角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法
【專利摘要】角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法，涉及一種等離子體射流源。它是為了解決現(xiàn)有等離子體射流源角向速度不能夠連續(xù)可調(diào)，且達(dá)不到高密度、高角向速度的問題。本發(fā)明所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法，把傳統(tǒng)的圓柱形霍爾等離子體射流源改進(jìn)為圓環(huán)形，并在該圓環(huán)形霍爾等離子體射流源基礎(chǔ)上增加角向加速器，保證了高角向速度；同時電源給勵磁線圈電流能夠生成磁通，通過改變勵磁線圈電流的大小和方向能夠使霍爾等離子體射流源和角向加速器通道內(nèi)的磁場連續(xù)可調(diào)。本發(fā)明所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法，對等離子體質(zhì)量分離器等多種工程設(shè)備的研制具有重要的意義。
【專利說明】角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種等離子體射流源。
【背景技術(shù)】
[0002]等離子體是由大量相互作用但處于非束縛狀態(tài)下的帶電粒子組成的非凝聚系統(tǒng)，根據(jù)物理性質(zhì)，等離子體分為高溫等離子體與低溫等離子體兩類。低溫等離子體電子溫度很高，但重粒子溫度很低，整個體系呈現(xiàn)低溫狀態(tài)，所以稱為低溫等離子體，也叫非平衡態(tài)等離子體。低溫等離子體在基礎(chǔ)工業(yè)和高科技領(lǐng)域，如薄膜沉積、材料表面改性、超細(xì)微粉制備、等離子體化學(xué)合成與分解等方面的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了對等離子體源的強(qiáng)烈需求。其中，基于霍爾效應(yīng)的新型等離子體源能產(chǎn)生高密度高速度的低溫等離子體射流，因此被稱為霍爾等離子體射流源，并以其高效率、低耗能的優(yōu)點(diǎn)成為了低溫等離子體源的研究熱點(diǎn)。霍爾等離子體射流源是中空共軸的，由陽極、陰極、待電離氣體分配器、通道套筒及磁路組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，通道內(nèi)的磁場由內(nèi)外線圈或永磁鐵產(chǎn)生?；魻柕入x子體射流源工作原理為:分別將兩個半徑不同的陶瓷套管固定在同一軸線上組成了具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的等離子放電通道。內(nèi)外勵磁線圈和磁極將在通道內(nèi)產(chǎn)生磁場，正常工作狀態(tài)下通道內(nèi)磁場方向主要沿通道半徑方向。在徑向磁場的條件下，陽極和陰極之間的放電等離子體在通道內(nèi)將產(chǎn)生自洽的軸向電場，這樣，環(huán)形通道內(nèi)將形成正交的電磁場，陰極發(fā)射出來進(jìn)入通道的電子
在正交的電磁場作用下將形成角向漂移(β X §方向)，也稱霍爾漂移，大量電子在環(huán)形通道內(nèi)的漂移運(yùn)動形成了霍爾電流。另一方面待電離氣體通過氣體分配器進(jìn)入通道，與電子相互作用電離成離子，然后被電場加速噴出。噴出的離子流與陰極釋放出的一部分電子進(jìn)行中和形成等離子體射流。中性的等離子體射流不會引起空間電荷效應(yīng)。
[0003]現(xiàn)有的霍爾等離子體射流源噴出的等離子體射流只有軸向速度和徑向速度，角向速度很小，然而在很多領(lǐng)域要求射流具有較大角向速度，如等離子體質(zhì)量分離，因此設(shè)計一種能產(chǎn)生角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流的裝置具有重大的應(yīng)用價值。然而構(gòu)建出符合工程要求的角向速度連續(xù)可調(diào)新型等離子體射流源難度很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為了解決構(gòu)建角向速度連續(xù)可調(diào)等離子體射流源難度很大，現(xiàn)有等離子體射流源角向速度不能夠連續(xù)可調(diào)，且達(dá)不到高密度、高角向速度的問題，現(xiàn)提供角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法。
