CN101772253B - 一种等离子体产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种等离子体产生装置，包括：外壳(12)、外壳(12)内部为真空腔体、与外壳(12)同轴放置的亥姆霍兹线圈(11)、位于外壳(12)内的阴极(9)及位于外壳(12)内、与阴极(9)相对的阳极(10)；阴极(9)采用沿轴向开口的空心金属管结构，其开口方向与阳极(10)相对，阴极(9)与阳极(10)平行设置。本装置采用磁约束线形空心阴极放电方式产生高密度大面积的等离子体片，具有空心阴极增强等离子体密度的作用，使阴阳电极间形成均匀的、密度在10¹²cm^-3以上、几何尺寸在60cm×60cm以上、厚度维持在2cm左右的等离子体片(13)。大面积高密度的等离子体在材料表面处理，等离子体与电磁波相互作用的研究等方面有巨大优势。

Description

一种等离子体产生装置

技术领域

本发明型涉及等离子体领域，特别涉及一种等离子体产生装置。

背景技术

等离子体技术现在已经应用于如材料、电子、环保、医学、军事等许多领域，其中很多方向都要求有大范围，高密度的等离子体。因此，如何提高这些参数也就是等离子体产生技术的研究所关注的了。

直流放电是最早也是最简单的产生等离子体的方式。如图1，电极2为阴极，电极3为阳极，都位于真空腔体4之中。在一定的真空条件下施加一定的直流电压会使气体中随机出现的带电粒子获加速而获得能量，被加速的带电粒子碰撞中性的气体分子可以使气体分子电离生成更多的带电粒子。新的带电粒子又会在电压的作用下获得能量而电离其它的气体分子。这样循环下去，就能在2，3之间发生放电。这种模式下，当放电稳定的时候电压位降会主要集中在阴极附近，所以阳离子体会在阴极电压的作用下高速撞击阴极而发射出二次电子，二次电子向阳极运动，同时就会电离沿途的气体，使其变为等离子体1。

但是在这种放电方式中，由于两电极平板相对，被撞出的二次电子直接就向阳极运动，新生成的阳离子往往离阴极比较远，需运动到阴极才能补充之前损失的阳离子，所以阳离子发生二次电子碰撞频率也就比较低。因此，这种方式产生的等离子体密度比较低，一般在10¹⁰cm^-3左右。

为增加等离子体的密度，人们发展了传统的空心阴极，其一般结构如图2。空心阴极6与阳极7之间能放电生成等离子体5。这种结构情况下，被阳离子撞击出的二次电子会在阴极内发生多次反射，能直接在阴极内部电离其中的气体分子使更多的阳离子能碰撞阴极壁发射出二次电子，从而使等离子体的密度能大大提高。

这种方案也就如图2所示，所产生的等离子体的密度得到了提高，能达到10¹¹cm^-3以上。但是为了提高空心阴极的效应，必须把空心阴极制作得非常深，这样所产生的等离子体大都空心阴极给束缚住了。因此它产生的高密度等离子体大都只处于空心阴极的内部，不能在外部大范围存在，这对于材料表面改性来说就很不适用了。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种等离子体产生装置，采用磁约束线形空心阴极放电方式产生高密度大面积的等离子体片。

为了达到上述目的，本发明提供的一种等离子体产生装置，包括：一外壳12、一与外壳12同轴放置的亥姆霍兹线圈11、一位于外壳12内的阴极9及一位于外壳12内、与阴极9相对的阳极10，外壳12内部为真空腔体。

其中，所述阴极9采用沿轴向开口的空心金属管结构，即所述空心金属管轴向不闭合；所述开口方向与阳极10相对，阴极9与阳极10平行设置。

其中，阴极9的开口尺寸为所述空心金属管的内壁直径的0.8～0.95倍。

其中，所述阴极9内壁及所述阳极10表面做抛光处理，以免出现火花放电；所述阴极9外壁做高压绝缘处理。

其中，所述阳极10采用平板结构，可以是圆形、方形或多边形。

其中，所述外壳12采用普通玻璃，有机玻璃或聚碳酸酯材料制得。

本发明的优点在于：

1.本发明提供的等离子体产生装置采用的磁约束空心阴极方式能使等离子体密度能大大提升。如图4所示，被阳离子撞击侧面阴极壁所产生的二次电子运动方向垂直于磁场方向，会在磁场的作用下作圆周运动。当运动回阴极时会被阴极鞘层电压反射回，所以其轨迹就会是如图所示的一个个半圆连接起来的形状。在阴极内的运动路线变长使电子电离中性气体的概率变大，因而能大大增加阴极内阳离子数，使阳离子碰撞阴极壁的频数大大增加。而正对阳极的阴极壁射出的二次电子运动方向和磁场一致，会在磁场的引导下向阳极运动，同时使沿途的气体分子电离成等离子体。由于侧壁发射的电子大大增加了阴极内阳离子数，所以发射的电子密度也就大大增加了，同时磁场又限制了带电粒子的扩散，因而能生成更高密度的等离子体。这种技术生成的等离子体密度能有10¹²cm^-3以上。

