一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，包括密封管、空心陰極管、陰極板、第一絕緣板、輔助陽極板、絕緣管、永磁體、環(huán)狀陽極板、第三水冷通道和控制電源，空心陰極管安裝在陰極板上；密封管與陰極板連接，并將空心陰極管套入其中；該密封管頂部還設(shè)有氣體導(dǎo)入口；第一絕緣板用于實現(xiàn)陰極板和輔助陽極板的絕緣；絕緣管設(shè)置在第一絕緣板上；永磁體和第三水冷通道均設(shè)置在輔助陽極板外部；環(huán)狀陽極板與輔助陽極板底部間隔30～50厘米；控制電源分別與陰極板、輔助陽極板和環(huán)狀陽極板連接。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、功率大，等離子體的參數(shù)區(qū)間寬，可以應(yīng)用到更寬廣的科研和工業(yè)應(yīng)用中。
【專利說明】
一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及低溫等離子體技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及的是一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，在工業(yè)和科研應(yīng)用領(lǐng)域，低溫等離子體技術(shù)在材料表面處理、冶金、輔助燃燒等方面發(fā)揮了巨大的作用以及良好的應(yīng)用前景。在實際應(yīng)用過程中需要根據(jù)工藝參數(shù)和應(yīng)用工環(huán)境的不同，選擇合適的等離子體源。然而，在現(xiàn)有的等離子體應(yīng)用中，由于限定于特定的等離子體產(chǎn)生原理、處理對象的尺寸和結(jié)構(gòu)特點，導(dǎo)致了其裝置普遍較復(fù)雜，并且只能對單一的樣品進(jìn)行處理。因此，這樣的等離子體裝置擴(kuò)散到其它方面較困難。
[0003]而公開號為CN102376521A，名稱為“等離子體處理裝置和等離子體控制方法”公開的技術(shù)方案，則是利用多個同心圓環(huán)狀的空心陰極放電，形成較大面積的等離子體，然后通過改變陰極和陽極之間的電壓調(diào)節(jié)等離子體的密度。但其對電源功率的需求很大，裝置結(jié)構(gòu)車父復(fù)雜。
[0004]此外，對于很多空心陰極放電裝置而言，由于受到熱效應(yīng)的影響，等離子體放電一般處在輝光放電區(qū)間，因此，等離子體放電功率提高困難。另外，如商用的電感耦合等離子體源，微波等離子體放電源等，由于功率潰入的方式為間接性，能量利用效率普遍不高，等離子體離化率也相對較低，因而也難提高等離子體功率。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其可以產(chǎn)生高離化率的等離子體束流，并提高能量轉(zhuǎn)化效率。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0007]—種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，包括密封管、空心陰極管、陰極板、第一絕緣板、輔助陽極板、絕緣管、永磁體、環(huán)狀陽極板、第三水冷通道和控制電源，其中:
[0008]所述空心陰極管安裝在陰極板上并且可以前后調(diào)節(jié)移動；
[0009]所述密封管與陰極板連接，并將空心陰極管套入其中，以實現(xiàn)對空心陰極管的密封，并為空心陰極管的移動預(yù)留余量;該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體輸入至空心陰極管中的氣體導(dǎo)入口 ；
[0010]所述輔助陽極板用作等離子體的弧電極，所述第一絕緣板用于實現(xiàn)陰極板和輔助陽極板的絕緣；
[0011 ]所述絕緣管設(shè)置在第一絕緣板上，用于防止等離子體起弧打火；
[0012]所述永磁體和第三水冷通道均設(shè)置在輔助陽極板外部；
[0013]所述環(huán)狀陽極板用作等離子體的工作電極，其與輔助陽極板底部間隔30?50厘米，并與空心陰極管之間形成高密度等離子體束流；
[0014]所述控制電源包括起弧電源和恒定電流源，其中，起弧電源分別與陰極板和輔助陽極板連接;恒定電流源正極通與環(huán)狀陽極板連接，負(fù)極與陰極板連接。
[0015]進(jìn)一步地，所述陰極板內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以對空心陰極管進(jìn)行冷卻的第一水冷通道。
[0016]再進(jìn)一步地，所述輔助陽極板內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以防止空心陰極管發(fā)生燒蝕、并損壞陰極板的第二水冷通道。
[0017]更進(jìn)一步地，所述輔助陽極板上還設(shè)有第二絕緣板。
[0018]作為優(yōu)選，所述空心陰極管為鉭管或鉭合金管，其安裝在陰極板的中心軸線上，并通過螺釘鎖緊。
[0019]作為優(yōu)選，所述絕緣管為環(huán)狀陶瓷管。
