CN109600895B - 高密度热阴极等离子体源 - Google Patents

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    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma

Abstract

本发明公开了一种高密度热阴极等离子体源，包括热阴极发射体，热阴极发射体采用至少一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料制成，所述条状复合固体材料总长度远大于其截面长度，端部设有正或负极导电柱，热阴极发射体周边设有与其不接触的耐高温反射辐射层，安装部、热阴极发射体及高温反射辐射层之间相互绝缘，所述安装部沿圆周方向上均布贯穿密封设有多根绝缘电极，绝缘电极穿过发射体支撑板、耐高温反射辐射层连接在热阴极发射体的正或负极导电柱上。本发明能更加高效地利用输入的能量，避免了间热式阴极在真空状态下仅靠热辐射加热的大量能量浪费，产生的电子密度在同样条件下高一倍以上。

Description

高密度热阴极等离子体源
技术领域
本发明涉及等离子体源技术领域，具体涉及一种高密度热阴极等离子体源。
背景技术
气体放电是产生等离子体的重要手段之一。被外加电场加速的部分电离气体中的电子与中性分子碰撞，把从电场得到的能量传给气体。电子与中性分子的弹性碰撞导致分子动能增加，表现为温度升高；而非弹性碰撞则导致激发(分子或原子中的电子由低能级跃迁到高能级)、离解(分子分解为原子)或电离(分子或原子的外层电子由束缚态变为自由电子)。高温气体通过传导、对流和辐射把能量传给周围环境，在定常条件下，给定容积中的输入能量和损失能量相等。电子和重粒子(离子、分子和原子)间能量传递的速率与碰撞频率(单位时间内碰撞的次数)成正比。在稠密气体中，碰撞频繁，两类粒子的平均动能(即温度)很容易达到平衡，因此电子温度和气体温度大致相等,这是气压在一个大气压以上时的通常情况,一般称为热等离子体或平衡等离子体。在低气压条件下，碰撞很少，电子从电场得到的能量不容易传给重粒子，此时电子温度高于气体温度，通常称为冷等离子体或非平衡等离子体。
现有技术中，由于热阴极等离子体源具有密度高、结构简单、维护容易等优点，一直广受青睐。但是，一定功率下所产生的等离子体很难达到较高的电子密度(1×1019m-3及以上)，这也就充分限制了热阴极等离子体源的应用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种能够产生高电子密度的高密度热阴极等离子体源。
一种高密度热阴极等离子体源，包括安装部，安装部前端面间隙设有发射体支撑板，安装部后端面开设有冷却介质接口及进气接口，发射体支撑板背离安装部的一面上设有热阴极发射体，热阴极发射体采用至少一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料制成，所述条状复合固体材料总长度远大于其截面长度，端部设有正或负极导电柱，热阴极发射体周边设有与其不接触的耐高温反射辐射层，安装部、热阴极发射体及高温反射辐射层之间相互绝缘，所述安装部沿圆周方向上均布贯穿密封设有多根绝缘电极，绝缘电极穿过发射体支撑板、耐高温反射辐射层连接在热阴极发射体的正或负极导电柱上，冷却介质接口与绝缘电极内腔管路相通，进气接口的出口端贯穿于安装部，朝向于发射体支撑板的方向。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述热阴极发射体为一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料，两端开孔用以安装正或负极导电柱。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述热阴极发射体由两个或以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料串联组成，各条状复合固体材料一端开孔用以安装正或负极导电柱。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述热阴极发射体由两个或以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料并联组成，各条状复合固体材料两端开孔用以安装正或负极导电柱。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述上述热阴极发射体采用并联或串联使用时，所对应绝缘电极的数量为热阴极发射体数量的两倍，或者比热阴极发射体的数量多一个。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述绝缘电极与冷却介质接口之间构成回流冷却结构，绝缘电极之间焊接有具有内部冷却通道的铜制热沉。