CN107182165B - 一种基于热电子发射阴极的等离子体发射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置。该装置包括：等离子体发生单元、加热单元和供气单元。所述加热单元包括电热件、高温绝缘套管、绝缘隔热组件、接线端子和电源；热电子发射阴极、阳极筒、高压电源和高压接线端子；供气单元包含高压气罐和气管。该装置可在常压环境下提供高密度等离子体。该装置具有如下有优点：结构简单、体积小、造价成本低，产生等离子体密度大和无臭氧等副产物产生。本发明还具有成本相对较低、结构简单，可便携移动，灵活度高等优点。
Description
技术领域
本发明属于一种等离子体发生装置，具体涉及一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置。
背景技术
目前，对于现有低温等离子体发生装置主要基于电子束辐射、辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动电弧放电和射流放电等几种原理。其中电子束辐射设备结构复杂，成本高；辉光放电受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且成本高昂；电晕放电和介质阻挡放电装置对电压等级要求较高，等离子体产生过程中，有较高浓度的副产物臭氧和氧化氮等生成，此外电晕放电装置难以产生某单一带电等离子体；射频放电装置在放电过程中同样有副产物产生等问题，而滑动电弧和射流放电都是靠击穿电极中较少的空气产生等离子体，作用范围较小。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，用于产生高密度等离体射流，克服现有技术存在的结构复杂、效率低、存在臭氧副产物问题。
本发明提出的一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，包括加热单元、等离子体发生单元和供气单元组成，其中：
所述加热单元包括电热件、高温绝缘套管、绝缘隔热组件、接线端子和电源；所述电热件安装在高温绝缘套管内，两端通过绝缘隔热组件的两根接线端子接电源输出端；所述高温绝缘套管为筒状结构，其一侧封闭，另一侧与绝缘隔热组件固定连接，将电热件包含在内，构成一个密封加热空间；通过调节所述电源输出电压，能改变电热件发热功率，控制高温绝缘套管表面温度；
所述等离子体发生单元包括热电子发射阴极、阳极筒和高压电源；所述阳极筒为整体接地的圆筒状结构，同轴设在电子发射阴极外部；阳极筒一端开设有喷嘴，用于喷射等离子体，另一端固定在绝缘隔热组件上；所述热电子发射阴极为筒状结构，贴附安装在高温绝缘套管外表面，以接受其发出的热量；热电子发射阴极开口一端固定在所述绝缘隔热组件上；所述热电子发射阴极与所述高温绝缘套管同轴设置，用于发射电子；所述高压电源输出高压端作高压极通过高压接线端子与所述热电子发射阴极相连，高压电源输出另一端作为地极接地；
所述高压电源输出电压可调节，用于改变热电子发射阴极工作电压，控制等离子体发生密度；
所述供气单元包含高压气罐，其通过气管穿过所述隔热绝缘组件与阳极筒和热电子发射阴极构成的腔体相通，用于向热电子发射阴极和阳极筒构成的放电空间提供工作气氛；
工作时，经过电热件加热，热电子发射阴极在高压作用下发射电子，产生等离子体，并在供气单元产生的气流作用下，形成等离子体射流，从所述喷嘴喷射。
优选地，所述电热件为呈U形的电热丝，其材料为镍铬合金或者钨，线径0.5mm～5mm，呈螺旋状安装在高温绝缘套管内，所提供温度不低于1500℃；通过调节所述电源输出电压，调节电热件发热功率，可控制高温绝缘套管表面温度；
优选地，所述高温绝缘套管长度2～50cm，筒外径1～5cm，采用包括石英管或刚玉管在内的耐高温绝缘材料制作；
优选地，所述热电子发射阴极采用含有质量分数为2.2％的La2O3或Y2O3或Ce2O3的包括稀土钨和稀土钼在内的热电子发射材料制作，筒内径1～5cm，筒厚1～5mm，筒长2～50cm。
优选地，所述高压电源额定工作功率5～20kW，输出电压为0～20kV连续可调，输出为直流电；
优选地，所述高压气罐所储气体为包括Ar惰性气体或CO2在内的还原性非可燃性气体，容积为30L～300L，工作压力为0.1MPa～0.7MPa。
优选地，所述供气单元气路设有气压表，用于监测高压气罐气压；
优选地，所述隔热绝缘组件开设有多个通气孔，供气单元气管分多路均匀排列方式，通过各通气孔与阳极筒和热电子发射阴极构成的腔体相通。
本发明提供的基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，具有以下优点：
(1)电子密度高。稀土钨热电子发射材料具有良好的电子发射特性，零场发射电流密度较高，采用此种材料作为阴极，能够在较低的电压和某一工作温度下产生高密度的等离子体。
(2)无臭氧等副产物。相比于以往的低温等离子发生装置，本发明采用的热电子发射阴极工作时，不通过击穿空气产生等离子体就能够向外界发射单一电子，因此无臭氧等副产物生成。
(3)结构简单，灵活度高。本发明成本相对较低、结构简单，可便携移动，灵活度较高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明加热单元绝缘隔热组件局部放大图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明由加热单元、等离子体发生单元和供气单元组成：
所述加热单元包括电热件10、高温绝缘套管11、绝缘隔热组件12、接线端子13、电源14；所述电热件10呈U形安装在高温绝缘套管11内，两端穿过绝缘隔热组件12的两根接线端子13接电源14输出端，所述高温绝缘套管11一侧封闭，另一侧与绝缘隔热组件12固定连接；
通过调节所述电源14输出电压，调节电热件10发热功率，控制高温绝缘套管11表面温度；
