CN107249247A - 过热氢交联反应的原子激发装置 - Google Patents

Abstract

本发明为用于过热氢交联反应的原子激发装置，此技术方案使用固态微波发生器和永磁铁，从气体通道导入的氢气在微波和特定强度磁场共同作用下产生电子回旋共振现象，氢气在等离子腔内被电离，高压电极上施加负电压，被离化的氢离子被引出等离子腔加速进入漂移管，与中性氢原子发生碰撞产生超热氢原子，本技术方案中使用体积小且磁性稳定的永磁铁，且直接导入由固态微波发生器产生的微波，使整个等离子发生器的体积较传统的电子回旋共振等离子发生器极大的减小，并且利于通过叠加的方式增加材料的处理面积和范围，利于实现工业化生产。

Description

过热氢交联反应的原子激发装置

技术领域

本发明涉及材料合成设备技术领域，尤其涉及过热氢交联反应的原子激发装置。

背景技术

过热氢交联反应（HHIC）的工作原理是***在高真空的环境中，离子源在磁场的作用下产生氢离子等离子体，这些等离子体中的氢离子在高压电极电压的加速作用下加速进入漂移管，从而使其获得一定的动能。其中的电子和氢离子分别经电子阻挡电源、正离子阻挡电源而被阻挡在离子隔板外，只有中性氢气能进入样品室直接与样品相互作用。这种带有一定能量的中性氢气被称为超热氢，利用能量可控的氢气轰击聚合物样品表面，使得表面分子链上的C-H键断裂，生成C自由基；表面产生的C自由基重新发生交联反应，从而形成一种新的表面结构。但是现在的用于过热氢交联反应的设备使用的离子源通常为磁控电子管微波等离子发生器（Magnetron Microwave ECR）。磁控电子管微波等离子发生器一方面体积较大，另一方面功率可调性很低。在实际使用中，磁控电子管所产生的微波需要通过体积较大的中空微波导管进入外加磁场的共振区域。由于要兼顾电磁匹配和微波反射等技术条件，所以整个微波通道除了微波导管外，还包含有匹配器、防反射保护装置等，使整个等离子体发生器的结构巨大，不利于并联使用，使得过热氢交联技术暂维持在实验研究阶段，而不能应用到工业大规模生产上，极大的限制了过热氢交联技术的应用发展。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供用于过热氢交联反应的原子激发装置。

用于过热氢交联反应的原子激发装置，包括底座，所述底座下方设置有等离子腔，所述等离子腔侧壁上开设有气体通道，所述等离子腔下方连接漂移管，所述底座上设置有至少一个电子回旋共振同轴等离子体发生器，所述电子回旋共振同轴等离子体发生器包括垂直设置的永磁铁和微波导入装置，所述微波导入装置为同轴线接口，所述同轴线接口连接固态微波发生器，所述固态微波发生器内装设有与所述电子回旋共振同轴等离子体发生器相对应数量的发生器模组，所述永磁铁下方设置有高压电极组。

在其中一个实施例中，所述高压电极组包括从上至下顺次设置的第一高压电极片、第二高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片，所述第一高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片为中间带孔的圆形电极片，所述第二高压电极片设置于所述第一高压电极片和第三高压电极片之间，所述第二高压电极片呈圆筒形，所述第二高压电极片上均匀开设有圆孔，所述第二高压电极片设置于所述漂移管内。

在其中一个实施例中，所述第一高压电极片、第二高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片分别连接可供调压装置。

在其中一个实施例中，所述底座为圆形，所述底座上均匀设置有若干个电子回旋共振同轴等离子体发生器。

在其中一个实施例中，所述气体通道入口设置有阀门。

在其中一个实施例中，所述永磁铁表面设置有冷却管，所述冷却管内充有循环的冷却水，所述冷却管的入口和出口设置于所述电子回旋共振同轴等离子体发生器顶端。

综上所述，用于过热氢交联反应的原子激发装置，包括底座、等离子腔、气体通道和电子回旋共振同轴等离子体发生器，电子回旋共振同轴等离子体发生器包括永磁铁和微波导入装置，微波导入装置连接固态微波发生器，永磁铁下方设置有高压电极组，使用固态微波发生器产生的微波，永磁铁产生稳定的特定强度磁场，从气体通道导入的氢气在微波和特定强度磁场共同作用下产生电子回旋共振现象，氢气在等离子腔内被电离，高压电极组上施加负电压，被离化的氢离子被引出等离子腔加速进入漂移管，与中性氢原子发生碰撞产生超热氢原子，本技术方案中使用体积小且磁性稳定的永磁铁，且直接导入由固态微波发生器产生的微波，使整个等离子发生器的体积较传统的电子回旋共振等离子发生器极大的减小，并且利于通过叠加的方式增加材料的处理面积和范围，利于实现工业化生产。

