专利名称：一种真空绝缘结构的制作方法
技术领域：
本发明属于一种真空绝缘结构，特别涉及真空脉冲功率技术领域耐受脉冲电压作用的绝缘结构。
背景技术：
目前脉冲功率技术中的功率已达到数太瓦，脉冲频率也已达到数千赫兹。脉冲功率系统中真空绝缘部件的绝缘性能限制了绝缘部件的尺寸、系统性能及运行方式。材料的真空沿面闪络场强一般远小于体击穿场强与真空击穿场强，其真空沿面闪络特性决定了真空绝缘性能。在介质腔加速器(Dielectric Wall Accelerator)及大型闪光照像系统的直线加速腔内，因结构紧凑性、低横向阻抗及系统整体造价的要求，绝缘密封件的真空沿面闪络成为国内外需迫切解决的问题。在其它高功率粒子束加速器、微波窗结构设计及太空飞行器的绝缘结构设计中也面临同样的问题。
在脉冲电压作用下，真空沿面闪络一般从阴极、绝缘材料及真空的结合点处开始，经过复杂的二次电子增益过程，在绝缘材料表面的解附气体层中产生流注放电，如图1所示。绝缘材料的几何特征、真空度、电极形状等对真空沿面闪络场强均有影响，人们针对上述因素采取单一或多种措施提高闪络场强，如采用45°圆锥台结构、凹形电极等。但上述措施或未能显著提供真空沿面闪络场强，或只能显著提高单极性脉冲电压的耐受水平，且长期运行效果较差。
美国Tetra公司的J.M.Elizondo博士等人和Lawrence Livermore国家实验室的S.E.Sampayan等人采用微堆层技术，如图2所示，由片状金属6与片状绝缘材料5交错堆叠而成，得到堆迭形式的高梯度绝缘材料。其闪络场强最高提高到4倍，接近真空间隙击穿场强。
上述微堆层结构有明显缺陷，主要为(1)这种技术适合于平面加工、平板电极间的纵向绝缘，如图3所示。而核技术领域中的大型闪光照像系统及微波系统均有径向绝缘的要求，需满足同轴电极间的径向闪络要求的绝缘材料，如图4所示。现有技术的堆迭层结构形式因亚毫米尺度的薄壁金属圆筒与薄壁绝缘材料圆筒很难加工，且薄壁金属圆筒与薄壁绝缘材料圆筒之间不易结合。若采取涂镀方法，则加工时很难控制薄壁圆筒型金属与绝缘材料的厚度、致密度、结合力，无法保证各绝缘层、金属层的均匀性而无法实现。目前还未见到能满足径向绝缘要求的微堆层结构。(2)材料的机械性能较难控制，其抗拉强度较低。绝缘膜片与金属膜片采用粘胶结合，而粘胶的抗拉伸强度一般为几十兆帕。(3)众所周知，绝缘材料的沿面闪络发生在绝缘材料表面的真空区域内，对沿面闪络产生影响的也仅是绝缘材料表面几十纳米深度范围内的分子结构特性及其附着物特性。真空沿面闪络现象是一表面过程，而上述绝缘结构采用绝缘薄片与金属薄片交错并行排列，这种结构固然可以抑制绝缘材料沿面的二次电子发射，但其结构相对于材料表面而言，则明显累赘了。
发明内容
为克服现有技术径向绝缘不好，纵向拉伸强度差的缺点，本发明提出一种新型高梯度电绝缘结构，它采用低二次电子发射系数的绝缘材料膜层环与金属膜层环相结合的复合膜层结构。本发明可充分利用复合膜层的低二次电子发射系数特征，提高沿面闪络场强，拓宽应用范围。
本发明采用以下技术方案以绝缘材料作为基底，在其需耐受脉冲电压的与真空接触的表面上设置复合膜层。该复合膜层由低二次电子发射系数绝缘材料膜层和金属膜层构成。绝缘材料膜层位于基体绝缘材料的表面。金属膜层可嵌入基体绝缘材料或嵌入绝缘材料膜层。金属膜层嵌入基体绝缘材料时，金属膜层与绝缘材料膜层呈环状相间分布，金属膜层外表面与绝缘材料膜层外表面齐平，各金属膜层横截面相同，接近矩形，各绝缘膜层横截面相同，接近矩形；金属膜层宽度不大于250微米，厚度不大于200微米，嵌入基体绝缘材料深度不大于100微米；绝缘材料膜层宽度不大于500微米，厚度不大于100微米。金属膜层嵌入绝缘材料膜层时，各金属膜层呈环状均匀分布在绝缘材料膜层上，金属膜层外表面与绝缘材料膜层外表面齐平，各金属膜层横截面相同，接近矩形；金属膜层宽度不大于250微米，嵌入绝缘膜层深度不大于100微米，各金属膜层中心间距相同，金属膜层间绝缘膜层宽不大于500微米。金属膜层可由多种金属复合构成，与基体绝缘材料及绝缘膜层接触之处设有过渡金属层，过渡金属层厚度小于2微米。
