CN112888135A - 一种等离子体发生器及其电极结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器及其电极结构。该电极结构包括绝缘基座、电极块、针状电极和顶丝，该电极结构的电极块与绝缘基座相对固定，针状电极通过盲孔和顶丝的配合与电极块连接固定，将针状电极与电极块良好地导通，方便拆装和更换针状电极，电极块通过绝缘基座实现与等离子体发生器装配，做到电极与等离子体发生器间的电绝缘，另外针状电极采用钨材料制成耐高温寿命长。该等离子体发生器的电极结构安装和更换方便，整体体积相对较小，结构布局合理，太赫兹波可以在垂直于石英管轴线方向穿过管壁或沿石英管轴线方向穿过太赫兹波穿透部与腔室内的等离子体发生相互作用，适用于太赫兹波与等离子体相互作用的研究。

Description

一种等离子体发生器及其电极结构

技术领域

本发明涉及等离子体技术领域，尤其涉及一种等离子体发生器及其电极结构。

背景技术

电磁波在传播过程中遇到等离子体鞘套时因被其吸收而衰减，并出现偏折、延时、相移等效应，情况严重时出现“黑障”，“黑障”的出现给高速飞行器的测控通信、制导带来极大的困难。等离子体之所以可对雷达波隐身，其根本原因在于微波波段电磁波的电场加速等离子体中带电粒子，带电粒子和中性粒子发生碰撞，从而转移从微波电磁波中吸收的能量。由于太赫兹波的频率远大于等离子体的振荡频率，等离子体中的带电粒子来不及响应太赫兹波电磁场的变化，也就是说等离子体中带电粒子没有受到电场的加速作用而消耗太赫兹波的能量，因此从物理机制上太赫兹波穿透等离子体鞘套的技术途径是可行的。

太赫兹光谱产生系统发出的太赫兹波相比微波和激光而言能量较弱，光束直径也较小，为了研究太赫兹波与等离子体的相互作用，需要设计制作一种小型的等离子体发生器，进而将其放入到太赫兹波产生与探测系统内当作样品进行探测，以适应微弱的太赫兹波的传输。因此亟需一种适用于研究太赫兹波与等离子体相互作用的小型的等离子体发生器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种用于等离子体发生器的电极结构，方便与等离子发生器装配，且电极结构中针状电极的安装和更换方便，整体体积相对较小。

本发明的另一个目的是提供一种等离子体发生器，适用于太赫兹波与等离子体相互作用的研究，且安装和更换电极方便。

(二)技术方案

为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种电极结构，包括：

绝缘基座，至少在下侧设有凸起，凸起的外部轮廓与等离子体发生器的电极安装孔相匹配，绝缘基座上还有一电极过孔，电极过孔穿过凸起贯穿绝缘基座；

电极块，至少在下侧设有与电极过孔相匹配的电极柱，电极柱的下侧设有盲孔，电极柱的下端穿过电极过孔并伸出凸起外，在电极柱伸出凸起的部分设有顶丝螺纹孔，顶丝螺纹孔与盲孔连通；

