Кабель для электропитания генераторов низкотемпературной плазмы

Кабель для электропитания генераторов низкотемпературной плазмы

Реферат

Изобретение относится к области электропитания высоковольтных устройств, формирующих потоки низкотемпературной плазмы, и может быть использовано в микроэлектронике и дифракционной оптике при производстве интегральных микросхем и дифракционных решеток.

Известны конструкции кабелей ЗКВЭЛ и 4КВЭЛ [Белоруссов Николай Иванович и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справ. / Н.И.Белоруссов, А.Е.Саакян, А.И-Яковлева; Под ред. Н.И.Белоруссова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с.122. - 28700 р] и конструкция электрического кабеля [Ерухимович С.З., Месенжик Я.З, Григорьян А.Г. Электрический кабель, патент №RU 2109359 C1, H 01 B 7/18. Опубл. 20.04.98. Бюл. №11], предназначенных для питания электронных микроскопов, электронографов и других электрических устройств, конструкции которых содержат плотно прилегающие друг к другу слои изоляции и проводников. Кабели изготавливают трехжильными (3КВЭЛ) и четырехжильными (4КВЭЛ). Кабели выдерживают высокие напряжения 60, 165 и 220 кВ.

Однако их конструкция отличается громоздкостью, что значительно затрудняет крутые изгибы, необходимые при питании газоразрядных устройств в рабочих камерах вакуумных установок. Кроме этого для электропитания большинства газоразрядных устройств необходимы одна-две жилы, следовательно, две-три жилы остаются неиспользованными. Это значительно снижает эффективность их использования.

Известна конструкция кабеля [И.А.Бирюкова, И.И.Еханина, С.С.Соломоник, Г.М.Смирнова и Е.В.Бржезовская. Высоковольтный провод для телевизионных приемников, патент №SU 1788524, Н 01 В 7118. Опубл. 15.01.93. Бюл. №2], предназначенного для электропитания телевизионных установок и обладающего недостатками перечисленными ниже.

Все элементы в рассмотренных конструкциях находятся в тесном твердом контакте друг с другом. В процессе работы под действием высокого напряжения происходит поляризация изолирующего материала и при достижении критической величины заряда между поверхностями кабеля и технологической оснасткой или стенкой рабочей камеры вакуумной установки в условиях вакуума возникает тлеющий разряд, приводящий к необратимому разрушению диэлектрических свойств материала изоляции кабеля. Наличие экранирующей оплетки затрудняет этот процесс, однако и в этом случае в конечном итоге происходит пробой материала изоляции кабеля. Все это значительно затрудняет электропитание газоразрядных устройств или увеличивает стоимость кабеля, за счет использования высококачественных изолирующих материалов.

Известен маслонаполненный кабель среднего и высокого давления типа МССА-110 [Белоруссов Николай Иванович и др. Электрические кабели, провода и шнуры: Справ. / Н.И.Белоруссов, А.Е.Саакян, А.И.Яковлева; Под ред. Н.И.Белоруссова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1987. - с.59-65. - 28700р]. Его конструкция содержит канал для циркуляции масла МН-4, располагающегося внутри конструкции токопроводящей жилы, систем слоев изоляции из бумаги толщиной 0,08 мм и экранирования, выполненных из слоев токопроводящей бумаги, свинца, упрочняющего и защитного покровов.

К недостаткам устройства при работе в условиях вакуума следует отнести:

1. Возможность возникновения разновидностей тлеющего разряда между токопроводниками и экранирующими слоями, а при недостаточном заземлении - между экранирующими слоями и стенками рабочей камеры газоразрядного устройства.

2. Наличие различных невакуумных материалов в конструкции кабеля при нахождении в плазмо-, вакуумно-агрессивной среде будет испаряться и загрязнять рабочие поверхности деталей, обрабатываемых плазмой.

