[發明專利]雙空心陰極以及雙空心陰極等離子體裝置和應用

有效

• 申請號: 201110386985.2
• 申請日: 2011-11-29
• 公開（公告）號: CN102497721A
• 公開（公告）日: 2012-06-13
• 發明（設計）人: 付東坡;趙渭江;朱昆;郭鵬;丁杏芳;劉克新
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: H05H1/34
• 分類號: H05H1/34
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理事務所(普通合伙) 11360
• 代理人: 蘇愛華

技術領域

本發明屬于核技術及應用領域，具體涉及一種磁鏡場約束的雙空心陰極等離子體裝置及其應用。

背景技術

等離子體技術與應用是20世紀60年代以來，在物理學、化學、電子學、真空技術等學科交叉基礎上形成的一門新興學科。低溫等離子體技術的發展與應用，如注入、鍍膜等表面處理，已在半導體工業、機械工業等顯示其重要價值；各種等離子體裝置也是推進離子源、離子束技術進步的主要技術支撐。就金屬等離子體裝置而言，金屬真空弧放電(MEVVA)可以產生高密度大容積金屬等離子體，但其電極表面弧放電過程決定了所產生的金屬等離子體中包含很多尺寸在0.1～10μm的大顆粒，這些大顆粒在許多應用中是不允許的，需要通過磁過濾等方法甩掉，但這是以大大降低可用離子流強度為沉重代價，因此也降低了獲得所需離子的效率。雙空心陰極金屬離子源DUHOCAMIS(Dual?Hollow?Cathode?Ion?Source?for?Metal?Ion?Beam)采用雙空心陰極等離子體濺射模式能夠高效地產生高密度金屬等離子體，其中雙空心陰極為單層的管狀結構，如圖1所示。由于DUHOCAMIS只是以產生單元素金屬離子束為目的，作為離子源的等離子體放電室，其容積小且功能單一，不具備等離子體裝置多用途的條件。因此，迫切需要發展新的金屬等離子體裝置。

另一方面，由于能源危機，全球許多國家投入了大量的人力物力用于發展新能源的研究。磁約束核聚變被認為是最為理想的新能源技術之一。但磁約束聚變能的實現還面臨諸多問題，其中有一個必須研究解決的關鍵性問題是等離子體對其器壁的損傷作用。目前國際上研究等離子體與器壁之間相互作用的實驗方法，主要有建造直線等離子體發生裝置的方法、利用低能離子束轟擊靶材料的方法，以及利用托卡馬克裝置器壁表面直接進行研究。由于等離子體與器壁之間相互作用的復雜性，使得這些研究設備比較龐大并且研究周期長。所以，同樣迫切需要建立相對簡單高效的實驗方法與裝置。

發明內容

針對以上提出的現有技術中急需解決的問題，提出本發明。

本發明的一個目的在于提供一種雙空心陰極。

本發明的雙空心陰極包括外壁和內襯層，為雙層結構，外壁和內襯層緊密貼合套裝在一起成筒型結構。

雙空心陰極中的外壁為由對稱的左外壁和右外壁組成的筒型結構，以及內襯層為由對稱的左內襯層和右內襯層組成的筒型結構。雙空心陰極的橫截面可為跑道形或其他具有平面對稱的結構。外壁的左外壁和右外壁由螺絲等緊固件固定，同時緊固件將內襯層緊固在外壁內。外壁可用耐高溫且導電導熱性能良好的金屬材料制作，并且在左外壁中設置有冷卻水槽，其內部可通冷卻水，用于冷卻陰極。內襯層的左內襯層和右內襯層可由相同或不同的金屬材料制作。雙空心陰極的高度h與雙空心陰極的內徑d之比h/d≥3。

本發明的另一個目的在于提供一種磁鏡場約束的雙空心陰極等離子體裝置。

本發明的裝置包括燈絲、熱陰極、陽極、雙空心陰極、冷陰極、真空室以及磁鐵，其中，雙空心陰極包括外壁和內襯層，為雙層結構，外壁和內襯層緊密貼合套裝在一起成筒型結構。

本發明的又一個目的在于提供雙空心陰極的用于金屬等離子體輻照材料表面改性或形成離子束的應用以及用于磁約束核聚變中的等離子體與器壁之間相互作用的應用。

本發明的優點：

本發明的一種磁鏡場約束的雙空心陰極等離子體裝置中，由外壁和內襯層構成的雙層空心陰極，便于拆卸、更換內襯層從而適合對內襯層進行的觀測分析，也滿足放電室濺射陰極產生單一或多種金屬等離子體的需要。該裝置采用在磁鏡場操縱下的雙空心陰極等離子體濺射模式，能夠高效率產生單一金屬或多元金屬的高密度高穩定等離子體和等離子體流，可以用于金屬等離子體輻照材料表面改性和形成高純高流金屬離子束的研究；另一方面，結合各種表面分析技術對雙空心陰極內表面的觀測與分析，適合用于關于磁約束核聚變中的等離子體與器壁之間相互作用的研究。

附圖說明

圖1為現有技術中的雙空心陰極的剖面圖；

圖2為本發明的磁鏡場約束的雙空心陰極等離子體裝置的放電室和磁鏡場的示意圖；

圖3為本發明的裝置的雙空心陰極過其中心軸線的剖面圖；

圖4為無等離子體輸出口的雙空心陰極沿圖3中A-B線的剖面圖；

圖5為有等離子體輸出口的雙空心陰極沿圖3中A-B線的剖面圖；

圖6為本發明的裝置的整體結構的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖，通過實施例，進一步闡述本發明。