CN103915305B - 电阻触发式真空弧离子源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电阻触发式真空弧离子源装置，包括阳极（1）、阴极（2）、触发极（3）、阴极-触发极绝缘件（4）、触发电阻（5）以及连接在阴极（2）下端的阴极固定导电接头（6），上述阳极（1）由中空圆筒状的阳极支撑体（11）和连接在阳极支撑体（11）上端的环形阳极（12）构成，上述触发电阻（5）、触发极（3）、阴极-触发极绝缘件（4）和阴极（2）从外至内依次设置在阳极支撑体（11）内。本发明的触发电阻内置在真空弧离子源装置内，结构紧凑、体积小、节省安装空间，并且保证了电接触和绝缘可靠性，并能有效改善分布参数。

Description

电阻触发式真空弧离子源装置

技术领域

本发明涉及离子源技术领域，具体地，涉及一种电阻触发式真空弧离子源装置。

背景技术

离子源是产生离子的装置，是离子注入、离子加速器等应用最重要的部件之一。触发真空弧离子源是一种对能实现更剧烈放电、更高流强和更充分电离的真空弧离子源形式。

目前产生真空弧的方式有高压真空击穿、高压沿面放电、激光触发、低压起弧等，真空弧的触发方式决定了离子源能否顺利被触发进而工作，又决定了离子源装置的工程实现难度和工作可靠性。目前一般多采用高压沿面放电的触发方式，但这种方式需要采用两套功率源供电，一套给阴极-阳极供电，一套给触发极供电，多出一路功率系统会增加离子源的结构复杂程度、体积重量和成本，或者功率源的复杂性。在体积等方面有严格限制的器件内，有时不得不牺牲离子源的性能，从而放弃触发离子源相比单独放电离子源的性能优势。而采用触发电阻触发起弧只需要单路功率即主放电功率馈入就可以实现真空弧离子源的自动触发和熄灭，能够解决两套功率系统引起的上述问题。电阻自触发只需要一路功率馈入，通过触发电阻控制触发回路，实现触发电极与阴极之间的短脉冲放电，在阴极与阳极之间注入带电粒子，随后点燃阴极与阳极之间的主脉冲放电，触发放电自动结束，实现离子源的触发功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种触发电阻内置的电阻触发式真空弧离子源装置，该装置结构紧凑，可靠性高。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

电阻触发式真空弧离子源装置，包括阳极、阴极、触发极、阴极-触发极绝缘件、触发电阻以及连接在阴极下端的阴极固定导电接头，其中，阳极由中空圆筒状的阳极支撑体和连接在阳极支撑体上端的环形阳极构成，触发电阻、触发极、阴极-触发极绝缘件和阴极从外至内依次设置在阳极支撑体内。现有技术中，电阻触发的离子源的触发电阻外置在离子源装置外部，其一般采用引线与离子源装置连接，发明人在平常的工作和研究中发现，这种电阻外置的方式有很多不足，不仅需要触发电阻额外的安装空间，在离子源装置的引线端尺寸相应增大，增大整个装置体积，并且外置电阻的绝缘可靠性和连接性都较差，以及影响触发回路电参数等问题，因此发明人提出了本方案中的内置电阻的离子源装置，在该装置中，发明人并不是直接将触发电阻放置在离子源装置内部，而是巧妙地将电阻设置在触发极和阳极之间，既进行电阻触发，又充当触发极和阳极之间的绝缘体，节省了整个装置的空间，同时解决了上述外置电阻带来的种种问题。