所述等离子体发生单元包括热电子发射阴极20、阳极筒21和高压电源22；阳极筒21同轴设在电子发射阴极20外部，阳极筒21整体接地，其一端设有喷嘴25，喷射等离子体；所述热电子发射阴极20设在绝缘隔热组件12上，与所述高温绝缘套管11同轴设置，用于发射电子；所述高压电源22输出高压端作高压极通过高压接线端子23与所述热电子发射阴极20相连，高压电源22输出另一端作为地极接地；
所述热电子发射阴极20呈筒状，贴附安装在高温绝缘套管11外表面；热电子发射阴极20一端固定在隔热绝缘组件上12；所述阳极筒21呈圆筒状，一端与绝缘隔热组件12固定连接；
所述高压电源22输出电压可调节，用于改变热电子发射阴极20工作电压，控制等离子体发生密度；
所述供气单元包含高压气罐30，其通过气管31穿过所述隔热绝缘组件12上开设的通气孔，向热电子发射阴极20和阳极筒21构成的放电空间提供工作气氛；
工作时，经过电热件10加热，热电子发射阴极20在高压作用下发射电子，产生等离子体，并在供气单元产生的气流作用下，形成等离子体射流，从所述喷嘴喷射。
所述等离子体发生装置，其进一步特征在于：
所述电热件10为镍铬合金丝或者钨丝，线径1mm，呈螺旋状安装在高温绝缘套管内，所提供温度为800℃；
所述高温绝缘套管11长度10cm，筒外径1cm，采用刚玉管制作；
所述热电子发射阴极20采用含有La2O3的稀土钨材料制作，电极呈筒状，筒内径1.1cm，筒厚2mm，筒长10cm；
所述高压电源22额定功率20kW，输出电压为0～20kV连续可调，输出形式为直流形式；
所述高压气罐30所储气体为CO2气体，容积为100L，工作压力为0.1MPa～0.7MPa。
本发明提供一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，具有以下优点：
(1)电子密度高。稀土钨热电子发射材料具有良好的电子发射特性，零场发射电流密度较高，采用此种材料作为阴极，能够在较低的电压和某一工作温度下产生高密度的等离子体。
(2)无臭氧等副产物。相比于以往的低温等离子发生装置，本发明采用的热电子发射阴极工作时，不通过击穿空气产生等离子体就能够向外界发射单一电子，因此无臭氧等副产物生成。
(3)结构简单，灵活度高。本发明成本相对较低、结构简单，可便携移动，灵活度较高。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，包括加热单元、等离子体发生单元和供气单元，其特征在于：
所述加热单元包括电热件（10）、高温绝缘套管（11）、绝缘隔热组件（12）、接线端子（13）和电源（14）；所述电热件（10）安装在高温绝缘套管（11）内，两端通过绝缘隔热组件（12）的两根接线端子（13）接电源（14）输出端；所述高温绝缘套管（11）为筒状结构，其一侧封闭，另一侧与绝缘隔热组件（12）固定连接，将电热件（10）包含在内，构成一个密封加热空间；通过调节所述电源（14）输出电压，能改变电热件（10）发热功率，控制高温绝缘套管（11）表面温度；
所述等离子体发生单元包括热电子发射阴极（20）、阳极筒（21）、高压电源（22）和高压接线端子（23）；所述阳极筒（21）为整体接地的圆筒状结构，同轴设在电子发射阴极（20）外部；阳极筒（21）一端开设有喷嘴（25），用于喷射等离子体，另一端固定在绝缘隔热组件（12）上；所述热电子发射阴极（20）为筒状结构，贴附安装在高温绝缘套管（11）外表面，以接受其发出的热量；热电子发射阴极（20）开口一端固定在所述绝缘隔热组件（12）上；所述热电子发射阴极（20）与所述高温绝缘套管（11）同轴设置，用于发射电子；所述高压电源（22）输出高压端作高压极通过高压接线端子（23）与所述热电子发射阴极（20）相连，高压电源（22）输出另一端作为地极接地；
所述高压电源（22）输出电压可调节，用于改变热电子发射阴极（20）工作电压，控制等离子体发生密度；
所述供气单元包含高压气罐（30），其通过气管（31）穿过所述绝缘隔热组件（12）与阳极筒（21）和热电子发射阴极（20）构成的腔体相通，用于向热电子发射阴极（20）和阳极筒（21）构成的放电空间提供工作气氛；
工作时，经过电热件（10）加热，热电子发射阴极（20）在高压作用下发射电子，产生等离子体，并在供气单元产生的气流作用下，形成等离子体射流，从所述喷嘴喷射；采用的热电子发射阴极工作时，不通过击穿空气产生等离子体就能够向外界发射单一电子，无臭氧副产物生成；
所述热电子发射阴极（20）采用含有La2O3的稀土钨材料制作。
2.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述电热件（10）为呈U形的电热丝，其材料为镍铬合金或者钨，线径0.5mm～5mm，呈螺旋状安装在高温绝缘套管内，所提供温度不低于1500℃。
3.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述高温绝缘套管（11）长度2～50cm，筒外径1～5cm，采用包括石英管或刚玉管在内的耐高温绝缘材料制作。
4.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述热电子发射阴极（20）筒内径1～5cm，筒厚1～5mm，筒长2～50cm。
5.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述高压电源（22）额定工作功率5～20kW，输出电压为0～20kV连续可调，输出为直流电。
6.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述高压气罐（30）所储气体为包括Ar惰性气体或CO2在内的还原性非可燃性气体，容积为30L～300L，工作压力为0.1MPa～0.7Mpa。
7.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述供气单元气路设有气压表，用于监测高压气罐（30）气压。
8.如权利要求1所述的等离子体发生装置，其特征在于：
所述绝缘隔热组件（12）开设有多个通气孔，供气单元气管通过各通气孔与阳极筒（21）和热电子发射阴极（20）构成的腔体相通。
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