一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及热阴极技术领域，具体涉及一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源。
【背景技术】
[0002]氧化物阴极广泛用于电子工业领域，是热灯丝阴极的进一步发展。现在所说的氧化物阴极泛指在基金属表面喷涂一层碱土金属氧化物而制成的一类发射体的统称，文献G.赫孟，S.华庚纳著《氧化物阴极第一卷》、《氧化物阴极第二卷》，江剑平著《阴极电子学与气体放电原理》中对氧化物阴极有着详细的介绍。相对于热灯丝阴极，它的逸出功、工作温度都要低很多，但是发射效率却比钍钨阴极高很多。更为难能可贵的是，在脉冲放电模式下，它可以提供比热灯丝阴极大的多的电流密度。氧化物阴极在等离子体物理实验研宄中应用的典型实例是加州大学洛杉矶分校的LAPD(Large Area Plasma Device)，文献D.Leneman, ff.GekeIman, and J.Moggs, Rev.Sc1.1nstrum.77，015108 (2006)对该等离子体源的参数、构造及放电情况做了详细描述。
[0003]如图1，是氧化物阴极的工作原理的简化示意图，喷涂有氧化物涂层的高温基金属板作为阴极，并在距离其合适位置处放置一个阳极栅网，在阴极与阳极之间加上脉冲电压，使氧化物涂层中逸出的电子脱离出来，并获得一定的速度去碰撞中性的气体分子，使中性气体分子电离，产生等离子体。
[0004]目前氧化物阴极在工业上的应用一般尺寸较小。在某些应用领域，实验人员需要的大范围的均匀的本底等离子体环境，但现有技术中还没有尺寸较大的氧化物阴极。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，它具有结构性能稳定，能提供较大范围的均匀的等离子体环境的优点。
[0006]本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现:
[0007]一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，它包括由上梁、下梁和固定板组成的支撑框架，用来加热的灯丝阵列，设置在灯丝阵列后面及四周的金属反射板，阴极板；所述固定板为外多边形内圆形的环状结构，所述阴极板外边缘上设有触片。
[0008]所述固定板的圆切向和径行开有隔热狭缝。
[0009]所述固定板上设有缺口。
[0010]所述灯丝阵列由迂回穿过并排放置的多根耐高温绝缘陶瓷管的金属丝，陶瓷管，用来固定陶瓷管的开有U型槽的限位槽和限位杆组成。
[0011]所述金属丝为一根或者多根金属丝合成的一股。
[0012]所述阴极板与固定板之间的电连接由电连接片完成，电连接片是易变形的金属薄片。
[0013]本发明的有益效果是:本发明将阴极板与固定板之间的机械连接与电连接分开处理，既保证了二者之间的机械连接的稳定性，也保证了良好的电连接；固定板和阴极板触片上的跑道型孔可防止高温工作时膨胀变形较大而出现鼓起现象；固定板上的隔热狭缝可降低固定板与其他部件的接触点的温度，使得结构稳定。
【附图说明】
[0014]图1是氧化物阴极工作原理的简化示意图；
[0015]图2是本发明的优选实施例的正视图；
[0016]图3是本发明的优选实施例的左视图；
[0017]图4是本发明的优选实施例的灯丝阵列的细节结构示意图；
[0018]图5是本发明的优选实施例的局部电连接的细节结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明易于理解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0020]如图2-5所述，一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其主要部件包括上梁11、下梁12、阴极板13、固定板14、灯丝(或陶瓷管)阵列15、限位杆16，电连接片17、陶瓷管限位槽18、反射板19等部件。
[0021]由于工作时温度与装配时温度相差较大，且氧化物阴极的尺度比较大，本发明的支撑框架采用分段式，主要重量由上梁11，下梁12来承担。如图2，固定板上下各开有3个孔，其中下方中央的孔146，是圆形孔，其余孔为跑道型。下方的左右两个孔147为水平的跑道型孔，上方中央的孔145为竖直方向的跑道型，其左右两边为倾斜设置的跑道型孔144，其倾斜方向、倾斜角度视实际需要而定，根据阴极板的大小而变化，这里约15度。
[0022]本发明采用灯丝阵列旁热式加热，灯丝阵列的结构示意如图4所示，一根金属丝25或者多根金属丝合成一股，迂回穿过并排放置的多根耐高温绝缘陶瓷管23内。陶瓷管嵌到特制的开有U型槽的限位槽18内(简称限位槽)，限位槽的外面再放一根限位杆16，进一步限制陶瓷管的活动。几根陶瓷管串联组成一个单元，连接到电极24。多个陶瓷管单元组成的阵列称为陶瓷管阵列或灯丝阵列。
