CN103298233A - 新型高密度阴极等离子体源 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型高密度阴极等离子体源，包括有屏蔽罩，屏蔽罩中设有屏蔽筒，屏蔽筒中设有LaB6阴极、加热元件，屏蔽罩的后端设有安装基座，安装基座为水冷热沉结构，安装基座通过数个支撑杆固定在安装法兰的内壁上，安装法兰安装进气连接件作为进气口，安装法兰自外向内贯穿一个电连接件，电连接件的周围与安装法兰之间超高真空密封，电连接件的一端与加热元件连接，安装法兰外还设有一水冷电极，水冷电极通过安装法兰内的水冷接头与加热元件连接。本发明可为各种等离子体物理科研装置提供高密度等离子体源，应用广泛。

Description

新型高密度阴极等离子体源
技术领域
本发明涉及一种新型高密度阴极等离子体源，主要用于各种等离子体发生装置和等离子体应用设备。
背景技术
等离子体由自然产生的称为自然等离子体(如北极光和闪电)，由人工产生的称为实验室等离子体。实验室等离子体是在有限容积的等离子体发生器中产生的。如果环境温度较低，等离子体能够通过辐射和热传导等方式向壁面传递能量，因此，要在实验室内保持等离子体状态，发生器供给的能量必须大于等离子体损失的能量。不少人工产生等离子体的方法（如爆炸法、激波法等）产生的等离子体状态只能持续很短时间（10～10秒左右），而有工业应用价值的等离子体状态则要维持较长时间（几分钟至几十小时）。能产生后一种等离子体的方法主要有：直流弧光放电法、交流工频放电法、高频感应放电法、低气压放电法（例如辉光放电法）和燃烧法。
气体放电是产生等离子体的重要手段之一。被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞，把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发（分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级）、离解（分子分解为原子）或电离（分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子）。高温气体通过传导、对流和辐射把能量传给周围环境，在定常条件下，给定容积中的输入能量和损失能量相等。电子和重粒子（离子、分子和原子）间能量传递的速率与碰撞频率(单位时间内碰撞的次数)成正比。在稠密气体中，碰撞频繁，两类粒子的平均动能(即温度)很容易达到平衡，因此电子温度和气体温度大致相等,这是气压在一个大气压以上时的通常情况,一般称为热等离子体或平衡等离子体。在低气压条件下，碰撞很少，电子从电场得到的能量不容易传给重粒子，此时电子温度高于气体温度，通常称为冷等离子体或非平衡等离子体。
发明内容
为弥补已有技术的不足，本发明的目的是提供一种新型高密度阴极等离子体源。
本发明采用的技术方案是：
一种新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：包括有屏蔽罩，屏蔽罩中设有屏蔽筒，屏蔽筒中设有LaB6阴极、加热元件，屏蔽罩的后端设有安装基座，安装基座为水冷热沉结构，安装基座通过数个支撑杆固定在安装法兰的内壁上，安装法兰安装进气连接件作为进气口，安装法兰自外向内贯穿一个电连接件，电连接件的周围与安装法兰之间超高真空密封，电连接件的一端与加热元件连接，安装法兰外还设有一水冷电极，水冷电极通过安装法兰内的水冷接头与加热元件连接。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的安装法兰安装在真空室的真空法兰上，所述的屏蔽筒、LaB6阴极、加热元件、支撑杆均位于真空室内。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的电连接件与安装法兰之间绝缘。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的加热元件采用加热丝。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的屏蔽筒包括有直径依次减小的屏蔽筒一、屏蔽筒二、屏蔽筒三，各屏蔽筒的一端抵在屏蔽罩的侧壁上并采用氩弧焊连接，各屏蔽筒的另一端分别设有屏蔽片一、屏蔽片二、屏蔽片三。各层屏蔽筒之间在1600℃的时候依然保持一定的均匀间距无接触。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：还包括有屏蔽支撑，所述的屏蔽支撑包括24个相同大小的小型钨棒，分别使用氩弧焊技术焊接在屏蔽筒一和屏蔽罩之间，既能支撑屏蔽筒又能保持屏蔽筒的屏蔽作用。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的LaB6阴极固定在阴极保持架上，所述的阴极保持架包括两个半爿结构的凹槽圆片，阴极保持架采用极耐高温材料加工而成，阴极保持架的内部与LaB6阴极仅点接触。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的屏蔽罩与阴极保持架之间设有石墨纸，石墨纸为特殊石墨材料的纸状薄片。石墨纸在真空和高于1600℃的温度下保持良好的电接触，并且起到阻止电子逃离的作用。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的进气连接件为真空元器件，进气连接件与安装法兰保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的水冷电极可容许大电流通过，而且始终保持与安装法兰的绝缘和超高真空密封。
安装基座采用水冷热沉结构，保护后面的电极连接件免于受到等离子体的轰击。水冷接头采用精密加工保持加热丝与水冷电极的良好接触，并且及时将接头处产生的热量带走。
本装置通过安装法兰安装在真空环境下，电连接件与安装法兰绝缘，通过支撑杆安装固定屏蔽筒；加热元件采用加热丝，加热丝通过电连接件连接加热电源；进气口通过连接件连接提供等离子体的进气气源。
利用加热丝将阴极加热到1600℃以上的温度，此种阴极在进气气源对其充气使得气压达到0.5Pa左右时大量发射电子；激发后产生高密度等离子体，发射的等离子体密度达1012~1013cm-3；发射的等离子体中心（直径10mm）束流密度1X1022m-2s-1；发射的等离子体能量密度稳定恒定，可持续发射。可产生各种等离子体的气源的气体如氦气，氩气，氢气，氮气，氘气等。
本发明具有以下优点：
本发明可为各种等离子体物理科研装置，等离子体边界科研装置，等离子体照射实验平台，材料物理溅射和化学刻蚀装置，辐射偏滤器注入杂质材料研究平台，等离子体破裂对材料影响研究平台，脱靶等离子体的原子分子过程研究平台，ITER偏滤器边界等离子体环境模拟器等提供高密度等离子体源，应用广泛。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
参见图1，一种新型高密度阴极等离子体源，包括有屏蔽罩1，屏蔽罩1中设有屏蔽筒，屏蔽筒中设有LaB6阴极9、加热元件12，屏蔽罩1的后端设有安装基座13，安装基座13为水冷热沉结构，安装基座13通过数个支撑杆18固定在安装法兰15的内壁上，安装法兰15安装进气连接件16作为进气口，安装法兰15自外向内贯穿一个电连接件19，电连接件19的周围与安装法兰15之间超高真空密封，电连接件19的一端与加热元件12连接，安装法兰15外还设有一水冷电极17，水冷电极17通过安装法兰15内的水冷接头14与加热元件12连接。
安装法兰15安装在真空室的真空法兰上，所述的屏蔽筒、LaB6阴极9、加热元件12、支撑杆18均位于真空室内。
电连接件19与安装法兰15之间绝缘。
加热元件12采用加热丝。
屏蔽筒包括有直径依次减小的屏蔽筒一2、屏蔽筒二3、屏蔽筒三4，各屏蔽筒的一端抵在屏蔽罩1的侧壁上并采用氩弧焊连接，各屏蔽筒的另一端分别设有屏蔽片一5、屏蔽片二6、屏蔽片三7。各层屏蔽筒之间在1600℃的时候依然保持一定的均匀间距无接触。
还包括有屏蔽支撑8，所述的屏蔽支撑8包括24个相同大小的小型钨棒，分别使用氩弧焊技术焊接在屏蔽筒一2和屏蔽罩1之间，既能支撑屏蔽筒又能保持屏蔽筒的屏蔽作用。
LaB6阴极9固定在阴极保持架10上，所述的阴极保持架10包括两个半爿结构的凹槽圆片，阴极保持架10采用极耐高温材料加工而成，阴极保持架10的内部与LaB6阴极9仅点接触。
屏蔽罩1与阴极保持架10之间设有石墨纸11，石墨纸11为特殊石墨材料的纸状薄片。石墨纸11在真空和高于1600℃的温度下保持良好的电接触，并且起到阻止电子逃离的作用。
进气连接件16为真空元器件，进气连接件16与安装法兰15保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
水冷电极17可容许大电流通过，而且始终保持与安装法兰15的绝缘和超高真空密封。
安装基座13采用水冷热沉结构，保护后面的电极连接件免于受到等离子体的轰击。水冷接头14采用精密加工保持加热丝与水冷电极的良好接触，并且及时将接头处产生的热量带走。
将安装法兰15安装在真空法兰上，接通水冷电极14和水冷接头17到制冷水路，系统真空稳定实验需求真空度。在此后的步骤中，水冷和真空系统必须持续运行。将水冷电极14连接加热电源，接通加热电源。首次使用的时候，需要将加热丝的接入电流稳定在100A左右30分钟，对LaB6源9进行真空脱气处理。再次使用的时候，从进气连接件充入待实验或待电离气体。调节加热电源电流和阴极电源到设定值即可产生出不同密度的等离子体。

