CN109585033B - 一种用于静电约束核聚变的阴极及静电约束核聚变装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种用于静电约束核聚变的阴极及静电约束核聚变装置，涉及静电约束核聚变技术领域，用于提高核聚变反应率。所述用于静电约束核聚变的阴极，包括阴极球以及与阴极球相连的阴极引出杆；阴极引出杆远离阴极球的一端套设有绝缘组件，该绝缘组件包括从内向外依次套设在阴极引出杆上的绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳；其中，绝缘隔离管的一端伸出绝缘密封管，且延伸靠近阴极引出杆与阴极球相连的阴极连接端。本发明实施例提供的阴极及静电约束核聚变装置用于实施静电约束核聚变。

Description

一种用于静电约束核聚变的阴极及静电约束核聚变装置

技术领域

本发明涉及静电约束核聚变技术领域，尤其涉及一种用于静电约束核聚变的阴极及静电约束核聚变装置。

背景技术

静电约束核聚变装置用于实施静电约束核聚变反应，通常包括同心设置的阴极球和阳极球，阴极球呈空心网状结构且位于阳极球的内部，阳极球的内部呈真空状态且充满等离子体，阴极球的阴极引出线通过绝缘管穿出阳极球且与阳极球绝缘密封。

目前，在利用静电约束核聚变装置实施静电约束核聚变反应时，需要向阴极球提供高电压，以使得阴极球和阳极球之间形成高压电场，这样在高压电场的作用下，阳极球内部的等离子体中的阳离子会向阴极球高速运动，使得阳离子在高速运动过程中因碰撞而发生核聚变反应。

然而，绝缘管通常设在阴极引出线远离阴极球的一端且位于阴极引出线和阳极球之间，如果阴极球和阳极球之间高压电场的电压等级较高，就容易使得绝缘管在该高压电场的作用下发生电压击穿；而且，阳极球内的等离子体在向阴极球高速运动并撞击至对应的阴极球和/或阴极引出线后，会使得阴极球和/或阴极引出线的金属粒子溅射至绝缘管的管壁上，导致绝缘管的管壁上形成金属镀层，进一步加剧绝缘管被电压击穿的可能。因此，静电约束核聚变装置中高压电场的电压等级容易受限，不利于向阴极提高更高等级的电压，这样也就无法提高阳极球内部等离子体的运动速度，容易降低静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种用于静电约束核聚变的阴极及静电约束核聚变装置，提高静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

为达到上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：

本发明实施例的第一方面提供了一种用于静电约束核聚变的阴极，包括阴极球以及与阴极球相连的阴极引出杆；阴极引出杆远离阴极球的一端套设有绝缘组件，该绝缘组件包括从内向外依次套设在阴极引出杆上的绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳；其中，绝缘隔离管的一端伸出绝缘密封管，且延伸靠近阴极引出杆与阴极球相连的阴极连接端。

本发明实施例提供的阴极，在阴极引出杆远离阴极球的一端从内向外依次套设绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳，并由绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳三者共同构成绝缘组件，可以通过绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳三者绝缘性能的叠加，有效提升绝缘组件的绝缘性能，这样在利用上述绝缘组件进行阴极引出杆与对应阴极球之间的绝缘密封时，利用高绝缘性能的绝缘组件，可以避免绝缘组件被较高电压等级的电压击穿，有利于提高静电约束核聚变装置适用的电压等级，从而能够提高静电约束核聚变装置中阳极球内部等离子体的运动速度，进而提高静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

而且，本发明实施例提供的阴极，将绝缘组件中绝缘隔离管的一端伸出绝缘密封管，并将绝缘隔离管伸出绝缘密封管的一端延伸靠近阴极引出杆与阴极球相连的阴极连接端，可以利用绝缘隔离管伸出绝缘密封管的部分，延长绝缘组件对阴极引出杆进行绝缘隔离的距离，即增大绝缘组件覆盖阴极引出杆的面积，从而能够在阳极球内的等离子体向阴极球高速运动时，避免等离子体撞击至阴极引出杆，减少了阳极球内金属粒子的溅射量，进而能够避免绝缘组件的外表面形成连续的金属镀层，有利于降低绝缘组件被高等级电压击穿的风险。因此，本发明实施例提供的阴极还有利于进一步提高静电约束核聚变装置适用的电压等级，从而进一步提高静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

