专利名称：一种改变等离子体参数的方法
技术领域：
本发明涉及低温等离子体产生及控制领域，具体地，本发明涉及一种改变等离子体参数的方法。
背景技术：
等离子体是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态，广泛的应用于等离子体冶炼、等离子体喷涂和等离子体焊接领域中。具有广泛的应用，其中等离子体的离子产生方法包括1.射频电离等离子体源，应用高温等离子体，等离子体波研究等。2.电子回旋共振等离子体源。3.微波等离子体源，应用低温等离子体，空间环境模拟，等离子体天线等。 4.束-等离子体离子源，利用的是在阴极和阳极之间的电子束或直线直流电弧放电。电子束与包含有用成分的气体相互作用产生等离子体，离子从等离子体中引出，然后用分离的电极把离子加速到希望的能量。他们的一个共同特点就是都是在密闭空间中产生。现有的人工控制改变等离子体参数技术，都是通过控制腔内气体密度，或改变电极间的电场强度，达到改变等离子体参数的目的。但是通过改变腔内气体的密度的方法要求必须在密闭容器内进行，改变的也是容器内的等离子体密度；此外，还可以通过改变电极间的电场强度进而改变等离子体的参数，但是该方法仅局限于改变人工制造出来的等离子体的参数，对于自然产生的等离子体(如闪电、电弧放电、高速运动摩擦产生高温)，目前还没有很好的方法能够解决。因此，目前在密闭的容器中对等离子体进行参数控制的手段仅仅是改变腔体内的密度和改变电极间的电场强度，使其应用受到限制，同时对于自然界中非封闭环境中产生的等离子体还不能进行调控。
发明内容
本发明的目的在于为了克服上述问题，提供一种改变等离子体参数的方法。为了实现上述目的，本发明提供的改变等离子体参数的方法包括以下步骤采用离子产生装置产生正离子，然后将正离子通入并与等离子体中的电子中和， 以改变等离子体的参数。所述离子产生装置包括工作气体储存罐1、等离子体矩2、微波源3和线圈4 ；所述等离子体矩2包括同轴设置的外导体5、内导体6、短路活塞7和喷口 8，所述短路活塞7位于外导体5和内导体6之间；所述微波源3设置于外导体5前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体5和内导体6及短路活塞7之间形成微波谐振腔9 ；所述外导体5前部外面缠绕包覆线圈4，用于通电后产生螺旋磁场，螺旋磁场的作用在于控制离子按一定的方向和速度运动，同时将产生的离子和电子进行分离。本发明所述方法具体包括以下步骤
1)工作气体经流量调节后进入内导体6中，微波源3通过内导体6和外导体5给所述工作气体提供能量，工作气体吸收能量后发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子；2)所述带有正电荷的离子和电子在外导体5包覆的螺线管产生的磁场中发生偏转，电子质量小、回旋半径较大而被腔体内壁吸收，带正电荷的离子则从喷口 8溢出；3)将分离得到的带正电荷的离子通入到高电子密度的等离子体中，带有正电荷的离子和带负电的电子进行中和，以改变等离子体的参数。根据本发明的改变等离子体参数的方法，所述步骤1)中还包括以下步骤通过调节和外导体5、内导体6同轴套设的调节短路活塞7与外导体5之间的位置，使调节短路活塞7与内导体6和外导体5所形成的谐振腔9长度为微波波长的3/4，以保证微波能量充分吸收。所述工作气体为惰性气体。用于实现本发明改变等离子体参数的方法的离子产生装置中所述工作气体储存罐1上设有流量控制器10。所述短路活塞7与外导体5和内导体6之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置， 用螺纹旋进、旋出的方法调节短路活塞与外导体及内导体之间的相对位置，即调节好合适位置后通过锁紧装置锁紧，防止移动，内导体也可以通过旋转调节位置，通过这种方式可以使调节更精确，且调节完成后，固定更容易。所述工作气体储存罐1采用的工作气体为惰性气体，包括氩气或氦气。“短路活塞”，是指在活塞端面处，形成电的短路面，在调节短路活塞的同时，观测微波功率被吸收的情况，在某一点(谐振腔长度在3/4波长附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率达到最大限度的吸收利用，在气体从喷口喷出的同时产生离子。