CN114284128B - 一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法。该调节装置包括第一法兰、第二法兰、绝缘杆、耦合线圈、玻璃筒、放电腔体、压缩板、进气管、卡紧机构、滑台导轨、连接杆和密封圈，第一法兰、第二法兰和玻璃筒通过密封胶圈连接，从而在玻璃筒中形成放电腔体，放电腔体为等离子体产生腔体，放电腔体工作时与外界空气隔绝，第一法兰、第二法兰与若干绝缘杆通过螺纹连接，第一法兰一端与卡紧机构一端通过卡箍紧密连接。本发明通过远程控制端控制滑台导轨带动压缩板运动，从而控制放电腔体的体积，在保证人员安全情况下，可以达到自由控制放电腔体大小的目的。
Description
技术领域
本发明属于等离子体引出技术领域，特别是涉及一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法。
背景技术
感性耦合射频离子源在材料科学、医疗器械以及磁约束核聚变等领域有着广泛的应用。在中性束注入(NBI)系统中，射频功率通过耦合线圈产生电磁场，加速电子与其他粒子发生碰撞，使得气体电离形成等离子体。等离子体中的带电粒子，如带负电的电子和负离子以及带正电的正离子可以通过引出电极被加速引出，被引出的粒子经过加速电极的加速构成粒子束，可用于磁约束核聚变装置的等离子体加热和电流驱动，相同的原理也被用在质子治疗仪等设备上。
当前射频离子源放电腔体长度相对固定的，从而使得腔体内的气体密度不易控制，通过改变引出腔体的体积的方法来改变引出粒子的密度，从而达到改变束能量的目的。
现有的结构主要缺点有：
(1)放电腔体体积相对固定，缺少体积调节能力，灵活性较低；
(2)放电腔体体积的调节需要人工现场调节，每次需要停止试验才可进行调节，不够智能化；
(3)只有改变射频放电参数(射频功率或放电气压)或引出电压两种方式来改变引出粒子密度，放电参数或引出电压的频繁变动不利于系统的稳定工作；
(4)改变射频放电参数调节引出粒子密度会导致耦合线圈等效阻抗的变化，导致阻抗匹配网络设计难度较大，成本较高；
(5)通过调整放电参数或引出电压来调整引出粒子密度会提高设备造作的复杂性，要求操作员有丰富的射频等离子体放电与引出经验和坚实的射频等离子体物理学基础，设备操作的普适性降低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法，可以有效解决背景技术中放电腔体的体积较为固定，无法调节；放电腔体调节时需要停下设备进行现场调节；同等条件下，改变放电参数和引出电压会对引出粒子密度、性能造成较大影响等问题。
为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明为一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，包括第一法兰、第二法兰、绝缘杆、耦合线圈、玻璃筒、放电腔体、压缩板、进气管、卡紧机构、滑台导轨、连接杆和密封圈，第一法兰、第二法兰和玻璃筒通过密封胶圈连接，从而在玻璃筒中形成放电腔体，放电腔体为等离子体产生腔体，放电腔体工作时与外界空气隔绝，进气管下端与压缩板上表面焊接，进气管与压缩板焊接处留有进气孔，压缩板设置在放电腔体内，以通过压缩板上下运动压缩放电腔体的体积，第一法兰、第二法兰与若干绝缘杆通过螺纹连接，第一法兰一端与卡紧机构一端通过卡箍紧密连接，卡紧机构包括密封圈，密封圈设置于卡紧机构上端，卡紧机构上端设有通孔，进气管穿过通孔并与密封圈紧密配合，进气管一端设置于放电腔体内，连接杆一端设有杆孔，进气管另一端穿过杆孔并通过螺钉紧密连接，连接杆另一端与滑台导轨一侧表面固定连接，滑台导轨还包括远程控制端，滑台导轨与远程控制端电性连接，其中，绝缘杆的数量为六个，通过绝缘杆使得第一法兰与第二法兰电位隔离。
进一步地，耦合线圈与玻璃筒之间保留缝隙，滑台导轨处于水平状态，滑台导轨与放电腔体轴线平行排布，滑台导轨在运动时带动连接杆和进气管上下运动不会迫使放电腔体发生位移，从而增加设备的气密性，通过滑台导轨与放电腔体轴线平行，保证连接杆带动进气管运动时处于垂直状态，不会使得玻璃筒发生晃动。
进一步地，连接杆为绝缘材料，从而使得滑台导轨与进气管之间电位隔离。
进一步地，滑台导轨与连接杆连接处均设有螺纹孔，从而方便连接杆的拆卸和更换。
进一步地，远程控制端与滑台导轨通过光纤传输信号，防止射频电磁场的干扰。
本发明的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置的控制方法包括以下步骤：
步骤一：离子源设备安装完毕后，滑台导轨固定于工作台上，进气管一端穿过卡紧机构并伸入玻璃筒中，另一端作为通气接入口，连接杆两端分别采用螺钉与滑台导轨和进气管固定，从而保证在导轨升降时进气管不会脱落或发生过大晃动从而影响气密性；
步骤二：进气管上端通气，耦合线圈通入高压，从而使得气体在玻璃筒中发生电离，当需要增加引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨进行控制，滑台导轨下降，从而带动进气管和压缩板进行下降，压缩板对玻璃筒内气体体积进行压缩，从而使得引出粒子密度增大；当需要减少引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨进行控制，滑台导轨上升，从而带动进气管和压缩板进行上升，压缩板对玻璃筒内气体体积进行释放，从而使得引出粒子密度减少；