[0005]角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，它包括:霍爾等離子體射流源和角向加速器；
[0006]霍爾等離子體射流源為圓環(huán)形；
[0007]角向加速器包括:加速器外殼、加速器外勵磁線圈、加速器外磁極、加速器內(nèi)勵磁線圈、加速器內(nèi)磁極、加速器鐵芯和加速器底板；[0008]加速器外殼為圓筒形，加速器外勵磁線圈、加速器外磁極和加速器內(nèi)勵磁線圈均為圓環(huán)形，加速器內(nèi)磁極和加速器底板均為圓形，加速器鐵芯為圓柱形；
[0009]加速器外殼和加速器鐵芯的長度相等，加速器外殼的外徑、加速器外磁極的外徑和加速器底板的直徑均相等，加速器內(nèi)勵磁線圈的外徑和加速器內(nèi)磁極的直徑相等，加速器外勵磁線圈的內(nèi)徑和加速器外磁極的內(nèi)徑相等，加速器外勵磁線圈的內(nèi)徑大于加速器內(nèi)勵磁線圈的外徑；
[0010]加速器底板固定在加速器外殼的一端，加速器外磁極固定在外殼的另一端，圓柱形加速器鐵芯的一端固定在加速器底板上，加速器內(nèi)磁極固定在圓柱形加速器鐵芯的另一端，加速器內(nèi)勵磁線圈套固在圓柱形加速器鐵芯外側(cè)，且該加速器內(nèi)勵磁線圈與加速器內(nèi)磁極緊密配合，加速器外勵磁線圈套在加速器內(nèi)勵磁線圈外側(cè)，該加速器外勵磁線圈嵌固在加速器外殼內(nèi)側(cè)壁上，且該加速器外勵磁線圈與加速器外磁極緊密配合；
[0011]加速器外殼、加速器外勵磁線圈、加速器外磁極、加速器內(nèi)勵磁線圈、加速器內(nèi)磁極、加速器鐵芯和加速器底板均同軸；
[0012]加速器外磁極和加速器內(nèi)磁極之間的空隙為角向加速器的圓環(huán)形通道；
[0013]霍爾等離子體射流源套在加速器鐵芯外側(cè)，且霍爾等離子體射流源位于加速器外殼和圓柱形加速器鐵芯的空隙之間。
[0014]上述角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源的使用方法，該方法包括以下步驟:
[0015]步驟一:對霍爾等離子體射流源的射流源外勵磁線圈和射流源內(nèi)勵磁線圈通電，霍爾等離子體射流源中產(chǎn)生等離子體射流；同時對角向加速器的加速器外勵磁線圈和加速器內(nèi)勵磁線圈通電，角向加速器的磁通道內(nèi)獲得徑向磁場，從而獲得具有角向速度的帶電粒子；
[0016]步驟二:調(diào)節(jié)對角向加速器的加速器外勵磁線圈和加速器內(nèi)勵磁線圈施加電流的大小，獲得磁通密度在O高斯至10000高斯的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的徑向磁場，從而獲得角向速度在Okm/s至10km/s的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的具有角向速度的帶電粒子。
[0017]本發(fā)明所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法，把傳統(tǒng)的圓柱形霍爾等離子體射流源改進(jìn)為圓環(huán)形，并在該圓環(huán)形霍爾等離子體射流源基礎(chǔ)上增加角向加速器；同時電源給勵磁線圈電流能夠生成磁通，通過改變勵磁線圈電流的大小和方向可以實(shí)現(xiàn)圓環(huán)霍爾等離子體射流源和角向加速器通道內(nèi)的磁場在O高斯至10000高斯(IT)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，角向速度在Okm/s至10km/S的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)；且工作區(qū)外3cm的磁通密度能夠迅速減小到通道內(nèi)磁通密度的30 %以內(nèi)，且角向加速器通道內(nèi)的徑向磁通密度非均勻度在20%以內(nèi)，軸向和角向磁通密度不到軸向分量的10%，因此就能夠使霍爾等離子體射流源發(fā)射的帶電粒子獲得角向速度，同時磁場可調(diào)，那么角向速度就可調(diào)。