CN102781155A - 带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：包括等离子体产生腔体（1）、电源（2）、冷却系统（3）和真空装置（4），真空装置（4）用于对等离子体产生腔体（1）进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源（2）用于对等离子体产生腔体（1）内的气体做功，产生等离子体，冷却系统（3）用于对等离子体产生腔体（1）内的高压电极（105）进行冷却。本发明具有以下优点：最大注入功率得到大大提高，产生的大面积等离子体电子密度更高。

Description

带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统

技术领域

本发明属于气体放电等离子体领域，涉及一种带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，可用于产生高密度的大面积均匀等离子体，进行电磁波与等离子体的相互作用机理实验。

背景技术

研究电磁波在等离子体中的传播特性，以及等离子体与电磁波的相互作用是宇宙飞行器再入、电离层研究、等离子体隐身技术等研究工作的基础和关键内容。一般研究方法有计算机仿真分析和真实等离子体实验，而计算机仿真分析也以真实等离子体实验为基础。

现有地面产生等离子体的方法主要有激波管、电弧风洞、等离子体喷焰和辉光放电等方法，它们都存在着以下难以克服的缺点：

1、激波管产生的等离子体电子密度高，但是产生时间很短，实验难以重复。

2、电弧风洞和等离子体喷焰产生的等离子体温度，对天线有高温烧蚀，且等离子体中含有金属离子，引起电磁波传输实验误差。

3、激波管、电弧风洞、等离子体喷焰产生的等离子体电子密度以及分布难以控制。

4、利用辉光放电产生等离子体用于研究其对电磁波影响研究的主要方法是ICP放电法，但由于ICP放电产生的等离子体中存在高频调制，而且是磁化等离子体，这会引起电磁波传输实验误差，且ICP放电其电极存在于等离子体之中，这也会引起电磁波传输实验误差。

专利文献《大面积均匀非磁化等离子体产生装置及方法》（公开号：102361531A）中提出了一种大面积均匀非磁化等离子体的产生装置及方法，它采用内置环形网状电极与金属外壁之间产生等离子体，再利用低气压下电子的平均自由程比较长的特点，电子通过电极网孔扩散到电极内部，从而产生了通透的大面积均匀等离子体。它克服了上述技术中等离子体存在时间短、可重复性差、实验环境恶劣、电子密度分布难以控制、电波传播途径存在金属阻挡等缺点，但是由于等离子体的电子密度大小与放电功率有关，在提高放电功率和提高电子密度的同时也会导致发热量的增大，尤其是在低气压下，由于空气稀薄，热传导过程大大降低，内置电极只能通过辐射的方式向外散热，热量的积累将会使内置电极的温度迅速升高，导致以下两个问题：

1、电极融化，金属粒子进入真空腔室，污染等离子体；

2、电极温度升高后，热电子发射加剧，使辉光放电的稳定性变差，并最终发展为弧光放电。

由于存在以上的限制因素，现有的大面积均匀非磁化等离子体产生装置可注入的最大功率比较低，电子密度无法提高。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，以便能注入大功率，产生高密度的大面积均匀非磁化等离子体，进行电磁波与等离子体的相互作用机理实验。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：包括等离子体产生腔体、电源、冷却系统和真空装置，真空装置用于对等离子体产生腔体进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源用于对等离子体产生腔体内的气体做功，产生等离子体，冷却系统用于对等离子体产生腔体内的高压电极进行冷却。

所述的等离子体产生腔体包括：圆柱形壳体、进气孔、抽气孔、电极通孔、高压电极、绝缘支柱；高压电极与电源的高压输出端连接；高压电极为空心金属螺旋管，空心金属螺旋管，材料为铜，外表面镀有铬层；高压电极内部通有冷却介质硅油，高压电极与圆柱形壳体同轴放置，通过绝缘支柱固定于圆柱形壳体内壁，与内壁间距为2~5cm。

所述的进气孔和抽气孔分别位于圆柱形壳体环形外壁相对的两侧，进气孔和抽气孔通过管子与真空装置连接；过真空装置对等离子体产生腔体抽气和充气；抽气孔连接到真空装置的真空泵，进气孔通过针阀连接到气罐。

所述的电极通孔是高压电极空心金属螺旋管的两个端口伸出到圆柱形壳体外侧的通孔。

所述的绝缘支柱有多道沟槽，其间距与高压电极空心金属螺旋管间距相同，该高压电极的空心金属螺旋管可以卡到绝缘支柱的沟槽内实现固定。

所述的冷却系统包括：泵、过滤器、冷却管、储油罐、压力表、进油温度表、出油温度表、出油管和进油管，其中出油管和进油管为绝缘硅胶管，用于隔离高压；所述的泵、过滤器、冷却管和储油罐通过导管与高压电极空心金属螺旋管连接，构成封闭回路。