作为本发明的进一步改进，上述阴极和阴极固定导电接头设置在阳极的中心轴线上，上述阴极-触发极绝缘件包覆在阴极和阴极固定导电接头外，且阴极-触发极绝缘件的上端面低于阴极的上端面；上述触发极由包覆在阴极-触发极绝缘件外的触发极支撑体和连接在触发极支撑体上端的环形触发极构成，环形触发极下端面还与阴极-触发极绝缘件上端面相连，且环形触发极的内圆周面与阴极之间设置有间隙；上述触发电阻为中空圆柱体，其外壁与阳极支撑体的内壁相连；触发电阻的内壁与触发极的外壁相连。前述环形触发极的内圆周面与阴极之间的间隙即阴极和触发极的放电区域，电压加压时首先在该间隙下方的阴极-触发极绝缘件的上端面发生沿面击穿，导通阴极和触发极。本方案中，触发电阻内置在离子源装置中，不需要在离子源装置外多接出一个引线用于连接触发电阻，降低引线端尺寸、节省安装空间，增强可靠性，降低设计难度。触发电阻本身具有在阳极和触发极之间的绝缘作用，因此不必另外设置阳极和触发极的绝缘件，减少了器件体积和重量，降低了整个离子源的复杂性，使得结构更紧凑。

进一步，上述阴极-触发极绝缘件由第一绝缘件和位于第一绝缘件下端的第二绝缘件构成，第一绝缘件和第二绝缘件均呈中空圆柱状，且内径相同、中心轴重合，第一绝缘件外径小于第二绝缘件；上述触发极支撑体的内圆周面与第一绝缘件的外圆周面相连，上述环形触发极连接在第一绝缘件上端；上述触发电阻和触发极支撑体的下端面均连接在第二绝缘件的上端面上。本方案中，阴极-触发极绝缘件采用两个外径不同的绝缘件构成，其第一绝缘件主要起绝缘作用，第二绝缘件主要是便于装配设置，可以将触发极和触发电阻均连接在其上，便于所有部件均紧密配合，节省安装空间，而且固定整个离子源装置时只需要固定阳极和阴极-触发极绝缘件即可。

进一步，上述第二绝缘件的内圆周面与阴极固定导电接头相连，外圆周面连接在阳极支撑体的内壁上。

进一步，上述触发电阻至上而下内径逐渐变大，上述触发极支撑体和环形触发极的外径均自上而下逐渐变大，使得触发电阻、触发极在阴极-触发极绝缘件和阳极上装配更加容易，降低设计难度。

进一步，上述触发电阻的内圆周面和外圆周面上均镀有一层金属膜，触发电阻内外两个圆周面镀金镀层实现与阳极和触发极之间的电连接，大大提高整个部件的可靠性，避免了外置电阻引线连接失效的问题，以及减小接触电阻。

进一步，上述触发电阻为陶瓷电阻，以减小电阻材料放气。

进一步，上述触发电阻的阻值不低于10欧姆，不高于500欧姆，且大于主弧电流导通时阴极与阳极之间的等效电阻，以保证离子源阴极-阳极放电电流在10安培-200安培之间。

综上，本发明的有益效果是：

1、本发明采用电阻触发，只需要单路功率即主放电功率馈入就可以实现真空弧离子源的自动触发和熄灭，能够解决两套功率系统引起的体积大、成本高、结构和控制复杂等问题，并且通过改变触发电阻的电参数可以实现不同的主放电特征。

2、不增大离子源引线端尺寸：由于真空弧离子源的某些适用场合对尺寸要求严格，无触发的离子源只有一根高压线，如果采用两套电源或者外置电阻，必然会多出一根高压引线，这样会导致离子源引线端尺寸增大一倍左右，大大增加设计难度，降低可靠性，本发明采用内置电阻，不需要通过连接引线连接到离子源外，离子源引线端不用增大体积，保证可靠性，降低设计难度。

3、节省安装空间、结构紧凑：由于离子源全部为对地高压，因此触发电阻工作时和离子源的阴极、阳极电位相近也处于高压，在离子源的安装部件中再增加一个高压器件，安装结构和高压绝缘会使得整个部件体积增大一倍及以上，在某些应用中，比如需要上天的器件，体积和重量有时是决定性因素，因此外置电阻的离子源无法适应这些应用，而本发明中不需要外置电阻的安装空间，且将触发电阻设置在阳极和触发极之间，触发电阻同时作为了阳极和触发极之间的绝缘部件，即阳极和触发极之间采用触发电阻作为绝缘，避免了多出一个触发电阻及配套结构，降低了整个离子源的复杂性，减小了体积和重量，使得结构更紧凑。

