一种模块化拼接氧化物阴极等离子体源

1.本发明涉及氧化物阴极等离子体源技术领域，具体涉及一种模块化拼接氧化物阴极等离子体源。


背景技术：

2.氧化物阴极是由热阴极发展而来，已广泛应用于工业领域。1903年，wehnelt.a首先在实验中发现碱土金属氧化物电子发射能力极强，比热阴极的逸出功、工作温度都要低得多。目前氧化物阴极泛指丝状或板状基金属表面附盖碱土金属氧化物制成的电子发射体，在g.赫孟，s.华庚纳著的《氧化物阴极第一卷》、《氧化物阴极第二卷》等文献中已对氧化物阴极有详尽的介绍。在等离子体物理实验研究领域，氧化物阴极的典型应用是加州大学洛杉矶分校的lapd(largearea plasma device)，最大使用了直径1米的氧化物阴极进行放电，在文献d.leneman,w.gekelman,and j.moggs,rev.sci.instrum.77,015108(2006)和w.gekelman,h.pfister,z.lucky et al,rev.sci.instrum.62,2875(1991)中对等离子体源的结构、参数和放电性能都有较为详细的描述。
3.在空间等离子体模拟这类特殊应用领域中，需要大范围的均匀等离子体背景，而目前工业上所用的氧化物阴极尺寸一般较小，实验室自制大尺寸氧化物阴极，在氧化物阴极喷涂，结构设计，温度控制等方面都存在技术困难。本发明所述的模块化拼接大面积氧化物阴极等离子体源是为更大尺寸的等离子体源而设计。


技术实现要素：

4.本发明提供一种模块化拼接大面积氧化物阴极等离子体源，具有模块化设计，结构灵活，制作方便，可产生大面积均匀等离子体的优点。
5.本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：
6.一种模块化拼接氧化物阴极等离子体源，它包括支撑梁、阳极、阴极、灯丝、背反射板和侧反射板。阴极包括阴极模块，灯丝包括灯丝模块；所述支撑梁包括上支撑梁和下支撑梁；所述阳极、阴极、灯丝和背反射板均固定在上支撑梁和下支撑梁之间；侧反射板在四周包围阴极和灯丝；阴极模块以左右折边的方式用螺栓安装于阴极框架内，灯丝模块以“片”型灯丝架结构卡在灯丝框架内；所述阴极和阳极的上下两侧有多对对称放置的电极接头；所述灯丝采用多路通水电极供电，相邻灯丝模块仅共用单个电极，保持模块间隔离供电。优选地，阳极框架、阴极框架、灯丝框架和背反射板依次放置在支撑梁上。优选地，所述阳极包括阳极栅网，阳极栅网固定在阳极框架上。
7.进一步地，模块化组件包括阴极模块和灯丝模块。
8.所述阳极、阴极、灯丝和背反射板均为长方形。所述侧反射板包括横反射板和竖反射板。
9.所述上支撑梁安装用于限位阳极、阴极、灯丝的卡槽和固定反射板的挂钩，下支撑梁安装用于固定阳极、阴极、灯丝的挡块和限位反射板的卡槽，且所有连接件与支撑梁之间
用陶瓷绝缘。阳极、阴极、灯丝的连接块开水平腰型孔，下方单侧与下支撑梁固定，背反射板上侧开水平腰型孔悬挂上支撑梁挂钩固定，阳极、阴极、灯丝、背反射板均预留水平和竖直方向的伸缩余量。
10.所述阴极和阳极上下两侧多点电连接，电极接头与阴极模块一一对应，阴极模块折边与阴极框架立柱用螺栓多点对称连接，阳极栅网用螺栓在阳极框架四周固定，电连接接触点成对出现，对称分布，阴极和阳极表面电势对称、面内电压降较小，阴极表面电子发射能力相当，放电均匀。
11.所述灯丝框架为网格状结构，立柱安装通水电极；所述灯丝模块由灯丝导线穿过耐高温陶瓷管组成，陶瓷管并排放置在两列灯丝架中，灯丝架开有u型槽限位；所述两列灯丝架附带上下横梁构成方形稳固结构，前方附加挡板固定灯丝，后方加装“l”型连接块，并形成“片”型固定在灯丝框架网格中；所述灯丝导线由一根或多根合为一股，每股金属丝迂回穿过奇数行陶瓷管，多股灯丝导线并联到通水电极；所述多路通水电极，水路接头分别在框架四周，正负电极交替分布，相邻模块仅共用单个电极，灯丝模块隔离供电。
