[發明專利]一種高效穩定的電弧等離子體源

在審

• 申請號: 201711439940.0
• 申請日: 2017-12-27
• 公開（公告）號: CN107995767A
• 公開（公告）日: 2018-05-04
• 發明（設計）人: 孫玄;易洪深;劉明
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: H05H1/34
• 分類號: H05H1/34
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司11251
• 代理人: 楊學明,鄧治平

技術領域

本發明屬于基礎等離子體研究領域，具體涉及一種高效穩定的電弧等離子體源。

背景技術

目前等離子體源主要有螺旋波等離子體源和氧化物陰極等離子體源。然而螺旋波等離子體源和氧化物陰極等離子體源，所產生的等離子體溫度密度低、資源利用率低、不能穩定的產生等離子體，以及產生等離子體方式不靈活等缺點；

1、螺旋波和氧化物陰極等離子體源都需要持續注氣來保證等離子體的產生，而它們的電離度又不高，這樣產生的等離子體溫度和密度都比較低，而且對于氣體和電源的能量的利用率低，造成資源的浪費；

2、螺旋波等離子體需要通過匹配器匹配才完成能量耦合，電離氣體來產生等離子體，而且隨著等離子體參數和氣體參數變化，匹配就會變化，所以能量耦合存在著一些問題，不能穩定的產生等離子體，；

3、氧化物陰極是通過加熱陰極材料產生少量的電子，然后通過加速柵來增加電子能量，被加速后的電子與中性氣體碰撞產生等離子體的，這種等離子體溫度密度低，而且引入了大量的雜質，而且加熱氧化物產生的巨大熱量也不利于物理實驗進行，此外氧化物的制備也比較繁瑣，這種方式很不靈活；

4、由于螺旋波存在能量耦合問題，而氧化物陰極也存在能量耦合問題，所以二者的能量利用率很低；

基于以上問題，在基礎等離子體物理研究和等離子體應用領域需要能量和資源利用率高、能靈活并且高效穩定的產生等離子體的等離子體源。

發明內容

本發明的目的是要克服現有的螺旋波等離子體需要持續注氣、等離子體的溫度和密度低的缺點，氧化陰極等離子體的溫度和密度低，以及引入雜質等缺點，設計一款能夠高效穩定產生等離子體參數好，且純凈的等離子體源。

本發明采用的技術方案是：一種高效穩定的電弧等離子體源，包括陽極、陽極銅環電極、內部陶瓷筒、中間陶瓷筒、外部陶瓷筒、陰極、陰極銅環電極、鉬注氣管、陰極陶瓷蓋、引入電極中間絕緣、陶瓷墊圈、能量引入壓線銅鼻、陶瓷絕緣盒、陽極陶瓷蓋和鉬墊圈，陰極和陽極共軸裝配，陰極和陽極之間用陶瓷墊圈和鉬墊圈交替疊填充，內部陶瓷筒套在墊圈外部，內部陶瓷筒兩端分別嵌入陰極和陽極的凹槽內，內部陶瓷筒外再套上中間陶瓷筒，中間陶瓷筒的兩端與陰極和陽極的內部端面相接，最后，開有裝配孔的外部陶瓷筒套在中間陶瓷筒外，兩端分別于陰極和陽極的外端面平齊，有裝配孔的陰極陶瓷蓋平鋪于陰極的外端面并與陰極共軸，有裝配孔的陽極陶瓷蓋平鋪于陽極外端面并與陽極共軸，調節陰極陶瓷蓋和陽極陶瓷蓋使它們的裝配孔與外部陶瓷筒的裝配孔共軸，使用絲桿來固定整個等離子體源。

進一步地，上述陽極銅環電極是一個內徑70mm外徑90mm的銅環，圓環中心位置均勻的開十二個沉頭螺紋孔，環的外側有兩個對稱的電極臂。

進一步地，上述陽極由金屬鉬做成，是一個圓柱的U形結構，外端面開有一個喇叭形出口，陽極外端面還開有一個內徑70mm外徑90mm，厚度3mm的環形槽，槽中間圓環內均勻的分布十二個螺紋孔，陽極銅環電極就裝配這個環形槽上。

進一步地，上述陽極銅環電極是一個內徑70mm外徑90mm的銅環，圓環中心位置均勻的開十二個沉頭螺紋孔，環的外側有一個電極臂。

進一步地，上述陰極有金屬鉬做成，其內部圓柱開喇叭口，內圓柱和外圓柱之間開有一個與內部陶瓷筒壁厚一致的固定槽口，并且整個陰極中間開一個與陰極同軸的注氣孔，在陰極外端面還開有一個內徑70mm外徑90mm，厚度3mm的環形槽，槽中間圓環內均勻的分布十二個螺紋孔，陰極銅環電極就裝配這個環形槽上。

進一步地，壓線銅鼻子是一端開有直徑8mm深15mm的孔，另外一端是一個M8的螺柱。

進一步地，陰極銅環電極和陽極銅環電極的電極臂都開有一個8mm通孔，壓線銅鼻子通過這個孔與銅環電極相連，把外部能量引入用于產生等離子體。

進一步地，上述鉬注氣管通過螺紋與陰極注氣孔相連，另外一側與外部的絕緣材質的注氣管相連，并與注氣截止閥相連，以脈沖模式把工作質氣體注入電離通道。

本發明的優點和積極效果為：

(1)本發明一種高效穩定的電弧等離子體源工作在脈沖模式下，只需要脈沖注氣，減小等離子體中的中性工作質氣體，減少工作質氣體使用量，在真空下使用時有利于提高等離子體的參數。

(2)本發明一種高效穩定的電弧等離子體源產生等離子體是使用電弧放電模式，能量利用率高，和氧化物陰極比起來不需要冷卻裝置，運行簡便、耗能少，而且等離子體中的雜質少。