4、提高电接触可靠性：外置电阻由于采用引线等方式和离子源连接，在复杂使用环境下，如冲击和高低温，可能会引起引线连接失效，本发明中触发电阻作为结构件，采用可靠紧固结构和离子源安装成一体，并且采用表面镀薄膜电极实现与阳极和触发极之间的电连接，可以大大提高整个部件的可靠性。

5、提高绝缘可靠性：由于离子源在工作时，首先进行触发放电，触发放电后，触发极和阴极之间电位非常接近。此时，如果阳极和触发极之间绝缘强度不够（或者其他因素），主弧放电会发生在触发极和阳极之间，而不是阴极和阳极之间，导致离子源失效。而由于离子源内空间非常有限（通常小于1cm），很难采用增大绝缘沿面措施或者其他屏蔽措施，由于工作在有源条件下（放电产生的粒子会导致绝缘降低），因此失效概率不能忽略。本发明中采用内置的触发电阻代替阳极-触发极之间的绝缘，可以从两个方面提高绝缘强度：触发电阻可以传导电流，从而避免绝缘材料表面的电荷累积，降低沿面击穿概率；其次，触发电阻和电极接触的三相点（即金属、真空和电阻的接触点）附近场强远小于绝缘材料和电极接触的三相点场强，从而降低击穿概率（场强越集中，越容易引起击穿）。

6、改善分布参数：分布参数是指结构本身具有的电参数，如电阻，电感和电容：外置电阻由于安装、绝缘与引线，其分布电参数会影响触发回路的等效电参数，从而影响触发放电的时延等特征，影响离子源的主弧放电波形品质，而本发明触发电阻内置，可以有效改善分布参数。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例2的结构示意图；

图3是本发明的放电原理示意图；

图4是本发明的等效电路图。

附图中标记及相应的零部件名称：

1-阳极；11-阳极支撑体；12-环形阳极；2-阴极；3-触发极；31-环形触发极；32-触发极支撑体；4-阴极-触发极绝缘件；41-第一绝缘件；42-第一绝缘件；5-触发电阻；6-阴极固定导电接头；7-外接功率源。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1所示，电阻触发式真空弧离子源装置，包括阳极1、阴极2、触发极3、阴极-触发极绝缘件4、触发电阻5以及连接在阴极2下端的阴极固定导电接头6，上述阳极1由中空圆筒状的第一部分阳极11和连接在阳极支撑体11上端的环形阳极12构成，上述触发电阻5、触发极3、阴极-触发极绝缘件4和阴极2从外至内依次设置在阳极支撑体11内，其中环形阳极12的外沿与阳极支撑体11上端相连，实际应用中，环形阳极12的外沿与阳极支撑体11优选采用相同的材料一体成型制造，阳极支撑体11也可以与阴极2进行放电。阴极固定导电接头6具有两个作用：一是固定阴极2的作用，二是作为阴极2的引出杆，与外接功率源连接。

图3是本实施例的放电原理示意图，其中7为离子源的外接功率源即主放电功率源，其正极同时连接阳极1和触发电阻5，负极连接阴极2，从而触发极-阴极放电回路与阳极-阴极放电回路并联。当主放电功率馈入时，高电压同时加载在触发极3和阴极2形成的触发间隙、阴极2和阳极1形成的主放电间隙上，由于触发间隙击穿阈值低，触发极-阴极回路首先发生沿面放电，触发放电产生的种子带电粒子进入阴极2和阳极1之间的真空间隙，触发电阻5将维持阳极1和阴极2之间的高压，在种子带电粒子足够时，阳极1与阴极2之间导通，触发离子源主放电实现。触发回路电阻值显著大于主放电回路电阻，触发放电熄灭。

