VAKUUMSKE PREVODNICE A. Pregelj, M. Drab, M. Mozetič, A. Paulin' Inštitut za elektroniko in vakuumsko tehniko, Teslova 30, 61000 Ljubljana, 'Tehniška fakulteta, Univerza v Mariboru, Smetanova 17, 62000 Maribor Vacuum Feedthroughs ABSTRACT T««hnoi09y ^ vacuum derrtanfls for ih«ir r9eili2ati(>n the support of differerrt kinds ot energy trom outside n ths h«rrrt9tcaiiy ciMed working vessel Componenie ena&ing the vacuurr sealed transfdr of electrical leads, tubes for fluids, rrtotlor^ linhs. Doles and axes are named vacuum leed1^roughs In this ea(e90iY of elements oelong also the windovs making possible to pass electromagneboai waves in an cases it « significant the grade o1 vacuum for which they are used, while the price « rising wlin i«chi>oiogicei (manufactung) teQuirements. Considering different purposes of epplication {rredium, high and ultra f)igh vacuunn) feedthroughs are made d speoaiiy selected materials. They afe designed to be built in by derrtountabl« cofv^dCtions or welding, brazing and siKMnQ. The contribution gives a suPi^y on pnncipai types of feedthroughs and the properttes ot particular realizations POVZETEK Procesi v vaKuumu zatitevsjo za svoj potek dovajanje snovi in energija v tej ali oni obliki iz ohoiic« v hermetlino saprto delovno komoro. Sestavne dele, ki omogočajo vahuurrisho tesen prehod električnih vodnikov, cevk za fimde ler gibainin vzvodov, drogov in OSI, imerHJjerrto vakuumske prevodnice V to kdtegofljo vakuumskih sestavnih delov spadajo tudi okna, ki prepuS^O radi^ eleMromagnetna valovanja. V vseh prin>enh re pomembno vedeti, za kater nrvo vakuuma jih potrebujemo. ka|t< 2 zahtevo po lesnoeti raste preciznost oz. težavnost izdelave m s tem cena. Prispevek pregledno prikazuje glavne principe, načine oz. tehnologije tesn|enja ter lastnosO posameznih izvedb 1 UVOD Vakuumske prevodnice oniogocajo hermetično tesen prehod elementov zs prenos električnega toka. plinov jn tekočin, mehanskih gibanj in svetlobe iz okolice v vakuumsko posodo. I2 osnovnega namena njihove uporabe sledi, da rru^rajo biti sestavljene najmanj iz dveh delov, in to Iz prirobnlce za spoj na komoro ter iz prevodnega elementa; pri električnih nujno nastopa §e izolator. Očitno je za zagotavljanje hermetičnosti potrebno doseči Čim tesnejši spoj med nastopajočimi materiali. Glede na področje uporabe (srednji, visoki in ultra visoki vakuum) so ti materiali ustrezno izbrani in je tesnjenje med njimi In recipienlom doseženo z bolj ali manj zahtevno konstrukcijo oz. tehnološko izvedbo. Prirejene so za vgradnjo z razstavljivimi spoji s tesnilkami (navoji, ISO-CF, ISO-KF, ISO-K ipd.) ali za spaj^je z varjenjem, spajkanjem m leplj^jem. Obstaja vefiko različnih prevodnic, ki jih lahko razdelimo glede na vrsto vakuuma, na število prevodov, na način tesnjenja, na medij, ki ga prenašajo, na prebojno tnSnost rtd; najobičajnejša delitev j'6 po vrsti prenesene energije in po nj@j razlikujemo: - električne prevodnice - prevodnice za tlulde - prevodnice za prenos različnih gibanj - okna za prenos svetlobe Pri vseh je poleg osnovne funkcije najpomembnejša tesnost, kajti spoji različnih snovi, ki so pri teh elementih nujni, vnašajo potencialno nevarnost puščanja vakuumskega sistema. 2 ELEKTRIČNE PREVODNICE Pri prenosu električne energije je enkrat pomembnejša napetostna, drugič tokovna funkcija. Z ozirom na to razlikujemo: - napetostne prevodnice ter - tokovne prevodnice (visokoamperske) in prevodnice za merilne tokove Pri vseh je lahko tesnilni in izolacijski material enak. Izbira stekla. Keramike, elastomerov ali kake druge plastične snovi je odvisna od zahtev po tesnosti, izolacijski upornosti, pregrevnosli In tudi od izdelavne cene, možnosti demontaie itd. Napetostne prevodnice uporabljamo največkrat za sorazmerno majhne tokove pri visokih napetostih (5 in tudi do 20 kV), Zato so vodniki navadno majhnih presekov, zaradi zahtev po visoki prebojni trdnosti pa imajo velike izolatorje, oblikovane kot cevke ali cevi s čim daljšo potjo za zračni ali plazeči preboj (npr. si. 1č). Zgledi: vnos visokonapetostnega poten* ciala v