專利名稱：多個輻射源的等離子體產(chǎn)生和處理的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體輔助處理的方法和裝置，尤其涉及結(jié)合使用多個電磁輻射源。
背景技術(shù)：
已知通過使氣體受到足量的微波輻射，單個微波輻射源可以用來產(chǎn)生等離子體。但是，當(dāng)一個源把微波能引入會向同一個源反射能量的等離子體腔時，單個微波能量源就被損壞。當(dāng)腔中沒有很強(qiáng)的微波吸收器時，例如當(dāng)?shù)入x子體還沒有形成時，這個問題尤其難以解決。并且，當(dāng)多個微波能量源組合在一起以激發(fā)或維持等離子體時更易受到破壞。例如，當(dāng)?shù)谝惠椛湓窗盐⒉芤肭粫r由于輻射能可以被引入另一個同時相連的輻射源，第一輻射源可能被損壞。
還知道，在氣體壓力基本上低于大氣壓時等離子體一般更容易激發(fā)。但是，用于降低氣體壓力的真空裝置價格昂貴且效率低下、浪費能源。并且，使用這樣的裝置會限制制造的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供了使用多個輻射源(例如微波輻射源)的裝置和方法。在大約一個大氣壓或更高的壓力下的氣體產(chǎn)生的等離子體會強(qiáng)烈吸收微波輻射。強(qiáng)吸收可以用來降低被反射回來的自身輻射或來自其它輻射源的輻射對特定源損壞的可能性。因此，采用耦合到同一等離子體的多個(例如低能量)輻射源可以實現(xiàn)高能等離子體輔助處理。
在一個實施例中，輻射裝置可以包括一個腔。輻射裝置還可包括一個第一高頻輻射源和一個第二高頻輻射源，用于將輻射引入腔中。輻射裝置可以包括一個控制器，用于在激活第一輻射源之后順序激活第二輻射源。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，等離子體熔爐可以包括一個腔，一個用來向腔供氣的管道，設(shè)置成向腔發(fā)射輻射的多個輻射源，和一個控制器，用于延遲除了多個輻射源的第一個以外的所有輻射源的激活直到第一輻射源被激活。根據(jù)本發(fā)明的輻射裝置和等離子體熔爐可包括位于腔附近的等離子體催化劑。在氣體存在的情況下與微波輻射結(jié)合使用等離子體催化劑來形成等離子體。催化劑可以是惰性或活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括能夠通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，不需要增加額外的能量。另一方面，活性等離子體催化劑可以包括在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子輸送大量能量以從氣態(tài)原子或分子激發(fā)出至少一個電子的任何粒子或高能波包。在這兩種情況中，等離子體催化劑可以改善或放松激發(fā)等離子體所需的環(huán)境條件。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了形成等離子體的方法。該方法可以包括采用設(shè)置成將輻射引入處理或加熱區(qū)域的至少第一和第二輻射源。該方法可以包括將氣體引入所述區(qū)域，激活第一輻射源以促進(jìn)在加熱區(qū)域的等離子體形成，并在等離子體形成之后激活第二輻射源。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了使用雙腔系統(tǒng)形成等離子體的其他方法和裝置。所述系統(tǒng)可以包括相互流體連通的第一激發(fā)腔和第二腔。所述方法包括(i)使第一激發(fā)腔中的氣體受到頻率低于大約333GHz的電磁輻射，從而第一激發(fā)腔中的等離子體引起在第二腔中形成第二等離子體，以及(ii)通過使其受到附加電磁輻射而維持第二腔中的第二等離子體。
本發(fā)明還提供了用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的其它等離子體催化劑、方法和裝置。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述變得明顯，其中相同的標(biāo)號表示相同的部件，其中圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的包括多個輻射源的示例性裝置的示意圖；圖1B表示根據(jù)本發(fā)明的示例性方法的流程圖；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體系統(tǒng)的簡化實施例，用于向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持腔中的等離子體；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖5A表示根據(jù)本發(fā)明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；圖5B表示表示根據(jù)本發(fā)明的圖5A所示的等離子體催化劑纖維沿圖5A的線5B-5B的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個部分的實施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的實施例；圖8表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長型等離子體催化劑的另一個實施例；以及圖9表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體系統(tǒng)的實施例，用于將電離輻射引入輻射腔。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了使用多個輻射源的等離子體裝置和方法。在一個實施例中，如圖1A所示，輻射裝置可包括腔12。此外，在一個實施例中，輻射裝置還包括位于腔附近的等離子體催化劑，該等離子體催化劑可以與輻射一起使氣體變成等離子體。
本發(fā)明還涉及用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的方法和裝置，用于各種應(yīng)用，包括熱處理，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其它材料的合成與沉積，摻雜，滲碳，氮化，和碳氮化，燒結(jié)，多部件處理，連接，消除結(jié)晶，制造和操作熔爐，廢氣處理，廢物處理，焚化，凈化，灰化，碳結(jié)構(gòu)生長，制氫或其它氣體，制造無電極等離子體噴嘴，裝配線等離子體處理，消毒等。
在另一個實施例中，等離子體熔爐可以包括一個腔，一個向腔供氣的管道，設(shè)置向腔發(fā)射輻射的多個輻射源，以及一個控制器，用于延遲除了多個輻射源的第一個以外的所有輻射源的激活直到第一輻射源被激活。下文將詳細(xì)闡述這些部件的每一個。
本發(fā)明可以用于可控生成熱和等離子體輔助處理，以降低能耗并提高熱處理效率和等離子輔助制造的靈活性。
