CN111333140A - 同轴串接型电子束源 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种同轴串接型电子束源，包括内层金属套筒、中间金属套筒、外层金属套筒，以及驱动单元；所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒同轴间隔设置，且所述内层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁内侧，所述外层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁外侧；所述内层金属套筒连接所述驱动单元的高压端，所述中间金属套筒悬空，所述外层金属套筒连接所述驱动单元的低压端；其中，所述高压端的输出电压高于所述低压端的输出电压；所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒包括入口端及出口端，通过上述方法提高等电子发射效率以及污染物净化效率。

Description

同轴串接型电子束源

技术领域

本申请涉及净化技术领域，特别是涉及一种同轴串接型电子束源。

背景技术

我国的工业化和城市化发展迅速，推动着我国经济迅速发展，但也给城市环境带来了许多危害。在煤炭使用方面，煤炭在支撑我国经济发展的同时，由于煤炭利用方式和效率，也产生了大量的污染，对环境造成了很大的伤害；在城市的污水处理方面，由于城市的工厂和居住人口日趋增多，排放的城市污水大量增加，加大了城市污水处理的工作量和难度。如何更合理地使用自然资源，提高使用效率，降低环境污染，提高污染物的净化效率，已成为各国科技界和工业界的奋斗目标。

由于各种污染物是在集中的环境中生成，弥散于烟气、污水中，只有大规模分散式等离子体源所产生的弥散状等离子体辐射才能以极端的电离、激发、活化、自由基氧化而有效的消除、转换污染物，但现有技术中以等离子体脱硫、脱硝、去除单质汞，降解化学法难以降解的有毒物质中都存在等离子体源将电能转换为等离子体辐射能效率低，导致离子体产生效率低的问题，等离子体的产生效率低进一步导致污染物的净化效率低。

综上所述，以各种辐射作用于各种有害物质是处理各种污染的最有效的物理途径，但是，以等离子体辐射所产生的各种辐射效率太低。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种提高辐射降解效率以及污染物净化效率的同轴串接型电子束源。

本发明提供了一种同轴串接型电子束源，包括内层金属套筒、中间金属套筒、外层金属套筒，以及驱动单元；所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒同轴间隔设置，且所述内层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁内侧，所述外层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁外侧；所述内层金属套筒连接所述驱动单元的高压端，所述中间金属套筒悬空，所述外层金属套筒连接所述驱动单元的低压端；其中，所述高压端的输出电压高于所述低压端的输出电压；所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒包括入口端及出口端。

在其中一个实施例中，所述驱动单元施加在相邻两金属套筒间的电压与所述相邻两金属套筒间的电容成反比，所述内层金属套筒和所述中间金属套筒的套筒壁外侧表面的电场强度大于电晕放电所需值。

在其中一个实施例中，所述内层金属套筒与所述外层金属套筒的套筒壁间距离由所述入口端至所述出口端逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述内层金属套筒和所述外层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端逐渐增大。

在其中一个实施例中，所述内层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端向所述内层金属套筒的套筒壁外侧方向逐渐增大，所述外层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端向所述外层金属套筒的套筒壁内侧方向逐渐增大。

在其中一个实施例中，所述内层金属套筒的直径由所述入口端至所述出口端逐渐增大；和/或所述外层金属套筒的直径由所述入口端至所述出口端逐渐减小。

在其中一个实施例中，所述中间金属套筒包括螺旋缠绕在所述内层金属套筒表面的带状金属。

在其中一个实施例中，所述同轴串接型电子束源包括多个中间金属套筒，所述多个中间套筒同轴间隔设置，一个所述中间金属套筒位于另一所述中间金属套筒的套筒壁内侧。

在其中一个实施例中，施加在所述多个中间金属套筒中相邻两中间金属套筒间的电压与所述多个中间金属套筒中相邻两金属套筒间的电容成反比，所述多个中间金属套筒的套筒壁外侧表面的电场强度大于电晕放电所需值。

在其中一个实施例中，所述同轴串接型电子束源还包括金属凸起，位于所述内层金属套筒和/或所述中间金属套筒的套筒壁外侧表面。

在其中一个实施例中，所述同轴串接型电子束源还包括吸波负载电阻，位于出口端，连接所述内层金属套筒和所述中间金属套筒，以及连接所述中间金属套筒和所述外层金属套筒，用于吸收所述内层金属套筒和所述中间金属套筒以及所述外层金属套筒上的残余电压。

