RU2752857C1 - Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof - Google Patents
Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof Download PDFInfo
- Publication number
- RU2752857C1 RU2752857C1 RU2020126968A RU2020126968A RU2752857C1 RU 2752857 C1 RU2752857 C1 RU 2752857C1 RU 2020126968 A RU2020126968 A RU 2020126968A RU 2020126968 A RU2020126968 A RU 2020126968A RU 2752857 C1 RU2752857 C1 RU 2752857C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- insulator
- ion source
- discharge unit
- working medium
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J27/00—Ion beam tubes
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к системам газоснабжения газоразрядных узлов ионных источников, содержащих плазму этих узлов под высоким электрическим потенциалом относительно земляного потенциала, которые могут быть использованы для газоразрядных источников ионов, применяемых в электроракетных ионных двигателях, технологических изделиях, обрабатывающих материалы в вакууме, и космических ионных источниках, взаимодействующих с объектами космического мусора.The proposed invention relates to gas supply systems for gas-discharge units of ion sources containing the plasma of these units at a high electrical potential relative to the ground potential, which can be used for gas-discharge ion sources used in electric rocket ion engines, technological products processing materials in a vacuum, and space ion sources interacting with space debris objects.
1. Аналог1. Analog
Известен диэлектрический разделитель с зигзагообразными, радиально удаленными от центральной оси парами каналов подачи газа. Подача газа осуществляется вдоль этой центральной оси, начиная от осевого отверстия, достигая внешних каналов, подсоединенных к радиальным отверстиям, а далее подключенных к выходному каналу разделителя. Причем, таких пар зигзагообразных каналов может быть одна или несколько [S. Nakanishi, О. Berea, Propellant feed isolator, American Patent US3576107, Int. C1. F03H 1/00, F03H 1/16, filed 06.04.1969] (на чертеже данного патента показаны две пары таких зигзагообразных каналов). Эти каналы образованы двумя вставленными друг в друга керамическими деталями цилиндрической формы, с продольными трубчатыми элементами. Трубчатые элементы имеют гладкие внешние и внутренние цилиндрические поверхности, которые устанавливаются в продольные углубления круглой формы, что образует каналы газоснабжения ионного источника.Known dielectric separator with zigzag, radially distant from the central axis pairs of gas supply channels. Gas is supplied along this central axis, starting from the axial hole, reaching the outer channels connected to the radial holes, and then connected to the outlet channel of the separator. Moreover, there can be one or several such pairs of zigzag channels [S. Nakanishi, O. Berea, Propellant feed isolator, American Patent US3576107, Int. C1.
Недостатком указанного диэлектрического разделителя является сложность изготовления этого сравнительно дорогого устройства газоснабжения ионного источника. У диэлектрического разделителя, описанного выше, нет возможности быстро подстраивать диаметр и длину газового канала для оптимальной работы с ионным источником. Описанный разделитель магистрали подачи предназначен для работы источника ионов на испаряющихся рабочих телах, таких как цезий или калий, поэтому он снабжен испарителями, как это показано на чертеже. Это накладывает ограничения на использование данной конструкции в источнике ионов газообразных веществ.The disadvantage of this dielectric separator is the complexity of the manufacture of this relatively expensive device for gas supply of the ion source. The dielectric separator described above does not have the ability to quickly adjust the diameter and length of the gas path for optimal operation with the ion source. The described supply line splitter is designed to operate the ion source on evaporating working media such as cesium or potassium, therefore it is equipped with evaporators, as shown in the drawing. This imposes restrictions on the use of this design in a source of ions of gaseous substances.
2. Прототип2. Prototype
Наиболее близким аналогом (прототипом) является диэлектрический разделитель системы газоснабжения ионного источника, который состоит из двух продольно размещенных секций: первая входная секция с одним или с несколькими продольными каналами, а вторая секция имеет прямые продольные каналы или спиралеобразный канал с углом наклона менее 45° при уменьшенном сечении газового тракта, причем, эти секции соединены припаянным к ним металлическим цилиндром, который находится под плавающим потенциалом [В.В. Гопанчук, М.Ю. Потапенко, B.C. Жасан, Высовольтная газоэлектрическая развязка тракта подачи рабочего тела плазменного ускорителя (варианты), Патент РФ RU 2444867, М. Кл. Н05Н 1/54 (2006.1), F03H 1/00 (2006.1), заявлен 06.04.2010]. Этот разделитель применим в области ионных источников и ускорителей плазмы типа стационарного плазменного двигателя (СПД). Секции диэлектрического разделителя изготавливаются из алюминиево-оксидной керамики, имеющей высокие параметры прочности и электрического сопротивления. При высокотемпературной формовке этого материала объем изделия уменьшается, что позволяет изготавливать спиралеобразный канал с помощью детали спиральной формы, которую после изготовления данной секции можно удалить расплавлением или выворачиванием наподобие винта.The closest analogue (prototype) is a dielectric separator of the ion source gas supply system, which consists of two longitudinally spaced sections: the first inlet section with one or several longitudinal channels, and the second section has straight longitudinal channels or a spiral-shaped channel with an inclination angle of less than 45 ° at reduced cross-section of the gas path, moreover, these sections are connected by a metal cylinder soldered to them, which is under a floating potential [V.V. Gopanchuk, M.Yu. Potapenko, B.C. Zhasan, Vysovoltnaya gas-electric decoupling of the plasma accelerator working fluid supply path (options), RF Patent RU 2444867, M. Cl. Н05Н 1/54 (2006.1),
Недостатком этого технического решения является необходимость замены всей конструкции диэлектрического разделителя, собранного в единый узел при согласовании технических параметров для оптимизации работы с газоразрядным узлом ионного источника/ускорителя плазмы.The disadvantage of this technical solution is the need to replace the entire structure of the dielectric separator, assembled into a single unit when coordinating technical parameters to optimize the work with the gas-discharge unit of the ion source / plasma accelerator.
