始，形成二次電子崩，最終在絕緣材料表面的解附氣體層中放電。
從脈沖電壓作用下真空沿面閃絡的過程可見，真空沿面閃絡必需經(jīng)歷二次電子增益過程，同時它也是氣體放電過程。二次電子增益由電子撞擊絕緣材料和撞擊絕緣材料解附氣體構(gòu)成。絕緣材料解附氣體的擴散速率較慢，早期的二次電子多數(shù)因入射電子撞擊絕緣材料形成。二次電子發(fā)射系數(shù)與入射電子撞擊絕緣材料時具備的能量有關，在一定能量范圍內(nèi)，能量越大，二次電子發(fā)射系數(shù)越高。入射電子撞擊絕緣材料時的能量由其沿極間電場方向漂移的距離決定。二次電子發(fā)射系數(shù)也與絕緣體表面的材料有關。在脈沖電壓作用下，流注的形成需要一定的極間距離，若極間距離過小，則放電形式將改為雪崩放電，放電時延將延長。
本發(fā)明通過低二次電子發(fā)射系數(shù)的絕緣膜層環(huán)和金屬膜層環(huán)的復合膜層結(jié)構(gòu)，改變絕緣材料沿面的電場分布，降低絕緣材料沿面的二次電子發(fā)射系數(shù)，抑制流注放電形式的產(chǎn)生，從而提高絕緣材料的真空沿面閃絡電壓。本發(fā)明可應用于復雜形狀絕緣構(gòu)件的與真空接觸的表面，可顯著提高其縱向絕緣或徑向絕緣的真空沿面閃絡場強。本發(fā)明結(jié)構(gòu)可用成熟的表面工程技術實現(xiàn)，其機械強度由基體材料決定。


圖1為脈沖電壓作用下真空沿面閃絡示意圖。
圖2為微堆層剖面圖。圖中5為片狀絕緣材料，6為片狀金屬。
圖3為縱向電場示意圖。圖中7為陽極，8為陰極，9為絕緣材料。
圖4為徑向電場示意圖。圖中10為內(nèi)電極，11為外電極，12為絕緣材料。
圖5為本發(fā)明實例1的剖面圖。
圖6為本發(fā)明實例2的剖面圖。
圖7為本發(fā)明實例3的剖面圖。
圖8為本發(fā)明實例4的剖面圖。
圖中1基體絕緣材料，2絕緣材料膜層，3主金屬膜層，4過渡金屬膜層，3與4合稱金屬膜層，H1絕緣膜層厚度，H2金屬膜層厚度，W1絕緣膜層寬度，W2金屬膜層寬度。
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和具體實施方式
進一步說明本發(fā)明。
如圖5所示，絕緣基體材料1為圓棒形聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龍6、尼龍1010材料，直徑為60毫米-500毫米，高30毫米-200毫米；絕緣材料膜層2為氧化鋁陶瓷、氧化鉻陶瓷或類金剛石，絕緣膜層厚H1為1微米-100微米，均勻分布在基體材料1的圓柱側(cè)面上；主金屬膜層3為金膜層或鈦膜層或鋅膜層，過渡金屬膜層4位于主金屬膜層3與絕緣膜層2間，為0.1微米-0.3微米厚的鉻膜層；金屬膜層厚H2為0.5微米-10微米，寬W2為5微米-50微米，金屬膜層與絕緣膜層2間距W1為10微米-400微米。該絕緣結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下(＜10-3Pa)，半高寬30內(nèi)秒正極性脈沖電壓作用下50％沿面閃絡場強為200kV/cm，誤差±10％。該例絕緣結(jié)構(gòu)可耐受真空中縱向脈沖電壓。
如圖6所示，基體絕緣材料1為圓棒形聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龍6、尼龍1010材料，直徑為60毫米-500毫米，高30毫米-200毫米；絕緣材料膜層2為氧化鋁陶瓷、氧化鉻陶瓷或類金剛石，絕緣膜層厚H1為1微米-10微米，均勻分布在基體材料1的圓柱側(cè)面上；主金屬膜層3為金膜層或鈦膜層或鋅膜層，過渡金屬膜層4位于主金屬膜層3、絕緣膜層2與基體絕緣材料1間，為0.1微米-0.3微米厚的鉻膜層；金屬膜層厚H2為2微米-11微米，寬W2為5微米-50微米，金屬膜層與絕緣膜層2間距W1為10微米-400微米。該絕緣結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下(＜10-3Pa)，半高寬30納秒正極性脈沖電壓作用下50％沿面閃絡場強為200kV/cm，誤差±10％。該例絕緣結(jié)構(gòu)可耐受真空中縱向脈沖電壓。
