CN109326963B - 一种自由电子能量调控器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自由电子能量调控器，包括真空金属腔体、活性炭饼、自由电子传导线以及自由电子输出线；活性炭饼设置在真空金属腔体中且将真空金属腔体隔离为第一碰撞室和第二碰撞室；第一碰撞室中设置有旋转铜靶材，旋转铜靶材的内腔安装有芒刺形放射阴极，芒刺形放射阴极连接自由电子传导线的一端，自由电子传导线的另一端延伸至真空金属腔体外；第二碰撞室填充有永久偶极矩材料；自由电子输出线的一端连接第二碰撞室的内壁，另一端连接延伸至真空金属腔体外。使自由电子通过物理碰撞、激发达到能量调节的目的，以实现对电子能量的控制，以便产生没有臭氧、氮氧化物等有害物质的负氧离子。
Description
技术领域
本发明涉及空气净化设备领域，尤其涉及一种自由电子能量调控器。
背景技术
空气负离子在1889年被德国科学家埃尔斯特和格特尔发现，是空气中带负电荷的单独的气体分子或离子团的总称，即O2-(H2O)n或OH-(H2O)n或CO4 -(H2O)2，1902年阿肖凯那期等肯定了其生物意义。因为空气中氧气含量较高且容易与负电荷结合，所以通常所说的空气负离子就是指负氧离子，近十几年研究逐渐证实负氧离子，尤其是小粒径负氧离子具备临床治疗、保健功能，以及杀菌、降尘、净化空气的功效。
随着现代社会面临的雾霾、装修污染等问题的日趋严重，以及人们对生活质量和健康的重视，负氧离子在空气净化和理疗领域的应用越来越多。目前人工产生负离子的方法主要有两种，第一种是有源方法，即利用高压静电场、高频电场等电离空气产生负氧离子，然后借助于风机和其它手段，将负离子送到风机出口。这种方法产生负离子主要用在室内空气净化器、新风机、车载净化器、负离子暖湿机、小空间空气净化器(如音箱、麦克风等)，但是以这种方法产生负离子的同时，也会产生臭氧和其它氮氧化物等不良附加产物。
第二种是利用天然无机矿石(如电气石、六环石、蛋白石、奇冰石、奇才石、古代海底矿物层等)产生负离子，由于这些矿石具备电极性和由此带来的压电效应和热电效应，通过对矿石进行机械等方法处理使其粒径达到微米甚至纳米级别后，微弱的压力与热使其自发极化，产生的表面电场电离空气生成负氧离子，同时没有其它臭氧等有害物质产生，利用天然无机矿石产生负离子的方法主要用在负离子空气净化剂、负离子腻子、负离子涂料、负离子地板、负离子地暖、负离子墙贴、负离子陶瓷等。无机矿石产生负氧离子经济、污染少，也是人们目前普遍研究、开发广泛的方法。但是，这些材料本身带有放射性，用量少时负氧离子含量达不到功能性要求，用量多时超出安全辐射值，对人体造成伤害。
此外，当自由电子动能较小时自由电子容易被原子或者分子俘获，形成负离子。当自由电子动能大于原子或者分子的电离能时，碰撞使原子或分子激发或电离，形成负离子的同时形成正离子。由此可见，电子动能较小时，更加容易形成负氧离子而没有副产物生成。但是，当自由电子动能过小时，运动速度减慢，形成小粒径负离子的概率降低，因此，需要将自由电子能量控制在一个合理范围内。此外，只有当自由电子动能大于8.4ev时，才有可能使氧气分子分解、电离、附着形成臭氧，而臭氧的分解能量为2ev。这个能量范围内臭氧即便生成也迅速被分解，几乎不能存在，应尽量将电子能量控制在这个范围内以减少附加产物臭氧的产生。
因此，需要将自由电子的能量平衡在一个合理的范围内，避免正离子、臭氧、高压放电氮氧化物等附加产物的产生，又不影响负离子的生成。然而，目前市面上还没有能较好地将电子能量进行自由控制的装置。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种自由电子能量调控器。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种自由电子能量调控器,包括真空金属腔体、活性炭饼、自由电子传导线以及自由电子输出线；所述活性炭饼设置在所述真空金属腔体中且将所述真空金属腔体隔离为第一碰撞室和第二碰撞室；
所述活性炭饼设置有若干通孔；
