[實用新型]一種具有冷卻功能的螺旋波等離子體源穩態放電裝置

有效

• 申請號: 202220748811.X
• 申請日: 2022-04-02
• 公開（公告）號: CN216894762U
• 公開（公告）日: 2022-07-05
• 發明（設計）人: 盧智康;徐國盛;葉孜崇
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: F03H1/00
• 分類號: F03H1/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 李曉莉

本實用新型公開了一種具有冷卻功能的螺旋波等離子體源穩態放電裝置，包括由首端面板、首段腔體、中段腔體、尾段腔體、尾端面板依次密封連接形成的冷卻腔體和螺旋波等離子體源。螺旋波等離子體源包括貫穿冷卻腔體的放電室，嵌套于中、尾段腔體內部的環形永磁鐵，位于冷卻腔體內部且環繞、緊貼放電室外壁的天線和連通射頻電源與天線且貫穿首端面板的電極棒。冷卻液進、出口設置在冷卻腔體的首端面板外表面，并與冷卻腔體連通。本實用新型有效降低了螺旋波等離子體源在千瓦級功率運行時天線的溫度，有效降低冷卻腔體內部溫度對環形永磁鐵磁場的影響，實現了千瓦級螺旋波等離子體裝置長時間穩態放電，并展示了永磁鐵應用于大功率螺旋波等離子體源的可能性。

技術領域

本實用新型涉及低溫等離子體源應用領域，具體涉及一種具有冷卻功能的螺旋波等離子體源穩態放電裝置。

背景技術

一種可以在穩定狀態下高效運行的高密度、高電離率、緊湊型螺旋波等離子體源，是等離子研究和應用的有力裝置。幾十年來，研究人員在裝置的尺寸、磁場位型和強度以及中性氣體壓力等廣泛參數上對螺旋波等離子體進行了深入研究。由于螺旋波等離子體源可以產生高密度(電子密度高達10²⁰m^-3)、低溫(電子溫度從幾個eV到十幾個eV)、高電離率(電離度超過70％)、低中性氣壓(壓力范圍從0.1到幾Pa)和低射頻功率(輸入射頻功率小于幾千瓦)，螺旋波等離子體源是等離子體研究的潛在候選者，作為等離子源可用于半導體制造(等離子體刻蝕)、氣體激光器、構建磁約束核聚變中偏濾器等離子體環境、等離子加速器和航天中人造衛星深空探測的等離子體電推進器，也可作為基礎等離子物理中湍流等的物理研究平臺。

該螺旋波等離子體源裝置是無電極射頻等離子體源裝置，是利用射頻電源激勵處于外加磁場的天線來電離中性氣體產生等離子體。無電極放電相對于有電極等離子體放電不必考慮等離子體對電極的燒蝕，能夠長時間的運行，這一點對于長時間執行深空探測的等離子體電推進器有著重要的作用。

目前功率近千瓦的螺旋波等離子體源包括水冷電磁線圈一般體積都比較龐大。為了使千瓦級功率的等離子體源的尺寸小型化更加適合工程應用需求，大功率的螺旋波等離子體源可以不再采用需要額外電源且結構復雜的水冷電磁線圈來提供所需的外加磁場，而利用釹鐵硼材料制成的環形永磁鐵提供外加磁場。為充分利用環形永磁鐵環內孔道空間，將天線套在放電室外壁并安放在環形永磁鐵環內孔道中，充分合理利用空間，使得等離子體源結構更加緊湊。由于等離子體源需加功率過大、結構緊湊，如果不加冷卻系統，天線因電流熱效應過熱不僅會影響天線自身特性，周圍溫度也很快會超過永磁鐵正常工作的溫度范圍，導致配置的環形永磁鐵因高溫而退磁，影響等離子體源正常工作。為實現大功率螺旋波等離子體源長時間運行，因此需要對環形永磁鐵和天線進行冷卻保護。

實用新型內容

針對螺旋波等離子體源實際應用中需要具有結構簡單且緊湊、支持長時間千瓦級功率運行的特點，為實現具有冷卻功能的螺旋波等離子體源裝置結構緊湊化以及千瓦級功率的環形永磁鐵螺旋波等離子體源的穩態放電。本實用新型提供一種具有冷卻功能的螺旋波等離子體源穩態放電裝置，并展示了永磁鐵(包括環形永磁鐵)應用于大功率螺旋波等離子體源的可能性。

本實用新型采用如下技術方案：

一種具有冷卻功能的螺旋波等離子體源穩態放電裝置，包括冷卻腔體(1)和螺旋波等離子體源；

所述冷卻腔體(1)由首端面板(2)、首段腔體(3)、中段腔體(4)、尾段腔體(5)和尾端面板(6)依次密封連接而成；

所述螺旋波等離子體源，包括貫穿冷卻腔體(1)的放電室(7)，嵌套于中段腔體(4)內部和尾段腔體(5)內部的環形永磁鐵(11)，位于冷卻腔體(1)內部且環繞放電室(7)外壁的天線(12)和連通射頻電源與天線(12)且貫穿首端面板(2)的電極棒(8)；

冷卻液進口(2a)和冷卻液出口(2b)均設置在冷卻腔體(1)的首端面板(2)外表面，冷卻液進口(2a)和冷卻液出口(2b)均與冷卻腔體(1)連通。