CN105704902A - 一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置，包括：阳极板(2)、真空放电腔体(9)、套设于该真空放电腔体(9)外的亥姆霍兹线圈(10)和组合式空心阴极(8)，所述的组合式空心阴极(8)包括：若干T形阴极底板(4)和两个阴极侧板(5)；所述的T形阴极底板(4)平行排列于同一平面上，相邻的两个T形阴极底板(4)之间均形成一凹槽形阴极(7)，所述的两个阴极侧板(5)分别设置于组合式T形空心阴极底板的两侧端，并可沿与其相邻的T形阴极底板之间(4)平行滑动，用于调节组合式空心阴极(8)的开口宽度。利用上述放电装置能够产生任意厚度的大面积、高密度、且具有较好均匀性的等离子体片。

Description

一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置

技术领域

本发明涉及一种等离子体产生装置技术领域，尤其是一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置。

背景技术

等离子体是自然界物质存在的“第四态”，利用等离子体的特性为人类服务的技术称为等离子体技术。迄今为止，等离子体技术已被广泛应用于焊接、切割、照明、冶金、磁流体发电、微电子加工、材料表面改性、超细超纯材料的制备、废弃物处理、飞行器隐身、等离子体天线等传统工业领域和高新技术领域。

目前，利用电场电离气体是人工生成等离子体的主要途径，这种产生等离子体的方式被称为气体放电。通常按照采用的电场种类及施加的电场参数，气体放电又分为电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、微波放电和射频放电等。

等离子体一般用电子密度、电子温度等参数及其空间分布来描述。不同的应用领域对等离子体的参数有不同的需求。目前，等离子体材料处理和微波与等离子体相互作用等应用与研究领域都要求产生大范围、高密度的等离子体。因此，如何按照上述需求产生并控制等离子体参数及其空间分布是等离子体产生技术的重要研究方向。

空心阴极放电属于辉光放电的一种，传统的空心阴极通常做成空心圆柱、一对平行板等深槽型结构，放电阳极放置在距离阴极开口处非常近的位置。如图1所示，电极包括具有圆柱型深槽结构的空心阴极1和阳极2。这种结构在气体放电过程中由于空心阴极效应可获得高密度高能量的等离子体，具体放电过程为：离子撞击空心阴极1产生二次电子，这些二次电子被空心阴极1内表面高压鞘层加速后形成高能电子束，受空心阴极1深槽型结构的限制，这些高能电子束被约束在空心阴极1内运动，运动过程中与中性原子不断发生碰撞电离并损失能量，由于每次碰撞电离损耗能量有限，因此这些高能电子束可以发生多次碰撞电离从而形成高密度的等离子体片3。但是，这种传统的空心阴极1放电结构形成的高密度等离子体片3大部分被局限在了空心阴极1内，不能在空心阴极1与阳极2之间形成大范围的等离子体区域。

研究表明磁约束线形空心阴极的增强型辉光放电模式是一种产生大面积、高密度等离子体的有效手段，但是现有的磁约束线形空心阴极结构单一，形成的等离子体片厚度参数受限且不可以连续调节，同时由于其采用整体式槽型阴极结构，清洗起来很不方便。目前，现有技术中尚不存在具有便于清洗，且生成的等离子体片厚度可调的磁约束线形空心阴极。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置，以解决采用现有的磁约束线形空心阴极所生成的大面积、高密度等离子体片厚度参数受限、不可连续调节，且阴极清洗不便的技术问题。

为实现上述目的，本发明的组合式磁约束线形空心阴极放电装置包括：阳极板、真空放电腔体和套设于该真空放电腔体外的亥姆霍兹线圈，所述的真空放电腔体与亥姆霍兹线圈同轴设置；还包括组合式空心阴极，所述的组合式空心阴极与阳极板相对、平行的设置于真空放电腔体内；该组合式空心阴极包括：若干T形阴极底板和两个阴极侧板；所述的T形阴极底板平行排列于同一平面上，相邻的两个T形阴极底板之间均形成一凹槽形阴极；所述的两个阴极侧板分别设置于组合式空心阴极的两端，并与其相邻的T形阴极底板之间平行滑动，用于调节组合式空心阴极的开口宽度。这种凹槽形阴极的放电宽度连续可调，其中，每个凹槽形阴极均匀放电的最大宽度的大小取决于槽深及放电条件；将上述可变宽度的组合式空心阴极与一个同其相对放置的阳极板放置在一个与亥姆霍兹线圈同轴的真空放电腔体内，最终在适当的磁约束放电条件下便可获得所需厚度的大面积、高密度等离子体片。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的T形阴极底板和阴极侧板的外壁上均套设有绝缘保护套，用于阻止T形阴极底板的外壁和阴极侧板的外壁放电。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的真空放电腔体采用普通玻璃、有机玻璃或聚碳酸酯材料制成。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的亥姆霍兹线圈加载的电流满足等离子体中电子的回旋运动半径大于凹槽形阴极宽度的一半，使得凹槽阴极内及相邻的凹槽形阴极之间生成的电子的运动轨迹发生交叠。