2.本发明提供的等离子体产生装置采用的浅的空心阴极结构能在阴阳极间大范围生成等离子体。如图5、6、7所示的空心阴极结构，开口的宽度略大于空心的深度。阴极内产生的高密度电子不会被阴极束缚在内部，而能在磁场的引导下向阳极运动，使阴极外也能产生高密度的等离子体。用这种方法产生的等离子体尺寸可调范围很大，既可以生成直径小于Φ2cm的等离子体柱，也可以生成60cmX60cm以上厚度为2cm左右的等离子体片。并且还可以根据需要改变等离子体片的形状成为弧形，环形等。

3.本发明提供的等离子体产生装置，其外壳用的是普通玻璃，有机玻璃或聚碳酸酯等介质材料，因而对于电磁场的引入不会造成影响，所以在研究等离子体与电磁波的相互作用时有明显优势。透明的外壳在进行材料表面处理的时候能很好地进行光学测量。

附图说明

图1是传统直流放电等离子体装置示意图；

图2是传统空心阴极放电等离子体装置示意图；

图3是本发明等离子体产生装置主视图；

图4是本发明阴极工作原理示意图；

图5是本发明阴极主视剖面图；

图6是本发明阴极侧视图；

图7是本发明阴极俯视图；

图8是本发明阳极主视图；

图9是本发明阳极侧视图。

具体实施方式

本实施例等离子体产生装置结构如图3所示，主体部件由柱形的外壳12，亥姆霍兹线圈对11，线状空心电极9，圆形阳极10构成。亥姆霍兹线圈11与外壳12同轴放置，空心电极9的开口与阳极10相对，阴极9与阳极10平行设置，电极的中心也处于外壳的轴心位置，外壳12内部为真空腔体。

空心阴极的工作原理如图4所示，其结构如图5至图7所示，在金属圆管的一侧拉一比圆管直径稍小的开口，开口宽度的尺寸为空心金属管的内壁直径的0.8～0.95倍，在起作用的阴极内壁要进行相应的抛光处理，以免出现火花放电。而不需要起作用的外壁需要进行高压绝缘。

阳极的结构如图8、9所示，其上表面也要进行抛光处理。

亥姆霍兹线圈对11中通上恒流电流，就能在真空腔12内产生均匀的磁场。在一定的磁场强度与真空条件下，于上下电极间加2000V以上的直流电压，就能够产生高密度大面积的等离子体片13。上面的条状空心电极9要接电源的阴极，下面的圆板电极10接电源的阳极，一般放电的时候为了安全起见，常让阳极接地。

等离子体中的阳离子受电场的作用撞击阴极壁会发射二次电子，而空心结构既可以使阳离子与阴极的碰撞次数增大提高发射二次电子的机率，也会束缚等离子体使碰撞阴极壁的离子数目增加，因而能大大提高二次电子的密度。

亥姆霍兹线圈11所产生的磁场方向与电极间电场方向一致，所以阴极发射出的二次电子会在磁场的约束下沿磁场线向阳极做螺旋运动，这同时会电离所经过的气体生成等离子体。

该方案中的外壳用的是普通玻璃或有机玻璃等介质材料，因而对于电磁场的引入不会造成影响，因而在研究等离子体与电磁波的相互作用时有明显优势。透明的外壳在进行材料表面处理的时候能很好地进行光学测量。

Claims (6)

1.一种等离子体产生装置，包括：一外壳（12）、一与外壳（12）同轴放置的亥姆霍兹线圈（11）、一位于外壳（12）内的阴极（9）及一位于外壳（12）内、与阴极（9）相对的阳极（10）；所述阳极（10）是平板电极；所述外壳（12）内部为真空腔体；

其特征在于，

所述阴极（9）采用沿轴向开口的空心金属管结构，所述开口的方向与阳极（10）相对；

所述阴极（1）与阳极（2）平行设置。

2.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述阴极（9）的开口宽度的尺寸为所述空心金属管的内壁直径的0.8～0.95倍。

3.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述阴极（9）内壁做抛光处理，所述阴极（9）外壁做高压绝缘处理。

4.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述阳极（2）的形状为圆形或多边形。

5.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述阳极（10）表面做抛光处理。

6.根据权利要求1所述的等离子体产生装置，其特征在于，所述外壳（12）采用普通玻璃、有机玻璃材料或碳酸酯材料制得。

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