[0020]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0021](I)本實用新型設(shè)計合理、維修方便、加工成本低廉，其通過密封管、空心陰極管、陰極板、輔助陽極板、環(huán)狀陽極板的設(shè)置，可以滿足多種氣體的使用，并實現(xiàn)了高離化率等離子體束流的產(chǎn)生，進(jìn)而有效地提高了能量的轉(zhuǎn)化效率。
[0022](2)本實用新型中的空心陰極前端處在永磁體產(chǎn)生的恒定磁場中，可以避免等離子體起弧和穩(wěn)定放電過程中，空心陰極管和輔助陽極持續(xù)弧放電，從而確保本實用新型的溫度不超過規(guī)定范圍，從而使得等離子體放電功率范圍大幅度提高。
[0023](3)利用控制電源和環(huán)狀陽極板的調(diào)節(jié)，本實用新型可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)功率，從而滿足不同場合的使用要求，并且本實用新型中的等離子體束斑尺寸可以由陰極內(nèi)徑和磁場位形調(diào)節(jié)，因此應(yīng)用范圍極廣。
[0024](4)本實用新型可根據(jù)工藝的實際需求選擇樣品的擺放位置，也可以調(diào)節(jié)等離子體放電電流大小來改變等離子體參數(shù)。因而等離子體的參數(shù)可選區(qū)間也較寬廣。并且由于永磁體的存在，其不需要額外的磁場線圈來約束等離子體，因此整體結(jié)構(gòu)簡單，配備水冷通道后穩(wěn)定性增強(qiáng)，進(jìn)而可以靈活地應(yīng)用于廣泛的設(shè)備上。
[0025](5)本實用新型中的空心陰極管不僅方便更換，而且通過前后移動的調(diào)整方式，也有效提高了空心陰極管的利用率高。
[0026](6)本實用新型中，環(huán)狀陽極板與空心陰極管之間的距離可根據(jù)實際情況選擇，一般為幾十厘米，這樣可以使環(huán)狀陽極板擁有足夠的空間來對等離子體束的電子溫度、密度等參數(shù)的空間分布進(jìn)行診斷，從而方便科學(xué)研究和工藝探索。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)不意圖。
[0028]其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的名稱為:
[0029]1-密封管，2-空心陰極管，3-陰極板，4-第一絕緣板，5-輔助陽極板，6-第一水冷通道，7-絕緣管，8-永磁體，9-第二水冷通道，10-環(huán)狀陽極板，11-第三水冷通道，12-第二絕緣板，13-起弧電源，14-恒定電流源。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合【附圖說明】和實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明，本實用新型的方式包括但不僅限于以下實施例。[0031 ] 實施例
[0032]如圖1所示，本實用新型提供了一種大功率的、基于空心陰極放電的緊湊型等離子體源，其包括密封管1、空心陰極管2、陰極板3、第一絕緣板4、輔助陽極板5、絕緣管7、永磁體
8、環(huán)狀陽極板10、第三水冷通道11和控制電源。所述空心陰極管2安裝在陰極板3上，其可選用鉭管或鉭合金管，并通過螺釘鎖緊于陰極板3中心軸線上。所述密封管I與陰極板3連接，并將空心陰極管2套入其中，以實現(xiàn)對空心陰極管的密封，該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體(例如Ar、He、N2、H2等多種氣體)輸入至空心陰極管2中的氣體導(dǎo)入口。本實施例中，在使用時，空心陰極管2是從前端開始燒蝕的，因此，在空心陰極管前端燒蝕后，可以稍作處理向前調(diào)節(jié)空心陰極管繼續(xù)使用，而所述的密封管I在長度上則為空心陰極管的移動預(yù)留一定的空間余量。
[0033]此外，所述的陰極板3內(nèi)還開設(shè)有第一水冷通道6，用于通入冷卻水，以對空心陰極管進(jìn)行冷卻，防止空心陰極管因溫度過高而發(fā)生過度的燒蝕。
[0034]所述輔助陽極板5用作等離子體的弧電極，所述第一絕緣板4用于實現(xiàn)陰極板3和輔助陽極板5之間的絕緣。本實施例中，所述的第一絕緣板4采用耐高溫的絕緣材料制成。并且，所述的輔助陽極板5內(nèi)還開設(shè)有的第二水冷通道9，該第二水冷通道9靠近輔助陽極板5的底部開口，其同樣用于通入冷卻水，以防止在噴口處因等離子體溫度過高而發(fā)生燒蝕并損壞陰極板，保證長時間穩(wěn)定的等離子體放電。
[0035]所述絕緣管7設(shè)置在第一絕緣板4上，用于局部絕緣，避免等離子體起弧打火，本實施例中，該絕緣管7為環(huán)狀陶瓷管。而所述永磁體8和第三水冷通道I均設(shè)置在輔助陽極板5外部，其中，永磁體8可設(shè)置多個，并且可以根據(jù)放電情況來選擇充磁大小，一般為幾百高斯即可，并且永磁體的位置可以調(diào)節(jié)，如當(dāng)其前端面與輔助陽極的端面基本重合時，等離子體從空心陰極管中噴出后，在磁場和電場的作用下形成發(fā)散狀態(tài)，使等離子體的作用面積增大;而第三水冷通道11在通入冷卻水后，可以避免由于高溫而導(dǎo)致永磁體失去磁性。
[0036]另外，所述的輔助陽極板5上還設(shè)有第二絕緣板12，該第二絕緣板12位于輔助陽極板5和真空直線磁場裝置之間，用于本實用新型與真空直線磁場裝置之間的絕緣，確保本實用新型工作時不會對真空直線磁場裝置產(chǎn)生影響。
