СВЕРХВЫСОКОВАКУУМНОЕ ТЕРМОСТОЙКОЕ ОКНО Российский патент 2022 года по МПК H01J40/02 H01J5/18 

Область применения

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к элементам конструкции вакуумных камер, используемых в условиях высоких температур и сверхвысокого вакуума.

Уровень техники (аналоги)

В сверхвысоковакуумных системах находят широкое применение вакуумные камеры, в конструкции которых входят смотровые и выходные окна различных диаметров. При этом имеется потребность в окнах, имеющих значительные размеры - 450 мм более. Во множестве вакуумных систем, работающих в сверхвысоковакуумном диапазоне, возникает необходимость проведения циклического термического воздействия (до 300°C). В таких случаях, окна должны быть изготовлены из материалов, которые имеют минимальное газовыделение при воздействии высоких температур, а конструкция окна должна обеспечивать герметичное соединение прозрачного оптического элемента с оправой.

Как правило, основными элементами вакуумного окна являются: диск из оптически прозрачного материала (стекло, кварц и тому подобное) и металлическая оправа в виде одного или более фланцев, соединенных герметично. Известны различные способы такого соединения.

Известно смотровое окно для сверхвысоковакуумных систем, которое включает в себя оптически прозрачный диск, герметично соединенный с металлической оправой, которая герметично соединена с металлическим уплотнительным фланцем [Пипко А.И., Плисовский В.Я., Пенченко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М: Энергия, 1979. - стр. 174-176]. Герметичное соединение стеклянного диска осуществляется методом стеклоспая. При этом материалы оправы и диска подбираются так, чтобы коэффициенту теплового линейного расширения (КТЛР) имели близкие значения.

К недостаткам данного способа относятся, низкая устойчивость вакуумно-плотного металлостеклянного соединения окна к циклическому термическому воздействию при нагреве до 300°C. Следствием такого воздействия может быть образование поверхностных и объемных дефектов прозрачного диска в процессе изготовления, которые впоследствии могут привести к разрушению окна.

Известно также смотровое окно [Пипко А.И., Плисовский В.Я., Пенченко Е.А. Конструирование и расчет вакуумных систем. - М.: Энергия, 1979. - стр. 174] с резиновым уплотнением, в котором прозрачный диск с помощью прижимного кольца прижимается к резиновому уплотнителю.

Недостатком данного решения является невозможность использования окна при температурах выше 250°C из-за высокой газовой проницаемости резинового уплотнения или же из-за его физического разрушения при воздействии высоких температур.

Известно термостойкое сверхвысоковакуумное смотровое окно [патент Россия № RU 2742506, МПК H01J 40/02, H01J 40/06 08.02.2021 «Сверхвысоковакуумное термостойкое смотровое окно»], которое включает в себя последовательно и герметично соединенные друг с другом уплотни тельный металлический фланец, металлическую оправу, и прозрачный для излучения диск, представляющие собой фигуры вращения, расположенные соосно, при этом уплотнительный металлический фланец и металлическая оправа имеют отверстия для прохождения излучения, оси которых совпадают с осями фигур вращения, для герметичного соединения оправы с прозрачным для излучения диском используется слой припоечного материала па основе стекла, расположенный между одной или более сопрягаемыми поверхностями диска и оправы. При этом образование герметичного соединения при помощи припоечного материала происходит под действием высоких температур. Данное техническое решение принято в качестве прототипа.

Также очевидно, что в выше описанном способе соединение оправы и металлического фланца происходит методом сварки (пайки), что в свою очередь может привести к появлению дополнительных концентраторов напряжения в месте герметизации, и при последующем циклическом термическом воздействии может произойти нарушение герметичности. Кроме того, изготовление окон большого светового диаметра данным способом требует значительных финансовых затрат на отработку технологии, закупку термического оборудования и изготовления оснастки. Подтверждением этому является тот факт, что у производителей вакуумной техники отсутствуют в производстве окна световым диаметром более 200 мм. Помимо этого, существует ряд задач, при которых элементы конструкции окна значительно отличаются по коэффициенту теплового линейного расширения.

Таким образом, недостатками прототипа являются:

Техническая сложность процесса изготовления

сверхвысоковакуумного термостойкого окон увеличенных габаритных размеров, возможность нарушения вакуумной герметичности в процессе изготовления, отсутствие ремонтопригодности.

