[實用新型]一種基于熱電子發射陰極的等離子體發生裝置

有效

• 申請號: 201720715815.7
• 申請日: 2017-06-20
• 公開（公告）號: CN207083268U
• 公開（公告）日: 2018-03-09
• 發明（設計）人: 張明;王鵬宇;李傳;楊勇
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H05H1/34
• 分類號: H05H1/34
• 代理公司: 華中科技大學專利中心42201
• 代理人: 張建偉,曹葆青

技術領域

本實用新型屬于一種等離子體發生裝置，具體涉及一種基于熱電子發射陰極的等離子體發生裝置。

背景技術

目前，對于現有低溫等離子體發生裝置主要基于電子束輻射、輝光放電、電暈放電、介質阻擋放電、射頻放電、滑動電弧放電和射流放電等幾種原理。其中電子束輻射設備結構復雜，成本高；輝光放電受低氣壓的限制，工業應用難于連續化生產且成本高昂；電暈放電和介質阻擋放電裝置對電壓等級要求較高，等離子體產生過程中，有較高濃度的副產物臭氧和氧化氮等生成，此外電暈放電裝置難以產生某單一帶電等離子體；射頻放電裝置在放電過程中同樣有副產物產生等問題，而滑動電弧和射流放電都是靠擊穿電極中較少的空氣產生等離子體，作用范圍較小。

發明內容

針對上述問題，本實用新型提出一種基于熱電子發射陰極的等離子體發生裝置，用于產生高密度等離體射流，克服現有技術存在的結構復雜、效率低、存在臭氧副產物問題。

本實用新型提出的一種基于熱電子發射陰極的等離子體發生裝置，包括加熱單元、等離子體發生單元和供氣單元組成，其中：

所述加熱單元包括電熱件、高溫絕緣套管、絕緣隔熱組件、接線端子和電源；所述電熱件安裝在高溫絕緣套管內，兩端通過絕緣隔熱組件的兩根接線端子接電源輸出端；所述高溫絕緣套管為筒狀結構，其一側封閉，另一側與絕緣隔熱組件固定連接，將電熱件包含在內，構成一個密封加熱空間；通過調節所述電源輸出電壓，能改變電熱件發熱功率，控制高溫絕緣套管表面溫度；

所述等離子體發生單元包括熱電子發射陰極、陽極筒和高壓電源；所述陽極筒為整體接地的圓筒狀結構，同軸設在電子發射陰極外部；陽極筒一端開設有噴嘴，用于噴射等離子體，另一端固定在絕緣隔熱組件上；所述熱電子發射陰極為筒狀結構，貼附安裝在高溫絕緣套管外表面，以接受其發出的熱量；熱電子發射陰極開口一端固定在所述絕緣隔熱組件上；所述熱電子發射陰極與所述高溫絕緣套管同軸設置，用于發射電子；所述高壓電源輸出高壓端作高壓極通過高壓接線端子與所述熱電子發射陰極相連，高壓電源輸出另一端作為地極接地；

所述高壓電源輸出電壓可調節，用于改變熱電子發射陰極工作電壓，控制等離子體發生密度；

所述供氣單元包含高壓氣罐，其通過氣管穿過所述絕緣隔熱組件與陽極筒和熱電子發射陰極構成的腔體相通，用于向熱電子發射陰極和陽極筒構成的放電空間提供工作氣氛；

工作時，經過電熱件加熱，熱電子發射陰極在高壓作用下發射電子，產生等離子體，并在供氣單元產生的氣流作用下，形成等離子體射流，從所述噴嘴噴射。

優選地，所述電熱件為呈U形的電熱絲，其材料為鎳鉻合金或者鎢，線徑0.5mm～5mm，呈螺旋狀安裝在高溫絕緣套管內，所提供溫度不低于1500℃；通過調節所述電源輸出電壓，調節電熱件發熱功率，可控制高溫絕緣套管表面溫度；

優選地，所述高溫絕緣套管長度2～50cm，筒外徑1～5cm，采用包括石英管或剛玉管在內的耐高溫絕緣材料制作；

優選地，所述熱電子發射陰極采用含有質量分數為2.2％的La₂O₃或Y₂O₃或 Ce₂O₃的包括稀土鎢和稀土鉬在內的熱電子發射材料制作，筒內徑1～5cm，筒厚1～5mm，筒長2～50cm。

優選地，所述高壓電源額定工作功率5～20kW，輸出電壓為0～20kV連續可調，輸出為直流電；

優選地，所述高壓氣罐所儲氣體為包括Ar惰性氣體或CO₂在內的還原性非可燃性氣體，容積為30L～300L，工作壓力為0.1MPa～0.7MPa。

優選地，所述供氣單元的氣路設有氣壓表，用于監測高壓氣罐氣壓；

優選地，所述絕緣隔熱組件開設有多個通氣孔，供氣單元氣管分多路均勻排列方式，通過各通氣孔與陽極筒和熱電子發射陰極構成的腔體相通。

本實用新型提供的基于熱電子發射陰極的等離子體發生裝置，具有以下優點：

(1)電子密度高。稀土鎢熱電子發射材料具有良好的電子發射特性，零場發射電流密度較高，采用此種材料作為陰極，能夠在較低的電壓和某一工作溫度下產生高密度的等離子體。

(2)無臭氧等副產物。相比于以往的低溫等離子發生裝置，本實用新型采用的熱電子發射陰極工作時，不通過擊穿空氣產生等離子體就能夠向外界發射單一電子，因此無臭氧等副產物生成。