因此，提供了一種用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的等離子體催化劑。催化劑可以是惰性或活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，如施加電壓引起瞬間放電。另一方面，活性等離子體催化劑可以是任何粒子或高能波包，其能夠在電磁輻射存在的情況下向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內(nèi)容作為參考美國專利申請No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0012)，
No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿,＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面的示例性輻射裝置的示意圖。該示例性輻射裝置包括在設(shè)置于微波腔(也稱為輻射器(applicator))14內(nèi)的容器中形成的腔12。在另一個實施例(未示出)中，容器12和微波腔14是同一個，從而不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個輻射透射隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。
在一個實施例中，輻射裝置可以構(gòu)造為一個等離子體熔爐。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知輻射裝置還可用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體，用于各種應(yīng)用，包括例如熱處理，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其它材料的合成和沉積，摻雜，滲碳，氮化，和碳氮化，燒結(jié)，多部件處理，連接，消除結(jié)晶，制造和操作熔爐，廢氣處理，廢物處理，焚化，凈化，灰化，碳結(jié)構(gòu)生長，制氫或其它氣體，制造無電極等離子體噴嘴，裝配線等離子體處理，消毒，清潔等。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達(dá)到非常高的溫度，可以使用能夠在大約3000華氏度下工作的陶瓷。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New Castle Refractories公司出售。然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述陶瓷材料不同的材料。
等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，并且至少一個用來供給氣體。腔的尺寸取決于需要進(jìn)行的等離子體處理。此外，腔至少應(yīng)該設(shè)置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何酸性氣體。并且，多余氣體可以通過氣體口13或相似的附加氣體口從腔中逸出。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導(dǎo)管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測到泄漏量超過預(yù)定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動關(guān)閉幅射(如微波)電源。
在一個實施例中，輻射裝置可包括把輻射引入腔的輻射源26。輻射裝置還可包括把輻射引入腔的輻射源27。盡管圖1A描述了兩個輻射源，應(yīng)該意識到輻射裝置可以采用兩個或更多個輻射源。
在一個實施例中，輻射源26可設(shè)置成產(chǎn)生與由源27和/或其它任何附加源產(chǎn)生的微波輻射相比正交極化的輻射。
每一個輻射源26和27可以是磁電管、調(diào)速管、振動陀螺儀、行波管放大器/振蕩器或其它能夠產(chǎn)生輻射例如微波輻射的裝置。而且，在許多應(yīng)用中輻射頻率被認(rèn)為是不重要的。因此，例如，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何頻率低于約333GHz的輻射。例如，如功率線頻率(大約50到60Hz)的頻率也能使用，盡管形成等離子體的氣體的壓力可以降低以幫助等離子體的激發(fā)。并且，根據(jù)本發(fā)明可采用任何射頻或微波頻率，包括大于約100kHz的頻率。在多數(shù)情況下，這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，從而可在包括在大氣壓和以上壓力的寬的壓力范圍下實現(xiàn)多種等離子體處理。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個或多個波導(dǎo)管30將輻射能引入腔14。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解源26可以直接連到腔12或腔14，從而取消波導(dǎo)管30。進(jìn)入腔12的輻射能可以用來激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。通過將附加的電磁輻射與催化劑相結(jié)合可以充分維持該等離子體并將其限制在腔內(nèi)。其它輻射源(例如27)可相類似的與腔12或腔14直接或通過一個或多個導(dǎo)波管相連。另外，通過電源28或者采用其它任何電源的組合為這些部分的每一個提供電源。
通過循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供輻射源26的輻射能。調(diào)諧器34用來使作為改變激發(fā)或處理條件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之后，因為微波能例如將被等離子體強(qiáng)烈吸收。相似地，通過循環(huán)器31和調(diào)節(jié)器33可提供輻射源27的輻射能，盡管循環(huán)器和調(diào)諧器是可選的。
在一個實施例中，可用隔離體(未示出)來保護(hù)性地把輻射源和腔隔開。隔離體使輻射只通過一個方向，因而保護(hù)輻射源不僅免受反射輻射而且免受其它輻射源的輻射。然而，根據(jù)本發(fā)明，反射的輻射可以被最小化，特別是在激發(fā)等離子體的早期階段。
檢測器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動冷卻和氣流控制。而且，控制器44是可編程的以在源26激活之后依次激活源27。在另一個實施例中，控制器44可在源26激活之后延遲一段預(yù)定時間后激活源27。如果需要，源26和27可以相同的方式延遲，并被任何可測量信號來觸發(fā)。
在一個實施例中，檢測器42可提供微波輻射吸收的信號，并且控制器44延遲激活多微波輻射源的一個或多個，直到控制器44接到檢測器42發(fā)出的已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的吸收域值水平的信號之后。
檢測器42可以是任何儀器，用于檢測一種或多種熱、輻射吸收、輻射反射、輻射滲透、等離子體的存在或者其它任何表示等離子體形成與否的現(xiàn)象。這類檢測器的例子包括熱傳感器、高溫計或其它任何傳感器，其能檢測熱、溫度、輻射吸收、輻射反射、輻射滲透、等離子體的存在或其它任何與輻射相關(guān)的現(xiàn)象。
