[发明专利]一种多通道大面积高密度直流电弧等离子体源

说明书

本发明提供一种多通道大面积高密度直流电弧等离子体源，包括：阴极、阴极座、阳极和级联片单元，阴极固定于阴极座上，级联片单元设置在阴极座与阳极之间，级联片单元包括多个平行叠置的级联片；阴极座与级联片之间，相邻级联片之间，级联片与阳极间设置有绝缘件和真空密封橡胶圈；阴极座、级联片和阳极分别设置有七个通孔构成放电通道。本发明的放电通道产生的大面积高密度等离子体束流能用于等离子体与物质相互作用的科学研究及工业应用，特别是用于辐照大尺寸的聚变材料或装置部件。放电通道都能独立控制，调节不同通道的放电参数改变等离子体参数及束流的空间分布，能满足科学研究和工业应用，以及聚变堆中不同位置部件的模拟辐照实验条件。

技术领域

本发明涉及等离子体物理及应用科学研究领域，尤其涉及一种多通道大面积高密度直流电弧等离子体源。

背景技术

面对全球能源消费趋势，磁约束核聚变被视为未来解决能源问题的重要途径。在磁约束核聚变装置中，第一壁会与边界等离子体发生相互作用(PWI)，其中边界等离子体的束流密度可高达～10²⁴m^-2s^-1，这导致PWI过程具有复杂的物理和化学过程。受限于应用聚变装置进行PWI实验成本很高、效率较低的问题，在实验室内产生与边界等离子体参数类似的等离子体对壁材料进行辐照是目前研究PWI过程的常用手段。

目前研究PWI过程的直线等离子体装置中，级联弧等离子体源是一种被广泛认可的等离子体源，具有以下几个优点：(1)结构简单，放电稳定，可以稳态放电数小时；(2)可以产生高密度等离子体，束流密度与托卡马克边界等离子体参数相当；(3)放电所需的直流电源技术成熟，成本低。

现有的级联弧等离子体源普遍辐照面积小或仅在一维截面空间加长(例如专利201910192042所示)，对大尺寸的聚变材料或结构复杂的装置部件不能进行二维截面空间均匀的辐照实验，而且单通道等离子体源不能根据聚变堆实际情况产生特定空间分布的等离子体束流。因此，一种能够在二维截面产生大面积高密度等离子体并且可以调节束流参数及空间分布的等离子体源成为进行PWI实验的迫切需要。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有的级联弧等离子体源普遍辐照面积小或仅在一维截面空间加长上述对大尺寸的聚变材料或结构复杂的装置部件不能进行二维截面空间均匀的辐照实验，而且单通道等离子体源不能根据聚变堆实际情况产生特定空间分布的等离子体束流的问题，提出一种多通道大面积高密度直流电弧等离子体源，该等离子体源能够在二维截面产生大面积高密度等离子体，并且可以调节束流参数及空间分布。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多通道大面积高密度直流电弧等离子体源，包括：阴极1、阴极座2、阳极4和级联片单元3，所述阴极1固定于阴极座2上，阴极1的一端由阴极座2密封；所述级联片单元3设置在阴极座2与阳极4之间，所述级联片单元3包括多个平行叠置的级联片；所述阴极座2与级联片之间，相邻级联片之间，级联片与阳极4间设置有绝缘件和真空密封橡胶圈；所述阴极座、级联片和阳极分别配合的设置有多个通孔，每个通孔与阴极1连通，构成放电通道，每个放电通道具有独立的进气通道。

进一步地，所述级联片单元3包括3-9个平行设置的级联片。

进一步地，所述阴极1由纯钨或其合金制成，纯钨或其合金外由不锈钢外壳密封。

进一步地，所述阴极座2、级联片和阳极4的材料为铜或钢，放电通道内与等离子体接触处材料为钨、钼或其合金。

进一步地，所述绝缘件材料为绝缘陶瓷或聚四氟乙烯。

进一步地，所述阴极座2和级联片的通孔形状为圆柱形，尺寸为直径3-10mm；所述阳极4为开口逐渐增大的喇叭形。