Техническим результатом изобретения является:

Упрощение процесса изготовления при увеличении габаритных размеров сверхвысоковакуумного термостойкого окна с сохранением вакуумных характеристик при обеспечении ремонтопригодности.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного сверхвысоковакуумного термостойкого окна, содержащего прозрачный оптический элемент, установленный в металлическую оправу и закрепленный в ней, причем прозрачный оптический элемент и металлическая оправа представляют собой фигуры вращения, расположенные соосно; при этом оправа имеет отверстие для прохождения излучения, в предложенном решении, металлической оправой является уплотнительный фланец-основание, сопряженный с прижимным фланцем при помощи крепежных элементов; при этом для герметичного соединения уплотнительного фланца-основания металлической оправы с прозрачным оптическим элементом использовано уплотнение с мягким гальваническим покрытием, расположенное между уплотняемыми поверхностями фланца-основания металлической оправы и прозрачного оптического элемента; причем отличие значений температурного коэффициента линейного расширения материалов металлической оправы и прозрачного оптического элемента компенсированы установленными в прижимном фланце металлической оправы компенсационными элементами; при этом в области установки прижимного фланца металлической оправы, сопряженной с прозрачным оптическим элементом использован демпфирующий элемент, препятствующий разрушению кромки прозрачного оптического элемента; при этом высокий уровень герметичности соединения элементов основан на пластической деформации поверхностного слоя уплотнения с мягким гальваническим покрытием, достигаемой при сборке.

Образование оправы парой фланцев - фланцем-основанием и прижимным фланцем, позволяет получить разборную конструкцию окна. Применение уплотнения с мягким гальваническим покрытием для герметичного соединения оправы с элементом из оптически прозрачного материала, расположенного между уплотняемыми поверхностями прозрачного оптического элемента и оправы, приводит к организации герметичного соединения, не требующего воздействия высоких температур с применением припоя, тем самым упрощая и удешевляя технологию изготовления окна. При этом высокий уровень герметичности соединения элементов основывается на пластической деформации поверхностного слоя уплотнения с мягким гальваническим покрытием и достигается без применения термического оборудования методом сборки. Используемый при этом демпфирующий элемент препятствует разрушению кромки прозрачного оптического элемента. Компенсация различия КТЛР применяемых материалов, происходит с помощью компенсационных элементов, введенных в конструкцию, что позволяет использовать материалы с различающимися КТЛР.

Таким образом, в целом, предложенное конструктивное решение, благодаря заявленному выбору элементов, составляющих окно, позволяет комплексно добиться заявляемого результата, исключив необходимость термического оборудования для образования герметичного соединения, избегая при этом применения припоя, и обеспечить герметичное соединение в результате (за счет) сборки.

Краткое описание чертежей

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фигурами 1-3

На фиг. 1 схематично изображена конструкция сверхвысоковакуумного термостойкого окна, где 1 - уплотнительный фланец-основание, 2 - уплотнение с мягким гальваническим покрытием, 3 - крепежный элемент (винт),: 4 - втулка компенсирующая (компенсационный элемент), 5 - фланец прижимной, 6 - кольцо компенсирующее (компенсационный элемент), 7 - демпфирующий элемент (кольцо), 8 - прозрачный оптический элемент.

На фиг. 2 изображена 3D модель конструкции сверхвысоковакуумного термостойкого окна в разрезе.

На фиг. 3 изображен режим термического цикла сверхвысоковакуумного термостойкого окна.

Описание изобретения

Сверхвысоковакуумное термостойкое окно (фиг. 1) содержит элементы перечисленные ниже.

Уплотнительный металлический фланец-основание 1 представляет собой фигуру вращения и имеет отверстие, предназначенное для прохождения излучения. Оси отверстия и фланца-основания 1 совпадают. Фланец-основание должен иметь конструкцию, которая обеспечивает его герметичное соединение с вакуумным объемом (камерой). А также должен иметь резьбовые отверстия, предназначенные для сборки крепежными винтами 3 (крепежные элементы) фланца прижимного 5. На фланце-основании 1 должна быть выполнена поверхность с шероховатостью без применения абразива методом точения с кругообразным направлением неровностей согласно ГОСТ 2789-73, необходимая для герметизации уплотнения с мягким гальваническим покрытием 2. Соединение с вакуумным объемом может производиться через металлическое уплотнение при помощи сварки либо другим доступным образом. Уплотнительный металлический фланец-основание 1 может иметь в своей конструкции дополнительные канавки, отверстия и выступы, необходимые для герметичного соединения с вакуумным объемом, а также позволяющие снизить вес, устанавливать его положение при сборке или снять напряжения, возникающие при сборке.

