CN110708852A - 一种等离子体枪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体技术领域，公开了一种等离子体枪，包括阳极、阴极和垫片组，阳极和阴极之间形成有放电通道，垫片组包括若干个环状的导体垫片和若干个环状的绝缘垫片，导体垫片和绝缘垫片依次相间设置，垫片组与放电通道同轴设于放电通道上，导体垫片的内径小于绝缘垫片的内径。本发明提供的一种等离子体枪，在放电通道上设置垫片组，可在施加电源时，在导体垫片的内侧产生放电，通过电离产生初始等离子体，有利于等离子体的顺利产生；且垫片组的设置结构，有助于在放电的电压和气压条件下实现雪崩效应，有利于产生高密度电子，产生的等离子体电子密度较大。

Description

一种等离子体枪

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，特别是涉及一种等离子体枪。

背景技术

高功率脉冲技术和微波器件的发展对连续工作的电子束源产生了迫切的要求。热核聚变工程研究中预电离技术、中性束技术以及非感应启动技术的发展也对低气压下工作的高电流密度等离子体源产生了迫切的要求。

传统的热阴极发射等离子体源和感应式等离子体源可以产生长脉冲等离子体，但是其需要大量冷却装置，体积较大，应用场景受到限制，而且产生的等离子体电流较小，不能满足热核聚变工程研究中对等离子体源的需求。等离子体阴极电子枪虽然可以产生较高的电流密度，但相比与热核聚变工程研究中的需求仍显不够，而且所需的放电电压较高，在低气压下工作性能受限。

现有等离子体源大多存在电流密度较小的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种等离子体枪，用于解决或部分解决现有等离子体源大多存在电流密度较小的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种等离子体枪，包括阳极、阴极和垫片组，所述阳极和阴极之间形成有放电通道，所述垫片组包括若干个环状的导体垫片和若干个环状的绝缘垫片，所述导体垫片和所述绝缘垫片依次相间设置，所述垫片组与所述放电通道同轴设于所述放电通道上，所述导体垫片的内径小于所述绝缘垫片的内径。

(三)有益效果

本发明提供的一种等离子体枪，在放电通道上设置垫片组，通过相间设置导体垫片和绝缘垫片，且设置导体垫片的内径小于绝缘垫片的内径，可在施加电源时，在导体垫片的内侧产生放电，通过电离产生初始等离子体，有利于等离子体的顺利产生；且垫片组的设置结构，有助于在放电的电压和气压条件下实现雪崩效应，有利于产生高密度电子，通过设置垫片组大大降低了等离子体的产生难度，因此能够降低所需的放电初始电压，而产生的等离子体电子密度较大，电阻率很低，因此所需的维持电压降低，同时等离子体电流密度增大。

附图说明

图1为本发明实施例的一种等离子体枪的结构示意图；

图2为本发明实施例的一种等离子体枪的整体示意图。

附图标记说明：

1—防护罩； 2—通孔； 3—阳极头；

4—导体垫片； 5—绝缘垫片； 6—内套筒；

7—阳极筒； 8—凹球面； 9—阴极；

10—绝缘外壳； 11—阳极接线柱孔； 12—阴极接线柱孔；

13—尾部外壳； 14—进气通道； 15—气密槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明实施例提供一种等离子体枪，参考图1，该等离子体枪包括阳极、阴极9和垫片组，阳极和阴极9之间形成有放电通道，垫片组包括若干个环状的导体垫片4和若干个环状的绝缘垫片5，导体垫片4和绝缘垫片5依次相间设置，垫片组与放电通道同轴设于放电通道上，导体垫片4的内径小于绝缘垫片5的内径。

该等离子体枪通过将阳极和阴极9与电源相连，并向放电通道内通入工作气体，可在放电通道内产生等离子体。垫片组与放电通道同轴设置，垫片组为环状的垫片，垫片组的内部与放电通道相连通，保证通道的畅通性。导体垫片4的内径小于绝缘垫片5的内径，使得导体垫片4的内侧一部分朝向放电通道的中间伸出绝缘垫片5，可保证导体垫片4能够与工作气体接触。

