自分离离子源的制作方法

本发明涉及一种能在常温常压下生产大功率低能正离子束流的装置。

背景技术：

离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件，是当今前沿科技的重点研究方向。

目前，已知的离子源有多种，但有共同的缺点，主要是1、生产的正离子束功率都比较小，一般都在10安培级以下。2、生产的正离子束均为高能离子。主要原因是引出正离子束时全部使用直流电场，假设引出电场两端电压为10伏，单个含一个正电荷的正离子将在引出电场内被电场加速，引出后将拥有10ev的动能。3、能耗浪费严重。正离子在生产时需要输入能量，一般高于相应电离能，但正离子应用后均没有将正离子和所电离的电子重新复合，从而将电离能转变为电能再次循环利用，导致所有正离子的电离能全部浪费。另外，假设引出电场为10伏，引出一个含单个正电荷的正离子和一个电子所需的能量为20ev，这个能量不可回收，是巨大的能量浪费。

技术实现要素：

小功率和高能耗离子源严重制约着离子的应用范围及应用前景，为了克服现有离子源的缺点，本发明提供一种离子源，可以以较小的能耗成本大功率生产低能正离子束流。

本自分离离子源由8个系统组成，分别是低温等离子体发生系统、离子分离系统、能量回收系统、进料系统、循环系统、排料系统、启动系统和控制系统。

所述控制系统由主控电路、传感器和控制原件组成，它的功能是控制其他系统的动作时序和动作幅度，其控制时序和幅度根据工况设定。由于实现的方式较多，可以用单片机实现，也可以全部用硬件电路实现，本说明书仅说明其控制时序及控制幅度，电路组成省略。

所述低温等离子体发生系统主要作用是在较低的能耗成本下生产低温等离子体和中性原子或分子混合气。它由多栅型等离子发生器、交流电源及控制系统组成。多栅型等离子发生器由多个(两个以上)相隔一定距离的栅形或网格形的导电极板(以下简称电离极板)层叠堆放、电离极板间隔并联后两端串接两个电容(以下简称偏压电容)而成。多栅型等离子发生器外接交流电源。所述交流电源，其电压、波形、频率等各项可变参数受所述控制系统控制。

特别的，电离极板组层叠堆放有两种方式，平面堆型和同轴堆型。平面堆型是指多个平行的相隔一定距离的平面的栅形极板进行纵向(方向垂直于栅极平面)叠加，同轴堆型是指多个平行的相隔一定距离的曲面的栅形极板以同一轴线进行叠加。

