一种高束流直流空心阴极等离子体源

摘要

本发明公开一种高束流直流空心阴极等离子体源，包括密封管、空心电极、阴极板、连接板、第一阳极板、第二阳极板、引弧隔套和控制电源；空心电极安装在阴极板上；密封管与阴极板连接并将空心电极套入其中；密封管顶部设有用于将气体输入至空心电极中的气体导入口；连接板用于实现阴极板和第一阳极板的密封连接，并使二者之间形成电势差；第二阳极板与空心电极之间形成高密度等离子体束流；引弧隔套设在空心电极与第二阳极板之间；控制电源具有正极、负极和引弧极，正极连接第二阳极板，负极连接阴极板，引弧极连接第一阳极板。本发明可以满足多种气体的使用，并可以产生高离化率的等离子体束流，从而有效提高了能量的转化效率。

权利要求

1.一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，包括密封管(1)、空心电极(3)、阴极板(4)、连接板(6)、第一阳极板(7)、第二阳极板(11)、引弧隔套(10)和控制电源(12)，其中：所述空心电极(3)安装在阴极板(4)上并且可以前后调节移动；

所述密封管(1)与阴极板(4)连接，并将空心电极(3)套入其中，以实现对空心电极的密封，并为空心电极的移动预留余量；该密封管顶部还设有用于将气体输入至空心电极中的气体导入口(2)；

所述第一阳极板(7)用作等离子体源的弧电极，所述连接板(6)用于实现阴极板和第一阳极板的密封连接，并使二者之间形成电势差；

所述第二阳极板(11)用作等离子体源的工作电极，其与第一阳极板(7)底部间隔30～

50厘米，并与空心电极之间形成高密度等离子体束流；

所述引弧隔套(10)设置在空心电极(3)与第二阳极板(11)之间，用于控制引弧区域的大小，满足不同气体的引弧；

所述控制电源(12)具有正极、负极和引弧极，其中，正极与第二阳极板连接，负极与阴极板连接，引弧极与第一阳极板连接。

2.根据权利要求1所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述阴极板(4)内还开设有用于通入冷却水以对空心电极进行冷却的第一冷却水槽(5)。

3.根据权利要求2所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述第一阳极板(7)内还开设有用于通入冷却水以防止空心电极发生烧蚀、并损坏阴极板的第二冷却水槽(8)。

4.根据权利要求3所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述第一阳极板(7)上还设有绝缘隔板(9)。

5.根据权利要求1～4任一项所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述空心电极(3)为钽管或钽合金管，其安装在阴极板(4)的中心轴线上，并通过螺钉锁紧。

6.根据权利要求1所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述连接板(6)采用绝缘材料制成。

7.根据权利要求1所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述引弧隔套(10)采用陶瓷或同等性质的耐高温绝缘材料制成。

8.根据权利要求1所述的一种高束流直流空心阴极等离子体源，其特征在于，所述阴极板(4)、第一阳极板(7)和第二阳极板(8)均由紫铜材料制成。

说明书

一种高束流直流空心阴极等离子体源

技术领域

[0001] 本发明涉及低温等离子体技术领域，具体涉及的是一种高束流直流空心阴极等离子体源。

背景技术

[0002] 由于全球能源需求急剧增加，在众多新能源中磁约束核聚变能被认为是最具潜力的可持续清洁能源之一。而在磁约束装置稳定运行过程中，等离子体与第一壁和偏滤器材料相互作用的问题则成为聚变堆实现商用需要解决的科学和工程难题。由于磁约束装置运行环境的高复杂程度，开展在线的精细研究难度极大，目前普遍采用实验室线性等离子体装置来模拟聚变装置堆运行工况，因而能否提供高强度、稳定等离子体输出的等离子体发生器便成为关键。

[0003] 目前，应用于线性等离子体装置的微波和射频放电等离子体源，由于其能量耦合效率不高导致等离子体通量密度过低，难以模拟聚变堆等研究中高通量密度的要求。三阴极级联弧等离子体源通过弧光放电可以产生高通量的等离子体束流，但其结构复杂、耗气量大，需配备差分腔体和大抽速泵组来排除中性气体，成本高且难以用于昂贵气体。

发明内容

[0004] 针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种高束流直流空心阴极等离子体源，其可以产生高离化率的等离子体束流，并提高能量转化效率。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0006] 一种高束流直流空心阴极等离子体源，包括密封管、空心电极、阴极板、连接板、第一阳极板、第二阳极板、引弧隔套和控制电源，其中：

[0007] 所述空心电极安装在阴极板上并且可以前后调节移动；

[0008] 所述密封管与阴极板连接，并将空心电极套入其中，以实现对空心电极的密封，并为空心电极的移动预留余量；该密封管顶部还设有用于将气体输入至空心电极中的气体导入口；

