CN111863566A - 一种多电极真空弧离子源 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种多电极真空弧离子源，包括多个相同的单电极；单电极包括：阴极、绝缘套筒、阳极和阳极绝缘层；阴极为一端具有凸起结构的圆柱，其中，具有凸起结构的一端为放电端，另一端为平面端；阴极表面包裹有绝缘套筒，且绝缘套筒内壁与阴极表面紧密接触；阳极固定于绝缘套筒上，且阳极内表面与绝缘套筒外表面相接触，阳极的外表面由阳极绝缘层包裹；多个阴极的非放电端均连接同一个放电电源的负高压端子，多个阳极均接地。本发明基于绝缘阳极结构实现了在一个电源下多个电极同时放电，增大了阴极电流幅值，提高了等离子体的生成量，丰富了金属离子的种类。

Description

一种多电极真空弧离子源

技术领域

本发明涉及等离子体生成技术领域，尤其涉及一种多电极真空弧离子源。

背景技术

在真空放电里，阴极和阳极之间施加高电压，由于阴极表面微凸起的存在，阴极表面的电场强度可达到10⁹V/m。强电场会引起阴极表面场致电子发射，大量的电子发射产生大量的焦耳热加热阴极，使阴极表面蒸发出大量的金属蒸气。场致发射的电子碰撞金属蒸气，会产生新的电子和离子。电子和离子离开阴极表面运动到阳极使阴阳极间击穿导通，形成电弧。真空弧烧蚀阴极金属材料能够产生高电离度的金属离子等离子体，并形成超音速(～10⁴m/s)、定向喷射的金属离子等离子体束，因而将金属离子等离子体用于离子注入技术、高电离度离子束的提取以及等离子体推进器受到越来越广泛的关注。但单个电极放电生成的等离子体源的离子种类单一、离子密度较小、离子数量较少，因而对其的实际应用带来了限制。

为了提高等离子体生成量，现有研究往往采用多阴极结构。在此结构中，多个阴极共用一个阳极，且由多个电源为对应的阴极提供放电能量。但是多个电源的使用不仅增加了系统的复杂程度，降低了系统的效率，而且多个电源的同步性也存在问题。

在采用传统的裸阳极结构进行一个电源下多个电极放电时，放电起始时刻多个电极的阴极表面都达到了场致电子发射阈值，能够同时进行场致发射电子。但是，由于阴极表面的差异，其中一个电极阴极点的电场强度较大，场致发射电子能力较强，这个电极的阴阳极之间先形成放电通路。对裸金属阳极多电极结构来说，其中一个电极的阴阳极之间形成放电通路后，放电电压就会迅速降低至电弧维持电压。在此电压下，其他电极的阴阳极之间就很难再形成击穿放电。

发明内容

本发明的实施例提供了一种多电极真空弧离子源，目的在于实现在一个电源下多个电极同时放电，提高等离子体生成量，丰富离子种类，以解决上述背景技术中存在的单个电极生成的离子种类单一、离子密度较小、离子数量较少的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种多电极真空弧离子源，包括多个相同的单电极；

所述单电极包括：阴极1、绝缘套筒2、阳极3和阳极绝缘层4；

所述阴极1包括：放电端5和非放电端，其中，所述阴极的放电端5为凸起结构，非放电端为平面端6；

所述阴极1表面包裹有绝缘套筒2，且绝缘套筒2内壁与阴极1表面紧密接触；

所述阳极3固定于绝缘套筒2上，且阳极3内表面与绝缘套筒2外表面相接触，所述阳极3的外表面由阳极绝缘层4包裹；

多个阴极的非放电端均连接同一个放电电源的负高压端子，多个阳极均接地。

优选地，所述放电端5位于绝缘套筒2内部，其为圆锥形、圆台形、弧形或立方体形。

优选地，所述平面端6位于绝缘套筒2外部，其端面为圆形。

优选地，所述阴极1和阳极3采用金属材料制成。

优选地，所述绝缘套筒2采用绝缘材料制成；

所述阳极绝缘层4采用绝缘材料制成。

优选地，相邻的单电极之间的距离为16mm以上。

优选地，所述相邻的单电极之间的距离为36mm，可使多个单电极同时放电并能够获得最大等离子体生成量。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供了一种多电极真空弧离子源，不同于传统多阴极结构，基于绝缘阳极结构实现了在同一个电源下的多个电极同时放电。通过在每个电极放电端设置绝缘套筒，对阴极产生的等离子体进行阻挡及束缚，提高了等离子体定向喷射的能力。与单电极放电相比，多电极同时放电具有更低的初始放电电压值，更大的阴极电流幅值，更高的等离子体的生成量，更丰富的离子种类。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例中一种多电极真空弧离子源整体结构示意图；

图2为本发明实施例中一种多电极真空弧离子源的左视图；

图3为本发明实施例中一种多电极真空弧离子源的放电电路图；

图4为本发明实施例中一种多电极真空弧离子源的放电波形图。

附图标记：

1-阴极；2-绝缘套筒；3-阳极；4-阳极绝缘层；5-阴极放电端；6-阴极平面端。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供了一种多电极真空弧离子源，包括多个相同的单电极。

