專利名稱：一種等離子體產(chǎn)生裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明型涉及等離子體領域，特別涉及一種等離子體產(chǎn)生裝置。
背景技術：
等離子體技術現(xiàn)在已經(jīng)應用于如材料、電子、環(huán)保、醫(yī)學、軍事等許多領域，其中很多方向都要求有大范圍，高密度的等離子體。因此，如何提高這些參數(shù)也就是等離子體產(chǎn)生技術的研究所關注的了。 直流放電是最早也是最簡單的產(chǎn)生等離子體的方式。如圖1，電極2為陰極，電極
3為陽極，都位于真空腔體4之中。在一定的真空條件下施加一定的直流電壓會使氣體中隨
機出現(xiàn)的帶電粒子獲加速而獲得能量，被加速的帶電粒子碰撞中性的氣體分子可以使氣體
分子電離生成更多的帶電粒子。新的帶電粒子又會在電壓的作用下獲得能量而電離其它的
氣體分子。這樣循環(huán)下去，就能在2，3之間發(fā)生放電。這種模式下，當放電穩(wěn)定的時候電壓
位降會主要集中在陰極附近，所以陽離子體會在陰極電壓的作用下高速撞擊陰極而發(fā)射出
二次電子，二次電子向陽極運動，同時就會電離沿途的氣體，使其變?yōu)榈入x子體l。 但是在這種放電方式中，由于兩電極平板相對，被撞出的二次電子直接就向陽極
運動，新生成的陽離子往往離陰極比較遠，需運動到陰極才能補充之前損失的陽離子，所以
陽離子發(fā)生二次電子碰撞頻率也就比較低。因此，這種方式產(chǎn)生的等離子體密度比較低，一
般在1(Tcm—3左右。 為增加等離子體的密度，人們發(fā)展了傳統(tǒng)的空心陰極，其一般結構如圖2。空心陰極6與陽極7之間能放電生成等離子體5。這種結構情況下，被陽離子撞擊出的二次電子會在陰極內(nèi)發(fā)生多次反射，能直接在陰極內(nèi)部電離其中的氣體分子使更多的陽離子能碰撞陰極壁發(fā)射出二次電子，從而使等離子體的密度能大大提高。 這種方案也就如圖2所示，所產(chǎn)生的等離子體的密度得到了提高，能達到10"cm一3以上。但是為了提高空心陰極的效應，必須把空心陰極制作得非常深，這樣所產(chǎn)生的等離子體大都空心陰極給束縛住了。因此它產(chǎn)生的高密度等離子體大都只處于空心陰極的內(nèi)部，不能在外部大范圍存在，這對于材料表面改性來說就很不適用了 。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明提供了一種等離子體產(chǎn)生裝置，采用磁約束線形空心陰極放電方式產(chǎn)生高密度大面積的等離子體片。 為了達到上述目的，本發(fā)明提供的一種等離子體產(chǎn)生裝置，包括一外殼12、一與外殼12同軸放置的亥姆霍茲線圈11、一位于外殼12內(nèi)的陰極9及一位于外殼12內(nèi)、與陰極9相對的陽極10，外殼12內(nèi)部為真空腔體。 其中，所述陰極9采用沿軸向開口的空心金屬管結構，即所述空心金屬管軸向不
閉合；所述開口方向與陽極10相對，陰極9與陽極10平行設置。 其中，陰極9的開口尺寸為所述空心金屬管的內(nèi)壁直徑的0. 8 0. 95倍。
3
其中，所述陰極9內(nèi)壁及所述陽極10表面做拋光處理，以免出現(xiàn)火花放電；所述陰
極9外壁做高壓絕緣處理。 其中，所述陽極10采用平板結構，可以是圓形、方形或多邊形。
其中，所述外殼12采用普通玻璃，有機玻璃或聚碳酸酯材料制得。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 1.本發(fā)明提供的等離子體產(chǎn)生裝置采用的磁約束空心陰極方式能使等離子體密度能大大提升。如圖4所示，被陽離子撞擊側面陰極壁所產(chǎn)生的二次電子運動方向垂直于磁場方向，會在磁場的作用下作圓周運動。當運動回陰極時會被陰極鞘層電壓反射回，所以其軌跡就會是如圖所示的一個個半圓連接起來的形狀。在陰極內(nèi)的運動路線變長使電子電離中性氣體的概率變大，因而能大大增加陰極內(nèi)陽離子數(shù)，使陽離子碰撞陰極壁的頻數(shù)大大增加。而正對陽極的陰極壁射出的二次電子運動方向和磁場一致，會在磁場的引導下向陽極運動，同時使沿途的氣體分子電離成等離子體。由于側壁發(fā)射的電子大大增加了陰極內(nèi)陽離子數(shù)，所以發(fā)射的電子密度也就大大增加了，同時磁場又限制了帶電粒子的擴散，因而能生成更高密度的等離子體。這種技術生成的等離子體密度能有1012cm—3以上。
2.本發(fā)明提供的等離子體產(chǎn)生裝置采用的淺的空心陰極結構能在陰陽極間大范圍生成等離子體。如圖5、6、7所示的空心陰極結構，開口的寬度略大于空心的深度。陰極內(nèi)產(chǎn)生的高密度電子不會被陰極束縛在內(nèi)部，而能在磁場的引導下向陽極運動，使陰極外也能產(chǎn)生高密度的等離子體。用這種方法產(chǎn)生的等離子體尺寸可調(diào)范圍很大，既可以生成直徑小于①2cm的等離子體柱，也可以生成60cmX60cm以上厚度為2cm左右的等離子體片。并且還可以根據(jù)需要改變等離子體片的形狀成為弧形，環(huán)形等。 3.本發(fā)明提供的等離子體產(chǎn)生裝置，其外殼用的是普通玻璃，有機玻璃或聚碳酸酯等介質(zhì)材料，因而對于電磁場的引入不會造成影響，所以在研究等離子體與電磁波的相互作用時有明顯優(yōu)勢。透明的外殼在進行材料表面處理的時候能很好地進行光學測量。