本实施例提供的一种等离子体枪，在放电通道上设置垫片组，通过相间设置导体垫片4和绝缘垫片5，且设置导体垫片4的内径小于绝缘垫片5的内径，可在施加电源时，在导体垫片4的内侧产生放电，通过电离产生初始等离子体，有利于等离子体的顺利产生；且垫片组的设置结构，有助于在放电的电压和气压条件下实现雪崩效应，有利于产生高密度电子，通过设置垫片组大大降低了等离子体的产生难度，因此能够降低所需的放电初始电压，而产生的等离子体电子密度较大，电阻率很低，因此所需的维持电压降低，同时等离子体电流密度增大。

在上述实施例的基础上，进一步地，阴极9呈第一端开口的杯状结构，阴极9的第一端与垫片组的第一端相接且同轴设置，阴极9和垫片组的外侧套设有绝缘的内套筒6，阳极的第一端套设于内套筒6，阳极的第二端内部具有贯穿第二端的通孔2，且通孔2与垫片组相接，通孔2、垫片组的内部与阴极9的内部依次连通形成放电通道。

即阴极9为第一端开口的中空结构，阴极9可为圆筒状，阴极9的第二端为杯状的杯底。内套筒6同样可呈圆筒状，将阴极9和垫片组套在内部，用于将阴极9和垫片组与阳极绝缘隔开。阳极同样可呈中空的圆筒状，只是在阳极的两端内部中空的尺寸不同。

阳极可分为两部分，第一部分即第一端套在内套筒6的外侧，该部分两端可与内套筒6的两端对应平齐；第二部分即第二端与垫片组的第二端相接。即垫片组设在阴极9和阳极的第二部分之间，且垫片组的第二端通过内套筒6与阳极绝缘隔开。

阳极的第二部分内部具有贯穿的通孔2，内套筒6与该通孔2对应位置处设有开口，使得该通孔2与垫片组和阴极9的内部相连通。阳极的第一部分的内径可与内套筒6的外径相同；阳极的第二部分内径即通孔2的直径可小于第一部分的内径，可与阴极9的内径相同。

内套筒6与垫片组的第二端相接的端面上的开口直径小于等于通孔2的直径；可保证将阳极与垫片组绝缘隔开。垫片组的导体垫片4的内径小于阴极9的内径；可保证导体垫片4伸入放电通道内部，以降低等离子体产生难度。

该等离子体枪将阴极9和垫片组设置在阳极第一端的内部，阴极9和垫片组与阳极之间通过内套筒6绝缘隔开，既可实现导电以顺利产生等离子体，且可提高该等离子体枪的集成度，使得结构更加紧凑，减小等离子体枪的体积，便于加工和应用于真空环境中。

在上述实施例的基础上，进一步地，阴极9的第一端与垫片组中的绝缘垫片5相接，导体垫片4的内侧壁呈倾斜状且导体垫片4靠近阴极9一侧的内径较大。导体垫片4具有厚度，即导体垫片4的内侧壁沿厚度方向是倾斜的，为锥面结构，且导体垫片4靠近阴极9一侧的内径大于远离阴极9一侧的内径。

即导体垫片4沿着等离子体的流向内径逐渐减小。使得导体垫片4的内侧沿等离子体的流向具有尖端，该尖端处更容易产生放电，进而通过电离产生初始等离子体。导体垫片4的内侧壁的倾斜结构，便于维持枪内外的等离子体密度梯度，内侧边缘倾斜产生尖端便于放电，更加有助于在放电的电压和气压条件下实现雪崩效应，产生高密度电子。

进一步地，导体垫片4的内侧壁的倾斜指的是相对导体垫片4与绝缘垫片5相接的侧面的倾斜，即沿厚度方向的倾斜。导体垫片4的内侧壁的倾斜角度可为45°。

在上述实施例的基础上，进一步地，阳极的外侧套设有绝缘外壳10，绝缘外壳10位于阳极的第二端的端部呈开口状且在该端与防护罩1可拆卸连接。参考图2，即绝缘外壳10可防护罩1连接形成容纳空间，阳极设置在该容纳空间中。

阳极的第二端外壁呈锥面结构且端面处外径较小，防护罩1呈中空的锥台状，防护罩1与阳极的外壁之间具有间距。防护罩1为导电防护罩1。设置防护罩1与阳极的外壁之间存在间距，可使得防护罩1的电位为悬浮状态，防护罩1可代替阳极承受轰击，可提高阳极寿命。

