CN113660759A - 一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，包括阳极、阴极、直角连接器、固定法兰、真空密封组件、开槽铜棒，所述阳极、阴极通过直角连接器与开槽铜棒相连，所述开槽铜棒与固定法兰通过真空密封组件进行密封，所述开槽铜棒侧面走循环水冷和内部导电，所述阳极与阴极工作环境为真空、有磁场，阴极与阳极平行放置在真空环境中，阴极与阳极在直流或脉冲条件下进行放电，在阳极与阴极之间会有电流通道产生，且阴、阳极间产生的电流较高，产生等离子体参数较高，能实现大间距放电。可以用来研究磁场重联、等离子体不稳定性、漂移波湍流、带状流等基础物理问题，还可以作为紧凑环背景等离子体源为以后紧凑环注入EAST装置打下基础。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体物理及应用研究领域，具体涉及一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源。
背景技术
在磁约束聚变领域现有托卡马克加料方式中，均难以实现芯部加料。纵观整个聚变技术领域的发展，紧凑环是目前仅有的几种具备芯部加料潜力的技术，研究紧凑环注入到等离子体中的物理参数的变化显得尤为重要。因此，需要产生高密度背景等离子体来研究紧凑环注入到等离子体后等离子体参数的变化，为以后紧凑环注入EAST装置打下基础，目前还没有相关实验的研究。
目前，热阴极等离子体源主要包括钍钨阴极、氧化物阴极、硼化物阴极，与钍钨阴极、氧化物阴极相比，硼化物阴极的发射电流密度能力、抗中毒能力、耐离子轰击能力、蒸发率能力、长寿命能力都比较强。在硼化物阴极中，又以六硼化镧材料的发射能力最为突出。等离子体源工作在真空、磁场环境下，六硼化镧阴极材料工作温度高，在其达到工作温度时，其表面有大量电子产生，在阴极与阳极之间加偏压，电子在电场作用下运动，与真空室中的中性气体发生碰撞，从而产生等离子体。在磁场约束下，等离子体会有不稳定性，阴极与阳极间有电流通道产生，电流会感应出磁场，因此，等离子体源可以用来研究等离子体不稳定性、磁场重连、漂移波湍流、带状流等基础物理问题。
在等离子体源中，多以小尺寸、低发射电流密度居多，做到大尺寸、高发射电流密度又要面临不小的挑战。小尺寸、低发射电流密度不能满足背景等离子体的需求，相关的研究也不能有效的进行。
发明内容
为解决现有等离子体源小尺寸、低发射电流密度的问题，为满足紧凑环背景等离子体中物理参数的需求，为研究等离子体不稳定性、磁场重连、漂移波湍流、带状流、阿尔芬波等基础物理问题，本发明提供一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源。
为了实现上述目标，本发明采用的技术方案是：
一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，包括阳极、阴极、直角连接器、固定法兰、真空密封组件、开槽铜棒，所述阳极包括阳极网、阳极固定环，所述阳极通过直角连接器与开槽铜棒相连，所述阴极包括阴极发射体、阴极发射体导电环、热源、热反射板、热反射杯、热源固定器、热反射杯固定环、绝缘材料，所述阴极通过直角连接器与开槽铜棒相连，所述开槽铜棒与法兰通过真空密封组件进行密封，所述开槽铜棒侧面走循环水冷和内部起电流通道作用，所述阳极与阴极工作环境为真空、有磁场。阴极与阳极通过法兰固定在真空室内部，在直流或脉冲条件下进行放电。阳极与阴极在真空室内平行放置，间距一米以上。实现大间距脉冲放电，在阳极与阴极之间会有电流通道产生，且阴极工作温度较高发射电流密度较大，产生等离子体密度较高。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，所述阳极为圆形网状结构，通过阳极环固定压紧，穿透率在70％作用。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，所述阳极网材料为钼材料，阳极环材料为不锈钢材料。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，所述开槽铜棒侧面有水冷入口和水冷出口。在实验过程中开槽铜棒会有高电流通过，有热量产生，用来降温。
阳极包括阳极网、阳极上固定环、阳极下固定环，阳极上固定环、阳极下固定环一面各有凹槽用以放置阳极网，将阳极网通过阳极上固定环螺孔固定拉平。
