高压绝缘装置以及具有这种高压绝缘装置的离子加速器装 置 【技术领域】
本发明涉及一种高压绝缘装置， 以及具有这种高压绝缘装置的离子加速器装置。背景技术 静电离子加速器装置特别以其用于航天器的驱动而为人们所熟知， 在这些静电离 子加速器内， 工作气体在电离室中被电离， 且离子在静电场的影响下经由室中的开口射出。 静电场形成在布置于电离室外部的阴极与布置于室底部且与该开口相对设置的阳极之间， 并经过该室， 上述阴极通常相对于其开口横向偏离。 在阳极与阴极之间形成高压， 从而产生 电场。通常， 阴极至少接近航天器的地电位， 航天器的其它金属部件同样如此， 且阳极通过 高压而处于由大地补偿的阳极电位。特别有利的此类离子加速器例如可从 WO03/000550A 获知。已知的其它实施例如霍尔推力器。
高压不仅仅作用于阳极与阴极之间， 而且还作用于包括高压馈线的阳极与其他导 电部件之间， 这些导电部件所处的电位与阳极电位不同， 特别地处于地电位。 尽管由周围空 间的真空而分开的部件通常彼此充分绝缘而防止电压闪络， 但存在由于产生工作气体的区 域内， 尤其是阳极与位于供气系统的气流上游的导电部件之间的区域内的工作气体引起的 电晕放电风险。
也可在由高压分离的两个导电部件之间产生电晕放电， 这些导电部件在真空应用 中在其它区域和位置处于不同电位， 从而， 通过处于中间压力范围 (Paschen 范围 ) 的气体 来避免电压闪络。 然后， 带有强电流的放电电荷能在导电部件之间连续开口的通路内点燃。 在放电中形成的等离子体能穿入细小裂缝或者缝隙。 尽管确实能通过将排气口到周围真空 的气体压力降低到临界压力范围以下而使得这些区域耐电晕放电， 但中间压力范围内的放 电电荷还是会再次出现在具有交变气体压力的区域内， 然后也能经过形成连续开口通道的 排气口。此外， 即使低于临界压力范围， 但也会由于自由电子而出现分路， 这些自由电子因 电流值或电能消耗的变化而分裂， 或者也能点燃真空电弧放电电荷。
能通过以气密方式完全封闭一部件， 例如通过在绝缘体中装入或嵌入部件来实现 两个部件之间， 尤其是相对于大地产生高压的部件之间的无关压力绝缘性， 从而两部件之 间不存在连续开口通道， 但这对作为部件的可拆卸线路接头来说不适用。 另外， 在很长一段 时间之后， 会在此类封装高压绝缘装置中出现损坏， 这将尤其是在航天器使用这些部件而 不具有替换部件的可能性时导致严重破坏。
发明内容
本发明以介绍高压绝缘装置以及具有此类高压绝缘装置的离子加速器装置为出 发点， 上述高压绝缘装置具有改进的高压绝缘性。
根据本发明的解决方案在独立权利要求中予以说明。 从属权利要求包括本发明的 优选实施例和进一步开发。就具有电离室、 布置在电离室内的阳电极以及用于将工作气体引入电离室的供气 系统的静电离子加速器装置而言， 工作气体的压力范围通常出现在引入工作气体期间， 其 中， 借助工作气体从作为第一部件的阳电极到布置在供气系统中的上游 ( 亦即工作气体的 引入方向上的电离室的前部 ) 的第二导电部件的电晕放电可在操作期间施加于电极与地 电位之间的千伏范围内的高压下出现。 通过将绝缘本体插入供气系统， 从而防止电晕放电， 与此同时， 能将工作气体供给到电离室内， 所述绝缘本体包括可透气多孔开口 ( 开孔 ) 绝缘 体。将包括有利地设置于此的可控阀的供气系统的第二导电部件， 尤其是金属部件布置在 气流通路中的绝缘本体的上游， 从而， 将位于工作气体流动通路中的阳电极和第一导电部 件布置在绝缘本体的下游。 具体而言， 第一部件形成最靠近绝缘本体下游的导电部件， 尤其 是金属部件， 而第二部件形成最靠近绝缘本体上游的导电部件， 尤其是金属部件。 气流必然 经由透气绝缘本体产生。未设置包围绝缘本体的次级工作气体流动通路， 因为可能通过该 次级工作气体流动通路再次产生高压闪络。有利的是， 透气绝缘本体能够被插入一个或多 个气密绝缘电介质本体， 并由它们横向地包围。