檢測器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測的條件的函數(shù)的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運(yùn)行，其具有一個與上述源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進(jìn)入腔12的閥22相連的輸出端。盡管未示出，控制器44或者其它相似的控制器可用于為其它輻射源供電的任何其他電源的控制操作。
在另一個實施例中，檢測器42可以提供例如被正在處理的物體輻射吸收的信號。在這種情況下，控制器44可以延遲后續(xù)源的激活直到控制器44接到檢測器42發(fā)出的已經(jīng)達(dá)到預(yù)定的吸收水平的信號。
控制器44還可被設(shè)置成在第一輻射源的激活之后延遲一段預(yù)定時間后激活多個輻射源中的至少一個。然后，如果需要，每一個剩余的多個輻射源可以以預(yù)定的間隔連續(xù)激活?？刂破?4還可被設(shè)置成只在至少一個第一和第二輻射源激活之后激活一個或多個附加輻射源。并且，控制器44可以被設(shè)置成只在每一個第一和第二輻射源激活之后激活多個附加輻射源中的每一個。
根據(jù)本發(fā)明，等離子體裝置可包括布置在等離子體腔附近的等離子體催化劑。該催化劑可以與輻射協(xié)作使氣體形成等離子體。而且，如這里所用，術(shù)語“腔附近”是指在腔內(nèi)或者在離腔足夠近以影響等離子體的形成。
如下面更詳細(xì)的說明，如果腔14支持多模，尤其當(dāng)這些?？沙掷m(xù)或周期性地混合時，腔14內(nèi)的輻射透射腔12的位置并不重要。并如下面更詳細(xì)的說明，馬達(dá)36可以與?；旌掀?8相連，使時間平均的輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設(shè)置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度檢測器42(例如光學(xué)高溫計)來觀察腔12內(nèi)的處理。在一個實施例中，光學(xué)高溫計輸出值可以在溫度升高時從0伏增加到追蹤范圍值之內(nèi)。
例如，本發(fā)明可以通過采用由交通和能源工業(yè)(CPI)提供的915MHz和2.45GHz的微波源來實施，盡管可以使用任何頻率小于大約333GHz的輻射。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變輻射能。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測量入射和反射能量的雙向連接器。還采用了光學(xué)高溫計來遙感樣品溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體處理。
該裝置用采用LabVIEW 6i軟件的計算機(jī)控制，它能提供實時溫度監(jiān)測和微波能量控制。通過使用移位寄存器以產(chǎn)生適當(dāng)數(shù)量數(shù)據(jù)點的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計算效率，在陣列中儲存的數(shù)據(jù)點數(shù)目受到限制。高溫計測量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計算平均溫度。高溫計用于探測兩個波長的輻射強(qiáng)度，并利用普朗克定律擬合這些強(qiáng)度值以測定溫度。然而，應(yīng)知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個具有輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
典型的輻射裝置還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護(hù)磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻微波腔。
使用多個輻射源的方法和裝置圖1B表示的是采用至少一個第一和第二輻射源的方法，兩個輻射源被安排成將輻射引入等離子體形成區(qū)域。該方法包括把氣體引入(步驟45)等離子體形成區(qū)域。在一個實施例中，通過打開圖1A中的閥門22來實現(xiàn)。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該意識到，等離子體形成區(qū)域可以是完全封閉或部分打開的腔。例如，在一些應(yīng)用中，如等離子體輔助熔爐中腔可以完全封閉。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(AttorneyDorket No.1837.0033)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。然而在另一種應(yīng)用中，它可以要求將氣體流經(jīng)腔從而腔必須以某種程度打開。這樣，流動氣體的流速、類型和壓力可以隨時間改變。這是令人滿意的，因為這些較低離子電位的氣體如氬氣更易激發(fā)，但在后續(xù)的等離子體處理中有其它不需要的特性。
該方法還包括激活第一輻射源以在步驟47中促進(jìn)等離子體的形成。在一個實施例中，使用某些類型的等離子體催化劑可以促進(jìn)等離子體的形成，例如切屑的金屬尖端、火花產(chǎn)生器、碳、纖維材料、粉末材料或能夠促進(jìn)等離子體激發(fā)的任何其它催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑的其它例子及其應(yīng)用在下文中將更詳細(xì)的描述。
該方法還包括在等離子體形成后(步驟49)激活第二輻射源。在一個實施例中，在第一輻射源激活之后輻射源27可以被激活。該方法可以還包括在第一和第二輻射源的至少之一被激活之后激活至少一個附加輻射源。進(jìn)一步，可以延遲對至少一個附加輻射源的激活直到第一和第二輻射源均被激活。
例如，輻射源可以是磁電管、調(diào)速管、振動陀螺儀、行波管放大器/振蕩器或其它輻射源。進(jìn)一步，在一個實施例中，各輻射源可以被正交極化。
此外，在一個實施例中，該方法可包括激活多個輻射源，其中每一個多個輻射源以預(yù)定間隔連續(xù)激活。
在另一個實施例中，等離子體區(qū)域包含等離子體催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同材料并且可以是惰性或活性的。尤其，等離子體催化劑可在氣體壓力低于、等于或高于大氣壓的情況下來激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持等離子體。
