专利名称：一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗及其密封方法
技术领域：
本发明属于核技术及应用领域，具体涉及一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗及其密封方法。
背景技术：
加速器系统运行时，需要整个系统保持真空状态，加速器系统产生的束流在使用时，有些情况需要将离子束引出到大气中，例如，非真空电子束焊接，加速器驱动洁净核能源等，有些需要在大气中做样品实验等，因此需要将加速器系统与大气进行有效地隔离。真空窗是用于进行加速器系统和大气环境隔离的部件，设置在加速器系统的最尾端。传统的真空窗一般使用金属薄膜，金属薄膜做成的真空窗，因受到强度和散热的限制，无法使用于强流情况下，并且因为要隔离真空与大气，薄膜的厚度不能做到很薄，会导致束流的能量损失较大，能散度增加，同时伴生有X射线辐射及金属活化的问题。等离子体密封窗是一种新型的真空窗结构，它利用等离子体通道两端产生的高压强差来实现真空系统和大气的隔离。最初的等离子体密封窗是用在非真空电子束焊接上，通过等离子体密封窗，将电子束传入大气中，可在大气环境下进行电子束焊接。其后，又进行了使用等离子体密封窗密封气体靶的尝试。但现在的等离子体密封窗存在以下一些问题1)等离子体密封窗的孔径过小， 直径小于5mm，限制了加速器系统产生的束流；2)等离子体密封窗的功耗较高。
发明内容
为了解决以上提出的现有技术中存在的问题，本发明提出一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗及其密封方法。本发明的一个目的在于提供一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗。本发明的采用磁镜场约束的等离子体密封窗包括等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片的铜板组成，每片铜板与绝缘片中间均开有孔径相同的小孔，多片铜板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道；在等离子体通道的一端设置有阴极；在窗体的另一端设置有阳极；给阴极和阳极供电的密封窗电源；在窗体外设置有约束磁铁，约束磁铁产生一个与等离子通道相匹配的磁镜场，加在等离子体通道上；给约束磁铁供电的磁铁电源；以及真空泵。约束磁铁产生的磁镜场的位型是在等离子体通道两端的磁场高、等离子体通道中间的磁场低的马鞍型结构，加在等离子体通道上，用来约束等离子体，可提高等离子体密封窗的密封性能。等离子体通道的直径为2-10mm。本发明的另一个目的在于提供一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗的密封方法。本发明的一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗的密封方法，在等离子体密封窗窗体外设置约束磁铁，约束磁铁产生一个与等离子通道相匹配的磁镜场，加在等离子体通道上。约束磁铁产生的磁镜场的位型是在等离子体通道两端的磁场高、等离子体通道中间的磁场低的马鞍型结构。本发明的优点本发明采用约束磁铁产生磁镜场来约束等离子体密封窗内的离子，磁镜场的结构是两边高，中间低的马鞍型的磁场位型，可以约束等离子体通道内的等离子体，只有高于一定能量的离子和电子可以离开等离子体通道。从而使等离子体密封窗内的离子和电子离开等离子体密封窗的速度变慢，达到增加等离子体密封窗的压强差，降低等离子体密封窗的功耗的目的。
图1本发明的采用磁镜场约束的等离子体密封窗的结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图，通过具体实施例详细说明本发明的实施方式。如图1所示，本发明的采用磁镜场约束的等离子体密封窗包括等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片2的带水冷的铜板1组成，每片铜板1与绝缘片2中间均开有孔径相同的2-10mm直径的小孔，多片铜板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道3 ； 在等离子体通道3的一端设置有用钨做的阴极4 ；阴极4安装在带有水冷管道的阴极底座5 上；阴极底座5安装在固定在窗体上的腔体11上；在窗体的另一端设置有用铜做的阳极6 ； 给阴极4和阳极6供电的密封窗电源8 ；在窗体外设置有约束磁铁7 ；给约束磁铁供电的磁铁电源9 ；以及在真空端P2处的真空泵10。