自分离离子源制造技术

本申请涉及自分离离子源，具体涉及一种可大功率生产低能正离子束流的装置，它由低温等离子体发生系统、离子分离系统、能量回收系统、进料系统、循环系统、排料系统、启动系统和控制系统组成。低温等离子体发生系统由多栅型等离子发生器、交流电源及控制系统组成。低温等离子体发生系统对流过电离空间的原料进行电离，集中到电离极板的电子通过分离开关自动流到电子储存器和阴极极板。未被电离的中性原料气继续在循环系统内循环。待正离子使用装置对正离子使用后，正离子再运动到阳极和电子复合，电子和正离子的复合能(等于电离能)被能量回收系统回收。

Self separation ion source

The invention relates to a separation from the ion source, in particular to a large power production of low-energy positive ion beam device, which is composed of low temperature plasma generating system, ion separation system, energy recovery system, feeding system, circulatory system, discharge system, starting system and control system. The low temperature plasma generation system is composed of multi grid plasma generator, AC power supply and control system. The cryogenic plasma generation system ionize the raw materials passing through the ionizing space, and the electrons that are concentrated to the ionization plates automatically flow to the electronic storage and cathode plates through the disconnecting switch. The neutral raw gas that is not ionized continues to circulate in the circulation system. When the positive ion is used for positive ion, the positive ion is reworked to the anode and the electron compound, and the compound energy of the electron and positive ion is equal to the ionization energy, which is recovered by the energy recovery system.

