一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熱陰極技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源。
【背景技術(shù)】
[0002]氧化物陰極廣泛用于電子工業(yè)領(lǐng)域，是熱燈絲陰極的進一步發(fā)展?，F(xiàn)在所說的氧化物陰極泛指在基金屬表面噴涂一層堿土金屬氧化物而制成的一類發(fā)射體的統(tǒng)稱，文獻G.赫孟，S.華庚納著《氧化物陰極第一卷》、《氧化物陰極第二卷》，江劍平著《陰極電子學(xué)與氣體放電原理》中對氧化物陰極有著詳細(xì)的介紹。相對于熱燈絲陰極，它的逸出功、工作溫度都要低很多，但是發(fā)射效率卻比釷鎢陰極高很多。更為難能可貴的是，在脈沖放電模式下，它可以提供比熱燈絲陰極大的多的電流密度。氧化物陰極在等離子體物理實驗研宄中應(yīng)用的典型實例是加州大學(xué)洛杉磯分校的LAPD(Large Area Plasma Device)，文獻D.Leneman, ff.GekeIman, and J.Moggs, Rev.Sc1.1nstrum.77，015108 (2006)對該等離子體源的參數(shù)、構(gòu)造及放電情況做了詳細(xì)描述。
[0003]如圖1，是氧化物陰極的工作原理的簡化示意圖，噴涂有氧化物涂層的高溫基金屬板作為陰極，并在距離其合適位置處放置一個陽極柵網(wǎng)，在陰極與陽極之間加上脈沖電壓，使氧化物涂層中逸出的電子脫離出來，并獲得一定的速度去碰撞中性的氣體分子，使中性氣體分子電離，產(chǎn)生等離子體。
[0004]目前氧化物陰極在工業(yè)上的應(yīng)用一般尺寸較小。在某些應(yīng)用領(lǐng)域，實驗人員需要的大范圍的均勻的本底等離子體環(huán)境，但現(xiàn)有技術(shù)中還沒有尺寸較大的氧化物陰極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，它具有結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，能提供較大范圍的均勻的等離子體環(huán)境的優(yōu)點。
[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0007]一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，它包括由上梁、下梁和固定板組成的支撐框架，用來加熱的燈絲陣列，設(shè)置在燈絲陣列后面及四周的金屬反射板，陰極板；所述固定板為外多邊形內(nèi)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述陰極板外邊緣上設(shè)有觸片。
[0008]所述固定板的圓切向和徑行開有隔熱狹縫。
[0009]所述固定板上設(shè)有缺口。
[0010]所述燈絲陣列由迂回穿過并排放置的多根耐高溫絕緣陶瓷管的金屬絲，陶瓷管，用來固定陶瓷管的開有U型槽的限位槽和限位桿組成。
[0011]所述金屬絲為一根或者多根金屬絲合成的一股。
[0012]所述陰極板與固定板之間的電連接由電連接片完成，電連接片是易變形的金屬薄片。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明將陰極板與固定板之間的機械連接與電連接分開處理，既保證了二者之間的機械連接的穩(wěn)定性，也保證了良好的電連接；固定板和陰極板觸片上的跑道型孔可防止高溫工作時膨脹變形較大而出現(xiàn)鼓起現(xiàn)象；固定板上的隔熱狹縫可降低固定板與其他部件的接觸點的溫度，使得結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
【附圖說明】
[0014]圖1是氧化物陰極工作原理的簡化示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的正視圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的左視圖；
[0017]圖4是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的燈絲陣列的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖5是本發(fā)明的優(yōu)選實施例的局部電連接的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本發(fā)明易于理解，下面結(jié)合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
[0020]如圖2-5所述，一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其主要部件包括上梁11、下梁12、陰極板13、固定板14、燈絲(或陶瓷管)陣列15、限位桿16，電連接片17、陶瓷管限位槽18、反射板19等部件。
[0021]由于工作時溫度與裝配時溫度相差較大，且氧化物陰極的尺度比較大，本發(fā)明的支撐框架采用分段式，主要重量由上梁11，下梁12來承擔(dān)。如圖2，固定板上下各開有3個孔，其中下方中央的孔146，是圓形孔，其余孔為跑道型。下方的左右兩個孔147為水平的跑道型孔，上方中央的孔145為豎直方向的跑道型，其左右兩邊為傾斜設(shè)置的跑道型孔144，其傾斜方向、傾斜角度視實際需要而定，根據(jù)陰極板的大小而變化，這里約15度。
[0022]本發(fā)明采用燈絲陣列旁熱式加熱，燈絲陣列的結(jié)構(gòu)示意如圖4所示，一根金屬絲25或者多根金屬絲合成一股，迂回穿過并排放置的多根耐高溫絕緣陶瓷管23內(nèi)。陶瓷管嵌到特制的開有U型槽的限位槽18內(nèi)(簡稱限位槽)，限位槽的外面再放一根限位桿16，進一步限制陶瓷管的活動。幾根陶瓷管串聯(lián)組成一個單元，連接到電極24。多個陶瓷管單元組成的陣列稱為陶瓷管陣列或燈絲陣列。