等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是納米粒子或納米管。這里所使用的術(shù)語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導(dǎo)電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導(dǎo)電性和伸長形狀對本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預(yù)定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必包括納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到腔內(nèi)并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52和輻射源54可以對設(shè)置有等離子體腔60的輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運(yùn)、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持涂層等離子體。盡管圖2中只示出了兩個輻射源，但可以采用附加輻射源。在根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，微波源54可以被激活并且接著在形成等離子體之后，激活微波源55。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設(shè)置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進(jìn)入腔內(nèi)，從而使粉末受到輻射，腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。這就使得后續(xù)的輻射源被激活，減少了例如獲得極高溫等離子體所需的上升時間。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合物納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應(yīng)用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應(yīng)用中，例如以一個或多個爆發(fā)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內(nèi)，尤其在復(fù)雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細(xì)的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長對激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標(biāo)為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。在一個實施例中，該材料具有強(qiáng)導(dǎo)電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物或其任意組合。可以包括在等離子體催化劑中的一些可能的無機(jī)材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導(dǎo)電無機(jī)材料。
除了一種或多種導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導(dǎo)電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如在半導(dǎo)體和其他材料的摻雜過程中，可通過催化劑將一種或多種摻雜劑加入等離子體。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。催化劑可以包括摻雜劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生摻雜劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復(fù)合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導(dǎo)電材料。
惰性等離子體催化劑中的導(dǎo)電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導(dǎo)電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領(lǐng)域普的通技術(shù)人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以相同。
預(yù)定的比率分布可以用于簡化許多等離子體處理。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預(yù)定計劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當(dāng)前等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖3中，比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖4所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應(yīng)該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預(yù)定的形式改變。在一個實施例中，當(dāng)?shù)入x子體被監(jiān)測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結(jié)束進(jìn)一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內(nèi)形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持以前和/或期間機(jī)械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導(dǎo)電材料表面的基本不導(dǎo)電涂層。或者，催化劑可包括沉積在基本不導(dǎo)電材料表面的基本導(dǎo)電涂層。例如圖5A和5B表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機(jī)制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，為了基本上減少或防止輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導(dǎo)電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后輻射泄漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導(dǎo)電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設(shè)置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導(dǎo)電的末梢部分180(設(shè)置于腔160內(nèi))和不導(dǎo)電部分185(基本上設(shè)置于腔160外)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導(dǎo)電片段190形成，所述多個導(dǎo)電片段190被多個不導(dǎo)電片段195隔開并與之機(jī)械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
