本實(shí)用新型屬于一種高功率離子源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件。

背景技術(shù)：

離子源是使中性原子或分子電離，產(chǎn)生等離子體，并從中引出離子束流的裝置。它是各種類型的離子加速器、質(zhì)譜儀、電磁同位素分離器、離子注入機(jī)、離子束刻蝕裝置、離子推進(jìn)器以及受控聚變裝置中的中性束注入器等設(shè)備的不可缺少的部件。離子源通常來說主要由等離子體發(fā)生器和電極系統(tǒng)組成。用于受控核聚變裝置中的中性束注入器離子源的束能量范圍40keV-1MeV，束流強(qiáng)度一般是幾十安培量級(jí)范圍，由此中性束離子源體積大，束流引出面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。當(dāng)束能量大于60keV時(shí)，為了更好地引出數(shù)十安培的離子束，強(qiáng)流離子源通常采用四層電極系統(tǒng)，如圖1所示，面對(duì)等離子體的為第一電極(又可稱為等離子體電極)，依次向下，第二層為第二電極(梯度極)，第三層為抑制極，第四層為地電極。第一第二電極之間電場(chǎng)用來引出離子束,第二第三電極主要用來加速離子形成高能離子束，第三第四電極之間的電場(chǎng)用來抑制出口區(qū)域的電子返流。對(duì)于引出面積大于幾十平方厘米以上的多層電極柵板，為了得到強(qiáng)流離子束，需要在電極柵板制作出數(shù)百個(gè)小圓孔型或者數(shù)十個(gè)狹縫型結(jié)構(gòu)的離子束引出孔。為了滿足離子束引出的物理理論需求，每層電極柵之間的距離在毫米量級(jí)范圍，在毫米量級(jí)的間隙內(nèi)加載上幾十千伏的高電壓，同時(shí)保證電極不發(fā)生高電壓擊穿現(xiàn)象，這就需要多層電極柵板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度均勻一致性好，由此對(duì)每層電極柵之間的平行度要求極高，一般需要在0.1mm以內(nèi)，另外，電極區(qū)域的真空度也需要低于0.1Pa。

本實(shí)用新型涉及的高功率離子源大尺寸電極支撐座組件，是用來支撐離子源上的多層電極柵板，并提供水冷通道，同時(shí)將四層電極的電位絕緣隔離。它主要包括電極法蘭，電極支撐架，絕緣環(huán)等幾個(gè)部件。目前，小型離子源電極支撐系統(tǒng)中的絕緣環(huán)多數(shù)選擇圓形陶瓷筒通過可法焊接到不銹鋼法蘭上，這種結(jié)構(gòu)不適用于矩形截面的大尺寸絕緣腔上。目前合肥EAST托卡馬克中性束離子源電極絕緣環(huán)采用的是環(huán)氧材料，利用粘接工藝完成與電極法蘭的密封連接，這對(duì)粘接精度要求非常極高，為了保證一定的粘接強(qiáng)度，粘接后不允許進(jìn)行再次加工，由此很可能導(dǎo)致每層法蘭上裝配面的平行度超差，由此導(dǎo)致電極柵板層與層之間的平行度較差，無法實(shí)現(xiàn)高參數(shù)運(yùn)行。另外，根據(jù)高電壓擊穿原理可知電擊穿現(xiàn)象還與真空度密切相關(guān)，真空度越低，發(fā)生電極穿的概率越小。目前離子源電極系統(tǒng)的真空度取決于電極絕緣與密封材料的真空放氣率和電極柵進(jìn)口的進(jìn)氣量與出口處的抽氣量等幾個(gè)因素，為了保持較低的真空度，抽氣系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抽速要求較高，如果是多個(gè)離子源同時(shí)工作，抽氣系統(tǒng)的抽速要達(dá)到數(shù)十萬升每秒的超高速抽氣系統(tǒng)，造價(jià)非常昂貴。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，提供一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件。