所述第一碰撞室中设置有旋转铜靶材，所述旋转铜靶材的内腔安装有芒刺形放射阴极，所述芒刺形放射阴极连接所述自由电子传导线的一端，所述自由电子传导线的另一端延伸至所述真空金属腔体外与外部电源连接。
所述第二碰撞室填充有永久偶极矩材料；所述自由电子输出线的一端连接所述第二碰撞室的内壁，另一端连接延伸至所述真空金属腔体外与负离子发生端连接。
本发明的有益效果是，通过第一碰撞室、第二碰撞室和活性炭饼组成的自由电子能量调控器，不仅结构简单，而且为自由电子提供了一个较好的碰撞环境，可让自由电子通过碰撞来调节电子的能量，以实现对电子能量进行自由控制，以便产生没有臭氧、氮氧化物等有害物质的负氧离子。其中，通过设置活性炭饼，以利于打在铜靶材上的自由电子传输至第二腔室，并避免第二碰撞室内的粉尘进入第一碰撞室，影响电子与靶材的碰撞效果。其中，通过采用芒刺形放射阴极，表面积大，极利于自由电子的放射，而芒刺形电极由于尖刺的影响，在较低电压状态下更容易释放自由电子。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。
进一步，所述活性炭饼包括一层活性炭隔膜以及分别设置在活性炭隔膜两侧的两层铜网。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过用两层铜网来支撑活性炭隔膜，可以使活性炭隔膜稳定地固定在真空金属腔体中。
进一步，所述铜网上设置有多个通孔，所述通孔的孔径为10mm。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过在铜网上设置多个通孔，且通孔的孔径设置为10mm，一方面有利于自由电子通过，另一方面可有效防止活性炭隔膜上的脱粒掉入到真空金属腔体中。
进一步，所述自由电子输出线外还套装有屏蔽套管，所述屏蔽套管包括内层和外层，所述内层为镀锡铜丝钩织成的钩织网，所述外层由聚酯复丝材质制成。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过设置屏蔽套管可有效起到屏蔽信号的作用，从而避免对自由电子的干扰，且通过将套管外层采用聚酯复丝精心纺织而成，内附一层镀锡铜丝钩织而成的钩织网，具有良好的屏蔽性能，滤除电磁波对自由电子运动的干扰，并能起到接地、保护等作用。
进一步，所述永久偶极矩材料为非铁电体类材料。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过采用非铁电体类材料作为永久偶极矩材料可以满足电子束轰击时，会有电子释放，并且成本较低，性价比较高。
进一步，所述非铁电体类材料具体为多个电气石粉球，每个所述电气石粉球的表面包覆有铜网。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过将非铁电体类材料设置为多个电气石粉球，每个所述电气石粉球的表面包覆有铜网，不仅保证良好的热电效应，而且能够避免电气石粉球破碎产生杂质的情况。
进一步，所述真空金属腔体为圆柱形腔体、球形腔体或矩形腔体。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过将真空金属腔体设置为圆柱形腔体、球形腔体或矩形腔体，可使自由电子碰撞更加均匀，有利于电子能量的控制。
进一步，所述芒刺形放射阴极为石墨烯包覆的碳骨架。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过采用石墨烯包覆的碳骨架作为芒刺形放射阴极，相比普通金属及碳纤维尖端，导电导热性能更加突出。
进一步，所述真空金属腔体的材质为铝合金、无氧铜或不锈钢。
采用上述进一步方案的有益效果是，通过采用铝合金、无氧铜、不锈钢这类逸出功较低、熔点较高的金属材料，可避免电子打击时产生的大量热使金属融化。
附图说明
图1为本发明实施例的一种自由电子能量调控器的结构示意图；
