[实用新型]一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置

说明书

技术领域

本实用新型属于一种等离子体发生装置，具体涉及一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置。

背景技术

目前，对于现有低温等离子体发生装置主要基于电子束辐射、辉光放电、电晕放电、介质阻挡放电、射频放电、滑动电弧放电和射流放电等几种原理。其中电子束辐射设备结构复杂，成本高；辉光放电受低气压的限制，工业应用难于连续化生产且成本高昂；电晕放电和介质阻挡放电装置对电压等级要求较高，等离子体产生过程中，有较高浓度的副产物臭氧和氧化氮等生成，此外电晕放电装置难以产生某单一带电等离子体；射频放电装置在放电过程中同样有副产物产生等问题，而滑动电弧和射流放电都是靠击穿电极中较少的空气产生等离子体，作用范围较小。

发明内容

针对上述问题，本实用新型提出一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，用于产生高密度等离体射流，克服现有技术存在的结构复杂、效率低、存在臭氧副产物问题。

本实用新型提出的一种基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，包括加热单元、等离子体发生单元和供气单元组成，其中：

所述加热单元包括电热件、高温绝缘套管、绝缘隔热组件、接线端子和电源；所述电热件安装在高温绝缘套管内，两端通过绝缘隔热组件的两根接线端子接电源输出端；所述高温绝缘套管为筒状结构，其一侧封闭，另一侧与绝缘隔热组件固定连接，将电热件包含在内，构成一个密封加热空间；通过调节所述电源输出电压，能改变电热件发热功率，控制高温绝缘套管表面温度；

所述等离子体发生单元包括热电子发射阴极、阳极筒和高压电源；所述阳极筒为整体接地的圆筒状结构，同轴设在电子发射阴极外部；阳极筒一端开设有喷嘴，用于喷射等离子体，另一端固定在绝缘隔热组件上；所述热电子发射阴极为筒状结构，贴附安装在高温绝缘套管外表面，以接受其发出的热量；热电子发射阴极开口一端固定在所述绝缘隔热组件上；所述热电子发射阴极与所述高温绝缘套管同轴设置，用于发射电子；所述高压电源输出高压端作高压极通过高压接线端子与所述热电子发射阴极相连，高压电源输出另一端作为地极接地；

所述高压电源输出电压可调节，用于改变热电子发射阴极工作电压，控制等离子体发生密度；

所述供气单元包含高压气罐，其通过气管穿过所述绝缘隔热组件与阳极筒和热电子发射阴极构成的腔体相通，用于向热电子发射阴极和阳极筒构成的放电空间提供工作气氛；

工作时，经过电热件加热，热电子发射阴极在高压作用下发射电子，产生等离子体，并在供气单元产生的气流作用下，形成等离子体射流，从所述喷嘴喷射。

优选地，所述电热件为呈U形的电热丝，其材料为镍铬合金或者钨，线径0.5mm～5mm，呈螺旋状安装在高温绝缘套管内，所提供温度不低于1500℃；通过调节所述电源输出电压，调节电热件发热功率，可控制高温绝缘套管表面温度；

优选地，所述高温绝缘套管长度2～50cm，筒外径1～5cm，采用包括石英管或刚玉管在内的耐高温绝缘材料制作；

优选地，所述热电子发射阴极采用含有质量分数为2.2％的La₂O₃或Y₂O₃或 Ce₂O₃的包括稀土钨和稀土钼在内的热电子发射材料制作，筒内径1～5cm，筒厚1～5mm，筒长2～50cm。

优选地，所述高压电源额定工作功率5～20kW，输出电压为0～20kV连续可调，输出为直流电；

优选地，所述高压气罐所储气体为包括Ar惰性气体或CO₂在内的还原性非可燃性气体，容积为30L～300L，工作压力为0.1MPa～0.7MPa。

优选地，所述供气单元的气路设有气压表，用于监测高压气罐气压；

优选地，所述绝缘隔热组件开设有多个通气孔，供气单元气管分多路均匀排列方式，通过各通气孔与阳极筒和热电子发射阴极构成的腔体相通。

本实用新型提供的基于热电子发射阴极的等离子体发生装置，具有以下优点：

(1)电子密度高。稀土钨热电子发射材料具有良好的电子发射特性，零场发射电流密度较高，采用此种材料作为阴极，能够在较低的电压和某一工作温度下产生高密度的等离子体。

(2)无臭氧等副产物。相比于以往的低温等离子发生装置，本实用新型采用的热电子发射阴极工作时，不通过击穿空气产生等离子体就能够向外界发射单一电子，因此无臭氧等副产物生成。