基于上述用于静电约束核聚变的阴极的技术方案，本发明实施例的第二方面提供了一种静电约束核聚变装置，所述静电约束核聚变装置包括上述技术方案所提供的用于静电约束核聚变的阴极。本发明实施例提供的静电约束核聚变装置所能实现的有益效果，与上述技术方案提供的用于静电约束核聚变的阴极所能达到的有益效果相同，在此不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本发明实施例的一部分，本发明实施例的示意性实施例及其说明用于解释发明实施例，并不构成对本发明实施例的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种用于静电约束核聚变的阴极的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于静电约束核聚变的阴极的剖视图；

图3为图2所示阴极A部分的局部放大图；

图4为图2所示阴极B部分的局部放大图；

图5为本发明实施例提供的绝缘隔离管的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的绝缘密封管的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的连接电极的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的螺纹紧固件的结构示意图。

附图标记：

1-阴极球， 2-阴极引出杆， 21-固定座，

3-绝缘隔离管， 31-限位台阶， 32-溅射分挡部，

4-绝缘密封管， 41-密封槽， 5-绝缘壳，

51-法兰盘， 6-螺纹调整件， 61-第一螺纹套，

62-第二螺纹套， 7-连接电极， 8-螺纹紧固件，

9-密封圈。

具体实施方式

为便于理解，下面结合说明书附图，对本发明实施例提供的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是所提出的技术方案的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明实施例保护的范围。

请参阅图1和图2，本发明实施例提供了一种用于静电约束核聚变的阴极，包括阴极球1以及与阴极球1相连的阴极引出杆2；阴极引出杆2远离阴极球1的一端套设有绝缘组件，该绝缘组件包括从内向外依次套设在阴极引出杆2上的绝缘隔离管3、绝缘密封管4和绝缘壳5；其中，绝缘隔离管3的一端伸出绝缘密封管4，且延伸靠近阴极引出杆2与阴极球1相连的阴极连接端。

本发明实施例提供的阴极安装在静电约束核聚变装置中时，该阴极的阴极球1与静电约束核聚变装置中阳极球同心设置。阴极球1一般呈空心网状结构且位于阳极球的内部，阳极球的内部一般呈真空状态且充满等离子体，阴极球1的阴极引出杆2通过绝缘组件穿出阳极球且与阳极球绝缘密封。

上述阴极球1与阴极引出杆2相连的一端为阴极连接端，阴极球1可通过阴极引出杆2与连接电极7相连，连接电极7可与电源设备相连。阴极引出杆2一般选用铜、不锈钢、钼、钨或钽等金属材料制作，优选熔点较高且溅射影响较低的钼或钨的金属材料制作。阴极球1的制作材料可与阴极引出杆2的制作材料相同。为了减小阴极引出杆2在对应阳极球内的空间占比，以便于减小等离子体撞击阴极引出杆2的概率，阴极引出杆2的直径一般设在2mm-10mm的范围内，优选为4mm-8mm。

上述绝缘隔离管3的一端与阴极引出杆2固定连接，另一端延伸靠近阴极引出杆2与阴极球1相连的阴极连接端，比如延伸至阴极引出杆2的阴极连接端，或者与阴极引出杆2的阴极连接端之间保留较小间距等。绝缘隔离管3用于对阴极引出杆2进行绝缘隔离，其具体长度可以根据实际需要自行设定。绝缘隔离管3通常采用耐高温的陶瓷材料制作形成，比如氮化硼或氧化铝等陶瓷绝缘材料，可确保绝缘隔离管3在高温环境中具备优良的绝缘性能。绝缘隔离管3套设在阴极引出杆2上，绝缘隔离管3的管径尺寸应匹配阴极引出杆2的直径设置，通常将绝缘隔离管3的管外径设在10mm-50mm的范围内，绝缘隔离管3的管壁厚度设在4mm-10mm的范围内。