elektronski mikroskop, TV elektn^nke, ionsko getrske črpalke, Penningove merilne sonde itd. Tokovne prevodnice praviloma rabijo za transport velikih tokov (npr. 5-100 A) pri nizkih napetostih (od nekaj V pa tudi do 220 oz. 360 V). Karakterističen zanje je velik presek vodnika. Za povečanje dovoljene tokovne obremenitve so mnoge tovrstne prevodnice izvedene tako, da jih je možno hladiti z vodo (si. 1d In le). Nekaj zgledov; dovodi toka za gretje ladjic v naparevainih napravah, za gretje žarilne nitke v močnih svetilih, za grelnike v vakuumskih pečeh in sušllnikih itd. Električne merilne prevodnice rabijo za prenos signalov raznih senzorjev, torej nizkih tokov in napetosti. Pogosto je prt tem pomembno to, da so zaščitene pred vplivi elektromagnetnih motenj od sosednjih signalov ali od naprav iz okolice (npr. koaksialno zaščiteni skozniki za priklop koaksialnih kablov). Posebnost pri merilnih prevodnicah so tudi izvedbe z večžilnimi skozniki v standardiziranih oblikah razporeditve. Zanimiva j« irvedba s cevkami, skozi katere napeljemo npr, žici termočlena neprekinjeno od instrumenta do merilnega mesta in jih v cevko hermetično zaspajkamo (si. 1a in 1h) s "činom". r P Slika 1. Primen različnih električnih prevodnic: 9,0 - vodnik, tesnjen 2 elastomerom v telesu iz umetne snovi C - vodnik, tesno zalit z lepilom (afuldlt) č - visokonapetnosrna prevodnlca s kersmičnim telesom d,G - princip in izvedba visokoamperske prevodnice, ki je hlajena s tekočo vodo i - iioa. zataljena v steklen vakuumski sistem eU hermetični element (npr. žamica. 7V elektronka,..) h - kompresijski spoj žic. aU cevk in stekla v steni ohtšfa oziroma v prirobnici iz nerjavnega jekla g.i - izvedbe ei. prevodnic s spojem: keramika-kovina Pri električnih pr^odnicah sta kot izolatorja zelo pomembna materiala steklo in keramika; ttd ohiSJe ju lahko pritrdimo lr> tesnimo z elastomemimi tesnili ali pa z neposrednim spojem na kovino, ki je seveda najkvalitetnejši. Že od izdelave elektronk r^a začetku stoletja je dobro poznan spoj eleklo-kovina z določenimi tehničnimi stekli In njim ustreznimi vtalnimi kovir^mi. Tovrstni spoji se dandanes, ko Je doba elektronk že minila, še vedno mnogo uporabljajo tudi pri vellkoserijskih izdelkih (npr. v rentgenskih In IV elektnDnkah. žarnicah itd.); pri njih imajo pari nastopajočih materialov bolj ali manj usklajene termične raztezke v temperaturnem območju vlaljevanja (si. If). Izdelava mnogih električnih prevodnic pa temelji na principu temperaturno neusklajenega spoja. V tem primenj mora bttl steklena izolacija vodnika obdana s kovino, navadno 2 nerjavnim jeklom, ki ima večje skrčke od vložka (si. 1h); tak spoj je tudi pri spremembah temperatur vedno tlačno obremenjen In ga zato imenujemo kompresijskl. Vezna plast pri spojih steklo-kovlna je pravilno pripravljen oksid uporabljene kovine oz. zJitine. Spoji keramika-kovina, ki so se do svoje popolnosti razvili Šele v zadnjih treh desetletjih, prekašajo tiste s steklom po tndnosti in po viŠjI možni temperalun pregrevanja. Temeljijo na visoko glinični keramiki (>9$% AfgOs), ki je na stičnem mestu metalizirana; kovinsko plast nanesemo v obliki specialne paste In nato pri visokih temperaturah sintramo na podlago. Nastala vezna plast omogoča trdo soaj-kanje keramike na primerne kovine (npr. Cu) oz. zlitine (npr. kovar). Primeri takih spojev na sliki 1 so: č, e, g In i. Za manj zahtevne aplikacije se zelo pogosto uporablja ulita apoksidna smole (araldite) in razna druga lepila (si. le), ki hkrati izolirajo in tesnijo. 