Кроме того, при величине перепада давления в магистрали подачи газа на газоэлектрической развязке, типичной для источников ионов и плазменных ускорителей как наземного, так и космического применения, около 1-2 бар, длина спирального канала в выбранном прототипе недостаточна для обеспечения стойкости к электрическому пробою при напряжениях свыше 1000 В, что является типичной величиной рабочих напряжений источников ионов и ионных двигателей. Большая длина канала в прототипе не может быть обеспечена из-за невозможности иметь малый шаг спирали вследствие описанного в патенте-прототипе способа изготовления с выплавляемым шаблоном. Кроме того, газоэлектрическая развязка по прототипу должна устанавливаться в разрыв магистрали подачи, что требует осуществления пайки металлического трубопровода с керамическими изоляторами. Это ограничивает выбор материалов газоэлектрической развязки. Практически, применяется пара: молибден (для трубопровода магистрали подачи) и алюмооксид (для изоляторов).In addition, when the value of the pressure drop in the gas supply line at the gas-electric interchange, typical for ion sources and plasma accelerators for both ground-based and space applications, is about 1-2 bar, the length of the spiral channel in the selected prototype is insufficient to ensure resistance to electrical breakdown when voltages above 1000 V, which is the typical operating voltage for ion sources and ion thrusters. The large length of the channel in the prototype cannot be ensured due to the impossibility of having a small helix pitch due to the manufacturing method with a lost-wax pattern described in the prototype patent. In addition, the gas-electric decoupling according to the prototype must be installed in the gap of the supply line, which requires brazing of a metal pipeline with ceramic insulators. This limits the choice of gas-electric decoupling materials. In practice, steam is used: molybdenum (for the supply line pipeline) and alumina (for insulators).
Предлагаемая конструкция газоэлектрической развязки (ГЭР) позволяет решить следующие задачи: обеспечить герметичную связь с металлическим трактом подачи рабочего газа и герметичность соединения с газоразрядным узлом источника ионов; обеспечить электрическую изоляцию металлической магистрали подачи газа, находящейся под потенциалом земли, от объема газоразрядного узла ионного источника, находящегося при работе источника под высоким положительным потенциалом (свыше 1900 В), т.е. не допустить проникновения заряженных частиц из объема газоразрядного узла к металлической магистрали подачи газа; повысить, по сравнению с известными техническими решениями, номиналы рабочего напряжения ионного источника за счет длины канала прохождения газа, образованного спиральной выточкой в третьем изоляторе при его герметичном по внешней поверхности соединении со вторым изолятором; так же, в отличие от аналога и прототипа, заявляемое изобретение обладает простотой конструкции, которая позволяет менять рабочие характеристики ГЭР заменой или модернизацией всего лишь одного третьего изолятора (или при необходимости второго изолятора).The proposed design of the gas-electric decoupling (GER) allows to solve the following tasks: to provide a tight connection with the metal path of the working gas supply and the tightness of the connection with the gas-discharge unit of the ion source; to provide electrical isolation of the metal gas supply line, which is at ground potential, from the volume of the gas-discharge unit of the ion source, which is at a high positive potential (over 1900 V) during the operation of the source, i.e. prevent the penetration of charged particles from the volume of the gas-discharge unit to the metal gas supply line; to increase, in comparison with the known technical solutions, the ratings of the operating voltage of the ion source due to the length of the gas passage formed by the spiral groove in the third insulator when it is sealed along the outer surface of the connection with the second insulator; also, unlike the analogue and the prototype, the claimed invention has a simplicity of design, which allows you to change the performance of the GER by replacing or upgrading only one third insulator (or, if necessary, a second insulator).
Заявленный технический результат достигается тем, что первый по ходу подвода газообразного рабочего тела первый изолятор, выполнен в виде керамической накидной гайки, соединенной герметично со штуцером системы подачи газа через уплотнение. Второй изолятор выполнен в виде полого цилиндра с резьбой на внешней поверхности, предназначенной для соединения с первым изолятором, и заканчивается в торцевой части плоским выступом, в плоском выступе выполнен, по меньшей мере, один радиальный сквозной канал, введен третий изолятор, выполненный в виде стержня со спиралевидной выточкой по внешней поверхности, установленный герметично в полости второго изолятора.The claimed technical result is achieved by the fact that the first insulator in the direction of supplying the gaseous working fluid is made in the form of a ceramic union nut connected hermetically to the fitting of the gas supply system through the seal. The second insulator is made in the form of a hollow cylinder with a thread on the outer surface intended for connection with the first insulator, and ends in the end part with a flat protrusion, at least one radial through channel is made in the flat protrusion, a third insulator made in the form of a rod is introduced with a spiral groove on the outer surface, installed hermetically in the cavity of the second insulator.
В частном случае реализации третий изолятор выполнен из пластичного материала, плоский выступ в торцевой части второго изолятора выполнен в виде многогранной призмы и в плоском выступе торцевой части второго изолятора выполнено шесть равномерно расположенных радиальных каналов.In a particular case of implementation, the third insulator is made of a plastic material, the flat projection in the end part of the second insulator is made in the form of a multifaceted prism, and six uniformly spaced radial channels are made in the flat projection of the end part of the second insulator.