本发明实施例提供的阴极，在阴极引出杆2远离阴极球1的一端从内向外依次套设绝缘隔离管3、绝缘密封管4和绝缘壳5，并由绝缘隔离管3、绝缘密封管4和绝缘壳5三者共同构成绝缘组件，可以通过绝缘隔离管3、绝缘密封管4和绝缘壳5三者绝缘性能的叠加，有效提升绝缘组件的绝缘性能，这样在利用上述绝缘组件进行阴极引出杆2与对应阴极球1之间的绝缘密封时，利用高绝缘性能的绝缘组件，可以避免绝缘组件被较高电压等级的电压击穿，有利于提高静电约束核聚变装置适用的电压等级，从而能够提高静电约束核聚变装置中阳极球内部等离子体的运动速度，进而提高静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

而且，本发明实施例提供的阴极，将绝缘组件中绝缘隔离管3的一端伸出绝缘密封管4，并将绝缘隔离管3伸出绝缘密封管4的一端延伸靠近阴极引出杆2与阴极球1相连的阴极连接端，可以利用绝缘隔离管3伸出绝缘密封管4的部分，延长绝缘组件对阴极引出杆2进行绝缘隔离的距离，即增大绝缘组件覆盖阴极引出杆2的面积，从而能够在阳极球内的等离子体向阴极球1高速运动时，避免等离子体撞击至阴极引出杆2，减少了阳极球内金属粒子的溅射量，进而能够避免绝缘组件的外表面形成连续的金属镀层，有利于降低绝缘组件被高等级电压击穿的风险。因此，本发明实施例提供的阴极还有利于进一步提高静电约束核聚变装置适用的电压等级，从而进一步提高静电约束核聚变装置中的核聚变反应率。

需要补充的是，请参阅图2和图5，阴极引出杆2多采用细长杆状结构，当绝缘隔离管3远离阴极球1的一端通过其管内壁与阴极引出杆2固定连接时，为了实现阴极引出杆2的稳定对中，通常会在绝缘隔离管3靠近阴极球1的一端的管内壁设置限位台阶31，以利用该限位台阶31限定阴极引出杆2的径向位移，确保阴极引出杆2的中心轴线可与绝缘隔离管3的中心轴线重合，从而使得阴极引出杆2与绝缘隔离管3之间的距离均一化。限位台阶31的设置位置及台阶尺寸应匹配绝缘隔离管3和阴极引出杆2的结构进行具体设定。示例性的，请参阅图5，限位台阶31呈环状台阶结构，限位台阶31的中心轴线与绝缘隔离管3的中心轴线重合，限位台阶31的内孔与阴极引出杆2间隙配合。此外，绝缘隔离管3未设置限位凸台31的管内壁与阴极引出杆2之间具备一定间隔，能够相应增加绝缘组件中绝缘壳5至阴极引出杆2的距离，从而进一步提升绝缘组件对阴极引出杆2的绝缘效果。

为了防止绝缘组件的外表面形成连续的金属镀层，本发明实施例提供的阴极，在绝缘隔离管3伸出绝缘密封管4的管外壁上设置有呈凹凸结构的溅射分挡部32。可选的，溅射分挡部32一般采用螺纹槽或锯齿状沟槽。溅射分挡部32采用凹凸结构，可以有效利用各凹槽或各凸起分散承接溅射的各金属粒子，并在绝缘隔离管3隔离保护阴极引出杆2的作用下，确保溅射量较少的金属粒子并不会在绝缘隔离管3伸出绝缘密封管4的管外壁形成连续的金属镀层。

为了方便对阴极球1的位置进行调整，请参阅图3，本发明实施例提供的阴极，将阴极引出杆2远离阴极球1的一端通过螺纹调整件6与连接电极7相连，这样利用螺纹调整件6能够相应调整阴极引出杆2与连接电极7之间的距离，也就是调整阴极球1相对于阳极球的安装位置。请继续参阅图3，上述阴极引出杆2远离阴极球1的一端，还通过螺纹调整件6与绝缘隔离管3固定连接。可选的，螺纹调整件6包括沿阴极引出杆2的轴线方向并排相抵的第一螺纹套61和第二螺纹套62；绝缘隔离管3通过第一螺纹套61与连接电极7相连；绝缘隔离管3通过第二螺纹套62与阴极引出杆2相连。

