CN110402010A - 一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构 - Google Patents

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袁小刚
李波
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Abstract

本发明公开了一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，包括有阴极基板，在阴极基板的两端分别设有水冷入口和水冷出口，在阴极基板的内部设有连接水冷入口和水冷出口的蛇形水冷管道，在阴极基板的背面密封连接有气体缓冲腔，在阴极基板的正面上固定安装有多个电极针尖，在每个电极针尖的四周均开有多个阴极板出气孔，阴极板出气孔与所述的气体缓冲腔相通，所述的阴极基板内部的蛇形水冷管道与阴极板出气孔位置错开。本发明具有以下优点：1.获得大面积的等离子体；2.等离子体具有较高的均匀性；3.放电过程稳定；4.阴极降温效率高，提高阴极的使用寿命。4.电极针尖可拆卸结构，具有良好的经济性。

Description

一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构
技术领域
本发明涉及等离子体物理及应用科学研究技术领域，尤其涉及一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构。
背景技术
级联弧等离子体是一种局部热平衡的等离子体，利用电弧激发获得的等离子体具有较高的电流密度，较高的放电气体温度，同时该方法获得等离子体并不依赖磁场、放电维持电压较低、系统消耗能量较低，且适用于氢气、氮气、氧气等多种气体以单一或混合形式进行放电实验。级联弧等离子体被广泛应用于金属切割、焊接、喷涂、微粒球化等多种工艺。级联弧等离子体装置主要包括电弧阴极、电弧阳极。放电时电弧阳极接地，电弧阴极上施加电流，在电场的作用下工作气体被电离激发，在靠近阴极区域产生等离子体，等离子体产生后电弧被引出。电弧阴极承受着高温气体的轰击、溅射和烧蚀，极大程度的限制级联弧等离子体发展和使用。
影响级联弧等离子体阴极材料寿命的主要因素包括阴极材料、阴极形状、电极水冷等。阴极材料的主要因素是导热率、熔点、功函数和高温耐氧化型。目前主要采用的阴极材料是六硼化镧、钨或其他金属等低电弧烧蚀率的材料，开展新型的阴极材料是一个漫长的摸索过程，因此改进阴极形状和电极水冷手段是相对直接有效的方法。目前级联弧等离子体的阴极主要是针型结构，限制了等离子体的尺寸和均匀性。而等离子体喷涂等工业和实验应用往往需要更大面积和更均匀的等离子体，通过简单的增加弧根数在一定程度上是可以提高均匀性，但无法有效提高等离子体的面积；此外目前的级联弧阴极材料常采用焊接或镶嵌等方式固定，由于阴极的直径尺寸比较小（~3mm），常采用的一端水冷方式进行冷却。由于针尖到冷却端具有加大的距离（>10mm），因此阴极的冷却效率并不高；此外冷却水在焊接点或镶嵌接头的一端，另一端是高温电极，因此在焊接点或连接处极容易产生应力集中现象，对设备的稳定的运行和实验的安全提出威胁。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，包括有阴极基板，在阴极基板的两端分别设有水冷入口和水冷出口，在阴极基板的内部设有连接水冷入口和水冷出口的蛇形水冷管道，在阴极基板的背面密封连接有气体缓冲腔，在阴极基板的正面上固定安装有多个电极针尖，在每个电极针尖的四周均开有多个阴极板出气孔，阴极板出气孔与所述的气体缓冲腔相通，所述的阴极基板内部的蛇形水冷管道与阴极板出气孔位置错开。
所述的阴极基板采用铜板或不锈钢板。