脉冲作用下真空沿面闪络的过程为真空沿面闪络的起始点为阴极、绝缘材料和真空的三结合点处，因场致发射或热场致发射产生一次电子，一次电子在阴阳两极间电场力作用下漂移，部分一次电子撞击绝缘材料表面，产生二次电子，并在材料表面形成表面电荷。二次电子在极间电场和表面电荷电场作用下在绝缘材料表面漂移，撞击绝缘材料表面，产生二次电子，并在材料表面形成表面电荷。如此周而复始，形成二次电子崩，最终在绝缘材料表面的解附气体层中放电。
从脉冲电压作用下真空沿面闪络的过程可见，真空沿面闪络必需经历二次电子增益过程，同时它也是气体放电过程。二次电子增益由电子撞击绝缘材料和撞击绝缘材料解附气体构成。绝缘材料解附气体的扩散速率较慢，早期的二次电子多数因入射电子撞击绝缘材料形成。二次电子发射系数与入射电子撞击绝缘材料时具备的能量有关，在一定能量范围内，能量越大，二次电子发射系数越高。入射电子撞击绝缘材料时的能量由其沿极间电场方向漂移的距离决定。二次电子发射系数也与绝缘体表面的材料有关。在脉冲电压作用下，流注的形成需要一定的极间距离，若极间距离过小，则放电形式将改为雪崩放电，放电时延将延长。
本发明通过低二次电子发射系数的绝缘膜层环和金属膜层环的复合膜层结构，改变绝缘材料沿面的电场分布，降低绝缘材料沿面的二次电子发射系数，抑制流注放电形式的产生，从而提高绝缘材料的真空沿面闪络电压。本发明可应用于复杂形状绝缘构件的与真空接触的表面，可显著提高其纵向绝缘或径向绝缘的真空沿面闪络场强。本发明结构可用成熟的表面工程技术实现，其机械强度由基体材料决定。
图1为脉冲电压作用下真空沿面闪络示意图。
图2为微堆层剖面图。图中5为片状绝缘材料，6为片状金属。
图3为纵向电场示意图。图中7为阳极，8为阴极，9为绝缘材料。
图4为径向电场示意图。图中10为内电极，11为外电极，12为绝缘材料。
图5为本发明实例1的剖面图。
图6为本发明实例2的剖面图。
图7为本发明实例3的剖面图。
图8为本发明实例4的剖面图。
图中1基体绝缘材料，2绝缘材料膜层，3主金属膜层，4过渡金属膜层，3与4合称金属膜层，H1绝缘膜层厚度，H2金属膜层厚度，W1绝缘膜层宽度，W2金属膜层宽度。
具体实施例方式
以下结合附图和具体实施方式
进一步说明本发明。
如图5所示，绝缘基体材料1为圆棒形聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龙6、尼龙1010材料，直径为60毫米-500毫米，高30毫米-200毫米；绝缘材料膜层2为氧化铝陶瓷、氧化铬陶瓷或类金刚石，绝缘膜层厚H1为1微米-100微米，均匀分布在基体材料1的圆柱侧面上；主金属膜层3为金膜层或钛膜层或锌膜层，过渡金属膜层4位于主金属膜层3与绝缘膜层2间，为0.1微米-0.3微米厚的铬膜层；金属膜层厚H2为0.5微米-10微米，宽W2为5微米-50微米，金属膜层与绝缘膜层2间距W1为10微米-400微米。该绝缘结构在真空环境下(＜10-3Pa)，半高宽30内秒正极性脉冲电压作用下50％沿面闪络场强为200kV/cm，误差±10％。该例绝缘结构可耐受真空中纵向脉冲电压。
如图6所示，基体绝缘材料1为圆棒形聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龙6、尼龙1010材料，直径为60毫米-500毫米，高30毫米-200毫米；绝缘材料膜层2为氧化铝陶瓷、氧化铬陶瓷或类金刚石，绝缘膜层厚H1为1微米-10微米，均匀分布在基体材料1的圆柱侧面上；主金属膜层3为金膜层或钛膜层或锌膜层，过渡金属膜层4位于主金属膜层3、绝缘膜层2与基体绝缘材料1间，为0.1微米-0.3微米厚的铬膜层；金属膜层厚H2为2微米-11微米，宽W2为5微米-50微米，金属膜层与绝缘膜层2间距W1为10微米-400微米。该绝缘结构在真空环境下(＜10-3Pa)，半高宽30纳秒正极性脉冲电压作用下50％沿面闪络场强为200kV/cm，误差±10％。该例绝缘结构可耐受真空中纵向脉冲电压。
