一種高束流直流空心陰極等離子體源的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開一種高束流直流空心陰極等離子體源，包括密封管、空心電極、陰極板、連接板、第一陽(yáng)極板、第二陽(yáng)極板、引弧隔套和控制電源；空心電極安裝在陰極板上；密封管與陰極板連接并將空心電極套入其中；密封管頂部設(shè)有用于將氣體輸入至空心電極中的氣體導(dǎo)入口；連接板用于實(shí)現(xiàn)陰極板和第一陽(yáng)極板的密封連接，并使二者之間形成電勢(shì)差；第二陽(yáng)極板與空心電極之間形成高密度等離子體束流；引弧隔套設(shè)在空心電極與第二陽(yáng)極板之間；控制電源具有正極、負(fù)極和引弧極，正極連接第二陽(yáng)極板，負(fù)極連接陰極板，引弧極連接第一陽(yáng)極板。本實(shí)用新型可以滿足多種氣體的使用，并可以產(chǎn)生高離化率的等離子體束流，從而有效提高了能量的轉(zhuǎn)化效率。
【專利說明】
一種高束流直流空心陰極等離子體源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種高束流直流空心陰極等離子體源。
【背景技術(shù)】
[0002]由于全球能源需求急劇增加，在眾多新能源中磁約束核聚變能被認(rèn)為是最具潛力的可持續(xù)清潔能源之一。而在磁約束裝置穩(wěn)定運(yùn)行過程中，等離子體與第一壁和偏濾器材料相互作用的問題則成為聚變堆實(shí)現(xiàn)商用需要解決的科學(xué)和工程難題。由于磁約束裝置運(yùn)行環(huán)境的高復(fù)雜程度，開展在線的精細(xì)研究難度極大，目前普遍采用實(shí)驗(yàn)室線性等離子體裝置來模擬聚變裝置堆運(yùn)行工況，因而能否提供高強(qiáng)度、穩(wěn)定等離子體輸出的等離子體發(fā)生器便成為關(guān)鍵。
[0003]目前，應(yīng)用于線性等離子體裝置的微波和射頻放電等離子體源，由于其能量耦合效率不高導(dǎo)致等離子體通量密度過低，難以模擬聚變堆等研究中高通量密度的要求。三陰極級(jí)聯(lián)弧等離子體源通過弧光放電可以產(chǎn)生高通量的等離子體束流，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耗氣量大，需配備差分腔體和大抽速栗組來排除中性氣體，成本高且難以用于昂貴氣體。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實(shí)用新型提供了一種高束流直流空心陰極等離子體源，其可以產(chǎn)生高離化率的等離子體束流，并提高能量轉(zhuǎn)化效率。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種高束流直流空心陰極等離子體源，包括密封管、空心電極、陰極板、連接板、第一陽(yáng)極板、第二陽(yáng)極板、引弧隔套和控制電源，其中:
[0007]所述空心電極安裝在陰極板上并且可以前后調(diào)節(jié)移動(dòng)；
[0008]所述密封管與陰極板連接，并將空心電極套入其中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空心電極的密封，并為空心電極的移動(dòng)預(yù)留余量;該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體輸入至空心電極中的氣體導(dǎo)入口；
[0009]所述第一陽(yáng)極板用作等離子體源的弧電極，所述連接板用于實(shí)現(xiàn)陰極板和第一陽(yáng)極板的密封連接，并使二者之間形成電勢(shì)差；
[0010]所述第二陽(yáng)極板用作等離子體源的工作電極，其與第一陽(yáng)極板底部間隔30?50厘米，并與空心電極之間形成高密度等離子體束流；
[0011]所述引弧隔套設(shè)置在空心電極與第二陽(yáng)極板之間，用于控制引弧區(qū)域的大小，滿足不同氣體的引弧；
[0012]所述控制電源具有正極、負(fù)極和引弧極，其中，正極與第二陽(yáng)極板連接，負(fù)極與陰極板連接，引弧極與第一陽(yáng)極板連接。
[0013]進(jìn)一步地，所述陰極板內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以對(duì)空心電極進(jìn)行冷卻的第一冷卻水槽。
[0014]再進(jìn)一步地，所述第一陽(yáng)極板內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以防止空心電極發(fā)生燒蝕、并損壞陰極板的第二冷卻水槽。
[0015]更進(jìn)一步地，所述第一陽(yáng)極板上還設(shè)有絕緣隔板。
[0016]作為優(yōu)選，所述空心電極為鉭管或鉭合金管，其安裝在陰極板的中心軸線上，并通過螺釘鎖緊。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下有益效果:
[0018](I)本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理、維修方便、加工成本低廉，其通過密封管、空心電極、陰極板、第一陽(yáng)極板、第二陽(yáng)極板的設(shè)置，可以滿足多種氣體的使用，并實(shí)現(xiàn)了高離化率等離子體束流的產(chǎn)生，進(jìn)而有效地提高了能量的轉(zhuǎn)化效率，不僅滿足了科學(xué)研究的需要，而且為實(shí)現(xiàn)商用提供了保障。
