阅读说明：本技术 一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置 (Device for adjusting position of coupling coil to realize leading-out particle density adjustment ) 是由 梁立振 刘伟 时超 李超 王昊明 屈浩 刘洋 于 2021-06-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置,包含放电腔体、上过渡法兰、下过渡法兰、耦合线圈、绝缘部件、线圈支架、步进电机及齿轮组、滑轨、柔性电缆、射频功率源和和阻抗匹配网络。耦合线圈与放电腔体相对位置不固定,耦合线圈通过绝缘部件连接线圈支架,线圈支架同时容纳步进电机及齿轮组的安装位置,通过控制步进电机在滑轨上的运动来调节耦合线圈在放电腔体的轴向上进行运动,调整下过渡法兰附近的等离子体密度,实现引出粒子密度调节。耦合线圈与阻抗匹配网络之间通过柔性电缆连接。本发明降低了对射频功率源调整响应的要求,降低阻抗匹配网络所需要的调节范围,增强射频等离子体放电的稳定性,降低系统操作的复杂程度。(The invention discloses a device for adjusting the position of a coupling coil to realize the adjustment of the density of outgoing particles, which comprises a discharge cavity, an upper transition flange, a lower transition flange, the coupling coil, an insulating part, a coil bracket, a stepping motor, a gear set, a slide rail, a flexible cable, a radio frequency power source and an impedance matching network. The relative position of the coupling coil and the discharge cavity is not fixed, the coupling coil is connected with the coil support through the insulating part, the coil support simultaneously accommodates the installation positions of the stepping motor and the gear set, the coupling coil is adjusted to move in the axial direction of the discharge cavity by controlling the movement of the stepping motor on the sliding rail, the plasma density near the lower transition flange is adjusted, and the adjustment of the density of the led-out particles is realized. The coupling coil is connected with the impedance matching network through a flexible cable. The invention reduces the requirement on the adjustment response of the radio frequency power source, reduces the adjustment range required by the impedance matching network, enhances the discharge stability of the radio frequency plasma and reduces the complexity of the system operation.)

一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置

技术领域

本发明涉及一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置，属于等离子体引出

技术领域

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背景技术

感性耦合射频离子源在材料科学、医疗器械以及磁约束核聚变等领域有着广泛的应用。在中性束注入(NBI)系统中，射频功率通过耦合线圈产生电磁场，加速电子与其他粒子发生碰撞，使得气体电离形成等离子体。等离子体中的带电粒子，如带负电的电子和负离子以及带正电的正离子可以通过引出电极被加速引出，被引出的粒子经过加速电极的加速构成粒子束，可用于磁约束核聚变装置的等离子体加热和电流驱动，相同的原理也被用在质子治疗仪等设备上。当前射频离子源耦合线圈和放电腔体之间是相对固定的，通过改变射频功率的方法来改变引出粒子的密度，从而达到改变束能量的目的。

该结构主要缺点有：

(1)耦合线圈的与放电腔体之间相对固定，没有调节位置的能力，缺乏灵活性；

(2)只有改变射频放电参数(射频功率或放电气压)或引出电压两种方式来改变引出粒子密度，放电参数或引出电压的频繁变动不利于系统的稳定工作；

(3)改变射频放电参数调节引出粒子密度会导致耦合线圈等效阻抗的变化，导致阻抗匹配网络设计难度较大，成本较高；

(4)要求射频功率源有较宽的功率调节范围与响应速度；

(5)通过调整放电参数或引出电压来调整引出粒子密度会提高设备造作的复杂性，要求操作员有丰富的射频等离子体放电与引出经验和坚实的射频等离子体物理学基础，设备操作的普适性降低。