将透气绝缘本体插入气流流动通路尤其也能实现离子加速器中供气系统的紧凑 结构， 其原因是， 仅仅需要通过插入绝缘本体来保持处于地电位的供气系统与处于高压的 阳极装置之间的微小距离。有利的是， 绝缘本体与阳极装置和 / 或供气系统的导电部分的 距离可小于与经过绝缘本体的工作气体主流向交叉的绝缘本体的最小尺寸， 尤其还小于绝 缘本体在工作气体主流向上的最小尺寸。优选地将绝缘本体构造成圆盘状， 并使其具有与 工作气体主流向交叉的圆盘表面。 有利的是将绝缘本体布置在阳极装置的远离电离室的侧 面上。 在电离室的电极与供气系统上游的导电部件之间， 在离子加速器装置作为航天器 中的驱动装置的情况下， 在由高压分离的处于不同电位的两个导电部件之间 ( 如果存在则 以所述方式 ) 特别有利地具有透气开孔绝缘本体的高压绝缘装置尤其对采用高压的真空 应用以及在导电部件之间的空间内产生气体时特别有用。 就这一点， 在普通应用中， 假设由 高压分离的处于不同电位的两个导电部件通过绝缘器件相对彼此绝缘， 且绝缘器件的至少 一部分由透气开孔绝缘本体形成。绝缘器件尤其能在所有侧环绕其中一个导电部件。如果 能在相互绝缘的部件之间的空间内产生气体， 则上述高压绝缘装置就显得很重要， 高压静 电场经过上述空间。如果存在特定压力和高压情况， 则尤其能通过等离子体在气体中形成 电流通路， 尤其是直流通路。通过透气绝缘本体在第一导电部件一侧上的第一部分空间与 第二导电部件一侧上的第二部分空间之间形成气流是可能的。 未设置气体可流动且能形成 直流通路的次级气体流动通路， 该通路包围透气绝缘本体。
此类高压绝缘装置对高压源与例如在离子加速器的运行期间相对于地电位处于 高压的电极之间的可拆卸插入式接头尤其有利。 有利的是插入式接头允许对航天器中的设 备从高压源和一个或多个驱动模块与试验测量装置的分离制造， 可反复拆除高压源与驱动 模块电极之间特别地通过绝缘电缆的导体接头， 且因此， 能总体上较之导体接头的一次性 绝缘体装入更容易地有效处理器件。
此外， 经证明， 绝缘器件中的透气开孔绝缘本体总体上比导电部件的密闭或者其 他不透气绝缘外罩更耐用。这基于对适用于航天器的常规塑料绝缘材料的认识， 且高压应 用尤其在导体与绝缘体之间还是经常含有气体杂质， 其中， 随时间会产生微等离子体， 这些
微等离子体能将绝缘器件损坏到导电部件之间能产生电晕放电电荷的程度。 借助于透气绝 缘本体， 能通过将气体排到周围空间而更容易地去除可能存在的气体杂质。
同样， 在气体以中间压力范围或者高压范围， 尤其是还处于变化气体压力下而位 于绝缘器件周围的周围环境中， 透气多孔绝缘本体尤其有利。尽管在气体以中间压力范围 被压缩时， 等离子体确实能在绝缘器件的腔内或腔外点燃， 但不能在导电部件之间形成连 续的直流通路。 如果中间压力范围因绝缘器件腔内或腔外的多孔绝缘本体的气体可透性而 再次不符合要求， 则现有的等离子体熄灭， 或者不会有新的等离子体点燃。
