CN102291922B - 一种离子产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种离子产生装置。所述装置包括工作气体储存罐(1)、等离子体矩(2)、微波源(3)、线圈(4)和流量控制器(10)；所述等离子体矩(2)包括同轴设置的外导体(5)、内导体(6)、短路活塞(7)和喷口(8)，所述短路活塞(7)设置于外导体(5)和内导体(6)之间；所述微波源(3)设置于外导体(5)前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体(5)和内导体(6)及短路活塞(7)之间形成微波谐振腔(9)；所述外导体(5)前部外面缠绕包覆线圈(4)，用于通电后产生螺旋磁场。通过本发明的装置对等离子体进行参数的控制时不再局限于密闭的腔体中进行，应用更加广泛。

Description

一种离子产生装置
技术领域
本发明涉及低温等离子体产生及控制领域，具体地，本发明涉及一种离子产生装置。
背景技术
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态，广泛的应用于等离子体冶炼、等离子体喷涂和等离子体焊接领域中具有广泛的应用，其中等离子体的离子产生方法包括：1.射频电离等离子体源，应用高温等离子体，等离子体波研究等。2.电子回旋共振等离子体源。3.微波等离子体源，应用低温等离子体，空间环境模拟，等离子体天线等。4.束-等离子体离子源，利用的是在阴极和阳极之间的电子束或直线直流电弧放电。电子束与包含有用成分的气体相互作用产生等离子体，离子从等离子体中引出，然后用分离的电极把离子加速到希望的能量。他们的一个共同特点就是都是在密闭空间中产生。
现有的的人工控制改变等离子体参数技术，都是通过控制腔内气体密度，或改变电极间的电场强度，达到改变等离子体参数的目的但是通过改变腔内气体的密度的方法要求必须在密闭容器内进行，改变的也是容器内的等离子体密度；此外，还可以通过改变电极间的电场强度进而改变等离子体的参数，但是该方法仅局限于改变人工制造出来的等离子体的参数，对于自然产生的等离子体(如闪电、电弧放电、高速运动摩擦产生高温)，目前还没有很好的方法能够解决。
因此，目前在密闭的容器中对等离子体进行参数控制的手段仅仅是改变腔体内的密度和改变电极间的电场强度，使其应用受到限制，同时对于自然界中非封闭环境中产生的等离子体还不能进行调控。
发明内容
本发明的目的在于为了克服现有方法的局限性，提供了一种离子产生装置。
为了解决上述问题本发明提供的离子产生装置包括工作气体储存罐1、等离子体矩2、微波源3和线圈4；
所述等离子体矩2包括同轴设置的外导体5、内导体6、短路活塞7和喷口8，所述短路活塞7位于外导体5和内导体6之间；
所述微波源3设置于外导体5前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体5和内导体6及短路活塞7之间形成微波谐振腔9；
所述外导体5前部外面缠绕包覆线圈4，用于通电后产生螺旋磁场，螺旋磁场的作用在于控制离子按一定的方向和速度运动，同时将产生的离子和电子进行分离。
根据本发明的离子产生装置，所述工作气体储存罐1上设有流量控制器10。
根据本发明的离子产生装置，所述短路活塞7与外导体5和内导体6之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置，用螺纹旋进、旋出的方法调节短路活塞与外导体及内导体之间的相对位置，即调节好合适位置后通过锁紧装置锁紧，防止移动，内导体也可以通过旋转调节位置，通过这种方式可以使调节更精确，且调节完成后，固定更容易。
根据本发明的离子产生装置，所述工作气体储存罐1采用的工作气体为惰性气体，包括氩气或氦气。
“短路活塞”，是指在活塞端面处，形成电的短路面，在调节短路活塞的同时，观测微波功率被吸收的情况，在某一点(谐振腔长度在3/4波长附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率达到最大限度的吸收利用，在气体从喷口喷出的同时产生离子。
根据本发明所的离子产生装置，其具体的实现方式为：工作气体经流量控制器10的调节后进入内导体6中，调节短路活塞7的与外导体5之间的位置，使调节短路活塞7与内导体6和外导体5所形成的谐振腔长度在3/4波长左右，所述气体在吸收微波源3所提供的能量发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子，所述带有正电荷的离子和电子在螺线管通电后产生的沿腔体方向的磁场中发生偏转，其中电子质量较小，回旋半径较大，正离子质量相对电子很大，回旋半径较小，在带电粒子通过内导体6的过程中，电子由于回旋半径较大而在腔体内壁上被吸收，带正电荷的离子在行进过程中近似保持直线运动而从管口溢出，因而实现了带正电荷离子和电子的分离。
尤其适用于改变等离子体密度的作用，将分离得到的带正电荷的离子从内导体6加速出来后进入准中性的需要被中和的高电子密度的等离子体中，通过正常的正离子和带负电的电子进行正负电荷的中和，达到减小等离子体密度的效果。同时在本发明中通过控制气体流量，微波功率，控制产生的离子密度，其中气体流量大，微波功率越高，产生的离子密度越大，和等离子体进行中和后，等离子体密度就低，具体数据可通过探针测试等离子体密度。
因此，利用本发明的装置工作时，工作气体以一定流量从气瓶内流出，经气体导管的内孔，从气体喷口喷出，同时，螺旋磁场开始工作，微波源提供能量，在短路活塞调节匹配的情况下，微波能量被气体吸收，产生离子，在螺旋磁场的作用下，离子喷向等离子体，达到改变等离子体参数的目的。
本发明的优点在于：
1)本发明装置结构小巧灵活，在有限的尺寸条件下，完成了能量馈入，电离激发过程，这是其他电离装置所不能达到的。