进一步地，放电通道的阴极9、放电通道的阳极、放电通道的导体垫片4以及防护罩1使用的材料为高熔点耐腐蚀金属，包括但不限于不锈钢、高纯钼、高纯钨、钨钼合金。其中放电通道的阳极和防护罩1材料可替换为石墨。放电通道的绝缘垫片5、内套筒6以及绝缘外壳10使用的材料为低出气率耐高温耐腐蚀陶瓷材料，包括但不限于氮化硼陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷。

在上述实施例的基础上，进一步地，防护罩1与通孔2对应位置处设有开口，且防护罩1在开口处与真空室相连，真空室与真空泵相连，真空室与真空泵之间以及真空室内部分别设有真空计。

即在防护罩1上的开口处连接有真空系统。具体的，真空系统包括真空室、两级真空泵、阀门以及真空计，其中真空室通过阀门与机械泵相连，机械泵与分子泵相连，机械泵与阀门之间以及真空室内分别设有真空计。真空系统内的气压在维持在1e-6Pa至10Pa之间。放电时真空室内工作气体的气压典型值为1e-2Pa至10Pa之间。

在上述实施例的基础上，进一步地，一种等离子体枪还包括进气通道14；进气通道14的一端穿过绝缘外壳10从阴极9的第二端插入阴极9内部，进气通道14的外侧套设有尾部外壳13，尾部外壳13的一端与绝缘外壳10相连。

进气通道14用于通入工作气体。进气通道14提供的工作气体种类为氢气、氘气、氚气或其他稀有气体。放电时进气通道14要求工作气体的进气率不低于1e-5Pa·m³·ms^-1。进气通道14连接有压电阀或电磁阀，可精确控制进气量与进气速率。

尾部外壳13的外径可较小，能够从内部穿过进气通道14既可。设置尾部外壳13将等离子体枪尾部的进气通道14罩起来，可便于在等离子体枪扩展使用时，即添加其他电极需要绝缘的话，尾部外壳13可用来将阴极9的供电和供气的管道隔离开，避免二者交错混乱。

在上述实施例的基础上，进一步地，阳极与工作电源的正极相连，阴极9与工作电源的负极相连，工作电源为双脉冲电源、同时产生高电压短脉冲和低电压长脉冲。

工作电源为双脉冲电源，工作电源的正极与放电通道的阳极相连，工作电源的负极与放电通道的阴极9相连；工作电源产生的脉冲为同时产生的高电压短脉冲和低电压长脉冲。其中高电压短脉冲的电压峰值不小于400V，低电压长脉冲的电压峰值不小于100V；高电压短脉冲和低电压长脉冲均为正单次脉冲且两者同时触发。

在上述实施例的基础上，进一步地，工作电源包括两组并联的电容器，电容器通过高压直流电源充电，电容器通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)放电。

工作电源使用两组电容器并联构成的，电容器使用高压直流电源进行充电，电容器的放电使用IGBT控制；工作电源产生的脉冲为同时产生的高电压短脉冲和低电压长脉冲；其中高电压短脉冲的电压峰值不小于400V，典型脉宽为0.1ms；低电压长脉冲的电压峰值不小于100V，典型脉宽为10ms；高电压短脉冲和低电压长脉冲均为正单次脉冲且两者同时触发；放电时高电压短脉冲首先使得工作气体电离产生初始等离子体，随后低电压长脉冲为等离子体电流持续供电，维持等离子体存在；放电时放电通道内的等离子体电流密度峰值典型值为1.5kA·cm^-2。

在上述实施例的基础上，进一步地，阴极9的内底面呈凹陷的半球面结构。设置阴极9的底面即第二端内侧为凹球面8结构，可以防止不必要的阴极9电弧放电。

在上述实施例的基础上，进一步地，阳极包括位于第二端的阳极头3和套设在内套筒6外侧的阳极筒7，阳极头3和阳极筒7可拆卸连接。阳极筒7即为阳极的第一部分，可为两端开口的圆筒结构。阳极头3即为阳极的第二部分。将阳极分为两部分，两部分可拆卸连接，可便于阳极的生成以及安装。