12.本发明的有益效果是：本发明采用卡槽式固定结构和腰型连接孔，预留材料在高温下热膨胀的空间，防止等离子体源结构受压形变固定结构和腰型连接孔。电连接和机械连接分开，保证了机械连接的稳定性和灵活性，同时保证了电连接的良好。阴极和阳极多点成对电连接，表面电势对称分布，面内压降较小，可保证氧化物阴极发射能力相当，产生均匀的等离子体背景。阴极模块规格统一，易于自动化、标准化制备。灯丝模块通水电极，电连接和水连接分开，保证了水循环的通畅和电连接的隔离，灯丝模块加热功率独立可调，阴极面板温度更加均匀，发射电子产生等离子体更均匀。
附图说明
13.图1是模块化拼接大面积氧化物等离子体源工作原理示意图；
14.图2是模块化拼接大面积氧化物阴极等离子体源的斜视图；
15.图3是模块化拼接大面积氧化物阴极等离子体源的侧视图；
16.图4是阴极框架和阴极模块装配结构图；
17.图5是灯丝模块的结构图；
18.图6是灯丝框架和通水电极结构图；
19.图7是灯丝模块水路和电路图。
20.图中：1-阴极等离子体源、11-支撑梁、111-上支撑梁、112-下支撑梁、113-阳极上卡槽、114-阳极下挡块、115-阴极上卡槽、116-阴极下挡块、117-灯丝上卡槽、118-灯丝下挡块、119-反射板上挂钩、1110-反射板下卡槽、12-阳极、121-阳极框架、122-阳极栅网、123-阳极电极、124-阳极框架连接块、13-阴极、131-阴极框架、132-阴极模块、133-阴极电极、134-阴极框架连接块、135-双柱结构、14-灯丝、141-灯丝框架、142-灯丝框架连接块、143
‑“
l”型通水电极、144
‑“
u”型通水电极、145
‑“
i”型通水电极、146-灯丝模块、15-背反射板、16-侧反射板、161-竖反射板、162-横反射板、2-真空室、3-灯丝加热电源、4-放电电源、1461-陶瓷管、1462-灯丝导线、1463-灯丝架、1464-灯丝架压板、1465-灯丝架横梁、1466-灯丝架连接块、1467-铜排压板。阴极包括阴极电极和阴极模块。阴极电极连接阴极框架上，阴极模块置于阴极框架内。
具体实施方式
21.为了使本发明易于理解，结合具体图示，进一步阐述本发明。
22.本发明采用旁热式氧化物阴极工作方式，如图1所示，一种模块化拼接大面积氧化物阴极等离子体源1，其主要部件包括支撑梁11、阳极12、阴极13、灯丝14、背反射板15、侧反射板16，支撑梁11焊接安装在真空室2中；灯丝加热电源3给灯丝14直流供电，灯丝导线被加热到1500℃以上，对外辐射热量间接加热阴极13到900℃；阴极13表面涂有的三元碳酸盐(baco3：srco3：caco3)在高温下分解形成氧化物阴极(bao：sro：cao)，表面发射热电子。(所述阴极13通过如下方法制备：(1)三元碳酸盐baco3、srco3和caco3按质量比53:39：8混合，溶于1：1混和的乙酸异戊脂和胶棉液，制成悬浊液，悬浊液中baco3、srco3和caco3浓度共为0.3g/ml。(2)阴极模块132左右两侧向背面折边，向阴极模块的正面喷涂所述悬浊液，干燥，得到涂层厚度为100
±
20μm，制得氧化物阴极模块；(3)制作氧化物阴极模块后，将多个所述氧化物阴极模块与阴极框架卡槽多点固定电连接，得到阴极13)。放电电源4的正极连接阳极12并接地，负极连接阴极13，在阴极和阳极之间形成电场，加速电子，电离气体，产生等离子体体；真空室内的电连接方式是铜排电极与铜编织线用螺栓连接，阳极12、阴极13、灯丝14互相之间保持绝缘。各部件装配位置如图2-6所示，支撑梁11包括上支撑梁111和下支撑梁112。所述阳极12、阴极13、灯丝14和背反射板15均为长方形且均固定在上支撑梁111和下支撑梁112之间。所述侧反射板16包括横反射板162和竖反射板161。侧反射板16在四周包围阴极13和灯丝14。模块化组件包括阴极模块132和灯丝模块146。阴极模块132以左右折边的方式用螺栓安装于阴极框架131内。灯丝模块146以“片”型灯丝架结构卡在灯丝框架141内。多个阴极模块132构成阴极13。所述阴极13上下两侧有多对对称放置的电极接头。阳极12的上下两侧有多对对称放置的电极接头。灯丝14由多个灯丝模块146并列排布而成。所述灯丝14采用多路通水电极供电，相邻灯丝模块仅共用单个电极，保持模块间隔离供电。
