CN105848396B - 一种利用空心阴极调节离子能量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用空心阴极调节离子能量的装置，包括密封管、空心阴极管、阴极板、连接板、辅助阳极板、真空腔室、环状阳极板、样品放置架、磁场线圈和控制电源，空心阴极管安装在阴极板上；密封管与阴极板连接，并将空心阴极管套入其中，该密封管顶部设有气体导入口；辅助阳极板上设有绝缘隔板；连接板用于使阴极板和辅助阳极板之间形成电势差；环状阳极板和样品放置架均位于真空腔室内；真空腔室与绝缘隔板连接；磁场线圈包裹在真空腔室外部；控制电源分别连接阴极板、辅助阳极板、环状阳极板和样品放置架。本发明具有离子能量容易控制、效果明显、调节范围大的特点，很好地满足了工业和科研应用。
Description
技术领域
本发明涉及低温等离子体技术领域，具体涉及的是一种利用空心阴极调节离子能量的装置。
背景技术
目前，在工业和科研应用领域，低温等离子体应用中控制等离子体的参数，如电子、离子密度和能量等，对于优化工艺和扩大应用范围至关重要。
公开号为CN1904134，名称为“空心阴极离子渗金属装置”公开了一种装有待渗金属的阴极筒，并在平板阳极和样品工件之间附加直流偏压，试图通过此偏压改变入射到样品的离子能量。由于样品处在第一阴极和阳极板之间，偏压的调节局限与空心阴极放电时的电场分布，而且阴极筒中的导电样品可影响空心阴极的放电特性，使得离子能量控制难度非常大。
公开号为CN104827177A，名称为“一种低电压高束流电子束真空焊接装置”公开了一种焊接装置，其放电电源的负极与空心阴极连接，放电电源的正极与加速电极连接，这种方法只能改变电子的能量，加速电源相当于额外增加空心阴极的输入功率，对离子能量的效果不明显。
而公开号为CN102497721A、CN102376521A等类似的技术方案，均是利用空心阴极放电原理来增强了等离子体的束流密度，但由于空心阴极电压降主要集中在阴极管内部，因而离子能量的调节范围很小。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种利用空心阴极调节离子能量的装置，具有离子能量容易控制、效果明显、调节范围大的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种利用空心阴极调节离子能量的装置，包括密封管、空心阴极管、阴极板、连接板、辅助阳极板、真空腔室、环状阳极板、样品放置架、磁场线圈和控制电源，其中：
所述空心阴极管安装在阴极板上并且可以前后调节移动；
所述密封管与阴极板连接，并将空心阴极管套入其中，以实现对空心阴极管的密封，并为空心阴极管的移动预留余量；该密封管顶部还设有用于将气体输入至空心阴极管中的气体导入口；
所述辅助阳极板用作等离子体的弧电极，其上还设有绝缘隔板；所述连接板用于实现阴极板和辅助阳极板的密封连接，并使二者之间形成电势差；
所述环状阳极板和样品放置架均位于真空腔室内，环状阳极板用作等离子体的工作电极，其与辅助阳极板底部间隔30～50厘米，并与空心阴极管之间形成高密度等离子体束流；
所述真空腔室与绝缘隔板连接，用于维持和控制等离子体放电区间的气压；
所述磁场线圈包裹在真空腔室外部，并在真空腔室内形成水平的磁场位形；
所述控制电源包括起弧电源、稳弧电源和直流偏压电源，其中，起弧电源分别与阴极板和辅助阳极板连接；稳弧电源正极通过第二电绝缘引线与环状阳极板连接，负极与阴极板连接；直流偏压电源正极连接第二电绝缘引线，负极通过第一电绝缘引线与样品放置架连接。
进一步地，所述阴极板内还开设有用于通入冷却水以对空心阴极管进行冷却的第一水冷通道。
再进一步地，所述辅助阳极板内还开设有用于通入冷却水以防止空心阴极管发生烧蚀、并损坏阴极板的第二水冷通道。
作为优选，所述空心阴极管为钽管或钽合金管，其安装在阴极板的中心轴线上，并通过螺钉锁紧。
作为优选，所述连接板采用绝缘材料制成。
作为优选，所述阴极板、辅助阳极板和环状阳极板均由紫铜材料制成。