Газоэлектрическая развязка (ГЭР) газоразрядного узла ионного источника изображена на фиг. 1: 1- первый изолятор; 2 - штуцер магистрали подачи рабочего газа; 3 - герметизирующая прокладка; 4 - второй изолятор; 5 - плоский выступ второго изолятора; 6 - радиальный сквозной канал второго изолятора; 7 - третий изолятор; 8 -спиралевидная выточка.The gas-electric decoupling (GER) of the gas-discharge unit of the ion source is shown in FIG. 1: 1 - the first insulator; 2 - fitting of the working gas supply line; 3 - a sealing gasket; 4 - the second insulator; 5 - flat ledge of the second insulator; 6 - radial through channel of the second insulator; 7 - third insulator; 8 - spiral groove.
На фиг. 2, 3 показан продольный разрез ГЭР при сборке ее на газоразрядном узле ионного источника. На фиг. 4 показаны продольный и поперечный разрезы второго изолятора, а также его изометрия. На фиг. 5 - общий вид, продольный разрез и изометрия третьего изолятора.FIG. 2, 3 show a longitudinal section of the GER when assembling it on the gas-discharge unit of the ion source. FIG. 4 shows a longitudinal and cross-sectional view of the second insulator, as well as its isometric view. FIG. 5 is a general view, longitudinal section and isometric view of the third insulator.
Газоэлектрическая развязка тракта подачи газообразного рабочего тела ионного источника, содержит соединенные между собой изоляторы с каналами прохода рабочего тела, размещенные в разрыве тракта подачи рабочего тела, при этом первый по ходу подвода газообразного рабочего тела изолятор 1 выполнен в виде керамической накидной гайки, соединенной герметично со штуцером магистрали подачи рабочего газа 2 через герметизирующую прокладку 3. Второй изолятор 4 выполнен в виде полого цилиндра с резьбой на внешней поверхности, заканчивающегося в торцевой части плоским выступом 5. В плоском выступе выполнен, по меньшей мере, один радиальный сквозной канал 6. Третий изолятор 7 выполнен в виде стержня, при этом на всей внешней поверхности цилиндрической части третьего изолятора выполнена спиралевидная выточка 8. Третий изолятор 7 устанавливается внутри полости второго изолятора 4 герметично по внешней поверхности газоразрядного узла ионного источника, как это показано на фиг. 1.The gas-electric decoupling of the supply path of the gaseous working medium of the ion source contains interconnected insulators with the working medium passage channels, located in the break of the working medium supply path, while the
Монтаж ГЭР на газоразрядном узле представлен на фиг. 2 и 3. На фиг. 2 изображен монтаж ГЭР на газоразрядном узле ионного источника: 9 - стенка газоразрядной камеры; 10 - газоэлектрическая развязка.The installation of the GER on the gas-discharge unit is shown in Fig. 2 and 3. FIG. 2 shows the installation of the GER on the gas-discharge unit of the ion source: 9 - the wall of the gas-discharge chamber; 10 - gas-electric interchange.
Сборка ГЭР на газоразрядном узле ионного источника показана на фиг. 3 и осуществляется следующим образом. Второй изолятор 4 вставляется в отверстие в разрядном узле ионного источника с постановкой прокладки 11 и герметизирующей прокладки 12, обеспечивающих при соответствующем поджатии герметичность объема газоразрядного узла по его внутренней и наружной поверхностям. Необходимое усилие поджатия создается за счет затягивания первого изолятора 1, выполняющего функции накидной гайки, при завинчивании которой по резьбе на втором изоляторе 4 обеспечиваются усилия сжатия герметизирующей прокладки 3, прокладки 11 и герметизирующей прокладки 12. Герметизирующая прокладка 3, прокладка 11 и герметизирующая прокладка 12 выполнены из пластичного материала типа силикона или отожженной меди.The GER assembly on the gas discharge assembly of the ion source is shown in FIG. 3 and is carried out as follows. The
Для обеспечения более надежной герметизации плоский выступ 5 в торцевой части второго изолятора 4 может быть выполнен в форме, позволяющей применять при закрутке первого изолятора 1 гаечный ключ, например, в форме многогранной призмы.To ensure more reliable sealing, the
Для предотвращения высоковольтного пробоя по поверхности раздела первого и третьего изоляторов важно, чтобы сборка обеспечивала герметичность соединения названных изоляторов по этим поверхностям. Этого можно добиться разными средствами: точностью обработки поверхностей, использованием напыления на них специально подобранных материалов. По зависимому признаку, как наиболее технологичный вариант решения задачи, предлагается третий изолятор изготавливать из специального керамического материала, обладающего пластичностью, например, композиций на основе полиметилфенилсилоксанового каучука, наполненного до 70% массы порошками корунда, кварца или нитрида кремния. Такое решение позволит с большей надежностью обеспечить герметичность канала, образуемого вторым и третьим изоляторами, обеспечить перепад давления (1-2 бар) между входом и выходом в канал, который образован вторым и третьим изоляторами, снизить риск высоковольтного пробоя по поверхности раздела второго и третьего изоляторов.To prevent high-voltage breakdown along the interface between the first and third insulators, it is important that the assembly ensures the tightness of the connection of the said insulators along these surfaces. This can be achieved by different means: precision processing of surfaces, the use of spraying them with specially selected materials. According to the dependent feature, as the most technologically advanced option for solving the problem, it is proposed to make the third insulator from a special ceramic material with plasticity, for example, compositions based on polymethylphenylsiloxane rubber filled with up to 70% of the mass with powders of corundum, quartz or silicon nitride. Such a solution will make it possible to more reliably ensure the tightness of the channel formed by the second and third insulators, to provide a pressure drop (1-2 bar) between the inlet and outlet to the channel formed by the second and third insulators, to reduce the risk of high-voltage breakdown at the interface of the second and third insulators. ...