在其中一个实施例中，所述同轴串接型电子束源还包括法兰，位于所述入口端和所述出口端，用于连接所述外层金属套筒与传输管道。

在其中一个实施例中，所述驱动单元为脉冲功率驱动源，输出脉冲的周期小于等于400纳秒。

本发明提供的同轴串接型电子束源，利用内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒同轴间隔设置，且所述内层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁内侧，所述外层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁外侧形成的同轴多层结构，在驱动单元的驱动作用下，相邻两金属套筒间形成电容，实现电路的径向串联，并形成多个辐射场，提高了电能利用率，使得污染物经过多个辐射场以充分放电后降解，从而提高辐射降解效率，以及污染物的净化效率。

附图说明

图1～图2是本发明提供的一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图3是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图4是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图5是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图6是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图7是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图；

图8是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源径向的剖面结构示意图；

图9～图10为本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1～图2，是本发明提供的一个实施例中同轴串接型电子束源100的结构示意图，其中，图1为同轴串接型电子束源100沿径向的剖面结构示意图，图2为同轴串接型电子束源100沿轴向的剖面结构示意图。所述同轴串接型电子束源100包括：内层金属套筒110、中间金属套筒120、外层金属套筒130，以及驱动单元140。

本实施例中，以所述同轴串接型电子束源100包括内层金属套筒110、中间金属套筒120、外层金属套筒130为例进行说明。如图1所示，所述内层金属套筒110、中间金属套筒120以及外层金属套筒130分别为一空心圆柱金属。结合图2，所述内层金属套筒110、中间金属套筒120以及外层金属套筒130以虚线O为中心轴线而同轴间隔设置，其中，虚线O所代表的方向为轴向方向，虚线M所代表的方向为径向方向。所述内层金属套筒110位于所述中间金属套筒120的套筒壁内侧，所述外层金属套筒130位于所述中间金属套筒120的套筒壁外侧。所述内层金属套筒110连接所述驱动单元140的高压端，所述外层金属套筒130连接所述驱动单元140的低压端，所述中间金属套筒120悬空，按照与内层金属套筒110和外层金属套筒130之间的电容量分得电压，以驱动所述电子束源100工作。所述内层金属套筒110、中间金属套筒120以及外层金属套筒130的一端为入口端A，所述内层金属套筒110、中间金属套筒120以及外层金属套筒130的另一端为出口端B，污染物从所述入口端A进入，从所述出口端B输出。

本实施例中，所述内层金属套筒110、中间金属套筒120、外层金属套筒130为不锈钢金属套筒。

所述同轴串接型电子束源100可应用于废气/废水处理中，所述污染物为废气/废水。

参照图2所示，废气/废水从所述入口端A进入所述同轴串接型电子束源100，在所述驱动单元140提供的纳秒级脉冲电压的驱动作用下，相邻两金属套筒间形成电容，即所述内层金属套筒110与所述中间金属套120筒形成第一电容C1，所述中间金属套筒120和所述外层金属套筒130形成第二电容C2，使得所述第一电容C1和第二电容C2之间串联，实现电路的径向串联。同时，废气/废水从所述内层金属套筒110、中间金属套筒120以及外层金属套筒130构成的多层同轴结构中的环空穿过，分流经过所述第一电容C1和第二电容C2形成的双层辐射场，在所述内层金属套筒110和所述中间金属套筒120套筒壁的外侧表面充分电晕放电形成等离子体阴极发射电子，充分电离降解废气/废水中的有害物质，再从所述出口端B输出。由于废气/废水分流经过了所述多层同轴结构中，由多个空心圆柱金属构成的多层结构形成的多个辐射场(本实施例中为三个空心圆柱金属构成的三层结构形成的双层电场)，不仅提高了电能利用效率，而且废气/废水在所述多个辐射场中被高速电子电离降解，提高了电子降解废气/废水中有害物质的效率，使得通入的废气/废水中的有害物质尽可能降解，从而提高了废气/废水的净化效率。

