真空相容电绝缘体的制作方法

本公开总体涉及一种真空相容电绝缘体。

背景技术：

电绝缘体在本领域中是众所周知的。电绝缘体在电气设备中用于支撑和分隔电导体，同时不允许电流流过绝缘体本身。在施加足够大的电压并且电场将电子从绝缘体的原子中拉走时，所有电绝缘体都会导电(称为绝缘体的“击穿电压”)。电绝缘体通常用于高能等离子体系统、带电粒子加速器或高压发生器中。在某些应用中，电绝缘体必须是真空相容的(例如当作为真空容器的一部分安装时)，例如电绝缘体必须保持绝缘体表面上的电压而不会被击穿，同时保持真空条件。对于在真空中使用的电绝缘体来说，绝缘体的表面易被击穿，其击穿电压远低于在大气中导致材料本身击穿所需的电压。另外，对于某些应用(例如等离子体系统)，电绝缘体需要能承受暴露于可能与绝缘体表面接触的高能电离等离子体的条件，而不损坏该表面。

真空相容电绝缘体的最常用材料是陶瓷，例如氧化铝(al2o3)。用作绝缘体的氧化铝与真空相容，能承受作用在其表面上的电压而不会被击穿；但是，制造大尺寸陶瓷绝缘体可能具有挑战性。最大的已知商售氧化铝绝缘体的直径大约为1米。制造大型氧化铝部件的问题在于，这种氧化铝部件在制造过程中容易破裂。因此，大尺寸氧化铝绝缘体的制造是一个复杂且昂贵的过程。用于提供大尺寸氧化铝绝缘体的一些已知方案包括使用多个小氧化铝块代替一个大绝缘体，但是这给绝缘体的安装增加了额外的复杂性，并且可能损害真空质量。

另一种常用的电绝缘体材料是玻璃(sio2)。玻璃可制成非常大的尺寸，并且是良好的电绝缘体；但是，玻璃在暴露于带电粒子(例如等离子)时很容易损坏，并且在真空条件下，由于玻璃的表面电阻率很高，因此沿玻璃表面积累的电荷可能触发表面闪络。带电粒子可能损坏玻璃表面，并导致绝缘体失效和/或显著降低需要在绝缘体表面上保持的耐受电压。

塑料也经常用作电绝缘材料。塑料电绝缘体能制成非常大的尺寸，但与真空应用不相容(释气量太大)，并且在暴露于带电粒子时很容易分解。

技术实现要素：

在一个方面中，提供了一种真空相容电绝缘体。该真空相容电绝缘体包括：具有至少一个表面并且该表面的至少一部分可暴露于高能带电粒子或光子的玻璃基板、以及覆盖该玻璃基板的至少一个表面的至少一部分的陶瓷层。

在一个方面中，玻璃基板是单片玻璃，该单片玻璃是圆形的，并具有至少1米的直径。

在一个方面中，玻璃基板由硼硅酸盐玻璃构成。陶瓷层可由选自由氧化钇和氧化铝组成的组的材料构成。

在另一个方面中，提供了一种等离子体系统。该等离子体系统包括：真空容器；第一电极和第二电极，该第一电极和第二电极安装在该真空容器中并间隔开，以在它们之间形成间隙，从而可在第一电极和第二电极之间施加电压；以及安装在这两个电极之间的电绝缘体。该电绝缘体包括：具有至少一个表面并且该表面的至少一部分可暴露于真空容器内的等离子体的玻璃基板以及覆盖至少一个表面的至少一部分的陶瓷层。

除了上述的方面和实施例之外，通过参考附图并研究以下详细说明，本发明的其他方面和实施例将变得明显。

附图说明

在所有附图中，可重复使用附图标记以指示所指代的元件之间的对应关系。提供这些附图仅用于说明在本文中所述的示例性实施例，而无意限制本公开的范围。附图中的元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如，各个元件的形状和角度不是按比例绘制的，并且其中一些元件是随意放大和布置的，以加强附图的可读性。

图1是高压真空相容陶瓷覆层玻璃电绝缘体的一个示例的示意性俯视图；

图2是等离子体发生器的示意性横截面图，其中陶瓷覆层玻璃电绝缘体安装在内电极和外电极之间的间隙中；

图3a是在高压、高真空和等离子暴露条件下测试之后的实验性陶瓷覆层玻璃电绝缘体的照片；

图3b是图3a的电绝缘体的覆层的特写照片；

图4是在高压、高真空和等离子暴露条件下测试之后的无覆层电绝缘体的裸露玻璃侧面的照片。

具体实施方式

在此说明的本发明的实施例涉及一种适合于大尺寸和真空应用的电绝缘体。在一些实施例中，电绝缘体适合用于等离子体产生系统和粒子加速器，其中该绝缘体布置在电极之间的间隙中。在一些实施例中，电绝缘体可具有大约2米或更大的直径。最大的商售陶瓷(例如氧化铝)绝缘体的直径大约为1米，制造这种大尺寸氧化铝绝缘体的成本高达每件数十万美元。与此对比，预计电绝缘体的实施例较简单，并且制造成本较低。

