CN112449474B - 一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，属于等离子体领域。解决了现有研究和设备中对等离子体系统中尘埃颗粒捕获困难的问题。它包括所述辉光放电管为对称弯曲的结构，所述辉光放电管与放电管固定装置相连，围绕弯曲部位自由旋转并固定，所述辉光放电管内部两端对称设置有空心阳极和空心阴极，所述空心阳极和空心阴极分别与直流电源的正负极相连，所述辉光放电管内部对称位置均设置有尘埃注入装置，所述辉光放电管与真空泵和气体注入装置相连，所述朗缪尔探针设置在辉光放电管内部并与数据收集系统相连，所述激光器和高速相机沿辉光放电管径向对称设置。它主要用于等离子体中尘埃颗粒的捕获。

Description

一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置
技术领域
本发明属于等离子体领域，特别是涉及一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置。
背景技术
等离子体是通过高温、高压等手段产生的,带电粒子间的长程力起主导作用,具有集体效应的电离气体，整体呈现电中性的性质，常被称为物质的第四态。由于等离子体内部含有大量的带电粒子(正离子、负离子和电子)与中性粒子(原子、分子、自由基和活性基团)，使得等离子体内部的电场和磁场环境极为复杂。
尘埃颗粒在等离子体内部，由于电场的存在会带有一定量的电荷。同时带电的尘埃颗粒会受到等离子体内部的电场和磁场的作用，在等离子体内部呈现复杂的分布情况，对于等离子体在工程的应用存在极大的阻碍作用。由于当前科学与工程手段仍不完善，现阶段仍缺乏对等离子体内部尘埃的颗粒运动的捕获手段。因此，急需研制一个简单有效的等离子体中尘埃颗粒的捕获装置。
发明内容
本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，它包括空心阳极、空心阴极、真空泵、尘埃注入装置、直流电源、数据收集系统、朗缪尔探针、辉光放电管、气体注入装置、放电管固定装置、激光器和高速相机；所述辉光放电管为对称弯曲的结构，所述辉光放电管与放电管固定装置相连，围绕弯曲部位自由旋转并固定，所述辉光放电管内部两端对称设置有空心阳极和空心阴极，所述空心阳极和空心阴极分别与直流电源的正负极相连，所述辉光放电管内部对称位置均设置有尘埃注入装置，所述辉光放电管与真空泵和气体注入装置相连，所述朗缪尔探针设置在辉光放电管内部并与数据收集系统相连，所述激光器和高速相机沿辉光放电管径向对称设置。
更进一步的，所述辉光放电管为对称弯曲的V型石英管，弯曲角度为90°。
更进一步的，所述辉光放电管外径为30mm，壁厚2mm，总长为450mm。
更进一步的，所述辉光放电管内真空度在0.1torr至1torr范围内。
更进一步的，所述空心阳极和空心阴极为金属钼片开放圆筒。
更进一步的，所述空心阳极和空心阴极厚度为2mm，直径为24mm，长为30mm。
更进一步的，所述直流电源上串联有电流表，所述直流电源上并联有电压表。
更进一步的，所述空心阳极和空心阴极与直流电源之间串联有电阻。
更进一步的，所述尘埃注入装置通过机械振动的形式向等离子体内部注入尘埃颗粒。
更进一步的，所述直流电源提供0～1500V可调节电压及0～200mA可调节电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有研究和设备中对等离子体系统中尘埃颗粒捕获困难的问题。本发明通过调节直流电源的电压采用辉光放电的方法在辉光放电管内产生不同密度的等离子体，通过放电管固定装置，可以围绕弯曲部位自由旋转，从而实现尘埃颗粒自身的重力与在等离子体内部收到的电磁力平衡，从而被等离子体捕获，通过激光器，由高速相机得到尘埃图像。同时通过朗缪尔探针和数据采集系统，研究不同条件下等离子体的参数，进一步研究等离子体中捕获尘埃颗粒的具体机制，从而实现提高本装置的准确性。
附图说明
图1为本发明所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置结构示意图；
图2为本发明所述的辉光放电管中尘埃颗粒在径向电场中所受电场力的数值模拟结果图。
1a-空心阳极，1b-空心阴极，2-真空泵，3-尘埃注入装置，4-直流电源，5-数据收集系统，6-朗缪尔探针，7-辉光放电管，8-电流表，9-电压表，10-气体注入装置，11-放电管固定装置，12-激光器，13-高速相机，14-电阻。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
参见图1-2说明本实施方式，一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，它包括空心阳极1a、空心阴极1b、真空泵2、尘埃注入装置3、直流电源4、数据收集系统5、朗缪尔探针6、辉光放电管7、气体注入装置10、放电管固定装置11、激光器12和高速相机13；所述辉光放电管7为对称弯曲的结构，所述辉光放电管7与放电管固定装置11相连，围绕弯曲部位自由旋转并固定，所述辉光放电管7内部两端对称设置有空心阳极1a和空心阴极1b，所述空心阳极1a和空心阴极1b分别与直流电源4的正负极相连，所述辉光放电管7内部对称位置均设置有尘埃注入装置3，所述辉光放电管7与真空泵2和气体注入装置10相连，所述朗缪尔探针6设置在辉光放电管7内部并与数据收集系统5相连，所述激光器12和高速相机13沿辉光放电管7径向对称设置。