[0009] 所述第一阳极板用作等离子体源的弧电极，所述连接板用于实现阴极板和第一阳极板的密封连接，并使二者之间形成电势差；

[0010] 所述第二阳极板用作等离子体源的工作电极，其与第一阳极板底部间隔30～50厘米，并与空心电极之间形成高密度等离子体束流；

[0011] 所述引弧隔套设置在空心电极与第二阳极板之间，用于控制引弧区域的大小，满足不同气体的引弧；

[0012] 所述控制电源具有正极、负极和引弧极，其中，正极与第二阳极板连接，负极与阴极板连接，引弧极与第一阳极板连接。

[0013] 进一步地，所述阴极板内还开设有用于通入冷却水以对空心电极进行冷却的第一冷却水槽。

[0014] 再进一步地，所述第一阳极板内还开设有用于通入冷却水以防止空心电极发生烧蚀、并损坏阴极板的第二冷却水槽。

[0015] 更进一步地，所述第一阳极板上还设有绝缘隔板。

[0016] 作为优选，所述空心电极为钽管或钽合金管，其安装在阴极板的中心轴线上，并通过螺钉锁紧。

[0017] 作为优选，所述连接板采用绝缘材料制成。

[0018] 作为优选，所述引弧隔套采用陶瓷或同等性质的耐高温绝缘材料制成。

[0019] 作为优选，所述阴极板、第一阳极板和第二阳极板均由紫铜材料制成。

[0020] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0021] (1)本发明结构简单、设计合理、维修方便、加工成本低廉，其通过密封管、空心电极、阴极板、第一阳极板、第二阳极板的设置，可以满足多种气体的使用，并实现了高离化率等离子体束流的产生，进而有效地提高了能量的转化效率，不仅满足了科学研究的需要，而且为实现商用提供了保障。

[0022] (2)利用控制电源和第二阳极板的调节，本发明可以在很大范围内调节功率，从而满足不同场合的使用要求，并且本发明中的等离子体束斑尺寸可以由阴极内径和磁场位形调节，因此应用范围极广。

[0023] (3)本发明中的空心电极不仅方便更换，而且通过前后移动的调整方式，也有效提高了空心电极的利用率高。

[0024] (4)本发明中，第二阳极板与空心电极之间的距离可根据实际情况选择，一般为几十厘米，这样可以使第二阳极板拥有足够的空间来对等离子体束的电子温度、密度等参数的空间分布进行诊断，从而方便科学研究和工艺探索。

[0025] (5)本发明中的所述阴极板、第一阳极板和第二阳极板均由紫铜材料制成，不仅散热性好、电气性能优良，而且形状简单，容易加工。

附图说明

[0026] 图1为本发明的结构示意图。

[0027] 其中，附图标记对应的名称为：

[0028] 1-密封管，2-气体导入口，3-空心电极，4-阴极板，5-第一冷却水槽，6-连接板，7-第一阳极板，8-第二冷却水槽，9-绝缘隔板，10-引弧隔套，11-第二阳极板，12-控制电源。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

[0030] 实施例

[0031] 如图1所示，本发明提供了一种用于直线强磁场装置中材料改性的高束流直流空心阴极等离子体源，其可以产生高离化率的等离子体束流。本发明包括密封管1、空心电极3、阴极板4、连接板6、第一阳极板7、第二阳极板11、引弧隔套10和控制电源12。所述空心电极3安装在阴极板4上，其可选用钽管或钽合金管，并通过螺钉锁紧于阴极板4中心轴线上。
所述密封管1与阴极板4连接，并将空心电极3套入其中，以实现对空心电极的密封，该密封管顶部还设有用于将气体(例如Ar、He、N2、H2等多种气体)输入至空心电极3中的气体导入口2。本实施例中，在使用时，空心电极3是从前端开始烧蚀的，因此，在空心电极前端烧蚀后，可以稍作处理向前调节空心电极继续使用，而所述的密封管1在长度上则为空心电极的移动预留一定的空间余量。

[0032] 此外，所述的阴极板4内还开设有第一冷却水槽5，用于通入冷却水，以对空心电极进行冷却，防止空心电极因温度过高而发生过度的烧蚀。

[0033] 所述第一阳极板7用作等离子体源的弧电极，所述连接板6用于实现阴极板4和第一阳极板7的密封连接，并使二者之间形成电势差。本实施例中，所述的连接板6采用耐高温的绝缘材料制成，在实现密封的同时，还可以实现阴极板4和第一阳极板7的绝缘。并且，所述的第一阳极板7内还开设有的第二冷却水槽8，该冷却水槽8靠近第一阳极板7的底部开口，其同样用于通入冷却水，以防止在喷口处因等离子体温度过高而发生烧蚀并损坏阴极板，保证长时间稳定的等离子体放电。

[0034] 另外，所述的第一阳极板7上还设有绝缘隔板9，该绝缘隔板9位于第一阳极板7和真空直线磁场装置之间，用于本发明与真空直线磁场装置之间的绝缘，确保本发明工作时不会对真空直线磁场装置产生影响。

[0035] 所述第二阳极板11用作等离子体源的工作电极，其与第一阳极板7底部间隔一定的距离(30～50厘米)，并与空心电极之间形成高密度等离子体束流。所述的引弧隔套10则设置在空心电极3与第二阳极板11之间，用于控制引弧区域的大小，满足不同气体的引弧，本实施例中，引弧隔套10采用陶瓷或同等性质的耐高温绝缘材料制成。

[0036] 所述控制电源12具有正极、负极和引弧极，其中，正极与第二阳极板11连接，负极与阴极板4连接，引弧极与第一阳极板7连接。

[0037] 本发明的主要工作原理为：利用气体导入口2经由密封管1向空心电极3中通入多种气体，此时，通过控制电源12在阴极板4和第一阳极板7之间加载一定的电压，使气体形成电弧放电的形式。本发明的引弧采用高频高压的引弧方式，引弧电压与空心电机3和第一阳极的间距，以及真空压强相关，一般引弧持续时间在几秒。

[0038] 电弧放电后，在空心电极内产生稳定的等离子体，并由第一阳极板7底部逸出，然后通过真空直线磁场装置输运到第二阳极板11(第二阳极板位于真空直线磁场装置的中心轴线位置)，从而形成高离化率的等离子体束流。

[0039] 本发明通过设计一种等离子体源，可以同时通入多种气体，并产生高离化率的等离子体束流，从而提高能量的转化效率。本发明通过控制电源和第二阳极板的调节，可以满足不同场合的使用要求，因此，其适用范围相当广泛，非常适于推广应用。

[0040] 上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。