本文公开的电绝缘体的实施例可安装在真空容器中，设计成相当大(不受尺寸限制)，并且能够承受暴露于高能带电粒子(例如等离子体)的条件。

本发明的实施例在此是以在等离子体产生系统中使用为例来说明的。但是，本领域技术人员应认识到，本发明的其他实施例可用于其他应用，例如x射线系统、电子管、射束注入器、粒子加速器或需要电绝缘体的其他装置。下文中对等离子体产生系统的论述仅是一个此类实施方式的示例，并且无意在形式上进行限制。本领域技术人员应理解，本发明适用于需要安装在真空条件下工作的电绝缘体的其他系统。

图1示出了电绝缘体10的一个示例，该电绝缘体包括玻璃(sio2)基板11和陶瓷覆层12。玻璃基板11包括可用作高真空与外部大气之间的真空密封构造的主体。在一些实施方案中，玻璃基板11可由硼硅酸盐玻璃组成。玻璃基板11可以是从单块玻璃上切出的，并且可具有预定的所需尺寸和形状。例如，所示的玻璃基板11的示例具有环形形状(例如盘状)。玻璃基板11具有至少一个覆有陶瓷层12的表面11a。表面11a是暴露于高能带电粒子的绝缘体表面。陶瓷覆层12配置为保护玻璃基板11免受高能带电粒子或光子的损坏，同时仍能保持真空条件下的电压。陶瓷覆层12施加到表面11a上，并且其厚度应当足以维持电压和承受暴露于带电粒子的条件，以保护玻璃基板11。在一些实施例中，陶瓷覆层12可以是表面11a上的10微米-200微米厚覆层。但是，本领域技术人员应理解，在其他实施例中，陶瓷覆层可具有不同的厚度。可使用任何适当的涂覆工艺来施加覆层12。例如，可利用等离子喷涂沉积、气相沉积或可用于将陶瓷覆层施加到玻璃基板上的其他适当的沉积工艺将陶瓷覆层12施加到玻璃基板11上。覆层12例如可以是氧化铝(al2o3)或已知适合于在真空和等离子环境中使用的其他陶瓷材料。在一个实施方案中，覆层12可以是氧化钇(y2o3)。玻璃基板可具有圆柱形、矩形、管状或其他所需的形状，或者这些形状的组合。在一个实施例中，玻璃基板11的表面可包括许多折痕(fold)，以补偿玻璃基板11(例如硼硅酸盐玻璃)的热膨胀系数与陶瓷覆层12的热膨胀系数(例如氧化铝、氧化钇)之间的差异。

在所示的绝缘体10的示例中，陶瓷覆层12仅施加在基板11的一侧上，因为绝缘体仅有一侧面向并暴露于真空/等离子体；但是，本领域技术人员应理解，在不脱离本发明的范围的情况下，绝缘体10的两侧(和/或边缘)都可涂覆有陶瓷层12。表面11a可以是连续的单个表面或者包括多个表面部分。例如，在绝缘体10用于绝缘体10仅部分地暴露于高能带电粒子的应用时，表面11a可包括多个表面部分；在这种应用中，两个或更多覆层表面部分11a与一个或多个无覆层表面部分(未示出)夹杂布置(intersperse)。在图1中示出的电绝缘体10可具有围绕电绝缘体10的内径的无覆层区域14和围绕电绝缘体10的外周的无覆层区域15。无覆层区域14和15可用作可抵靠无覆层玻璃区域14、15安装的密封件(例如o型圈密封件)的底座，从而电绝缘体10可形成真空密封件以及两个导体之间的电绝缘屏障。陶瓷覆层12维持电极之间的电绝缘屏障，并承受暴露于高能电离等离子体的条件。例如，氧化铝覆层12保护玻璃基板11免受等离子体的破坏，并且当其暴露于等离子体时保持其电绝缘特性。真空密封也可通过结合到玻璃上的金属界面环形成。可使用任何标准方法将金属沉积到玻璃基板上，使无覆层玻璃区域金属化。然后可将玻璃的金属化区域密封地结合至适当的低热膨胀性金属(例如因瓦合金)上。

图2示出了使用陶瓷覆层玻璃电绝缘体10的等离子体系统40的一个示例的示意图。等离子体产生系统40配置为产生等离子体，并且包括具有第一电极46和第二电极47的等离子体产生容器41。使用泵系统44对等离子体系统40抽真空。陶瓷覆层玻璃电绝缘体10安装在容器41的封闭端42附近，使得玻璃基板10b的表面10a面向内腔45。表面10a涂覆有陶瓷层(例如氧化铝)，从而氧化铝层覆盖玻璃基板10b的表面10a。可使用多个气阀43将精确数量的气体对称地注入到电极46与47之间的环形间隙48中。等离子体系统40可进一步包括电源52，该电源52配置为向第一电极46提供放电脉冲，使得电流流过电极46与47之间的间隙48，从而使气体电离并形成等离子体。电绝缘体10将电极46和47分开，并在它们之间形成电绝缘屏障。图2中所示的电绝缘体10具有直径为1米以上的盘形(环形)形状。根据两个电极的位置和关系，电绝缘体10也可具有其他形状。