本实施例辉光放电管7两侧对称开设4个开口，分别对称放置尘埃注入装置3、空心阳极1a和空心阴极1b，通过调节直流电源4的电压采用辉光放电的方法在辉光放电管7内产生不同密度的等离子体，气体注入装置10向辉光放电管7注入不同的气体环境，尘埃注入装置3通过机械振动的形式向等离子体内部注入尘埃颗粒，通过激光器12，由高速相机13得到尘埃图像。通过朗缪尔探针6诊断等离子体参数，通过数据收集系统5采集并处理等离子体参数。
尘埃颗粒在等离子体内部受到以下力的作用:
重力：Fg＝mdg
电场力：
Figure BDA0002810881700000031
摩擦力：
Figure BDA0002810881700000032
热泳力：
Figure BDA0002810881700000033
离子曳力：
Figure BDA0002810881700000034
在直流辉光放电中尘埃颗粒的重力和电场力起主导作用，其它的作用力大小可以忽略。辉光放电管7在放电管固定装置11的作用下，可以围绕弯曲部位自由旋转，从而实现尘埃颗粒所受的重力和电场力相互平衡，实现等离子体中尘埃颗粒的捕获。
本实施例辉光放电管7为对称弯曲的V型石英管，弯曲角度为90°，外径为30mm，壁厚2mm，总长为450mm，外径与长度比可以较好的利用高速相机13获得尘埃颗粒图像。辉光放电管7与真空泵2外接，四周用密封胶密封，使辉光放电管7内真空度控制在适合辉光放电等离子体产生的条件范围内，辉光放电管7内真空度在0.1torr至1torr。空心阳极1a和空心阴极1b为金属钼片开放圆筒，厚度为2mm，直径为24mm，长为30mm，目的是在辉光放电管7内产生直流辉光放电等离子体。空心阳极1a和空心阴极1b接入直流电源4的正负极，直流电源4提供0～1500V可调节电压及0～200mA可调节电流，为了直观的观测直流电源4的输出电流情况，在直流电源4上串联有电流表8，为了直观的观测直流电源4的输出电压情况，在直流电源4上并联有电压表9，为了保护实验装置的安全性，空心阳极1a和空心阴极1b与直流电源4之间串联有电阻14。为了获取等离子体真实放电情况，通过朗缪尔探针6诊断等离子体参数，通过数据收集系统5采集并处理等离子体参数。
以上对本发明所提供的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：它包括空心阳极(1a)、空心阴极(1b)、真空泵(2)、尘埃注入装置(3)、直流电源(4)、数据收集系统(5)、朗缪尔探针(6)、辉光放电管(7)、气体注入装置(10)、放电管固定装置(11)、激光器(12)和高速相机(13)；所述辉光放电管(7)为对称弯曲的结构，所述辉光放电管(7)与放电管固定装置(11)相连，围绕弯曲部位自由旋转并固定，所述辉光放电管(7)内部两端对称设置有空心阳极(1a)和空心阴极(1b)，所述空心阳极(1a)和空心阴极(1b)分别与直流电源(4)的正负极相连，所述辉光放电管(7)内部对称位置均设置有尘埃注入装置(3)，所述辉光放电管(7)与真空泵(2)和气体注入装置(10)相连，所述朗缪尔探针(6)设置在辉光放电管(7)内部并与数据收集系统(5)相连，所述激光器(12)和高速相机(13)沿辉光放电管(7)径向对称设置，所述辉光放电管(7)为对称弯曲的V型石英管，弯曲角度为90°。
2.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述辉光放电管(7)外径为30mm，壁厚2mm，总长为450mm。
3.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述辉光放电管(7)内真空度在0.1torr至1torr范围内。
4.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述空心阳极(1a)和空心阴极(1b)为金属钼片开放圆筒。
5.根据权利要求4所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述空心阳极(1a)和空心阴极(1b)厚度为2mm，直径为24mm，长为30mm。
6.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述直流电源(4)上串联有电流表(8)，所述直流电源(4)上并联有电压表(9)。
7.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述空心阳极(1a)和空心阴极(1b)与直流电源(4)之间串联有电阻(14)。
8.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述尘埃注入装置(3)通过机械振动的形式向等离子体内部注入尘埃颗粒。
9.根据权利要求1所述的一种等离子体中尘埃颗粒的捕获装置，其特征在于：所述直流电源(4)提供0～1500V可调节电压及0～200mA可调节电流。
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