一种高功率强流离子源四电极支撑座组件的制作方法

本实用新型属于一种高功率离子源技术领域，具体涉及一种高功率强流离子源四电极支撑座组件。

背景技术：

离子源是使中性原子或分子电离，产生等离子体，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件。离子源通常来说主要由等离子体发生器和电极系统组成。用于受控核聚变装置中的中性束注入器离子源的束能量范围40keV-1MeV，束流强度一般是几十安培量级范围，由此中性束离子源体积大，束流引出面积大，结构复杂。当束能量大于60keV时，为了更好地引出数十安培的离子束，强流离子源通常采用四层电极系统，如图1所示，面对等离子体的为第一电极(又可称为等离子体电极)，依次向下，第二层为第二电极(梯度极)，第三层为抑制极，第四层为地电极。第一第二电极之间电场用来引出离子束,第二第三电极主要用来加速离子形成高能离子束，第三第四电极之间的电场用来抑制出口区域的电子返流。对于引出面积大于几十平方厘米以上的多层电极栅板，为了得到强流离子束，需要在电极栅板制作出数百个小圆孔型或者数十个狭缝型结构的离子束引出孔。为了满足离子束引出的物理理论需求，每层电极栅之间的距离在毫米量级范围，在毫米量级的间隙内加载上几十千伏的高电压，同时保证电极不发生高电压击穿现象，这就需要多层电极栅板之间的电场强度均匀一致性好，由此对每层电极栅之间的平行度要求极高，一般需要在0.1mm以内，另外，电极区域的真空度也需要低于0.1Pa。

本实用新型涉及的高功率离子源大尺寸电极支撑座组件，是用来支撑离子源上的多层电极栅板，并提供水冷通道，同时将四层电极的电位绝缘隔离。它主要包括电极法兰，电极支撑架，绝缘环等几个部件。目前，小型离子源电极支撑系统中的绝缘环多数选择圆形陶瓷筒通过可法焊接到不锈钢法兰上，这种结构不适用于矩形截面的大尺寸绝缘腔上。目前合肥EAST托卡马克中性束离子源电极绝缘环采用的是环氧材料，利用粘接工艺完成与电极法兰的密封连接，这对粘接精度要求非常极高，为了保证一定的粘接强度，粘接后不允许进行再次加工，由此很可能导致每层法兰上装配面的平行度超差，由此导致电极栅板层与层之间的平行度较差，无法实现高参数运行。另外，根据高电压击穿原理可知电击穿现象还与真空度密切相关，真空度越低，发生电极穿的概率越小。目前离子源电极系统的真空度取决于电极绝缘与密封材料的真空放气率和电极栅进口的进气量与出口处的抽气量等几个因素，为了保持较低的真空度，抽气系统的动态抽速要求较高，如果是多个离子源同时工作，抽气系统的抽速要达到数十万升每秒的超高速抽气系统，造价非常昂贵。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高功率强流离子源四电极支撑座组件。

本实用新型的技术方案是这样：

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，包括：第一法兰、第一绝缘腔、第二法兰、第二绝缘腔、第三法兰、第三绝缘腔、第四法兰、第二电极支架、第三电极支架、第四电极支架，第一电极栅、第二电极栅、第三电极栅、第四电极栅；

所述第一法兰用来支撑第一电极栅，为第一电极栅的水冷回路提供进出通道；它与第一绝缘腔和第一电极栅以及外部法兰配合，第一法兰与第一绝缘腔连接配合面上有一密封槽，用来放置O型氟橡胶密封圈；在连接配合面上的密封槽的靠近腔体内侧等间距排布32个螺栓，利用螺栓压紧密封圈进行第一法兰与第一绝缘腔真空密封；第一法兰与第一电极水路连接的第一电极水管，通过第一电极水管密封小法兰与第一法兰连接；