单电极包括：阴极1、绝缘套筒2、阳极3和阳极绝缘层4。阴极1包括：放电端5和非放电端，其中，所述阴极的放电端5为凸起结构，非放电端为平面端6，阴极1和放电端5采用铅金属材料制成；阴极1表面包裹有绝缘套筒2，且绝缘套筒2内壁与阴极1表面紧密接触。放电端5位于绝缘套筒2内部，其为圆锥形、圆台形、弧形或立方体形等凸起的形状；平面端6位于绝缘套筒2外部，其端面为圆形。阳极3固定于绝缘套筒2上，且阳极3内表面与绝缘套筒2外表面相接触，阳极3的外表面由阳极绝缘层4包裹，阳极3采用金属材料制成。

上述多电极真空弧离子源中所有阴极的非放电端同时连接同一个放电电源的负高压端子，所有阳极接地；相邻的单电极之间的距离为16mm以上。

如图1所示，本发明实施例提供的一种多电极真空弧离子源，由3个相同的单电极组成，3个单电极由同一个放电电源提供能量。阴极1为圆柱状，其两端分别为放电端5和平面端6，其中，放电端5位于绝缘套筒2内部，其为圆锥形结构，平面端6位于绝缘套筒2外部，其端面为圆形；阴极1采用导磁金属制成，阴极1总长为30mm，阴极1的圆柱状部分的长度：直径＝26mm:4mm，放电端5的长度和下底圆直径之比为2:3～2:1。绝缘套筒2采用聚四氟乙烯绝缘材料制成，绝缘套筒2的长度：厚度＝24mm:1mm。阳极3采用金属铜制成，阳极3的长度：厚度＝4mm：1mm。阳极绝缘层4采用特氟龙绝缘材料制成，阳极绝缘层4的厚度为2mm。相邻电极之间的距离为36mm。

为便于理解，下面给出一组放电电极的详细尺寸。阴极1采用铅金属材料，阴极1总长为30mm，阴极1的圆柱状部分的长度：直径＝26mm:4mm，放电端5采用圆锥形结构，锥高：底面直径＝4mm:4mm。套设在阴极1表面的绝缘套筒2采用聚四氟乙烯材料，长度：厚度＝24mm:1mm，绝缘套筒2超出放电端5的长度为4mm。套设在绝缘套筒2外表面的阳极3采用铜金属材料，长度：厚度＝4mm:1mm，阳极3边沿距离绝缘套筒2位于阴极放电端5一侧的端面的外沿为2mm。包裹阳极3的阳极绝缘层4采用特氟龙材料，长度：厚度＝6mm:2mm。

图2为多电极真空弧离子源左视图，单电极的数量为3个。相邻单电极间的距离为36mm，这个距离是使多电极同时放电能够获得最大等离子体生成量的最佳距离。

本发明实施例中放电电源采用脉冲放电形式，多电极真空弧离子源放电电路图如图3所示，包括主放电电路和触发电路。主放电电路为倍压电路。220V正弦交流电经升压变压器T1升压，在图中L1周期给电容C1充电，在L2周期变压器T1与电容C1一起给储能电容C2充电。当触发电路输出一触发信号时，三点间隙导通，电容C2的一端瞬时接地，从而输出一个幅值为0-20kV的负脉冲电压。负脉冲电压经27欧电阻和225uF电感加在放电电极两端，引发电极间放电。在放电闭合回路中，阴极前串电阻和电感是为了延长放电电流持续时间，提高等离子体生成量；串联二极管是为了防止电流回流，减少电流振荡。阴极通过接线柱接电源高压端，阳极通过导线接地。

图4为多电极真空弧离子源工作时的放电波形。其中波形1为放电电压波形，波形2为放电电流波形。触发信号发出后，三点间隙导通，主放电电容为放电提供电压和能量。放电电极阴极和阳极受到瞬间高压时放电击穿导通，阴极表面受到烧蚀并产生等离子体。从图4放电电压波形中看出，放电电压先到达起始放电值，之后有一个震荡下降过程，经过一段时间之后才降低至电弧电压。从图4放电电流波形中看出，阴极电流在放电电压下降过程中震荡升高。当放电电压降至电弧维持电压时，放电电流到达峰值，之后在电弧维持过程中平稳降低至0。图4中t1表示放电开始至电压跌落时间，t2表示电弧维持时间。t1+t2表示脉冲工作时间。