23.阳极12、阴极13、灯丝14结构如图2所示。所述阳极包括阳极栅网122和阳极框架121，阳极栅网固定在阳极框架上。阳极框架121由304角钢焊接构成，正面开有一圈通孔，阳极栅网122采用螺栓经通孔与其连接。8个铜制的阳极电极123用螺栓经通孔固定在阳极框架背面，8个阳极框架连接块124用螺栓固定在阳极框架侧边孔位。阳极框架121经阳极框架连接块124与支撑梁11连接。8个铜制的阴极电极133和8个阴极框架连接块134经螺栓固定在阴极框架131侧边孔位。阴极框架131经阴极框架连接块134与支撑梁11连接。阴极模块132固定在阴极框架上131上。阴极模块132连接阴极电极133。灯丝框架141与支撑梁11经灯丝框架连接块142连接。8个灯丝框架连接块142经螺栓固定在灯丝框架141侧边孔位。灯丝模块141固定在灯丝框架141上。其中，阳极框架连接块124、阴极框架连接块134和灯丝框架连接块142都为“丄”型，“丨”部分开水平腰型通孔，“一”部分四角开通孔过螺栓。
24.阳极12、阴极13、灯丝14连接方式如图3所述，为保证阳极12、阴极13、灯丝14之间的绝缘和减少热损失，上支撑梁111与阳极上卡槽113、阴极上卡槽115、灯丝上卡槽117之间以及下支撑梁112与阳极下挡块114、阴极下挡块116、灯丝下挡块118之间附加开孔陶瓷板，用螺栓固定在支撑梁11上，螺纹附加陶瓷套管，同时选用陶瓷垫片，以确保上支撑梁111和下支撑梁112与其它部件之间绝缘。由于等离子体源高1.1m，宽2.2m，尺寸较大，工作时温度高达900℃，热膨胀显著，阳极框架连接块124与阳极下挡块114，阴极框架连接块134与阴极下挡块116及灯丝框架连接块142与灯丝下挡块118都通过螺栓穿过腰型孔连接，阳极12、阴
极13、灯丝14重量由下支撑梁112承担，腰型孔保证水平方向的伸缩余量；阳极框架连接块124与阳极上卡槽113，阴极框架连接块134与阴极上卡槽115及灯丝框架连接块142与灯丝上卡槽117都仅利用“不”卡槽限位不固定，预留竖直方向伸缩余量；另外，上方采用“不”卡槽，下方采用“l”挡块，为装配提供了极大的便利。上述结构实现了绝缘的机械连接，各部件与电源的电连接由阳极电极123、阴极电极133、“l”型通水电极143，“u”型通水电极144，“i”型通水电极145来完成。
25.背反射板15和侧反射板16结构和连接方式如图2-3所示，扁平分布的灯丝模块将热量通过辐射传递给阴极，减少其它方向的热损失，降低加热功率，在灯丝14后方安装背反射板15，在周围安装侧反射板16，包括竖反射板161和横反射板162。背反射板15由三层1mm厚镍金属板组成，上方开一排腰型孔与反射板上挂钩119用螺栓连接，重量由上支撑梁111承担，腰型孔保证水平方向伸缩余量；下方由反射板下卡槽1110限位不固定，预留竖直方向伸缩余量。反射板上挂钩119与上支撑梁111之间以及反射板下卡槽1110与下支撑梁112之间用螺栓固定连接。横反射板162分别与上支撑梁111和下支撑梁112用螺栓连接；竖反射板161与上支撑梁111和下支撑梁112之间焊接长约10cm的304角钢用于连接。
26.如图4所示，本发明采用模块化氧化物阴极阵列放电产生等离子体，阴极模块132由基金属和氧化物涂层构成，其基金属为n4镍，规格统一，单模块尺寸相对较小，仅0.55m
×
0.55m，氧化物涂层的喷涂易于自动化，标准化管理。阴极模块132左右两侧折边开孔，阴极框架131在立柱部分开设对应孔位，内部立柱采用双柱结构135，立柱与阴极模块132用螺栓固定。阴极框架13选用与镍的热膨胀系数接近的高温不锈钢，加之折边形成的缓冲区域，高温工作中产生热应力很小，不会导致阴极显著形变。阴极框架131同时作为导电线路，8个阴极电极133对应8个阴极模块132，单模块电路如图4左下角所示，电流经阴极电极133通过阴极框架131立柱与阴极模块132实现电连接，对称分布的多点电连接可保证阴极模块132表面电势对称、面内电压降较小，表面电子发射能力相当，放电均匀。