【技术实现步骤摘要】
自分离离子源
本专利技术涉及一种能在常温常压下生产大功率低能正离子束流的装置。
技术介绍
离子源是使中性原子或分子电离，并从中引出离子束流的装置。它是各种类型的离子加速器、质谱仪、电磁同位素分离器、离子注入机、离子束刻蚀装置、离子推进器以及受控聚变装置中的中性束注入器等设备的不可缺少的部件，是当今前沿科技的重点研究方向。目前，已知的离子源有多种，但有共同的缺点，主要是1、生产的正离子束功率都比较小，一般都在10安培级以下。2、生产的正离子束均为高能离子。主要原因是引出正离子束时全部使用直流电场，假设引出电场两端电压为10伏，单个含一个正电荷的正离子将在引出电场内被电场加速，引出后将拥有10ev的动能。3、能耗浪费严重。正离子在生产时需要输入能量，一般高于相应电离能，但正离子应用后均没有将正离子和所电离的电子重新复合，从而将电离能转变为电能再次循环利用，导致所有正离子的电离能全部浪费。另外，假设引出电场为10伏，引出一个含单个正电荷的正离子和一个电子所需的能量为20ev，这个能量不可回收，是巨大的能量浪费。
技术实现思路
小功率和高能耗离子源严重制约着离子的应用范围及应用前景，为了克服现有离子源的缺点，本专利技术提供一种离子源，可以以较小的能耗成本大功率生产低能正离子束流。本自分离离子源由8个系统组成，分别是低温等离子体发生系统、离子分离系统、能量回收系统、进料系统、循环系统、排料系统、启动系统和控制系统。所述控制系统由主控电路、传感器和控制原件组成，它的功能是控制其他系统的动作时序和动作幅度，其控制时序和幅度根据工况设定。由于实现的方式较多，可以用单片机实现，也可以全部用硬件电路实现，本说明书仅说明其控制时序及控制幅度，电路组成省略。所述低温等离子体发生系统主要作用是在较低的能耗成本下生产低温等离子体和中性原子或分子混合气。它由多栅型等离子发生器、交流电源及控制系统组成。多栅型等离子发生器由多个(两个以上)相隔一定距离的栅形或网格形的导电极板(以下简称电离极板)层叠堆放、电离极板间隔并联后两端串接两个电容(以下简称偏压电容)而成。多栅型等离子发生器外接交流电源。所述交流电源，其电压、波形、频率等各项可变参数受所述控制系统控制。特别的，电离极板组层叠堆放有两种方式，平面堆型和同轴堆型。平面堆型是指多个平行的相隔一定距离的平面的栅形极板进行纵向(方向垂直于栅极平面)叠加，同轴堆型是指多个平行的相隔一定距离的曲面的栅形极板以同一轴线进行叠加。所述低温等离子体发生系统的在不连接所述离子分离系统情况下的工作原理是：两个相邻的电离极板及其所夹空间组成一个电离单元，所夹空间为电离空间，根据物理原理，两中间充满绝缘介质的平行导电极板构成一个电容器，该电容器称为电离电容，电离极板组等效为多个电离电容并联。多栅型等离子发生器等效为多个电离电容并联后和两个偏压电容串联。随着外电源的正向升压，外电源对电离电容和偏压电容充电，电离空间内形成均匀电场(该电场由外电源产生，以下简称外加电场)，外加电场随外电源的升压而增强。当电场增加到足够高时，被电离物质内自由电子沿电场线反方向被加速，进而撞击中性原子或分子导致其外层电子被电离，电离出的电子和原来的电子继续被电场加速，进而撞击其他中性原子或分子，形成电子崩，生成等离子体。电子脱离中性原子或分子后，中性原子或分子变为正离子。正离子和被电离出去的电子形成本征电场，其方向和外加电场相反。在外加电场和本征电场的共同作用下，自由电子和被电离出的电子沿外加电场反方向往极板方向运动，并大部分以一定速度到达极板。正离子将在外电场和本征电场的共同作用下沿电场线方向往另一极板运动，当气体压强足够高(常压左右)时，正离子基本不动。被电离出的电子到达栅形极板前拥有速度和动能，极少部分电子将撞击栅极极板，其动能转换为热能，导致极板发热，大部分电子将穿过栅形极板继续前行，进入相邻的电离空间(假设极板厚度无限小，以便于分析和说明，无限小厚度的极板和实际极板的最后结果基本相同)。由于多个栅极间隔并联，相邻电离空间的外加电场方向和本电离空间外加电场方向相反，此时，穿过栅极的电子运动方向和相邻外加电场方向相同，相邻的反向外加电场对电子反向做功(负功)，即电子对外电源充电，导致进入相邻电离空间的电子减速并直至为零，此时电子在到达极板前拥有的动能将转化为外电源能量。之后，反向的相邻外加电场将对电子做正功，导致电子在反方向被加速，并运动回原极板(极少部门电子撞击极板发热)，由于外加电场强度在逐步减弱，此时，电子拥有的动能少于原来电子对外电源充电的能量，在电子穿过极板又返回极板的过程中，电子的一部分能量已转化为外电源能量。之后电子以一定速度进入原来的电离空间，此时电子运动方向又和外加电场方向相同，电子又对外电源充电，之后又被原外加电场做正功，再次被加速并向极板运动(极少部门电子撞击极板发热)，一部分能量再次转化为外电源能量。电子到达极板后将不断重复以上过程，形成以极板为中心振幅依次减弱的震荡运动，直至将能量全部转化为外电源能量。当外电源到达正向波峰时，电离停止。随着外电源从正向波峰下行，在本征电场和外加电场的共同作用下，被电离出的电子沿外电场方向运动，并和正离子依次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。当外电源反向后，随着反向电压的升高，外电源对电离电容和偏压电容反向充电，再次进行电离，生成等离子体。极少部分电子撞击极板发热，大部分电子依然以极板为中心减幅震荡，直至将自身动能转化为外电源能量。当外电源到达反向波峰时，电离停止。随着外电源电压从反向波峰下降，被电离出的电子和正离子再次复合，生成新的中性原子或分子。电子和正离子全部复合后，两极板又等效为一个电离电容。在外部交流电源的激励下，各个电离单元不断电离生成等离子体，并不断复合，生成新的中性原子或分子。所述离子分离系统的主要作用一是将等离子体中的电子分离出来，二是把离子从中性分子(原子)和离子组成的混合气中分离出来。通过离子分离系统后，混合气将分离为纯净中性气体和纯净离子气体。离子分离系统由分离腔体、阴极、分离开关、电子储存器、阳极、分离电源、分离阳极、分离单向阀、控制系统组成。分离腔体在横向上分为两部分，一部分为等离子体腔体，一部分为离子腔体，二者通过分离单向阀或单向阀组连接。当分离单向阀等离子腔体端压强大于离子腔体端压强时单向阀导通，否则关闭。等离子腔设有进气口和出气口，出气口置于单向阀一端，和单向阀相邻，纵向开口，进气口设置于另一端。进气口和出气口可以是多个，最好对称设置。多栅型等离子发生器放置于进气口和出气口中间，栅形极板平面切线方向为横向。中性原料气从进气口进，从出气口排出，纯净离子气通过单向阀进入离子腔。分离电源为直流电源，一般10伏左右，负极接地，正极接分离阳极。分离阳极呈网状，覆盖出气口，以防止正离子通过出气口排出。离子腔一端为单向阀，另一端设有出料口，在出料口和单向阀中间放置阳极。单向阀和阳极中间空间放置离子使用装置，比如离子加速器、电磁同位素分离器等。分离腔体外壁包裹阴极，阴极在横向上的投影至少要覆盖栅型等离子发生器、出气口、分离阳极、分离单向阀、离子使用装置和阳极在横向上的投影。电子储存器置于分离腔体外，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可生产低能正离子束流的装置，其特征是：它由低温等离子体发生系统、离子分离系统、能量回收系统、进料系统、循环系统、排料系统、启动系统和控制系统组成。其中，低温等离子体发生系统主要功能是在较低的能耗成本下生产低温等离子体和中性原子或分子混合气，离子分离系统的主要功能一是将等离子体中的电子分离出来，二是把离子从中性分子(原子)和离子组成的混合气中分离出来，能量回收系统的主要功能是将电子和正离子复合的能量(等于电离能)回收利用，排料系统的主要功能是将电子和正离子复合后的产物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强(等离子腔内静态压强为离子腔内气体静止时的压强，当循环系统启动后，等离子腔内气体流动，此时压强为动态压强)，循环系统的主要功能是保持等离子腔内气体以设定速度流动，进料系统的主要功能是保证向循环系统供应和穿过分离单向阀的正离子等量(体积)的原料气，启动系统的主要功能是确保离子源启动时循环系统、等离子腔内气体是纯净原料气，控制系统的主要功能是控制其他系统的动作时序和动作幅度，其控制时序和幅度根据工况设定。

