本发明涉及低温等离子体技术领域，具体涉及的是一种紧凑型大功率空心阴极放电装置。
背景技术：
目前，在工业和科研应用领域，低温等离子体技术在材料表面处理、冶金、辅助燃烧等方面发挥了巨大的作用以及良好的应用前景。在实际应用过程中需要根据工艺参数和应用工环境的不同，选择合适的等离子体源。然而，在现有的等离子体应用中，由于限定于特定的等离子体产生原理、处理对象的尺寸和结构特点，导致了其装置普遍较复杂，并且只能对单一的样品进行处理。因此，这样的等离子体装置扩散到其它方面较困难。
而公开号为CN102376521A，名称为“等离子体处理装置和等离子体控制方法”公开的技术方案，则是利用多个同心圆环状的空心阴极放电，形成较大面积的等离子体，然后通过改变阴极和阳极之间的电压调节等离子体的密度。但其对电源功率的需求很大，装置结构较复杂。
此外，对于很多空心阴极放电装置而言，由于受到热效应的影响，等离子体放电一般处在辉光放电区间，因此，等离子体放电功率提高困难。另外，如商用的电感耦合等离子体源，微波等离子体放电源等，由于功率溃入的方式为间接性，能量利用效率普遍不高，等离子体离化率也相对较低，因而也难提高等离子体功率。
技术实现要素：
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种紧凑型大功率空心阴极放电装置，其可以产生高离化率的等离子体束流，并提高能量转化效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种紧凑型大功率空心阴极放电装置，包括密封管、空心阴极管、阴极板、第一绝缘板、辅助阳极板、绝缘管、永磁体、环状阳极板、第三水冷通道和控制电源，其中：
所述空心阴极管安装在阴极板上并且可以前后调节移动；
所述密封管与阴极板连接，并将空心阴极管套入其中，以实现对空心阴极管的密封，并为空心阴极管的移动预留余量；该密封管顶部还设有用于将气体输入至空心阴极管中的气体导入口；
所述辅助阳极板用作等离子体的弧电极，所述第一绝缘板用于实现阴极板和辅助阳极板的绝缘；
所述绝缘管设置在第一绝缘板上，用于防止等离子体起弧打火；
所述永磁体和第三水冷通道均设置在辅助阳极板外部；
所述环状阳极板用作等离子体的工作电极，其与辅助阳极板底部间隔30～50厘米，并与空心阴极管之间形成高密度等离子体束流；
所述控制电源包括起弧电源和恒定电流源，其中，起弧电源分别与阴极板和辅助阳极板连接；恒定电流源正极通与环状阳极板连接，负极与阴极板连接。
进一步地，所述阴极板内还开设有用于通入冷却水以对空心阴极管进行冷却的第一水冷通道。
再进一步地，所述辅助阳极板内还开设有用于通入冷却水以防止空心阴极管发生烧蚀、并损坏阴极板的第二水冷通道。
更进一步地，所述辅助阳极板上还设有第二绝缘板。
作为优选，所述空心阴极管为钽管或钽合金管，其安装在阴极板的中心轴线上，并通过螺钉锁紧。
作为优选，所述绝缘管为环状陶瓷管。
作为优选，所述第一绝缘板采用绝缘材料制成。
作为优选，所述阴极板、辅助阳极板和环状阳极板均由紫铜材料制成。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设计合理、维修方便、加工成本低廉，其通过密封管、空心阴极管、阴极板、辅助阳极板、环状阳极板的设置，可以满足多种气体的使用，并实现了高离化率等离子体束流的产生，进而有效地提高了能量的转化效率。
(2)本发明中的空心阴极前端处在永磁体产生的恒定磁场中，可以避免等离子体起弧和稳定放电过程中，空心阴极管和辅助阳极持续弧放电，从而确保本发明的温度不超过规定范围，从而使得等离子体放电功率范围大幅度提高。
(3)利用控制电源和环状阳极板的调节，本发明可以在很大范围内调节功率，从而满足不同场合的使用要求，并且本发明中的等离子体束斑尺寸可以由阴极内径和磁场位形调节，因此应用范围极广。
(4)本发明可根据工艺的实际需求选择样品的摆放位置，也可以调节等离子体放电电流大小来改变等离子体参数。因而等离子体的参数可选区间也较宽广。并且由于永磁体的存在，其不需要额外的磁场线圈来约束等离子体，因此整体结构简单，配备水冷通道后稳定性增强，进而可以灵活地应用于广泛的设备上。
(5)本发明中的空心阴极管不仅方便更换，而且通过前后移动的调整方式，也有效提高了空心阴极管的利用率高。