根据本发明的改变等离子体参数的方法，所述方法基于的装置是利用等离子体矩，在工作气体、微波功率源、螺旋磁场的共同作用下，产生离子并使离子按照一定的方向和速度喷射出去(喷射到等离子体上)，达到改变等离子体密度的作用根据本发明的一实施例，其具体的实现方式为工作气体经流量控制器10的调节后进入内导体6中，调节短路活塞7的与外导体5之间的位置，使调节短路活塞7与内导体 6和外导体5所形成的谐振腔长度在3/4波长左右，所述气体在吸收微波源3所提供的能量发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子，所述带有正电荷的离子和电子在螺线管通电后产生的沿腔体方向的磁场中发生偏转，其中电子质量较小，回旋半径较大，正离子质量相对电子很大，回旋半径较小，在带电粒子通过内导体6的过程中，电子由于回旋半径较大而在腔体内壁上被吸收，带正电荷的离子在行进过程中近似保持直线运动而从管口溢出，因而实现了带正电荷离子和电子的分离，分离得到的带正电荷的离子从内导体6加速出来后进入准中性的需要被中和的高电子密度的等离子体中，通过正常的正离子和带负电的电子进行正负电荷的中和，达到减小等离子体密度的效果。同时在本发明中通过控制气体流量， 微波功率，控制产生的离子密度，其中气体流量大，微波功率越高，产生的离子密度越大，和等离子体进行中和后，等离子体密度就低。具体数据可通过探针测试等离子体密度。因此本发明的装置工作时，工作气体以一定流量从气瓶内流出，经气体导管的内孔，从气体喷口喷出，同时，螺旋磁场开始工作，微波源提供能量，在短路活塞调节匹配的情况下，微波能量被气体吸收，产生离子，在螺旋磁场的作用下，离子喷向等离子体，达到改变等离子体参数的目的。本发明的优点在于1)通过本发明的方法对等离子体进行参数的控制时不再局限于密闭的腔体中进行，解决了自然界中产生的等离子体参数不能控制的问题，应用更加广泛。2)可以对特定区域(部位)的等离子体参数进行控制，采用本发明的喷射离子的方法改变等离子体的参数，对于高速运动摩擦产生的等离子体有效，在判准摩擦部位后，可以将离子作用于该处，改变等离子体密度，或者说由人工控制特定区域(部位)的等离子体密度，因此控制更加灵活。3)实现本发明方法的装置结构小巧灵活，在有限的尺寸条件下，完成了能量馈入， 电离激发过程，这是其他电离装置所不能达到的；通过改变微波能量大小及工作气体流量， 能够改变电离的离子能量和密度，从而对待中和部分等离子体参数进行精细调节；喷口位置可以精确控制从而对需要中和的等离子体具体位置进行参数调节。4)本发明所述的方法中，可以调节实现该方法的装置中的螺旋磁场，进而调整喷口处出流正负电荷比例，磁场增大可以将电子全部吸附与腔体内壁，使得出流粒子束由正离子组成，进而最大程度的中和电子；磁场减小能够使得出流粒子束含有部分电子，进而减小中和电子力度。
图1为本发明的用于等离子体参数控制的离子产生装置的结构示意图。 附图标识
1、工作气体储存罐2、等离子体矩3、微波源
4、线圈5、外导体6、内导体
7、短路活塞8、喷口9、微波谐振腔
10、流量控制器11、气体导管12、微波电缆
具体实施例方式下面结合附图对本发明的用于等离子体参数控制的离子产生装置以及改变等离子体的方法作进一步的说明。如图1所示，本发明用于实现等离子体参数控制方法的装置包括工作气体储存罐 1、等离子体矩2、微波源3、线圈4和流量控制器10 ；所述等离子体矩2包括同轴设置的外导体5、内导体6、短路活塞7和喷口 8，所述短路活塞7位于外导体5和内导体6之间；所述微波源3设置于外导体5前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体5和内导体6及短路活塞7之间形成微波谐振腔9 ；所述外导体5前部外面缠绕包覆线圈4，用于通电后产生螺旋磁场，螺旋磁场的作用在于控制离子按一定的方向和速度运动，同时将产生的离子和电子进行分离。所述工作气体储存罐1上设有流量控制器10，所述短路活塞7与外导体5和内导体6之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置，用螺纹旋进、旋出的方法调节短路活塞与外导体及内导体之间的相对位置，即调节好合适位置后通过锁紧装置锁紧，防止移动，内导体也可以通过旋转调节位置，通过这种方式可以使调节更精确，且调节完成后，固定更容易。