【技术特征摘要】
1.一种可生产低能正离子束流的装置，其特征是：它由低温等离子体发生系统、离子分离系统、能量回收系统、进料系统、循环系统、排料系统、启动系统和控制系统组成。其中，低温等离子体发生系统主要功能是在较低的能耗成本下生产低温等离子体和中性原子或分子混合气，离子分离系统的主要功能一是将等离子体中的电子分离出来，二是把离子从中性分子(原子)和离子组成的混合气中分离出来，能量回收系统的主要功能是将电子和正离子复合的能量(等于电离能)回收利用，排料系统的主要功能是将电子和正离子复合后的产物排出并保持离子腔内压强等于等离子腔内静态压强(等离子腔内静态压强为离子腔内气体静止时的压强，当循环系统启动后，等离子腔内气体流动，此时压强为动态压强)，循环系统的主要功能是保持等离子腔内气体以设定速度流动，进料系统的主要功能是保证向循环系统供应和穿过分离单向阀的正离子等量(体积)的原料气，启动系统的主要功能是确保离子源启动时循环系统、等离子腔内气体是纯净原料气，控制系统的主要功能是控制其他系统的动作时序和动作幅度，其控制时序和幅度根据工况设定。2.根据权利要求1所述的生产低能正离子束流的装置，其特征是：所述低温等离子体发生系统由多栅型等离子发生器、交流电源及控制系统组成，多栅型等离子发生器由多个(两个以上)相隔一定距离的栅形(或网格形)的导电极板(以下简称电离极板)层叠堆放、电离极板间隔并联后两端串接两个电容(以下简称偏压电容)而成。3.根据权利要求1所述的生产低能正离子束流的装置，其特征是：所述离子分离系统由分离腔体、阴极、分离开关、电子储存器、阳极、分离电源、分离阳极、分离单向阀、控制系统组成。分离腔体在横向上分为两部分，一部分为等离子体腔体，一部分为离子腔体，二者通过分离单向阀或单向阀组连接，当分离单向阀等离子腔体端压强大于离子腔体端压强时单向阀导通，否则关闭。等离子腔设有进气口和出气口，出气口置于分离单向阀(或单向阀组)一端，和单向阀相邻，纵向开口，可对称设置多个，进气口设置于另一端，可对称设置多个。多栅型等离子发生器放置于进气口和出气口中间，栅形极板平面切线方向...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙保胜，
申请(专利权)人：孙保胜，
类型：发明
国别省市：天津,12