角向加速器運(yùn)行和不運(yùn)行時，圓環(huán)霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場位形幾乎沒有改變；角向加速器運(yùn)行時霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場下降，這樣可以通過加大霍爾等離子體射流源線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償。本發(fā)明所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源及該射流源的使用方法，結(jié)構(gòu)簡單、易加工、壽命長，對等離子體質(zhì)量分離器等多種工程設(shè)備的研制具有重要的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】[0018]圖1是傳統(tǒng)圓柱形霍爾等離子體射流源的剖視圖；
[0019]圖2是【具體實(shí)施方式】一中所述的霍爾等離子體射流源的剖視圖；
[0020]圖3是【具體實(shí)施方式】一中所述的角向加速器的剖視圖；
[0021]圖4是【具體實(shí)施方式】一中所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源的剖視圖；
[0022]圖5是角向加速器不運(yùn)行時，即角向加速器沒有磁場時，霍爾等離子體射流源通道內(nèi)及附近磁場徑向、角向及軸向的磁通密度位形曲線圖，圖中曲線BXl為磁通密度的軸向分量曲線，曲線BYl為徑向分量曲線和曲線BZl為角向分量曲線；
[0023]圖6是角向加速器運(yùn)行時，即角向加速器有磁場時，霍爾等離子體射流源通道內(nèi)及附近磁場徑向、角向及軸向的磁通密度位形曲線圖，圖中曲線BX2為磁通密度的軸向分量曲線，曲線BY2為徑向分量曲線和曲線BZ2為角向分量曲線；
[0024]圖7是角向加速器運(yùn)行時，霍爾等離子體射流源通道內(nèi)及附近徑向、角向及軸向的磁通密度位形曲線圖，圖中曲線BX3為磁通密度的軸向分量曲線，曲線BY3為徑向分量曲線和曲線BZ3為角向分量曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025]【具體實(shí)施方式】一:參照圖2、圖3和圖4具體說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，它包括:霍爾等離子體射流源和角向加速器；
[0026]霍爾等離子體射流源為圓環(huán)形；
[0027]角向加速器包括:加速器外殼8、加速器外勵磁線圈9、加速器外磁極10、加速器內(nèi)勵磁線圈11、加速器內(nèi)磁極12、加速器鐵芯13和加速器底板14 ；
[0028]加速器外殼8為圓筒形，加速器外勵磁線圈9、加速器外磁極10和加速器內(nèi)勵磁線圈11均為圓環(huán)形，加速器內(nèi)磁極12和加速器底板14均為圓形，加速器鐵芯13為圓柱形；
[0029]加速器外殼8和加速器鐵芯13的長度相等，加速器外殼8的外徑、加速器外磁極10的外徑和加速器底板14的直徑均相等，加速器內(nèi)勵磁線圈11的外徑和加速器內(nèi)磁極12的直徑相等，加速器外勵磁線圈9的內(nèi)徑和加速器外磁極10的內(nèi)徑相等，加速器外勵磁線圈9的內(nèi)徑大于加速器內(nèi)勵磁線圈11的外徑；
[0030]加速器底板14固定在加速器外殼8的一端,加速器外磁極10固定在外殼8的另一端，圓柱形加速器鐵芯13的一端固定在加速器底板14上,加速器內(nèi)磁極12固定在圓柱形加速器鐵芯13的另一端，加速器內(nèi)勵磁線圈11套固在圓柱形加速器鐵芯13外側(cè)，且該加速器內(nèi)勵磁線圈11與加速器內(nèi)磁極12緊密配合，加速器外勵磁線圈9套在加速器內(nèi)勵磁線圈11外側(cè)，該加速器外勵磁線圈9嵌固在加速器外殼8內(nèi)側(cè)壁上，且該加速器外勵磁線圈9與加速器外磁極10緊密配合；
[0031]加速器外殼8、加速器外勵磁線圈9、加速器外磁極10、加速器內(nèi)勵磁線圈11、加速器內(nèi)磁極12、加速器鐵芯13和加速器底板14均同軸；
[0032]加速器外磁極10和加速器內(nèi)磁極12之間的空隙為角向加速器的圓環(huán)形通道；
[0033]霍爾等離子體射流源套在加速器鐵芯13外側(cè)，且霍爾等離子體射流源位于加速器外殼8和圓柱形加速器鐵芯13的空隙之間。