所述的冷却系统工作时，首先向储油罐里填充液体冷却介质，然后泵将冷却介质依次压入高压电极、过滤器、冷却管中，最后回流到储油罐中。

所述的过滤器用于将管道中的杂质过滤掉，冷却管用于对冷却介质进行降温。

所述的泵的一端通过进油管与高压电极空心金属螺旋管的一端连接，另一端通过导管与储油罐连接，储油罐与冷却管、冷却管与过滤器分别通过导管连接，过滤器的另一端通过出油管与高压电极空心金属螺旋管的另一端连接。

所述的进油管上接有压力表和进油温度表，在出油管上接有出油温度表，分别用于监测进油管的压力、进油口冷却介质的温度和出油口冷却介质的温度。

相比现有的可用于电磁波穿透实验的大面积等离子体产生装置，本发明具有以下优点：最大注入功率得到大大提高，产生的大面积等离子体电子密度更高。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明：

附图1为本发明的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统示意图。

图中，1、等离子体产生腔体；2、电源；3、冷却系统；4、真空装置；101、圆柱形壳体；102、进气孔；103、抽气孔；104、电极通孔；105、高压电极；106、绝缘支柱；301、泵；302、过滤器；303、冷却管；304、储油罐；305、压力表；306、进油温度表；307、出油温度表；308、出油管；309、进油管；401、真空泵；402、针阀；403、气罐。

具体实施方式

实施例1

带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，包括等离子体产生腔体1、电源2、冷却系统3和真空装置4，真空装置4用于对等离子体产生腔体1进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源2用于对等离子体产生腔体1内的气体做功，产生等离子体，冷却系统3用于对等离子体产生腔体1内的高压电极105进行冷却。

实施例2

参照附图1，本发明的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，包括：等离子体产生腔体1、电源2、冷却系统3和真空装置4，电源2、所述的真空装置4用于对等离子体产生腔体1进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源2用于对等离子体产生腔体1内的气体做功，产生等离子体，冷却系统3用于对等离子体产生腔体1内的高压电极105进行冷却。

等离子体产生腔体1包括：圆柱形壳体101、进气孔102、抽气孔103、电极通孔104、高压电极105、绝缘支柱106；所述的圆柱形壳体101接地，高压电极105与电源2的高压输出端连接；高压电极105为空心金属螺旋管，材料为铜，外表面镀有铬层，可以在保证良好热传导特性的同时防止金属溅射污染等离子体；高压电极105内部通有冷却介质硅油，高压电极105与圆柱形壳体101同轴放置，通过绝缘支柱106固定于圆柱形壳体101内壁，与内壁间距为2~5cm，本实例为3cm。

所述的进气孔102和抽气孔103分别位于圆柱形壳体114环形外壁相对的两侧，进气孔102和抽气孔103通过管子与真空装置4连接，抽气孔102连接到真空装置4的真空泵401，真空装置4包括：真空泵401、针阀402和气罐403。进气孔102通过针阀402连接到气罐403；通过真空装置4对等离子体产生腔体1抽气和充气；电极通孔104是高压电极105空心金属螺旋管的两个端口伸出到圆柱形壳体101外侧的通孔，进行绝缘密封处理。

所述的绝缘支柱106有多道沟槽，其间距与高压电极105空心金属螺旋管间距相同，该高压电极105的空心金属螺旋管可以卡到绝缘支柱106的沟槽内实现固定。

冷却系统3包括：泵301、过滤器302、冷却管303、储油罐304、压力表305、进油温度表306、出油温度表307、出油管308和进油管309，其中出油管308和进油管309为绝缘硅胶管，用于隔离高压，保证安全；所述的泵301、过滤器302、冷却管303和储油罐304通过导管与高压电极105空心金属螺旋管连接，构成封闭回路，冷却系统3工作时，首先向储油罐304里填充液体冷却介质，然后泵301将冷却介质依次压入高压电极105、过滤器302、冷却管303中，最后回流到储油罐304中，过滤器302用于将管道中的杂质过滤掉，冷却管303用于对冷却介质进行降温；其中该泵301的一端通过进油管309与高压电极105空心金属螺旋管的一端连接，另一端通过导管与储油罐304连接，该储油罐304与冷却管303、该冷却管303与过滤器302分别通过导管连接，该过滤器302的另一端通过出油管308与高压电极105空心金属螺旋管的另一端连接。