图2为本发明实施例的另一种自由电子能量调控器的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、真空金属腔体，2、第一碰撞室，3、第二碰撞室，4、自由电子传导线，5、芒刺形放射阴极，6、旋转铜靶材，7、铜网，8、活性炭隔膜，9、电气石粉球，10、自由电子输出线，11、屏蔽套管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的一种自由电子能量调控器，包括真空金属腔体1、活性炭饼、自由电子传导线4以及自由电子输出线10；所述活性炭饼设置在所述真空金属腔体1中且将所述真空金属腔体1隔离为第一碰撞室2和第二碰撞室3。
所述活性炭饼设置有若干通孔。
所述第一碰撞室2中设置有旋转铜靶材6，所述旋转铜靶材6的内腔安装有芒刺形放射阴极5，所述芒刺形放射阴极5连接所述自由电子传导线4的一端，所述自由电子传导线4的另一端连接处于真空金属腔体1外的电源部分。
具体地，旋转铜靶材6为圆筒型，且圆筒的一端为开口设置；而第一碰撞室2的内壁设置有卡槽，以便旋转铜靶材6的开口端能卡合在卡槽中，从而使旋转铜靶材6固定在第一碰撞室2中。而芒刺形放射阴极5可为刚性的阴极线，阴极线的一端为芒刺形发射端，另一端为连接端；其连接端固定第在第一碰撞室2的内壁且与自由电子传导线4连接，从而使得芒刺形发射端能位于旋转铜靶材6的内腔中。
所述第二碰撞室3填充有永久偶极矩材料；所述自由电子输出线10的一端连接所述第二碰撞室3的内壁，另一端连接延伸至所述真空金属腔体1外与负离子释放部分连接。
在实际应用场景中，首先，将芒刺形放射阴极5通过自由电子传导线4连接直流负高压电源，因为直流负高压与直流正高压相比，更容易激发电子。
然后，芒刺形阴极放射出的自由电子首先打在第一碰撞室2的旋转铜靶材6上，溅射出二次电子，能量峰值在15ev，二次电子经过铜网7和活性炭隔膜8与第二碰撞腔室内的永久偶极矩材料碰撞，热电效应激发出更多自由电子，自由电子通过自由电子输出线10输出。从而实现通过控制直流负高压的高低与碰撞腔内碰撞样品的多少来达到调节电子能量，并且在此基础上大大提高了电子数量。
需要说明的是，旋转铜靶材为铜制的旋转式靶材，均为现有产品，故不在此赘述。
可选地，放射阴极为芒刺形石墨烯包覆碳骨架，相比普通金属及碳纤维尖端，导电导热性能更加突出，比表面积大，极利于自由电子的放射，而芒刺形电极由于尖刺的影响，在较低电压状态下更容易释放自由电子。
其中，由于放射出来的电子的动能大小与电压有关，当电压小于30KV时，可以忽略相对论效应，电子的质量不变，动能与电压的关系如下公式：
此时发射出的电子动能可达到10kev-30kev，因此，需要基于电子碰撞原理对电子的动能进行控制。为了防止电子碰撞过程中的极间放电和延长放射阴极的寿命，碰撞室需要维持一定的真空度，至少需要达到1.33×10-2-1.33×10-3Pa(10-4-10-5mmHg)，并用高真空密封脂密封处理以维持真空度。
可选地，碰撞室材料选择物理学中真空环境常用的金属材料，例如铝合金、无氧铜或不锈钢。
可选地，自由电子输出线10外套设有屏蔽套管11，套管外层采用聚酯复丝精心纺织而成，内附一层镀锡铜丝钩织而成的钩织网，具有良好的屏蔽性能，滤除电磁波对自由电子运动的干扰，并能起到接地、保护作用等特点。
需要说明的是，碰撞室内放置与电子碰撞的碰撞样品，分为两种，第一碰撞室2内为逸出功较低、熔点较高的金属材料，一是避免电子打击时产生的大量热使金属融化，二是打击过程中，会有大量二次电子等发射出来，增加电子流密度，具体可选择旋转形铜靶材；第二种为具备永久偶极矩的材料，用电子束轰击时，会有电子释放，永久偶极矩材料的选择，可以为铁电体类如钙钛矿铁电体，也可以为非铁电体类如电气石和硫化镉，虽然铁电体的热电效应比非铁电体大很多，但成本相对较高，因此本实施例中可选用具体可采用铜网8包覆非铁电体电气石粉球，通过将非铁电体类材料设置为多个电气石粉球9，每个所述电气石粉球9的表面包覆有铜网，不仅保证良好的热电效应，而且能够大大降低材料的成本。
可选地，所述永久偶极矩材料为铁电体类材料。通过采用铁电体类材料作为永久偶极矩材料，具有较好的热电效应，可以在电子束轰击时，得到较好的电子释放效果，以有利于对后续电子能量的控制。