其中，在滑台导轨运动时，压缩板的行程不会超过玻璃筒长度范围。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过压缩板将玻璃筒分为两部分，从而使得放电腔体可以进行调节，进而增加了粒子密度使得引出能力增加，引出粒子密度过程中不再需要调节射频功率或者放电气压，或者能够降低射频功率和放电气压所需要的调节范围。
2、本发明通过远程端可以对设备进行远程调节，增加了实验的安全性，减少了重复性劳动，连接杆为绝缘材料使得运动机构与实验部位进行隔离，增加了实验的可靠性。
3、避免了射频功率或者放电气压等调整对阻抗匹配网络以及射频功率源可能造成的冲击，降低了对射频功率源调整响应的要求，降低了阻抗匹配网络所需要的调节范围，能够在一定程度上降低成本，增强射频等离子体放电的稳定性，极大程度的降低系统操作的复杂程度。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
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为本发明的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法结构示意图；
图2为本发明的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置及其控制方法俯视示意图；
图3为图2中A-A处剖面结构示意图；
图4为图3中I处部分局部放大图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、第一法兰；2、第二法兰；3、绝缘杆；4、耦合线圈；5、玻璃筒；6、放电腔体；7、压缩板；8、进气管；9、卡紧机构；10、滑台导轨；11、连接杆；12、密封圈。
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“中”、“外”、“内”等指示方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的组件或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一：
请参阅图1-4所示，本发明提供一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，其包括第一法兰1、第二法兰2、绝缘杆3、耦合线圈4、玻璃筒5、放电腔体6、压缩板7、进气管8、卡紧机构9、滑台导轨10、连接杆11和密封圈12，第一法兰1、第二法兰2和玻璃筒5通过密封胶圈连接，从而在玻璃筒5中形成放电腔体6，放电腔体6为等离子体产生腔体，放电腔体6工作时与外界空气隔绝，进气管8下端与压缩板7上表面焊接，进气管8与压缩板7焊接处留有进气孔，压缩板7设置在放电腔体6内，以压缩板7上下运动压缩放电腔体6的体积。第一法兰1、第二法兰2与若干绝缘杆3通过螺纹连接，第一法兰1一端与卡紧机构9一端通过卡箍紧密连接，卡紧机构9包括密封圈12，密封圈12设置于卡紧机构9上端，卡紧机构9上端设有通孔，进气管8穿过通孔并与密封圈12紧密配合，进气管8一端设置于放电腔体6内，连接杆11一端设有杆孔，进气管8另一端穿过杆孔并通过螺钉紧密连接，连接杆11另一端与滑台导轨10一侧表面固定连接，滑台导轨10还包括远程控制端，滑台导轨10与远程控制端电性连接，其中，绝缘杆3的数量为六个，通过绝缘杆3使得第一法兰1与第二法兰2两者电位隔离。
其中，耦合线圈4与玻璃筒5之间保留缝隙，滑台导轨10处于水平状态，滑台导轨10与放电腔体6轴线平行排布，滑台导轨10在运动时带动连接杆11和进气管8上下运动不会迫使放电腔体6发生位移，从而增加设备的气密性，通过滑台导轨10与放电腔体6轴线平行，保证连接杆11带动进气管8运动时处于垂直状态，不会使得玻璃筒5发生晃动。
其中，连接杆11为绝缘材料，从而使得滑台导轨10与进气管8之间电位隔离。
其中，滑台导轨10与连接杆11连接处均设有螺纹孔，从而方便连接杆11的拆卸和更换。
其中，远程控制端与滑台导轨10通过光纤传输信号，防止射频电磁场的干扰。
本发明的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：离子源设备安装完毕后，滑台导轨10固定于工作台上，进气管8一端穿过卡紧机构9并伸入玻璃筒5中，另一端作为通气接入口，连接杆11两端分别采用螺钉与滑台导轨10和进气管8固定，从而保证在导轨升降时进气管8不会脱落或发生过大晃动从而影响气密性；
步骤二：进气管8上端通气，耦合线圈4通入高压，从而使得气体在玻璃筒5中发生电离，当需要增加引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨10进行控制，滑台导轨10下降，从而带动进气管8和压缩板7进行下降，压缩板7对玻璃筒5内气体体积进行压缩，从而使得引出粒子密度增大；当需要减少引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨10进行控制，滑台导轨10上升，从而带动进气管8和压缩板7进行上升，压缩板7对玻璃筒5内气体体积进行释放，从而使得引出粒子密度减少；