真空密封组件包括上密封件、下密封件、O型圈、密封螺母、铜棒固定栓、密封法兰和绝缘材料，通过密封螺母和铜棒固定栓将上密封件、下密封件、O型圈以及绝缘材料都固定在密封法兰上，防止真空漏气和开槽铜棒损坏。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，阳极与阴极工作于真空室内，通过开槽铜棒、密封法兰，将阳极与阴极电极从真空室内引出至真空室外，同时将热源电极通过开槽铜棒也引出至真空室外。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，开槽密封条和槽内使用钎焊后磨光。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，阴极发射体材料为六硼化镧，尺寸小于15cm。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，反射杯材料为钼材料，六硼化镧位于石墨环与石墨导热片之间。防止在高温下阴极发射体与难熔金属发生反应且石墨导热片导热性能好，使阴极发射体均匀加热。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，在阴极发射体一周有导电环。保证阴极发射体的电连接和起到保护阴极发射体由于热膨胀导致的断裂，能实现阴极发射体做到大尺寸。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，在石墨导热片下方为高温绝缘材料，在高温绝缘材料下方为热源和热源固定器。热源需要直流电源进行加热，所以需要高温绝缘材料进行绝缘且高温绝缘材料热传导性能优越，减少热量的损失。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，热源为蛇形形状，材料为钨材料。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，在热源两端分别设计有热源螺孔，通过热源螺孔将热源两端固定在热源电极上，在热源电极一圈也有陶瓷绝缘材料，防止热源电极与热反射板接触，再将热源电极固定在不锈钢热源引出电极上，通过导线将不锈钢热源引出电极接在开槽铜棒上引出，热源固定器根据热源形状进行设计两面各有凹槽且为陶瓷材料，起到支撑热源和绝缘作用。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，为提高热量辐射利用率，在热源固定器下方设置有三层热反射板用来反射热源向后辐射的热量，使其都返回到阴极发射体中。三层热反射板材料均为钼材料，因为钼材料在高温下反射率比较高。三层热反射板分别为第一热反射板，第二热反射板，第三热反射板。在每层热反射板中间都设置有8个相同的热反射板连接立柱，热反射板连接立柱材料也为钼材料。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，阴极发射体四周热量通过热反射杯进行反射，同时在热反射杯底部有一块热反射杯盖板，通过热反射杯盖板与热反射板连接立柱将热反射板、热源、热源固定器、阴极发射体、高温绝缘材料、石墨导热片、石墨环固定压紧，防止左右晃动。
所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，在热反射杯半面有热反射杯固定环，热反射杯固定环一端通过热反射杯连接立柱与热反射杯和热反射杯盖板通过螺孔固定，另一端与直角连接器通过螺孔固定。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
(1)本发明阴极发射体尺寸大、发射电流密度高。
(2)本发明产生的电流较高，能实现大间距放电。
(3)本发明可以用来研究磁场重联、等离子体不稳定性、漂移波湍流、带状流等基础物理问题。
(4)本发明可以作为紧凑环背景等离子体源来研究紧凑环注入到背景等离子体中的一些物理现象。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源的阳极与阴极整体结构图；
图2是本发明法兰真空密封组件剖视图；
图3是本发明阳极剖视图；
图4是本发明阴极剖视图。
附图标记说明：
1-开槽铜棒，2-水冷入口，3-下密封件，4-密封螺母，5-密封法兰，6-铜棒固定栓，7-绝缘材料，8-直角连接器，9-阳极上固定环，10-阳极上固定环螺孔，11-阳极网，12-直角连接器螺孔，13-热反射杯固定环，14-热反射杯，15-阴极发射体，16-热反射杯底座螺孔，17-热反射杯固定环螺孔，18-开槽密封条，19-水冷出口，20-上密封件，21-O型圈，22-阳极下固定环，23-石墨垫圈，24-导电环，25-石墨导热片，26-高温绝缘材料，27-热源螺孔，28-热源，29-热源固定器，30-第一热反射板，31-第二热反射板，32-第三热反射板，33-热反射杯盖板，34-陶瓷绝缘材料，35-热源电极，36-热源引出电极，37-热反射板连接立柱，38-热反射杯连接立柱。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面将结合附图对本发明实施方式做更一步的详细说明。