第二法兰连接第二电极支架共同支撑第二电极栅，并为第二电极栅的水冷回路提供进出路径；第二法兰与第一绝缘腔、第二绝缘腔、第二电极支架、第二电极水管连接配合；第二法兰与第一绝缘腔的配合面上有一个用来放置O型氟橡胶密封圈的密封槽，28个紧固螺栓在配合面上的密封槽的靠向腔体外侧等间距排布，螺栓的排布在空间上避开水路路径；第二电极水管是用来冷却第二电极栅的，第二电极水管的两端通过小密封法兰分别与第二法兰和第二电极栅连接，第二电极水管共有6对；第二法兰与第二绝缘腔是通过O型氟橡胶密封圈和紧固螺栓压紧连接的，共有28个螺栓等间距排布在密封槽的靠近腔内侧；

第三法兰与第三电极支架组合后用来支撑第三电极栅，并给第三电极栅水冷回路提供进出通道；第三法兰与第二绝缘腔和第三绝缘腔以及第三电极支架以及第三电极水管配合；第三法兰与第三绝缘腔的配合面上设置有密封槽，压紧密封圈的紧固螺栓孔在密封槽靠近腔体的外侧；第三法兰与第二绝缘腔配合面上有一个用来进行真空密封的密封槽和28个紧固螺栓孔，螺栓孔在密封槽靠近腔体的内侧；

第四法兰与第四电极支架组合后用来支撑第四电极栅，并给第四电极栅水冷回路提供进出路径；第四法兰与第三绝缘腔以及第四电极支架以及第四电极水管配合；第四法兰与第三绝缘腔配合面上也有一用来真空密封的密封槽，28 个紧固螺栓在密封靠近腔体的槽内侧等间距排布。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述第二电极水管及其小密封法兰均放置在第二电极支架的外表面，第三电极水管放置在了第三电极支架与第四电极支架之间。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述的每个法兰与绝缘腔和电极支架配合面的平面度为0.1mm，平行度为0.04mm。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述第一绝缘腔、第二绝缘腔和第三绝缘腔的材料都为PEEK，PEEK绝缘腔与法兰之间通过O型密封圈紧固连接，绝缘腔与法兰的装配面同时也是密封面，光洁度为1.6微米，每层配合面上相应位置排布有紧固螺纹孔。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述第一绝缘腔和第三绝缘腔的外形尺寸均为698mm*428mm，腔厚度均为28mm，高度分别为48mm和38mm；第二绝缘腔由三个绝缘环利用40个间距为50mm的型号为M10的PEEK螺栓紧固连接，真空密封结构是O型氟橡胶压紧密封，第二绝缘腔的总高度为 128mm，外形尺寸为700mm*480mm，腔厚度为52mm。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述第二电极支架与第二法兰和第二电极栅连接，第三电极支架与第三电极栅和第三法兰连接，第四电极支架与第四电极栅和第四法兰连接；第二电极支架在上下平面中心位置设置有上下开口，开口尺寸为528mm*235mm，总高度为44mm，支架的厚度大于10mm；第三电极支架在中心位置设置上下开口，上端开口尺寸为468mm*201mm，下端开口尺寸528mm*261mm，总高度126mm，厚度为10mm，第四电极支架开口尺寸为436mm*171mm，总高度为139mm，壁厚10mm。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，所述第三电极支架和第四电极支架的侧壁上均开有30-60条宽度为1mm，长度90mm的细缝，细缝之间的间距20mm-40mm。

一种高功率强流离子源四电极支撑座组件，装配后，检测三个支架上每层电极装配面相对于第四法兰基准面A或者相对于第一电极配合面的平行度，并进行二次机加工，修整四层支架的平行度公差在0.04mm以内，每层支架与电极配合面要预留修整余量为1mm。

本实用新型的有益效果在于：

(1)本实用新型中提出的电极支撑座组件，可以对装配后的电极支架配合面进行平行度修正，降低了单个部件的加工精度要求，每层电极装配面的平行度可以达到0.04mm以内，确保了电极之间电场的均匀一致性，降低高参数引出时的打火概率。

(2)本实用新型在不影响离子束引出孔区电极结构的同时，在三个电极支架上制作出数十条1mm宽度的狭小细缝结构，降低了绝缘腔杂质气体通过离子束引出孔排出的概率，减少了杂质气体对离子束引出性能的影响。

