Как реализовать вакуумное прохождение оптоволокна сквозь стенку в условиях высокого изоляционного напряжения?
В условиях сурового двойного воздействия высокого напряжения и сверхвысокого вакуума, для обеспечения прохода оптического волокна через разделительную стенку вакуумной камеры, ключевым является решение вопросов физического крепления и герметичного уплотнения между металлической стенкой и стеклянным волокном, а также введение в проходной элемент изоляционного блокирующего диэлектрика с высокой диэлектрической прочностью . Поскольку само кварцевое волокно (материал — диоксид кремния SiO_2) является отличным электроизолятором, основным узким местом при проходе через стенку под высоким напряжением часто является проводящий металлический путь и контактные поверхности проходного элемента (фланца, втулки).
Для идеального решения этой проблемы основным инженерным методом является использование технологии керамико-металлической герметизации (Ceramic-to-Metal Sealing) .
I. Принцип реализации керамико-металлической герметизации при проходе оптического волокна через вакуумную стенку
При проектировании проходного элемента для оптического волокна под высоким напряжением и в вакууме его конструкция обычно представляет собой трехслойную концентрическую цилиндрическую структуру: внешний металлический фланец — промежуточный керамический изоляционный диэлектрик — внутреннее волокно/металлическая втулка . Конкретный процесс реализации выглядит следующим образом:
- Выбор высокодиэлектрического керамического материала:
В качестве изолятора выбирается высокочистая керамика из оксида алюминия (например, Al_2O_3 с чистотой обычно от 95\% до 99\%) или керамика из нитрида алюминия. Эти виды керамики обладают чрезвычайно высоким напряжением пробоя, очень низкими диэлектрическими потерями, а также отличной механической прочностью и низким газовыделением при высоких температурах. - Металлизация поверхности керамики:
Поскольку керамика не может быть напрямую сварена с металлическим фланцем, необходимо сначала методом молибден-марганга (метод Mo\text{-}Mn) или методом пайки с активными припоями нанести на внутренние и внешние кольцевые поверхности керамической втулки прочный металлический тонкий слой, а затем, как правило, покрыть поверхность никелем или медью для последующей пайки (Brazing). - Термическая согласованная пайка:
С помощью вакуумных припоев с высоким содержанием серебра, меди и т.д., керамическая трубка с нанесенным металлическим слоем подвергается высокотемпературной пайке с металлическим внешним фланцем (обычно из сплава Ковар, коэффициент линейного теплового расширения \alpha которого очень близок к коэффициенту оксида алюминия, что позволяет минимизировать внутренние напряжения, возникающие при чередовании температур) и внутренней металлической втулкой. Этот этап обеспечивает молекулярную герметичность вакуума на уровне, детектируемом гелиевым масс-спектрометром (скорость утечки ниже 1 \times 10^{-10}\text{ Pa}\cdot\text{m}^3/\text{s}). - Герметизация волокна и внутренней втулки:
Оптическое волокно проходит через центр керамической изоляционной втулки. Снимается полимерное покрытие волокна, обнажая кварцевое стекло. Путем локальной металлизации и повторного покрытия поверхности волокна (например, золотом, никелем) оно припаивается к внутренней втулке с помощью низкотемпературного металлического припоя; либо, в условиях нормальной или среднетемпературной среды, используется специальный эпоксидный герметик с низким газовыделением и неорганическим наполнителем для фиксации и герметизации волокна.
II. Как эта технология обеспечивает «высоковольтную изоляцию» и «вакуумную герметизацию»
- Превосходные электроизоляционные свойства:
Керамический сегмент, выступая в качестве физического блокирующего диэлектрика, прерывает проводимость заряда от внутреннего оголенного волокна/металлического сердечника или со стороны внутри камеры к внешнему металлическому фланцу (обычно заземленному) под действием высокого электрического поля. Диэлектрическая прочность керамического диэлектрика чрезвычайно высока (обычно более 15\text{ kV/mm} ), в сочетании с разумным проектированием «пути утечки» по поверхности, это позволяет полностью исключить искрение, дуговые разряды или пробой диэлектрика вдоль проходного элемента при высоком напряжении. - Поддержка предельного вакуума:
Керамика и термически согласованный металл обладают отличной совместимостью со сверхвысоким вакуумом (UHV). При высокотемпературном прогреве газовыделение очень низкое, что позволяет легко выдерживать перепад давлений сверхвысокого вакуума до 1 imes 10^{-7} ext{ Pa} , а также рабочие температуры до нескольких сотен градусов Цельсия.
III. Рекомендации по официальным техническим продуктам и их параметры
Компания Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd., опираясь на передовые технологии вакуумной герметизации и сборки, представила высоконадежное решение для передачи оптических сигналов в вакууме — OFSCN® Fiber Optic Vacuum Sealed Flange (Фланец с вакуумной герметизацией оптического волокна от Dacheng Yongsheng). Данный продукт может иметь керамический изоляционный сегмент, изготовленный по индивидуальному заказу, для применения в физических экспериментах и промышленном мониторинге, требующих прохода через изоляцию под высоким напряжением и большим током.
Основные технические параметры:
- Характеристики вакуума : Вакуум лучше 1 imes 10^{-5} ext{ Pa} и 1 imes 10^{-7} ext{ Pa} .
- Температурная адаптивность : Обычно используется в условиях нормальной температуры, возможна специальная модификация для работы при высоких температурах до 250 ext{ }\mathring{\text{C}} .
- Серии и конструктивные формы : Делятся на два стандартных ряда — CF и KF, могут быть выполнены в виде разъема «мама» (с интерфейсом адаптера) и «папа» (с коммутационным кабелем/пигтейлом), а также поддерживают индивидуальный заказ одноканальных (один разъем) и многоканальных (несколько разъемов) проходов оптического волокна через стенку.
Демонстрация реальных изделий (прямое чтение с форума, слева сверху):
