CN112996212A - 一种等离子体通道产生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种等离子体通道产生装置，包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、第一安装件和第二安装件；第一、第二安装件用于将第一、第二放电电极固定于毛细管两端；第一、第二安装件和第一、第二放电电极包裹毛细管；第一安装件的中间位置设置第一通道；毛细管的两端分别设置关于第一通道对称的第二通道和第三通道；毛细管的中部设置第四通道；第四通道贯穿第一、第二放电电极；第一通道为气体入口；第四通道为等离子体通道；当为第一、第二放电电极加载放电电压后，第一、第二放电电极之间形成电压降，电压降击穿第四通道中的气体，使气体进行弧光放电形成等离子体。本发明能动态稳定地产生等离子体通道，同时没有明显的热量沉积。

Description

一种等离子体通道产生装置

技术领域

本发明涉及等离子体通道产生技术领域，特别是涉及一种等离子体通道产生装置。

背景技术

部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生正负离子，由正负离子组成的电离态物质即等离子体，等离子体宏观呈电中性，并表现出显著的集体行为，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间、空间物理、地球物理等科学的进一步发展提供了新的技术和工艺。

等离子体为电离态，没有耐受电场的限制，有极大的电磁承受能力，在极端的物理条件下有广泛的应用。等离子体通道是以等离子体为介质的通道，常用于超强激光引导、激光电子加速、高密度脉冲束流传输和极紫外辐射光源等领域。

等离子体产生的方式有很多种，比如放电等离子体的产生方式、激光成丝等离子体产生的方式等，以放电等离子体的产生方式为例，传统气体放电管大都采用金属化陶瓷绝缘体与电极进行焊接技术，从而保证了封接的外壳与放电间隙的气密性，气体参数恒定，单次放电后性能显著下降，若单纯地开放气路，其充气结构决定了气体参数稳定性不能保证。传统气体放电管的密封结构只是正负电极之间封闭一段气体，不代表等离子体的广泛应用。这种结构无法引导激光；虽然高能束流具有穿透性，但是仍然会在电极上产生较小的散射和能量损失；而极紫外辐射是各向的，可通过透明窗口引出。还有一种放电形式为等离子体弧，等离子体弧是等离子体放电形态的一种，等离子弧常用于工件加工，可以视为放电的阴极，图1为等离子体弧焊示意图，如图1所示，当在电极和工件(焊件)之间加上一个较高的电压并经过高频振荡器的激发，能使气体电离形成电弧，电弧在通过特殊孔型的喷嘴时，受到了机械压缩，使截面积小，能量更加集中，弧柱中气体充分电离，形成等离子弧，等离子体弧不同于放电管中的电弧，它不受外界的约束，为自由电弧，不具备稳定的形状和电流分布，温度也不高(<8000K)，如图1所示，这种结构没有通道结构，电极尖端放电，损耗也较快，喷嘴需要水冷却，以冷却水克服热量沉积，此外，喷气端口冲击波产生，气体参数稳定性总是无法保证的。

综上，传统的等离子通道的产生方法存在气体参数稳定性无法保证，即无法动态稳定地产生等离子体通道，且采用封闭的气路结构，热量沉积显著，元件损耗快，寿命有限，而且需要额外辅助冷却设备等显著缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种等离子体通道产生装置，以动态稳定地产生等离子体通道，同时没有明显的热量沉积。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种等离子体通道产生装置，所述装置包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、第一安装件和第二安装件；

所述第一安装件和所述第二安装件用于将所述第一放电电极和所述第二放电电极分别固定于所述毛细管的两端；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极和所述第二放电电极包裹所述毛细管；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极、所述第二放电电极和所述毛细管均设置于真空中；

所述第一安装件的中间位置设置第一通道；所述毛细管的两端分别设置关于所述第一通道对称的第二通道和第三通道；所述毛细管的中部设置第四通道；所述第四通道贯穿所述第一放电电极和所述第二放电电极；所述第二通道的一端与所述第一通道连通，所述第二通道的另一端与所述第四通道连通；所述第三通道的一端与所述第一通道连通，所述第三通道的另一端与所述第四通道连通；所述第二通道和所述第三通道均平行于所述第一通道；所述第二通道和所述第三通道均垂直于所述第四通道；

所述第一通道为气体入口；所述第四通道为等离子体通道；当为所述第一放电电极和所述第二放电电极加载放电电压后，所述第一放电电极和所述第二放电电极之间形成电压降，所述电压降击穿所述第四通道中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体。

可选地，所述第一安装件与所述毛细管之间设置第五通道；所述第五通道与所述第一通道垂直；所述第五通道与所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道均连通。