针状电极，为钨材料制成，针状电极的一端位于盲孔，另一端伸出盲孔；以及

顶丝，该顶丝与顶丝螺纹孔配合，用于顶紧针状电极。

优选地，电极块与绝缘基座之间设有第一密封垫，第一密封垫上设有供电极柱穿过的过孔。

优选地，电极块通过第一螺钉固定于绝缘基座。

优选地，电极块为铜材料制成；和/或

绝缘基座为玻璃钢材料制成。

优选地，顶丝的后端设有与所述电极柱的外侧面弧度相匹配的凸起弧部，该凸起弧部的最大直径与顶丝的直径相同，在凸起弧部上设有一字形或十字形的拆装凹槽。

优选地，电极块的上侧设有带外螺纹的连接柱，连接柱的外侧靠近电极块上侧面位置设有用于接线的环形凹槽；

连接柱上还设有相配合的锁紧螺母，用于压紧接线。

第二方面，本发明还提供了一种等离子体发生器，包括：

第一部，设有贯穿第一部的第一腔体，以及与第一腔体连通的进气孔；

第二部，设有贯穿第二部的第二腔体，以及与第二腔体连通的出气孔；

第一部和第二部间隔相对固定设置，第一腔体和第二腔体同轴；

第一部和第二部之间设有透明的石英管，石英管的一端与第一腔体的内侧端连通，另一端与第二腔体的内侧端连通，第一腔体和第二腔体的外侧端均覆盖有太赫兹波穿透部；

第一部和第二部分别设有一个电极安装孔，两个电极安装孔分别与第一腔体和第二腔体连通，两个电极安装孔均装配有电极结构，其中，电极结构可以是第一方面中任一种电极结构，两个电极结构的针状电极分别伸入第一腔体和第二腔体。

优选地，太赫兹波穿透部设置在盖体上，第一腔体和第二腔体的外侧端均设有一盖体；和/或

太赫兹波穿透部为聚四氟乙烯材料制成。

优选地，第一部和第二部与相对应的绝缘基座之间均通过第二螺钉固定。在电极块通过第一螺钉固定绝缘基座的实施方式中，更优选地，所述第一螺钉与所述第二螺钉在沿第一螺钉或第二螺钉的轴向的正投影面上错开设置。

优选地，第一部与相对应的绝缘基座之间以及第二部相对应的绝缘基座之间分别设有第二密封垫；或

第一部与相对应的绝缘基座之间以及第二部相对应的绝缘基座之间分别设有密封圈。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供的电极结构，包括绝缘基座、电极块、针状电极和顶丝，该电极结构的电极块与绝缘基座相对固定，针状电极通过盲孔和顶丝的配合与电极块连接固定，方便安装、拆卸和更换针状电极，将针状电极与电极块良好地导通起来，同时在一定程度上保障了等离子体发生器腔室内的密封性，电极块通过绝缘基座实现与等离子体发生器装配，做到电极与等离子体发生器间的电绝缘，另外针状电极采用钨材料制成耐高温寿命长。

本发明提供的等离子体发生器，包括第一部、第二部和透明的石英管，石英管的两端分别与第一部和第二部内的腔体连通，在第一部和第二部内的腔体的另一端设有太赫兹波穿透部，电极结构安装和更换方便，整体体积相对较小，结构布局合理，太赫兹波可以在垂直于石英管轴线方向穿过管壁或沿石英管轴线方向穿过太赫兹波穿透部与腔室内的等离子体相互作用，并能够通过透明的石英管直接进行观察，适用于太赫兹波与等离子体相互作用的研究。

附图说明

本发明附图仅为说明目的提供，图中各部件的比例与数量不一定与实际产品一致。

图1是本发明实施例一中一种电极结构的半剖示意图；

图2是本发明实施例一中一种顶丝的结构示意图；

图3是本发明实施例二中一种等离子体发生器的结构示意图；

图4是图3中等离子体发生器的半剖示意图。

图中：1：电极结构；11：绝缘基座；111：凸起；112：第二螺钉；12：电极块；121：电极柱；1211：盲孔；122：连接柱；1221：环形凹槽；14：顶丝；141：凸起弧部；142：拆装凹槽；15：第一密封垫；16：锁紧螺母；17：第一螺钉；

2：第一部；21：第一腔；22：进气孔；

3：第二部；31：第二腔；32：出气孔；

4：石英管；5：电极安装孔；6：穿透部；7：盖体；71：第三螺钉；8：螺栓连接副；9：密封圈；10：第二密封垫。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

参见图1所示，本发明实施例提供的电极结构1，包括绝缘基座11、电极块12、针状电极13和顶丝14，其中，绝缘基座11的下侧设有凸起111，凸起111的外部轮廓与等离子体发生器的电极安装孔相匹配，绝缘基座11上还有一电极过孔，电极过孔穿过凸起111贯穿绝缘基座11。

电极块12的下侧设有与电极过孔相匹配的电极柱121，电极柱121的下侧设有盲孔1211，该盲孔1211沿电极柱121的轴向设置，电极柱121的下端穿过电极过孔并伸出凸起111外，在电极柱121伸出凸起111的部分设有顶丝螺纹孔，顶丝螺纹孔与盲孔1211连通。