所述低温等离子体发生系统的在不连接所述离子分离系统情况下的工作原理是：

两个相邻的电离极板及其所夹空间组成一个电离单元，所夹空间为电离空间，根据物理原理，两中间充满绝缘介质的平行导电极板构成一个电容器，该电容器称为电离电容，电离极板组等效为多个电离电容并联。多栅型等离子发生器等效为多个电离电容并联后和两个偏压电容串联。随着外电源的正向升压，外电源对电离电容和偏压电容充电，电离空间内形成均匀电场(该电场由外电源产生，以下简称外加电场)，外加电场随外电源的升压而增强。当电场增加到足够高时，被电离物质内自由电子沿电场线反方向被加速，进而撞击中性原子或分子导致其外层电子被电离，电离出的电子和原来的电子继续被电场加速，进而撞击其他中性原子或分子，形成电子崩，生成等离子体。电子脱离中性原子或分子后，中性原子或分子变为正离子。正离子和被电离出去的电子形成本征电场，其方向和外加电场相反。在外加电场和本征电场的共同作用下，自由电子和被电离出的电子沿外加电场反方向往极板方向运动，并大部分以一定速度到达极板。正离子将在外电场和本征电场的共同作用下沿电场线方向往另一极板运动，当气体压强足够高(常压左右)时，正离子基本不动。被电离出的电子到达栅形极板前拥有速度和动能，极少部分电子将撞击栅极极板，其动能转换为热能，导致极板发热，大部分电子将穿过栅形极板继续前行，进入相邻的电离空间(假设极板厚度无限小，以便于分析和说明，无限小厚度的极板和实际极板的最后结果基本相同)。由于多个栅极间隔并联，相邻电离空间的外加电场方向和本电离空间外加电场方向相反，此时，穿过栅极的电子运动方向和相邻外加电场方向相同，相邻的反向外加电场对电子反向做功(负功)，即电子对外电源充电，导致进入相邻电离空间的电子减速并直至为零，此时电子在到达极板前拥有的动能将转化为外电源能量。之后，反向的相邻外加电场将对电子做正功，导致电子在反方向被加速，并运动回原极板(极少部门电子撞击极板发热)，由于外加电场强度在逐步减弱，此时，电子拥有的动能少于原来电子对外电源充电的能量，在电子穿过极板又返回极板的过程中，电子的一部分能量已转化为外电源能量。之后电子以一定速度进入原来的电离空间，此时电子运动方向又和外加电场方向相同，电子又对外电源充电，之后又被原外加电场做正功，再次被加速并向极板运动(极少部门电子撞击极板发热)，一部分能量再次转化为外电源能量。电子到达极板后将不断重复以上过程，形成以极板为中心振幅依次减弱的震荡运动，直至将能量全部转化为外电源能量。当外电源到达正向波峰时，电离停止。随着外电源从正向波峰下行，在本征电场和外加电场的共同作用下，被电离出的电子沿外电场方向运动，并和正离子依次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。当外电源反向后，随着反向电压的升高，外电源对电离电容和偏压电容反向充电，再次进行电离，生成等离子体。极少部分电子撞击极板发热，大部分电子依然以极板为中心减幅震荡，直至将自身动能转化为外电源能量。当外电源到达反向波峰时，电离停止。随着外电源电压从反向波峰下降，被电离出的电子和正离子再次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。在外部交流电源的激励下，各个电离单元不断电离生成等离子体，并不断复合，生成新的中性原子或分子。

所述离子分离系统的主要作用一是将等离子体中的电子分离出来，二是把离子从中性分子(原子)和离子组成的混合气中分离出来。通过离子分离系统后，混合气将分离为纯净中性气体和纯净离子气体。离子分离系统由分离腔体、阴极、分离开关、电子储存器、阳极、分离电源、分离阳极、分离单向阀、控制系统组成。分离腔体在横向上分为两部分，一部分为等离子体腔体，一部分为离子腔体，二者通过分离单向阀或单向阀组连接。当分离单向阀等离子腔体端压强大于离子腔体端压强时单向阀导通，否则关闭。等离子腔设有进气口和出气口，出气口置于单向阀一端，和单向阀相邻，纵向开口，进气口设置于另一端。进气口和出气口可以是多个，最好对称设置。多栅型等离子发生器放置于进气口和出气口中间，栅形极板平面切线方向为横向。中性原料气从进气口进，从出气口排出，纯净离子气通过单向阀进入离子腔。分离电源为直流电源，一般10伏左右，负极接地，正极接分离阳极。分离阳极呈网状，覆盖出气口，以防止正离子通过出气口排出。离子腔一端为单向阀，另一端设有出料口，在出料口和单向阀中间放置阳极。单向阀和阳极中间空间放置离子使用装置，比如离子加速器、电磁同位素分离器等。分离腔体外壁包裹阴极，阴极在横向上的投影至少要覆盖栅型等离子发生器、出气口、分离阳极、分离单向阀、离子使用装置和阳极在横向上的投影。电子储存器置于分离腔体外，由表面积远大于多栅型等离子发生器电离极板组表面积的导体制成，它通过两个分离开关和两个偏压电容的极板组端相连接。当所在极板的电压开始从零上升时，开关导通，当所在极板的电压上升到波峰时，开关关闭。电子储存器和阴极直接相连。所述控制系统主要负责分离开关的按时准确动作，它从交流电源采样，经信号处理、功率放大后驱动分离开关。能量回收系统的输入负极端接电子储存器，输入正极端接阳极。

特别的，阳极形状可以多变，根据不同的工况可为蜂窝状、网格状、栅状、板状等。

特别的，阳极不仅可置于离子使用装置和出料口中间，也可以置于离子使用装置中或用离子使用装置的极板替代。

特别的，分离开关可以使用电子开关、电磁开关，也可以使用机械开关等各类可控开关。

所述能量回收系统的主要作用是将电子和正离子复合的能量(等于电离能)回收利用。它可以是各类直流负载，也可以是逆变器。当为逆变器时，其输出端的负载可以是前述交流电源，也可以用于其他负载。