例如， 可通过开孔泡沫或者优选为通过开孔陶瓷材料来形成透气绝缘本体。有利 的是， 开孔电介质在由高压产生的分量之间形成的电场的方向上的平均孔径小于 100μm。 如果透气绝缘本体中腔的尺寸在高压汇聚的电场方向上小于 Debye 长度， 则该绝缘本体尤 其有利。有利的是， 经过绝缘本体的气体流动通路相对于进气口侧与出气口侧之间的垂直 行进方向偏斜。还可由多个部分本体来形成透气绝缘本体。 附图说明
下面使用优选的示例性实施例更详细地说明本发明。在这一点上， 附图中示出 ：
图 1 具有绝缘本体的供气系统，
图 2 与绝缘本体相连的可释放导体
图 3 根据图 2 的装置的改型。 具体实施方式
在图 1 中， 示意性地示出了用于驱动航天器的静电离子加速器的驱动装置。该装 置具有以常规且公知形式的电离室 IK， 电离室 IK 在纵向方向 LR 上于射束出口孔 AO 处向 一侧开口， 并且该装置包括位于电离室底部的阳极装置 AN， 阳极装置 AN 在纵向方向上与射 束出口孔 AO 相对。电离室由室壁 KW 横向界定， 并且特别地具有环状的横截面， 该室壁 KW 优选为由电介质， 例如陶瓷材料制成。阳极装置 AN 在示出的示例中由阳电极 AE 和阳极承 载本体 AT 组成。将优选地相对于射束出口孔横向偏移的阴极装置 KA 布置在射束口的区域 内。阳电极 AE 与阴极装置 KA 之间存在高压， 该高压在电离室中产生了指向纵向方向 LR 的 电场， 电离室中被电离的工作气体离子通过该场得以加速， 并作为等离子体束 PB 在纵向方 向上从电离室射出。 通常， 阴极处于包括驱动装置的航天器的地电位， 而阳极装置处于高压 源的高压电位 HV。 在尤其有利的已知实施例中， 电离室中也存在磁场， 该磁场的行进方式取 决于驱动装置的构造类型并包括具有交变极性的多个波峰结构。 产生磁场的磁体装置是例 如通过最初提及的现有技术状态可知的， 而且出于清楚目的， 图 1 未示出。
工作气体 AG 例如氙存储在作为气体源的供应容器 GQ 内， 并通过供气管线 GL 和可 控阀 GV 到达电离室 IK， 其中， 在所示的示例中， 工作气体从阳极装置的远离电离室面向的 侧面被引入电离室， 并经过该侧面， 如指示流向的箭头所示。
供气系统的供气管线 GL 及其他部件通常处于地电位， 以便高压在这些部件与阳 极装置 AN 之间发挥作用， 同时， 通过处于中间压力范围的工作气体， 在从气体源 GQ 到电离 源的工作气体供给期间形成阳极装置与处于地电位 M 的部件之间的电晕放电风险。将气体 放电电荷借助气体能着火的压力范围理解为中间压力范围。其中， 中间压力范围取决于高压。 由开孔电介质制成的透气绝缘本体 IS 被插入处于地电位的供气系统的部件 ( 例 如供气管线 GL)))) 与阳极装置之间的工作气体流动通路内， 上述透气绝缘本体优选地被 构造成开孔陶瓷本体。 如有利实施例所示， 绝缘本体被构造成圆盘状， 且其圆盘平面与经过 进气面 EF 与出气面 AF 之间的绝缘本体的主流向交叉。经过绝缘本体的主流向平行于所示 示例中的纵向方向 LR 地延伸。绝缘本体的圆盘平面与阳极装置的阳电极和阳极承载本体 平行， 阳电极和阳极承载本体有利地也是圆盘形的。在阳极承载本体 AT 与绝缘本体 IS 之 间， 有利的是插入导气孔装置 GB， 该导气孔装置优选为金属， 并以相对于大地的高压处于阳 极电位。