[0037]所述環(huán)狀陽極板10用作等離子體的工作電極，其與輔助陽極板5底部間隔一定的距離(30?50厘米)，并與空心陰極管之間形成高密度等離子體束流。環(huán)狀陽極的環(huán)狀設(shè)計可以使等離子體參數(shù)在沿著中心軸旋轉(zhuǎn)對稱。
[0038]所述控制電源包括起弧電源13和恒定電流源14，其中，起弧電源13為高頻高壓電源，其分別與陰極板3和輔助陽極板5連接，起弧電源的正負(fù)極接法沒有限制;恒定電流源14正極通與環(huán)狀陽極板10連接，負(fù)極與陰極板3連接。
[0039]本實用新型的主要工作原理為:利用氣體導(dǎo)入口經(jīng)由密封管I向空心陰極管2中通入多種氣體，此時，通過控制電源中的起弧電源13在陰極板3和輔助陽極板5之間加載一定的電壓，使氣體形成電弧放電的形式，永磁體8在空心陰極管2內(nèi)部形成穩(wěn)定的磁場。
[0040]電弧放電數(shù)秒后，開啟恒定電流源14，并關(guān)閉起弧電源13，使得空心陰極管內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，并由輔助陽極板5底部噴出，由于電場和磁場的作用，等離子體成發(fā)散狀(如圖1中的箭頭所示)到達(dá)環(huán)狀陽極板10，從而形成高離化率的等離子體束流。在這其中，由于磁場的約束，等離子體在空心陰極管內(nèi)產(chǎn)生之后形成熱壓力，并朝著陽極噴出，減弱了等離子體與周圍結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)相互作用，使得等離子體的功率可以大幅度提高。
[0041]本實用新型結(jié)構(gòu)簡單、功率大，等離子體的參數(shù)區(qū)間寬，可以應(yīng)用到更寬廣的科研和工業(yè)應(yīng)用中。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型具有實質(zhì)性的特點和進(jìn)步。
[0042]上述實施例僅為本實用新型的優(yōu)選實施方式之一，不應(yīng)當(dāng)用于限制本實用新型的保護(hù)范圍，凡在本實用新型的主體設(shè)計思想和精神上作出的毫無實質(zhì)意義的改動或潤色，其所解決的技術(shù)問題仍然與本實用新型一致的，均應(yīng)當(dāng)包含在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，包括密封管(I)、空心陰極管(2)、陰極板(3)、第一絕緣板(4)、輔助陽極板(5)、絕緣管(7)、永磁體(8)、環(huán)狀陽極板(10)、第三水冷通道(11)和控制電源，其中: 所述空心陰極管(2)安裝在陰極板(3)上并且可以前后調(diào)節(jié)移動； 所述密封管(I)與陰極板(3)連接，并將空心陰極管(2)套入其中，以實現(xiàn)對空心陰極管的密封，并為空心陰極管的移動預(yù)留余量;該密封管頂部還設(shè)有用于將氣體輸入至空心陰極管中的氣體導(dǎo)入口 ； 所述輔助陽極板(5)用作等離子體的弧電極，所述第一絕緣板(4)用于實現(xiàn)陰極板和輔助陽極板的絕緣； 所述絕緣管(7)設(shè)置在第一絕緣板(4)上，用于防止等離子體起弧打火； 所述永磁體(8)和第三水冷通道(11)均設(shè)置在輔助陽極板(5)外部； 所述環(huán)狀陽極板(10)用作等離子體的工作電極，其與輔助陽極板(5)底部間隔30?50厘米，并與空心陰極管之間形成高密度等離子體束流； 所述控制電源包括起弧電源(13)和恒定電流源(14)，其中，起弧電源(13)分別與陰極板(3)和輔助陽極板(5)連接;恒定電流源(14)正極通與環(huán)狀陽極板(10)連接，負(fù)極與陰極板(3)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，所述陰極板(3)內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以對空心陰極管進(jìn)行冷卻的第一水冷通道(6)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，所述輔助陽極板(5)內(nèi)還開設(shè)有用于通入冷卻水以防止空心陰極管發(fā)生燒蝕、并損壞陰極板的第二水冷通道(9)。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，所述輔助陽極板(5)上還設(shè)有第二絕緣板(12)。5.根據(jù)權(quán)利要求1?4任一項所述的一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，所述空心陰極管(2)為鉭管或鉭合金管，其安裝在陰極板(3)的中心軸線上，并通過螺釘鎖緊。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其特征在于，所述絕緣管(7)為環(huán)狀陶瓷管。
【文檔編號】H01J37/32GK205667006SQ201620457732
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】金偉, 王東平, 梁傳輝, 徐海燕, 劉柯釗, 阿爾特·威廉姆·柯萊恩, 芶富均
【申請人】中國工程物理研究院材料研究所