Предлагаемая ГЭР обеспечивает разделение газового тракта источника ионов по потенциалу. Согласно известному закону Пашена напряжение высоковольтного пробоя по газовому каналу возрастает с ростом произведения давления на длину канала. В предлагаемой ГЭР длина канала, на котором устанавливается указанный перепад давления, определяется длиной спиральной выточки. Для заданного диапазона параметров режима работы источника по электрическому потенциалу (обычно 1-3 кВ) она задается шагом спирали, необходимую длину которой легко обеспечить в предлагаемой компактной конфигурации ГЭР.The proposed GER provides potential separation of the gas path of the ion source. According to the well-known Paschen's law, the high-voltage breakdown voltage through the gas channel increases with the growth of the product of pressure and the channel length. In the proposed GER, the length of the channel at which the specified pressure drop is established is determined by the length of the spiral groove. For a given range of parameters of the operating mode of the source at the electric potential (usually 1-3 kV), it is set by the pitch of the spiral, the required length of which is easy to provide in the proposed compact GER configuration.
3. Аналог способа изготовления ГЭР3. An analogue of the manufacturing method for GER
Оригинальность конструкции предложенной ГЭР делает необходимым провести анализ способа ее изготовления и, соответственно, ее патентоспособность. Признаки способа даны в следующем описании. Способ относится к технологиям получения изделий из керамики, например из химически связанного нитрида кремния, оксида кремния, оксида алюминия или полимеркерамических композиционных материалов.The originality of the design of the proposed GER makes it necessary to analyze the method of its manufacture and, accordingly, its patentability. The features of the method are given in the following description. The method relates to technologies for producing ceramic products, for example, from chemically bonded silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide or polymer-ceramic composite materials.
Известен способ получения изделий на основе нитрида кремния [патент Японии №59-207876, МПК С04В 35/58, 1984 г.] путем азотирования предварительно спеченных при температуре ниже температуры плавления кремния заготовок из тонкодисперсного порошка кремния, содержащего 0,1-5,0 мас.% бора и не менее одного химического элемента из числа Fe, Со, Ni, Cr, Mo, Mn, W, Ti, Zr, Та, Nb, V, Mg, Ca, Cu, Zn и Sn или их соединений в совокупном количестве 0,05-2,0 мас. %. Для осуществления способа к порошку кремния добавляют 0,15-5,0 мас. % бора и один или более перечисленных выше элементов или их соединений в количестве 0,05-2,0 мас. %. Из полученной смеси формуют заготовку, затем нагревают ее в атмосфере инертного газа до температуры более 1100°С, но ниже температуры плавления кремния и подвергают спеканию. Спеченную заготовку нагревают до температуры 1100-1500°С и азотируют.A known method of obtaining products based on silicon nitride [Japanese patent No. 59-207876, IPC S04B 35/58, 1984] by nitriding pre-sintered at a temperature below the melting point of silicon blanks from finely dispersed silicon powder containing 0.1-5.0 wt% boron and at least one chemical element from among Fe, Co, Ni, Cr, Mo, Mn, W, Ti, Zr, Ta, Nb, V, Mg, Ca, Cu, Zn and Sn or their compounds in aggregate the amount of 0.05-2.0 wt. %. To implement the method, 0.15-5.0 wt. % boron and one or more of the above elements or their compounds in the amount of 0.05-2.0 wt. %. A workpiece is formed from the mixture obtained, then it is heated in an inert gas atmosphere to a temperature of more than 1100 ° C, but below the melting point of silicon and subjected to sintering. The sintered workpiece is heated to a temperature of 1100-1500 ° C and nitrided.
Изделия, полученные указанным способом, обладают высокой устойчивостью к тепловому удару, характеризуются твердостью и химической стабильностью, а также обладают электроизолирующими свойствами при высоких температурах. К недостаткам этого технического решения можно отнести весьма ограниченную область его применения, поскольку при предварительном спекании заготовки наблюдается ее значительная усадка (~10%), что ограничивает возможность изготовления изделий сложной геометрической формы. Кроме того, изделия, изготовленные этим способом, обладают невысокой стойкостью к высокотемпературному окислению вследствие остаточной открытой пористости, которая составляет ~ 20%, а, следовательно, полученные изделия активно окисляются при температурах выше 700°С с образованием диоксида кремния (SiO2) как на поверхности, так и в объеме (в порах) изделия. Образование SiO2 в порах приводит к значительному снижению прочности изделий. Использование предварительного спекания заготовок в инертном газе значительно повышает длительность технологического процесса, что также ограничивает применение способа.Products obtained by this method are highly resistant to thermal shock, are characterized by hardness and chemical stability, and also have electrical insulating properties at high temperatures. The disadvantages of this technical solution can be attributed to a very limited area of its application, since during preliminary sintering of the workpiece, its significant shrinkage (~ 10%) is observed, which limits the possibility of manufacturing products of complex geometric shapes. In addition, the products manufactured by this method have a low resistance to high-temperature oxidation due to the residual open porosity, which is ~ 20%, and, therefore, the products obtained are actively oxidized at temperatures above 700 ° C with the formation of silicon dioxide (SiO 2 ) as in surface, and in the volume (pores) of the product. The formation of SiO 2 in the pores leads to a significant decrease in the strength of the products. The use of preliminary sintering of billets in an inert gas significantly increases the duration of the technological process, which also limits the application of the method.