活性等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的形成等離子體的另一種方法包括使腔內(nèi)氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產(chǎn)生或包括至少一個電離粒子。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準(zhǔn)直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200輻射源202將輻射引入輻射腔205。等離子體腔210可以設(shè)置于腔205內(nèi)并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用例如電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護(hù)，但也屏蔽了對源220的電磁輻射。如果需要，源220可以水冷。在一個實施例中，激活輻射源200，接著在形成等離子體之后，激活輻射源202。可選擇地，輻射源202可在預(yù)定的間隔之后激活。
根據(jù)本發(fā)明的電離粒子的實例可包括x射線粒子、γ射線線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當(dāng)放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導(dǎo)裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于輻射腔內(nèi)。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進(jìn)一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個實施例中，自由質(zhì)子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場加速。
多模輻射腔輻射波導(dǎo)管、腔或室可以支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術(shù)語“?！北硎緷M足Maxwell方程和可應(yīng)用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導(dǎo)管或腔內(nèi)，該模可以是傳播或停滯電磁場的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導(dǎo)管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導(dǎo)管一般不支持輻射傳播的標(biāo)準(zhǔn)TEM模。盡管輻射似乎沿著波導(dǎo)管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，輻射(例如微波)沿著波導(dǎo)管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導(dǎo)管中的實際場分布是其中模的疊加。每種?？梢杂靡粋€或多個下標(biāo)(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標(biāo)一般說明在x和y方向上含有多少在導(dǎo)管波長的“半波”。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知波導(dǎo)管波長與自由空間的波長不同，因為波導(dǎo)管內(nèi)的輻射傳播是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標(biāo)來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對于給定的輻射頻率，波導(dǎo)管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導(dǎo)管中TE10模通常占主導(dǎo)。
隨著波導(dǎo)管(或波導(dǎo)管所連接的腔)的尺寸增加，波導(dǎo)管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當(dāng)能夠同時支持多個模時，系統(tǒng)往往表示為被高度?；?highly moded)。
一個簡單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場值的相同強(qiáng)度類型。此外，如下的詳細(xì)說明，可以用一個?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用輻射反射器的機(jī)械運(yùn)動)。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時間平均場分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導(dǎo)并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內(nèi)的輻射能越分散。
腔內(nèi)等離子體的分布非常依賴于所施加的電磁輻射的分布。例如，在一個純單模系統(tǒng)中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強(qiáng)等離子體只能在這一個位置產(chǎn)生。在許多應(yīng)用中，這樣一個強(qiáng)局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模腔，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應(yīng)用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個內(nèi)容作為參考。然而在其它應(yīng)用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為具有較低電離勢的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中不需要。