(3)该电极支撑结构增加了电极系统抽气口面积，可降低电极区域的真空度，从而降低了对真空抽气系统动态真空抽速的要求，降低了真空系统的造价成本。

附图说明

图1为高功率大尺寸离子源四电极系统三维示意图。

图2为大功率离子源四电极系统短边方向二维结构视图。

图3为高功率强流离子源四电极支撑座组件长边方向二维剖视图。

图4为本实用新型所述的一种齿辊破碎机的剔齿装置的下刀座的结构示意图。

图中：1、第一法兰；2、第一绝缘腔；3、第二法兰；4、第二绝缘腔；5、第三法兰；6、第三绝缘腔；7、第四法兰；8、第二电极支架；9、第三电极支架；10第四电极支架；11、第一电极栅；12、第一电极水管；13、第一电极水管密封小法兰；14、第二电极水管；15、第三电极水管；16、第四电极水管； 17第二电极栅；18、第三电极栅；19、第四电极栅；20、离子束引出孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。

以80kV,45A，5s离子源电极支撑组件为例给出具体实施方式。该离子源电极支撑组件如图3所示，外形尺寸长度780mm宽度506mm，高度318mm。主要由第一法兰1、第一绝缘腔2、第二法兰3、第二绝缘腔4、第三法兰5、第三绝缘腔6、第四法兰7、第二电极支架8、第三电极支架9，第四电极支架10等部件组成。

第一法兰1用来支撑第一电极栅11，为第一电极栅11的水冷回路提供进出通道。它与第一绝缘腔2和第一电极栅11以及外部法兰配合，第一法兰1与第一绝缘腔2连接配合面上有一密封槽，用来放置O型氟橡胶密封圈；在配合面上的密封槽的靠近腔体内侧等间距排布32个螺栓，利用螺栓压紧密封圈进行第一法兰1与第一绝缘腔2真空密封。第一法兰1与第一电极水路连接的第一电极水管12，通过第一电极水管密封小法兰13与第一法兰1连接。

第二法兰3连接第二电极支架8共同支撑第二电极栅17，并为第二电极栅 17的水冷回路提供进出路径。第二法兰3与第一绝缘腔2、第二绝缘腔4、第二电极支架8、第二电极水管14连接配合。第二法兰3与第一绝缘腔2的配合面上有一个用来放置O型氟橡胶密封圈的密封槽，28个紧固螺栓在配合面上的密封槽的靠向腔体外侧等间距排布，螺栓的排布在空间上要避开水路路径。第二电极水管14是用来冷却第二电极栅17的，第二电极水管14的两端通过小密封法兰分别与第二法兰3和第二电极栅17连接，第二电极水管14共有6对。由于第二电极支架8与第三电极支架9之间的空间小，电场强度高，容易引起局部电极穿，所以第二电极水管14及其小密封法兰均放置在第二电极支架8的外表面，如图2所示。第二法兰3与第二绝缘腔4是通过O型氟橡胶密封圈和紧固螺栓压紧连接的，共有28个螺栓等间距排布在密封槽的靠近腔内侧。

第三法兰5与第三电极支架9组合后用来支撑第三电极栅18，并给第三电极栅18水冷回路提供进出通道。第三法兰5与第二绝缘腔4和第三绝缘腔6以及第三电极支架9以及第三电极水管15配合。第三法兰5与第三绝缘腔6的配合面上设置有密封槽，压紧密封圈的紧固螺栓孔在密封槽靠近腔体的外侧。由于第二电极支架8与第三电极支架9的空间距离小，为了避免局部击穿，第三电极水管15放置在了第三电极支架9与第四电极支架10之间。第三法兰5与第二绝缘腔4配合面上有一个用来进行真空密封的密封槽和28个紧固螺栓孔，螺栓孔在密封槽靠近腔体的内侧。

第四法兰7与第四电极支架10组合后用来支撑第四电极栅19,并给第四电极栅19水冷回路提供进出路径。第四法兰7与第三绝缘腔6以及第四电极支架 10以及第四电极水管16配合。第四法兰7与第三绝缘腔6配合面上也有一用来真空密封的密封槽，28个紧固螺栓在密封靠近腔体的槽内侧等间距排布。由于第四法兰7外侧装配法兰空间的限制，第四电极连接水管16与第四法兰7连接的小水管法兰放置在了第四法兰7内侧面上，如图2所示。