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述耐高温反射辐射层为一层或以上，呈环绕方式包围在热阴极发射体周边，为多层时，各层之间间距均匀且无接触。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述发射体支撑板采用钼或钨制成，发射体支撑板通过钼螺钉和氮化硼陶瓷与绝缘电极安装紧固。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述进气接口上设有进气连接接口，进气连接接口为真空元器件，进气连接件与安装部保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
作为对上述技术方案的进一步描述：
所述绝缘电极与安装部之间采用氩弧焊连接并密封，焊缝处可耐受温度1600℃以上。
本发明直接利用高电子发射物质阴极自身作为热阴极发射体，能源利用率高，产生的等离子体密度高，同时利用耐高温反射辐射层将辐射热量聚集于热阴极发射体上，达到其大量发射电子最低温度后即会大量发射电子，大量高速发射的电子轰击工作气体产生电子雪崩效应产生更多的电子，再以热阴极发射体作为阴极，再在阴阳极之间施加高电压，即可很容易地在低气压环境下电离工作气体产生高密度等离子体，所产生高密度等离子体密度可达1×1019m-3。
本发明能更加高效地利用输入的能量，避免了间热式阴极在真空状态下仅靠热辐射加热的大量能量浪费，产生的电子密度在同样条件下高一倍以上，可为各种等离子体工业应用设备，物理科研装置、实验平台，材料物理和化学实验与工业应用装置，聚变工程，空间环境模拟，电子、离子、中性束设备等提供高密度等离子体源，应用非常广泛。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1、图2为本发明的结构示意图；
图3、图4及图5为本发明中热阴极发射体的结构示意图(具有高电子发射特性的条状复合固体材料独立、串联及并联的结构)。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
参见图1及图2，本发明提供的一种高密度热阴极等离子体源，包括安装部1，安装部1的前端面间隙设有发射体支撑板2，安装部1后端面开设有冷却介质接口3及进气接口4，发射体支撑板2背离安装部1的一面上设有热阴极发射体5，热阴极发射体5采用至少一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料制成，所述条状复合固体材料总长度远大于其截面长度，端部设有正或负极导电柱6，热阴极发射体5周边设有与其不接触的耐高温反射辐射层7，安装部1、热阴极发射体5及高温反射辐射层7之间相互绝缘，安装部1沿圆周方向上均布贯穿密封设有多根绝缘电极8，绝缘电极8穿过发射体支撑板2、耐高温反射辐射层7连接在热阴极发射体5的正或负极导电柱6上，冷却介质接口3与绝缘电极8内腔管路相通，进气接口4的出口端贯穿于安装部1，朝向于发射体支撑板2的方向。
工作时，安装部1为真空室壁或安装法兰，安装部1前端面朝向真空室内，绝缘电极8穿过安装部1的部位位于真空环境中，绝缘电极8起到通电和保持支撑的作用，热阴极发射体5与安装部1保持电绝缘并且维持内部超高真空，从冷却介质接口3通入介质(中空水冷、气冷或其它冷却介质)对绝缘电极8进行冷却(可采用单电极内部同轴冷却或多电极之间回流冷却)后，在绝缘电极8后端通入加热电流(直流电)，直接施加于热阴极发射体5正负极两端，利用热阴极发射体5(优选六硼化镧)自身电阻，使热阴极发射体5产生热量(可到达1600℃左右)，热阴极发射体5发射大量电子，同时利用耐高温反射辐射层7将辐射热量尽量聚集于热阴极发射体5上，达到其大量发射电子最低温度后即会大量发射电子，电子只能通过耐高温反射辐射层7前端出口发射出去，大量高速发射的电子轰击工作气体产生电子雪崩效应产生更多的电子，从进气接口4通入一定量工作气体(可以是氦气，氩气，氢气，氮气，氘气，甲烷，等一种或多种混合气体)，达到工作气压，再在热阴极发射体5后部的绝缘电极8和热阴极发射体5前部的阳极之间加上高电压，即可产生高密度等离子体。
本实施例中，参见图3，热阴极发射体5为一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料，两端开孔用以安装正或负极导电柱6；
参见图4，热阴极发射体5也可由两个或以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料串联组成，各条状复合固体材料一端开孔用以安装正或负极导电柱6；
参见图5，热阴极发射体5也可由两个或以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料并联组成，各条状复合固体材料两端开孔用以安装正或负极导电柱6。