作为优选，所述样品放置架由导电材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明结构简单、设计合理、维修方便、加工成本低廉，其通过密封管、空心阴极管、阴极板、辅助阳极板、环状阳极板的设置，可以满足多种气体的使用，并实现了高离化率等离子体束流的产生，进而有效地提高了能量的转化效率。
(2)利用控制电源和环状阳极板的调节，本发明可以对等离子体中的离子进行加速，并通过改变直流偏压值来调节离子的能量，如此便可在很大范围内调节离子能量的功率，从而满足不同场合的使用要求；同时，本发明通过设置的真空腔室和磁场线圈，使得其中的等离子体束斑尺寸可以由阴极内径和磁场位形调节，因此应用范围极广。
(3)本发明中的空心阴极管不仅方便更换，而且通过前后移动的调整方式，有效提高了空心阴极管的利用率高。
(4)本发明中，环状阳极板与空心阴极管之间的距离可根据实际情况选择，一般为几十厘米，这样可以使环状阳极板拥有足够的空间来对等离子体束的电子温度、密度等参数的空间分布进行诊断。
(5)本发明中的所述阴极板、辅助阳极板和环状阳极板均由紫铜材料制成，不仅散热性好、电气性能优良，而且形状简单，容易加工。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-气体导入口，2-空心阴极管，3-阴极板，4-连接板，5-辅助阳极板，6-绝缘隔板，7-真空腔室，8-环状阳极板，9-样品放置架，10-磁场线圈，11-第一电绝缘引线，12-第二电绝缘引线，13-第一水冷通道，14-第二水冷通道，15-起弧电源，16-稳弧电源，17-直流偏压电源。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种用于直线强磁场装置中材料改性与材料相互作用机制的等离子体发生装置，其可以产生高离化率的等离子体束流。本发明包括密封管、空心阴极管2、阴极板3、连接板4、辅助阳极板5、真空腔室7、环状阳极板8、样品放置架9、磁场线圈10和控制电源。所述空心阴极管2安装在阴极板3上，其可选用钽管或钽合金管，并通过螺钉锁紧于阴极板3中心轴线上。所述密封管与阴极板3连接，并将空心阴极管2套入其中，以实现对空心阴极管的密封，该密封管顶部还设有用于将气体(例如Ar、He、N2、H2等多种气体)输入至空心阴极管2中的气体导入口1。本实施例中，在使用时，空心阴极管2是从前端开始烧蚀的，因此，在空心阴极管前端烧蚀后，可以稍作处理向前调节空心阴极管继续使用，而所述的密封管在长度上则为空心阴极管的移动预留一定的空间余量。
此外，所述的阴极板2内还开设有第一水冷通道13，用于通入冷却水，以对空心阴极管进行冷却，防止空心阴极管因温度过高而发生过度的烧蚀。
所述辅助阳极板5用作等离子体的弧电极，所述连接板4用于实现阴极板3和辅助阳极板5的密封连接，并使二者之间形成电势差。本实施例中，所述的连接板4采用耐高温的绝缘材料制成，在实现密封的同时，还可以实现阴极板3和辅助阳极板5之间的绝缘。并且，所述的辅助阳极板5内还开设有的第二水冷通道14，该第二水冷通道14靠近辅助阳极板5的底部开口，其同样用于通入冷却水，以防止在喷口处因等离子体温度过高而发生烧蚀并损坏阴极板，保证长时间稳定的等离子体放电。
另外，所述的环状阳极板8和样品放置架9均位于真空腔室7内，而所述的辅助阳极板5上则设有绝缘隔板6，该绝缘隔板6与真空腔室7连接，用于辅助阳极板5与真空腔室7之间的绝缘，确保本发明工作时不会对真空直线磁场装置产生影响。
所述环状阳极板8用作等离子体的工作电极，其与辅助阳极板5底部间隔一定的距离(30～50厘米)，并与空心阴极管之间形成高密度等离子体束流。环状阳极的环状设计可以使等离子体参数在沿着中心轴旋转对称。
所述磁场线圈10包裹在真空腔室7外部，并在真空腔室内形成水平的磁场位形。而所述的控制电源则包括起弧电源15、稳弧电源16和直流偏压电源17，其中，起弧电源15为高频高压电源，其分别与阴极板3和辅助阳极板5连接，起弧电源的正负极接法没有限制；稳弧电源16为恒定电流电源，其正极通过第二电绝缘引线12与环状阳极板8连接，负极与阴极板3连接；直流偏压电源17为恒定电压源，其正极连接第二电绝缘引线12，负极通过第一电绝缘引线11与样品放置架9连接。