本實(shí)用新型的技術(shù)方案是這樣：

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，包括：第一法蘭、第一絕緣腔、第二法蘭、第二絕緣腔、第三法蘭、第三絕緣腔、第四法蘭、第二電極支架、第三電極支架、第四電極支架，第一電極柵、第二電極柵、第三電極柵、第四電極柵；

所述第一法蘭用來支撐第一電極柵，為第一電極柵的水冷回路提供進(jìn)出通道；它與第一絕緣腔和第一電極柵以及外部法蘭配合，第一法蘭與第一絕緣腔連接配合面上有一密封槽，用來放置O型氟橡膠密封圈；在連接配合面上的密封槽的靠近腔體內(nèi)側(cè)等間距排布32個(gè)螺栓，利用螺栓壓緊密封圈進(jìn)行第一法蘭與第一絕緣腔真空密封；第一法蘭與第一電極水路連接的第一電極水管，通過第一電極水管密封小法蘭與第一法蘭連接；

第二法蘭連接第二電極支架共同支撐第二電極柵，并為第二電極柵的水冷回路提供進(jìn)出路徑；第二法蘭與第一絕緣腔、第二絕緣腔、第二電極支架、第二電極水管連接配合；第二法蘭與第一絕緣腔的配合面上有一個(gè)用來放置O型氟橡膠密封圈的密封槽，28個(gè)緊固螺栓在配合面上的密封槽的靠向腔體外側(cè)等間距排布，螺栓的排布在空間上避開水路路徑；第二電極水管是用來冷卻第二電極柵的，第二電極水管的兩端通過小密封法蘭分別與第二法蘭和第二電極柵連接，第二電極水管共有6對(duì)；第二法蘭與第二絕緣腔是通過O型氟橡膠密封圈和緊固螺栓壓緊連接的，共有28個(gè)螺栓等間距排布在密封槽的靠近腔內(nèi)側(cè)；

第三法蘭與第三電極支架組合后用來支撐第三電極柵，并給第三電極柵水冷回路提供進(jìn)出通道；第三法蘭與第二絕緣腔和第三絕緣腔以及第三電極支架以及第三電極水管配合；第三法蘭與第三絕緣腔的配合面上設(shè)置有密封槽，壓緊密封圈的緊固螺栓孔在密封槽靠近腔體的外側(cè)；第三法蘭與第二絕緣腔配合面上有一個(gè)用來進(jìn)行真空密封的密封槽和28個(gè)緊固螺栓孔，螺栓孔在密封槽靠近腔體的內(nèi)側(cè)；

第四法蘭與第四電極支架組合后用來支撐第四電極柵，并給第四電極柵水冷回路提供進(jìn)出路徑；第四法蘭與第三絕緣腔以及第四電極支架以及第四電極水管配合；第四法蘭與第三絕緣腔配合面上也有一用來真空密封的密封槽，28 個(gè)緊固螺栓在密封靠近腔體的槽內(nèi)側(cè)等間距排布。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述第二電極水管及其小密封法蘭均放置在第二電極支架的外表面，第三電極水管放置在了第三電極支架與第四電極支架之間。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述的每個(gè)法蘭與絕緣腔和電極支架配合面的平面度為0.1mm，平行度為0.04mm。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述第一絕緣腔、第二絕緣腔和第三絕緣腔的材料都為PEEK，PEEK絕緣腔與法蘭之間通過O型密封圈緊固連接，絕緣腔與法蘭的裝配面同時(shí)也是密封面，光潔度為1.6微米，每層配合面上相應(yīng)位置排布有緊固螺紋孔。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述第一絕緣腔和第三絕緣腔的外形尺寸均為698mm*428mm，腔厚度均為28mm，高度分別為48mm和38mm；第二絕緣腔由三個(gè)絕緣環(huán)利用40個(gè)間距為50mm的型號(hào)為M10的PEEK螺栓緊固連接，真空密封結(jié)構(gòu)是O型氟橡膠壓緊密封，第二絕緣腔的總高度為 128mm，外形尺寸為700mm*480mm，腔厚度為52mm。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述第二電極支架與第二法蘭和第二電極柵連接，第三電極支架與第三電極柵和第三法蘭連接，第四電極支架與第四電極柵和第四法蘭連接；第二電極支架在上下平面中心位置設(shè)置有上下開口，開口尺寸為528mm*235mm，總高度為44mm，支架的厚度大于10mm；第三電極支架在中心位置設(shè)置上下開口，上端開口尺寸為468mm*201mm，下端開口尺寸528mm*261mm，總高度126mm，厚度為10mm，第四電極支架開口尺寸為436mm*171mm，總高度為139mm，壁厚10mm。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，所述第三電極支架和第四電極支架的側(cè)壁上均開有30-60條寬度為1mm，長(zhǎng)度90mm的細(xì)縫，細(xì)縫之間的間距20mm-40mm。