如图1-4所示，一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，包括阳极、阴极、直角连接器8、固定法兰、真空密封组件、开槽铜棒1，所述阳极通过直角连接器8与开槽铜棒1相连。所述阴极通过直角连接器8与开槽铜棒1相连，所述开槽铜棒1与法兰通过真空密封组件进行密封，所述开槽铜棒1侧面走循环水冷和内部起电流通道作用。所述阳极与阴极工作环境为真空、有磁场，阴极与阳极通过法兰固定在真空室内部，阳极与阴极在真空室内平行放置，间距一米以上。阳极与阴极工作于真空室内，通过开槽铜棒1、密封法兰5，将阳极与阴极电极从真空室内引出至真空室外，同时将热源电极35通过开槽铜棒1也引出至真空室外。
开槽铜棒1侧面有水冷入口2和水冷出口19，在实验过程中开槽铜棒1会有高电流通过，有热量产生，用来降温。开槽密封条18和槽内使用钎焊后磨光。
所述真空密封组件包括上密封件20、下密封件3、O型圈21、密封螺母4、铜棒固定栓6、密封法兰5和绝缘材料7，通过密封螺母4和铜棒固定栓6将上密封件20、下密封件3、O型圈21以及绝缘材料7都固定在密封法兰5上，防止真空室漏气和开槽铜棒1损坏。
阳极包括阳极网11、阳极上固定环9、阳极下固定环22，阳极上固定环9、阳极下固定环22一面各有凹槽用以放置阳极网11，将阳极网11通过阳极上固定环螺孔10固定拉平，以防紧缩。
所述阴极包括阴极发射体15、阴极发射体导电环24、热源28、热反射板、热反射杯14、热源固定器29、热反射杯固定环13、绝缘材料。所述阴极发射体15材料为六硼化镧，其位于石墨垫圈23与石墨导热片25之间。防止在高温下阴极发射体15与难熔金属发生反应且石墨导热片25导热性能好，使阴极发射体15均匀加热，在阴极发射体15一周有导电环24，保证阴极发射体15的电连接和起到保护阴极发射体15由于热膨胀导致的断裂，能实现阴极发射体15做到大尺寸。
为了减少热量的损失、热源28与阴极发射体15进行绝缘和阴极发射体15加热均匀，在石墨导热片25下方为氮化硼绝缘材料26，在高温绝缘材料26下方为热源28和热源固定器29，热源固定器29也为氮化硼材料。热源28需要直流电源进行加热，所以需要高温绝缘材料26进行绝缘且高温绝缘材料26热传导性能优越，减少热量的损失。热源28为蛇形形状，在热源28两端分别设计有热源螺孔27，通过热源螺孔27将热源28两端固定在热源电极35上，在热源电极35一圈也有陶瓷绝缘材料34，防止热源电极35与热反射板接触，再将热源电极35固定在不锈钢热源引出电极36上，通过导线将不锈钢热源引出电极36接在开槽铜棒1上引出，热源固定器29根据热源形状进行设计两面各有凹槽且为陶瓷材料，起到支撑热源28和绝缘作用。
为提高热量辐射利用率，在热源固定器29下方设置有三层热反射板用来反射热源28向后辐射的热量，使其都返回到阴极发射体15中，三层热反射板分别为第一热反射板30，第二热反射板31，第三热反射板32，在每层热反射板中间都设置有8个相同的热反射板连接立柱37。
阴极发射体15四周热量通过热反射杯14进行反射，同时在热反射杯14底部有一块热反射杯盖板33，通过热反射杯盖板33与热反射板连接立柱37将热反射板、热源28、热源固定器29、阴极发射体15、高温绝缘材料26、石墨导热片25、石墨环23固定压紧，防止左右晃动。在热反射杯14半面有热反射杯固定环13，热反射杯固定环13一端通过热反射杯连接立柱38与热反射杯14和热反射杯盖板33通过热反射杯底座螺孔16与热反射杯固定环螺孔17固定，另一端与直角连接器8通过直角连接器螺孔12与热反射杯固定环螺孔17固定。
本发明实施例的工作原理：
一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源工作环境为真空、有磁场。阴极与阳极通过法兰固定在真空室(未给出)内部，两柄线圈(未给出)安装在阴极与阳极法兰内侧对称位置，阳极与阴极在真空室内平行放置，间距一米以上，实现大间距脉冲放电。六硼化镧阴极材料工作温度高，在其达到工作温度时，其表面有大量电子产生，在阴极与阳极之间加脉冲偏压，电子在电场作用下运动，与真空室(未给出)中的中性气体发生碰撞，从而产生等离子体。在磁场约束下，等离子体会有不稳定性，阴极与阳极间有电流通道产生，电流会感应出磁场，且阴极工作温度较高发射电流密度较大，产生等离子体密度较高，可以用来研究磁场重联、等离子体不稳定性、漂移波湍流、带状流等基础物理问题，还可以作为紧凑环背景等离子体源为以后紧凑环注入EAST装置打下基础。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的应用实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但对于该领域的专业人员而言，仍然可以对本发明的部分结构进行修改。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：包括阳极、阴极、直角连接器(8)、固定法兰、真空密封组件、开槽铜棒(1)，所述阳极包括阳极网(11)、阳极固定环，所述阳极通过直角连接器(8)与开槽铜棒(1)相连，所述阴极包括阴极发射体(15)、阴极发射体导电环(24)、热源(28)、热反射板、热反射杯(14)、热源固定器(29)、热反射杯固定环(13)、绝缘材料，所述阴极通过直角连接器(8)与开槽铜棒(1)相连，所述开槽铜棒(1)与法兰通过真空密封组件进行密封，所述开槽铜棒(1)侧面走循环水冷和内部导电，所述阳极与阴极工作环境为真空、有磁场，阴极与阳极平行放置在真空环境中，间距可调。