绝缘本体能介电抵抗在驱动装置运行过程中出现的高压。在装置的运行期间， 基 本上在出气面 AF 处快速产生阳极装置的高压电位 HV， 而基本上在进气面 EF 处产生地电位 M， 从而处于地电位的供气管线 GL 与绝缘体的进气面 EF 之间的填充有气体的体积 VM， 以及 阳极装置与出气口 AF 之间的填充有气体的体积 VA 基本上分别无场， 且这些体积 VM、 VA 中 不存在电晕放电。
有利的是， 绝缘本体在进气面 EF 与出气面之间不具有以直线形式的连续的开口 结构。进气面与出气面之间的工作气体流动通路相对于平直行进方向偏斜， 并尤其由彼此 相连并分布在绝缘本体内的孔腔形成， 并且通常被分支。 有利的是， 上述孔腔在垂直于进气 面与出气面的方向上的平均尺寸小于 100μm。在与进气面和出气面平行并因此与高压形 成的场的方向基本交叉的方向上的孔径大小相比之下不那么重要， 从而， 也可使用由纤维 材料制成的绝缘本体， 这些纤维材料例如具有与电场方向交叉的纤维方向。 有利的是， 上述 腔在与进气面和出气面垂直的方向上的平均尺寸特别是在工作气体的已知最大压力下小 于以给定工作参数由已知公式得出的 Debye 长度， 上述工作气体的最大压力例如通常将大
约 30-150 毫巴的压力施加到进气面 EF 的侧面上， 并将小于 1 毫巴的压力施加到气体出口 侧上。
在有利实施例中， 绝缘本体在圆盘平面内的最小交叉尺寸大于出气面与阳极装置 的距离和 / 或进气面与供气管线的距离， 从而能实现工作气体流向上的较短构造长度。绝 缘本体以示意性示出的方式与一个或多个基本气密绝缘本体 KK 一同被布置在绝缘本体装 置内， 这些气密绝缘本体与室壁直接或者间接机械连接。绝缘本体 IS 填满绝缘本体 KK 装 置中的供气系统的整个横截面， 从而， 不存在越过绝缘本体的通路， 通过该通路可产生电晕 放电、 等离子体传播或者其他一些导电通路。
在图 2 中， 示出了在作为引起高压的部件的插接接头上具有透气开孔绝缘本体的 高压绝缘装置的使用。在插接接头 SV 内， 让彼此相连的两个直线区段 K1、 K2 来传导电流， 从而使得来自处于高压电位 HV 的高压源的电能到达电极， 例如根据图 1 的阳极装置 AN。 两 个直线区段 K1、 K2 在每种情况下分别具有内部导体 L1 或者 L2 以及绝缘外罩 M1 或者 M2。 具体而言， 直线区段 K1 可以是源自于高压源的挠性电缆， 而直线区段 K2 可以是在离子加速 器驱动模块上的连接件。然后， 绝缘外罩 M1 可以是例如由 PTFE 制成的挠性电缆外罩， 而且 绝缘外罩 M1 也可以是例如由绝缘材料制成的管。
有利的是， 插接接头 ( 或者是能以无损坏方式拆卸的另一接头 ) 能实现两个内 部导体的电接头的无损坏方式的拆卸， 从而例如能制造用于驱动装置的测试阶段的接头、在驱动装置和高压源的安装期间将该接头分布到航天器内， 然后又使其与航天器组合在一 起， 因此， 带有高压的插接接头必须同样在测试阶段期间对处于地电位的部件具有电介抵 抗。