一種高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件，裝配后，檢測(cè)三個(gè)支架上每層電極裝配面相對(duì)于第四法蘭基準(zhǔn)面A或者相對(duì)于第一電極配合面的平行度，并進(jìn)行二次機(jī)加工，修整四層支架的平行度公差在0.04mm以內(nèi)，每層支架與電極配合面要預(yù)留修整余量為1mm。

本實(shí)用新型的有益效果在于：

(1)本實(shí)用新型中提出的電極支撐座組件，可以對(duì)裝配后的電極支架配合面進(jìn)行平行度修正，降低了單個(gè)部件的加工精度要求，每層電極裝配面的平行度可以達(dá)到0.04mm以內(nèi)，確保了電極之間電場(chǎng)的均勻一致性，降低高參數(shù)引出時(shí)的打火概率。

(2)本實(shí)用新型在不影響離子束引出孔區(qū)電極結(jié)構(gòu)的同時(shí)，在三個(gè)電極支架上制作出數(shù)十條1mm寬度的狹小細(xì)縫結(jié)構(gòu)，降低了絕緣腔雜質(zhì)氣體通過離子束引出孔排出的概率，減少了雜質(zhì)氣體對(duì)離子束引出性能的影響。

(3)該電極支撐結(jié)構(gòu)增加了電極系統(tǒng)抽氣口面積，可降低電極區(qū)域的真空度，從而降低了對(duì)真空抽氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)真空抽速的要求，降低了真空系統(tǒng)的造價(jià)成本。

附圖說明

圖1為高功率大尺寸離子源四電極系統(tǒng)三維示意圖。

圖2為大功率離子源四電極系統(tǒng)短邊方向二維結(jié)構(gòu)視圖。

圖3為高功率強(qiáng)流離子源四電極支撐座組件長(zhǎng)邊方向二維剖視圖。

圖4為本實(shí)用新型所述的一種齒輥破碎機(jī)的剔齒裝置的下刀座的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中：1、第一法蘭；2、第一絕緣腔；3、第二法蘭；4、第二絕緣腔；5、第三法蘭；6、第三絕緣腔；7、第四法蘭；8、第二電極支架；9、第三電極支架；10第四電極支架；11、第一電極柵；12、第一電極水管；13、第一電極水管密封小法蘭；14、第二電極水管；15、第三電極水管；16、第四電極水管； 17第二電極柵；18、第三電極柵；19、第四電極柵；20、離子束引出孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

以80kV,45A，5s離子源電極支撐組件為例給出具體實(shí)施方式。該離子源電極支撐組件如圖3所示，外形尺寸長(zhǎng)度780mm寬度506mm，高度318mm。主要由第一法蘭1、第一絕緣腔2、第二法蘭3、第二絕緣腔4、第三法蘭5、第三絕緣腔6、第四法蘭7、第二電極支架8、第三電極支架9，第四電極支架10等部件組成。

第一法蘭1用來支撐第一電極柵11，為第一電極柵11的水冷回路提供進(jìn)出通道。它與第一絕緣腔2和第一電極柵11以及外部法蘭配合，第一法蘭1與第一絕緣腔2連接配合面上有一密封槽，用來放置O型氟橡膠密封圈；在配合面上的密封槽的靠近腔體內(nèi)側(cè)等間距排布32個(gè)螺栓，利用螺栓壓緊密封圈進(jìn)行第一法蘭1與第一絕緣腔2真空密封。第一法蘭1與第一電極水路連接的第一電極水管12，通過第一電極水管密封小法蘭13與第一法蘭1連接。