上述热阴极发射体5数量为2+n(n＝0，1，2，3......)，采用并联或串联使用时，所对应绝缘电极8的数量最好是热阴极发射体5数量的两倍，或者比热阴极发射体5的数量多一个，用以确保其具有稳定的支撑及通电功能。
本实施例中，绝缘电极8与冷却介质接口3之间构成回流冷却结构，绝缘电极8之间焊接有具有内部冷却通道的铜制热沉9。目的在于，利用铜制热沉9可提高冷却效率。
本实施例中，耐高温反射辐射层7为一层或以上，呈环绕方式包围在热阴极发射体5周边，为多层时，各层之间间距均匀且无接触。目的在于，采用环绕包围的方式能够将辐射热量尽量聚集于热阴极发射体5上，起到隔绝电子向后方和侧面发射的作用，环绕包围方式仅可留出发射口，为多层时，各耐高温反射辐射层7之间在1600℃的时候可利用绝缘环10保持一定的均匀间距无接触。
本实施例中，发射体支撑板2采用耐高温金属制成(如钼、钨等)，由绝缘电极8安装支撑，发射体支撑板2起到隔绝电子向后发射的作用。优选地，发射体支撑板2通过钼螺钉和氮化硼陶瓷与绝缘电极8安装紧固。
本实施例中，进气接口4上设有进气连接接口，进气连接接口为真空元器件，进气连接件与安装部1保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
本实施例中，绝缘电极8与安装部1之间采用氩弧焊连接并密封，焊缝处可耐受温度1600℃以上。目的在于，由于热阴极发射体5产生热量会到达1600℃左右，采用此设计方案可确保密封可靠，使本等离子体源在使用时的性能稳定。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高密度热阴极等离子体源，其特征在于：包括安装部，安装部前端面间隙设有发射体支撑板，安装部后端面开设有冷却介质接口及进气接口，发射体支撑板背离安装部的一面上设有热阴极发射体，热阴极发射体采用至少一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料制成，所述条状复合固体材料总长度远大于其截面长度，端部设有正或负极导电柱，热阴极发射体周边设有与其不接触的耐高温反射辐射层，安装部、热阴极发射体及高温反射辐射层之间相互绝缘，所述安装部沿圆周方向上均布贯穿密封设有多根绝缘电极，绝缘电极穿过发射体支撑板、耐高温反射辐射层连接在热阴极发射体的正或负极导电柱上，冷却介质接口与绝缘电极内腔管路相通，进气接口的出口端贯穿于安装部，朝向于发射体支撑板的方向。
2.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述热阴极发射体为一个具有高电子发射特性的条状复合固体材料，两端开孔用以安装正或负极导电柱。
3.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述热阴极发射体由两个以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料串联组成，各条状复合固体材料一端开孔用以安装正或负极导电柱。
4.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述热阴极发射体由两个以上具有高电子发射特性的条状复合固体材料并联组成，各条状复合固体材料两端开孔用以安装正或负极导电柱。
5.根据权利要求3或4所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述热阴极发射体采用并联或串联使用时，所对应绝缘电极的数量为热阴极发射体数量的两倍，或者比热阴极发射体的数量多一个。
6.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述绝缘电极与冷却介质接口之间构成回流冷却结构，绝缘电极之间焊接有具有内部冷却通道的铜制热沉。
7.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述耐高温反射辐射层为一层以上，呈环绕方式包围在热阴极发射体周边，为多层时，各层之间间距均匀且无接触。
8.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述发射体支撑板采用钼或钨制成，发射体支撑板通过钼螺钉和氮化硼陶瓷与绝缘电极安装紧固。
9.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述进气接口上设有进气连接接口，进气连接接口为真空元器件，进气连接件与安装部保持超高真空密封连接，留有标准真空器件端口与外置进气机构连接。
10.根据权利要求1所述的高密度热阴极等离子体源，其特征在于：所述绝缘电极与安装部之间采用氩弧焊连接并密封，焊缝处可耐受温度1600℃以上。
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