在上述实施例的基础上，进一步地，本实施例是一种能在低气压下工作的高电流密度等离子体枪，其结构紧凑，可以应用在预电离、中性束产生以及非感应启动等多种场景中，其产生的等离子体电流密度远高于传统的热阴极9发射等离子体源和感应式等离子体源，其需要的工作电压远低于等离子体阴极9电子枪，并且可以工作在低于等离子体阴极9电子枪典型工作气压的气压范围内。

具体的，一种高电流密度等离子体枪，包括放电通道、放电通道外侧的绝缘外壳10以及与绝缘外壳10连接的防护罩1；放电通道包括依次同轴连接的阴极9、垫片组、内套筒6以及阳极；阴极9为杯状有内凹球面8的圆筒体，且底部有为进气管预留的通道；垫片组由环状导体垫片4和绝缘垫片5交替叠加组成；内套筒6位于阳极与垫片组和阴极9之间；阳极为一端有斜锥面的导电圆筒体。

绝缘外壳10套接在放电通道外侧，且有两个接线柱孔，接线柱与放电通道的阳极和阴极9分别连接，用于连接工作电源。两个接线柱孔，一个为阳极接线柱孔11，用于将阳极与工作电源相连；另一个为阴极接线柱孔12，用于将阴极9与工作电源相连。阳极接线柱孔11可设置在绝缘外壳10上；阴极接线柱孔12可设置在尾部外壳13上，电源线穿过阴极接线柱孔12和绝缘外壳10的端部与阴极9相连。

防护罩1为斜锥状壳，可适用螺纹连接在绝缘外壳10靠近阳极的一端，其电位为悬浮状态，与放电通道的阳极保持一定距离；放电通道的阴极9与阳极连接有工作电源；放电通道的阴极9连接有进气通道14；放电通道的阳极连接有真空系统。放电通道内套筒6与阳极之间、阴极9与绝缘外壳10之间、阴极9与进气通道14之间分别有气密槽15，槽中安装有用于密封的氟橡胶圈。

放电通道阳极由阳极头3和阳极筒7组成，阳极头3与阳极筒7之间采用螺纹连接，阳极头3的内径即通孔2的直径为20-26mm；阳极筒7的内径为30-36mm。阳极头3的内径可与阴极9的内径相同。放电通道内套筒6套接在阳极筒7内部，使阳极与阴极9、阳极与垫片组绝缘。内套筒6的外侧壁与阳极筒7的内壁之间、阴极9的外壁和内套筒6的内壁以及垫片组的外壁和内套筒6的内壁之间可贴合接触。

放电通道垫片组由六对垫片组成，套接在放电通道内套筒6内部，每对垫片为导电垫片与绝缘垫片5叠加；导电垫片为外径25-29mm；内径15-19mm且内侧壁为45度斜面；厚度为1.4-1.6mm的高熔点耐腐蚀金属环。绝缘垫片5为外径25-29mm；内径23-27mm，厚度为1.4-1.6mm的低出气率耐高温耐腐蚀陶瓷环。垫盘组总长度即总厚度为16.8-19.2mm。

放电通道阴极9为杯状有内凹球面8的圆筒体，套接在放电通道内套筒6内部，与垫片组同轴连接，阴极9底部有直径为6.2-6.5mm的孔用来与进气通道14金属气管相连。

本实施例提供的一种能在低气压下工作的结构紧凑的高电流密度等离子体枪产生等离子体的过程是：

打开真空泵，当前真空室内气压显示在两个真空计上；当检测到真空室内气压小于1e-3Pa时，可以进行放电；使用高压直流电源为电容器充电，当电容器上的电压达到预设值时，可以进行放电；其中高电压电容器的典型电压预设值为800V，低电压电容器的典型电压预设值为200V。

真空系统与工作电源均准备就绪时，打开进气通道14的压电阀进气10ms，此时真空室内的气压应为1e-2Pa至10Pa之间；压电阀进气10ms后，使用IGBT同时触发高电压电容器和低电压电容器的放电，此时高电压脉冲使工作气体电离，产生初始等离子体，低电压脉冲维持等离子体电流；在低电压脉冲放电电压逐渐变大的过程中等离子体电流逐渐达到峰值，随后开始随低电压脉冲减小而减小；等离子体的持续时间为低电压脉冲的持续时间，典型值为10ms，在此期间压电阀保持原速率进气。