另外，所述同轴串接型电子束源100利用了上述多层同轴结构中，由多个空心圆柱金属构成的同轴结构中电场不均匀的特性，提高所述内层金属套筒110和所述中间金属套筒120的套筒壁外侧表面的电场强度，提高了电子发射效率；同时，上述由多个空心圆柱金属构成的同轴结构还增大了各金属套筒之间的环空，有利于废气/废水的通过。

请接续参阅图2，进一步的，在本发明提供的另一个实施例中，所述驱动单元140施加在相邻两金属套筒间的电压与所述相邻两金属套筒间的电容成反比。即施加在所述内层金属套筒110和所述外层金属套筒130间脉冲电压，在内层金属套筒110和所述中间金属套筒120之间的形成第一电压U1反比于所述内层金属套筒110和所述中间金属套筒120间的第一电容C1，在所述中间金属套筒120和所述外层金属套筒130间的第二电压U2反比于所述中间金属套筒120和所述外层金属套筒130间的第二电容C2。所述内层金属套筒110和所述外层金属套筒130的套筒壁外侧表面的电场强度大于废气/废水发生电晕放电所需值，确保通过上述多层同轴结构的废气/废水均得以被电晕等离子体阴极所发射的电子电离后降解，进一步地提高发射电子效率，以及废气/废水的净化效率。

在实际应用中，所述驱动单元140的驱动高压在所述内层金属套筒110和所述中间金属套筒120的轴向传播时，由所述入口端A至所述出口端B，发射电子电离废气/废水会使得所述内层金属套筒110和所述中间金属套筒120之间的脉冲高压不断下降，导致所述入口端A至所述出口端B电场强度不断下降，降低了电子发射能力，以及废气/废水的净化效率。基于此，在本发明提供的另一个实施例中，所述内层金属套筒110与所述外层金属套筒130的套筒壁间距离由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小，以使放电过程中所述入口端A的电场强度至所述出口端B的电场强度相同，以避免由于发射电子的过程中，所述驱动高压的损失造成的发射电子数量减小和加速电子能力下降，以及废气/废水净化效率的下降。

请参阅图3，是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源200的结构示意图。与图2的不同之处在于，本实施例中的所述内层金属套筒210与所述外层金属套筒230的套筒壁间距离D由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小。具体的，所述内层金属套筒210和所述外层金属套筒230的套筒壁壁厚由所述入口端A至所述出口端B逐渐增大。

本实施例中，所述内层金属套筒210的套筒壁壁厚由所述入口端A至所述出口端B向所述内层金属套筒210的套筒壁外侧方向逐渐增大，所述外层金属套筒230的套筒壁壁厚由所述入口端A至所述出口端B向所述外层金属套筒230的套筒壁内侧方向逐渐增大，使得所述内层金属套筒210与所述外层金属套筒230的套筒壁间距离D由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小，以逐渐增大所述内层金属套筒210和所述中间金属套筒220的套筒壁外侧表面在所述入口端A至所述出口端B的电场强度，维持所述电场强度不变。

本实施例中，所述内层金属套筒210和所述外层金属套筒230的套筒壁壁厚变化量由从所述入口端A至所述出口端B过程中驱动高压的电压损失量确定，满足壁厚变化导致的电场强度增加量等于发射电子导致的电场强度下降量，维持从所述入口端A至所述出口端B的所述电场强度不变。

在其他实施例中，还可采用其他结构使得所述内层金属套筒210与所述外层金属套筒230的套筒壁间距离D由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小。如图4所示的所述内层金属套筒310的直径r由所述入口端A至所述出口端B逐渐增大，如图5所示的所述外层金属套筒430的直径R由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小，以及如图6所示的所述内层金属套筒510的直径r由所述入口端A至所述出口端B逐渐增大同时所述外层金属套筒530的直径R由所述入口端A至所述出口端B逐渐减小。上述直径变化导致的电场强度增加量等于发射电子导致的电场强度下降量，以维持所述内层金属套筒310/510和所述中间金属套筒320/520的套筒壁外侧表面在所述入口端A至所述出口端B的电场强度不变即可。