[0034]本實(shí)施方式中，所述霍爾等離子體射流源包括:射流源底板1、射流源外殼2、射流源外勵磁線圈3、射流源外磁極4、射流源內(nèi)勵磁線圈5、射流源內(nèi)磁極6和射流源鐵芯7 ；[0035]射流源底板1、射流源外勵磁線圈3、射流源外磁極4、射流源內(nèi)勵磁線圈5和射流源內(nèi)磁極6均為圓環(huán)形；射流源外殼2和射流源鐵芯7均為圓筒形；
[0036]射流源外殼2和射流源鐵芯7的長度相等，射流源底板1、射流源外殼2和射流源外磁極4的外徑均相等，射流源底板1、射流源內(nèi)磁極6和射流源鐵芯7的內(nèi)徑均相等，射流源外勵磁線圈3的內(nèi)徑與射流源外磁極4的內(nèi)徑相等，射流源內(nèi)勵磁線圈5的外徑與射流源內(nèi)磁極6的外徑相等，射流源內(nèi)勵磁線圈5的外徑小于射流源外勵磁線圈3的內(nèi)徑；
[0037]射流源底板I固定在射流源外殼2的一端，射流源外磁極4固定在射流源外殼2的另一端，射流源鐵芯7的一端固定在射流源底板I上，射流源內(nèi)磁極6固定在射流源鐵芯7的另一端，射流源內(nèi)勵磁線圈5套固在射流源鐵芯7的外側(cè)，且該射流源內(nèi)勵磁線圈5與射流源內(nèi)磁極6緊密配合，射流源外勵磁線圈3套在射流源內(nèi)勵磁線圈5的外側(cè)，且該射流源外勵磁線圈3嵌固在射流源外殼2的內(nèi)側(cè)壁上，該射流源外勵磁線圈3與射流源外磁極4緊密配合；
[0038]射流源底板1、射流源外殼2、射流源外勵磁線圈3、射流源外磁極4、射流源內(nèi)勵磁線圈5、射流源內(nèi)磁極6和射流源鐵芯7均同軸；
[0039]射流源外磁極4和射流源內(nèi)磁極6之間為霍爾等離子體射流源通道。
[0040]在實(shí)際應(yīng)用中，首先使用電源給射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5通電，射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5的電流在圓環(huán)形霍爾等離子體射流源通道激發(fā)出磁場，其磁通密度由畢奧-沙伐定律決定。同理，電源給加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11通電，加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11的電流在角向加速器通道激發(fā)出磁場，且這個磁場對圓環(huán)形霍爾等離子體射流源通道內(nèi)的磁場位形影響不大。
[0041]射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5產(chǎn)生的磁通依次經(jīng)過射流源外磁極4、射流源外殼2、射流源底板1、射流源鐵芯7和射流源內(nèi)磁極6，最后在圓環(huán)形霍爾等離子體射流源通道內(nèi)閉合；同理，角向加速器的加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11產(chǎn)生的磁通依次經(jīng)過圓環(huán)形加速器外磁極10、加速器外殼8、加速器底板14、加速器鐵芯13和加速器內(nèi)磁極12，最后在角向加速器的圓環(huán)形通道內(nèi)閉合。
[0042]在工程上可以利用永磁體或勵磁線圈產(chǎn)生磁場。永磁體的優(yōu)點(diǎn)是磁場比較穩(wěn)定，不容易產(chǎn)生波動，然而等離子體溫度非常高，當(dāng)永磁體被等離子體加熱到超過居里溫度時會失磁，從而導(dǎo)致控制失效。勵磁線圈通上電流能激發(fā)出磁場，磁通密度由畢奧-沙伐定律決定。勵磁線圈激發(fā)的磁場不受溫度的影響，可控性強(qiáng)，因此本發(fā)明中的角向加速器選擇勵磁線圈產(chǎn)生磁場。
[0043]電源系統(tǒng)提供給勵磁線圈電流從而生成磁通，通過改變勵磁線圈電流的大小和方向可以實(shí)現(xiàn)圓環(huán)霍爾等離子體射流源和角向加速器通道內(nèi)的磁場在O高斯?10000高斯(IT)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，工作區(qū)外3cm的磁通密度能夠迅速減小到通道內(nèi)磁通密度的30%以內(nèi)，且角向加速器通道內(nèi)的徑向磁通密度非均勻度在20%以內(nèi)，軸向和角向磁通密度不到軸向分量的10%。角向加速器運(yùn)行和不運(yùn)行時，圓環(huán)霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場位形幾乎沒有改變；角向加速器運(yùn)行時霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場下降，這樣可以通過加大霍爾等離子體射流源線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償。