以上每个法兰与绝缘腔和电极支架配合面的平面度为0.1mm，平行度为 0.04mm。

第一绝缘腔2、第二绝缘腔4和第三绝缘腔6的材料都为PEEK，中文名称为聚醚醚酮，PEEK绝缘腔与法兰之间通过O型密封圈紧固连接，绝缘腔与法兰的装配面同时也是密封面，因此光洁度满足真空密封的要求，在本实施例中，要求光洁度为1.6微米。每层配合面上相应位置排布有紧固螺纹孔。

第一绝缘腔2和第三绝缘腔6的外形尺寸698mm*428mm，腔厚度均为 28mm，高度分别为48mm和38mm。第二绝缘腔4由三个绝缘环利用40个间距为50mm的型号为M10的PEEK螺栓紧固连接，真空密封结构是O型氟橡胶压紧密封，第二绝缘腔4的总高度为128mm，外形尺寸为700mm*480mm，腔厚度为52mm。

第二电极支架8与第二法兰3和第二电极栅17连接，第三电极支架9与第三电极栅18和第三法兰5连接，第四电极支架10与第四电极栅19和第四法兰 7连接。由于每层电极栅外形大小不同，三个电极支架上的外形尺寸及开口尺寸各不相同。第二电极支架8在上下平面中心位置设置有上下开口，开口尺寸为 528mm*235mm，总高度为44mm，为了防止变形，支架的厚度需要大于10mm。第三电极支架9在中心位置设置上下开口，上端开口尺寸为468mm*201mm，下端开口尺寸528mm*261mm，总高度126mm，厚度为10mm，第四电极支架10 开口尺寸为436mm*171mm，它的开口尺寸最小，总高度为139mm，壁厚10mm。

第二绝缘腔4在三个腔体中表面积最大，使用的密封圈最多，所以通过绝缘腔及其密封圈进入绝缘腔内的杂质气体较多，为了降低杂质气体对离子束引出性能的影响，在第三电极支架9和第四电极支架10的侧壁上均开有30-60条宽度为1mm，长度90mm的细缝，细缝之间的间距为20mm-40mm，如图4所示，用来降低电极区域的真空度，细缝宽度如果太大可能导致带电离子在此区域的定向加速，从而影响离子束引出区域的正常运行。

组件装配顺序如下，由下而上，先组装第四法兰7与第三绝缘腔6，再装配第三法兰5，第二绝缘腔4先装配三个绝缘环后再装配到第三法兰5上，然后将第一绝缘腔2与第二法兰3组装后再一起装配到第二绝缘腔4上，最后装配第一法兰1。每装配一层时，检测该装配件的轴心是否与已组装件的轴心一致，并调整同轴度达到0.1mm以内，同时检测并调整每层法兰与支架的配合面的平行度公差小于0.2mm。然后检测真空密封性，确认密封性完好的前提下，固定绝缘腔位置不变。再依次装配第二电极支架8，第三电极支架9，第四电极支架10，装配后检测三个支架上，装配后，检测三个支架上每层电极装配面相对于第四法兰基准面A或者相对于第一电极配合面的平行度，并进行二次机加工，修整四层支架的平行度公差在0.04mm，由此每层支架与电极配合面要预留修整余量 1mm左右。

如果修整量过大，将可能导致装配孔位置度超差，无法与电极栅连接。修正后再依次加工第二电极支架8，第三电极支架9，第四电极支架10的定位孔以备下次装配时整体结构的重复实现。电极组件与电极栅和水路整体组装时，要先将每层电极栅装配到相对应的电极支架上构成电极组件，然后依次装配第三电极组件，第三电极水管，再装配第四电极组件，第四电极水管，然后将腔体翻转后再装配第二电极组件及第二电极水管，最后装配第一电极栅11。

根据该方式加工成型的离子源电极支座组件已经使用在了80keV，40A弧放电离子源上，电极栅装配后的平行度小于0.1mm。在真空抽速只有5000l/s的单台分子泵抽气的弧放电离子源测试平台上，已经实现了65keV，27A的正氢离子束引出，在抽速如此低的条件下得到这样的实验结果尚属首次，也验证了该结构的优越性。下一阶段随着系统的老练与抽气系统的性能改进，离子束参数会得到进一步提升。