3 PREVODNICE ZA PLINE IN TEKOČINE To so cevi, navadno Iz bakra ali iz nerjavnega jekla, vgrajene v steno redplanta ali v prirobnico Lahko dO izvedene razstavljivo z elaslomarnimi tesnili in holandskimi maticami ali pomožnimi prirobnicami, lahko pa tudi nerazstavljrvo z varjenjem, spajkanjem ali lepljenjem. Poseben tovrsten element je npr. cev za pretok tekočega dušika (-196 ®C) skozi toplo" steno recipienta; realiziran je (al. 2) s pomočjo pomožne dolge tankostenske cevi, ki prepreči pretok toplote s tem» da na sebi ohranja ves temperaturni gradient. Slika 2. /zvetffca prtvoänic^ za pretok tekočega čfušrka 4 PREVODNICE ZA PRENOS GIBANJA Ze od samih začetkov vakuumske tehnike so nekateri tehnološki postopki zahtevali vnos različnih gibanj v delovno komoro; npr.: obračanje ponve v vakuumski metalurški p^či, vrtenje izdelkov pred izvirom kovinskih par v naparjevalni komori, pomik varjenca pod elektronskim curiamaščenje tesnilnega roba) in v primeru poškodb ali obrabe zamenjati. Kljub nekaterim pomanjkljivostim (možnost puščanja po daljši uporabi In nezagotovljena odsotnost ogljikovodikov) se prevodnice s tščočimi tesnili uporabljajo pri mnogih W napravah. Statično tesnjene prevodnice {3a) uporabljamo v primerih, ko se zahteva čim manjše puščanje ter kadar je potrebno pregrevanje in odsotnost ogljikovodikov. Zelo kratke gibe lahko enostavno dosežemo z elastomerno ali kovinsko membrano, daljše pa z membransko ali gubasto ("meh") cevjo. Omogočajo dokaj enostavno izvedbo za prenos linearnih in polarnih gibanj, zahtevnejša konstrukcija pa je potrebna za prenos rotacije. Tovrstna vrtilne prevod» nice so bistroumno konstruirane z uporabo dvojne ročice in gibkih zglobov (si. 3c), pri tem se meh le zvijajoče upogiba Tehnične rešitve so prilagojene namenu uporabe ter deloma tudi oblikovalnim in tehnološkim sposobnostim proizvajalca. Posebna varianta za tesnjenje prenosa rotacije je težko hlapljiva tekočina, pomešana z magnetnim prahom (suspenzija delcev FegOa). Le ta se zadržuje v malih režah vležajenja rotirajoče osi, ki so magnetno polarizirane z vgrajenimi permanentnimi magnetki jn tako preprečuje pretok plma skozi špranjo (3c). Firma Ferroflutdics priporoča ta svoj patent za različna področja uporabe (za vakuume do 10® mbar). Pogost način prenosa rotacijskega in translatornega gibanja v hermetično zaprto komoro je tudi z magnetno sklopko skozi primemo oblikovan izrastek komore. Ta princip je pravzaprav najbofj idealen, kajti stena sploh ni prekinjena in ni izpostavljena pteyiüatiju (3h). Tovrstne prevodne sklope je možno pregrevati, ne omogočajo pa povsem preciznega prenosa gibov (mrtvi hod). Uporabljajo se lahko r z H 1 i a r; tm rmr B i: Sitka 3. Principi in izvedbe pr^vodnic za prenos gibanja a - dksialno in polarno gibanj&^ doseženo 2 membrano aH z membranskim mehom b - stisnjena tesniia in evaktjiranje vmesnega prostora C - tesnjenje gredi z magnetno tekotino Č.d.e - prificip tesnjenja z različno oblikovanimi in različno stisnjenimi tesnili f - izvedba vležsjenja gredi, (esnjene z dvema radialnima oljnima tesniloma g - U\A/ prevodnica zs prenos rotacije, izvedena z mehom h - prenos »Ve oz- momenta z magnetno skiopko permanentni magneti in elektromagneti (npr. pri elektromagnetnih ventilih itd.) » Poleg naštetih osnovnih principov obstaja v praksi še veliko zanimivih izpeljank (npr. elektromotorji v vakuumskem sistemu). Pomembni, predvsem v proizvodnji, so avtomatizirani podajafniki. rentgenske žarke pa beriiijevo okno. Prenos visokofrekvenčne energije (mikrovalovi) omogočajo posebna stekla in keramike. Tesnjenje je lahko izvedeno kot kompresijski spoj ali z lepljenjem in tudi z elastomemimi tesnili, odvisno od vakuumskih zantev aparature 5 OKNA Okna omogočajo prestop vseh vrst svetlobe oz, elektromagnetnih valovanj v vakuumski sistem ali iz njega. Za določeno vrsto sevanja moramo samo izbrati ustrezen prepustni material. Tako npr. uporabimo ZQ op&sovafnd okna (ze fotografiranje, zs pirometricne meritve...) kovarsko steklo, zataljeno na kovarski obroč (sf. 4); za prenos UV in IR svetlobe se uporabljajo kremenova ali safirna okna. za Siika 4. Dve izvedbi okna $ steklom, zafaijenim v kovarski obroč 6 SKLEP Predstavili smo osnovne tipe različnih vakuumskih prevodnic. Mnoge izvedbe so že dolgo v uporabi in so standardni program vseh večjih proizvajalcev vakuumske opreme, veliko pa je posebnih konstnjk-cij, izdelanih za določen nam^n. Nenehni razvoj na področju materialov tudi tu prinaia nove rešitve. 7 Literatura /1/ H. Bölling« «t al. InOustrisllfi V^uumtechnil«, VE5 Deutsch er Veflag fur OrundstoftinGustne, LeiDZig. 1961 fij Prospekti rä2li£niK p(0