所述工作气体储存罐1采用的工作气体为惰性气体，“短路活塞”，是指在活塞端面处，形成电的短路面，在调节短路活塞的同时，观测微波功率被吸收的情况，在某一点(谐振腔长度在3/4波长附近)微波功率可以最大限度被吸收，使微波功率达到最大限度的吸收利用，在气体从喷口喷出的同时产生离子。根据本发明所述的改变离子体参数的方法，其具体包括工作气体经流量控制器 10的调节后进入内导体6中，调节短路活塞7的与外导体5之间的位置，使调节短路活塞 7与内导体6和外导体5所形成的谐振腔长度在3/4波长左右，所述气体在吸收微波源3 所提供的能量发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子，所述带有正电荷的离子和电子在螺线管通电后产生的沿腔体方向的磁场中发生偏转，其中电子质量较小，回旋半径较大， 正离子质量相对电子很大，回旋半径较小，在带电粒子通过内导体6的过程中，电子由于回旋半径较大而在腔体内壁上被吸收，带正电荷的离子在行进过程中近似保持直线运动而从管口溢出，因而实现了带正电荷离子和电子的分离，分离得到的带正电荷的离子从内导体6 加速出来后进入准中性的需要被中和的高电子密度的等离子体中，通过正常的正离子和带负电的电子进行正负电荷的中和，达到减小等离子体密度的效果。同时在本发明中通过控制气体流量，微波功率，控制产生的离子密度，其中气体流量大，微波功率越高，产生的离子密度越大，和等离子体进行中和后，等离子体密度就低。具体数据可通过探针测试等离子体
也/又。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述方法通过离子产生装置产生正离子，将正离子通入等离子体中与等离子体中的电子中和，以改变等离子体的参数。
2.根据权利要求1所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述离子产生装置包括工作气体储存罐(1)、等离子体矩O)、微波源(3)和线圈；所述等离子体矩( 包括同轴设置的外导体(5)、内导体(6)、短路活塞(7)和喷口 (8)，所述短路活塞(7)设置于外导体( 和内导体(6)之间；所述微波源C3)设置于外导体(5)前端的能量馈入点上，用于将能量馈入，外导体(5)和内导体(6)及短路活塞(7)之间形成微波谐振腔(9)；所述外导体( 前部外面缠绕包覆线圈G)，用于通电后产生螺旋磁场。
3.根据权利要求2所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述工作气体储存罐(1)上设有流量控制器(10)。
4.根据权利要求2所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述短路活塞(7)与外导体( 和内导体(6)之间均采用螺纹连接，并且设有锁紧装置，用来移动和固定该短路活塞(7)。
5.根据权利要求2所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤1)工作气体经流量调节后进入内导体(6)中，微波源C3)通过内导体(6)和外导体(5) 给所述工作气体提供能量，工作气体吸收能量后发生电离，电离为带有正电荷的离子和电子；2)所述带有正电荷的离子和电子在外导体(5)包覆的螺线管产生的磁场中发生偏转， 电子质量小、回旋半径较大而被腔体内壁吸收，带正电荷的离子则从喷口(8)溢出；3)将分离得到的带正电荷的离子通入到高电子密度的等离子体中，带有正电荷的离子和带负电的电子进行中和，以改变等离子体的参数。
6.根据权利要求2所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述步骤1)中还包括以下步骤通过调节和外导体(5)、内导体(6)同轴套设的调节短路活塞(7)与外导体( 之间的位置，使调节短路活塞(7)与内导体(6)和外导体( 所形成的谐振腔(9)长度为微波波长的3/4，以保证微波能量充分吸收。
7.根据权利要求5所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述步骤1)中通过流量控制器(10)控制工作气体的流量。
8.根据权利要求5所述的改变等离子体参数的方法，其特征在于，所述步骤1)中工作气体为惰性气体。
全文摘要
本发明涉及一种改变等离子体参数的方法。所述方法通过离子产生装置产生正离子，将正离子通入等离子体中与等离子体中的电子中和，以改变等离子体的参数。所述离子产生装置包括工作气体储存罐(1)、等离子体矩(2)、微波源(3)、线圈(4)；所述等离子体矩(2)包括同轴设置的外导体(5)、内导体(6)、短路活塞(7)和喷口(8)，所述短路活塞(7)设置于外导体(5)和内导体(6)之间；所述微波源(3)设置于外导体(5)前端的能量馈入点上；所述外导体(5)前部外面缠绕包覆线圈(4)，用于通电后产生螺旋磁场。本发明的方法不再局限于密闭的腔体中进行，同时解决了自然界中产生的等离子体参数不能控制的问题。
文档编号H05H1/24GK102413627SQ20111020745
公开日2012年4月11日 申请日期2011年7月22日 优先权日2011年7月22日
发明者丁亮, 吴逢时, 孙海龙, 孙简, 徐跃民, 杨新杰, 鉴福升, 霍文青 申请人:中国科学院空间科学与应用研究中心