所述的电极针尖采用六硼化镧或钨制成的，多个电极针尖成阵列分布。
所述的电极针尖是通过氧化锆绝缘陶瓷筒、电极压盖和陶瓷螺栓固定在阴极基板上的。
所述的多个电极针尖有6个，成2*3的阵列分布。
阴极板水冷入口，采用去离子水在阴极板内水冷管道内流动对阴极板和电极针尖进行冷却；阴极基板，常用导热性较好的铜或不锈钢材质，内有蛇型水冷管道，对电极针尖进行冷却；电极针尖，材质采用六硼化镧、钨或其他金属，电极针尖成阵列分布，用于产生大面积高均匀性的等离子体，电极一端面向真空室，另一极进行共同连接到电源阴极上；绝缘陶瓷套筒，用于隔绝电极针尖和阴极板，并起到一定真空密封作用；阴极板上的出气孔，用于工质的注入，同时产生的气流也对电极针尖进行冷却；气体缓冲腔，工作气体先进入缓冲腔室内部，然后通过电极针尖四周的出气孔进去真空室，该缓冲腔可缓解进气不稳定造成的放电异常现象；阴极板水冷出口；连接密封接口，用于连接储气腔和阴极板，可与真空腔室保持一致真空条件。
具体操作如下：
1）将该种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极组装到级联弧阳极上并安装在真空室一端，用真空泵组在放电腔室预抽背景真空，阴极水冷端接入水冷系统，保证足够的水冷压力,在真空室外也可施加一定强度的磁场用于获得更好的等离子体约束；
2）通过精密流量计控制工作气体进入阴极前气体缓冲区，工作气体通过电极前端的气孔进入真空室，流动气流作用对针尖进行冷却，调整流量计达到稳定的工作真空环境；
3）打开阳极水冷系统，进行级联片水冷；
4）将级联弧阳极接低，在级联片上施加一定的电压，用于电弧引出；
5）在阴极施加电流，电流通过阴极分配器分配到各个电极针尖，通过针尖起弧获得较大面积高均匀性的等离子体；
6）等离子体通过偏平型通道引出获得大面积高均匀的直流弧放电等离子体。
为实现上述目的本发明采用如下技术方案：
本方案的所需要扁平型阴极基板为不锈钢材质，基板上有2*3的通孔阵列用于安装固定电极针尖，内含水冷通道，采用去离子水进行冷却，避免水对冷却通道的腐蚀；电极针尖采用2*3阵列分布，电极可采用六硼化镧、钨或其他金属，单根直径约3mm，通过氧化锆绝缘陶瓷筒、电极压盖和陶瓷螺栓固定阴极基板上；单根电极通孔周围有6个充气孔用于放电气体进入，并且对电极针尖具有吹扫降温作用。该方案设计的大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极可获得等离子体具有大面积，高均匀性等特点；同时阴极采用主动和辅助冷却的设计，可有效降低阴极的热应力，延长阴极的使用寿命；此外，阴极针尖采用可拆卸设计，针尖损坏后可快速拆装更换针尖，提高了实验效率，减低了实验成本。
本发明的优点是：
1、本发明等离子体扁平型阴极结构设计保证等离子体的大尺寸和均匀性，阴极针尖采用针尖阵列设计，电极材质采用六硼化镧、钨或其他金属，阴极基板截面尺寸可做到高度3~12mm,宽度10~150mm；
2、本发明阴极基板采用主动水冷加辅助气冷的设计，降低针尖电极的热应力，提高了电极的使用寿命；
3、本发明在阴极基板有气体缓冲区设计，气体进去缓冲腔后通过电极周围的出气孔进入放电腔，工作气体对放电针尖进行冷却，一定程度降低针尖的热应力；
4、本发明阴极针尖与基板之间通过绝缘陶瓷筒进行连接，无焊接点和应力集中现象，可拆卸设计方便更换针尖，具有良好的经济性；
5、本发明针尖电极采用阵列分布，电极一端共用电极，采用单弧电源进行控制，操作简单。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，包括有阴极基板2，在阴极基板2的两端分别设有水冷入口1和水冷出口7，在阴极基板2的内部设有连接水冷入口1和水冷出口7的蛇形水冷管道，在阴极基板2的背面密封连接有气体缓冲腔6，在阴极基板2的正面上固定安装有多个电极针尖3，在每个电极针尖3的四周均开有多个阴极板出气孔5，阴极板出气孔5与所述的气体缓冲腔6相通，所述的阴极基板2内部的蛇形水冷管道与阴极板出气孔5位置错开。