[0044]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】一所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器外殼8、加速器外磁極10、加速器內(nèi)磁極12和加速器底板14的材料均為軟鐵DT3。
[0045]在實(shí)際應(yīng)用中，配合本實(shí)施方式中角向加速器各個部件的材料，所述霍爾等離子體射流源中，射流源底板1、射流源外殼2、射流源外磁極4和射流源內(nèi)磁極6的材料均為軟鐵 DT3。
[0046]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】二所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器鐵芯13的材料為軟磁合金1J22。
[0047]在實(shí)際應(yīng)用中，配合本實(shí)施方式中加速器鐵芯13的材料，所述射流源鐵芯7的材料為軟磁合金1J22。所述軟磁合金1J22為高飽和磁通密度軟磁合金1J22。
[0048]采用上述軟鐵DT3和高飽和磁通密度軟磁合金1J22制造的導(dǎo)磁系統(tǒng)，具有磁阻小、束磁能力高、矯頑力低、價格適宜、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)。軟鐵DT3和高飽和磁通密度軟磁合金1J22的導(dǎo)磁率均遠(yuǎn)大于真空，為了保證磁通密度達(dá)到設(shè)計要求，通道寬度不能太大，因此本發(fā)明所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源的各部分尺寸如下述【具體實(shí)施方式】。
[0049]【具體實(shí)施方式】四:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】三所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，角向加速器的圓環(huán)形通道的軸向?qū)挾葹?cm，徑向?qū)挾葹?.4cm。
[0050]【具體實(shí)施方式】五:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】四所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器外殼8的內(nèi)徑為34cm，外徑為38cm，軸向長度為23cm。
[0051]【具體實(shí)施方式】六:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】五所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器外磁極10的內(nèi)徑為20.4cm，軸向長度為 4cm。
[0052]【具體實(shí)施方式】七:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】六所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器內(nèi)磁極12的直徑為17.6cm，軸向長度為 4cm。
[0053]【具體實(shí)施方式】八:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】七所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器鐵芯13的直徑為10cm。
[0054]【具體實(shí)施方式】九:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】八所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，加速器底板14的軸向長度為2cm。