针状电极13为钨材料制成，该针状电极13的一端位于盲孔1211内，另一端伸出盲孔1211外。优先的，针头电极13伸出盲孔1211外的一端呈现过渡性的尖锐状，便于尖端放电。

顶丝14与顶丝螺纹孔配合，用于顶紧针状电极13，使针状电极13固定在盲孔1211内，使其与电极块12之间实现较好连接。

该电极结构1的电极块12与绝缘基座11相对固定，针状电极13又通过盲孔1211和顶丝14的配合与电极块12连接固定，方便安装、拆卸和更换针状电极13，将针状电极13与电极块12良好地导通起来，同时由于设置容纳固定针状电极13，在一定程度上保障了等离子体发生器腔室内的密封性。电极块12通过绝缘基座11实现与等离子体发生器装配，做到电极(包括电极块12和针状电极13)与等离子体发生器间的电绝缘。该电极结构1针对钨针电极(钨材料制成的针状电极)提供了一种较好的固定方式，钨材料耐高温，其制成的针状电极13是等离子体发生器中较为优选的电极，但钨材料硬度较大，加工较为困难，而且难以焊接，相对其它固定钨针电极的方式，例如陶瓷烧结固定，将钨针电极固定在陶瓷内，然后进行电极安装，该固定方式一是需要定制模具，成本较高，且钨针电极损坏后需要整体更换，针对不同型号的等离子体发生器，还需要不同规格的模具进行陶瓷烧结固定。二是外部电极往往难以做到小巧，不满足小型等离子体发生器的制作需求。

在本实施例中，绝缘基座11可以为玻璃钢、聚酰亚胺等耐高温绝缘材料，优选地，绝缘基座11采用玻璃钢制成。

电极块12可以为铜材料、铝材料等导电性能较好的导电材料制成，优选地，电极块12采用铜材料制成。

在本实施例中，电极块12可以通过电极柱121与电极过孔紧配实现电板块12与绝缘基座11之间的固定。在一优选实施方式中，可以通过第一螺钉17实现电极块12与绝缘基座11之间的固定。

为了提高电极结构1的密封性，在一些优选实施方式中，电极块12与绝缘基座11之间设有第一密封垫15，优选的，第一密封垫15为橡胶垫。第一密封垫15上设有供电极柱121穿过的过孔。在一个实施方式中，第一密封垫15覆盖在电极块12的下侧，在与电极柱121相对应的位置设置有过孔，供电极柱穿过。当然在使用第一螺钉17固定电极块12和绝缘基座11的实施方式中，第一密封垫15与第一螺钉17相对应的位置设有过孔，用于供第一螺钉17穿过。

为了在较小尺寸(针状电极13的直径可小至1mm，电极柱121的直径可小至5mm)的电极结构上，更好地实现针对电极13的固定，避免顶丝14与其它结构发生干涉，参见图1和图2所示，在一些优选的实施方式中，顶丝14的后端(远离针状电极13的一端)设有凸起弧部141，该凸起弧部141的最大直径与顶丝14的直径相同，其外侧面为弧面，该弧面与电极柱121的外侧面的弧度相匹配，即在顶丝14顶紧针状电极13时，该凸起弧部141的外侧面正好与电极柱121的外侧平滑过渡。在该凸起弧部141上设有用于旋紧和拆卸的一字型或十字型的拆装凹槽142。

为了更好地实现外部电源与电极块12的连接，在一些优选的实施方式中，电极块12的上侧设有带外螺纹的连接柱122，连接柱122的外侧靠近电极块12的上侧面位置设有用于接线的环形凹槽1221，电源线可直接接到环形凹槽1221，连接柱122上还设有相配合的锁紧螺母16，用于压紧接线，将接线牢固地固定在电极块12上，以保证电能的顺利输送，避免产生驻波而导致能量的反射。

实施例二

参见图3和图4所示，本实施例二提供的等离子体发生器，包括第一部2、第二部3和透明的石英管4，其中，第一部2设有贯穿第一部2的第一腔体21，在第一部2上还设有与第一腔体21连通的进气孔22，另外，在第一部2上还设有与第一腔体21连通的电极安装孔5。