请参阅图7，是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源600的结构示意图。与图2的不同之处在于，所述中间金属套筒620包括螺旋缠绕所述内层金属套筒610表面的带状金属，以减小电磁波在同轴串接型电子束源的传播速度，在不降低废气/废水的净化效率的同时缩小装置尺寸，满足小型化需求。

请参阅图8，是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源700径向的剖面结构示意图。与图1的不同之处在于，所述同轴串接型电子束源700包括多个中间金属套筒720。本实施例中，所述同轴串接型电子束源700包括两中间金属套筒721和722，所述多个中间套筒720同轴间隔设置，一个所述中间金属套筒722位于另一所述中间金属套筒721的套筒壁内侧。施加在所述多个中间金属套筒720中相邻两中间金属套筒721和722间的电压与所述多个中间金属套筒720中相邻两金属套筒721和722间的电容成反比，所述多个中间金属套筒720的套筒壁外侧表面的电场强度大于使废气/废水得以电晕放电的所需值。由多个空心圆柱金属构成的多层结构形成的多个辐射场，不仅提高了电能利用效率，而且废气/废水在所述多个辐射场中分流被高速电子电离，使得废气/废水得以充分被电子电离降解。另外，上述同轴串接型电子束源700还进一步提高了发射电子的效率，使得通入的废气/废水尽可能的被高速电子电离降解，从而进一步提高了废气/废水的净化效率。

请参阅图9～10，是本发明提供的另一个实施例中同轴串接型电子束源800的结构示意图，其中，图9为同轴串接型电子束源800沿径向的剖面结构示意图，图10为同轴串接型电子束源800沿轴向的剖面结构示意图。与图7的区别点在于，所述同轴串接型电子束源800还包括金属凸起850，位于所述内层金属套筒810和/或所述中间金属套筒820的套筒壁外侧表面。本实施例中所述金属凸起850位于所述内层金属套筒810和所述中间金属套筒820的套筒壁外侧表面，以进一步增大所述内层金属套筒810和所述中间金属套筒820的套筒壁外侧表面的电场强度，和增加电晕放电点的数量，使得有更多的电子发射点，增大发射电子的数量，提高发射电子的效率，提高废气/废水的净化效率。

本实施例中，所述金属凸起850的材质为不锈钢。

本实施例中，所述同轴串接型电子束源800还包括吸波负载电阻860，根据各层金属套筒之间的特性阻抗值并联吸波负载电阻860。如图10所示，包括吸波负载电阻861和862，位于出口端B，所述吸波负载电阻861并联在所述内层金属套筒810和所述中间金属套筒820之间；所述吸波负载电阻862并联在所述中间金属套筒820和所述外层金属套筒830之间；用于吸收所述内层金属套筒810和所述中间金属套筒820，以及外层金属套筒830上的残余电压，避免所述残余电压再反射回金属套筒中影响各个金属凸起850上的电场强度。

本实施例中，所述同轴串接型电子束源800还包括法兰870，位于所述入口端A和所述出口端B，用于连接所述外层金属套筒830与废气/废水的传输管道。

本实施例中，所述驱动单元840为脉冲功率驱动源，输出脉冲的周期小于等于400纳秒。

另外，所述同轴串接型电子束源800还可其他元件，如支撑柱(图未示)等，可位于所述入口端A和所述出口端B，以将所述内层金属套筒810、中间金属套筒820以及外层金属套筒830构成的多层同轴结构固定支撑。

可以理解，所述金属凸起850还可以应用于上述图2～图7中任一实施例中，以增大套筒壁外侧表面的电场强度，和增加电晕放电点的数量。

可以理解，上述图2～图8中任一实施例中，所述金属凸起和金属套筒的金属材料也可为其他导电材料。

综上所述，本发明提供的同轴串接型电子束源，同轴间隔设置的内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒形成多层同轴结构，利用所述多层同轴结构形成多个并联的辐射场，提高电能利用效率，废气/废水分流经过多个所述辐射场，以充分被电子电离降解，提高等离子体产生效率及废气/废水的净化效率；脉冲功率驱动源的驱动电压加载到所述多层同轴结构上，并以相邻金属套筒间的电容量进行分压，实现电路的径向串联，在轴向传播时，通过金属套筒直径/套筒壁壁厚的变化，实现电路的轴向串联，避免在入口端电晕放电导致的电场强度降低，使得在出口端仍具有足够放电的电场强度；再辅助以金属凸起，进一步增强电场强度，提高发射电子的效率，使得通入的废气/废水尽可能的在被电离后降解，从而提高废气/废水的净化效率。