4. Прототип способа изготовления ГЭР4. A prototype of a method for manufacturing a GER
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемого изобретения является способ получения изделий на основе нитрида кремния [патент РФ №2239613, МПК7 С04В 35/584, 2003 г.], включающий измельчение и смешение кремнийсодержащего компонента с ускорителем азотирования, формование заготовки из полученной смеси, ее азотирование при температуре 1000-1500°С с последующим снижением пористости изделия до 0,1-15,0%. В качестве ускорителя азотирования могут быть использованы оксид железа (Fe2O3) в виде азотнокислого железа, или никель, или оксид никеля. Причем концентрацию оксида железа в смеси устанавливают в количестве 0,1 мас. %, никеля 0,3-3,0 мас. %, оксида никеля 0,1-1,5 мас. %. Снижение пористости осуществляют пропиткой заготовки кремнийорганическим соединением (этилсиликатом) с последующей термообработкой или термообработкой заготовки в среде азота в засыпке нитрида кремния и нитрида бора. Термообработку при пропитке осуществляют в два этапа, последовательно, при температурах 700°С и 1300°С соответственно. При снижении пористости в среде азота в засыпке нитрида кремния и нитрида бора термообработку также ведут в два этапа, последовательно, при температурах 1550-1650°С и 1750-1800°С соответственно.The closest analogue (prototype) of the invention is a method for producing products based on silicon nitride [RF patent No. 2239613, IPC 7 С04В 35/584, 2003], including grinding and mixing a silicon-containing component with a nitriding accelerator, forming a workpiece from the resulting mixture, its nitriding at a temperature of 1000-1500 ° C, followed by a decrease in the porosity of the product to 0.1-15.0%. As a nitriding accelerator, iron oxide (Fe 2 O 3 ) in the form of iron nitrate, or nickel, or nickel oxide can be used. Moreover, the concentration of iron oxide in the mixture is set in the amount of 0.1 wt. %, nickel 0.3-3.0 wt. %, nickel oxide 0.1-1.5 wt. %. Reducing the porosity is carried out by impregnating the workpiece with an organosilicon compound (ethyl silicate), followed by heat treatment or heat treatment of the workpiece in a nitrogen atmosphere in the backfill of silicon nitride and boron nitride. Heat treatment during impregnation is carried out in two stages, sequentially, at temperatures of 700 ° C and 1300 ° C, respectively. With a decrease in porosity in a nitrogen atmosphere in the filling of silicon nitride and boron nitride, heat treatment is also carried out in two stages, sequentially, at temperatures of 1550-1650 ° C and 1750-1800 ° C, respectively.
Анализ данного способа показывает, что его использование позволяет получать прочные и стойкие к окислению изделия. Однако способ характеризуется повышенными требованиями к чистоте компонентов шихты и азота, а также большой длительностью процесса получения изделий и необходимостью использования для его осуществления высокой температуры (выдержка в течение 50-60 ч при температуре до 1500°С). Это влечет за собой значительные энергозатраты, необходимость размещения изделий при их азотировании в засыпке из нитрида кремния, что ведет к значительному уменьшению полезного объема печи. Кроме того, диэлектрические свойства керамических изделий, полученных указанным способом, недостаточно высоки, что связано с необходимостью использовать добавки, способствующие уплотнению структуры материала изделий.Analysis of this method shows that its use makes it possible to obtain durable and oxidation-resistant products. However, the method is characterized by increased requirements for the purity of the components of the charge and nitrogen, as well as the long duration of the process of obtaining products and the need to use a high temperature for its implementation (holding for 50-60 h at temperatures up to 1500 ° C). This entails significant energy consumption, the need to place products during nitriding in a silicon nitride backfill, which leads to a significant decrease in the useful volume of the furnace. In addition, the dielectric properties of ceramic products obtained by this method are not high enough, which is associated with the need to use additives that contribute to the compaction of the structure of the material of the products.