[0055]【具體實(shí)施方式】十:本實(shí)施方式是對【具體實(shí)施方式】九所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源作進(jìn)一步說明，本實(shí)施方式中，霍爾等離子體射流源的外徑為30cm，內(nèi)徑為12cm軸向長度為9cm。
[0056]在實(shí)際應(yīng)用中，配合本實(shí)施方式中霍爾等離子體射流源的尺寸，
[0057]所述霍爾等離子體射流源通道的徑向?qū)挾葹?cm，軸向長度為Icm ；
[0058]射流源底板I的外徑為30cm,內(nèi)徑為12cm,軸向厚度為Icm ；
[0059]射流源外殼2的內(nèi)徑為28cm,軸向長度為9cm ；
[0060]射流源外磁極4的內(nèi)徑為20cm,軸向厚度為Icm ；
[0061]射流源內(nèi)磁極6的外徑為18cm,軸向厚度為Icm ；
[0062]射流源鐵芯7的外徑為14cm,軸向長度為9cm。[0063]【具體實(shí)施方式】十一:本實(shí)施方式是【具體實(shí)施方式】一所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源的使用方法，本實(shí)施方式中，該方法包括以下步驟:
[0064]步驟一:對霍爾等離子體射流源的射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5通電，霍爾等離子體射流源中產(chǎn)生等離子體射流；同時對角向加速器的加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11通電，角向加速器的磁通道內(nèi)獲得徑向磁場，從而獲得具有角向速度的帶電粒子；
[0065]步驟二:調(diào)節(jié)對角向加速器的加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11施加電流的大小，獲得磁通密度在O高斯~10000高斯的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的徑向磁場,從而獲得角向速度在Okm/s至10km/s的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的具有角向速度的帶電粒子。
[0066]構(gòu)建出符合工程要求的角向速度連續(xù)可調(diào)新型等離子體射流源難度很大，這是因?yàn)?
[0067]1、為了靈活有效控制等離子體射流的角向速度，射流角向加速器的徑向磁場磁通密度需要在O高斯~10000高斯(IT)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，且徑向磁場只存在于指定區(qū)域內(nèi)，區(qū)域外迅速下降；
[0068]2、為了使等離子體射流較均勻的獲得角向速度，射流角向加速器產(chǎn)生的徑向磁場磁通密度非均勻度必須限定在設(shè)計允許的范圍內(nèi)；
[0069]3、為了不干擾等離子體射流的角向偏轉(zhuǎn)，其他方向的加速度要遠(yuǎn)小于角向加速度，即射流角向加速器產(chǎn)生的軸向和角向磁通密度分量要遠(yuǎn)小于徑向分量；
[0070]4、射流角向加速器對霍爾等離子體射流源正常運(yùn)行的影響必須限定在設(shè)計允許的范圍內(nèi)(即角向加速器運(yùn)行和不運(yùn)行時霍爾等離子體射流源內(nèi)部磁場位形差別不能太大)。
[0071]本發(fā)明中，由于鐵芯材料的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于真空，根據(jù)磁場的折射定理
[0072]tan a Jtan α 2 = μ j/ μ 2
[0073]其中，α ?為磁通密度線在媒質(zhì)一中與分界面的法線所成的夾角，α2為磁通密度線在媒質(zhì)二中與分界面的法線所成的夾角，μ !為媒質(zhì)一的磁導(dǎo)率，μ 2為媒質(zhì)二的磁導(dǎo)率；
[0074]可以知道，角向加速器的加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11在鐵芯內(nèi)產(chǎn)生的磁通密度線可以認(rèn)為是與鐵芯表面平行，漏到外面的很少，即開有狹窄通道的鐵芯是磁通密度線的主要通道，這個通道被稱為磁路。加速器鐵芯13的截面積最小，由閉合磁路的歐姆定律可知其磁通密度最大，所以加速器鐵芯13達(dá)到磁飽和時所能通過的磁通量決定了圓環(huán)通道的最大磁通密度。高飽和磁通密度軟磁合金1J22在磁通密度為20000高斯時相對磁導(dǎo)率為900，仍然有很強(qiáng)束磁能力，由上述給出的鐵芯結(jié)構(gòu)尺寸可以算出，此時通道磁通密度可達(dá)到13200高斯。