27.阳极12、阴极13与放电电源4的电连接方式如图1-4所示，真空室2器壁设置8对(共16个)真空电极。每对真空电极包括一个阳极电极123和一个阴极电极133。阳极12包括8个阳极电极123。阴极13包括8个阴极电极133。其中8个阳极电极123与放电电源4的正极用铜编织线连接，放电电源4的正极在真空室内分别用带接线端子的铜排与8个阳极电极123用螺栓连接；另外8个阴极电极133与放电电源4阴极连接，放电电源4阴极在真空室内用与阳极连接铜排并行放置的铜排与8个阴极电极133用螺栓连接。8个阳极电极123和8个阴极电极133在宽2.2m，高1.1m的面内对称放置，同样满足对称分布的多点电连接，阳极12和阴极13之间电场基本一致，放电均匀，并行走线，线路感抗小，脉冲工作时，电流爬升更快。
28.综上所述阴极13和阳极12上下两侧多点电连接，电极接头与阴极模块一一对应，阴极模块折边与阴极框架立柱用螺栓多点对称连接，阴极和阳极表面电势对称、面内电压降较小，阴极表面电子发射能力相当，放电均匀。
29.本发明采用模块化灯丝阵列旁热式加热氧化物阴极，灯丝模块结构如图5所示，包括陶瓷管1461，灯丝导线1462，灯丝架1463，灯丝架压板1464，灯丝架横梁1465，灯丝架连接块1466和铜排压板1467。灯丝导线1462选用金属钨丝或钽丝，以0.5mm金属丝5-7根合为一股，迂回穿过陶瓷管1461；灯丝架1463开有锯齿状“u”型槽，槽内放置陶瓷管1461，用灯丝架压板1464压紧，陶瓷管1461两端用螺栓固定在灯丝架1463上；用螺栓穿过灯丝架连接块
1466将灯丝架横梁1465固定在两组灯丝架1463背面，每个端头用双螺栓固定，形成稳固的框架结构；灯丝架1463、灯丝架压板1464和灯丝架连接块1466构成的“片”型结构可以将灯丝模块146卡在灯丝框架141中，预留竖直方向伸缩余量。由于灯丝导线1462工作温度高达1500℃，灯丝架1463，灯丝架压板1464，灯丝架横梁1465，灯丝架连接块1466，灯丝框架141，灯丝框架连接块142以及连接螺栓都由钼或钼合金制成；采用导电良好的金属铜作为电极接电材料，为保证在高温下的使用，灯丝电极如图5-6所示，包括“l”型通水电极143，“u”型通水电极144，“i”型通水电极145和铜排压板1467。灯丝导线1462穿过5根陶瓷管为一组，每个灯丝模块146共有15组灯丝导线，每组灯丝导线两头分别连接左右两侧的通水电极上的铜排用铜排压板1467压紧，用螺栓固定，在框架中的不同位置的灯丝模块146连接的电极可能为“l”型通水电极143和“i”型通水电极145或者“u”型通水电极144和“i”型通水电极145。灯丝架开有u型槽限位。所述两列灯丝架附带上下横梁构成方形稳固结构，前方附加挡板固定灯丝，后方加装“l”型连接块，并形成“片“型固定在灯丝框架网格中。可选地，所述灯丝导线由一根或多根金属丝合为一股，每股金属丝迂回穿过奇数行陶瓷管，多股灯丝导线并联到通水电极。
30.本发明采用模块化隔离供电的方式为灯丝模块146供电，如图7所示，8台灯丝加热电源3分别为8个灯丝模块146供电，电源正极接“i”型通水电极145，电源负极接“l”型通水电极143或“u”型通水电极144，“l”型通水电极143即半个“u”型通水电极144；图中箭头即通水电极进出水方向，通水电极“uiu”或“iui”的扩展方式可以保证通水电极的水路接头分别在框架四周，减小对加热效率的影响；相邻灯丝模块146仅共用一个电极，仍能保证模块的独立供电回路，实现单模块独立控制，自由调节面内温度分布，阴极温度更均匀，电子发射能力接近，产生等离子体更均匀。可选地，多路通水电极，水路接头分别在框架四周，正负电极交替分布，相邻灯丝模块仅共用单个电极，灯丝模块隔离供电。
31.以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。