实施例

陶瓷覆层玻璃电绝缘体已在generalfusioninc.的多种等离子体系统中进行了测试。陶瓷覆层玻璃电绝缘体安装在内电极与地电位电极之间。陶瓷覆层玻璃电绝缘体包括由硼硅酸盐玻璃构成的盘状玻璃基板，该玻璃基板的外径为14英寸(35.56厘米)，内径为4英寸(大约10.16厘米)，厚度为0.75英寸(大约1.9厘米)。覆盖玻璃基板的陶瓷层由氧化铝构成，其厚度大约为100微米，并通过等离子喷涂法施加在玻璃基板上。使用真空容器作为等离子体放电的地电势电极。使用o型圈密封件来密封真空容器。在陶瓷覆层玻璃电绝缘体上施加大约20kv的电压，每次脉冲为50-100微秒，共施加数百个脉冲。使陶瓷覆层玻璃电绝缘体进一步暴露于在电极之间产生的等离子体。使用具有与陶瓷覆层玻璃电绝缘体的玻璃基板相同的组成和尺寸的无覆层(裸露)玻璃绝缘体(参见图4)进行了相同的测试。结果在图3和图4示出。用陶瓷覆层玻璃电绝缘体进行的测试(图3a、图3b)表明，覆层略有变色(很可能是真空室的污染)；但是，电绝缘体的表面没有发生明显损坏，并且电绝缘体经受住了电压脉冲和等离子暴露。污染并没有阻止覆层保持其电绝缘性能。结果表明，当暴露于等离子体放电时，陶瓷覆层玻璃电绝缘体的表现与任何固体陶瓷电绝缘体一样好；但是，制造大尺寸陶瓷覆层玻璃绝缘体的成本预计会比制造大尺寸固体陶瓷(氧化铝)绝缘体的成本低得多。

在使用无覆层玻璃电绝缘体进行的测试中(参见图4)，绝缘体20的无覆层侧面向真空和等离子体环境。暴露于等离子体导致表面开裂，这降低了无覆层玻璃电绝缘体保持电极之间的电压的能力，从而导致基体材料中出现裂纹30，并导致通过无覆层玻璃电绝缘体发生真空泄漏。

还在细长杆状的玻璃基板上施加覆层并进行了测试。一个电极夹在覆层玻璃棒的一端，另一电极夹在玻璃棒的另一端。将由电极和布置在电极之间的绝缘体组成的组件放入真空室中，并在电极之间施加电压(大约30kv)。向真空室注入氦气，以引发电极之间的击穿并产生等离子体。围绕玻璃棒的周面施加陶瓷覆层，以在绝缘体的表面上形成覆层。在使用覆层玻璃棒绝缘体进行的测试中，绝缘体能够承受反复击穿，而不会发生明显损坏或失去保持电压的能力。

虽然在上文中示出并说明了本公开的特定元件、实施例和应用，但是应理解，本公开的范围不限于此，因为本领域技术人员可在不脱离本公开的范围的情况下做出各种修改，尤其是根据上文的教导进行。因此，例如在本文中公开的任何方法或过程中，构成该方法/过程的动作或操作可按任何适当的顺序执行，并且不必限于所公开的任何特定顺序。在各个实施例中，元件和部件可按不同方式配置、布置、组合和/或消除。上述的各个特征和过程可彼此独立地使用，也可按各种方式组合。所有可能的组合和子组合都在本公开的范围之内。在本公开中，对“一些实施例”、“一个实施例”等的引用指结合该实施例说明的特定特征、结构、步骤、过程或特性包含在至少一个实施例中。因此，在本公开中，在出现“在一些实施例中”、“在一个实施例中”等短语时，不一定都指代同一个实施例，而是可指代相同或不同实施例中的一个或多个。实际上，在本文中说明的新方法和系统可按多种其他形式来实施；此外，在不脱离本文中所述的本发明的精神的情况下，可对本文中所述的实施例的形式进行各种省略、增加、替换、等效变化、重新布置和改变。

在上文中已在适当位置说明了本发明的实施例的各个方面和优点。应理解，任何特定实施例不一定都实现了所有这些方面或优点。因此，例如应认识到，各种实施例可按实现或优化如本文所教导的一个优点或一组优点的方式来实施，而不必实现如本文所教导或建议的其他方面或优点。

除非另有说明或在所使用的上下文中另行理解，否则本文所使用的“能够”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”等条件性表述一般旨在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤的含义。因此，这种条件性表述通常无意暗示这些特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于确定在有或没有操作员输入或提示的情况下在任何特定实施例中是否包括或执行这些特征、元素和/或步骤的逻辑。对于任何特定实施例来说，某个特征或一组特征不一定是必需或必不可少的。“包括”、“包含”、“具有”等术语是同义词，以包含性的开放方式使用，并且不排除其他元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接一系列元素时，术语“或”表示该系列元素中的一个、一部分或全部元素。

本文中所述的实施例的示例性计算、模拟、结果、图形、数值和参数仅用于示例性目的，而无意限制所公开的实施例。其他实施例可与本文中所述的示例进行不同地配置和/或操作。