CN102497721B - 双空心阴极以及双空心阴极等离子体装置和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双空心阴极以及双空心阴极等离子体装置和应用。本发明的装置包括灯丝、热阴极、阳极、双空心阴极、冷阴极、真空室以及磁铁，双空心阴极包括外壁和内衬层，为双层结构。双层空心阴极结构便于拆卸、更换内衬层从而适合对内衬层进行的观测分析，同时满足放电室溅射阴极产生单一或多种金属等离子体的需要。本发明采用在磁镜场操纵下的双空心阴极等离子体溅射模式能够高效率产生单一或多元金属的高密度等离子体和等离子体流，用于金属等离子体辐照材料表面改性和形成高纯高流金属离子束的研究；另一方面，结合各种表面分析技术对双空心阴极内表面的观测与分析，用于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的研究。

Description

双空心阴极以及双空心阴极等离子体装置和应用

技术领域

本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种磁镜场约束的双空心阴极等离子体装置及其应用。

背景技术

等离子体技术与应用是20世纪60年代以来，在物理学、化学、电子学、真空技术等学科交叉基础上形成的一门新兴学科。低温等离子体技术的发展与应用，如注入、镀膜等表面处理，已在半导体工业、机械工业等显示其重要价值；各种等离子体装置也是推进离子源、离子束技术进步的主要技术支撑。就金属等离子体装置而言，金属真空弧放电(MEVVA)可以产生高密度大容积金属等离子体，但其电极表面弧放电过程决定了所产生的金属等离子体中包含很多尺寸在0.1～10μm的大颗粒，这些大颗粒在许多应用中是不允许的，需要通过磁过滤等方法甩掉，但这是以大大降低可用离子流强度为沉重代价，因此也降低了获得所需离子的效率。双空心阴极金属离子源DUHOCAMIS(Dual Hollow Cathode Ion Source for Metal IonBeam)采用双空心阴极等离子体溅射模式能够高效地产生高密度金属等离子体，其中双空心阴极为单层的管状结构，如图1所示。由于DUHOCAMIS只是以产生单元素金属离子束为目的，作为离子源的等离子体放电室，其容积小且功能单一，不具备等离子体装置多用途的条件。因此，迫切需要发展新的金属等离子体装置。

另一方面，由于能源危机，全球许多国家投入了大量的人力物力用于发展新能源的研究。磁约束核聚变被认为是最为理想的新能源技术之一。但磁约束聚变能的实现还面临诸多问题，其中有一个必须研究解决的关键性问题是等离子体对其器壁的损伤作用。目前国际上研究等离子体与器壁之间相互作用的实验方法，主要有建造直线等离子体发生装置的方法、利用低能离子束轰击靶材料的方法，以及利用托卡马克装置器壁表面直接进行研究。由于等离子体与器壁之间相互作用的复杂性，使得这些研究设备比较庞大并且研究周期长。所以，同样迫切需要建立相对简单高效的实验方法与装置。

发明内容

针对以上提出的现有技术中急需解决的问题，提出本发明。

本发明的一个目的在于提供一种双空心阴极。

本发明的双空心阴极包括外壁和内衬层，为双层结构，外壁和内衬层紧密贴合套装在一起成筒型结构。

双空心阴极中的外壁为由对称的左外壁和右外壁组成的筒型结构，以及内衬层为由对称的左内衬层和右内衬层组成的筒型结构。双空心阴极的横截面可为跑道形或其他具有平面对称的结构。外壁的左外壁和右外壁由螺丝等紧固件固定，同时紧固件将内衬层紧固在外壁内。外壁可用耐高温且导电导热性能良好的金属材料制作，并且在左外壁中设置有冷却水槽，其内部可通冷却水，用于冷却阴极。内衬层的左内衬层和右内衬层可由相同或不同的金属材料制作。双空心阴极的高度h与双空心阴极的内径d之比h/d≥3。

本发明的另一个目的在于提供一种磁镜场约束的双空心阴极等离子体装置。

本发明的装置包括灯丝、热阴极、阳极、双空心阴极、冷阴极、真空室以及磁铁，其中，双空心阴极包括外壁和内衬层，为双层结构，外壁和内衬层紧密贴合套装在一起成筒型结构。

本发明的又一个目的在于提供双空心阴极的用于金属等离子体辐照材料表面改性或形成离子束的应用以及用于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的应用。

本发明的优点：

本发明的一种磁镜场约束的双空心阴极等离子体装置中，由外壁和内衬层构成的双层空心阴极，便于拆卸、更换内衬层从而适合对内衬层进行的观测分析，也满足放电室溅射阴极产生单一或多种金属等离子体的需要。该装置采用在磁镜场操纵下的双空心阴极等离子体溅射模式，能够高效率产生单一金属或多元金属的高密度高稳定等离子体和等离子体流，可以用于金属等离子体辐照材料表面改性和形成高纯高流金属离子束的研究；另一方面，结合各种表面分析技术对双空心阴极内表面的观测与分析，适合用于关于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的研究。

附图说明

图1为现有技术中的双空心阴极的剖面图；

图2为本发明的磁镜场约束的双空心阴极等离子体装置的放电室和磁镜场的示意图；

图3为本发明的装置的双空心阴极过其中心轴线的剖面图；

图4为无等离子体输出口的双空心阴极沿图3中A-B线的剖面图；

图5为有等离子体输出口的双空心阴极沿图3中A-B线的剖面图；

图6为本发明的装置的整体结构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例，进一步阐述本发明。

如图2所示，本发明的磁镜场约束的双空心阴极等离子体装置的核心装置——放电室包括灯丝1、热阴极2、阳极3和5、双空心阴极4、冷阴极6、进气孔7和8、磁铁9和真空室11。其中双空心阴极4为包括外壁以及内衬层的双层结构，外壁和内衬层紧密贴合套装在一起成筒型结构。