插接接头由绝缘器件 IV 环绕， 该绝缘器件通过两导体的绝缘外罩 M1、 M2 在这两个 导体的纵向方向 LL 上延伸， 并在所有侧上环绕插接接头。在将来自高压源的高压施加到内 部导体时， 通常在绝缘器件的外侧存在真空。 在绝缘器件内部， 在暴露的插接接头周围的腔 HO 内， 气体仍然能来源于设备， 或者尤其能在长时间之后从内部导体 L1、 L2 与绝缘外罩 M1、 M2 之间的边界层进入插接接头周围的空间。 插接接头周围腔内的气体能导致腔中的等离子 体形成， 这在长时间之后也会损坏绝缘器件。绝缘器件相对于电缆外罩 M1、 M2 密封， 达到腔 HO 中可能存在的等离子体能在连接位置处穿过并使得地电位 M 产生闪络的程度。 界定插接 接头周围的腔 HO 的绝缘器件的壁的至少一部分由透气开孔绝缘本体 VK 形成， 该透气开孔 绝缘本体与根据图 1 的示例的绝缘本体 IS 具有相当的性质， 并允许气体从腔 HO 逸出而进 入周围真空， 但防止腔中可能存在的等离子体闪络到腔外处于地电位的导电部件。在包括 图 2 所示高压绝缘装置的器件的运行过程中， 如果例如空间中的航天器的离子加速器驱动 器受到腔 HO 中例如来自内部导体与绝缘外罩之间的气泡的气体涌动的影响， 然后在该腔 内形成等离子体， 但此等离子体不能经由绝缘本体 VK 穿出， 并且由于气体经过开孔绝缘本 体逸到外面而再次迅速熄灭。 与此相反的是， 就插接接头与绝缘铸塑材料的气密封装而言， 如果在插接接头的区域内出现气体和 / 或气体能反复点燃， 则在封装过程中点燃的等离子 体能燃烧更长时间， 而且在某下情况下可暴露处于重量下的部件方向上的通路， 该通路可 使等离子体透过。经由绝缘本体逸到外面的气体不会到达在绝缘器件 IV 外部形成等离子 体或者电晕放电所需要的临界压力。 就从非常小的导体 K1、 K2 进入腔 HO 的气体量而言， 由于未达到临界最小压力， 一 开始在腔内不产生等离子体， 且由于绝缘本体的气体可透性， 不产生多个极小气体量的累 积。
图 3 示出了根据图 2 的示例的改型高压绝缘装置。这里， 管状绝缘本体 IR 直接环 绕非挠性直线区段 K32 的内部导体 L32， 并一直延续到直线区段 K1 的绝缘外罩 M1 上方， 假 定这与图 2 中的一样。绝缘本体能再次由外筒 AR 环绕， 该外筒同样可导电， 而且可处于地 电位。 如果一方面可确保气体能经由绝缘本体从插接接头周围的腔逸出而进入周围的真空 VA， 另一方面， 不存在用于等离子体从腔到外面并进入真空或者到达导电部件的通道， 则可 将端盖 EK 安置在环绕绝缘外罩 M11 的绝缘本体 IR 的末端上， 并可使端盖在纵向方向上抵 靠外筒 AR。
就与图 2 和图 3 的示例类型一致的高压绝缘装置而言， 由于短暂出现在腔内并足 以在腔内形成等离子体的气体压力在根据图 1 的示例性实施例中通常明显低于工作气体 的压力并位于绝缘本体 IS 内， 因此， 此类等离子体的电子密度也更小， 根据图 2 和图 3 的装 置中的 Debye 长度通常大于根据图 1 的示例， 从而在用于根据图 2 或者图 3 的应用的开孔 电介质平均孔径的取向而言， 能比图 1 的示例容许更大值。
对于中间压力范围内的气体压力出现在根据图 2 或者图 3 的高压绝缘装置的腔外 部而言， 如果满足点火条件， 则在腔内和腔外均能点燃等离子体。但是， 等离子体不能穿过 多孔绝缘本体， 从而， 不能在部件之间安装连续直流通路。在中间压力范围消失之后， 尤其
是已在高压绝缘装置周围形成真空之后， 再次出现已作描述的绝缘功能。
以上描述和权利要求书中的特征以及从附图中获得的特征能够单独地或以各种 组合有利地实现。本发明并不限于所描述的示例性实施例， 而是在本领域技术人员力所能 及的范围内能够以许多不同方式修改。