Em um ambiente de isolamento de alta tensão, como realizar a passagem de cabos de fibra óptica através de compartimentos a vácuo?
Sob as condições rigorosas e duplas de alto vácuo e vácuo ultra-alto, a passagem de fibra óptica através da câmara a vácuo é alcançada principalmente pela resolução da fixação física e vedação hermética entre a parede metálica da câmara e a fibra de vidro, ao mesmo tempo em que se introduz um meio de bloqueio isolante com alta rigidez dielétrica na peça de passagem . Como a fibra de quartzo em si (material de dióxido de silício SiO_2) é um excelente isolante elétrico, o principal gargalo da passagem de alta voltagem através da câmara a vácuo geralmente reside nos caminhos condutivos metálicos e nas superfícies de contato da peça de passagem (flange, luva).
Para resolver perfeitamente esse problema, a principal medida de engenharia é o uso da tecnologia de selagem cerâmica-metal (Ceramic-to-Metal Sealing).
I. Mecanismo de Implementação da Selagem Cerâmica-Metal na Passagem de Fibra Óptica a Vácuo
Ao projetar a peça de passagem de fibra óptica de alta voltagem e a vácuo, sua estrutura geralmente consiste em uma estrutura cilíndrica concêntrica de três camadas: flange metálica externa - meio isolante cerâmico intermediário - fibra óptica interna/luva metálica . O processo de implementação específico é o seguinte:
- Seleção de Materiais Cerâmicos de Alta Dielétrica:
Seleção de cerâmica de alumina de alta pureza (como Al_2O_3, com pureza geralmente entre 95\% e 99\%) ou cerâmica de nitreto de alumínio como isolante elétrico. Esses tipos de cerâmica possuem voltagem de ruptura extremamente alta, perda dielétrica muito baixa, excelente resistência mecânica e características de baixa emissão de gases em altas temperaturas. - Metalização da Superfície Cerâmica:
Como a cerâmica não pode ser soldada diretamente ao flange metálico, uma fina película metálica deve primeiro ser sinterizada nas superfícies anulares interna e externa da luva cerâmica através do processo Molibdênio-Manganês (Mo\text{-}Mn) ou brasagem por soldagem ativa. Geralmente, a superfície é revestida com níquel ou cobre para facilitar a posterior brasagem. - Selagem por Brasagem com Correspondência Térmica:
Utilizando solda de nível de vácuo com alto teor de prata e cobre, o tubo cerâmico metalizado é brasado em alta temperatura entre o flange metálico externo (geralmente liga Kovar, cujo coeficiente de expansão térmica \alpha é extremamente próximo ao da cerâmica de alumina, o que minimiza a tensão interna gerada pela alternância de frio e calor) e a luva metálica interna. Esta etapa pode alcançar uma vedação hermética em nível molecular, detectável por espectrômetro de massa de hélio (taxa de vazamento inferior a 1 \times 10^{-10}\text{ Pa}\cdot\text{m}^3/\text{s}). - Vedação da Fibra Óptica e da Luva Interna:
A fibra óptica passa pelo centro do tubo isolante cerâmico. A camada de revestimento polimérico da fibra óptica é removida para expor a fibra nua de quartzo. Através da metalização e revestimento local na superfície da fibra (como deposição de ouro ou níquel), ela é então selada por soldagem com solda metálica de baixo ponto de fusão na luva interna; ou, em ambiente de temperatura ambiente/média, a fibra é fixada e selada usando um adesivo epóxi especial de baixa emissão de gases e preenchimento inorgânico.
II. Como Esta Tecnologia Equilibra “Isolamento de Alta Voltagem” e “Vedação a Vácuo”
- Excelente Desempenho de Isolamento Elétrico:
O segmento cerâmico atua como um meio de bloqueio físico, interrompendo a condução de carga do campo elétrico de alta voltagem da fibra nua/núcleo metálico interno ou do lado interno da câmara para o flange metálico externo (geralmente aterrado). A rigidez dielétrica do meio cerâmico é extremamente alta (geralmente superior a 15\text{ kV/mm}) e, juntamente com um projeto de