图4为本实施例的等效电路图，其中，R、L、C分别为触发电阻5的分布参数，Ca为阴极2、An为阳极1、T为触发极，P为脉冲功率装置。

本实施例中，触发电阻5内置在离子源装置内，该离子源装置只需要主放电功率馈入，不需要额外功率馈入就可以实现触发放电，也不需要额外的电阻元件和相应的安装结构、并且通过改变触发电阻的电参数可以实现不同的主放电特征。同时触发电阻5作为阳极1和触发极3之间的绝缘支撑体，能够有效优化离子源的尺寸和分布参数，此外，触发电阻5内置还提高了装置的绝缘可靠性和连接可靠性，避免了触发电阻外置时连接引线带来的各种问题。

实施例2：

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上进一步改进，上述阴极2和阴极固定导电接头6均呈圆柱状，其设置在阳极1的中心轴线上，上述阴极-触发极绝缘件4包覆在阴极2和阴极固定导电接头6外，且阴极-触发极绝缘件4的上端面低于阴极2的上端面；

上述触发极3由包覆在阴极-触发极绝缘件4外的触发极支撑体32和连接在触发极支撑体32上端的环形触发极31构成，触发极支撑体32和环形触发极31也优选采用相同的材料一体成型制造，环形触发极31下端面还与阴极-触发极绝缘件4上端面相连，且环形触发极31的内圆周面与阴极2之间设置有间隙；

上述触发电阻5为中空圆柱体，其外壁与阳极支撑体11的内壁相连；触发电阻5的内壁与触发极3的外壁相连。

图2中，A和B代表触发电阻5的外、内表面（即外壁和内壁），C为阴极-触发极绝缘件4处于阴极2和触发极3之间的上端面。

本实施例中，各部件紧密配合，便于装配，且装配后相对稳定。

实施例3：

在实施例2的基础上，本实施例中，阴极-触发极绝缘件4由第一绝缘件41和位于第一绝缘件41下端的第二绝缘件42构成，第一绝缘件41和第二绝缘件42均呈中空圆柱状，且内径相同、中心轴重合，第一绝缘件41外径小于第二绝缘件42；第一绝缘件41和第二绝缘件42优选采用相同的材料一体成型制造，上述第一触发极32的内圆周面与第一绝缘件41的外圆周面相连，上述环形触发极31连接在第一绝缘件41上端；上述触发电阻5和触发极3的下端面均连接在第二绝缘件42的上端面上。

本实施例中的第二绝缘件42的内圆周面与阴极固定导电接头6相连，外圆周面连接在阳极支撑体11的内壁上。实际应用中，第二绝缘件42的外圆周面也可以与阳极支撑体11的内壁具有一定间隙。

实施例4：

在上述实施例基础上，本实施例中，上述触发电阻5至上而下内径逐渐变大，上述触发极支撑体32的外径均自上而下逐渐变大和环形触发极31的外径也自上而下逐渐变大。本实施例中触发电阻5内壁和触发极3外壁采用锥形结构，装配时更加容易。装配时，离子源装置所有部件的装配沿同一方向进行，阴极固定导电接头6与阴极-触发极绝缘件4之间采用螺纹紧固，其余可以均采用紧配合方式，最后通过阳极1和阴极固定导电接头6将整个离子源装置固定在其他装置上使用。实际应用中，触发电极3、阴极-触发极绝缘件4、触发电阻5之间具体尺寸参数针对不同的触发电阻5电参数要求可以有微小调整。

实施例5：

在上述实施例基础上，本实施例中，为减小接触电阻，触发电阻5的内圆周面和外圆周面上均镀有一层金属膜，即在触发电阻5与触发极3、阳极1的接触面均采用镀膜设计，膜材料为常温常压下不易氧化、高电导率的金属或合金，例如但不限于银、银铜合金等。