第二法蘭3連接第二電極支架8共同支撐第二電極柵17，并為第二電極柵 17的水冷回路提供進(jìn)出路徑。第二法蘭3與第一絕緣腔2、第二絕緣腔4、第二電極支架8、第二電極水管14連接配合。第二法蘭3與第一絕緣腔2的配合面上有一個(gè)用來放置O型氟橡膠密封圈的密封槽，28個(gè)緊固螺栓在配合面上的密封槽的靠向腔體外側(cè)等間距排布，螺栓的排布在空間上要避開水路路徑。第二電極水管14是用來冷卻第二電極柵17的，第二電極水管14的兩端通過小密封法蘭分別與第二法蘭3和第二電極柵17連接，第二電極水管14共有6對(duì)。由于第二電極支架8與第三電極支架9之間的空間小，電場(chǎng)強(qiáng)度高，容易引起局部電極穿，所以第二電極水管14及其小密封法蘭均放置在第二電極支架8的外表面，如圖2所示。第二法蘭3與第二絕緣腔4是通過O型氟橡膠密封圈和緊固螺栓壓緊連接的，共有28個(gè)螺栓等間距排布在密封槽的靠近腔內(nèi)側(cè)。

第三法蘭5與第三電極支架9組合后用來支撐第三電極柵18，并給第三電極柵18水冷回路提供進(jìn)出通道。第三法蘭5與第二絕緣腔4和第三絕緣腔6以及第三電極支架9以及第三電極水管15配合。第三法蘭5與第三絕緣腔6的配合面上設(shè)置有密封槽，壓緊密封圈的緊固螺栓孔在密封槽靠近腔體的外側(cè)。由于第二電極支架8與第三電極支架9的空間距離小，為了避免局部擊穿，第三電極水管15放置在了第三電極支架9與第四電極支架10之間。第三法蘭5與第二絕緣腔4配合面上有一個(gè)用來進(jìn)行真空密封的密封槽和28個(gè)緊固螺栓孔，螺栓孔在密封槽靠近腔體的內(nèi)側(cè)。

第四法蘭7與第四電極支架10組合后用來支撐第四電極柵19,并給第四電極柵19水冷回路提供進(jìn)出路徑。第四法蘭7與第三絕緣腔6以及第四電極支架 10以及第四電極水管16配合。第四法蘭7與第三絕緣腔6配合面上也有一用來真空密封的密封槽，28個(gè)緊固螺栓在密封靠近腔體的槽內(nèi)側(cè)等間距排布。由于第四法蘭7外側(cè)裝配法蘭空間的限制，第四電極連接水管16與第四法蘭7連接的小水管法蘭放置在了第四法蘭7內(nèi)側(cè)面上，如圖2所示。

以上每個(gè)法蘭與絕緣腔和電極支架配合面的平面度為0.1mm，平行度為 0.04mm。

第一絕緣腔2、第二絕緣腔4和第三絕緣腔6的材料都為PEEK，中文名稱為聚醚醚酮，PEEK絕緣腔與法蘭之間通過O型密封圈緊固連接，絕緣腔與法蘭的裝配面同時(shí)也是密封面，因此光潔度滿足真空密封的要求，在本實(shí)施例中，要求光潔度為1.6微米。每層配合面上相應(yīng)位置排布有緊固螺紋孔。

第一絕緣腔2和第三絕緣腔6的外形尺寸698mm*428mm，腔厚度均為 28mm，高度分別為48mm和38mm。第二絕緣腔4由三個(gè)絕緣環(huán)利用40個(gè)間距為50mm的型號(hào)為M10的PEEK螺栓緊固連接，真空密封結(jié)構(gòu)是O型氟橡膠壓緊密封，第二絕緣腔4的總高度為128mm，外形尺寸為700mm*480mm，腔厚度為52mm。