所述排料系统的主要作用是将电子和正离子复合后的产物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强(等离子腔内静态压强为等离子腔内气体静止时的压强，当循环系统启动后，等离子腔内气体流动，此时压强为动态压强，静态压强大于动态压强)。由于电子和正离子复合后可产生新的物质，有可能是气体，也有可能是液体或固体，排料系统根据工况灵活设置。例如，若外界气压为常压，等离子腔内静态压强也为常压，生成物为气态和液态，则排料系统仅仅在离子腔末端最低处开口即可。若外界气压为真空，等离子腔内静态压强为常压，生成物为气态和液态，则排料系统需安装液体和气体安全阀用于排料，或安装带控制系统的泵和阀以保证产物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强。若生成物含有固体，则需要根据该固体物质特性设置合适的排料系统确保将生成物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强。

所述循环系统的主要作用是保持等离子腔内气体以设定速度流动。循环系统由循环泵、管道、循环泵电源、控制系统组成。循环泵通过管道一端和等离子腔的进气口相连，另一端和等离子腔的出气口相连。在控制系统的控制下，循环泵的推动气体以设定速度从等离子腔进气口进、从出气口出。

特别的，该系统根据工况可以多变甚至可以去掉。

所述进料系统的主要作用是保证向循环系统供应和穿过单向阀的正离子等量(体积)的原料气。实现本功能的方式较多，它可以由泵、泵电源及其控制系统实现，也可以用一个减压阀直接实现。用减压阀实现时，减压阀使用负反馈减压阀，出气口接循环管道，进气口接原料气源。其工作原理是：当循环系统稳定工作后，循环管道内气体流速将以设定速度保持恒速流动，其压强将保持恒定，将该压强设定为减压阀动作压强，当正离子离开等离子腔进入离子腔时，循环系统内压强将下降，减压阀出气口压强将低于设定压强，导致减压阀打开，向循环系统内供应原料气，供应原料气的体积等于流出的正离子的体积时，减压阀将关闭。如此，即可保证向循环系统供应和穿过单向阀的正离子等量(体积)的原料气。

所述启动系统的主要功能是确保离子源启动时循环系统、等离子腔内气体是纯净原料气。根据不同的工况，实现本功能有很多方式，比如在常温常压下，将一个真空泵连接循环系统，在进气系统增加进料阀门，关闭进料阀门后启动真空泵，即可将循环系统和等离子体腔内杂质气体抽出，再打开进料阀门即可。

下面假设外部工作条件为常温常压、设定循环系统内静态工作条件为常温常压，不放置离子使用设施，进料系统使用一个负反馈减压阀，排料系统仅为一出气口，等离子腔对称设置两个出气口，本发明8个系统连接后的工作原理如下：

1、控制系统控制启动系统启动，确保循环系统、等离子腔内充满纯净原料气。

2、控制系统控制循环系统启动，直至原料气在循环系统、等离子腔内保持稳定流速，原料气在多栅型等离子发生器拥有稳定横向流速。此时，由于等离子腔内压强低于离子腔内压强，分离单向阀关闭。由于减压阀出气端压强为设定压强，减压阀关闭。

3、控制系统控制控制低温等离子体发生系统、离子分离系统启动。纯净正离子流将通过分离单向阀流向离子腔，在离子腔内形成正离子束流，并最终到达阳极和电子复合，复合后的生成物通过排料口排出，同时，进料系统将等量原料气补充进循环系统，原理为：