具体实施时，连接电极7靠近阴极球1的一端设有外螺纹，阴极引出杆2远离阴极球1的一端设有外螺纹，绝缘隔离管3远离阴极球1的一端设有内螺纹；第一螺纹套61和第二螺纹套62均设有内外螺纹；其中，第一螺纹套61和第二螺纹套62的外螺纹规格相同，均与绝缘隔离管3的内螺纹规格相匹配；第一螺纹套61的内螺纹规格略大于第二螺纹套62的内螺纹规格，且第一螺纹套61的内螺纹规格与连接电极7的外螺纹规格相匹配，第二螺纹套62的内螺纹规格与阴极引出杆2的外螺纹规格相匹配。通过调节连接电极7与第一螺纹套61之间连接位置、第一螺纹套61与绝缘隔离管3之间连接位置、绝缘隔离管3与第二螺纹套62之间连接位置以及第二螺纹套62与阴极引出杆2之间连接位置中至少一种的连接位置，可以相应调整阴极引出杆2与连接电极7之间的距离，从而调整阴极球1相对于阳极球的安装位置，有利于提高上述阴极的通用性。

值得一提的是，请继续参阅图3，在本实施例提供的绝缘组件中，绝缘壳5远离阴极球1的一端与连接电极7相连，一般表现为通过焊接或粘接等的方式密封相连。可选的，请参阅图7，连接电极7通常包括柱状本体以及设在柱状本体上的固定环；固定环的外环面与绝缘壳5密封连接，可以利用固定环的径向尺寸对应保证绝缘壳5与连接电极7之间的绝缘间隙。

请参阅图4，上述绝缘壳5靠近阴极球1的一端通常与绝缘密封管4靠近阴极球1的一端密封连接，可以防止阳极球内填充的等离子体进入绝缘壳5的内部，从而确保绝缘壳5与绝缘密封管4之间具备良好的绝缘效果。绝缘密封管4和绝缘壳5一般采用塑料或陶瓷等绝缘材料制作形成。可选的，绝缘密封管4的结构如图6所示，绝缘密封管4靠近阴极球1的一端设有台阶环，台阶环的中心轴线与绝缘密封管4的中心轴线重合，台阶环背向阴极球1的表面设有可安装密封圈9的密封槽41，台阶环背向阴极球1的表面与绝缘壳5靠近阴极球1的一端相对、且通过密封圈9与绝缘壳5靠近阴极球1的一端密封连接。密封圈9一般采用绝缘橡胶制作形成，其线径可设在1mm-5mm的范围内；密封圈9的结构可以为方形或圆形等，优选使用圆形密封圈。

请继续参阅图4，上述绝缘密封管4靠近阴极球1的一端一般通过螺纹紧固件8与绝缘隔离管3固定连接。示例性的，螺纹紧固件8与绝缘壳5分别位于绝缘密封管4的两侧，绝缘隔离管3与绝缘密封管4靠近阴极球1一端相对应的管外壁上设有外螺纹；螺纹紧固件8采用紧固螺母，紧固螺母与绝缘密封管4上台阶环面向阴极球1的表面相对，能够将该台阶环拧紧至绝缘壳5靠近阴极球1的一端，实现绝缘密封管4与绝缘隔离管3的固定连接以及绝缘密封管4与绝缘壳5的密封连接。

上述螺纹紧固件8一般可选择钼、钨、不锈钢、陶瓷或塑料等材料制作形成，优选使用氮化硼或氧化铝等耐高温的陶瓷绝缘材料。螺纹紧固件8在采用紧固螺母时，紧固螺母的结构如图8所示，紧固螺母面向阴极球1的端面上可设置螺纹孔倒角，以减小阳极球内金属粒子对绝缘壳5的溅射。

可以理解的是，请继续参阅图1和图2，阴极引出杆2一般通过绝缘组件穿出阳极球并与阳极球绝缘密封，绝缘组件的绝缘壳5上通常套设有法兰盘51；通过法兰盘51可以将本实施例提供的阴极密封安装在对应的阳极球上。此外，为了提高绝缘壳5的绝缘性能，绝缘壳5的外表面可设置伞裙结构。