可选地，所述真空金属腔体1为圆柱形腔体、球形腔体、矩形腔体中的一种。
具体地，如图1所示，当真空金属腔体1为球形腔体时，采用金属块掏空的方式保证密封性。真空金属腔体1由第一碰撞室2和第二碰撞室3组成，真空金属腔体1前端有自由电子传导线4穿入，自由电子传导线4连接芒刺形放射阴极5，芒刺形放射阴极5前端为旋转形铜靶材6，旋转形铜靶材6前端为含有介电性质的圆饼形的活性炭隔膜8，活性炭隔膜8外部设置有铜网7，第二碰撞室3内充满铜网包覆的电气石粉球9，真空金属腔体1末端引出自由电子输出线10，自由电子输出线10外部套有屏蔽套管11。铜网7为圆形，且铜网7上设置有多个通孔，通孔的孔径为10mm。
具体地，如图2所示，当真空金属腔体1为矩形腔体时，一种自由电子能量调控器，由长方形真空金属腔体1真空密封，真空金属腔体1由第一碰撞室2和第二碰撞室3组成，真空金属腔体1前端有自由电子传导线4穿入，自由电子传导线4连接芒刺形放射阴极5，芒刺形放射阴极5前端为旋转形铜靶材6，旋转形铜靶材6前端为含有介电性质的方形活性炭隔膜8，活性炭隔膜8外部为铜网7，且铜网7上设置有多个通孔，通孔的孔径为10mm，第二碰撞室3内充满铜网包覆的电气石粉球9，真空腔体1末端引出自由电子输出线10，自由电子输出线10外部套有屏蔽套管11。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自由电子能量调控器，其特征在于，包括真空金属腔体(1)、活性炭饼、自由电子传导线(4)以及自由电子输出线(10)；所述活性炭饼设置在所述真空金属腔体(1)中且将所述真空金属腔体(1)隔离为第一碰撞室(2)和第二碰撞室(3)；
所述活性炭饼设置有若干通孔；
所述第一碰撞室(2)中设置有旋转铜靶材(6)，所述旋转铜靶材(6)的内腔安装有芒刺形放射阴极(5)，所述芒刺形放射阴极(5)连接所述自由电子传导线(4)的一端，所述自由电子传导线(4)的另一端延伸至所述真空金属腔体(1)外；
所述第二碰撞室(3)填充有永久偶极矩材料；所述自由电子输出线(10)的一端连接所述第二碰撞室(3)的内壁，另一端连接延伸至所述真空金属腔体(1)外。
2.根据权利要求1所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述活性炭饼包括一层活性炭隔膜(8)以及分别设置在活性炭隔膜(8)两侧的两层铜网(7)。
3.根据权利要求2所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述铜网(7)上设置有多个通孔，所述通孔的孔径为10mm。
4.根据权利要求1所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述自由电子输出线(10)外还套装有屏蔽套管(11)，所述屏蔽套管(11)包括内层和外层，所述内层为镀锡铜丝钩织成的钩织网，所述外层由聚酯复丝材质制成。
5.根据权利要求1所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述永久偶极矩材料为非铁电体类材料。
6.根据权利要求5所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述非铁电体类材料具体为多个电气石粉球(9)，每个所述电气石粉球(9)的表面包覆有铜网。
7.根据权利要求1-6任一项所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述真空金属腔体(1)为圆柱形腔体、球形腔体或矩形腔体。
8.根据权利要求1-6任一项所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述芒刺形放射阴极(5)为石墨烯包覆的碳骨架。
9.根据权利要求1-6任一项所述的自由电子能量调控器，其特征在于，所述真空金属腔体(1)的材质为铝合金、无氧铜或不锈钢。
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