可选地，所述装置还包括放电电路；所述放电电路分别与所述第一放电电极和所述第二放电电极焊接；所述放电电路用于为所述第一放电电极和所述第二放电电极加载放电电压。

可选地，所述第一放电电极和所述第二放电电极的材料均为金属材料或石墨材料；所述第一放电电极和所述第二放电电极的形状均为圆环。

可选地，所述金属材料包括铜。

可选地，所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道由块状壁材料激光刻蚀获得。

可选地，所述毛细管的材料为耐烧蚀的绝缘材料。

可选地，所述绝缘材料包括人造蓝宝石。

可选地，所述装置还包括：

充气管道，与所述第一通道连接，用于向所述第一通道中注入所述气体；

气源，与所述充气管道连接，用于向所述充气管道中注入所述气体；

压力控制器，与所述充气管道连接，用于根据所述充气管道内所述气体的压强生成控制信号；

调节阀门，设置于所述充气管道和所述气源之间，与所述压力控制器连接，用于根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道内所述气体的压强恒定。

可选地，所述气体包括氢气。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开的等离子体通道产生装置，设置第二通道、第三通道和第四通道，构成“一横两竖”形状的毛细管道，其中横向为等离子体通道，竖向为气体入口，这种结构能使毛细管内部、第一放电电极和第二放电电极两端的气体密度均匀且恒定，因此在加载放电电压后能动态稳定地产生等离子体通道，形成动态稳定的等离子体通道，同时，由于第四通道贯穿第一放电电极和第二放电电极，两个放电电极均采用开口设计，气路结构为开放式，整个气路并不封闭，在电压和电流持续加载过程中，等离子体不断电离更新，充入的气体不断地将等离子体排出，带走热量，没有明显的热量沉积。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为等离子体弧焊示意图；

图2为本发明等离子体通道产生装置实施例的剖面结构示意图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明的目的是提供一种等离子体通道产生装置，以动态稳定地产生等离子体通道，同时没有明显的热量沉积。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图2为本发明等离子体通道产生装置实施例的剖面结构示意图。参见图2，该等离子体通道产生装置包括毛细管2、第一放电电极1-1、第二放电电极1-2、第一安装件3-1和第二安装件3-2。其中，第一放电电极1-1、第二放电电极1-2、毛细管2、第一安装件3-1和第二安装件3-2组成电离毛细管，电离毛细管在真空内使用，第一安装件3-1和第二安装件3-2要求绝缘密封，以防止高压击穿或漏气。所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2的材料均为良导体材料，该良导体材料为金属材料或石墨材料，所述金属材料包括铜。该实施例中，所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2的材料均为铜，形状均为圆环，能够保证电离高压电位的均匀性。此外，由于第一放电电极1-1和第二放电电极1-2均为圆孔电极，不是采用尖端放电，因此减缓了损耗。所述毛细管2的材料为耐高温、耐烧蚀的绝缘材料，以承受气体弧光放电过程，所述绝缘材料包括人造蓝宝石。

所述第一安装件3-1和所述第二安装件3-2用于将所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2分别固定于所述毛细管2的两端；所述第一安装件3-1、所述第二安装件3-2、所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2包裹所述毛细管2，该包裹为密封包裹；所述第一安装件3-1、所述第二安装件3-2、所述第一放电电极1-1、所述第二放电电极1-2和所述毛细管2均设置于真空中。所述第一安装件3-1分别与所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2接触；所述第二安装件3-2分别与所述第一放电电极1-1、所述第二放电电极1-2和所述毛细管2接触；所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2均与所述毛细管2接触。

所述第一安装件3-1的中间位置设置第一通道4-1；所述毛细管2的两端分别设置关于所述第一通道4-1对称的第二通道4-2和第三通道4-3；所述毛细管2的中部设置第四通道4-4；所述第二通道4-2、所述第三通道4-3和所述第四通道4-4由块状壁材料激光刻蚀获得。所述第四通道4-4贯穿所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2；所述第二通道4-2的一端与所述第一通道4-1连通，所述第二通道4-2的另一端与所述第四通道4-4连通；所述第三通道4-3的一端与所述第一通道4-1连通，所述第三通道4-3的另一端与所述第四通道4-4连通；所述第二通道4-2和所述第三通道4-3均平行于所述第一通道4-1；所述第二通道4-2和所述第三通道4-3均垂直于所述第四通道4-4。所述第一安装件3-1与所述毛细管2之间设置第五通道4-5；所述第五通道4-5与所述第一通道4-1垂直；所述第五通道4-5与所述第一通道4-1、所述第二通道4-2和所述第三通道4-3均连通。所述第五通道4-5并非必须的通道，其设置与否取决于具体的加工设计，Y型气路接口(第一通道4-1、第二通道4-2和第三通道4-3构成Y型气路接口)或T型气路接口(第一通道4-1和第五通道4-5构成T型气路接口)均可，两个竖通道(第二通道4-2和第三通道4-3)连通或不连通均可，只要保证通道入口压强一致即可，连通的通道一般是等压的。