[0023]如图2所示，本实施例的固定板14设计为一个外八边形，内圆形的环状结构，如果希望，其也可以是外六边形内圆形等其他形状。其主要作用在于提供阴极板13的支撑，以及把电流均匀的引到阴极板上，我们不希望它工作的温度过高或者通过它损失太多的热量。固定板通过上下各3点接触与上下梁接触。为了降低这些接触点的温度，我们在固定板上内圆切向，开了 4条隔热狭缝141。其中上下的这2条狭缝有效减小了传导到接触点的热量。固定板工作时，其内边缘的温度是高于外边缘的，所以，其自身也有热膨胀不一致的问题，内边缘的热膨胀幅度要高于外边缘。为了避免这个不一致可能带来的风险，我们在固定板内圆径向上也开了 4条狭缝142，用来释放这个热应力。
[0024]固定板14与外围电路通过四角设置的专用连接点148连接。在这4个点附近开了4个缺口 143，一方面减少热量流失，降低连接点148的温度；另一方面，适当的缺口大小，可以降低阴极板13的四个角温度，提高阴极板温度的均匀性。
[0025]如图2、图3，限位槽18是直接与陶瓷管23接触的，其工作时的温度很高。为应对其工作时的热膨胀，我们把其上端设计成可以上下自由活动。图3右上，限位槽上端182是圆柱形的，在上梁的对应部分有一个圆孔，此圆孔限定限位槽径向的自由度，但其可以在轴向可以自由活动。图3右下，为了增大限位槽与下梁之间的热阻，限位槽的下端并不与下梁直接接触，用一个定位板26来限制其水平方向的摆动，并在限位槽下方安装了一个圆头螺钉22，限位槽放置在这个螺钉上。另一方面，为避免限位槽18的热辐射直接作用到上下梁，我们在限位槽与上下梁之间还设置了一层反射板20，这个反射板同时起到固定限位杆16的作用。
[0026]图5是阴极板与固定板之间接触细节的局部放大图。阴极板的圆形边上均匀的伸出12个触片131，其每个触片上有I个跑道型的孔132，固定板上对应的有一个圆形孔。之所以在阴极板上设置12个跑道型孔，是考虑到阴极板与固定板在高温工作时，二者的热膨胀程度不同。这个12个点配合，只是保证阴极板与固定板的机械连接，但为了使热脏冷缩在连接处的自由伸缩，这12个连接点并不紧固配合。为了弥补上述配合可能带来的电连接不良的缺陷，额外设置了电连接片17。电连接片的两端各有一个折弯部分172，其与阴极板上对应的折弯部分133紧固配合。电连接片的折弯部分171与固定板14之间紧固配合。电连接片是一个薄片，在圆形阴极板的径向方向易变形，以抵消阴极板与固定板不同热伸缩量。电连接片17将电流均匀的引到阴极板的12个触片上，尽可能的保证阴极板电势的均匀性。
[0027]灯丝阵列组成了一个近似于扁平的块状的热源，其热辐射朝两个方向接近各一半，为了提高热利用效率，减少热损失，同时降低其他外围部件的热负载，我们在灯丝阵列的另一面设置了反射板19，反射板19是一块薄金属板，其需要在高温下较好的保持原状，且高温下，其表面依然有比较高的热反射率。本实施例的反射板采用薄钼板。反射层可以是单层，也可以是多层，视实际需要而定，这里是多层。类似的，在灯丝阵列的四周也设有反射层，进一步减少热损失。
[0028]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。
【主权项】
1.一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:它包括由上梁、下梁和固定板组成的支撑框架，用来加热的灯丝阵列，设置在灯丝阵列后面及四周的金属反射板，阴极板；所述固定板为外多边形内圆形的环状结构，所述阴极板外边缘上设有触片。
2.根据权利要求1所述的一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:所述固定板的圆切向和径向开有隔热狭缝。
3.根据权利要求1所述的一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:所述固定板上设有缺口。
4.根据权利要求1所述的一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:所述灯丝阵列由迂回穿过并排放置的多根耐高温绝缘陶瓷管的金属丝、陶瓷管、用来固定陶瓷管的开有U型槽的限位槽和限位杆组成。
5.根据权利要求4所述的一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:所述金属丝为一根或者多根金属丝合成的一股。
6.根据权利要求1所述的一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，其特征在于:所述阴极板与固定板之间的电连接由电连接片完成，电连接片是易变形的金属薄片。
【专利摘要】本发明公开了一种大面积高电离率氧化物阴极等离子体源，它包括由上梁、下梁和固定板组成的支撑框架，用来加热的灯丝阵列，设置在灯丝阵列后面及四周的金属反射板，阴极板；所述固定板为外多边形内圆形的环状结构，所述阴极板外边缘上设有触片；所述阴极板与固定板之间的电连接由电连接片完成，电连接片是易变形的金属薄片。本发明具有结构性能稳定，能产生大范围的均匀的等离子体环境的优点。
【IPC分类】H01J37-08
【公开号】CN104681381
【申请号】CN201510066213
【发明人】谢锦林, 胡广海, 金晓丽, 袁林, 张乔枫, 杨尚川
【申请人】中国科学技术大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月4日