CN100552867C

CN100552867C - 用于产生平板状等离子体的电子束发生装置

Info

Publication number: CN100552867C
Application number: CNB2008102230271A
Authority: CN
Inventors: 冯哲; 郭志刚; 张小章
Original assignee: Tsinghua University
Current assignee: Tsinghua University
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2009-10-21
Anticipated expiration: 2028-09-26
Also published as: CN101355005A

Abstract

用于产生平板状等离子体的电子束发生装置属于电子束形成技术领域，其特征在于含有：绝缘板，装有电极和灯丝构成的电极阵列和灯丝阵列；位于绝缘板上方的栅网，在栅网电源作用下，在栅网和热阴极电极之间形成第一电子束；在栅网附近产生等离子体；在引出极电源作用下，所述等离子体中的电子被加速后形成第二电子束，从引出极中间的窄缝向一个平板状等离子体发生器的电子束输入端射入。在横向磁场作用下，形成平板状等离子体，方向沿第二电子束入射方向。本发明能产生截面形状、位置且参数可调性大的热电子束，供产生平板状等离子体使用。

Description

用于产生平板状等离子体的电子束发生装置

技术领域

本发明属于一种用于产生平板状等离子体的电子束发生装置。

背景技术

能够在空间的特定位置上产生出具有一定形状的等离子体有非常重要的科学意义。我们可以用它来模拟空间的等离子体，研究电磁波与等离子体的相互作用原理以及电磁波在不同参数的等离子体中传播的行为，这在航空航天、通讯、国防等领域有重要的价值。

在低气压(几帕到一百帕)下产生等离子体的方法通常包括直流放电、交流和射频放电、微波放电等。它们都是通过在空间产生电磁场加热电子，高能电子与背景气体分子碰撞使其电离而形成等离子体。它们共有的特点包括：

等离子体弥散在存在电磁场的空间中。由于气压低，电子的平均自由程长，等离子体不易形成清晰的边界。

若要使等离子体呈现一定的形状，一般需要电极和器壁(导电的和非导电的)来约束，很难在自由空间实现。器壁的存在影响电磁波的传播，因此对微波与等离子体相互作用的实验研究造成困难。

本发明采用电子束来产生平板状等离子体。具有一定能量的电子束在磁场的约束下射入低气压的背景气体中，通过电子与气体分子或原子的碰撞电离在电子束传播路径附近形成等离子体，非常适合于微波与等离子体相互作用的研究。其中的电子束发生装置要求结构简单，可调节性好，是产生平板状等离子体的关键部件。

发明内容

本发明的目的在于提供一个使用热阴极阵列来产生平板状等离子体的电子束发生装置。

本发明的特征在于：所束电子束发生装置含有：栅网、灯丝、绝缘板、电极、栅网电源、引出极以及引出极电源，其中：所述绝缘板，安装有所述电极构成的电极阵列以及由安装在相邻的两个所述电极之间的所述灯丝构成的灯丝阵列，在两个连接着所述灯丝的所述电极上通以直流电源；所述栅网，安装在所述绝缘板的上方；所述栅网电源负极与所述电极阵列共地，正极与所述栅网相连，从而在所述栅网和所述灯丝阵列之间形成第一电子束，进而在所述栅网附近形成等离子体；所述引出极，中间有窄缝，所述引出极位于所述栅网上方，该引出极接所述引出极电源的正极，而所述引出极电源的负极同时与所述栅网和所述栅网电源的正极相连，从而使得所述电子束发生装置将所述等离子体中的电子集束后形成第二电子束从所述窄缝中引出。所述电极阵列和灯丝阵列共同形成了一个正六边形的热阴极。所述电子束发生装置连接到一个平板状等离子体发生器，使所述第二电子束的输出端口对准所述平板状等离子体发生器的电子束输入端口。

本发明所描述的电子束发生装置结构简单，参数可控性好，调节方便。使用它能够在低气压下产生出具有一定形状的平板状等离子体，而且所产生的等离子体参数也具有很好的可控性。因此，可以用它来模拟各种空间等离子体，用于研究等离子体对各种频率微波的反射和吸收作用，在航空航天、通讯、国防等领域有重要的应用价值。

附图说明

图1、热阴极阵列电子束发生装置结构和原理图。图中：1、栅网；2、灯丝；3、绝缘板；4、电极；5、栅网电源；6、引出极电源；71、等离子体；8、引出极；9、电子束2；10、电子束1。