3. Расположение канала для циркуляции масла не препятствует протеканию процессов, изложенных в пунктах 1 и 2.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является конструкция кабеля электропитания газоразрядного устройства, формирующего тлеющий разряд [Кострицкий А.И., Карпов В.Ф., Кабанченко М.П., Соловьева О.Н. Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме. - М., «Машиностроение», 1991, с.64.]. Конструкция кабеля содержит съемный электрод из алюминиевой проволоки и фторопластовую изоляцию. При питании таким кабелем газоразрядного устройства высоковольтного типа между кабелем и поверхностями технологической оснастки и рабочей камеры зажигается одна из разновидностей тлеющего разряда, т.к. условия их возникновения более упрошены по сравнению, например, с условиями возникновения газового разряда высоковольтного типа.

Такой кабель выполняет свою функцию только при условии возникновения рабочего газового разряда при более облегченных режимах, чем паразитные разряды между кабелем и поверхностями технологической оснастки и стенками рабочей камеры вакуумной установки.

В основу изобретения поставлена задача увеличения стойкости кабеля к электрическому пробою при работе в условиях вакуума и надежности работы газоразрядного устройства при одновременном упрощении его конструкции и эксплуатации.

Данная задача решается за счет того, что в кабель электропитания генераторов низкотемпературной плазмы, содержащий фторопластовую оболочку в форме полого цилиндра, установлен токопроводник, отличающийся тем, что на токопроводник надеты по легкоскользящей посадке стабилизирующие диски и разделительные элементы, причем размер внешнего диаметра диска составляет 0,9D, где D - внутренний диаметр изолирующей оболочки, а сечение стабилизирующего диска имеет форму угла, изменяющегося в диапазоне 60°>α>30°, внешняя поверхность дисков закруглена, что приводит, при изгибе кабеля или изгибе токопроводника, к минимальной площади соприкосновения поверхности внутреннего диаметра оболочки и диска по образующей линии, имеющей в сечении точку, между дисками расположены разделительные элементы в форме трубочки длиной, равной 0,5D-1D, и внешним диаметром, равным 0,2-0,3D, расстояние между стабилизирующими дисками выполняется равным 0,5-1D, изолирующая оболочка залита вакуумностойкой изолирующей жидкостью. Изолирующая оболочка, стабилизирующие диски и разделительные элементы выполнены из вакуумного диэлектрического материала, например фторопласта.

Соотношение размеров внешнего диаметра трубочки разделительного элемента и D позволяет вакуумному маслу легко проникать в область трубочки и надежно изолировать провод электропитания от окружающей среды. Фторопластовые трубочки предназначены для устранения смыкания дисков. Конструкция токопроводника с стабилизирующими дисками и разделительными элементами помещена в изолирующую оболочку и залита вакуумностойкой изолирующей жидкостью, что позволило значительно повысить диэлектрические свойства кабеля, значительно снизить вероятность пробоя за счет накопления заряда на внешней поверхности оболочки, а в случае пробоя достаточно просто выключить установку, чтобы кабель восстановил свои диэлектрические свойства.

Диэлектрические элементы конструкции кабеля выполняются из фторопласта.

На чертеже представлен фрагмент предлагаемого кабеля.

Кабель для электропитания генераторов низкотемпературной плазмы содержит оболочку 1, заполненную вакуумным маслом 2, стабилизирующие диски 3, токопроводник 4 и разделительные элементы в форме цилиндра 5.

Все элементы конструкции выполняются из фторопласта, отличающегося высокими вакуумными и диэлектрическими свойствами. В качестве токопроводника используется медный провод.

Сборка кабеля осуществляется следующим образом.

На медный токопроводник в указанной последовательности нанизывают по легкоскользящей посадке стабилизирующие диски и разделительные элементы 5. Необходимость разделительных элементов обусловлена тем, что смыкание стабилизирующих дисков приводит к значительному ухудшению гибкости кабеля. Формирование внешней образующей поверхности стабилизирующего диска в форме острого угла улучшает гибкость кабеля, причем величина угла изменяется в диапазоне 60°>α>30°. Выполнение угла α менее 30° приводит к смятию угла и необратимому изменению геометрических размеров стабилизирующего диска, что приводит к изменению внутренних размеров оболочки и ухудшению диэлектрических свойств кабеля за счет изменения характера распределения электрического поля. Увеличение α более 60° значительно ухудшает гибкость кабеля, т.к. при крутом его изгибе внутренняя поверхность оболочки придет в соприкосновение с внешней поверхностью стабилизирующего диска и при дальнейшем изгибе материал оболочки начнет растягиваться, необратимо деформируя диэлектрические свойства материала оболочки.