对任一电离单元来说，记两极板分别为a和b，设在交流电源激励下，从t0时刻，a板电压从0开始上升，b板电压从零开始下降，此时，和a板连接的分离开关导通，和b板连接的分离开关关闭。随着a板电压升高，电离空间形成均匀电场，方向从a指向b，随着电场的增强，电离空间内气体开始电离，形成电子崩，大量电子到达a板后以a板为中心做降幅震荡并最终静止于a板所在平面(依然假设极板厚度无限小，不影响最后结果)，此时，a板是导体，其所在平面的空隙部分因大量电子聚集而成为导体，其电子密度大于电子储存器和阴极表面电子密度，拥有相对电势(以下称为感生电势)，在感生电势的作用下，大量电子倾向于在电子储存器表面、阴极表面和a板所在表面平均分布(为便于分析，假设电子储存器、阴极和a板表面曲率处处相同)，由于电子储存器表面积远大于a板和阴极表面积，大部分电子将分布在电子储存器表面。设t1时刻，a板电压到达波峰，此时，和a板连接的分离开关关闭，已经电离出的电子大部分已经分布在电子储存器表面，虽然拥有和正离子复合的势能，但由于分离开关关闭、正离子依然在横向运动、阴极包裹多栅型等离子发生器和阳极、两个分离阳极覆盖两个出气口、电子只能在电子储存器、阴极和阳极表面重新分布，最终形成正离子指向阳极的本征电场。由于正离子在电离前拥有横向速度且受到本征电场的作用力，正离子运动到等离子腔出口处时被分离阳极的斥力阻挡，不能通过出气口，在本征电场的作用下，继续向分离单向阀运动，当运动到分离单向阀等离子腔端后，将对分离单向阀施加指向阳极的力，最终通过分离单向阀运动向阳极，在离子腔内形成正离子流。当正离子运动到阳极时，此时，电子储存器、阴极、能量回收系统、阳极和正离子形成通路，被电离出的电子欲和正离子复合，必须通过能量回收系统并对该系统做功，从而实现电离能量的回收。当a、b板电压翻转后，被电离电子将通过b板、b板分离开关流向电子储存器，并通过能量回收系统最终在阳极和正离子复合。

根据流体力学，未被电离的中性原料气在循环系统内循环，不会通过分离单向阀。

当正离子通过分离单向阀进入离子腔内，将造成离子腔内压强增加，此时原来的生成物将通过排料系统被排出。

总体上，本自分离离子源启动后，在控制系统的控制下，启动系统确保循环系统和等离子腔内气体为纯净原料气，循环系统确保等离子腔内气体以一定速度横向流动，低温等离子体发生系统对流过电离空间的原料进行电离，集中到电离极板的电子通过分离开关自动流到电子储存器和阴极极板，正离子在分离阳极、电子储存器、阴极、阳极的共同作用下通过单向阀流进离子腔，形成正离子流。未被电离的中性原料气继续在循环系统内循环。当正离子流流过单向阀时，进料系统向循环系统供应等量的原料气确保循环系统内流速不变。待正离子使用装置对正离子使用后，正离子再运动到阳极和电子复合，复合后生成的物质经排料系统排出，电子和正离子的复合能(等于电离能)被能量回收系统回收。

本发明的有益效果是：

1、可生成大功率正离子流。

既有的离子源在生成正离子体后均通过离子阱或类离子阱对正离子进行传输，造成正离子在离子阱或类离子阱的中心线上运动，从而导致正离子密度巨大，其电势巨大，在人类绝缘材料没大的突破前，离子阱能传输的正离子流的功率是非常有限的。而本发明电子被分离到电子储存器后，正离子是在三维空间自由分布的，在正离子相互斥力的作用下，正离子在等离子腔内更倾向于平均分布，通过单向阀或单向阀组进入离子腔后，其分布进一步倾向于平均分布，可传递的正离子流功率可以巨大。另外，本发明在生成等离子体的设施上采用了多栅型等离子发生器，它的功率仅受交流电源功率限制，而已知的交流电源是可以大功率的，所以，本发明可以生产并传递大功率正离子流。

2、能耗低。

既有的离子源在生产等离子体过程中已经严重浪费了能量，在分离电子和正离子的过程中又进一步浪费了大量能量，所以既有的离子源生产一个仅含一个正电荷的离子时浪费的能量至少为其第一电离能+20ev(假设分离电场为10v)，这是巨大的能量浪费。而本发明，在生产等离子体时，需要的能量仅仅略高于第一电离能，在分离电子时几乎不需要能量，但本发明拥有能量回收系统，可将电离能全部回收，所以，本发明的能耗浪费大幅降低。

3、用途广泛。

本发明不仅可以替代既有的大部分离子源满足各类科研和工业需要，事实上大功率和低能耗生产正离子流开拓了人类认知的新的领域！比如，利用本发明可轻松实现各类化学反应，而所需设备仅仅为本发明的单个或多个并联(共用离子腔、阴极、阳极)！利用本发明可以发电！利用本发明做离子源，离子推进器将有更大的应用空间！由于大功率和低能耗离子流的出现，人类利用离子的领域将会非常广阔。