[0023]如圖2所示，本實施例的固定板14設(shè)計為一個外八邊形，內(nèi)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，如果希望，其也可以是外六邊形內(nèi)圓形等其他形狀。其主要作用在于提供陰極板13的支撐，以及把電流均勻的引到陰極板上，我們不希望它工作的溫度過高或者通過它損失太多的熱量。固定板通過上下各3點接觸與上下梁接觸。為了降低這些接觸點的溫度，我們在固定板上內(nèi)圓切向，開了 4條隔熱狹縫141。其中上下的這2條狹縫有效減小了傳導(dǎo)到接觸點的熱量。固定板工作時，其內(nèi)邊緣的溫度是高于外邊緣的，所以，其自身也有熱膨脹不一致的問題，內(nèi)邊緣的熱膨脹幅度要高于外邊緣。為了避免這個不一致可能帶來的風(fēng)險，我們在固定板內(nèi)圓徑向上也開了 4條狹縫142，用來釋放這個熱應(yīng)力。
[0024]固定板14與外圍電路通過四角設(shè)置的專用連接點148連接。在這4個點附近開了4個缺口 143，一方面減少熱量流失，降低連接點148的溫度；另一方面，適當(dāng)?shù)娜笨诖笮。梢越档完帢O板13的四個角溫度，提高陰極板溫度的均勻性。
[0025]如圖2、圖3，限位槽18是直接與陶瓷管23接觸的，其工作時的溫度很高。為應(yīng)對其工作時的熱膨脹，我們把其上端設(shè)計成可以上下自由活動。圖3右上，限位槽上端182是圓柱形的，在上梁的對應(yīng)部分有一個圓孔，此圓孔限定限位槽徑向的自由度，但其可以在軸向可以自由活動。圖3右下，為了增大限位槽與下梁之間的熱阻，限位槽的下端并不與下梁直接接觸，用一個定位板26來限制其水平方向的擺動，并在限位槽下方安裝了一個圓頭螺釘22，限位槽放置在這個螺釘上。另一方面，為避免限位槽18的熱輻射直接作用到上下梁，我們在限位槽與上下梁之間還設(shè)置了一層反射板20，這個反射板同時起到固定限位桿16的作用。
[0026]圖5是陰極板與固定板之間接觸細(xì)節(jié)的局部放大圖。陰極板的圓形邊上均勻的伸出12個觸片131，其每個觸片上有I個跑道型的孔132，固定板上對應(yīng)的有一個圓形孔。之所以在陰極板上設(shè)置12個跑道型孔，是考慮到陰極板與固定板在高溫工作時，二者的熱膨脹程度不同。這個12個點配合，只是保證陰極板與固定板的機械連接，但為了使熱臟冷縮在連接處的自由伸縮，這12個連接點并不緊固配合。為了彌補上述配合可能帶來的電連接不良的缺陷，額外設(shè)置了電連接片17。電連接片的兩端各有一個折彎部分172，其與陰極板上對應(yīng)的折彎部分133緊固配合。電連接片的折彎部分171與固定板14之間緊固配合。電連接片是一個薄片，在圓形陰極板的徑向方向易變形，以抵消陰極板與固定板不同熱伸縮量。電連接片17將電流均勻的引到陰極板的12個觸片上，盡可能的保證陰極板電勢的均勻性。
[0027]燈絲陣列組成了一個近似于扁平的塊狀的熱源，其熱輻射朝兩個方向接近各一半，為了提高熱利用效率，減少熱損失，同時降低其他外圍部件的熱負(fù)載，我們在燈絲陣列的另一面設(shè)置了反射板19，反射板19是一塊薄金屬板，其需要在高溫下較好的保持原狀，且高溫下，其表面依然有比較高的熱反射率。本實施例的反射板采用薄鉬板。反射層可以是單層，也可以是多層，視實際需要而定，這里是多層。類似的，在燈絲陣列的四周也設(shè)有反射層，進一步減少熱損失。
[0028]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理和主要特征以及本發(fā)明的優(yōu)點。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【主權(quán)項】
1.一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:它包括由上梁、下梁和固定板組成的支撐框架，用來加熱的燈絲陣列，設(shè)置在燈絲陣列后面及四周的金屬反射板，陰極板；所述固定板為外多邊形內(nèi)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述陰極板外邊緣上設(shè)有觸片。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:所述固定板的圓切向和徑向開有隔熱狹縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:所述固定板上設(shè)有缺口。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:所述燈絲陣列由迂回穿過并排放置的多根耐高溫絕緣陶瓷管的金屬絲、陶瓷管、用來固定陶瓷管的開有U型槽的限位槽和限位桿組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:所述金屬絲為一根或者多根金屬絲合成的一股。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，其特征在于:所述陰極板與固定板之間的電連接由電連接片完成，電連接片是易變形的金屬薄片。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種大面積高電離率氧化物陰極等離子體源，它包括由上梁、下梁和固定板組成的支撐框架，用來加熱的燈絲陣列，設(shè)置在燈絲陣列后面及四周的金屬反射板，陰極板；所述固定板為外多邊形內(nèi)圓形的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，所述陰極板外邊緣上設(shè)有觸片；所述陰極板與固定板之間的電連接由電連接片完成，電連接片是易變形的金屬薄片。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定，能產(chǎn)生大范圍的均勻的等離子體環(huán)境的優(yōu)點。
【IPC分類】H01J37-08
【公開號】CN104681381
【申請?zhí)枴緾N201510066213
【發(fā)明人】謝錦林, 胡廣海, 金曉麗, 袁林, 張喬楓, 楊尚川
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年6月3日
【申請日】2015年2月4日