发明内容

本发明目的是，提供一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置，用于解决目前设备上引出粒子密度调节不便的问题，能够调整感性耦合射频等离子体放电的中心区域相对引出电极的位置，从而实现引出粒子密度调节；能够减少感性耦合射频等离子体放电过程中对射频功率与放电气压的调整更有利于实现平稳放电；降低对射频功率源功率调节响应的要求，有利于降低系统复杂性，提高可靠度；降低匹配网络的调整频率和调节范围要求，提高系统的稳定性和可操作性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置，所述装置包括放电腔体1、上过渡法兰2、下过渡法兰3、耦合线圈4、绝缘部件5、线圈支架6、步进电机及齿轮组7、滑轨8、柔性电缆9、射频功率源和阻抗匹配网络；等离子体主要在放电腔体1中产生，上过渡法兰2与下过渡法兰3与放电腔体1紧密接触，放电腔体1内部与外部空气隔绝；耦合线圈4与绝缘部件5之间紧密连接；绝缘部件5与线圈支架6之间紧密连接；线圈支架6同时容纳步进电机及齿轮组7，控制步进电机带动齿轮组再带动线圈支架6在滑轨8上进行移动，从而控制耦合线圈4相对放电腔体1在放电腔体1的轴向上运动，改变下过渡法兰3附近的等离子体密度；放电腔体1的位置调整需要远程控制，以保证操作的安全性。耦合线圈4与阻抗匹配网络采用柔性电缆9连接。射频功率源与阻抗匹配网络之间为配合使用关系，通过线缆连接。

进一步地，所述的放电腔体1内部与外部空气隔绝包括，在耦合线圈与放电腔体之间保留间隙，滑轨8与放电腔体1轴线平行排布，耦合线圈4运动过程中不会迫使放电腔体1发生位移，保证其密闭性。

进一步地，所述的紧密连接包括，线圈支架6和绝缘部件5采用刚性材料，保证步进电机驱动的有效性和实时性。

进一步地，所述的在滑轨8上进行移动包括，将步进电机安装在线圈支架6上、将滑轨8安装在线圈支架6上，或步进电机固定在其他物体上、将滑轨8与步进电机替换成螺杆与电机的组合，线圈支架在螺杆上运动。

进一步地，所述的耦合线圈4相对放电腔体1在放电腔体1轴向上运动包括，使用耦合线圈4与阻抗匹配网络采用柔性电缆9连接，或其他可变形机械结构保证耦合线圈4运动过程中射频功率的正常传输。

进一步地，所述的远程控制包括，控制步进电机的信号通过光纤传输至步进电机，防止射频电磁场的干扰。

具体地，一种调整耦合线圈位置实现引出粒子密度调节的装置，包括放电腔体1、上过渡法兰2、下过渡法兰3、耦合线圈4、绝缘部件5、线圈支架6、步进电机及齿轮组7、滑轨8、柔性电缆9、射频功率源和阻抗匹配网络。等离子体在放电腔体1中产生，上过渡法兰2为仪控和进气接口，下过渡法兰3为粒子引出接口，耦合线圈4通过线圈支架6与步进电机固定到一起，步进电机通过齿轮组与滑轨相连接，通过远控系统控制步进电机在滑轨上的位置来控制耦合线圈4与放电腔体1之间的相对位置，从而调整下过渡法兰3附近的等离子体密度，耦合线圈4与线圈支架6之间通过绝缘部件5相连接，射频功率通过柔性电缆9连接耦合线圈4。

本发明的有益效果是：能够通过远控系统远程控制耦合线圈相对放电腔体的位置，进而实现引出粒子密度的调节，调节引出粒子密度过程中不再需要调节射频功率或者放电气压，或者能够降低射频功率和放电气压所需要的调节范围，避免了上述参数调整对阻抗匹配网络以及射频功率源可能造成的冲击，降低了对射频功率源调整响应的要求，降低了阻抗匹配网络所需要的调节范围，能够在一定程度上降低成本，增强射频等离子体放电的稳定性，极大程度的降低系统操作的复杂程度。

附图说明

图1线圈位置可调感性耦合射频离子源示意图。

图中，1-放电腔体，2-上过渡法兰，3-下过渡法兰，4-耦合线圈，5-绝缘部件，6-为线圈支架，7-步进电机及齿轮组，8-滑轨，9-柔性电缆。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例的叙述，本领域的技术人员是可以完全实现本发明权利要求的全部内容。