圖1是傳統(tǒng)直流放電等離子體裝置示意圖； 圖2是傳統(tǒng)空心陰極放電等離子體裝置示意圖； 圖3是本發(fā)明等離子體產(chǎn)生裝置主視圖； 圖4是本發(fā)明陰極工作原理示意圖； 圖5是本發(fā)明陰極主視剖面圖； 圖6是本發(fā)明陰極側視圖； 圖7是本發(fā)明陰極俯視圖； 圖8是本發(fā)明陽極主視圖； 圖9是本發(fā)明陽極側視圖。
具體實施例方式
本實施例等離子體產(chǎn)生裝置結構如圖3所示，主體部件由柱形的外殼12，亥姆霍茲線圈對11，線狀空心電極9，圓形陽極10構成。亥姆霍茲線圈11與外殼12同軸放置，空心電極9的開口與陽極10相對，陰極9與陽極10平行設置，電極的中心也處于外殼的軸心位置，外殼12內(nèi)部為真空腔體。 空心陰極的工作原理如圖4所示，其結構如圖5至圖7所示，在金屬圓管的一側拉一比圓管直徑稍小的開口，開口寬度的尺寸為空心金屬管的內(nèi)壁直徑的0.8 0. 95倍，在起作用的陰極內(nèi)壁要進行相應的拋光處理，以免出現(xiàn)火花放電。而不需要起作用的外壁需要進行高壓絕緣。 陽極的結構如圖8、9所示，其上表面也要進行拋光處理。 亥姆霍茲線圈對11中通上恒流電流，就能在真空腔12內(nèi)產(chǎn)生均勻的磁場。在一定的磁場強度與真空條件下，于上下電極間加2000V以上的直流電壓，就能夠產(chǎn)生高密度大面積的等離子體片13。上面的條狀空心電極9要接電源的陰極，下面的圓板電極10接電源的陽極，一般放電的時候為了安全起見，常讓陽極接地。 等離子體中的陽離子受電場的作用撞擊陰極壁會發(fā)射二次電子，而空心結構既可以使陽離子與陰極的碰撞次數(shù)增大提高發(fā)射二次電子的機率，也會束縛等離子體使碰撞陰極壁的離子數(shù)目增加，因而能大大提高二次電子的密度。 亥姆霍茲線圈ll所產(chǎn)生的磁場方向與電極間電場方向一致，所以陰極發(fā)射出的二次電子會在磁場的約束下沿磁場線向陽極做螺旋運動，這同時會電離所經(jīng)過的氣體生成等離子體。 該方案中的外殼用的是普通玻璃或有機玻璃等介質(zhì)材料，因而對于電磁場的引入不會造成影響，因而在研究等離子體與電磁波的相互作用時有明顯優(yōu)勢。透明的外殼在進行材料表面處理的時候能很好地進行光學測量。
權利要求
一種等離子體產(chǎn)生裝置，包括一外殼(12)、一與外殼(12)同軸放置的亥姆霍茲線圈(11)、一位于外殼(12)內(nèi)的陰極(9)及一位于外殼(12)內(nèi)、與陰極(9)相對的陽極(10)；所述陽極(10)是平板電極；所述外殼(12)內(nèi)部為真空腔體；其特征在于，所述陰極(9)采用沿軸向開口的空心金屬管結構，所述開口方向與陽極(10)相對；所述陰極(1)與陽極(2)平行設置。
2. 根據(jù)權利要求l所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述陰極(9)的開口寬度的尺寸為所述空心金屬管的內(nèi)壁直徑的0. 8 0. 95倍。
3. 根據(jù)權利要求1所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述陰極(9)內(nèi)壁做拋光處理，所述陰極(9)外壁做高壓絕緣處理。
4. 根據(jù)權利要求l所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述陽極(2)的形狀為圓形、方形或多邊形。
5. 根據(jù)權利要求l所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述陽極(10)表面做拋光處理。
6. 根據(jù)權利要求l所述的等離子體產(chǎn)生裝置，其特征在于，所述外殼(12)采用普通玻璃、有機玻璃材料或碳酸酯材料制得。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種等離子體產(chǎn)生裝置，包括外殼(12)、外殼(12)內(nèi)部為真空腔體、與外殼(12)同軸放置的亥姆霍茲線圈(11)、位于外殼(12)內(nèi)的陰極(9)及位于外殼(12)內(nèi)、與陰極(9)相對的陽極(10)；陰極(9)采用沿軸向開口的空心金屬管結構，其開口方向與陽極(10)相對，陰極(9)與陽極(10)平行設置。本裝置采用磁約束線形空心陰極放電方式產(chǎn)生高密度大面積的等離子體片，具有空心陰極增強等離子體密度的作用，使陰陽電極間形成均勻的、密度在1012cm-3以上、幾何尺寸在60cm×60cm以上、厚度維持在2cm左右的等離子體片(13)。大面積高密度的等離子體在材料表面處理，等離子體與電磁波相互作用的研究等方面有巨大優(yōu)勢。
文檔編號H05H1/50GK101772253SQ20081022478
公開日2010年7月7日 申請日期2008年12月26日 優(yōu)先權日2008年12月26日
發(fā)明者丁亮, 吳逢時, 孫海龍, 孫簡, 徐躍民, 王之江, 程芝峰 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心