1.采用多电极结构放电后等离子体生成效果测试试验：

在放电实验过程中，对单电极和两种多电极结构进行了放电实验研究，两种多电极结构分别是双电极及三电极。对于单电极结构，阴极1采用铅金属，阴极1总长为30mm，阴极1的圆柱状部分的长度：直径＝26mm:4mm，放电端5采用圆锥形结构，锥高：底面直径＝4mm:4mm。套设在阴极1表面的绝缘套筒2采用聚四氟乙烯材料，长度：厚度＝24mm:1mm，绝缘套筒2超出放电端5的长度为4mm。套设在绝缘套筒2外表面的阳极3采用铜金属，长度：厚度＝4mm:1mm，阳极3边沿距离绝缘套管位于阴极放电端5一侧的端面的外沿为2mm。包裹阳极3的阳极绝缘层4采用特氟龙材料，长度：厚度＝6mm:2mm。双电极和三电极结构与单电极结构完全一致，只是数量上存在差别。

采用单电极和多电极结构的真空弧离子源放电，实验测得的等离子体生成效果对比如表1所示。

表1不同电极结构下的等离子体测量结果

由表1中的参数可知，在相等的放电电压条件下，多电极的起始放电电压随电极数量增多而减小，与单电极放电相比，三电极同时放电的起始放电电压幅值减小了28.4％。多电极的阴极电流幅值随电极数量增多而增大，与单电极放电相比，三电极同时放电的阴极电流幅值增大了32.9％。这意味着采用多电极同时放电时等离子体生成量更高。

综上可知，采用多电极同时放电，降低了初始放电电压值，增大了阴极电流幅值，提高了等离子体的生成量。

2、电极间距对多电极等离子体生成效果影响的测试：

在放电实验过程中，基于双电极结构，探究电极间距对等离子体生成效果的影响，等离子体生成效果如表2所示。

表2不同电极间距下的等离子体测量结果

由表2中的参数可知，电极间距对双电极射流长度存在明显影响。电极间距为16mm时的等离子体射流长度差别最大，电极间距增大到为36mm时，离子体射流长度已基本一致。电极间距为36mm时，阴极电流幅值最大。分析可知，电极间距会影响双电极等离子体射流的生成。先喷出的一束等离子体射流产生的空间电场会阻碍后续电极等离子体的生成。因此，只有电极之间保持一定的距离，才能使两个电极都放电且喷出长度一致的等离子体射流，获得最大等离子体生成量。

3、电容容量对多电极等离子体生成效果影响的测试：

在放电实验过程中，基于三电极结构，探究电容容量对等离子体生成效果的影响，等离子体生成效果如表3所示。

表3不同电容容量下的等离子体测量结果

将图3主放电电路中0.1uF储能电容C2更换为0.2uF，电容充电电压维持不变，电容容量提高一倍，使电容储能提高一倍。由表3中的参数可知，电容容量提高一倍，三电极等离子体射流的密度、传播速度及长度显著增加，分别提高50％、16.2％和27.3％。分析可知，在相同的放电电压条件下，提高电容容量，能够提高等离子体射流的密度、传播速度及长度。

本发明实施例提供的一种多电极真空弧离子源中，阴极可采用不同种金属材料，则多电极可生成多种离子，丰富了离子种类，解决了单个电极生成的离子种类单一、离子密度较小、离子数量较少的缺陷。需补充的是，阴极采用不同金属材料，经实验验证不会对多电极同时放电产生影响。

综上所述，本发明提供的一种多电极真空弧离子源，实现了在一个电源下多个电极同时放电，提高了等离子体生成量，且存在一个最佳电极间距使多电极同时放电能够获得最大等离子体生成量。另外，提高电容容量，能够提高多电极等离子体射流的密度、传播速度及长度。并认为，只要采用足够高的电容容量提供足够的放电能量，就能进一步提高多电极同时放电的电极数量。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种多电极真空弧离子源，其特征在于，包括多个相同的单电极；

所述单电极包括：阴极(1)、绝缘套筒(2)、阳极(3)和阳极绝缘层(4)；

所述阴极(1)包括：放电端(5)和非放电端，其中，所述阴极的放电端(5)为凸起结构，非放电端为平面端(6)；

所述阴极(1)表面包裹有绝缘套筒(2)，且绝缘套筒(2)内壁与阴极(1)表面紧密接触；

所述阳极(3)固定于绝缘套筒(2)上，且阳极(3)内表面与绝缘套筒(2)外表面相接触，所述阳极(3)的外表面由阳极绝缘层(4)包裹；

多个阴极的非放电端均连接同一个放电电源的负高压端子，多个阳极均接地。

2.根据权利要求1所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，所述放电端(5)位于绝缘套筒(2)内部，其为圆锥形、圆台形、弧形或立方体形。

3.根据权利要求1所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，所述平面端(6)位于绝缘套筒(2)外部，其端面为圆形。

4.根据权利要求1所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，所述阴极(1)和阳极(3)采用金属材料制成。

5.根据权利要求1所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，所述绝缘套筒(2)采用绝缘材料制成；

所述阳极绝缘层(4)采用绝缘材料制成。

6.根据权利要求1所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，相邻的单电极之间的距离为16mm以上。

7.根据权利要求6所述的多电极真空弧离子源，其特征在于，所述相邻的单电极之间的距离为36mm，可使多个单电极同时放电并能够获得最大等离子体生成量。

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