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申请/专利权人：中国科学技术大学

摘要：本发明公开一种等离子体生成设备，包括阳极金属网、电子发射装置、密度梯度调节金属网、磁场生成装置和第一电源。电子发射装置向阳极金属网的方向发射电子，磁场生成装置在两个金属网的轴向施加磁场以约束等离子体。通过调节第一电源的电压值调整等离子体电位；通过密度梯度调节金属网将通过其的等离子体分为两部分，这两部分的等离子体有不一样的电子密度，因此通过密度梯度调节金属网可以调整等离子体的电子密度的径向分布。从而实现了电位均匀分布、电子密度梯度可控的等离子体的生成，进而可以在实验室条件下研究电子密度梯度激发的等离子体的不稳定性和波动。

主权项：1.一种等离子体生成设备，其特征在于，包括：阳极金属网1；与所述阳极金属网1的一面相对设置的电子发射装置2；与所述阳极金属网1的另一面相对设置的密度梯度调节金属网3；所述密度梯度调节金属网3包括一个圆形通孔31，所述密度梯度调节金属网3接地；正极与所述阳极金属网1连接的第一电源U1，所述第一电源U1的负极接地；所述第一电源U1用于控制等离体电位；以补偿电子密度梯度不均匀导致的径向电场；以及在所述阳极金属网1以及所述密度梯度调节金属网3的轴向施加磁场的磁场生成装置4；所述电子发射装置2，包括：与所述阳极金属网1的一面相对设置的氧化物阴极板21；对所述氧化物阴极板21加热的加热装置22；以及负极与所述氧化物阴极板21连接、正极与所述阳极金属网1连接的第二电源U2；所述第二电源的电压值在20～30V之间。