其中，在滑台导轨10运动时，压缩板7的行程不会超过玻璃筒5长度范围。
具体工作原理为：所述卡紧机构9和密封圈12为现有整体产品，其型号为KF25C025，滑台导轨10型号为FSK30，设备安装固定好后，放电腔体6处于真空状态，通过进气管8上端进气，气体在玻璃筒5中发生电离，玻璃筒5的体积即为放电腔体6的体积，目前市面上没有调节控制放电腔体6体积大小的装置，通过在进气管8末端添加一个压缩板7，使得玻璃筒5被分割成两部分，从而使得进入的气体在压缩板7下端汇聚，放电腔体6的体积即为压缩板7下端玻璃筒5的体积，从而达到控制放电腔体6体积大小的目的。工作时，通过远程控制端控制滑台导轨10运动，滑台导轨10带动连接杆11进行升降运动，从而使得进气管8被拉动，进气管8与卡紧机构9通过密封圈12保证了设备的密封性，进气管8的另一端通过带动压缩板7从而压缩和释放放电腔体6的体积，进而达到控制引出粒子密度的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，其特征在于：所述装置包括第一法兰（1）、第二法兰（2）、绝缘杆（3）、耦合线圈（4）、玻璃筒（5）、放电腔体（6）、压缩板（7）、进气管（8）、卡紧机构（9）、滑台导轨（10）、连接杆（11）和密封圈（12），所述第一法兰（1）、第二法兰（2）和玻璃筒（5）通过密封胶圈连接，从而在玻璃筒（5）中形成放电腔体（6），所述放电腔体（6）为等离子体产生腔体，所述放电腔体（6）工作时与外界空气隔绝，所述进气管（8）下端与压缩板（7）上表面焊接，所述进气管（8）与所述压缩板（7）的焊接处留有进气孔，所述压缩板（7）设置在所述放电腔体（6）内，以通过压缩板（7）上下运动压缩所述放电腔体（6）的体积；所述第一法兰（1）、第二法兰（2）与若干绝缘杆（3）通过螺纹连接，所述第一法兰（1）一端与卡紧机构（9）一端通过卡箍紧密连接，所述卡紧机构（9）包括密封圈（12），所述密封圈（12）设置于卡紧机构（9）上端，所述卡紧机构（9）上端设有通孔，所述进气管（8）穿过通孔并与密封圈（12）紧密配合，所述进气管（8）一端设置于放电腔体（6）内，所述连接杆（11）一端设有杆孔，所述进气管（8）另一端穿过杆孔并通过螺钉紧密连接，所述连接杆（11）另一端与滑台导轨（10）一侧表面固定连接，所述滑台导轨（10）包括远程控制端，所述滑台导轨（10）与所述远程控制端电性连接；
所述耦合线圈（4）与玻璃筒（5）之间保留缝隙，所述滑台导轨（10）处于水平状态，所述滑台导轨（10）与所述放电腔体（6）轴线平行排布，所述滑台导轨（10）在运动时带动所述连接杆（11）和所述进气管（8）上下运动不会迫使放电腔体（6）发生位移，从而增加调节装置的气密性。
2.根据权利要求1所述的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，其特征在于：所述连接杆（11）为绝缘材料，从而使得所述滑台导轨（10）与所述进气管（8）之间电位隔离。
3.根据权利要求1所述的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，其特征在于： 所述滑台导轨（10）与连接杆（11）连接处均设有螺纹孔，从而方便连接杆（11）的拆卸和更换。
4.根据权利要求1所述的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置，其特征在于：所述远程控制端与所述滑台导轨（10）通过光纤传输信号，防止射频电磁场的干扰。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种控制离子源引出粒子密度的调节装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：离子源设备安装完毕后，滑台导轨（10）固定于工作台上，进气管（8）一端穿过卡紧机构（9）并伸入玻璃筒（5）中，另一端作为通气接入口，连接杆（11）两端分别采用螺钉与滑台导轨（10）和进气管（8）固定，从而保证在导轨升降时进气管（8）不会脱落或发生过大晃动从而影响气密性；
步骤二：进气管（8）上端通气，耦合线圈（4）通入高压，从而使得气体在玻璃筒（5）中发生电离，当需要增加引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨（10）进行控制，滑台导轨（10）下降，从而带动进气管（8）和压缩板（7）进行下降，压缩板（7）对玻璃筒（5）内气体体积进行压缩，从而使得引出粒子密度增大；当需要减少引出粒子密度时，通过远程控制端给出信号，从而对滑台导轨（10）进行控制，滑台导轨（10）上升，从而带动进气管（8）和压缩板（7）进行上升，压缩板（7）对玻璃筒（5）内气体体积进行释放，从而使得引出粒子密度减少；
其中，在滑台导轨（10）运动时，压缩板（7）的行程不会超过玻璃筒（5）长度范围。
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