利用上述组合式磁约束线形空心阴极放电装置生成大面积、高密度等离子体片的原理为：在放电条件下，组合式空心阴极的每一个凹槽形阴极内都会产生大量高能量高密度的电子束，由于其对高能电子束的约束能力不如传统的深槽型空心阴极，因此该凹槽形阴极内的高能电子束更容易运动到组合式空心阴极外部；这些运动到组合式空心阴极外部的高能电子束在亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场约束下沿着磁力线向着阳极板做螺旋运动，并在运动过程中与中性气体原子发生多次碰撞电离形成大量低能的电子离子对，高能电子束越多形成的低能电子离子对越多，这些低能电子离子对同样受磁力线的约束做螺旋运动，最终在阴阳极间形成了大面积、高密度的等离子体片，调整亥姆霍兹线圈电流使等离子体中电子的回旋运动半径大于凹槽形阴极宽度的一半，并大于槽与槽之间的隔板的宽度，这时整个等离子体片在厚度方向上的等离子体参数变得均匀；通过阴极侧板调整整个组合式磁约束线形空心阴极的宽度，以便获得不同厚度的、大面积、高密度等离子体片。

本发明的一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置优点在于：

本发明的放电装置与现有的固定宽度的磁约束线形空心阴极放电装置相比，在理想条件下可以产生任意厚度的大面积、高密度等离子体片，并且其厚度参数在一定范围内连续可调，不需增加额外设备，具有更强的工程适用性；所述的亥姆霍兹线圈加载的电流满足等离子体中电子的回旋运动半径大于凹槽形阴极宽度的一半，使得凹槽阴极内及相邻的凹槽形阴极之间生成的电子的运动轨迹发生交叠，从而产生的大面积、高密度等离子体在厚度方向上具有较好的均匀性；采用的可调宽度的组合式空心阴极便于分解清洗，且方便更换不同的组件，节约了制造成本。

附图说明

图1：传统的深槽型空心阴极结构及其产生的等离子体分布示意图。

图2：本发明实施例中，使用两个阴极侧板的组合式磁约束线形空心阴极放电装置，T形空心阴极数量N选定后，组合式空心阴极宽度调节到最大时的结构示意图。

图3：本发明实施例中，使用两个阴极侧板的组合式磁约束线形空心阴极放电装置，T形空心阴极数量N选定后，组合式空心阴极宽度调节到最小时的结构示意图。

图4：利用图2所示的放电装置生成等离子体的侧视图。

图5：利用图2所示的放电装置生成等离子体的正视图。

图6：磁场约束对等离子体参数均匀性影响的俯视图。

图7：利用本发明的具有1个T形阴极底板的放电装置所生成的4cm厚等离子体片电子密度分布图。

附图标记

1、空心阴极2、阳极板3、等离子体片

4、T形阴极底板5、阴极侧板6、绝缘保护套

7、凹槽形阴极8、组合式空心阴极9、真空放电腔体

10、亥姆霍兹线圈11、电磁感应线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置进行详细说明。

本发明的一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置，包括：阳极板、真空放电腔体和套设于该真空放电腔体外的亥姆霍兹线圈，所述的真空放电腔体与亥姆霍兹线圈同轴设置；还包括组合式空心阴极，所述的组合式空心阴极与阳极板相对、平行的设置于真空放电腔体内；该组合式空心阴极包括：若干T形阴极底板和两个阴极侧板；所述的T形阴极底板平行排列于同一平面上，且相邻的两个T形阴极底板之间均形成一凹槽形阴极；所述的两个阴极侧板分别设置于组合式空心阴极的两端，并与相邻的T型阴极底板之间平行滑动，用于调节组合式空心阴极的开口宽度。

基于上述放电装置的结构，如图2和图3所示，在本实施例中的组合式空心阴极是由具有N个T形阴极底板和2个阴极侧板组成的N+1个凹槽形阴极的结构，组合式空心阴极具体包括：N个T形阴极底板4、设置于组合式空心阴极两端的两个阴极侧板5、分别套设于T形阴极底板4和阴极侧板5的外壁上的绝缘保护套6。其中，所述的阴极侧板5可沿着T形阴极底板4滑动。通过滑动两个阴极侧板5，能够实现组合式空心阴极的开口宽度的连续可调。例如：设阴极侧板5与其最近的T形阴极板4之间的最大距离为d(d≤D，D表示任意凹槽形阴极的宽度)，调节两个阴极侧板5的位置，使得其中一个阴极侧板5与其临近的T形阴极板4之间的距离为d1(d1≤d)，另一个阴极侧板5与其临近的T形阴极板4之间的距离为d2(d2≤d)；则组合式空心阴极的开口宽度为“(N－1)×D+d1+d2”。