全文数据：_种等离子体生成设备技术领域[0001]本发明涉及等离子体技术领域，更具体地说，涉及一种等离子体生成设备。背景技术[0002]电子密度梯度也称电子压力梯度，是等离子体不稳定性的一种重要自由能来源。在日地空间中，如太阳风、电离层和磁层中，电子密度梯度激发的等离子体不稳定性和波动，对空间科学和卫星安全领域的研宄具有重要意义。对此问题的传统的研宄方法是通过发射探测卫星与探空火箭来获得日地空间中的物理参数，受限空间仪器的分辨率及卫星运动的周期性，对许多密度梯度激发的现象难以进行研宄。因此，现在亟需一种实现实验室条件下对等离子体的电子密度梯度进行控制的设备。发明内容[0003]有鉴于此，本发明提出一种等离子体生成设备，欲实现电位均匀分布、电子密度梯度可控的等离子体的生成，从而使实验室研宄电子密度梯度激发的等离子体的不稳定性和波动的目的。[0004]为了实现上述目的，现提出的方案如下：[0005]—种等离子体生成设备，包括：[0006]阳极金属网1;[0007]与所述阳极金属网1的一面相对设置的电子发射装置2;[0008]与所述阳极金属网1的另一面相对设置的密度梯度调节金属网3所述密度梯度调节金属网3包括一个圆形通孔31，所述密度梯度调节网3接地；[0009]正极与所述阳极金属网1连接的第一电源U1，所述第一电源U1的负极接地；[0010]以及在所述阳极金属网1以及所述密度梯度调节金属网3的轴向施加磁场的磁场生成装置4。[0011]可选的，所述电子发射装置2,包括：[0012]与所述阳极金属网1的一面相对设置的氧化物阴极板21;[0013]对所述阳极氧化物阴极板21加热的加热装置22;[0014]以及负极与所述氧化物阴极板21连接、正极与所述阳极金属网1连接的第二电源U2。[0015]可选的，所述加热装置22具体包括：[0016]第三电源U3;[0017]以及与所述第三电源U3连接的电热丝R。[0018]可选的，所述氧化物阴极板21具体为：[0019]通过在镍板上喷涂氧化物制成的热电子源。[0020]可选的，等离子体生成设备还包括:外壳5;[0021]所述阳极金属网1、所述电子发射装置2、所述密度梯度调节金属网3均设置在所述外壳5内。[0022]可选的，所述阳极金属网1和所述密度梯度调节金属网3均通过可伐合金棒34固定在所述外壳5内。[0023]可选的，所述可伐合金棒34与所述阳极金属网1的边框11通过螺纹连接。[0024]可选的，所述可伐合金棒34与所述密度梯度调节金属网3的边框32通过螺纹连接。[0025]可选的，所述阳极金属网1的形状为圆。[0026]可选的，所述密度梯度调节金属网3的形状为圆环。[0027]与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：[0028]上述技术方案提供的一种等离子体生成设备，包括：阳极金属网1、电子发射装置2、密度梯度调节金属网3、磁场生成装置4和第一电源U1。电子发射装置2向阳极金属网1以及密度梯度调节金属网3的方向发射电子，磁场生成装置4在两个金属网的轴向施加磁场以约束等离子体。通过调节第一电源U1的电压值，可以调整等离子体电位；由于金属网会吸收掉一部分例子并过滤掉一部分电子，因此通过密度梯度调节金属网3将通过其的等离子体分为密度梯度调节金属网3的圆形通孔31部分和密度梯度调节金属网3的主体形状部分，这两部分的等离子体有不一样的电子密度，因此通过密度梯度调节金属网3可以调整等离子体的电子密度的径向分布。从而实现了电位均匀分布、电子密度梯度可控的等离子体的生成，从而可以在实验室条件下研究电子密度梯度激发的等离子体的不稳定性和波动。附图说明[0029]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。[0030]图1为本发明实施例提供的一种等离子体生成设备的结构示意图；[0031]图2为本发明实施例提供的一种阳极金属网的结构示意图；[0032]图3为本发明实施例提供的一种密度梯度调节金属网的结构示意图；[0033]图4为本发明实施例提供的一种电子发射器的结构示意图；[0034]图5为本发明实施例提供的一种加热装置的结构示意图；[0035]图6为本发明实施例提供的金属网的具体安装位置的结构示意图；[0036]图7为本发明实施例提供的实验条件下不同等离子体电流下的径向电子密度分布图；[0037]图8为本发明实施例提供的实验条件下不同磁场大小、阳极偏压下的等离子体电位分布图。具体实施方式[0038]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0039]参见图1，为本实施例提供的一种等离子体生成设备，包括：阳极金属网1、电子发射装置2、密度梯度调节金属网3、磁场生成装置4和第一电源U1。[0040]阳极金属网1的材料可以为不锈钢。具体的阳极金属网1为圆形，如图2所示。[0041]电子发射装置2与阳极金属网1的左侧面相对设置，电子发射装置2向阳极金属网1方向发射电子。[0042]密度梯度调节金属网3与阳极金属网1的右侧面相对设置。密度梯度调节金属网3包括一个圆形通孔31，密度梯度调节网3接地。具体的，密度梯度调节金属网3为圆环形，如图3所示。圆环形的金属网会影响通过其对应的环形区域33的等离子体，该环形区域33的金属网会吸收掉一部分离子并过滤掉一部分电子，这样等离子体通过密度梯度调节金属网3后就分成了环状部分和中心空洞部分两部分，它们有不一样的电子密度。因此通过设置密度梯度调节金属网3的结构可以调整等离子体的电子密度的径向分布，从而实现了电子密度梯度的可控、可调。[0043]密度梯度调节金属网3的材料也可以是不锈钢。[0044]第一电源U1的正极与阳极金属网1连接;第一电源U1的负极接地。第一电源U1的电压值一般在〇〜50V之间，用于控制等离子体电位。第一电源U1采用稳压稳流电源。通过阳极金属网1的等离子体电位会与该金属网的电势，也就是U1相近，由此实现了对等离子体电位的控制。[0045]磁场生成装置4在阳极金属网1以及密度梯度调节金属网3轴向施加一个磁场，以约束等离子体。[0046]参见图4,示出了电子发射器2的具体结构，包括氧化物阴极板21、加热装置22和第二电源U2。氧化物阴极板21与阳极金属网1的左侧面相对设置。加热装置22设置在氧化物阴极板21的左侧，用于对阳极氧化物阴极板21加热。第二电源U2的负极与氧化物阴极板21连接、第二电源U2的正极与阳极金属网1连接的。由于两个电源共地时，不同电源之间的输出端可能会通过地相连而造成短接，故第一电源U1与第二电源U2的地隔离，因此，设置第二电源U2的负极与地隔离。[0047]氧化物阴极板21具体可以为通过在镍板上喷涂氧化物制成的热电子源。加热装置22对氧化物阳极板21加热，用于控制氧化物阴极板21的温度，维持氧化物阴极板21在发射电子的工作温度。第二电源U2的电压值一般在20〜30V之间。[0048]参见图5,示出了加热装置22的具体结构，包括第三电源U3以及与第三电源U3连接的电热丝R。通过调节第三电源U3的电压值，可以控制电热丝R的温度，进而可以控制氧化物阴极板21的温度。[0049]参见图6,示出了等离子体生成设备可以包括的外壳5。阳极金属网1、电子发射装置2、密度梯度调节金属网3均设置在外壳5内。阳极金属网1和密度梯度调节金属网3均通过可伐合金棒34固定在外壳5内。支撑阳极金属网1以及密度梯度调节金属网3的可伐合金棒34均为三个互成1加°的可伐合金棒34。外壳5上预先设计法兰51。可伐合金棒34安装到法兰51上。可伐合金棒34与阳极金属网1的边框通过螺纹连接。可伐合金棒34与密度梯度调节金属网3的边框32也通过螺纹连接。通过旋转可伐合金棒34使得螺纹深入程度不同，由此起到调整阳极金属网1或密度梯度调节金属网3的位置，以使得两个金属网共轴。第一电源U1的电压值过高可能会使阳极监护网1与外壳5之间形成放电，影响实验效果，故电压不宜太高。[0050]图7示出了不同等离子体电流下的径向电子密度分布。等离子体电流的大小即为在第二电源U2的电压下氧化物阴极板21与阳极金属网1之间电流大小。实验条件为，磁场电流B固定为40A对应磁场强度为160高斯），第一电源U1的电压U固定为10V，等离子体电流IP在2A〜6A的范围内变化。阳极金属网1为直径16cm的圆形，密度梯度调节金属网3为外径16cm、内径8cm的圆环形。探针在密度梯度调节金属网3右侧以外半米处的平面上的径向可动。图7的横坐标为探针的径向位置，在22mm处为密度梯度调节金属网3的圆心对应的位置；纵坐标为电子密度。开启第一电源U1和第二电源U2,通过探针检测电子密度。[0051]从图7可以发现，在中心位置22mm处电子密度较高，在50mm至100mm处密度快速下降，在100mm以上时密度最低，下降减缓。对比密度梯度调节金属网3的参数可以发现，圆环的内径为8cm，外径为16cm，因此电子密度开始下降的位置出现在圆环内径处（约60mm位置），密度停止下降且维持较低水平的位置出现在圆环的外径处约100mm处）。这表明本发明可以实现利用等离子体生成设备对电子密度径向分布进行调控，从而实现可控的密度梯度分布。[0052]图8示出了不同磁场大小、阳极偏压下的等离子体电位分布。横坐标为探针的径向位置，0处为密度梯度调节金属网3的圆心对应的位置;纵坐标为等离子体的电位。磁场电流取值10A、20A、30A和40A对应的磁场强度分别为40高斯、80高斯、120高斯和160高斯）；第一电源U1的电压取值为10V、25V、50V和70V。阳极金属网1为直径16cm的圆形，密度梯度调节金属网3为外径16cm、内径8cm的圆环形。探针在密度梯度调节金属网3右侧以外半米处的平面上的径向可动。开启第一电源U1和第二电源U2,通过探针检测等离子体电位。[0053]从图8可以看出，在目前的实验条件下，等离子体电位在径向的分布较为均匀，没有明显的变化。由于整个径向上电位分布均匀，因此，没有径向电场的产生。这证明了本方案通过调整阳极偏压来补偿电子密度梯度产生的电场方法是有效的。[0054]综上，通过本发明能够实现独立电子密度的可调、可控位形，并且补偿了电子密度分布不均匀导致的径向电场，相关研究方案能够应用到空间等离子体实验室模拟设备和工业等离子体应用设备当中。[0055]在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。[0056]本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。[0057]对本发明所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