[0019](2)利用控制電源和第二陽(yáng)極板的調(diào)節(jié)，本實(shí)用新型可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率，從而滿足不同場(chǎng)合的使用要求，并且本實(shí)用新型中的等離子體束斑尺寸可以由陰極內(nèi)徑和磁場(chǎng)位形調(diào)節(jié)，因此應(yīng)用范圍極廣。
[0020](3)本實(shí)用新型中的空心電極不僅方便更換，而且通過前后移動(dòng)的調(diào)整方式，也有效提尚了空心電極的利用率尚。
[0021](4)本實(shí)用新型中，第二陽(yáng)極板與空心電極之間的距離可根據(jù)實(shí)際情況選擇，一般為幾十厘米，這樣可以使第二陽(yáng)極板擁有足夠的空間來對(duì)等離子體束的電子溫度、密度等參數(shù)的空間分布進(jìn)行診斷，從而方便科學(xué)研究和工藝探索。
【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0023]其中，附圖標(biāo)記對(duì)應(yīng)的名稱為:
[0024]1-密封管，2-氣體導(dǎo)入口，3-空心電極，4-陰極板，5-第一冷卻水槽，6_連接板，7_第一陽(yáng)極板，8-第二冷卻水槽，9-絕緣隔板，10-引弧隔套，11-第二陽(yáng)極板，12-控制電源。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面結(jié)合【附圖說明】和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明，本實(shí)用新型的方式包括但不僅限于以下實(shí)施例。
[0026]實(shí)施例
[0027]如圖1所示，本實(shí)用新型提供了一種用于直線強(qiáng)磁場(chǎng)裝置中材料改性的高束流直流空心陰極等離子體源，其可以產(chǎn)生高離化率的等離子體束流。本實(shí)用新型包括密封管1、空心電極3、陰極板4、連接板6、第一陽(yáng)極板7、第二陽(yáng)極板11、引弧隔套10和控制電源12。所述空心電極3安裝在陰極板4上，其可選用鉭管或鉭合金管，并通過螺釘鎖緊于陰極板4中心軸線上。所述密封管I與陰極板4連接，并將空心電極3套入其中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空心電極的密封，該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體(例如Ar、He、N2、H2等多種氣體)輸入至空心電極3中的氣體導(dǎo)入口 2。本實(shí)施例中，在使用時(shí)，空心電極3是從前端開始燒蝕的，因此，在空心電極前端燒蝕后，可以稍作處理向前調(diào)節(jié)空心電極繼續(xù)使用，而所述的密封管I在長(zhǎng)度上則為空心電極的移動(dòng)預(yù)留一定的空間余量。
[0028]此外，所述的陰極板4內(nèi)還開設(shè)有第一冷卻水槽5，用于通入冷卻水，以對(duì)空心電極進(jìn)行冷卻，防止空心電極因溫度過高而發(fā)生過度的燒蝕。
[0029]所述第一陽(yáng)極板7用作等離子體源的弧電極，所述連接板6用于實(shí)現(xiàn)陰極板4和第一陽(yáng)極板7的密封連接，并使二者之間形成電勢(shì)差。本實(shí)施例中，所述的連接板6采用耐高溫的絕緣材料制成，在實(shí)現(xiàn)密封的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)陰極板4和第一陽(yáng)極板7的絕緣。并且，所述的第一陽(yáng)極板7內(nèi)還開設(shè)有的第二冷卻水槽8，該冷卻水槽8靠近第一陽(yáng)極板7的底部開口，其同樣用于通入冷卻水，以防止在噴口處因等離子體溫度過高而發(fā)生燒蝕并損壞陰極板，保證長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的等離子體放電。
[0030]另外，所述的第一陽(yáng)極板7上還設(shè)有絕緣隔板9，該絕緣隔板9位于第一陽(yáng)極板7和真空直線磁場(chǎng)裝置之間，用于本實(shí)用新型與真空直線磁場(chǎng)裝置之間的絕緣，確保本實(shí)用新型工作時(shí)不會(huì)對(duì)真空直線磁場(chǎng)裝置產(chǎn)生影響。
[0031]所述第二陽(yáng)極板11用作等離子體源的工作電極，其與第一陽(yáng)極板7底部間隔一定的距離(30?50厘米)，并與空心電極之間形成高密度等離子體束流。所述的引弧隔套10則設(shè)置在空心電極3與第二陽(yáng)極板11之間，用于控制引弧區(qū)域的大小，滿足不同氣體的引弧，本實(shí)施例中，引弧隔套10采用陶瓷或同等性質(zhì)的耐高溫絕緣材料制成。
[0032]所述控制電源12具有正極、負(fù)極和引弧極，其中，正極與第二陽(yáng)極板11連接，負(fù)極與陰極板4連接，引弧極與第一陽(yáng)極板7連接。