如图3所示，双空心阴极中的外壁为由对称的左外壁12和右外壁13组成的筒型结构，以及内衬层为由对称的左内衬层14和右内衬层15组成的筒型结构。如图4所示，双空心阴极的横截面可为跑道形或其他具有平面对称的结构。外壁的左外壁12和右外壁13由螺丝等紧固件17固定，同时紧固件17将内衬层紧固在外壁内。

如图3所示，左外壁12内嵌有冷却水槽16，冷却水槽16为绕着左外壁12的通孔，从而冷却水沿着冷却水槽16绕着左外壁12流动来冷却阴极。

如图3和图4所示，内衬层由左内衬层14和右内衬层15组成，它们可以采用相同的金属材料，也可以用不同的金属材料。当用相同的金属材料制作时，将产生单一金属等离子体；当采用不同金属材料制作时，将产生多元金属等离子体。

如图5所示，双空心阴极在一侧可以设置开口18作为等离子体输出口，开口18可以为单缝或多缝，以引出等离子流用于金属等离子体辐照材料表面改性或形成离子束的研究。

如图6所示，本发明的装置进一步包括灯丝电源19、偏压电源20、等离子体弧电源21、溅射电源22以及真空室抽气口23。

本实施例中，双空心阴极的内衬层产生金属等离子体的过程是：灯丝电源19加热灯丝1，热灯丝发射电子，电子被灯丝1与热阴极2间的偏压电源20的电压加速而轰击热阴极2，使热阴极2加热至热电子发射温度从而发射热电子，在等离子体弧电源21的作用下热电子与从进气孔7和8流入的工作气体(如He，Ar)碰撞电离形成等离子体。该等离子体在电场、磁场的驱动下进入双空心阴极4并进一步电离，并且从双空心阴极的内衬层14和15上溅射出内衬层的材料的原子，这些原子被电子碰撞而逐步电离，形成内衬层的材料的金属等离子体。

在本实施例中灯丝采用直径为1.2mm钨丝制作。

热阴极依靠灯丝所发射电子加热产生电子，电离气体；冷阴极主要使进入阳极孔的电子返回等离子体。

由于阳极受电子轰击，故阳极需要耐高温的材料。

溅射电源22的电压可以在宽范围内调节，适合多种材料的双空心阴极溅射模式和等离子体与阴极表面作用过程。

另外，结合各种表面分析技术对双空心阴极内衬层内表面的观测与分析，可反映出等离子体与阴极内表面作用的过程。因此本发明装置能够用于关于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的研究：例如内衬层由W等金属材料制成，工作气体可选He或Ar。

本发明的装置采用大间隙的梯台型磁铁9。如图2所示，这种结构的磁铁可以产生较高的纺锤形的磁镜场10，其作用主要有三点：一是箍缩电子(或离子)沿磁场轴线附近螺旋运动；二是利用磁镜场使进入双空心阴极区内的电子(或离子)实现轴向约束；三是“等离子体聚焦”以提高等离子体的稳定性。本实施例中磁铁的主要技术指标为：(1)磁极间隙20cm；(2)磁中心面上最高轴向磁感应强度≥0.5T；(3)磁极面处与磁中心平面处轴向磁感应强度之比，即磁镜比约为2.0。

用于气体放电的工作气体，通过气阀进入进气孔7和8流入放电室，达到稳定的工作状态；工作状态下真空室11内气压维持在2×10^-3～4×10^-3Pa。

上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。

Claims (4)

1.一种用于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的双空心阴极，其特征在于，所述双空心阴极包括外壁和内衬层，为双层结构，所述外壁和内衬层紧密贴合套装在一起成筒型结构；所述双空心阴极的高度h与所述双空心阴极的内径d之比h/d≥3；所述双空心阴极中的外壁为由对称的左外壁（12）和右外壁（13）组成的筒型结构，以及内衬层为由对称的左内衬层（14）和右内衬层（15）组成的筒型结构，其横截面为跑道形，具有平面对称的结构，所述左外壁（12）和右外壁（13）由紧固件（17）固定在一起；构成所述内衬层的左内衬层（14）和右内衬层（15）为不同的金属材料。

2.如权利要求1所述的双空心阴极，其特征在于，所述外壁为耐高温且导电导热性能良好的金属材料，并且左外壁（12）内嵌有冷却水槽（16），冷却水槽（16）为绕着左外壁（12）的通孔。

3.如权利要求1所述的双空心阴极，其特征在于，在所述双空心阴极的一侧设有开口（18）作为等离子体输出口，所述开口为单缝或多缝。

4.一种用于磁约束核聚变中的等离子体与器壁之间相互作用的双空心阴极等离子体装置，所述装置包括灯丝（1）、热阴极（2）、第一阳极（3）和第二阳极（5）、双空心阴极（4）、冷阴极（6）、第一进气孔（7）和第二进气孔（8）、真空室（11）以及磁铁（9），其特征在于，所述双空心阴极（4）包括外壁和内衬层，为双层结构，所述外壁和内衬层紧密贴合套装在一起成筒型结构；所述双空心阴极的高度h与所述双空心阴极的内径d之比h/d≥3；所述双空心阴极中的外壁为由对称的左外壁（12）和右外壁（13）组成的筒型结构，以及内衬层为由对称的左内衬层（14）和右内衬层（15）组成的筒型结构，其横截面为跑道形，具有平面对称的结构，所述左外壁（12）和右外壁（13）由紧固件（17）固定在一起；构成所述内衬层的左内衬层（14）和右内衬层（15）为不同的金属材料；所述磁铁（9）为大间隙的梯台型磁铁。

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