所述第二通道4-2、所述第三通道4-3和所述第四通道4-4构成毛细管道，该毛细管道由块状壁材料激光刻蚀获得，为“一横两竖”的“π”形状，横向为等离子体通道，竖向为气体入口。其中，“一横两竖”的“π”形状是实验经验和气流模拟获得的结果，可通过气体动力学分析定性得到，这种结构能使毛细管2内部、第一放电电极1-1和第二放电电极1-2两端的气体密度均匀且恒定，因此在加载放电电压后形成动态稳定的等离子体通道。

所述第一通道4-1为气体入口；所述气体为易电离、无毒、高稳定性的气体，该气体包括氢气。所述第四通道4-4为等离子体通道；气体经所述第一通道4-1、所述第五通道4-5、所述第二通道4-2和所述第三通道4-3进入所述第四通道4-4；当为所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2加载放电电压后，所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2之间形成电压降，所述电压降击穿所述第四通道4-4中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体。

该等离子体通道产生装置还包括放电电路(图中未示出)；所述放电电路分别与所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2焊接；所述放电电路用于为所述第一放电电极1-1和所述第二放电电极1-2加载放电电压。放电电路的结构并不是唯一的，满足下列条件即可：放电电路的点火电压大于通道内气体击穿电压或采用强激光点火；放电电路工作电压和电流符合通道内气体弧光放电伏安特性。

该等离子体通道产生装置还包括：

充气管道(图中未示出)，与所述第一通道4-1连接，用于向所述第一通道4-1中注入所述气体；

气源(图中未示出)，为盛有所述气体的钢瓶，与所述充气管道连接，用于向所述充气管道中注入所述气体；

压力控制器(图中未示出)，设置于所述充气管道的上游，与所述充气管道连接，用于根据所述充气管道内所述气体的压强生成控制信号，维持气体入口压强稳定；气体压强决定了毛细管道内部的气体密度和流速，气体密度影响毛细管2的电流承载能力，一般取压强在几十到几百torr量级；

调节阀门(图中未示出)，设置于所述充气管道和所述气源之间，与所述压力控制器连接，用于根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道4-1、所述第五通道4-5、所述第二通道4-2、所述第三通道4-3和所述第四通道4-4内所述气体的压强恒定(稳定)。

毛细管道内充入氢气，压强为100torr。为使整个连通管道内气体保持层流，避免湍流发展(湍流发展会导致电离后的等离子体参数不稳定)，雷诺数满足关系：

其中，u为气体流速，ρ为气体密度，d为管道直径，μ为气体黏度，Re表示雷诺数。气体流速u与入口处的压强p存在定量关系：

其中，r为管道半径，l为管道长度。

图1中特殊的毛细管道设计使管道内部、第一放电电极1-1和第二放电电极1-2两端的气体密度均匀且恒定，保证了电离过程中的电流密度均匀。毛细管2的内径(整根毛细管2的直径)在百微米到几个毫米量级，例如，内径为500微米，长度为3厘米。管道接收孔径小，因此装置使用时，例如装置用于引导超强激光、传输激光加速束流时，整个毛细管设备需要利用六轴(三轴空间位置、三轴角度)电控台精确调节，确保与束流(或激光)源的位置和束流(或激光)入射方向一致；装置用于产生极紫外辐射时，精确调节以控制极紫外辐射的引出方向。毛细管2工作时，第一放电电极1-1与第二放电电极1-2之间的气体发生弧光放电。为保证气体放电，气体的点火电压V满足关系：

其中，a,b两个参数均是与气体种类相关的本征参量，可查阅相关表格获得或实际测定，p为入口处的压强，l为管道长度，ln表示对数函数。等离子体一旦点火后，需要加载百安培以上的电流维持弧光放电，电压仅需要几个伏特。

本发明公开了一种稳定等离子体通道的产生装置，提供了一种全新的开放式气路结构，能够动态稳定地产生等离子体通道，同时没有明显的热量沉积，使用寿命长，且装置简单。本发明基于第一放电电极和第二放电电极采用开口设计，整个气路并不封闭，在电压和电流持续加载过程中，等离子体不断电离更新，充入的气体不断地将等离子体排出，带走热量，极大地抑制了热量沉积，实现了自身冷却，不需要额外的冷却设备，解决了现有等离子体通道产生装置无法补充损耗气体，易过热，不能重复使用的问题。