[0033]本實(shí)用新型的主要工作原理為:利用氣體導(dǎo)入口2經(jīng)由密封管I向空心電極3中通入多種氣體，此時(shí)，通過控制電源12在陰極板4和第一陽(yáng)極板7之間加載一定的電壓，使氣體形成電弧放電的形式。本實(shí)用新型的引弧采用高頻高壓的引弧方式，引弧電壓與空心陰極2和第一陽(yáng)極的間距，以及真空壓強(qiáng)相關(guān)，一般引弧持續(xù)時(shí)間在幾秒。
[0034]電弧放電后，在空心電極內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，并由第一陽(yáng)極板7底部逸出，然后通過真空直線磁場(chǎng)裝置輸運(yùn)到第二陽(yáng)極板11(第二陽(yáng)極板位于真空直線磁場(chǎng)裝置的中心軸線位置)，從而形成高離化率的等離子體束流。
[0035]本實(shí)用新型通過設(shè)計(jì)一種等離子體源，可以同時(shí)通入多種氣體，并產(chǎn)生高離化率的等離子體束流，從而提高能量的轉(zhuǎn)化效率。本實(shí)用新型通過控制電源和第二陽(yáng)極板的調(diào)節(jié)，可以滿足不同場(chǎng)合的使用要求，因此，其適用范圍相當(dāng)廣泛，非常適于推廣應(yīng)用。
[0036]上述實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡在本實(shí)用新型的主體設(shè)計(jì)思想和精神上作出的毫無(wú)實(shí)質(zhì)意義的改動(dòng)或潤(rùn)色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本實(shí)用新型一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高束流直流空心陰極等離子體源，其特征在于，包括密封管(I)、空心電極(3)、陰極板(4)、連接板(6)、第一陽(yáng)極板(7)、第二陽(yáng)極板(11)、引弧隔套(10)和控制電源(12)，其中: 所述空心電極(3)安裝在陰極板(4)上并且可以前后調(diào)節(jié)移動(dòng)； 所述密封管(I)與陰極板(4)連接，并將空心電極(3)套入其中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)空心電極的密封，并為空心電極的移動(dòng)預(yù)留余量;該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體輸入至空心電極中的氣體導(dǎo)入口(2); 所述第一陽(yáng)極板(7)用作等離子體源的弧電極，所述連接板(6)用于實(shí)現(xiàn)陰極板和第一陽(yáng)極板的密封連接，并使二者之間形成電勢(shì)差； 所述第二陽(yáng)極板(11)用作等離子體源的工作電極，其與第一陽(yáng)極板(7)底部間隔30?50厘米，并與空心電極之間形成高密度等離子體束流； 所述引弧隔套(10)設(shè)置在空心電極(3)與第二陽(yáng)極板(11)之間，用于控制引弧區(qū)域的大小，滿足不同氣體的引?。?所述控制電源(12)具有正極、負(fù)極和引弧極，其中，正極與第二陽(yáng)極板連接，負(fù)極與陰極板連接，引弧極與第一陽(yáng)極板連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高束流直流空心陰極等離子體源，其特征在于，所述陰極板(4)內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以對(duì)空心電極進(jìn)行冷卻的第一冷卻水槽(5)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種高束流直流空心陰極等離子體源，其特征在于，所述第一陽(yáng)極板(7)內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以防止空心電極發(fā)生燒蝕、并損壞陰極板的第二冷卻水槽(8)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種高束流直流空心陰極等離子體源，其特征在于，所述第一陽(yáng)極板(7)上還設(shè)有絕緣隔板(9)。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項(xiàng)所述的一種高束流直流空心陰極等離子體源，其特征在于，所述空心電極(3)為鉭管或鉭合金管，其安裝在陰極板(4)的中心軸線上，并通過螺釘鎖緊。
【文檔編號(hào)】H05H1/50GK205681690SQ201620458331
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日 公開號(hào)201620458331.4, CN 201620458331, CN 205681690 U, CN 205681690U, CN-U-205681690, CN201620458331, CN201620458331.4, CN205681690 U, CN205681690U
【發(fā)明人】金偉, 王東平, 徐海燕, 劉柯釗, 芶富均, 阿爾特·威廉姆·柯萊恩
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院材料研究所