[发明专利]角向速度连续可调的等离子体射流源及该射流源的使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种等离子体射流源。

背景技术

等离子体是由大量相互作用但处于非束缚状态下的带电粒子组成的非凝聚系统，根据物理性质，等离子体分为高温等离子体与低温等离子体两类。低温等离子体电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体，也叫非平衡态等离子体。低温等离子体在基础工业和高科技领域，如薄膜沉积、材料表面改性、超细微粉制备、等离子体化学合成与分解等方面的广泛应用促进了对等离子体源的强烈需求。其中，基于霍尔效应的新型等离子体源能产生高密度高速度的低温等离子体射流，因此被称为霍尔等离子体射流源，并以其高效率、低耗能的优点成为了低温等离子体源的研究热点。霍尔等离子体射流源是中空共轴的，由阳极、阴极、待电离气体分配器、通道套筒及磁路组成，其基本结构如图1所示，通道内的磁场由内外线圈或永磁铁产生。霍尔等离子体射流源工作原理为：分别将两个半径不同的陶瓷套管固定在同一轴线上组成了具有环形结构的等离子放电通道。内外励磁线圈和磁极将在通道内产生磁场，正常工作状态下通道内磁场方向主要沿通道半径方向。在径向磁场的条件下，阳极和阴极之间的放电等离子体在通道内将产生自洽的轴向电场，这样，环形通道内将形成正交的电磁场，阴极发射出来进入通道的电子在正交的电磁场作用下将形成角向漂移方向)，也称霍尔漂移，大量电子在环形通道内的漂移运动形成了霍尔电流。另一方面待电离气体通过气体分配器进入通道，与电子相互作用电离成离子，然后被电场加速喷出。喷出的离子流与阴极释放出的一部分电子进行中和形成等离子体射流。中性的等离子体射流不会引起空间电荷效应。

现有的霍尔等离子体射流源喷出的等离子体射流只有轴向速度和径向速度，角向速度很小，然而在很多领域要求射流具有较大角向速度，如等离子体质量分离，因此设计一种能产生角向速度连续可调的等离子体射流的装置具有重大的应用价值。然而构建出符合工程要求的角向速度连续可调新型等离子体射流源难度很大。

发明内容

本发明是为了解决构建角向速度连续可调等离子体射流源难度很大，现有等离子体射流源角向速度不能够连续可调，且达不到高密度、高角向速度的问题，现提供角向速度连续可调的等离子体射流源及该射流源的使用方法。

角向速度连续可调的等离子体射流源，它包括：霍尔等离子体射流源和角向加速器；

霍尔等离子体射流源为圆环形；

角向加速器包括：加速器外壳、加速器外励磁线圈、加速器外磁极、加速器内励磁线圈、加速器内磁极、加速器铁芯和加速器底板；

加速器外壳为圆筒形，加速器外励磁线圈、加速器外磁极和加速器内励磁线圈均为圆环形，加速器内磁极和加速器底板均为圆形，加速器铁芯为圆柱形；

加速器外壳和加速器铁芯的长度相等，加速器外壳的外径、加速器外磁极的外径和加速器底板的直径均相等，加速器内励磁线圈的外径和加速器内磁极的直径相等，加速器外励磁线圈的内径和加速器外磁极的内径相等，加速器外励磁线圈的内径大于加速器内励磁线圈的外径；

加速器底板固定在加速器外壳的一端，加速器外磁极固定在外壳的另一端，圆柱形加速器铁芯的一端固定在加速器底板上，加速器内磁极固定在圆柱形加速器铁芯的另一端，加速器内励磁线圈套固在圆柱形加速器铁芯外侧，且该加速器内励磁线圈与加速器内磁极紧密配合，加速器外励磁线圈套在加速器内励磁线圈外侧，该加速器外励磁线圈嵌固在加速器外壳内侧壁上，且该加速器外励磁线圈与加速器外磁极紧密配合；

加速器外壳、加速器外励磁线圈、加速器外磁极、加速器内励磁线圈、加速器内磁极、加速器铁芯和加速器底板均同轴；

加速器外磁极和加速器内磁极之间的空隙为角向加速器的圆环形通道；

霍尔等离子体射流源套在加速器铁芯外侧，且霍尔等离子体射流源位于加速器外壳和圆柱形加速器铁芯的空隙之间。

上述角向速度连续可调的等离子体射流源的使用方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对霍尔等离子体射流源的射流源外励磁线圈和射流源内励磁线圈通电，霍尔等离子体射流源中产生等离子体射流；同时对角向加速器的加速器外励磁线圈和加速器内励磁线圈通电，角向加速器的磁通道内获得径向磁场，从而获得具有角向速度的带电粒子；

步骤二：调节对角向加速器的加速器外励磁线圈和加速器内励磁线圈施加电流的大小，获得磁通密度在0高斯至10000高斯的范围内连续可调的径向磁场，从而获得角向速度在0km/s至10km/s的范围内连续可调的具有角向速度的带电粒子。