本发明的优点在于：

1)多层金属套筒采用同轴结构，利用同轴结构中电场不均匀的特性，提高内导体表面的电场强度，以在较低的电压下实现电晕放电，并控制电晕放电向流注放电发展，以放电电晕等离子体为发射电子的阴极，以使废气/废水得以充分电离；

2)多层金属套筒采用同轴结构，利用同轴结构中电场不均匀系数，在提高内导体表面电场强度的同时，增大各个内导体之间的环空，有利于废气/废水的传输；

3)多层同轴金属套筒结构，实现了电路在径向的串联，实现了多个辐射场的并联，提高了电能利用效率；

4)在轴向上，按比例减小所述内层金属套筒与所述外层金属套筒的套筒壁间距离，使得在入口端因放电降低了的电场强度，因内外金属套筒的套筒壁间距离减小而不下降，能够维持放电，实现电路在轴向的串联，提高发射电子的效率和废气/废水的净化效率；

5)在出口端设置吸波负载电阻，使得最后不能形成电晕的驱动电压被吸收，不再反射回金属套筒中影响各个金属凸起上的电场强度。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种同轴串接型电子束源，其特征在于，包括内层金属套筒、中间金属套筒、外层金属套筒，以及驱动单元；

所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒同轴间隔设置，且所述内层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁内侧，所述外层金属套筒位于所述中间金属套筒的套筒壁外侧；

所述内层金属套筒连接所述驱动单元的高压端，所述中间金属套筒悬空，所述外层金属套筒连接所述驱动单元的低压端；

其中，所述高压端的输出电压高于所述低压端的输出电压；所述内层金属套筒、中间金属套筒以及外层金属套筒包括入口端及出口端。

2.根据权利要求1所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述驱动单元施加在相邻两金属套筒间的电压与所述相邻两金属套筒间的电容成反比，所述内层金属套筒和所述中间金属套筒的套筒壁外侧表面的电场强度大于电晕放电所需值。

3.根据权利要求1所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述内层金属套筒与所述外层金属套筒的套筒壁间距离由所述入口端至所述出口端逐渐减小。

4.根据权利要求1所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述内层金属套筒和所述外层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端逐渐增大。

5.根据权利要求4所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述内层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端向所述内层金属套筒的套筒壁外侧方向逐渐增大，所述外层金属套筒的套筒壁壁厚由所述入口端至所述出口端向所述外层金属套筒的套筒壁内侧方向逐渐增大。

6.根据权利要求3所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述内层金属套筒的直径由所述入口端至所述出口端逐渐增大；和/或所述外层金属套筒的直径由所述入口端至所述出口端逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述中间金属套筒包括螺旋缠绕在所述内层金属套筒表面的带状金属。

8.根据权利要求1所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，所述电子束源包括多个中间金属套筒，所述多个中间套筒同轴间隔设置，一个所述中间金属套筒位于另一所述中间金属套筒的套筒壁内侧。

9.根据权利要求8所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，施加在所述多个中间金属套筒中相邻两中间金属套筒间的电压与所述多个中间金属套筒中相邻两金属套筒间的电容成反比，所述多个中间金属套筒的套筒壁外侧表面的电场强度大于电晕放电所需值。

10.根据权利要求1-9中任意一项所述的同轴串接型电子束源，其特征在于，

所述同轴串接型电子束源还包括金属凸起，位于所述内层金属套筒和/或所述中间金属套筒的套筒壁外侧表面；和/或

所述同轴串接型电子束源还包括吸波负载电阻，位于出口端，连接所述内层金属套筒和所述中间金属套筒，以及连接所述中间金属套筒和所述外层金属套筒，用于吸收所述内层金属套筒和所述中间金属套筒以及所述外层金属套筒上的残余电压；和/或

所述同轴串接型电子束源还包括法兰，位于所述入口端和所述出口端，用于连接所述外层金属套筒与传输管道；和/或

所述驱动单元为脉冲功率驱动源，输出脉冲的周期小于等于400纳秒。

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