绝缘片2采用耐高温材料，铜板1与绝缘片2通过螺钉真空密封紧密贴合在一起。密封窗电源8是由一个高压引弧电源和一个恒流源组成的，高压引弧电源使等离子体密封窗放电产生等离子体，恒流源负责维持等离子体的状态，为等离子体密封窗提供能量°约束磁铁7产生一个与等离子通道3相匹配的在等离子体通道3两端的磁场高、 等离子体通道3中间的磁场低的一种马鞍型的磁镜场，加在等离子体通道3上，用来约束等离子体，可提高等离子体密封窗的密封性能。等离子体密封窗是利用通孔中的等离子体的两端有非常大压力差的特性来隔离真空和大气。本发明的等离子体密封窗的工作过程为由大气端Pl处先送出少量的氩气，使等离子体通道3内的气压约为几帕。在阴极4和阳极6之间加上一个IkV左右的引弧高压，可使等离子体通道3内发生放电，放电后，等离子体通道3内的电阻降低，阴极4和阳极6之间维持一个100V左右的电压，等离子体通道3中通过的电流从50-200A可调。等离子体通道3内通过的电流越大，在等离子体通道3的两端产生的压力差越大。此时可以打开大气端Pl处的阀门，大气端P1处的气压能够达到105Pa。加在等离子通道3外的约束磁铁7产生的磁镜场用来约束等离子体通道3中的等离子体，这样可以改善等离子体的密封性能， 降低等离子体密封窗所需的功耗以及提高两端的压强差。通过真空泵10抽气，使真空端P2
4处的气压保持在10 到IPa的范围内，从而提高了等离子体密封窗的密封性能。
上面描述的实施例并非用于限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可做各种的变换和修改，因此本发明的保护范围视权利要求范围所界定。
权利要求
1.一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗，其特征在于，所述等离子体密封窗包括 等离子体密封窗窗体，窗体是由多片中间衬有绝缘片O)的铜板(1)组成，每片铜板(1) 与绝缘片(2)中间均开有孔径相同的小孔，多片铜板和绝缘片的小孔形成了等离子体通道 (3)；在等离子体通道C3)的一端设置有阴极；在窗体的另一端设置有阳极(6)；给所述阴极⑷和阳极(6)供电的密封窗电源⑶；在窗体外设置有约束磁铁(7)，所述约束磁铁 (7)产生一个与等离子通道(3)相匹配的磁镜场，加在等离子体通道上；给约束磁铁供电的磁铁电源(9)；以及真空泵(10)。
2.如权利要求1所述的等离子体密封窗，其特征在于，所述约束磁铁(7)产生的磁镜场的位型是在等离子体通道两端的磁场高、等离子体通道中间的磁场低的马鞍型结构。
3.如权利要求1所述的等离子体密封窗，其特征在于，所述等离子体通道(3)的直径为 2-10mmo
4.如权利要求1所述的等离子体密封窗，其特征在于，所述阴极(4)和阳极(6)之间的电压维持在100V左右。
5.如权利要求1所述的等离子体密封窗，其特征在于，所述等离子体通道(3)中通过的电流的范围在50-200A之间。
6.如权利要求1所述的等离子体密封窗，其特征在于，所述等离子体密封窗的真空端 (P2)处的气压保持在10 到IPa的范围内。
7.一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗的密封方法，其特征在于，在等离子体密封窗窗体外设置约束磁铁，约束磁铁产生一个与等离子通道相匹配的磁镜场，加在等离子体通道上。
8.如权利要求7所述的密封方法，其特征在于，所述约束磁铁产生的磁镜场的位型是在等离子体通道两端的磁场高、等离子体通道中间的磁场低的马鞍型结构。
全文摘要
本发明公开了一种采用磁镜场约束的等离子体密封窗及其密封方法。本发明的等离子体密封窗包括等离子体密封窗窗体，窗体中间形成的等离子体通道；在等离子体通道的一端设置有阴极；在窗体的另一端设置有阳极；在阴极和阳极上连接有密封窗电源；在窗体外设置有约束磁铁；给约束磁铁供电的磁铁电源，以及真空泵。本发明采用约束磁铁产生磁镜场来约束等离子体密封窗内的离子，磁镜场的结构是两边高，中间低的磁场位型，可以约束等离子体通道内的等离子体，只有高于一定能量的离子和电子可以离开等离子体通道。从而使等离子体密封窗内的离子和电子离开等离子体密封窗的速度变慢，达到增加等离子体密封窗的压强差，降低等离子体密封窗的功耗的目的。
文档编号H05H1/14GK102523673SQ201110427059
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月19日 优先权日2011年12月19日
发明者史本良, 朱昆, 王智, 陆元荣, 颜学庆, 黄胜 申请人:北京大学