Техническим результатом заявляемого способа является получение элементов газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника из керамики или полимеркерамических композиционных материалов на основе нитрида кремния, оксида кремния, оксида алюминия из доступного сырья, обладающих повышенной механической прочностью и высокими диэлектрическими свойствами.The technical result of the proposed method is to obtain elements of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source from ceramics or polymer-ceramic composite materials based on silicon nitride, silicon oxide, aluminum oxide from available raw materials with increased mechanical strength and high dielectric properties.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника из диэлектрических материалов, первый и второй изоляторы формуют в металлических формах под давлением 3-9 бар, при температуре 70-90°С течение 10-60 с путем литья парафиновых дисперсий, содержащих 70-90% массы порошкового материала на основе корунда, кварца или нитрида кремния со средним размером частицы в диапазоне 10-100 мкм, с измельчением этих частиц до размеров 0,5-1,0 мкм, с последующим добавлением 10-30% массы термопластичной технологической связки на основе парафинов, затем полученные полуфабрикаты помещают в газовую или электрическую печь для удаления упомянутой технологической связки из структуры полуфабрикатов и выдерживают при температуре 200-600°С в течение 90 час, после этого осуществляют синтез первого и второго изоляторов, методом реакционного спекания их при температуре 1200-1800°С в течение 20-80 час в герметизированной печи, с изначальным вакуумированием печи до остаточного давления 10-2 мм ртутного столба и последующей подачей в печь азота технической чистоты при избыточном давлении до 2 бар, а третий изолятор изготавливают из полимеркерамического композиционного материала, используя в качестве сырья дисперсии керамического порошка, например нитрида кремния, с размером зерна до 50 мкм и содержанием до 80% массы в полиметилфенилсилоксановом каучуке с предварительно введенным в него катализатором отверждения, после чего формовку заготовок газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника осуществляют методом заполнения разъемной металлической формы с выдержкой в ней до 24 час до полного отверждения композитного материала.The specified technical result is achieved by the fact that in the known method of manufacturing the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source from dielectric materials, the first and second insulators are molded in metal molds at a pressure of 3-9 bar, at a temperature of 70-90 ° C for 10-60 s by casting paraffin dispersions containing 70-90% of the mass of a powder material based on corundum, quartz or silicon nitride with an average particle size in the range of 10-100 microns, with grinding these particles to a size of 0.5-1.0 microns, followed by adding 10- 30% of the mass of the thermoplastic technological binder based on paraffins, then the obtained semi-finished products are placed in a gas or electric furnace to remove the said technological binder from the structure of semi-finished products and kept at a temperature of 200-600 ° C for 90 hours, after which the synthesis of the first and second insulators is carried out, by reaction sintering at a temperature of 1200-1800 ° C for 20-80 hours in a sealed furnaces, with initial evacuation of the furnace to a residual pressure of 10 -2 mm Hg and subsequent feeding into the furnace of technical grade nitrogen at an overpressure of up to 2 bar, and the third insulator is made of a polymer-ceramic composite material, using dispersions of ceramic powder, such as silicon nitride, as raw materials , with a grain size of up to 50 μm and a content of up to 80% of the mass in polymethylphenylsiloxane rubber with a curing catalyst previously introduced into it, after which the blanks of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source are formed by filling a detachable metal mold with holding in it for up to 24 hours until complete curing composite material.
Заявляемый способ осуществляют следующим образом.The inventive method is carried out as follows.
В качестве сырья для получения первого и второго изоляторов газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника используют керамический порошок, например, поликристаллический кремний с размером частиц до 10-100 мкм и производят его измельчение до размеров частиц 0,5-1,0 мкм. После измельчения полученный порошок смешивают с пластификатором на основе парафинов до 30% массы. Далее из полученной смеси формуют заготовки изделия. Формовка осуществляется литьем под давлением. После формовки изделий из них удаляют пластификатор. Удаление пластификатора проводят в воздушной среде при температуре до 600°С в течение 90 час. Затем из заготовок осуществляют синтез первого и второго изоляторов. Синтез проводят в герметизированной печи в среде технического азота. Проведение процесса азотирования в среде технического азота по сравнению с азотированием в засыпке (характерно для прототипа) позволяет улучшить управляемость химической реакцией при наиболее эффективном использовании рабочего объема печи и расхода азота. Для осуществления процесса реакционного спекания изделия загружают в печь. Для обеспечения азотной среды обычно вначале печь вакуумируют до остаточного давления 10-2 мм рт.ст., после чего подают азот технической чистоты при избыточном давлении до 2 бар и нагревают до температуры начала азотирования - 1200°С. При этих условиях наиболее ответственный процесс непосредственно реакционного спекания (химическую реакцию взаимодействия частиц порошка кремния изделий с азотом) проводят в течение до 80 час, плавно увеличивая температуру в реакторе до конечного значения 1800°С. По окончании процесса готовые изделия охлаждают вместе с печью и затем выгружают.Ceramic powder, for example, polycrystalline silicon with a particle size of up to 10-100 microns, is used as a raw material for obtaining the first and second insulators of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source and is ground to a particle size of 0.5-1.0 microns. After grinding, the resulting powder is mixed with a wax-based plasticizer up to 30% by weight. Further, from the resulting mixture, product blanks are formed. Forming is carried out by injection molding. After forming the products, the plasticizer is removed from them. Removal of the plasticizer is carried out in air at temperatures up to 600 ° C for 90 hours. Then, the first and second insulators are synthesized from the blanks. The synthesis is carried out in a sealed furnace in an environment of technical nitrogen. Carrying out the nitriding process in an environment of technical nitrogen in comparison with nitriding in the backfill (typical for the prototype) improves the controllability of the chemical reaction with the most efficient use of the working volume of the furnace and the nitrogen consumption. To carry out the reaction sintering process, the products are loaded into a furnace. To provide a nitrogen environment, the furnace is usually first evacuated to a residual pressure of 10 -2 mm Hg, after which nitrogen of technical purity is supplied at an overpressure of up to 2 bar and heated to the starting temperature of nitriding - 1200 ° C. Under these conditions, the most critical process of direct reaction sintering (chemical reaction of the interaction of silicon powder particles of articles with nitrogen) is carried out for up to 80 hours, smoothly increasing the temperature in the reactor to a final value of 1800 ° C. At the end of the process, the finished products are cooled together with the oven and then unloaded.
