[發(fā)明專(zhuān)利]帶冷卻電極的大面積均勻高密度等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210254991.7
• 申請(qǐng)日: 2012-07-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102781155A
• 公開(kāi)（公告）日: 2012-11-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小平;劉東林;謝楷;劉彥明;黎劍兵;楊敏
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安電子科技大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H05H1/24
• 分類(lèi)號(hào): H05H1/24
• 代理公司: 西安吉盛專(zhuān)利代理有限責(zé)任公司 61108
• 代理人: 張培勛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣體放電等離子體領(lǐng)域，涉及一種帶冷卻電極的大面積均勻高密度等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，可用于產(chǎn)生高密度的大面積均勻等離子體，進(jìn)行電磁波與等離子體的相互作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)。

背景技術(shù)

研究電磁波在等離子體中的傳播特性，以及等離子體與電磁波的相互作用是宇宙飛行器再入、電離層研究、等離子體隱身技術(shù)等研究工作的基礎(chǔ)和關(guān)鍵內(nèi)容。一般研究方法有計(jì)算機(jī)仿真分析和真實(shí)等離子體實(shí)驗(yàn)，而計(jì)算機(jī)仿真分析也以真實(shí)等離子體實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)。

現(xiàn)有地面產(chǎn)生等離子體的方法主要有激波管、電弧風(fēng)洞、等離子體噴焰和輝光放電等方法，它們都存在著以下難以克服的缺點(diǎn)：

1、激波管產(chǎn)生的等離子體電子密度高，但是產(chǎn)生時(shí)間很短，實(shí)驗(yàn)難以重復(fù)。

2、電弧風(fēng)洞和等離子體噴焰產(chǎn)生的等離子體溫度，對(duì)天線(xiàn)有高溫?zé)g，且等離子體中含有金屬離子，引起電磁波傳輸實(shí)驗(yàn)誤差。

3、激波管、電弧風(fēng)洞、等離子體噴焰產(chǎn)生的等離子體電子密度以及分布難以控制。

4、利用輝光放電產(chǎn)生等離子體用于研究其對(duì)電磁波影響研究的主要方法是ICP放電法，但由于ICP放電產(chǎn)生的等離子體中存在高頻調(diào)制，而且是磁化等離子體，這會(huì)引起電磁波傳輸實(shí)驗(yàn)誤差，且ICP放電其電極存在于等離子體之中，這也會(huì)引起電磁波傳輸實(shí)驗(yàn)誤差。

專(zhuān)利文獻(xiàn)《大面積均勻非磁化等離子體產(chǎn)生裝置及方法》（公開(kāi)號(hào)：102361531A）中提出了一種大面積均勻非磁化等離子體的產(chǎn)生裝置及方法，它采用內(nèi)置環(huán)形網(wǎng)狀電極與金屬外壁之間產(chǎn)生等離子體，再利用低氣壓下電子的平均自由程比較長(zhǎng)的特點(diǎn)，電子通過(guò)電極網(wǎng)孔擴(kuò)散到電極內(nèi)部，從而產(chǎn)生了通透的大面積均勻等離子體。它克服了上述技術(shù)中等離子體存在時(shí)間短、可重復(fù)性差、實(shí)驗(yàn)環(huán)境惡劣、電子密度分布難以控制、電波傳播途徑存在金屬阻擋等缺點(diǎn)，但是由于等離子體的電子密度大小與放電功率有關(guān)，在提高放電功率和提高電子密度的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱量的增大，尤其是在低氣壓下，由于空氣稀薄，熱傳導(dǎo)過(guò)程大大降低，內(nèi)置電極只能通過(guò)輻射的方式向外散熱，熱量的積累將會(huì)使內(nèi)置電極的溫度迅速升高，導(dǎo)致以下兩個(gè)問(wèn)題：

1、電極融化，金屬粒子進(jìn)入真空腔室，污染等離子體；

2、電極溫度升高后，熱電子發(fā)射加劇，使輝光放電的穩(wěn)定性變差，并最終發(fā)展為弧光放電。

由于存在以上的限制因素，現(xiàn)有的大面積均勻非磁化等離子體產(chǎn)生裝置可注入的最大功率比較低，電子密度無(wú)法提高。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述已有技術(shù)的不足，提供一種帶冷卻電極的大面積均勻高密度等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，以便能注入大功率，產(chǎn)生高密度的大面積均勻非磁化等離子體，進(jìn)行電磁波與等離子體的相互作用機(jī)理實(shí)驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：帶冷卻電極的大面積均勻高密度等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)，其特征是：包括等離子體產(chǎn)生腔體、電源、冷卻系統(tǒng)和真空裝置，真空裝置用于對(duì)等離子體產(chǎn)生腔體進(jìn)行抽氣和充氣，調(diào)整腔體內(nèi)氣壓和氣體組分；電源用于對(duì)等離子體產(chǎn)生腔體內(nèi)的氣體做功，產(chǎn)生等離子體，冷卻系統(tǒng)用于對(duì)等離子體產(chǎn)生腔體內(nèi)的高壓電極進(jìn)行冷卻。

所述的等離子體產(chǎn)生腔體包括：圓柱形殼體、進(jìn)氣孔、抽氣孔、電極通孔、高壓電極、絕緣支柱；高壓電極與電源的高壓輸出端連接；高壓電極為空心金屬螺旋管，空心金屬螺旋管，材料為銅，外表面鍍有鉻層；高壓電極內(nèi)部通有冷卻介質(zhì)硅油，高壓電極與圓柱形殼體同軸放置，通過(guò)絕緣支柱固定于圓柱形殼體內(nèi)壁，與內(nèi)壁間距為2~5cm。

所述的進(jìn)氣孔和抽氣孔分別位于圓柱形殼體環(huán)形外壁相對(duì)的兩側(cè)，進(jìn)氣孔和抽氣孔通過(guò)管子與真空裝置連接；過(guò)真空裝置對(duì)等離子體產(chǎn)生腔體抽氣和充氣；抽氣孔連接到真空裝置的真空泵，進(jìn)氣孔通過(guò)針閥連接到氣罐。

所述的電極通孔是高壓電極空心金屬螺旋管的兩個(gè)端口伸出到圓柱形殼體外側(cè)的通孔。

所述的絕緣支柱有多道溝槽，其間距與高壓電極空心金屬螺旋管間距相同，該高壓電極的空心金屬螺旋管可以卡到絕緣支柱的溝槽內(nèi)實(shí)現(xiàn)固定。

所述的冷卻系統(tǒng)包括：泵、過(guò)濾器、冷卻管、儲(chǔ)油罐、壓力表、進(jìn)油溫度表、出油溫度表、出油管和進(jìn)油管，其中出油管和進(jìn)油管為絕緣硅膠管，用于隔離高壓；所述的泵、過(guò)濾器、冷卻管和儲(chǔ)油罐通過(guò)導(dǎo)管與高壓電極空心金屬螺旋管連接，構(gòu)成封閉回路。

所述的冷卻系統(tǒng)工作時(shí)，首先向儲(chǔ)油罐里填充液體冷卻介質(zhì)，然后泵將冷卻介質(zhì)依次壓入高壓電極、過(guò)濾器、冷卻管中，最后回流到儲(chǔ)油罐中。

所述的過(guò)濾器用于將管道中的雜質(zhì)過(guò)濾掉，冷卻管用于對(duì)冷卻介質(zhì)進(jìn)行降溫。