Уплотнение с мягким гальваническим покрытием 2 представляет собой кольцо определенной жесткости, с нанесенным на ее поверхность гальваническим методом слоем металла (алюминий, медь, серебро, олово, золото и т.д.). Конструкция уплотнения 2 может иметь различный профиль. Дополнительно в конструкции уплотнения 2 может быть установлена пружина для увеличения жесткости.

Крепежные винты 3, предназначенные для стяжки фланца прижимного 5 с фланцем - основанием 1, должны быть выполнены из материала с КТЛР, равным КТЛР фланца-основания 1 и прижимного фланца 5. Изготавливаются они по выбранному стандарту (ГОСТ, OCT, DIN и т.д.). Количество винтов выбирается из расчета диаметров фланца-основания 1 и фланца прижимного 5.

Втулка компенсирующая 4 представляет собой фигуру вращения и имеет отверстие предназначенное для установки сквозь нее крепежных винтов 3. Конструкция втулки 4 может иметь дополнительный выступ, сопрягаемый с головками крепежных винтов 3. Материал втулки 4 не должен иметь КТЛР меньший, КТЛР фланца-основания 1 и фланца прижимного 5. Количество втулок компенсирующих должно соответствовать количеству крепежных винтов 3.

Фланец прижимной 5 представляет собой фигуру вращений и имеет отверстие, предназначенное для прохождения излучения. Оси отверстия и фланца прижимного 5 совпадают. А так же должен иметь гладкие отверстия, предназначенные для сборки крепежными винтами 3 с фланцем-основанием 1 и возможностью установки компенсирующих втулок 4.

Кольцо компенсирующее 6 устанавливается между фланцем прижимным 5 и демпфирующим кольцом 7. Материал кольца компенсирующего 6 не должен иметь КТЛР меньший, КТЛР фланца-основания 1 и фланца прижимного 5.

Прозрачный оптический элемент 8 представляет собой прозрачный для излучения диск, герметично соединяемый с фланцем-основанием I через уплотнением с мягким гальваническим покрытием 2. Расположение фланца-основания 1, уплотнения с мягким гальваническим покрытием 2, фланца прижимного 5, кольца компенсирующего 6, демпфирующего кольца 7 и прозрачного оптического элемента 8 - соосное. Прозрачный оптический элемент может быть выполнен из кристаллических материалов, прозрачных для ультрафиалетового излучения (например стекло марки KB). На поверхности, сопрягаемой с уплотнением с мягким гальваническим покрытием 2, должен быть выполнен поясок с равномерной шероховатостью, необходимой для герметизации, при этом направление неровностей должно быть кругообразным по ГОСТ 2789-73.

Предлагаемое сверхвысоковакуумное термостойкое окно было реализовано следующим образом.

Прозрачный оптический элемент 8, выполненный из кварцевого спекла марки KB ГОСТ 15130-86, герметично соединяется с уплотнительным фланцем-основанием 1, через уплотнение с мягким гальваническим покрытием 2. Для осуществления герметизации на уплотняемой поверхности оптического элемента 8 был нанесен поясок шероховатости Ra 0,63 (значение шероховатости для стабильной герметизации, было определено в ходе многочисленных экспериментальных отработок) с кругообразным направлением неровностей по ГОСТ 2789-73.

Герметизация уплотнения наступает в процессе затяжки крепежных винтов 3 с резьбой М10, изготовленных из стали А2-70. Крепежные винты 3 предварительно покрываются медью для предотвращения заклинивания резьбы при проведении циклического термического воздействия (при нагреве).

Уплотнительный фланец-основание 1 изготовленный из нержавеющей стали 12Х18Н10Т имеет ножевидный выступ, который выполнен согласно стандарту ConFiat (CF), поэтому фланец может уплотняться по меди с ответным CF соединением вакуумной камеры. Так же на уплотнительном фланце-основании 1 была выполнена поверхность с шероховатостью Ra 0,8 без применения абразива методом точения на токарном станке с ЧПУ. Данная шероховатость обусловлена условиями работоспособности выбранного уплотнения с мягким гальваническим покрытием 2 (для уплотнения по металлу).