请继续参阅图1和图2，上述阴极球1一般由多根金属丝弯曲形成，各金属丝的自由端可通过焊接固定或通过固定座21固定。本实施例中，各金属丝的自由端优选使用固定座21固定。示例性的，固定座21采用柱状环，柱状环设有轴向通孔以及多个径向贯穿孔；柱状环的一端与阴极引出杆2的阴极连接端连接，另一端设置用于将各金属丝的自由端与阴极引出杆2压紧连接的压紧件；压紧件的压紧端和阴极引出杆2的阴极连接端分别从柱状环的两端伸入轴向通孔，各金属丝的自由端分别穿过对应的径向贯穿孔伸入轴向通孔，各金属丝的自由端在进入柱状环的轴向通孔后将位于压紧件的压紧端和阴极引出杆2的阴极连接端之间，通过压紧件可以将各金属丝的自由端与阴极引出杆2压紧连接。本发明实施例利用固定座21固定金属丝的自由端，并通过设在固定座21一端的压紧件，将金属丝的自由端与阴极引出杆2压紧连接，可以使得金属丝无需焊接即可弯曲成型以形成阴极球1，并确保阴极球1与阴极引出杆2良好连接。本发明实施例提供的阴极，通过固定座21和压紧件的配合使用，可以取代焊接工艺，确保由金属丝形成的阴极球1不会出现焊点毛刺或局部断点，从而有效避免了阴极球1发生尖端放电，确保阴极球1不会因尖端放电的冲击电流而损伤，有利于延长阴极球1的使用寿命，并提高阴极所在静电约束核聚变装置的可靠性。

本发明实施例还提供了一种静电约束核聚变装置，该静电约束核聚变装置包括上述实施例提供的用于静电约束核聚变的阴极。所述静电约束核聚变装置中的阴极与上述实施例中的阴极具有的优势相同，能够达到相同的技术效果，此处不再赘述。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，包括阴极球以及与所述阴极球相连的阴极引出杆；所述阴极引出杆远离所述阴极球的一端套设有绝缘组件，所述绝缘组件包括从内向外依次套设在所述阴极引出杆上的绝缘隔离管、绝缘密封管和绝缘壳；其中，

所述绝缘隔离管的一端伸出所述绝缘密封管，且延伸靠近所述阴极引出杆与所述阴极球相连的阴极连接端；

所述绝缘隔离管远离所述阴极球的一端的管内壁与所述阴极引出杆固定连接；所述绝缘隔离管靠近所述阴极球的一端的管内壁设有用于限定所述阴极引出杆径向位移的限位台阶；

所述绝缘隔离管伸出所述绝缘密封管的管外壁设有呈凹凸结构的溅射分挡部；所述溅射分挡部包括螺纹槽或锯齿状沟槽。

2.根据权利要求1所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，

所述阴极引出杆远离所述阴极球的一端通过螺纹调整件与连接电极相连；

所述绝缘壳远离所述阴极球的一端与所述连接电极相连。

3.根据权利要求2所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，

所述阴极引出杆远离所述阴极球的一端，还通过所述螺纹调整件与所述绝缘隔离管固定连接。

4.根据权利要求3所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，

所述螺纹调整件包括沿所述阴极引出杆的轴线方向并排相抵的第一螺纹套和第二螺纹套；

所述绝缘隔离管通过所述第一螺纹套与所述连接电极相连；

所述绝缘隔离管通过所述第二螺纹套与所述阴极引出杆相连。

5.根据权利要求1所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，所述绝缘壳靠近所述阴极球的一端，与所述绝缘密封管靠近所述阴极球的一端密封连接。

6.根据权利要求5所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，所述绝缘密封管靠近所述阴极球的一端设有台阶环，所述台阶环背向所述阴极球的表面设有密封槽，所述绝缘密封管通过设在所述密封槽内的密封圈与所述绝缘壳密封连接。

7.根据权利要求5所述的用于静电约束核聚变的阴极，其特征在于，

所述绝缘密封管靠近所述阴极球的一端，通过螺纹紧固件与所述绝缘隔离管固定连接。

8.一种静电约束核聚变装置，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的用于静电约束核聚变的阴极。

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