第二電極支架8與第二法蘭3和第二電極柵17連接，第三電極支架9與第三電極柵18和第三法蘭5連接，第四電極支架10與第四電極柵19和第四法蘭 7連接。由于每層電極柵外形大小不同，三個(gè)電極支架上的外形尺寸及開口尺寸各不相同。第二電極支架8在上下平面中心位置設(shè)置有上下開口，開口尺寸為 528mm*235mm，總高度為44mm，為了防止變形，支架的厚度需要大于10mm。第三電極支架9在中心位置設(shè)置上下開口，上端開口尺寸為468mm*201mm，下端開口尺寸528mm*261mm，總高度126mm，厚度為10mm，第四電極支架10 開口尺寸為436mm*171mm，它的開口尺寸最小，總高度為139mm，壁厚10mm。

第二絕緣腔4在三個(gè)腔體中表面積最大，使用的密封圈最多，所以通過絕緣腔及其密封圈進(jìn)入絕緣腔內(nèi)的雜質(zhì)氣體較多，為了降低雜質(zhì)氣體對(duì)離子束引出性能的影響，在第三電極支架9和第四電極支架10的側(cè)壁上均開有30-60條寬度為1mm，長(zhǎng)度90mm的細(xì)縫，細(xì)縫之間的間距為20mm-40mm，如圖4所示，用來降低電極區(qū)域的真空度，細(xì)縫寬度如果太大可能導(dǎo)致帶電離子在此區(qū)域的定向加速，從而影響離子束引出區(qū)域的正常運(yùn)行。

組件裝配順序如下，由下而上，先組裝第四法蘭7與第三絕緣腔6，再裝配第三法蘭5，第二絕緣腔4先裝配三個(gè)絕緣環(huán)后再裝配到第三法蘭5上，然后將第一絕緣腔2與第二法蘭3組裝后再一起裝配到第二絕緣腔4上，最后裝配第一法蘭1。每裝配一層時(shí)，檢測(cè)該裝配件的軸心是否與已組裝件的軸心一致，并調(diào)整同軸度達(dá)到0.1mm以內(nèi)，同時(shí)檢測(cè)并調(diào)整每層法蘭與支架的配合面的平行度公差小于0.2mm。然后檢測(cè)真空密封性，確認(rèn)密封性完好的前提下，固定絕緣腔位置不變。再依次裝配第二電極支架8，第三電極支架9，第四電極支架10，裝配后檢測(cè)三個(gè)支架上，裝配后，檢測(cè)三個(gè)支架上每層電極裝配面相對(duì)于第四法蘭基準(zhǔn)面A或者相對(duì)于第一電極配合面的平行度，并進(jìn)行二次機(jī)加工，修整四層支架的平行度公差在0.04mm，由此每層支架與電極配合面要預(yù)留修整余量 1mm左右。

如果修整量過大，將可能導(dǎo)致裝配孔位置度超差，無法與電極柵連接。修正后再依次加工第二電極支架8，第三電極支架9，第四電極支架10的定位孔以備下次裝配時(shí)整體結(jié)構(gòu)的重復(fù)實(shí)現(xiàn)。電極組件與電極柵和水路整體組裝時(shí)，要先將每層電極柵裝配到相對(duì)應(yīng)的電極支架上構(gòu)成電極組件，然后依次裝配第三電極組件，第三電極水管，再裝配第四電極組件，第四電極水管，然后將腔體翻轉(zhuǎn)后再裝配第二電極組件及第二電極水管，最后裝配第一電極柵11。

根據(jù)該方式加工成型的離子源電極支座組件已經(jīng)使用在了80keV，40A弧放電離子源上，電極柵裝配后的平行度小于0.1mm。在真空抽速只有5000l/s的單臺(tái)分子泵抽氣的弧放電離子源測(cè)試平臺(tái)上，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了65keV，27A的正氫離子束引出，在抽速如此低的條件下得到這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果尚屬首次，也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。下一階段隨著系統(tǒng)的老練與抽氣系統(tǒng)的性能改進(jìn)，離子束參數(shù)會(huì)得到進(jìn)一步提升。