(6)本发明中，环状阳极板与空心阴极管之间的距离可根据实际情况选择，一般为几十厘米，这样可以使环状阳极板拥有足够的空间来对等离子体束的电子温度、密度等参数的空间分布进行诊断，从而方便科学研究和工艺探索。
(7)本发明中的所述阴极板、辅助阳极板和环状阳极板均由紫铜材料制成，不仅散热性好、电气性能优良，而且形状简单，容易加工。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
其中，附图标记对应的名称为：
1-密封管，2-空心阴极管，3-阴极板，4-第一绝缘板，5-辅助阳极板，6-第一水冷通道，7-绝缘管，8-永磁体，9-第二水冷通道，10-环状阳极板，11-第三水冷通道，12-第二绝缘板，13-起弧电源，14-恒定电流源。
具体实施方式
下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例
如图1所示，本发明提供了一种大功率的、基于空心阴极放电的紧凑型等离子体源，其包括密封管1、空心阴极管2、阴极板3、第一绝缘板4、辅助阳极板5、绝缘管7、永磁体8、环状阳极板10、第三水冷通道11和控制电源。所述空心阴极管2安装在阴极板3上，其可选用钽管或钽合金管，并通过螺钉锁紧于阴极板3中心轴线上。所述密封管1与阴极板3连接，并将空心阴极管2套入其中，以实现对空心阴极管的密封，该密封管顶部还设有用于将气体(例如Ar、He、N2、H2等多种气体)输入至空心阴极管2中的气体导入口。本实施例中，在使用时，空心阴极管2是从前端开始烧蚀的，因此，在空心阴极管前端烧蚀后，可以稍作处理向前调节空心阴极管继续使用，而所述的密封管1在长度上则为空心阴极管的移动预留一定的空间余量。
此外，所述的阴极板3内还开设有第一水冷通道6，用于通入冷却水，以对空心阴极管进行冷却，防止空心阴极管因温度过高而发生过度的烧蚀。
所述辅助阳极板5用作等离子体的弧电极，所述第一绝缘板4用于实现阴极板3和辅助阳极板5之间的绝缘。本实施例中，所述的第一绝缘板4采用耐高温的绝缘材料制成。并且，所述的辅助阳极板5内还开设有的第二水冷通道9，该第二水冷通道9靠近辅助阳极板5的底部开口，其同样用于通入冷却水，以防止在喷口处因等离子体温度过高而发生烧蚀并损坏阴极板，保证长时间稳定的等离子体放电。
所述绝缘管7设置在第一绝缘板4上，用于局部绝缘，避免等离子体起弧打火，本实施例中，该绝缘管7为环状陶瓷管。而所述永磁体8和第三水冷通道1均设置在辅助阳极板5外部，其中，永磁体8可设置多个，并且可以根据放电情况来选择充磁大小，一般为几百高斯即可，并且永磁体的位置可以调节，如当其前端面与辅助阳极的端面基本重合时，等离子体从空心阴极管中喷出后，在磁场和电场的作用下形成发散状态，使等离子体的作用面积增大；而第三水冷通道11在通入冷却水后，可以避免由于高温而导致永磁体失去磁性。
另外，所述的辅助阳极板5上还设有第二绝缘板12，该第二绝缘板12位于辅助阳极板5和真空直线磁场装置之间，用于本发明与真空直线磁场装置之间的绝缘，确保本发明工作时不会对真空直线磁场装置产生影响。
所述环状阳极板10用作等离子体的工作电极，其与辅助阳极板5底部间隔一定的距离(30～50厘米)，并与空心阴极管之间形成高密度等离子体束流。环状阳极的环状设计可以使等离子体参数在沿着中心轴旋转对称。
所述控制电源包括起弧电源13和恒定电流源14，其中，起弧电源13为高频高压电源，其分别与阴极板3和辅助阳极板5连接，起弧电源的正负极接法没有限制；恒定电流源14正极通与环状阳极板8连接，负极与阴极板3连接。
本发明的主要工作原理为：利用气体导入口经由密封管1向空心阴极管2中通入多种气体，此时，通过控制电源中的起弧电源13在阴极板3和辅助阳极板5之间加载一定的电压，使气体形成电弧放电的形式，永磁体8在空心阴极管2内部形成稳定的磁场。
电弧放电数秒后，开启恒定电流源14，并关闭起弧电源13，使得空心阴极管内产生稳定的等离子体，并由辅助阳极板5底部喷出，由于电场和磁场的作用，等离子体成发散状(如图1中的箭头所示)到达环状阳极板10，从而形成高离化率的等离子体束流。在这其中，由于磁场的约束，等离子体在空心阴极管内产生之后形成热压力，并朝着阳极喷出，减弱了等离子体与周围结构件的强相互作用，使得等离子体的功率可以大幅度提高。
本发明结构简单、功率大，等离子体的参数区间宽，可以应用到更宽广的科研和工业应用中。因此，与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。