[0075]加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11選用裸線直徑為1mm的漆包圓銅線制成，外線圈繞2334阻時線圈截面積為7cmX4.1lcm ;內(nèi)線圈繞1333阻時線圈截面積為4cmX4.1lcm0
[0076]加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11通電流為3A時，通道磁通密度大于10000高斯，調(diào)節(jié)加速器外勵磁線圈9和加速器內(nèi)勵磁線圈11電流的大小可使通道磁通密度在O高斯~10000高斯(IT)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。
[0077]當(dāng)磁通密度線在角向加速器通道處由鐵芯進(jìn)入真空時，由兩種媒質(zhì)交界面上磁場的邊界條件Bln = B2n(其中Bln為磁通密度在媒質(zhì)一中的法線方向分量，B2n為磁通密度在媒質(zhì)二中的法線方向分量)可以知道，在不同媒質(zhì)的交界面處，磁通密度矢量的法向分量連
續(xù)，即通道內(nèi)的磁場主要是徑向的，軸向和周向分量很小。由洛倫茲力公式P = Mxl (其
中f為帶電粒子所受的洛倫茲力，q為帶電粒子的電量，V為帶點(diǎn)粒子的速度，g為磁通密
度)知道，徑向的磁場能使等離子體射流中的帶電粒子獲得角向加速，上述磁場主要是徑向的，因此就能夠使霍爾等離子體射流源發(fā)射的帶電粒子獲得角向速度，同時磁場連續(xù)可調(diào)，那么角向速度就可調(diào)。
[0078]同理可以知道霍爾等離子體射流源的射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5選用裸線直徑為Imm的漆包圓銅線，外線圈繞320阻時線圈截面積約為4cmX Icm ;內(nèi)線圈繞160阻時線圈截面積約為2cmX 1cm。
[0079]射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5通電流為3A時，通道磁通密度大于1000高斯，調(diào)節(jié)射流源外勵磁線圈3和射流源內(nèi)勵磁線圈5電流的大小可使通道磁通密度在O高斯?1000高斯(0.1T)的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。當(dāng)通道磁通密度為1000高斯時，截面積最小的圓環(huán)鐵芯內(nèi)磁通密度僅為9000高斯，1J22在磁通密度為9000高斯時相對磁導(dǎo)率大于為900，有很強(qiáng)束磁能力。
[0080]經(jīng)過ansys仿真可以得到圖5、圖6和圖7。
[0081]由圖5和圖6可以看出角向加速器運(yùn)行和不運(yùn)行時，圓環(huán)霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場位形幾乎沒有改變；角向加速器運(yùn)行時霍爾等離子體射流源通道內(nèi)磁場下降，這可以通過加大霍爾等離子體射流源線圈電流進(jìn)行補(bǔ)償。
[0082]由圖7可以看出本發(fā)明裝置通道內(nèi)的磁通密度大于10000高斯，通道外磁通密度迅速減小，且通道內(nèi)的徑向磁通密度均勻度很好，軸向和周向磁通密度很小。
【權(quán)利要求】
1.角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，它包括:霍爾等離子體射流源和角向加速器； 霍爾等離子體射流源為圓環(huán)形； 角向加速器包括:加速器外殼(8)、一號加速器外勵磁線圈(9)、加速器外磁極(10)、二號加速器外勵磁線圈(11)、加速器內(nèi)磁極(12)、加速器鐵芯(13)和加速器底板(14)； 加速器外殼(8)為圓筒形，一號加速器外勵磁線圈(9)、加速器外磁極(10)和二號加速器外勵磁線圈(11)均為圓環(huán)形，加速器內(nèi)磁極(12)和加速器底板(14)均為圓形，加速器鐵芯(13)為圓柱形； 