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；該密封管頂部還設有氣體導入口；第一絕緣板用于實現陰極板和輔助陽極板的絕緣；絕緣管設置在第一絕緣板上；永磁體和第三水冷通道均設置在輔助陽極板外部；環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、輔助陽極板和環狀陽極板連接。本實用新型結構簡單、功率大，等離子體的參數區間寬，可以應用到更寬廣的科研和工業應用中。
【專利說明】
一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置
技術領域
[0001]本實用新型涉及低溫等離子體技術領域，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】
[0002]目前，在工業和科研應用領域，低溫等離子體技術在材料表面處理、冶金、輔助燃燒等方面發揮了巨大的作用以及良好的應用前景。在實際應用過程中需要根據工藝參數和應用工環境的不同，選擇合適的等離子體源。然而，在現有的等離子體應用中，由于限定于特定的等離子體產生原理、處理對象的尺寸和結構特點，導致了其裝置普遍較復雜，并且只能對單一的樣品進行處理。因此，這樣的等離子體裝置擴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”公開的技術方案，則是利用多個同心圓環狀的空心陰極放電，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節等離子體的密度。但其對電源功率的需求很大，裝置結構車父復雜。
[0004]此外，對于很多空心陰極放電裝置而言，由于受到熱效應的影響，等離子體放電一般處在輝光放電區間，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。
【實用新型內容】
[0005]針對上述現有技術的不足，本實用新型提供了一種緊湊型大功率空心陰極放電裝置，其可以產生高離化率的等離子體束流，并提高能量轉化效率。
[0006]為實現上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[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節移動；
[0009]所述密封管與陰極板連接，并將空心陰極管套入其中，以實現對空心陰極管的密封，并為空心陰極管的移動預留余量;該密封管頂部還設有用于將氣體輸入至空心陰極管中的氣體導入口 ；
[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陰極板和輔助陽極板的絕緣；
[0011 ]所述絕緣管設置在第一絕緣板上，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置在輔助陽極板外部；
[0013]所述環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狀陽極板連接，負極與陰極板連接。
[0015]進一步地，所述陰極板內還開設有用于通入冷卻水以對空心陰極管進行冷卻的第一水冷通道。
[0016]再進一步地，所述輔助陽極板內還開設有用于通入冷卻水以防止空心陰極管發生燒蝕、并損壞陰極板的第二水冷通道。
[0017]更進一步地，所述輔助陽極板上還設有第二絕緣板。
[0018]作為優選，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]作為優選，所述絕緣管為環狀陶瓷管。
[0020]與現有技術相比，本實用新型具有以下有益效果:
[0021](I)本實用新型設計合理、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、環狀陽極板的設置，可以滿足多種氣體的使用，并實現了高離化率等離子體束流的產生，進而有效地提高了能量的轉化效率。
[0022](2)本實用新型中的空心陰極前端處在永磁體產生的恒定磁場中，可以避免等離子體起弧和穩定放電過程中，空心陰極管和輔助陽極持續弧放電，從而確保本實用新型的溫度不超過規定范圍，從而使得等離子體放電功率范圍大幅度提高。
[0023](3)利用控制電源和環狀陽極板的調節，本實用新型可以在很大范圍內調節功率，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徑和磁場位形調節，因此應用范圍極廣。
[0024](4)本實用新型可根據工藝的實際需求選擇樣品的擺放位置，也可以調節等離子體放電電流大小來改變等離子體參數。因而等離子體的參數可選區間也較寬廣。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，因此整體結構簡單，配備水冷通道后穩定性增強，進而可以靈活地應用于廣泛的設備上。
[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，環狀陽極板與空心陰極管之間的距離可根據實際情況選擇，一般為幾十厘米，這樣可以使環狀陽極板擁有足夠的空間來對等離子體束的電子溫度、密度等參數的空間分布進行診斷，從而方便科學研究和工藝探索。
【附圖說明】
[0027]圖1為本實用新型的結構不意圖。
[0028]其中，附圖標記對應的名稱為:
[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]下面結合【附圖說明】和實施例對本實用新型作進一步說明，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，以實現對空心陰極管的密封，該密封管頂部還設有用于將氣體(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節空心陰極管繼續使用，而所述的密封管I在長度上則為空心陰極管的移動預留一定的空間余量。
[0033]此外，所述的陰極板3內還開設有第一水冷通道6，用于通入冷卻水，以對空心陰極管進行冷卻，防止空心陰極管因溫度過高而發生過度的燒蝕。
[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內還開設有的第二水冷通道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生燒蝕并損壞陰極板，保證長時間穩定的等離子體放電。
[0035]所述絕緣管7設置在第一絕緣板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為環狀陶瓷管。而所述永磁體8和第三水冷通道I均設置在輔助陽極板5外部，其中，永磁體8可設置多個，并且可以根據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節，如當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散狀態，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致永磁體失去磁性。
[0036]另外，所述的輔助陽極板5上還設有第二絕緣板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生影響。
[0037]所述環狀陽極板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。環狀陽極的環狀設計可以使等離子體參數在沿著中心軸旋轉對稱。
[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，起弧電源的正負極接法沒有限制;恒定電流源14正極通與環狀陽極板10連接，負極與陰極板3連接。
[0039]本實用新型的主要工作原理為:利用氣體導入口經由密封管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內部形成穩定的磁場。
[0040]電弧放電數秒后，開啟恒定電流源14，并關閉起弧電源13，使得空心陰極管內產生穩定的等離子體，并由輔助陽極板5底部噴出，由于電場和磁場的作用，等離子體成發散狀(如圖1中的箭頭所示)到達環狀陽極板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產生之后形成熱壓力，并朝著陽極噴出，減弱了等離子體與周圍結構件的強相互作用，使得等離子體的功率可以大幅度提高。
[0041]本實用新型結構簡單、功率大，等離子體的參數區間寬，可以應用到更寬廣的科研和工業應用中。因此，與現有技術相比，本實用新型具有實質性的特點和進步。
[0042]上述實施例僅為本實用新型的優選實施方式之一，不應當用于限制本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的主體設計思想和精神上作出的毫無實質意義的改動或潤色，其所解決的技術問題仍然與本實用新型一致的，均應當包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
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)上并且可以前后調節移動； 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，以實現對空心陰極管的密封，并為空心陰極管的移動預留余量;該密封管頂部還設有用于將氣體輸入至空心陰極管中的氣體導入口 ； 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)用于實現陰極板和輔助陽極板的絕緣； 所述絕緣管(7)設置在第一絕緣板(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)均設置在輔助陽極板(5)外部； 所述環狀陽極板(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)正極通與環狀陽極板(10)連接，負極與陰極板(3)連接。2.根據權利要求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)內還開設有用于通入冷卻水以對空心陰極管進行冷卻的第一水冷通道(6)。3.根據權利要求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)內還開設有用于通入冷卻水以防止空心陰極管發生燒蝕、并損壞陰極板的第二水冷通道(9)。4.根據權利要求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)上還設有第二絕緣板(12)。5.根據權利要求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.根據權利要求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