附图说明

图1是本发明一实施例的俯视结构示意图；

图2是本发明一实施例的剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1和图2所示，用于过热氢交联反应的原子激发装置，包括底座1，所述底座1下方设置有等离子腔2，所述等离子腔2侧壁上开设有气体通道，所述等离子腔2下方连接漂移管3，所述底座1上设置有至少一个电子回旋共振同轴等离子体发生器，所述电子回旋共振同轴等离子体发生器包括垂直设置的永磁铁5和微波导入装置6，所述微波导入装置6为同轴线接口，所述同轴线接口连接固态微波发生器7，所述固态微波发生器7内装设有与所述电子回旋共振同轴等离子体发生器相对应数量的发生器模组71，所述永磁铁5下方设置有高压电极组。使用固态微波发生器7产生的微波，永磁铁5产生稳定的特定强度磁场，从气体通道4导入的氢气在微波和特定强度磁场共同作用下产生电子回旋共振现象，氢气在等离子腔2内被电离，高压电极组上施加负电压，被离化的氢离子被引出等离子腔2加速进入漂移管3，与中性氢原子发生碰撞产生超热氢原子，最终漂移管3内的带能量的氢原子对样品腔内的待处理样品表面进行轰击，使样品表面的有机分子C-H键断裂，并形成C-C交联而没有不期待的键断裂。

为了实现工业化生产，因此需要对等离子发生器的结构进行合理选择，使等离子腔2内产生足够的符合能量要求的离化氢离子流。等离子体可以是DC等离子体、RF等离子体、常规微波等离子体或电子回旋共振（ECR）微波等离子体，但是在等离子体稳定的基础上，现在常用的是使用电子回旋共振（ECR）等离子体。电子回旋共振等离子体的激发部件现在通常使用的离子源为磁控电子管微波等离子发生器（Magnetron Microwavegenerator），磁控电子管微波等离子发生器搭配电磁线圈于电磁线圈中间产生电子回旋共振所需的磁场，然而其磁控电子管为了运行稳定需要配置微波导管、防反射器、匹配器等配件，且电磁线圈所占空间较大，因此现在常用的电子回旋共振等离子体有体积大不易并联等问题只能单个使用的问题，因此只能在实验过程中使用。而本技术方案中使用固态微波发生器7（Solid State Microwave generator），微波导入装置6将固态微波发生器7产生的微波导入等离子腔2内，固态微波发生器7由于不需要使用磁控管、匹配器、防反射器等配件维持稳定的微波，因此占地面积小，能够多个固态微波器发生模组一起并联使用，并且与固态微波发生器7配合使用的永磁铁5体积小、可以相连使用且相互之间不受影响，因此通过使用永磁铁5作为固态微波发生器7的离子化激发部件，可以实现大规模得到符合能量要求的过热氢等离子体质子流，即利于将过热氢交联技术用于工业应用当中。

传统技术中通常使用多腔磁控管作为微波发生器的离子源，本技术方案使用的固态微波发生器7与磁控管微波发生器相比还具有以下优点：固态微波发生器7在一定频率范围内可以实现准确微调的连续波输出功率，利于适应不同能量的离子需求；固态微波发生器7可以一个或多个一起使用，且具有高可靠性和小占地面积的特点。以上利于过热氢交联技术在工业上的大规模稳定使用。

本技术方案中，使用同轴线接口的微波导入装置6将固态微波发生器7的微波导入等离子腔2内，固态微波发生器7内设有与电子回旋共振同轴等离子体发生器相对应数量的发生器模组71，而电子回旋共振同轴等离子体发生器包括永磁铁5和微波导入装置6，因此发生器模组71的数量和永磁铁5与微波导入装置6相对应，确保电子回旋共振同轴等离子体发生器间的并联使用，并且相互之间不受影响，效果稳定叠加。同时本技术方案中的永磁铁5垂直底座1装设，能够得到分布均匀的磁场分布利于和稳定的微波场一起对氢原子作用，永磁铁5的磁性方向不限。

在其中一个实施例中，所述高压电极组包括从上至下顺次设置的第一高压电机片81、第二高压电机片82、第三高压电机片83和第四高压电机片84，所述第一高压电机片81、第三高压电机片83和第四高压电机片84为中间带孔的圆形电极片，所述第二高压电机片82设置于所述第一高压电机片81和第三高压电机片83之间，所述第二高压电机片82呈圆筒形，所述第二高压电机片82上均匀开设有圆孔，所述第二高压电机片82设置于所述漂移管3内。第一高压电机片81位于等离子腔2和漂移管3间，用于对氢离子进行加速或减速，氢离子通过第一高压电机片81上的孔进入漂移管3内，漂移管3内通入氢气，同时第二高压电机片82和第三高压电机片83均对氢离子进行加速或减速控制，使氢离子在漂移管3内和氢原子发生碰撞获得所需能量，位于末端的第四高压电机片84和第三高压电机片83的电压方向相反，起到阻止氢离子或电子进入样品室或产品室的效果。