加速器外殼⑶和加速器鐵芯(13)的長度相等，加速器外殼⑶的外徑、加速器外磁極(10)的外徑和加速器底板(14)的直徑均相等，二號加速器外勵磁線圈(11)的外徑和加速器內(nèi)磁極(12)的直徑相等，一號加速器外勵磁線圈(9)的內(nèi)徑和加速器外磁極(10)的內(nèi)徑相等，一號加速器外勵磁線圈(9)的內(nèi)徑大于二號加速器外勵磁線圈(11)的外徑； 加速器底板(14)固定在加速器外殼⑶的一端，加速器外磁極(10)固定在外殼⑶的另一端，圓柱形加速器鐵芯(13)的一端固定在加速器底板(14)上,加速器內(nèi)磁極(12)固定在圓柱形加速器鐵芯(13)的另一端，二號加速器外勵磁線圈(11)套固在圓柱形加速器鐵芯(13)外側(cè)，且該二號加速器外勵磁線圈(11)與加速器內(nèi)磁極(12)緊密配合，一號加速器外勵磁線圈(9)套在二號加速器外勵磁線圈(11)外側(cè)，該一號加速器外勵磁線圈(9)嵌固在加速器外殼(8)內(nèi)側(cè)壁上,且該一號加速器外勵磁線圈(9)與加速器外磁極(10)緊密配合； 加速器外殼(8)、一號加速器外勵磁線圈(9)、加速器外磁極(10)、二號加速器外勵磁線圈(11)、加速器內(nèi)磁極(12)、加速器鐵芯(13)和加速器底板(14)均同軸； 加速器外磁極(10)和加速器內(nèi)磁極(12)之間的空隙為角向加速器的圓環(huán)形通道； 霍爾等離子體射流源套在加速器鐵芯(13)外側(cè)，且霍爾等離子體射流源位于加速器外殼⑶和圓柱形加速器鐵芯(13)的空隙之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器外殼(8)、加速器外磁極(10)、加速器內(nèi)磁極(12)和加速器底板(14)的材料均為軟鐵DT3 ；加速器鐵芯(13)的材料為軟磁合金1J22。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，角向加速器的圓環(huán)形通道的軸向?qū)挾葹?cm,徑向?qū)挾葹?.4cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器外殼(8)的內(nèi)徑為34cm,外徑為38cm,軸向長度為23cm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器外磁極(10)的內(nèi)徑為20.4cm,軸向長度為4cm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器內(nèi)磁極(12)的直徑為17.6cm,軸向長度為4cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器鐵芯(13)的直徑為IOcm0
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，加速器底板(14)的軸向長度為2cm。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源，其特征在于，圓環(huán)形霍爾等離子體射流源的外徑為30cm,內(nèi)徑為12cm軸向長度為9cm。
10.權(quán)利要求1所述的角向速度連續(xù)可調(diào)的等離子體射流源的使用方法，其特征在于，該方法包括以下步驟: 步驟一:對霍爾等離子體射流源的射流源外勵磁線圈(3)和射流源內(nèi)勵磁線圈(5)通電，霍爾等離子體射流源中產(chǎn)生等離子體射流；同時對角向加速器的加速器外勵磁線圈(9)和加速器內(nèi)勵磁線圈(11)通電，角向加速器的磁通道內(nèi)獲得徑向磁場，從而獲得具有角向速度的帶電粒子； 步驟二:調(diào)節(jié)對角向加速器的加速器外勵磁線圈(9)和加速器內(nèi)勵磁線圈(11)施加電流的大小，獲得磁通密度在O高斯至10000高斯的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的徑向磁場，從而獲得角向速度在Okm/s至10km/s的范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)的具有角向速度的帶電粒子。
【文檔編號】H05H1/30GK103945632SQ201410198663
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】江濱浩, 王振宇, 王春生, 張仲麟, 高嘯天, 李傳雨 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)