2.根据权利要求1所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：阳极包括阳极网(11)、阳极上固定环(9)、阳极下固定环(22)，阳极上固定环(9)、阳极下固定环(22)一面各有凹槽用以放置阳极网(11)，将阳极网(11)通过阳极上固定环螺孔(10)固定拉平。
3.根据权利要求1所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：真空密封组件包括上密封件(20)、下密封件(3)、O型圈(21)、密封螺母(4)、铜棒固定栓(6)、密封法兰(5)和绝缘材料(7)，通过密封螺母(4)和铜棒固定栓(6)将上密封件(20)、下密封件(3)、O型圈(21)以及绝缘材料(7)都固定在密封法兰(5)上，防止真空漏气和开槽铜棒(1)损坏。
4.根据权利要求1或3所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：阳极与阴极工作于真空室内，通过开槽铜棒(1)、密封法兰(5)，将阳极与阴极电极从真空室内引出至真空室外，同时将热源电极(35)通过开槽铜棒(1)也引出至真空室外。
5.根据权利要求1所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：开槽铜棒(1)侧面有水冷入口(2)和水冷出口(19)，在实验过程中开槽铜棒(1)会有高电流通过，有热量产生，用来降温；开槽密封条(18)和槽内使用钎焊后磨光。
6.根据权利要求1所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：阴极发射体(15)材料为六硼化镧，其位于石墨垫圈(23)与石墨导热片(25)之间，防止在高温下阴极发射体(15)与难熔金属发生反应，使阴极发射体(15)均匀加热，在阴极发射体(15)一周有导电环(24)，保证阴极发射体(15)的电连接和起到保护阴极发射体(15)由于热膨胀导致的断裂。
7.根据权利要求6所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：在石墨导热片(25)下方为高温绝缘材料(26)，在高温绝缘材料(26)下方为热源(28)和热源固定器(29)，热源(28)需要直流电源进行加热。
8.根据权利要求7所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：热源(28)为蛇形形状，在热源(28)两端分别设计有热源螺孔(27)，通过热源螺孔(27)将热源(28)两端固定在热源电极(35)上，在热源电极(35)一圈也有陶瓷绝缘材料(34)，防止热源电极(35)与热反射板接触，再将热源电极(35)固定在不锈钢热源引出电极(36)上，通过导线将不锈钢热源引出电极(36)接在开槽铜棒(1)上引出，热源固定器(29)根据热源形状进行设计两面各有凹槽且为陶瓷材料，起到支撑热源(28)和绝缘作用。
9.根据权利要求6、7或8所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：为提高热量辐射利用率，在热源固定器(29)下方设置有三层热反射板用来反射热源(28)向后辐射的热量，使其都返回到阴极发射体(15)中，三层热反射板分别为第一热反射板(30)，第二热反射板(31)，第三热反射板(32)，在每层热反射板中间都设置有8个相同的热反射板连接立柱(37)。
10.根据权利要求6、7、8或9所述的一种大尺寸高发射电流密度的等离子体源，其特征在于：阴极发射体(15)四周热量通过热反射杯(14)进行反射，同时在热反射杯(14)底部有一块热反射杯盖板(33)，通过热反射杯盖板(33)与热反射板连接立柱(37)将热反射板、热源(28)、热源固定器(29)、阴极发射体(15)、高温绝缘材料(26)、石墨导热片(25)、石墨环(23)固定压紧，防止左右晃动；在热反射杯(14)半面有热反射杯固定环(13)，热反射杯固定环(13)一端通过热反射杯连接立柱(38)与热反射杯(14)和热反射杯盖板(33)通过热反射杯底座螺孔(16)与热反射杯固定环螺孔(17)固定，另一端与直角连接器(8)通过直角连接器螺孔(12)与热反射杯固定环螺孔(17)固定。
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