本发明的主要工作原理为：将样品放置于样品放置架9与环状阳极板8之间，然后利用气体导入口1经由密封管向空心阴极管2中通入多种气体，此时，通过起弧电源15在阴极板3和辅助阳极板5之间加载一定的电压，使气体形成电弧放电的形式。
电弧放电维持数秒后，开启稳弧电源16，并关闭起弧电源15，使得空心阴极管内产生稳定的等离子体，并由辅助阳极板5底部逸出，进入真空腔室7内，在磁场的约束下，等离子体到达环状阳极板8并穿过环状阳极板，形成高离化率的等离子体束流。由于环状阳极板8和样品放置架9之间的负偏压，使得离子朝着样品放置架9的方向加速，从而使样品获得不同的离子能量。
本发明可以同时通入多种气体，并产生高离化率的等离子体束流，从而提高能量的转化效率。本发明通过控制电源和环状阳极板的调节，可以满足不同场合的使用要求，因此，其适用范围相当广泛，非常适于推广应用。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，包括密封管、空心阴极管(2)、阴极板(3)、连接板(4)、辅助阳极板(5)、真空腔室(7)、环状阳极板(8)、样品放置架(9)、磁场线圈(10)和控制电源，其中：
所述空心阴极管(2)安装在阴极板(3)上并且可以前后调节移动；
所述密封管与阴极板(3)连接，并将空心阴极管(2)套入其中，以实现对空心阴极管的密封，并为空心阴极管的移动预留余量；该密封管顶部还设有用于将气体输入至空心阴极管中的气体导入口(1)；
所述辅助阳极板(5)用作等离子体的弧电极，其上还设有绝缘隔板(6)；所述连接板(4)用于实现阴极板和辅助阳极板的密封连接，并使二者之间形成电势差；
所述环状阳极板(8)和样品放置架(9)均位于真空腔室(7)内，环状阳极板(8)用作等离子体的工作电极，其与辅助阳极板(5)底部间隔30～50厘米，并与空心阴极管之间形成高密度等离子体束流；
所述真空腔室(7)与绝缘隔板(6)连接，用于维持和控制等离子体放电区间的气压；
所述磁场线圈(10)包裹在真空腔室(7)外部，并在真空腔室内形成水平的磁场位形；
所述控制电源包括起弧电源(15)、稳弧电源(16)和直流偏压电源(17)，其中，起弧电源(15)分别与阴极板(3)和辅助阳极板(5)连接；稳弧电源(16)正极通过第二电绝缘引线(12)与环状阳极板(8)连接，负极与阴极板(3)连接；直流偏压电源(17)正极连接第二电绝缘引线(12)，负极通过第一电绝缘引线(11)与样品放置架(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述阴极板(3)内还开设有用于通入冷却水以对空心阴极管进行冷却的第一水冷通道(13)。
3.根据权利要求2所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述辅助阳极板(5)内还开设有用于通入冷却水以防止空心阴极管发生烧蚀、并损坏阴极板的第二水冷通道(14)。
4.根据权利要求1～3任一项所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述空心阴极管(2)为钽管或钽合金管，其安装在阴极板(3)的中心轴线上，并通过螺钉锁紧。
5.根据权利要求1所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述连接板(6)采用绝缘材料制成。
6.根据权利要求1所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述阴极板(3)、辅助阳极板(5)和环状阳极板(8)均由紫铜材料制成。
7.根据权利要求1所述的一种利用空心阴极调节离子能量的装置，其特征在于，所述样品放置架(9)由导电材料制成。
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