В качестве сырья для получения третьего изолятора газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника используют полимеркерамический композиционный материал, используя в качестве сырья дисперсии керамического порошка, например нитрида кремния, с размером зерна до 50 мкм и содержанием до 80% массы в полиметилфенилсилоксановом каучуке с предварительно введенным в него катализатором отверждения из полимеркерамического композиционного материала используют дисперсию керамического порошка, например нитрида кремния, с размером зерна до 50 мкм и содержанием до 80% массы в полиметилфенилсилоксановом каучуке с введенным в него катализатором отверждения. Формовку заготовок газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника осуществляют методом заполнения разъемной металлической формы с выдержкой в ней до 24 часов до полного отверждения композита.As a raw material for obtaining the third insulator of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source, a polymer-ceramic composite material is used, using as a raw material a dispersion of a ceramic powder, for example, silicon nitride, with a grain size of up to 50 μm and a content of up to 80% of the mass in polymethylphenylsiloxane rubber with preliminary introduced into it A curing catalyst made of a polymer-ceramic composite material is a dispersion of a ceramic powder, for example silicon nitride, with a grain size of up to 50 μm and a content of up to 80% by weight in polymethylphenylsiloxane rubber with a curing catalyst introduced into it. The blanks of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source are formed by filling a detachable metal mold with holding in it for up to 24 hours until the composite is completely cured.
Сущность заявляемого способа будет более понятна из приведенных ниже примеров.The essence of the proposed method will be more clear from the examples below.
Пример 1 изготовления первого и второго изоляторовExample 1 of the manufacture of the first and second insulators
В сухой порошок технического кремния марки Кр-00 ГОСТ 2169-69 с размером частиц 10 мкм вводят, например, 0,6% массы олеиновой кислоты и производят измельчение в шаровой мельнице стальными шарами до размеров частиц 0,5-1,0 мкм. После этого порошок смешивают с пластификатором, взятом в количестве 20 мас.%, и формуют образцы газоэлектрической развязки газоразрядного узла ионного источника заливкой в металлическую форму. Пластификатор удаляют, например, в засыпке из глинозема при температуре до 190°С в течение 30 час, а затем в воздушной среде при температуре до 600°С в течение 80 ч. Синтез (реакционное спекание) проводят в герметичной печи при избыточном давлении азота 0,7 бар и более и температуре 1200-1800°С в течение 80 часов.For example, 0.6% of the mass of oleic acid is introduced into dry powder of commercial silicon grade Kr-00 GOST 2169-69 with a particle size of 10 microns and grinding in a ball mill with steel balls to a particle size of 0.5-1.0 microns. After that, the powder is mixed with a plasticizer, taken in an amount of 20 wt.%, And samples of the gas-electric decoupling of the gas-discharge unit of the ion source are formed by pouring into a metal mold. The plasticizer is removed, for example, in an alumina backfill at temperatures up to 190 ° C for 30 hours, and then in air at temperatures up to 600 ° C for 80 hours. Synthesis (reaction sintering) is carried out in a sealed furnace at an excess nitrogen pressure of 0 , 7 bar and more and a temperature of 1200-1800 ° C for 80 hours.
Материал полученных изделий имеет следующие свойства:The material of the resulting products has the following properties:
• плотность - 2,35 г/см3;• density - 2.35 g / cm 3 ;
• предел прочности на изгиб при 20°С - 300 МПа;• ultimate bending strength at 20 ° С - 300 MPa;
• предел прочности на изгиб при 1400°С - 200 МПа;• ultimate bending strength at 1400 ° C - 200 MPa;
• микротвердость - 8 ГПа;• microhardness - 8 GPa;
• теплопроводность при 20°С - 8 Вт/(м⋅K);• thermal conductivity at 20 ° С - 8 W / (m⋅K);
• теплопроводность при 900°С - 10 Вт/(м⋅K);• thermal conductivity at 900 ° С - 10 W / (m⋅K);
• электрическая прочность 20-25 кВ/мм.• dielectric strength 20-25 kV / mm.
• тангенс угла диэлектрических потерь: 0,15…0,01.• tangent of dielectric loss angle: 0.15… 0.01.
Пример 2 изготовления третьего изолятораExample 2 of making a third insulator
Сухой порошок нитрида кремния (размер частиц до 50 мкм) вводят в количестве до 80% массы в полиметилфенилсилоксановый каучук (с предварительно введенным в него катализатором) и получают композитный материал, производя перемешивание при помощи, например, пропеллерной мешалки и периодически вакуумируя образовавшуюся дисперсию до остаточного давления 10-2 мм ртутного столба. После этого формуют изделия заливкой в разъемную металлическую форму при комнатной температуре. После выдержки в форме 24 час и выше готовые детали из отвержденного композитного материала извлекают.Dry silicon nitride powder (particle size up to 50 microns) is introduced in an amount of up to 80% by weight into polymethylphenylsiloxane rubber (with a catalyst preliminarily introduced into it) and a composite material is obtained by stirring using, for example, a propeller stirrer and periodically vacuuming the resulting dispersion to a
Материал полученных изделий имеет следующие свойства:The material of the resulting products has the following properties:
• Твердость по Шору - 50-60 (шкала А).• Shore hardness - 50-60 (scale A).
• Плотность - 1,20-1,40 г/см3.• Density - 1.20-1.40 g / cm 3 .
• Эластичность - линейное удлинение 35-40% остаточной деформации.• Elasticity - linear elongation 35-40% of permanent deformation.
