[发明专利]一种等离子体产生装置

说明书

技术领域

本发明型涉及等离子体领域，特别涉及一种等离子体产生装置。

背景技术

等离子体技术现在已经应用于如材料、电子、环保、医学、军事等许多领域， 其中很多方向都要求有大范围，高密度的等离子体。因此，如何提高这些参数也就 是等离子体产生技术的研究所关注的了。

直流放电是最早也是最简单的产生等离子体的方式。如图1，电极2为阴极，电 极3为阳极，都位于真空腔体4之中。在一定的真空条件下施加一定的直流电压会 使气体中随机出现的带电粒子获加速而获得能量，被加速的带电粒子碰撞中性的气 体分子可以使气体分子电离生成更多的带电粒子。新的带电粒子又会在电压的作用 下获得能量而电离其它的气体分子。这样循环下去，就能在2，3之间发生放电。这 种模式下，当放电稳定的时候电压位降会主要集中在阴极附近，所以阳离子体会在 阴极电压的作用下高速撞击阴极而发射出二次电子，二次电子向阳极运动，同时就 会电离沿途的气体，使其变为等离子体1。

但是在这种放电方式中，由于两电极平板相对，被撞出的二次电子直接就向阳 极运动，新生成的阳离子往往离阴极比较远，需运动到阴极才能补充之前损失的阳 离子，所以阳离子发生二次电子碰撞频率也就比较低。因此，这种方式产生的等离 子体密度比较低，一般在10¹⁰cm^-3左右。

为增加等离子体的密度，人们发展了传统的空心阴极，其一般结构如图2。空心 阴极6与阳极7之间能放电生成等离子体5。这种结构情况下，被阳离子撞击出的二 次电子会在阴极内发生多次反射，能直接在阴极内部电离其中的气体分子使更多的 阳离子能碰撞阴极壁发射出二次电子，从而使等离子体的密度能大大提高。

这种方案也就如图2所示，所产生的等离子体的密度得到了提高，能达到 10¹¹cm^-3以上。但是为了提高空心阴极的效应，必须把空心阴极制作得非常深，这样 所产生的等离子体大都空心阴极给束缚住了。因此它产生的高密度等离子体大都只 处于空心阴极的内部，不能在外部大范围存在，这对于材料表面改性来说就很不适 用了。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种等离子体产生装置，采用磁 约束线形空心阴极放电方式产生高密度大面积的等离子体片。

为了达到上述目的，本发明提供的一种等离子体产生装置，包括：一外壳12、 一与外壳12同轴放置的亥姆霍兹线圈11、一位于外壳12内的阴极9及一位于外壳 12内、与阴极9相对的阳极10，外壳12内部为真空腔体。

其中，所述阴极9采用沿轴向开口的空心金属管结构，即所述空心金属管轴向 不闭合；所述开口方向与阳极10相对，阴极9与阳极10平行设置。

其中，阴极9的开口尺寸为所述空心金属管的内壁直径的0.8～0.95倍。

其中，所述阴极9内壁及所述阳极10表面做抛光处理，以免出现火花放电；所 述阴极9外壁做高压绝缘处理。

其中，所述阳极10采用平板结构，可以是圆形、方形或多边形。

其中，所述外壳12采用普通玻璃，有机玻璃或聚碳酸酯材料制得。

本发明的优点在于：

1.本发明提供的等离子体产生装置采用的磁约束空心阴极方式能使等离子体密 度能大大提升。如图4所示，被阳离子撞击侧面阴极壁所产生的二次电子运动方向 垂直于磁场方向，会在磁场的作用下作圆周运动。当运动回阴极时会被阴极鞘层电 压反射回，所以其轨迹就会是如图所示的一个个半圆连接起来的形状。在阴极内的 运动路线变长使电子电离中性气体的概率变大，因而能大大增加阴极内阳离子数， 使阳离子碰撞阴极壁的频数大大增加。而正对阳极的阴极壁射出的二次电子运动方 向和磁场一致，会在磁场的引导下向阳极运动，同时使沿途的气体分子电离成等离 子体。由于侧壁发射的电子大大增加了阴极内阳离子数，所以发射的电子密度也就 大大增加了，同时磁场又限制了带电粒子的扩散，因而能生成更高密度的等离子体。 这种技术生成的等离子体密度能有10¹²cm^-3以上。