第二部3设有贯穿第二部3的第二腔体31，在第二部3上还设有与第二腔体31连通的出气孔32，另外，在第二部3上也设有与第二腔体31连通的电极安装孔5。

第一部2和第二部3间隔相对固定设置，其中，第一腔体21和第二腔体31同轴，透明的石英管4设置于第一部2和第二部3之间，石英管4的一端与第一腔体21的内侧端连通，另一端与第二腔体31的内侧端连通，第一腔体21和第二腔体31的外侧端均覆盖有太赫兹波穿透部6，既能实现对第一腔体21和第二腔体31的密封，还同时能够实现太赫兹波的穿透。在一个实施方式中，太赫兹波穿透部6为聚四氟乙烯等可供太赫兹波穿透的材料制成。

两个电极安装孔5分别装配有一个电极结构1，该电极结构1可以为实施例一中任一种电极结构，其中一个作为正极、一个作为负极。电极结构1的具体结构在本实施例中不再赘述。

两个电极结构1的针状电极13分别伸入第一腔体21和第二腔体31内。优选地，针状电极13的下端位于石英管4的轴线位置附近。

为了方便太赫兹波穿透部6的固定安装，在一个优选实施方式中，太赫兹波穿透部6设置在盖体7上，第一腔体21和第二腔体31的外侧端均设有一盖体7。在一个实施方式中，两个盖体7通过第三螺钉71分别固定在第一部2和第二部3上，两个盖体7上的太赫兹波穿透部6对应第一腔体21和第二腔体31设置。

虽然等离子体发生器在工作时，第一腔体21、第二腔体31和石英管4内的气压较小，在第一腔体21、第二腔体31和石英管4内形成负压，对密封有一定的效果，但为了更好的密封，优选的，石英管4与第一部2和第二部3之间均密封连接，例如分别在石英管4的端部和径向上分别设置密封圈9。优选的，盖体7与第一部2以及盖体7与第二部3之间均设有密封圈9进行密封。

在一些实施方式中，绝缘基座11通过凸起111与电极安装孔紧配实现固定，也可以通过第二螺钉112将相对应的绝缘基座11分别固定在等离子体发生器的第一部2和第二部3上，且这些第二螺钉112以沉孔方式安装，避免与电极块12的直接接触，以保证电极块12与第一部2和第二部3的绝缘。

在一个优选的实施方式中，第一部2和第二部3与相应的绝缘基座11。在电极块12通过第一螺钉17固定在绝缘基座的实施方式中，优选的，第二螺钉112与第一螺钉17错开位置，以避免与电极块12的连接或电击穿。需要说明的是，第二螺钉112与第一螺钉17错开位置是指在沿第一螺钉17或第二螺钉112轴向的正视投影面上，第二螺钉112与第一螺钉17是错开设置的。例如，在一个实施方式中，参见图3所示，具有四个第二螺钉112和四个第一螺钉17，在沿第一螺钉17和第二螺钉112轴向的正投影面上，四个第二螺钉112和四个第一螺钉17是交错设置的。

为了进一步地提高等离子体发生器的密封性能，在一些优选实施方式中，在电极结构1与第一部2之间以及在电极结构1与第二部3之间设置第二密封垫10或密封圈(图中未示出)，在一个优选的实施方式中，第二密封垫10为橡胶垫。

在通过第二螺钉112将绝缘基座11固定在第一部2和第二部3的实施方式中，第二密封垫10上设有供第二螺钉112穿过的过孔。

在一个实施方式中，第一部2和第二部3之间通过四个螺栓连接副8连接固定。第一部2和第二部3采用不锈钢材料制成。等离子体发生器在垂直石英管轴线方向上整体尺寸为6cm，在石英管轴向上的整体尺寸为8cm，整体体积较小，避免阻挡太赫兹产生与探测系统的光束传播。

等离子体产生的过程为：在腔室(包括第一腔体、第二腔体和石英管的腔体)内充入惰性气体，并保持腔室内为低气压环境(优选的气压低于100Pa),正负电极结构与外部的射频电源连接，以便于将射频电源的能量通过电离放电的方式输入给腔室内的惰性气体以产生电子与原子核的分离，即电离产生等离子体。在此过程中，需要通过进气口22向腔室内不断地充入这些惰性气体，同时用一个真空泵组不断地通过出气口32抽走腔室内的放电电离后的疲劳气体，使腔室内达到一个气体动态平衡，从而维持所需的气压环境。