等离子体放电过程中电流密度峰值可达1.5kA·cm^-2，等离子体的电子温度可达5eV，电子密度可达1e19m^-3；等离子体熄灭后，压电阀关闭，真空泵将真空室内气压重新抽至小于1e-3Pa的高真空状态，重新给电容器充电后即可进行下一次等离子体放电。

该等离子体枪脉冲式工作，无冷却需求，结构紧凑可用于多种应用场景；可产生的电流密度高，能够产生电流密度超过1.5kA·cm^-2的等离子体电流；工作气压范围广，可以在1e-2Pa至10Pa的气压范围内产生等离子体；电源要求低，相比等离子体阴极9电子枪电源超过3kV的典型电压，只需使用不超过1kV的电源供电；等离子体参数高，可直接产生电子温度为5eV，电子密度为1e19m^-3的等离子体。

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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种等离子体枪，其特征在于，包括阳极、阴极和垫片组，所述阳极和阴极之间形成有放电通道，所述垫片组包括若干个环状的导体垫片和若干个环状的绝缘垫片，所述导体垫片和所述绝缘垫片依次相间设置，所述垫片组与所述放电通道同轴设于所述放电通道上，所述导体垫片的内径小于所述绝缘垫片的内径。

2.根据权利要求1所述的等离子体枪，其特征在于，所述阴极呈第一端开口的杯状结构，所述阴极的第一端与所述垫片组的第一端相接且同轴设置，所述阴极和所述垫片组的外侧套设有绝缘的内套筒，所述阳极的第一端套设于所述内套筒，所述阳极的第二端内部具有贯穿第二端的通孔，且所述通孔与垫片组相接，所述通孔、所述垫片组的内部与所述阴极的内部依次连通形成所述放电通道；

所述内套筒与所述垫片组的第二端相接的端面上的开口直径小于等于所述通孔的直径，所述垫片组的导体垫片的内径小于所述阴极的内径。

3.根据权利要求2所述的等离子体枪，其特征在于，所述阴极的第一端与所述垫片组中的绝缘垫片相接，所述导体垫片的内侧壁呈倾斜状且所述导体垫片靠近所述阴极一侧的内径较大。

4.根据权利要求2所述的等离子体枪，其特征在于，所述阳极的外侧套设有绝缘外壳，所述绝缘外壳位于所述阳极的第二端的端部呈开口状且在该端与防护罩可拆卸连接；

所述阳极的第二端外壁呈锥面结构且端面处外径较小，所述防护罩呈中空的锥台状，所述防护罩与所述阳极的外壁之间具有间距。

5.根据权利要求4所述的等离子体枪，其特征在于，所述防护罩与所述通孔对应位置处设有开口，且所述防护罩在开口处与真空室相连，所述真空室与真空泵相连，所述真空室与所述真空泵之间以及所述真空室内部分别设有真空计。

6.根据权利要求4所述的等离子体枪，其特征在于，还包括进气通道；所述进气通道的一端穿过所述绝缘外壳从所述阴极的第二端插入所述阴极内部，所述进气通道的外侧套设有尾部外壳，所述尾部外壳的一端与所述绝缘外壳相连。

7.根据权利要求1所述的等离子体枪，其特征在于，所述阳极与工作电源的正极相连，所述阴极与工作电源的负极相连，所述工作电源为双脉冲电源、同时产生高电压短脉冲和低电压长脉冲。

8.根据权利要求7所述的等离子体枪，其特征在于，所述工作电源包括两组并联的电容器，所述电容器通过高压直流电源充电，所述电容器通过绝缘栅双极型晶体管(IGBT)放电。

9.根据权利要求2所述的等离子体枪，其特征在于，所述阴极的内底面呈凹陷的半球面结构。

10.根据权利要求2所述的等离子体枪，其特征在于，所述阳极包括位于第二端的阳极头和套设在所述内套筒外侧的阳极筒，所述阳极头和所述阳极筒可拆卸连接。

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