所述的阴极基板2采用铜板或不锈钢板。
所述的电极针尖3采用六硼化镧或钨制成的，多个电极针尖成阵列分布。
所述的电极针尖3是通过氧化锆绝缘陶瓷筒4、电极压盖和陶瓷螺栓固定在阴极基板2上的。
所述的多个电极针尖3有6个，成2*3的阵列分布。
阴极基板2为铜材质，阴极板尺寸为120mm*12mm，基板上有2*3通孔阵列用于安装固定电极针尖3，内含水冷通道，采用去离子水进行冷却，避免水对冷却通道的腐蚀；电极针尖3采用2*3阵列分布，电极可采用钨材质，单根直径约3mm，通过氧化锆绝缘陶瓷筒4、电极压盖和陶瓷螺栓固定阴极基板上；单根电极通孔周围有6个充气孔用于放电气体进注入，并且对电极针尖具有吹扫降温作用。该方案设计的大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极可获得等离子体具有大面积，高均匀性等特点；同时阴极采用主动和辅助冷却的设计，可有效降低阴极的热应力，延长阴极的使用寿命；此外，阴极针尖采用可拆卸设计，针尖损坏后可快速拆装更换针尖，提高了实验效率，减低了实验成本。连接密封接口8，用于连接储气腔和阴极板，可与真空腔室保持一致真空条件。
阴极板采用扁平结构设计；阴极板内有蛇形分布的冷却水道用于电极降温；电极针尖采用阵列分布；电极与阴极板间使用绝缘陶瓷套筒连接；电极采用可更换结构设计；使用进气缓冲结构设计；在每个电极针尖周围小孔进气方式；本阴极结构具有以下优点：1.获得大面积等离子体；2.等离子体具有较高的均匀性；3.放电过程稳定；4.阴极降温效率高，提高阴极的使用寿命。4.电极针尖可拆卸结构，具有良好的经济性。
阴极板内有蛇形分布的冷却水道用于电极降温，提高电极的使用寿命；
电极针尖采用阵列分布设计，获得高均匀性的等离子体，阵列数量越高，获得等离子体均匀性越好；
电极与阴极板间使用绝缘陶瓷套筒连接，保证电极和基板之间绝缘，阴极板用电较安全；
使用进气缓冲结构设计，提高进气的稳定性；在每个电极针尖周围小孔进气方式，对电极进行辅助降温；
电极采用可更换结构设计，电极损坏后可快速更换，降低阴极使用成本，具有良好的经济性。

Claims (5)

1.一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，其特征在于：包括有阴极基板，在阴极基板的两端分别设有水冷入口和水冷出口，在阴极基板的内部设有连接水冷入口和水冷出口的蛇形水冷管道，在阴极基板的背面密封连接有气体缓冲腔，在阴极基板的正面上固定安装有多个电极针尖，在每个电极针尖的四周均开有多个阴极板出气孔，阴极板出气孔与所述的气体缓冲腔相通，所述的阴极基板内部的蛇形水冷管道与阴极板出气孔位置错开。
2.根据权利要求1所述的一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，其特征在于：所述的阴极基板采用铜板或不锈钢板。
3.根据权利要求1所述的一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，其特征在于：所述的电极针尖采用六硼化镧或钨制成的，多个电极针尖成阵列分布。
4.根据权利要求3所述的一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，其特征在于：所述的电极针尖是通过氧化锆绝缘陶瓷筒、电极压盖和陶瓷螺栓固定在阴极基板上的。
5.根据权利要求4所述的一种大面积高均匀性主动冷却的级联弧阴极结构，其特征在于：所述的多个电极针尖有6个，成2*3的阵列分布。
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