Claims (10)

1.一种新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：包括有屏蔽罩，屏蔽罩中设有屏蔽筒，屏蔽筒中设有LaB6阴极、加热元件，屏蔽罩的后端设有安装基座，安装基座为水冷热沉结构，安装基座通过数个支撑杆固定在安装法兰的内壁上，安装法兰安装进气连接件作为进气口，安装法兰自外向内贯穿一个电连接件，电连接件的周围与安装法兰之间超高真空密封，电连接件的一端与加热元件连接，安装法兰外还设有一水冷电极，水冷电极通过安装法兰内的水冷接头与加热元件连接。
2.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的安装法兰安装在真空室的真空法兰上，所述的屏蔽筒、LaB6阴极、加热元件、支撑杆均位于真空室内。
3.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的电连接件与安装法兰之间绝缘。
4.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的加热元件采用加热丝。
5.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的屏蔽筒包括有直径依次减小的屏蔽筒一、屏蔽筒二、屏蔽筒三，各屏蔽筒的一端抵在屏蔽罩的侧壁上并采用氩弧焊连接，各屏蔽筒的另一端分别设有屏蔽片一、屏蔽片二、屏蔽片三。
6.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：还包括有屏蔽支撑，所述的屏蔽支撑包括24个相同大小的小型钨棒，分别使用氩弧焊技术焊接在屏蔽筒一和屏蔽罩之间。
7.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的LaB6阴极固定在阴极保持架上，所述的阴极保持架包括两个半爿结构的凹槽圆片，阴极保持架采用极耐高温材料加工而成，阴极保持架的内部与LaB6阴极仅点接触。
8.根据权利要求1或5或7所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的屏蔽罩与阴极保持架之间设有石墨纸，石墨纸为特殊石墨材料的纸状薄片。
9.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的进气连接件为真空元器件，进气连接件与安装法兰保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
10.根据权利要求1所述的新型高密度阴极等离子体源，其特征在于：所述的水冷电极可容许大电流通过，而且始终保持与安装法兰的绝缘和超高真空密封。
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