实施例6：

在上述实施例基础上，本实施例中的触发电阻5的阻值不低于10欧姆，不高于500欧姆，且大于主弧电流导通时阴极与阳极之间的等效电阻。触发电阻5采用无机材料制成的电阻，以减小材料放气，本实施例中采用陶瓷电阻，实际应用中，触发电阻5也可以采用其他无机材料电阻，触发电阻5的阻值根据材料成分不同而调整。

具体地，可以首先通过计算和测量得出绝缘电阻5的实际电参数，然后通过调整绝缘电阻5材料成分和径向长度来控制其阻值R值和分布C、L值。

实际应用中，可通过调整工作电流，对应选择不同电阻率的掺杂陶瓷电阻，保证在主放电间隙一定时，主放电起弧前在阳极-阴极之间（即触发电阻5两端）电压值高于击穿阈值，同时触发放电沿面产生的种子粒子充分使得阴极-阳极击穿阈值降低。对于不同主放电间隙和不同工作参数要求，电阻范围一般在10欧姆-500欧姆，主放电电流在10安培-200安培。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.电阻触发式真空弧离子源装置，包括阳极（1）、阴极（2）、触发极（3）、阴极-触发极绝缘件（4）、触发电阻（5）以及连接在阴极（2）下端的阴极固定导电接头（6），其特征在于，所述阳极（1）由中空圆筒状的阳极支撑体（11）和连接在阳极支撑体（11）上端的环形阳极（12）构成，所述触发电阻（5）、触发极（3）、阴极-触发极绝缘件（4）和阴极（2）从外至内依次设置在阳极支撑体（11）内；所述触发电阻（5）的内圆周面和外圆周面上均镀有一层金属膜；所述触发电阻（5）的阻值不低于10欧姆，不高于500欧姆，且大于主弧电流导通时阴极（2）与阳极（1）之间的等效电阻。

2.根据权利要求1所述的电阻触发式真空弧离子源装置，其特征在于，所述阴极（2）和阴极固定导电接头（6）设置在阳极（1）的中心轴线上，所述阴极-触发极绝缘件（4）包覆在阴极（2）和阴极固定导电接头（6）外，且阴极-触发极绝缘件（4）的上端面低于阴极（2）的上端面；所述触发极（3）由包覆在阴极-触发极绝缘件（4）外的触发极支撑体（32）和连接在触发极支撑体（32）上端的环形触发极（31）构成，环形触发极（31）下端面还与阴极-触发极绝缘件（4）上端面相连，且环形触发极（31）的内圆周面与阴极（2）之间设置有间隙；

所述触发电阻（5）为中空圆柱体，其外壁与阳极支撑体（11）的内壁相连；触发电阻（5）的内壁与触发极（3）的外壁相连。

3.根据权利要求2所述的电阻触发式真空弧离子源装置，其特征在于，所述阴极-触发极绝缘件（4）由第一绝缘件（41）和位于第一绝缘件（41）下端的第二绝缘件（42）构成，第一绝缘件（41）和第二绝缘件（42）均呈中空圆柱状，且内径相同、中心轴重合，第一绝缘件（41）外径小于第二绝缘件（42）；所述触发极支撑体（32）的内圆周面与第一绝缘件（41）的外圆周面相连，所述环形触发极（31）连接在第一绝缘件（41）上端；所述触发电阻（5）和触发极（3）的下端面均连接在第二绝缘件（42）的上端面上。

4.根据权利要求3所述的电阻触发式真空弧离子源装置，其特征在于，所述第二绝缘件（42）的内圆周面与阴极固定导电接头（6）相连，外圆周面连接在阳极支撑体（11）的内壁上。

5.根据权利要求2至4任一所述的电阻触发式真空弧离子源装置，其特征在于，所述触发电阻（5）至上而下内径逐渐变大，所述触发极支撑体（32）和环形触发极（31）的外径均自上而下逐渐变大。

6.根据权利要求1所述的电阻触发式真空弧离子源装置，其特征在于，所述触发电阻（5）为陶瓷电阻。