如图7所示，基体绝缘材料1为圆筒形聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龙6、尼龙1010材料，外径为200毫米-500毫米，内径为100毫米-400毫米，高30毫米-200毫米；绝缘材料膜层2为氧化铝陶瓷、氧化铬陶瓷或类金刚石，膜层厚H1为1微米-100微米，绝缘材料膜层均匀分布在基体绝缘材料1的上下圆端面上；主金属膜层3为金膜层或钛膜层或锌膜层，过渡金属膜层4位于主金属膜层3与绝缘膜层2间，为0.1微米-0.3微米厚的铬膜层；金属膜层厚H2为0.5微米-10微米，宽W2为5微米-50微米，金属膜层与绝缘膜层2间距W1为10微米-400微米，金属膜层均匀分布在绝缘材料膜层上。该绝缘结构在真空环境下(＜10-3Pa)，半高宽30纳秒正极性脉冲电压作用下50％沿面闪络场强为200kV/cm，误差±10％。该例绝缘结构可耐受真空中径向脉冲电压。
如图8所示，基体绝缘材料1为圆筒形聚酰亚胺、聚酰胺、聚碳酸酯、尼龙6、尼龙1010材料，外径为200毫米-500毫米，内径为100毫米-400毫米，高30毫米-200毫米；绝缘材料膜层2为氧化铝陶瓷、氧化铬陶瓷或类金刚石，绝缘膜层厚H1为1微米-10微米，绝缘材料膜层均匀分布在基体绝缘材料1的上下圆端面上；主金属膜层3为金膜层或钛膜层或锌膜层，过渡金属膜层4位于主金属膜层3、绝缘膜层2与基体材料间，为0.1微米-0.3微米厚的铬膜层；金属膜层厚H2为2微米-11微米，宽W2为5微米-50微米，金属膜层与绝缘膜层2间距W1为10微米-400微米，金属膜层均匀分布在绝缘材料膜层上。该绝缘结构在真空环境下(＜10-3Pa)，半高宽30纳秒正极性脉冲电压作用下50％沿面闪络场强为200kV/cm，误差±10％。该例绝缘结构可耐受真空中径向脉冲电压。
权利要求
1.一种真空绝缘结构，其特征在于在基体绝缘材料[1]需耐受脉冲电压的与真空接触的表面上设置复合膜层，复合膜层由低二次电子发射系数绝缘材料膜层[2]和金属膜层[3]构成，绝缘材料膜层[2]位于轴对称形状的基体绝缘材料[1]表面；金属膜层[3]可嵌入基体绝缘材料[1]或嵌入绝缘材料膜层[2]；与基体绝缘材料[1]及绝缘膜层[2]接触处设有过渡金属层[4]，过渡金属层[4]厚度小于2微米。
2.根据权利要求1所述的真空绝缘结构，其特征在于所述的金属膜层[3]嵌入基体绝缘材料[1]时，金属膜层[3]与绝缘材料膜层[2]呈环状相间分布，金属膜层[3]外表面与绝缘材料膜层[2]外表面齐平，各金属膜层[3]横截面相同，接近矩形，各绝缘膜层[2]横截面相同，接近矩形；金属膜层[3]宽度不大于250微米，厚度不大于200微米，嵌入基体绝缘材料[1]的深度不大于100微米；绝缘材料膜层[2]宽度不大于500微米，厚度不大于100微米。
3.根据权利要求1所述的真空绝缘结构，其特征在于所述的金属膜层[3]嵌入绝缘材料膜层[2]时，各金属膜层[3]呈环状均匀分布在绝缘材料膜层[2]上，金属膜层[3]外表面与绝缘材料膜层[2]外表面齐平，各金属膜层[3]横截面相同，接近矩形；金属膜层[3]宽度不大于250微米，嵌入绝缘膜层[2]深度不大于100微米，各金属膜层[3]中心间距相同，金属膜层[3]间绝缘膜层宽不大于500微米。
4.根据权利要求1至3的任何一项所述的真空绝缘结构，其特征在于所述的金属膜层[3]可由多种金属复合构成。
全文摘要
一种真空绝缘结构，特别涉及真空脉冲功率技术领域耐受脉冲电压作用的绝缘结构。其特征在于在基体绝缘材料[1]需耐受真空脉冲电压的与真空接触的表面上设置复合膜层，复合膜层由低二次电子发射系数绝缘材料膜层[2]和金属膜层[3]构成，绝缘材料膜层[2]位于基体绝缘材料[1]表面，金属膜层[3]可嵌入基体绝缘材料[1]或嵌入绝缘材料膜层[2]。与基体绝缘材料[1]及绝缘膜层[2]接触处设有过渡金属层[4]。本发明可改变绝缘材料沿面的电场分布，降低绝缘材料沿面的二次电子发射系数，抑制流注放电形式的产生，从而提高绝缘材料的真空沿面闪络电压。本发明可应用于复杂形状绝缘构件的与真空接触的表面，可显著提高其纵向绝缘或径向绝缘的真空沿面闪络场强。
文档编号H01B19/00GK1841572SQ200510011489
公开日2006年10月4日 申请日期2005年3月29日 优先权日2005年3月29日
发明者袁伟群, 严萍, 潘洋 申请人:中国科学院电工研究所