图2、热阴极灯丝阵列图。图中：2、灯丝；3、绝缘板；4、电极。

图3、平板状等离子体的产生原理图。图中：11、电子束发生装置；9、电子束2；72、72、等离子体；12、背景气体；13、磁场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

电子束发生装置的结构和原理简图如图1所示。在一块氧化铝陶瓷绝缘板上安装电极阵列。在相邻的两个电极间安装灯丝，形成灯丝阵列。电极阵列和灯丝阵列的形状根据需要决定，并影响所形成的电子束1的形状。在热阴极的上方安装有栅网状阳极和有窄缝的引出极。在一定的低气压下，用直流电源加热灯丝，使其发射热电子，然后热电子被施加在栅网阳极与阴极间的电场加速，向栅网运动而形成电子束1。电子束1的截面形状由热阴极阵列决定，电子密度和能量则由灯丝温度和栅网电压决定。如果引出极不加电压，则会在栅网附近的空间形成一层等离子体，等离子体的形状与电子束1形状相同，在空间出现的位置取决于气压、栅网电压和栅网与灯丝阵列间的距离。如果在引出极上施加高于栅网电压的直流电压，则等离子体中的电子会被拉出，穿过栅网和引出极上的窄缝，形成与窄缝形状近似的电子束2，射入背景气体中。

这种用热阴极阵列产生电子束的方法结构简单，参数可调性大。特别是电子束1的形状和均匀性可以通过控制灯丝阵列的形状、开启位置及灯丝温度来调节。图2是本发明所使用的热阴极阵列的电极和灯丝阵列结构示意图。在呈正六边形分布的电极阵列的各电极之间按图所示安装灯丝，形成热阴极灯丝阵列。若使所有灯丝的温度都相同，则将在栅网附近产生出具有六边形截面的均匀的等离子体。通过控制阵列中各灯丝的电流或温度，则可以调节等离子体的形状和均匀形，方便进行不同参数等离子体的模拟。

图3是用该电子束发生装置产生平板状等离子体的原理图。电子束发生装置产生出具有一定形状的电子束，然后射入低气压的背景气体中。高能电子与气体分子碰撞使气体分子或原子电离，从而在电子束的传播路径附近产生出平板状等离子体。由于电子束具有方向性，因此很容易通过控制电子束的截面形状使等离子体具有特定的形状。为防止电子束在进入背景气体中时发散，可以在电子束路径上施加沿电子束方向的直流磁场来约束电子。等离子体的电子温度、电子密度、形状等参数可以通过控制电子束的参数(电子束的密度、电子能量、形状等)和背景气体气压来实现。

实施过程：先使系统处于一定气压的背景气体中。然后开启直流电源，给灯丝加热，使灯丝发射热电子。在栅网上施加一定正电压，加速热电子使其获得能量，并向栅网处运动形成电子束1。这样，高能电子使背景气体电离，在栅网附近产生一定形状的等离子体。通过控制灯丝温度、开启位置、栅网电压、背景气体气压等参数，可以调节等离子体的密度、温度、均匀性、形状等参数。在引出极上施加一定电压，将电子从等离子体中拉出，形成电子束2，在磁场约束下射入背景气体中，形成平板状等离子体。

Claims

1.用于产生平板状等离子体的电子束发生装置，其特征在于，所述电子束发生装置含有：栅网、灯丝、绝缘板、电极、栅网电源、引出极以及引出极电源，其中：

所述绝缘板，安装有所述电极构成的电极阵列以及由安装在相邻的两个所述电极之间的所述灯丝构成的灯丝阵列，在两个连接着所述灯丝的所述电极上连接一个直流电源；

所述栅网，安装在所述绝缘板的上方；

所述栅网电源负极与所述电极阵列共地，正极与所述栅网相连，从而在所述栅网和所述灯丝阵列之间形成第一电子束，进而在所述栅网附近形成等离子体；

所述引出极，中间有窄缝，所述引出极位于所述栅网上方，该引出极接所述引出极电源的正极，而所述引出极电源的负极同时与所述栅网和所述栅网电源的正极相连，从而使得所述电子束发生装置将所述等离子体中的电子集束后形成第二电子束从所述窄缝中引出。

2.根据权利要求1所述的用于产生平板状等离子体的电子束发生装置，其特征在于：所述电极阵列和灯丝阵列共同形成了一个正六边形的热阴极。

3.根据权利要求1所述的用于产生平板状等离子体的电子束发生装置，其特征在于：所述电子束发生装置连接到一个平板状等离子体发生器，使所述第二电子束的输出端口对准所述平板状等离子体发生器的电子束输入端口。