附图说明：

图1是本发明系统连接图

图2是本发明一个实施例，其工况是：原料气是高压气体，外界低压，循环系统静态为常温常压，电子和离子复合后产物为气体。

图3是本发明另一个实施例，其工况是：原料气是空气，外界常温常压，电子和离子复合后产物为臭氧及氮氧化合物。

图4是本发明另一个实施例，其工况是：原料气是高压气体，外界常温常压，电子和离子复合后产物为气体。

图1中，1是进料系统，2是循环系统，3是低温等离子体发生系统，4是分离系统，5是排料系统，6是能量回收系统，7是启动系统，8是控制系统。箭头方向为气体流动方向，黑色实心线表示控制导线。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

图2中，本实施例的控制系统在图中未画出，离子使用装置21放在离子腔19内。本实施例进料系统由减压阀1组成，其设定导通压强为循环管道内动态压强，当低于该压强时，减压阀打开，即可保证向循环系统内供应和穿过单向阀的正离子等量(体积)的原料气。本实施例循环系统由主循环管道2、循环泵3、等离子腔20组成，在控制系统的控制下，循环泵保持设定转速，即可保持等离子腔内气体以设定速度流动。图中，实心箭头所示方向为中性气体流动方向。本实施例低温等离子体发生系统由交流电源4、偏压电容5、栅形极板组6组成，在控制系统的控制下，可按设定功率生成低温等离子体。本实施例分离系统由分离腔体13、阴极9、分离开关7、电子储存器8、阳极12、分离电源14、分离阳极10、分离单向阀11组成，在控制系统的控制下，分离开关在所在极板的电压从0上升时导通、到达峰值时关闭，被电离出的电子即可在感生电势的作用下，从电离极板流向电子储存器、阴极，并通过能量回收系统最终到达阳极和正离子复合；在分离系统各部件的共同作用下，正离子从等离子腔通过分离单向阀流进离子腔，并最终到达阳极。图中，空心箭头指示方向为离子流动方向。本实施例能量回收系统由逆变器15组成，其输入负极接电子储存器和阴极，正极接阳极，当电子和正离子复合时，需对逆变器做功，从而将电离能回收再利用。本实施例排料系统由安全阀16组成。由于外界为低压、循环系统静态压强为常压、离子腔为常压，安全阀动作压强设定为循环系统静态压强(常压)，当离子腔内压强高于设定压强时，安全阀打开，否则关闭，即可将电子和正离子复合后的产物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强。本实施例启动系统由真空泵17、进料阀门18组成，启动时，在控制系统控制下，进料阀门18关闭，真空泵17启动，即可将循环系统及等离子腔内气体排出，排出后，关闭真空泵，打开进料阀门18。

需注意的是，在阳极极板表面发生的电子和离子复合的过程本质是化学反应的过程，去掉离子使用装置，本离子源就是一个化学反应器件，特别是去掉离子使用装置后将两个或两个以上本离子源并联(共用阴极、离子腔、阳极)，即形成了一个特殊的化学反应器。

图3实施例中，控制系统未在图中未画出，离子使用装置放在离子腔19内，未画出。由于原料气是空气，其循环系统本质上是由管道1、循环泵2、外界空气、等离子腔组成，由于循环系统内已充满原料气(空气)，故无需安装启动系统。由于外界环境为常温常压，生成物为气体，故排料系统仅有排气口16。

需注意的是，本实施例去掉离子使用装置后，从排气口排出的气体将是浓度特高的臭氧及氮氧化物混合气，可作为臭氧发生器使用。

特别的，本实施例中的循环管道2、循环泵3、分离阳极10、分离电源14也可以去掉，但去掉后对相关装置的制造材料和没去之前不同。

图4实施例中，控制系统未在图中画出，去掉了循环系统，由于外界环境为常温常压，生成物为气体，故排料系统仅有排气口16。由于去掉了循环系统，故不再需要分离阳极及其电源。由于去掉了循环系统，故进料减压阀的动作压强设定为等离子腔内静态压强(常压)。