• Относительное удлинение при разрыве - 50…60%.• Relative elongation at break - 50 ... 60%.
• Напряжение на разрыв при растяжении - 6-8 МПа.• Tensile tensile stress - 6-8 MPa.
• Объемная усадка после отверждения: 3-4%.• Volume shrinkage after curing: 3-4%.
• Теплопроводность при 20°С - 1 Вт/(м⋅K);• Thermal conductivity at 20 ° С - 1 W / (m⋅K);
• Температурный коэффициент линейного расширения - 1,0…1,5⋅10-3K-1.• Temperature coefficient of linear expansion - 1.0 ... 1.5⋅10 -3 K -1 .
• Электрическая прочность 15-20 кВ/мм.• Electric strength 15-20 kV / mm.
• Тангенс угла диэлектрических потерь: 0,2…0,02. • Tangent of dielectric loss angle: 0.2… 0.02.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020126968A RU2752857C1 (en) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020126968A RU2752857C1 (en) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2752857C1 true RU2752857C1 (en) | 2021-08-11 |
Family
ID=77348977
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020126968A RU2752857C1 (en) | 2020-08-12 | 2020-08-12 | Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2752857C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2817410C1 (en) * | 2023-07-26 | 2024-04-16 | Кирилл Константинович Свистунов | Gas isolation |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6215124B1 (en) * | 1998-06-05 | 2001-04-10 | Primex Aerospace Company | Multistage ion accelerators with closed electron drift |
| RU2239613C1 (en) * | 2003-02-10 | 2004-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Method of manufacturing silicon nitride-based products |
| US20060026948A1 (en) * | 2004-07-19 | 2006-02-09 | Hart Stephen L | Lateral flow high voltage propellant isolator |
| RU2444867C2 (en) * | 2010-04-06 | 2012-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | High-voltage gas-arc isolation of plasma accelerator actuating medium supply track (versions) |
| US10273944B1 (en) * | 2013-11-08 | 2019-04-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Propellant distributor for a thruster |
-
2020
- 2020-08-12 RU RU2020126968A patent/RU2752857C1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6215124B1 (en) * | 1998-06-05 | 2001-04-10 | Primex Aerospace Company | Multistage ion accelerators with closed electron drift |
| RU2239613C1 (en) * | 2003-02-10 | 2004-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" | Method of manufacturing silicon nitride-based products |
| US20060026948A1 (en) * | 2004-07-19 | 2006-02-09 | Hart Stephen L | Lateral flow high voltage propellant isolator |
| RU2444867C2 (en) * | 2010-04-06 | 2012-03-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Опытное конструкторское бюро "Факел" | High-voltage gas-arc isolation of plasma accelerator actuating medium supply track (versions) |
| US10273944B1 (en) * | 2013-11-08 | 2019-04-30 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of National Aeronautics And Space Administration | Propellant distributor for a thruster |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| C2. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2817410C1 (en) * | 2023-07-26 | 2024-04-16 | Кирилл Константинович Свистунов | Gas isolation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6906343B2 (en) | Method for manufacturing silicon carbide sintered body | |
| SE458753B (en) | PUT FOR SINTERING A PRESS BODY IN A PLASMA MAGAZINE MOSPHERE | |
| JP4691891B2 (en) | C-SiC sintered body and manufacturing method thereof | |
| US4719078A (en) | Method of sintering compacts | |
| RU2752857C1 (en) | Gas-electric coupler of gas-discharge unit of ion source and method for manufacturing base parts thereof | |
| EP0992327B1 (en) | Method of forming complex-shaped hollow ceramic bodies | |
| US4215088A (en) | Method for fabricating boron carbide articles | |
| DE2349277A1 (en) | Silicon nitride components with high density - esp. turbine blades, made by injection moulding followed by isostatic pressing | |
| US4119469A (en) | Insulating ceramic substances having controlled porosity and the method for preparing them by sintering | |
| JP4295491B2 (en) | Copper-tungsten alloy and method for producing the same | |
| US3821005A (en) | Densification of silicon nitride | |
| JP2019019026A (en) | Sintering mold, and method for manufacturing the same | |
| CN113664199A (en) | Hot isostatic pressing near-net forming method for turbine blade of aero-engine | |
| CN105777079A (en) | Plasma etching resistant ceramic body and manufacturing method thereof, and plasma etching device | |
| KR102532974B1 (en) | Method of manufacturing tungsten copper composite, tungsten copper composite having high toughness and high thermal conductivity, and manufacturing method for the same | |
| JPH0770610A (en) | Method for sintering injection-molded product | |
| Liu et al. | Effects of size reduction on deformation, microstructure, and surface roughness of micro components for micro metal injection molding | |
| Lee et al. | Fabrication of an yttria thin-wall tube by radial magnetic pulsed compaction of powder-based tapes | |
| JPH057353B2 (en) | ||
| CN117024124A (en) | Molybdenum-silicon target material, powder mixing method for improving compactness of molybdenum-silicon target material and preparation method of molybdenum-silicon target material | |
| JP2007254225A (en) | Method for manufacturing joined sintered compact and joined sintered compact | |
| JPH06279119A (en) | Highly heat conductive sic ceramics and its production | |
| KR20160088170A (en) | TiC-FeAl HARD MATERIALS AND FABRICATING METHOD FOR THE SAME | |
| JP3492648B2 (en) | TiN-Al2O3-based sintered body | |
| KR920006806B1 (en) | Preparation method of calcined body made by al2o3-ticx |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20211019 |