Внешний диаметр стабилизирующих дисков выполняется на 10% меньше внутреннего диаметра оболочки. Это позволяет: легко передвигать токопроводник с элементами вдоль оболочки; формироваться пленке масла между поверхностью стабилизирующего диска и внутренней поверхностью оболочки; обеспечивать жесткий контроль за деформацией окружности оболочки при изгибе кабеля.

Внешний диаметр разделительного элемента выполняется на 70%- 80% меньше внутреннего диаметра оболочки. Это дает возможность формирования между вешней поверхностью разделительного элемента и внутренней поверхностью оболочки слоя вакуумного масла и значительно повысить диэлектрические свойства кабеля. Внутренний диаметр разделительного элемента выполняется по легкоскользящей посадке с токопроводником, что позволяет осуществить жесткую фиксацию его по центру оболочки, делая равномерным распределение электрического поля по всей длине кабеля. Аналогично выполняется и внутренний диаметр стабилизирующего диска. Устранение неоднородностей распределения электрического поля по длине кабеля практически устраняет возможность его пробоя в локальных областях во всем диапазоне рабочих напряжений. Расстояние между стабилизирующими дисками выполняется равным 0,5D-1D, где D - внутренний диаметр оболочки. Установление расстояния между дисками менее 0,5D приводит к ухудшению гибкости кабеля, что чрезвычайно нецелесообразно при использовании кабеля в рабочей камере вакуумной установки, а превышение расстояния более D приводит к деформации формы оболочки и изменению расстояния между токопроводником кабеля и внутренней поверхностью оболочки. Для устранения смыкания стабилизирующих дисков и расположения их на фиксированном расстоянии фторопластовые трубочки, установленные между стабилизирующими дисками, выполняют длиной от 0,5D до D.

Собранную конструкцию помещают во внутреннюю полость оболочки и подсоединяют к газоразрядному устройству. Перед подключением высоковольтного ввода во внутреннюю полость оболочки наливают вакуумное масло ВМ-1, обладающее хорошими диэлектрическими свойствами и низким давлением пара, что позволяет без всяких затруднений использовать его в вакуумных системах и устраняет возможность возникновения одной из разновидностей тлеющего разряда в газе за счет накопления заряда на внешней поверхности изолирующей оболочки, способной привести к необратимой порче кабеля. После заливки масла кабель подсоединяют к высоковольтному вводу и осуществляют монтаж конструкции в рабочей камере вакуумной установки.

В случае электрического пробоя кабеля установку выключают. Вакуумное масло вновь заполняет область пробоя и за счет теплового движения продукты пробоя распределяются по объему кабеля. В процессе работы продукты пробоя притягиваются токопроводником и оседают на его поверхности, восстанавливая диэлектрическую прочность кабеля.

1. Кабель для электропитания генераторов низкотемпературной плазмы, включающий токопроводник и изолирующую оболочку, отличающийся тем, что на токопроводник надеты по легкоскользящей посадке стабилизирующие диски и разделительные элементы, причем размер внешнего диаметра диска составляет 0,9D, где D - внутренний диаметр изолирующей оболочки, сечение стабилизирующего диска имеет форму угла, изменяющегося в диапазоне 60°>α>30°, между дисками расположены разделительные элементы в форме трубочки длиной, равной 0,5D-1D, и внешним диаметром, равным 0,2-0,3D, расстояние между стабилизирующими дисками выполняется равным 0,5-1D, изолирующая оболочка залита вакуумно-стойкой изолирующей жидкостью.

2. Кабель для электропитания генераторов низкотемпературной плазмы по п.1, отличающийся тем что изолирующая оболочка, стабилизирующие диски и разделительные элементы выполнены из вакуумного диэлектрического материала.