本实施例中的等离子体发生器，电极结构安装和更换方便，整体体积相对较小，结构布局合理，太赫兹波可以在垂直于石英管轴线方向穿过管壁或沿石英管轴线方向穿过太赫兹波穿透部与腔室内的等离子体发生相互作用，并能够通过透明的石英管直接进行观察，适用于太赫兹波与等离子体相互作用的研究。

需要说明的是，两个电极结构可以在正极和负极之间互换，进气口和出气口之间也可以互换，在此不作限定。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，不存在方案冲突的情况下，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种电极结构，其特征在于，包括：

绝缘基座，至少在下侧设有凸起，所述凸起的外部轮廓与等离子体发生器的电极安装孔相匹配，所述绝缘基座上还有一电极过孔，所述电极过孔穿过所述凸起贯穿所述绝缘基座；

电极块，至少在下侧设有与所述电极过孔相匹配的电极柱，所述电极柱的下侧设有盲孔，所述电极柱的下端穿过所述电极过孔并伸出所述凸起外，在所述电极柱伸出所述凸起的部分设有顶丝螺纹孔，所述顶丝螺纹孔与所述盲孔连通；

针状电极，为钨材料制成，所述针状电极的一端位于所述盲孔，另一端伸出所述盲孔；以及

顶丝，所述顶丝与所述顶丝螺纹孔配合，用于顶紧所述针状电极。

2.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于：所述电极块与所述绝缘基座之间设有第一密封垫，所述第一密封垫上设有供所述电极柱穿过的过孔。

3.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于：所述电极块通过第一螺钉固定于所述绝缘基座。

4.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于：所述电极块为铜材料制成；和/或

所述绝缘基座为玻璃钢材料制成。

5.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于：所述顶丝的后端设有与所述电极柱的外侧面弧度相匹配的凸起弧部，所述凸起弧部的最大直径与所述顶丝的直径相同，在所述凸起弧部上设有一字形或十字形的拆装凹槽。

6.根据权利要求1所述的电极结构，其特征在于：所述电极块的上侧设有带外螺纹的连接柱，所述连接柱的外侧靠近所述电极块上侧面位置设有用于接线的环形凹槽；

所述连接柱上还设有相配合的锁紧螺母，用于压紧接线。

7.一种等离子体发生器，其特征在于，包括：

第一部，设有贯穿所述第一部的第一腔体，以及与所述第一腔体连通的进气孔；

第二部，设有贯穿所述第二部的第二腔体，以及与所述第二腔体连通的出气孔；

所述第一部和所述第二部间隔相对固定设置，所述第一腔体和所述第二腔体同轴；

所述第一部和所述第二部之间设有透明的石英管，所述石英管的一端与所述第一腔体的内侧端连通，另一端与所述第二腔体的内侧端连通，所述第一腔体和所述第二腔体的外侧端均覆盖有太赫兹波穿透部；

所述第一部和所述第二部分别设有一个电极安装孔，两个所述电极安装孔分别与第一腔体和所述第二腔体连通，两个所述电极安装孔均装配有如权利要求1-6任一项所述的电极结构，两个所述电极结构的所述针状电极分别伸入第一腔体和所述第二腔体。

8.根据权利要求7所述的等离子体发生器，其特征在于：所述太赫兹波穿透部设置在盖体上，所述第一腔体和所述第二腔体的外侧端均设有一所述盖体；和/或

所述太赫兹波穿透部为聚四氟乙烯材料制成。

9.根据权利要求7所述的等离子体发生器，其特征在于：所述第一部和所述第二部与相对应的所述绝缘基座之间均通过第二螺钉固定。

10.根据权利要求7所述的等离子体发生器，其特征在于：

所述第一部与相对应的所述绝缘基座之间以及所述第二部与相对应的所述绝缘基座之间分别设有第二密封垫；或

所述第一部与相对应的所述绝缘基座之间以及所述第二部与相对应的所述绝缘基座之间分别设有密封圈。

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