2)通过改变微波能量大小及工作气体流量，能够改变电离的离子能量和密度，从而对待中和部分等离子体参数进行精细调节；喷口位置可以精确控制从而对需要中和的等离子体具体位置进行参数调节。
3)螺旋磁场的调节可以调整喷口处出流正负电荷比例，磁场增大可以将电子全部吸附与腔体内壁，使得出流粒子束由正离子组成，进而最大程度的中和电子；磁场减小能够使得出流粒子束含有部分电子，进而减小中和电子力度。
4)通过本发明的方法对等离子体进行参数的控制时不再局限于密闭的腔体中进行，解决了自然界中产生的等离子体参数不能控制的问题，应用更加广泛。
5)可以对特定区域(部位)的等离子体参数进行控制，采用本发明的喷射离子的方法改变等离子体的参数，对于高速运动摩擦产生的等离子体有效，在判准摩擦部位后，可以将离子作用于该处，改变等离子体密度，或者说由人工控制特定区域(部位)的等离子体密度，因此控制更加灵活。
附图说明
图1为本发明的离子产生装置的结构示意图。
附图标识
1、工作气体储存罐    2、等离子体矩    3、微波源
4、线圈              5、外导体        6、内导体
7、短路活塞          8、喷口          9、微波谐振腔
10、流量控制器       11、气体导管     12、微波电缆
具体实施方式
下面结合附图对本发明的离子产生装置进行进一步的说明。
如图1所示，本发明的离子产生装置包括工作气体储存罐1、等离子体矩2、微波源3、线圈4和流量控制器10；
所述等离子体矩2包括同轴设置的外导体5、内导体6、短路活塞7和喷口8，所述短路活塞7位于外导体5和内导体6之间；所述微波源3设置于外导体5前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体5和内导体6及短路活塞7之间形成微波谐振腔9；所述外导体5前部外面缠绕包覆线圈4，用于通电后产生螺旋磁场，螺旋磁场的作用在于控制离子按一定的方向和速度运动，同时将产生的离子和电子进行分离。
根据本发明的离子产生装置，所述工作气体储存罐1上设有流量控制器10，所述短路活塞7与外导体5和内导体6之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置，用螺纹旋进、旋出的方法调节短路活塞与外导体及内导体之间的相对位置，即调节好合适位置后通过锁紧装置锁紧，防止移动，内导体也可以通过旋转调节位置，通过这种方式可以使调节更精确，且调节完成后，固定更容易。
根据本发明的离子产生装置，所述工作气体储存罐1采用的工作气体为惰性气体，“短路活塞”，是指在活塞端面处，形成电的短路面，在调节短路活塞的同时，观测微波功率被吸收的情况，在某一点(谐振腔长度在3/4波长附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率达到最大限度的吸收利用，在气体从喷口喷出的同时产生离子。
根据本发明的离子产生装置，该装置利用等离子体矩，在工作气体、微波功率源、螺旋磁场的共同作用下，产生离子并使离子按照一定的方向和速度喷射出去(喷射到等离子体上)，达到改变等离子体密度的作用
根据本发明所的离子产生装置，其具体的实现方式为：工作气体经流量控制器10的调节后进入内导体6中，调节短路活塞7的与外导体5之间的位置，使调节短路活塞7与内导体6和外导体5所形成的谐振腔长度在3/4波长左右，所述气体在吸收微波源3所提供的能量发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子，所述带有正电荷的离子和电子在螺线管通电后产生的沿腔体方向的磁场中发生偏转，其中电子质量较小，回旋半径较大，正离子质量相对电子很大，回旋半径较小，在带电粒子通过内导体6的过程中，电子由于回旋半径较大而在腔体内壁上被吸收，带正电荷的离子在行进过程中近似保持直线运动而从管口溢出，因而实现了带正电荷离子和电子的分离，分离得到的带正电荷的离子从内导体6加速出来后进入准中性的需要被中和的高电子密度的等离子体中，通过正常的正离子和带负电的电子进行正负电荷的中和，达到减小等离子体密度的效果。同时在本发明中通过控制气体流量，微波功率，控制产生的离子密度，其中气体流量大，微波功率越高，产生的离子密度越大，和等离子体进行中和后，等离子体密度就低。具体数据可通过探针测试等离子体密度。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种离子产生装置，其特征在于，所述装置包括工作气体储存罐（1）、等离子体炬（2）、微波源（3）和线圈（4）；
所述工作气体储存罐（1）采用的工作气体为惰性气体，所述工作气体吸收所述微波源（3）所提供的能量发生电离；
所述等离子体炬（2）包括同轴设置的外导体（5）、内导体（6）、短路活塞（7）和喷口（8），所述短路活塞（7）设置于外导体（5）和内导体（6）之间；所述微波源（3）设置于外导体（5）前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体（5）和内导体（6）及短路活塞（7）之间形成微波谐振腔（9）；
所述外导体（5）前部外面缠绕包覆线圈（4），用于通电后产生螺旋磁场。
2.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述工作气体储存罐（1）上设有流量控制器（10）。
3.根据权利要求1所述的离子产生装置，其特征在于，所述短路活塞（7）与外导体（5）和内导体（6）之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置，用来移动和固定该短路活塞（7）。
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