本发明公开的等离子体通道产生装置，能够避免大热量沉积地产生稳定的等离子体通道。等离子体通道是以等离子体为介质的通道，常用于超强激光引导、激光电子加速、高密度脉冲束流传输和极紫外辐射光源等领域，具体包括：引导超强激光、传输激光加速束流、氙气放电产生极紫外辐射等。当本发明的等离子体通道产生装置用于传输激光加速束流时，所述第四通道既为等离子体通道，也为激光加速束流传输通道，激光加速束流经第四通道贯穿第一放电电极或第二放电电极形成的端口进入所述第四通道。

本发明公开的等离子体通道产生装置，由块状壁材料激光刻蚀毛细管，获得第二通道、第三通道和第四通道，构成“一横两竖”形状的毛细管道，其中横向为等离子体通道，竖向为气体入口，这种结构能使毛细管内部、第一放电电极和第二放电电极两端的气体密度均匀且恒定，因此在为第一放电电极和第二放电电极加载放电电压后能动态稳定地产生等离子体通道，形成动态稳定的等离子体通道，同时，由于第四通道贯穿第一放电电极和第二放电电极，两个放电电极均采用开口设计，气路结构为开放式，整个气路并不封闭，在电压和电流持续加载过程中，等离子体不断电离更新，充入的气体不断地将等离子体排出，带走热量，没有明显的热量沉积。本发明提供的全新的开放式气路结构，极大地抑制了热量沉积，实现了自身冷却，省却了冷却设备，并且可重复使用，使用寿命延长，且装置简单。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

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 (10)

1.一种等离子体通道产生装置，其特征在于，所述装置包括毛细管、第一放电电极、第二放电电极、第一安装件和第二安装件；

所述第一安装件和所述第二安装件用于将所述第一放电电极和所述第二放电电极分别固定于所述毛细管的两端；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极和所述第二放电电极包裹所述毛细管；所述第一安装件、所述第二安装件、所述第一放电电极、所述第二放电电极和所述毛细管均设置于真空中；

所述第一安装件的中间位置设置第一通道；所述毛细管的两端分别设置关于所述第一通道对称的第二通道和第三通道；所述毛细管的中部设置第四通道；所述第四通道贯穿所述第一放电电极和所述第二放电电极；所述第二通道的一端与所述第一通道连通，所述第二通道的另一端与所述第四通道连通；所述第三通道的一端与所述第一通道连通，所述第三通道的另一端与所述第四通道连通；所述第二通道和所述第三通道均平行于所述第一通道；所述第二通道和所述第三通道均垂直于所述第四通道；

所述第一通道为气体入口；所述第四通道为等离子体通道；当为所述第一放电电极和所述第二放电电极加载放电电压后，所述第一放电电极和所述第二放电电极之间形成电压降，所述电压降击穿所述第四通道中的所述气体，使所述气体进行弧光放电形成等离子体。

2.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述第一安装件与所述毛细管之间设置第五通道；所述第五通道与所述第一通道垂直；所述第五通道与所述第一通道、所述第二通道和所述第三通道均连通。

3.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述装置还包括放电电路；所述放电电路分别与所述第一放电电极和所述第二放电电极焊接；所述放电电路用于为所述第一放电电极和所述第二放电电极加载放电电压。

4.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述第一放电电极和所述第二放电电极的材料均为金属材料或石墨材料；所述第一放电电极和所述第二放电电极的形状均为圆环。

5.根据权利要求4所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述金属材料包括铜。

6.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道由块状壁材料激光刻蚀获得。

7.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述毛细管的材料为耐烧蚀的绝缘材料。

8.根据权利要求7所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述绝缘材料包括人造蓝宝石。

9.根据权利要求2所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述装置还包括：

充气管道，与所述第一通道连接，用于向所述第一通道中注入所述气体；

气源，与所述充气管道连接，用于向所述充气管道中注入所述气体；

压力控制器，与所述充气管道连接，用于根据所述充气管道内所述气体的压强生成控制信号；

调节阀门，设置于所述充气管道和所述气源之间，与所述压力控制器连接，用于根据所述压力控制器发送的控制信号自动调节阀门的开度，维持所述第一通道、所述第五通道、所述第二通道、所述第三通道和所述第四通道内所述气体的压强恒定。

10.根据权利要求1所述的等离子体通道产生装置，其特征在于，所述气体包括氢气。

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