Фланец прижимной 5 изготовлен из нержавеющей стали 12X1SH10T с посадочными местами для установки втулок компенсирующих 4.

Втулки компенсирующие 4 и кольцо компенсирующее 6 изготовлены из сплава Д16, их размеры рассчитаны таким образом, чтобы полностью компенсировать КТЛР при нагреве.

В качестве уплотнения с мягким гальваническим покрытием 2, исходя из выбранных материалов прозрачного оптического элемента 8 и фланцев 1 и 5, был произведен подбор уплотнения 2 из серийно выпускаемой продукции фирмы «HMTS». Исходя из всех указанных условий, наиболее подходящим оказалось уплотнение типа CS-Type уплотнение С-образного профиля с серебряным покрытием (Silver plating), с дополнительно установленной пружиной для увеличения жесткости. Принцип герметизации таких уплотнений основан на пластической деформации поверхностного слоя и заполнения им неровностей уплотняемых поверхностей, при достижении определенного усилия сжатия.

Таким образом, проводилась ручная сборка, с применением специальной оснастки для соосного выставления и контроля величины сжатия уплотнения

Согласно описанной конструкции было изготовлено два окна с оптическим диаметром 450 мм и 550 мм. Контроль герметичности окон в составе вакуумных камер показал, отсутствие реакции масс-спектрометрического течеикателя на Не₂ (максимальная чувствительность течеискателя составляет 5⋅10^-12 мбар⋅л/с.) Это свидетельствует о герметичности окон. Проведенные испытания на циклическое термическое воздействие также показали сохранение герметичности. Режим термоциклирования приведен на фиг. 3 (было проведено более 10 циклов). Что подтверждает, что окно устойчивое к многократному нагреву.

Таким образом, достигается заявленный технический результат, а именно: увеличение габаритных размеров сверхвысоковакуумного термостойкого окна с сохранением вакуумных характеристик при обеспечении ремонтопригодности и упрощении процесса изготовления.

Изобретение относится к вакуумной технике, в частности к элементам конструкции вакуумных камер, а именно к термостойкому окну, и применяется в вакуумных системах, эксплуатация которых связана с циклическим воздействием высоких температур и сверхвысоким вакуумом. Технический результат - увеличение габаритных размеров сверхвысоковакуумного термостойкого окна с сохранением вакуумных характеристик, упрощение процесса изготовления. В окне для герметичного соединения с прозрачным оптическим элементом применяется уплотнение с мягким гальваническим покрытием, расположенное между подготовленными специальным образом уплотнительными поверхностями прозрачного оптического элемента и элемента металлической оправы. При этом принцип герметизации соединения основан на пластической деформации поверхностного гальванического слоя уплотнения и заполнения им дефектов уплотняемых поверхностей. Различия коэффициентов теплового линейного расширения прозрачного оптического элемента и металлической оправы компенсируются применяемыми в конструкции компенсационными элементами. Применение уплотнения с мягким гальваническим покрытием позволяет получать герметичное соединение прозрачного оптического элемента с элементами металлической оправы методом ручной сборки без воздействия высоких температур (метод пайки) и применения специального оборудования. 3 ил.

Сверхвысоковакуумное термостойкое окно, содержащее прозрачный оптический элемент, установленный в металлическую оправу и закрепленный в ней, причем прозрачный оптический элемент и металлическая оправа представляют собой фигуры вращения, расположенные соосно; при этом оправа имеет отверстие для прохождения излучения, отличающееся тем, что металлической оправой является уплотнительный фланец-основание, сопряженный с прижимным фланцем при помощи крепежных элементов; при этом для герметичного соединения уплотнительного фланца-основания металлической оправы с прозрачным оптическим элементом использовано уплотнение с мягким гальваническим покрытием, расположенное между уплотняемыми поверхностями фланца-основания металлической оправы и прозрачного оптического элемента; причем отличие значений температурного коэффициента линейного расширения материалов металлической оправы и прозрачного оптического элемента компенсированы установленными в прижимном фланце металлической оправы компенсационными элементами; при этом в области установки прижимного фланца металлической оправы, сопряженной с прозрачным оптическим элементом, использован демпфирующий элемент, препятствующий разрушению кромки прозрачного оптического элемента; при этом высокий уровень герметичности соединения элементов основан на пластической деформации поверхностного слоя уплотнения с мягким гальваническим покрытием, достигаемой при сборке.