在其中一个实施例中，所述第一高压电机片81、第二高压电机片82、第三高压电机片83和第四高压电机片84分别连接可供调压装置。进入漂移管3中的氢离子在第一高压电机片81、第二高压电机片82和第三高压电机片83的作用下进行加速或减速运动，以实现和氢原子进行碰撞的技术效果，而根据不同产品的需要，氢原子所需能量不尽相同，因此需要合理控制氢离子的加速或减速，如此需要对第一高压电机片81、第二高压电机片82和第三高压电机片83进行电压调节，而第四高压电机片84在于阻止氢离子和电子进入样品室或产品室，第四高压电机片84和第三高压电机片83的电压方向相反，因此第一高压电机片81、第二高压电机片82、第三高压电机片83和第四高压电机片84分别连接可供调压装置，能够方便调节氢离子在漂移管3中的运动情况，并且分开控制调节能提高调节效果的可靠性。

在其中一个实施例中，所述底座1为圆形，所述底座1上均匀设置有若干个电子回旋共振同轴等离子体发生器。底座1设置为圆形，利于等离子腔2内分子和质子的均匀分布，同时永磁铁5的磁场方向呈圆周放射状，因此底座1和等离子腔2设置为圆形，利于等离子腔2内分子受磁场作用均匀。

在其中一个实施例中，所述气体通道4入口设置有阀门。气体通道4入口设置的阀门方便反应气体的进入和泄气的调节控制。

在其中一个实施例中，所述永磁铁5表面设置有冷却管9，所述冷却管9内充有循环的冷却水，所述冷却管9的入口和出口设置于所述电子回旋共振同轴等离子体发生器顶端。永磁铁5在高压电极电压的加速作用下会产生大量的热量，如此影响永磁铁5的磁性和使用寿命，因此在永磁铁5表面设置的充有循环冷却水的冷却管9利于降低永磁铁5的温度，延长永磁铁5的使用寿命，并且不会影响等离子腔2内的环境温度。

另外，本发明中的技术方案根据电子回旋共振同轴等离子体发生器的数量变化，其相对应的体积有些许变化，因此根据实际大小可以设置为立式或者横置。用于实验室用途时，电子回旋共振同轴等离子体发生器安装一个即可满足需要，本技术方案可以设置为常见的立式；用于工业生产用途时，电子回旋共振同轴等离子体发生器的数量为并联的若干个，为了设备的合理化放置，本技术方案的激发装置可以设置为图示所示的横置，利于装置使用安装的稳定性和好操作性。

以上所述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的结构特征并不限于此，任何本领域的技术人员在本发明的领域内，所作的变化或修饰均涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (6)

1.用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：包括底座，所述底座下方设置有等离子腔，所述等离子腔侧壁上开设有气体通道，所述等离子腔下方连接漂移管，所述底座上设置有至少一个电子回旋共振同轴等离子体发生器，所述电子回旋共振同轴等离子体发生器包括垂直设置的永磁铁和微波导入装置，所述微波导入装置为同轴线接口，所述同轴线接口连接固态微波发生器，所述固态微波发生器内装设有与所述电子回旋共振同轴等离子体发生器相对应数量的发生器模组，所述永磁铁下方设置有高压电极组。

2.根据权利要求1所述用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：所述高压电极组包括从上至下顺次设置的第一高压电极片、第二高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片，所述第一高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片为中间带孔的圆形电极片，所述第二高压电极片设置于所述第一高压电极片和第三高压电极片之间，所述第二高压电极片呈圆筒形，所述第二高压电极片上均匀开设有圆孔，所述第二高压电极片设置于所述漂移管内。

3.根据权利要求2所述用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：所述第一高压电极片、第二高压电极片、第三高压电极片和第四高压电极片分别连接可供调压装置。

4.根据权利要求1所述用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：所述底座为圆形，所述底座上均匀设置有若干个电子回旋共振同轴等离子体发生器。

5.根据权利要求1所述用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：所述气体通道入口设置有阀门。

6.根据权利要求1所述用于过热氢交联反应的原子激发装置，其特征在于：所述永磁铁表面设置有冷却管，所述冷却管内充有循环的冷却水，所述冷却管的入口和出口设置于所述电子回旋共振同轴等离子体发生器顶端。