进油管309上接有压力表305和进油温度表306，在出油管308上接有出油温度表307，分别用于监测进油管309的压力、进油口冷却介质的温度和出油口冷却介质的温度。

本发明的工作原理如下：

首先对等离子体产生腔体抽真空，然后在内部螺旋状电极与金属外壁之间施加交流高压，从而在电极与外壁之间产生等离子体，由于在低气压下电子的平均自由程比较长，电子将会通过螺旋状电极间的间隙扩散到电极内部，从而产生通透的大面积等离子体；另外在放电过程中，硅油被泵从储油罐通过进油管压入空心螺旋管内，再通过出油管流出，经由过滤器进入冷却管中，最后回流至储油罐，形成封闭回路；由于冷却介质与高压电极直接接触，可以将放电产生的热量高效率的带走，并在冷却管中冷却，保证了电极温度稳定在较低的水平，从而可以注入更大的功率，提高电子密度；采用硅油和绝缘硅胶管可以隔离高压，保证安全。

以上实例仅是对本发明的参考说明，并不构成对本发明内容的任何限制。

本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (10)

1.带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：包括等离子体产生腔体（1）、电源（2）、冷却系统（3）和真空装置（4），真空装置（4）用于对等离子体产生腔体（1）进行抽气和充气，调整腔体内气压和气体组分；电源（2）用于对等离子体产生腔体（1）内的气体做功，产生等离子体，冷却系统（3）用于对等离子体产生腔体（1）内的高压电极（105）进行冷却。

2.根据权利要求1所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的等离子体产生腔体1包括：圆柱形壳体（101）、进气孔（102）、抽气孔（103）、电极通孔（104）、高压电极（105）、绝缘支柱（106）；高压电极（105）与电源（2）的高压输出端连接；高压电极（105）为空心金属螺旋管，空心金属螺旋管，材料为铜，外表面镀有铬层；高压电极（105）内部通有冷却介质硅油，高压电极（105）与圆柱形壳体（101）同轴放置，通过绝缘支柱（106）固定于圆柱形壳体（101）内壁，与内壁间距为2~5cm。

3.根据权利要求2所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的进气孔（102）和抽气孔（103）分别位于圆柱形壳体（101）环形外壁相对的两侧，进气孔（102）和抽气孔（103）通过管子与真空装置（4）连接；过真空装置（4）对等离子体产生腔体（1）抽气和充气；抽气孔（103）连接到真空装置（4）的真空泵（401），进气孔（102）通过针阀（402）连接到气罐（403）。

4.根据权利要求2所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的电极通孔（104）是高压电极（105）空心金属螺旋管的两个端口伸出到圆柱形壳体（101）外侧的通孔。

5.根据权利要求2所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的绝缘支柱（106）有多道沟槽，其间距与高压电极（105）空心金属螺旋管间距相同，该高压电极（105）的空心金属螺旋管可以卡到绝缘支柱（106）的沟槽内实现固定。

6.根据权利要求1所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的冷却系统（3）包括：泵（301）、过滤器（302）、冷却管（303）、储油罐（304）、压力表（305）、进油温度表（306）、出油温度表（307）、出油管（308）和进油管（309），其中出油管（308）和进油管（309）为绝缘硅胶管，用于隔离高压；所述的泵（301）、过滤器（302）、冷却管（303）和储油罐（304）通过导管与高压电极（105）空心金属螺旋管连接，构成封闭回路。

7.根据权利要求6所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的冷却系统（3）工作时，首先向储油罐（304）里填充液体冷却介质，然后泵（301）将冷却介质依次压入高压电极（105）、过滤器（302）、冷却管（303）中，最后回流到储油罐（304）中。

8.根据权利要求6所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的过滤器（302）用于将管道中的杂质过滤掉，冷却管（303）用于对冷却介质进行降温。

9.根据权利要求6所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的泵（301）的一端通过进油管（309）与高压电极（105）空心金属螺旋管的一端连接，另一端通过导管与储油罐（304）连接，储油罐（304）与冷却管（303）、冷却管（303）与过滤器（302）分别通过导管连接，过滤器（302）的另一端通过出油管（308）与高压电极（105）空心金属螺旋管的另一端连接。

10.根据权利要求6所述的带冷却电极的大面积均匀高密度等离子体产生系统，其特征是：所述的进油管（309）上接有压力表（305）和进油温度表（306），在出油管（308）上接有出油温度表（307），分别用于监测进油管（309）的压力、进油口冷却介质的温度和出油口冷却介质的温度。

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