权利要求：1.一种等离子体生成设备，其特征在于，包括：阳极金属网（1;与所述阳极金属网⑴的一面相对设置的电子发射装置2;与所述阳极金属网（1的另一面相对设置的密度梯度调节金属网（3所述密度梯度调节金属网（3包括一个圆形通孔31，所述密度梯度调节网03接地；正极与所述阳极金属网（1连接的第一电源U1，所述第一电源U1的负极接地；以及在所述阳极金属网（1以及所述密度梯度调节金属网（3的轴向施加磁场的磁场生成装置⑷。2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述电子发射装置2，包括：与所述阳极金属网⑴的一面相对设置的氧化物阴极板21;对所述阳极氧化物阴极板21加热的加热装置22;以及负极与所述氧化物阴极板21连接、正极与所述阳极金属网（1连接的第二电源U2。3.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述加热装置22具体包括：第三电源U3;以及与所述第三电源U3连接的电热丝⑻。4.根据权利要求2所述的设备，其特征在于，所述氧化物阴极板21具体为：通过在镍板上喷涂氧化物制成的热电子源。5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括:外壳5;所述阳极金属网（1、所述电子发射装置2、所述密度梯度调节金属网（3均设置在所述外壳⑸内。6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述阳极金属网（1和所述密度梯度调节金属网⑶均通过可伐合金棒34固定在所述外壳5内。7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述可伐合金棒（34与所述阳极金属网1的边框11通过螺纹连接。8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述可伐合金棒34与所述密度梯度调节金属网⑶的边框32通过螺纹连接。9.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述阳极金属网⑴的形状为圆。10.根据权利要求1〜1〇任意一项所述的设备，其特征在于，所述密度梯度调节金属网3的形状为圆环。

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