而图2所示的是组合式空心阴极所能达到的开口最宽为(N－1)×D+2d”；图3所示的是组合式空心阴极所能达到的开口最窄为(N－1)×D。由此可知，该组合式空心阴极可实现开口宽度在“(N－1)×D”和“(N－1)×D+2d”之间变化；另外，还可根据需要通过改变T形阴极底板4的数量，以实现开口宽度的较大范围变化。

如图4所示，是利用图2所示的放电装置生成等离子体的侧视图，该放电装置还包括：一个可被抽气注气的真空放电腔体9、与真空放电腔体9同轴放置的亥姆霍兹线圈10、开口宽度可调的组合式空心阴极8和阳极板2，利用该放电装置产生的大面积的等离子体片3。图5是利用图2所示的放电装置生成等离子体的正视图。

其中，所述的开口宽度可调的组合式空心阴极8的T形阴极底板、阴极侧板的放电面，需要做表面抛光处理，以免出现火花放电。所述阳极板采用平板结构，可以是圆形、方形或任意多边形。所述的亥姆霍兹线圈产生的磁场强度通过磁场电流大小来调节，对不同的空心阴极放电宽度需要选择合适的磁场电流，以保证产生相对均匀的等离子体片。

如图6所示，图中的电磁感应线11为亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场，为了产生较均匀的等离子体片3，等离子体电子的回旋运动半径应大于凹槽形阴极宽度的一半，使得凹槽阴极内及相邻的凹槽形阴极之间生成的电子的运动轨迹发生交叠。另外，所述的真空放电腔体可采用普通玻璃、有机玻璃或聚碳酸酯材料制得。

在真空放电腔体9外，按照指定等离子体片3的厚度参数，选择T形阴极底板的数目，并滑动调整组合式空心阴极8上设置的两个阴极侧板，使两个阴极侧板间距等于指定厚度大小。利用螺钉将T形阴极底板、阴极侧板、以及绝缘保护套组合成固定的组合式空心阴极结构。将固定好的组合式空心阴极8按图4、图5所示的位置放置于真空放电腔体9内。调整真空放电腔体9内工作气体的气压、阴极与阳极之间的放电电压，以及亥姆霍兹线圈10中的电流，便可获得所需厚度的大面积、高密度等离子体片3。如果需要改变等离子体片3的厚度，取出组合式空心阴极8，重复以上调整步骤即可。

在图4、5所示的放电装置中，组合式空心阴极8采用具有1个T形阴极底板、两个阴极侧板及绝缘保护套6组成的双凹槽形阴极结构形式，其中，两个阴极侧板间距设定为4cm，每个凹槽形阴极的槽深为2cm，组合式空心阴极8与阳极板2相距60cm。在真空放电腔体9内的工作气体为氦气，气压为100Pa，在电压U＝-2000V的条件下获得长、宽、厚度分别为60cm×60cm×4cm的高密度等离子体片3，在该等离子体片3的中心位置利用郎缪尔探针测得在其厚度方向上的等离子体密度分布如图7所示，该图表明按照本发明设计的组合式空心阴极获得了在厚度方向上比较均匀的等离子体片，电子密度大小在同一数量级变化。

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 (4)

1.一种组合式磁约束线形空心阴极放电装置，包括：阳极板(2)、真空放电腔体(9)和套设于该真空放电腔体(9)外的亥姆霍兹线圈(10)，所述的真空放电腔体(9)与亥姆霍兹线圈(10)同轴设置；其特征在于，还包括组合式空心阴极(8)，所述的组合式空心阴极(8)与阳极板(2)相对、平行的设置于真空放电腔体(9)内；该组合式空心阴极(8)包括：若干T形阴极底板(4)和两个阴极侧板(5)；所述的T形阴极底板(4)平行排列于同一平面上，相邻的两个T形阴极底板(4)之间均形成一凹槽形阴极(7)；所述的两个阴极侧板(5)分别设置于组合式空心阴极的两端，并与其相邻的T形阴极底板(4)之间平行滑动，用于调节组合式空心阴极(8)的开口宽度。

2.根据权利要求1所述的组合式磁约束线形空心阴极放电装置，其特征在于，所述的T形阴极底板(4)和阴极侧板(5)的外壁上均套设有绝缘保护套(6)，用于阻止T形阴极底板(4)的外壁及阴极侧板(5)的外壁放电。

3.根据权利要求1所述的组合式磁约束线形空心阴极放电装置，其特征在于，所述的真空放电腔体(9)采用普通玻璃、有机玻璃或聚碳酸酯材料制成。

4.根据权利要求1所述的组合式磁约束线形空心阴极放电装置，其特征在于，所述的亥姆霍兹线圈(10)加载的电流满足等离子体中电子的回旋运动半径大于凹槽形阴极(7)宽度的一半，使得凹槽形阴极(7)内及相邻的凹槽形阴极(7)之间生成的电子的运动轨迹发生交叠。