如圖7所示，基體絕緣材料1為圓筒形聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龍6、尼龍1010材料，外徑為200毫米-500毫米，內(nèi)徑為100毫米-400毫米，高30毫米-200毫米；絕緣材料膜層2為氧化鋁陶瓷、氧化鉻陶瓷或類金剛石，膜層厚H1為1微米-100微米，絕緣材料膜層均勻分布在基體絕緣材料1的上下圓端面上；主金屬膜層3為金膜層或鈦膜層或鋅膜層，過渡金屬膜層4位于主金屬膜層3與絕緣膜層2間，為0.1微米-0.3微米厚的鉻膜層；金屬膜層厚H2為0.5微米-10微米，寬W2為5微米-50微米，金屬膜層與絕緣膜層2間距W1為10微米-400微米，金屬膜層均勻分布在絕緣材料膜層上。該絕緣結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下(＜10-3Pa)，半高寬30納秒正極性脈沖電壓作用下50％沿面閃絡場強為200kV/cm，誤差±10％。該例絕緣結(jié)構(gòu)可耐受真空中徑向脈沖電壓。
如圖8所示，基體絕緣材料1為圓筒形聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龍6、尼龍1010材料，外徑為200毫米-500毫米，內(nèi)徑為100毫米-400毫米，高30毫米-200毫米；絕緣材料膜層2為氧化鋁陶瓷、氧化鉻陶瓷或類金剛石，絕緣膜層厚H1為1微米-10微米，絕緣材料膜層均勻分布在基體絕緣材料1的上下圓端面上；主金屬膜層3為金膜層或鈦膜層或鋅膜層，過渡金屬膜層4位于主金屬膜層3、絕緣膜層2與基體材料間，為0.1微米-0.3微米厚的鉻膜層；金屬膜層厚H2為2微米-11微米，寬W2為5微米-50微米，金屬膜層與絕緣膜層2間距W1為10微米-400微米，金屬膜層均勻分布在絕緣材料膜層上。該絕緣結(jié)構(gòu)在真空環(huán)境下(＜10-3Pa)，半高寬30納秒正極性脈沖電壓作用下50％沿面閃絡場強為200kV/cm，誤差±10％。該例絕緣結(jié)構(gòu)可耐受真空中徑向脈沖電壓。
權利要求
1.一種真空絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于在基體絕緣材料[1]需耐受脈沖電壓的與真空接觸的表面上設置復合膜層，復合膜層由低二次電子發(fā)射系數(shù)絕緣材料膜層[2]和金屬膜層[3]構(gòu)成，絕緣材料膜層[2]位于軸對稱形狀的基體絕緣材料[1]表面；金屬膜層[3]可嵌入基體絕緣材料[1]或嵌入絕緣材料膜層[2]；與基體絕緣材料[1]及絕緣膜層[2]接觸處設有過渡金屬層[4]，過渡金屬層[4]厚度小于2微米。
2.根據(jù)權利要求1所述的真空絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬膜層[3]嵌入基體絕緣材料[1]時，金屬膜層[3]與絕緣材料膜層[2]呈環(huán)狀相間分布，金屬膜層[3]外表面與絕緣材料膜層[2]外表面齊平，各金屬膜層[3]橫截面相同，接近矩形，各絕緣膜層[2]橫截面相同，接近矩形；金屬膜層[3]寬度不大于250微米，厚度不大于200微米，嵌入基體絕緣材料[1]的深度不大于100微米；絕緣材料膜層[2]寬度不大于500微米，厚度不大于100微米。
3.根據(jù)權利要求1所述的真空絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬膜層[3]嵌入絕緣材料膜層[2]時，各金屬膜層[3]呈環(huán)狀均勻分布在絕緣材料膜層[2]上，金屬膜層[3]外表面與絕緣材料膜層[2]外表面齊平，各金屬膜層[3]橫截面相同，接近矩形；金屬膜層[3]寬度不大于250微米，嵌入絕緣膜層[2]深度不大于100微米，各金屬膜層[3]中心間距相同，金屬膜層[3]間絕緣膜層寬不大于500微米。
4.根據(jù)權利要求1至3的任何一項所述的真空絕緣結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的金屬膜層[3]可由多種金屬復合構(gòu)成。
全文摘要
一種真空絕緣結(jié)構(gòu)，特別涉及真空脈沖功率技術領域耐受脈沖電壓作用的絕緣結(jié)構(gòu)。其特征在于在基體絕緣材料[1]需耐受真空脈沖電壓的與真空接觸的表面上設置復合膜層，復合膜層由低二次電子發(fā)射系數(shù)絕緣材料膜層[2]和金屬膜層[3]構(gòu)成，絕緣材料膜層[2]位于基體絕緣材料[1]表面，金屬膜層[3]可嵌入基體絕緣材料[1]或嵌入絕緣材料膜層[2]。與基體絕緣材料[1]及絕緣膜層[2]接觸處設有過渡金屬層[4]。本發(fā)明可改變絕緣材料沿面的電場分布，降低絕緣材料沿面的二次電子發(fā)射系數(shù)，抑制流注放電形式的產(chǎn)生，從而提高絕緣材料的真空沿面閃絡電壓。本發(fā)明可應用于復雜形狀絕緣構(gòu)件的與真空接觸的表面，可顯著提高其縱向絕緣或徑向絕緣的真空沿面閃絡場強。
文檔編號H01B19/00GK1841572SQ200510011489
公開日2006年10月4日 申請日期2005年3月29日 優(yōu)先權日2005年3月29日
發(fā)明者袁偉群, 嚴萍, 潘洋 申請人:中國科學院電工研究所