图1为线圈位置可调感性耦合射频离子源示意图。如图1所示，线圈位置可调感性耦合射频离子源包括放电腔体1、上过渡法兰2、下过渡法兰3、耦合线圈4、绝缘部件5、线圈支架6、步进电机及齿轮组7、滑轨8、柔性电缆9、射频功率源和阻抗匹配网络等。等离子体主要在放电腔体1中产生。放电腔体1的上端设置有上过渡法兰2，下端设置有下过渡法兰3，上过渡法兰2与下过渡法兰3均与放电腔体1紧密接触，放电腔体1内部与外部空气隔绝。上过渡法兰2为仪控和进气接口，下过渡法兰3为粒子引出接口。耦合线圈4具有若干匝，缠绕在放电腔体1外壁上。耦合线圈4的一端与一个绝缘部件5紧密连接，耦合线圈4的另一端与另一个绝缘部件5紧密连接。每个绝缘部件5均与线圈支架6之间紧密连接。耦合线圈4与阻抗匹配网络采用柔性电缆9连接。耦合线圈4通过线圈支架6与步进电机固定到一起，步进电机通过齿轮组与滑轨8相连接，线圈支架6同时容纳步进电机及齿轮组7，控制步进电机带动齿轮组再带动线圈支架6在滑轨8上进行移动，从而控制耦合线圈4相对放电腔体1在放电腔体1的轴向上运动，改变下过渡法兰3附近的等离子体密度。放电腔体1的位置调整需要远程控制，以保证操作的安全性。射频功率源和阻抗匹配网络之间为配合使用关系，通过线缆连接。

在耦合线圈4与放电腔体1之间保留一定间隙，滑轨8与放电腔体1轴线平行排布，耦合线圈4运动过程中不会迫使放电腔体1发生位移，保证其密闭性。

线圈支架6和绝缘部件5采用刚性材料，保证步进电机驱动的有效性和实时性。

所述在滑轨8上进行移动包括但不限于将步进电机安装在线圈支架6上、将滑轨8安装在线圈支架6上。或将步进电机固定在其他物体上、将滑轨8与步进电机替换成螺杆与电机的组合，线圈支架6在螺杆上运动。

所述的耦合线圈4相对放电腔体1在放电腔体1轴向上运动，包括但不限于使用耦合线圈4与阻抗匹配网络采用柔性电缆连接，或其他可变形机械结构保证耦合线圈运动过程中射频功率的正常传输。

所述的远程控制包括控制步进电机的信号通过光纤传输至步进电机，防止射频电磁场的干扰。

图1中，放电腔体1，是射频等离子体放电的主要区域，等离子体主要集中在放电腔体与耦合线圈的几何圆心重合处。上过渡法兰2，下过渡法兰3，是粒子引出的出口。耦合线圈4与放电腔体11之间不固定。绝缘部件5，起到刚性连接耦合线圈4和线圈支架6的作用，防止耦合线圈4上的射频功率影响步进电机与控制系统。线圈支架6，起到固定线圈位置和容纳步进电机及齿轮组7的作用。步进电机及齿轮组7，为耦合线圈位置的调节提供动力。滑轨8，通常固定在实验设备的支架上，齿轮在在滑轨8上的运动能够调节线圈4位置。柔性电缆9，连接阻抗匹配网络与耦合线圈，在保证射频功率传输不受影响的前提下给与耦合线圈4活动空间。

装置的原理及使用方法为：在感性耦合射频等离子体放电及引出的过程中，下过渡法兰3附近的等离子体密度对引出粒子的密度有着决定性影响，下过渡法兰3附近的等离子体密度与耦合线圈4距离下过渡法兰3的距离呈负相关，当需要调节引出粒子密度时，通过远控系统控制步进电机的转动，步进电机带动齿轮组在滑轨8上运动，从而带动耦合线圈4在箭头所示方向(放电腔体1的轴向)上运动，调整引出粒密度。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。