?；旌显谠S多應(yīng)用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于微波輻射可以有較長波長(如幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時間內(nèi)可以混合或重新分布。因為腔內(nèi)的場分布必須滿足由腔的內(nèi)表面設(shè)定的所有邊界條件，可以通過改變內(nèi)表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例中，可移動的反射表面位于輻射腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動在移動期間將聯(lián)合改變腔的內(nèi)表面。例如，一個“L”型金屬物體(即“?；旌掀鳌?在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，?；旌掀骺梢允菄@非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設(shè)輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動?；旌掀魇顾c輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，模混合器38可用于優(yōu)化腔14內(nèi)的場分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變?；旌掀鞯奈恢脕硪苿幼畲笾档奈恢?。
因此根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用?；旌?。例如，當(dāng)把導(dǎo)電纖維用作等離子體催化劑時，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強(qiáng)烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報道說，當(dāng)這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進(jìn)入或接近腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現(xiàn)模混合。為了在輻射腔內(nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機(jī)械地運(yùn)動(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場形式。
通過柔性波導(dǎo)管將輻射射入輻射腔，也能實現(xiàn)模混合。在一個實施例中，波導(dǎo)管可固定在腔內(nèi)。在另一個實施例中，波導(dǎo)管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導(dǎo)管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起?；旌喜⒂兄谠跁r間平均基礎(chǔ)上更均勻的等離子體處理(如加熱)?？蛇x擇地，這種移動可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導(dǎo)管是矩形的，波導(dǎo)管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導(dǎo)管周期性的扭曲可引起?；旌弦约半妶龅男D(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较颉１绢I(lǐng)域的技術(shù)人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預(yù)編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在后面的等離子體處理期間?；旌峡捎脕頊p少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點”。當(dāng)微波腔只支持少數(shù)模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產(chǎn)生“熱點”(如在腔12內(nèi))。在一個實施例中，這些熱點可設(shè)置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發(fā)或處理相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發(fā)或隨后的處理位置上。
多位置激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點處激發(fā)等離子體。這種多點激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時尤其有益。例如，當(dāng)?shù)入x子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊。可選地，當(dāng)在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機(jī)分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對準(zhǔn))，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認(rèn)為具有每個粉末顆粒具有位于腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個實施例中，系統(tǒng)至少包括第一激發(fā)腔和與第一腔流體連通的第二腔。為了激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發(fā)第二腔中的等離子體，其可用附加的電磁輻射來維持。
在本發(fā)明的一個實施例中，第一腔可以非常小并主要或只設(shè)置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的微波能來激發(fā)等離子體，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時。
在一個實施例中，第一腔基本上是單模腔，第二腔是多模腔。當(dāng)?shù)谝磺恢恢С謫文r腔內(nèi)的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應(yīng)該知道，當(dāng)使用等離子體催化劑時，催化劑不需要設(shè)置在電場最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
在前述的實施例中，例如，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權(quán)利要求書要求了比每個權(quán)利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權(quán)利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特征少。因此，下列權(quán)利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權(quán)利要求本身作為本發(fā)明的一個單獨的優(yōu)選實施例。
權(quán)利要求
1.一種輻射裝置，包括輻射腔；第一輻射源，用于將頻率低于大約333GHz的電磁輻射引入所述輻射腔，以促進(jìn)所述輻射腔內(nèi)的等離子體形成；第二輻射源，用于將頻率低于大約333GHz的電磁輻射引入所述輻射腔；以及控制器，用于在激活所述第一輻射源之后順序激活所述第二輻射源。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括提供電磁輻射吸收信號的檢測器，并且其中所述控制器延遲所述第二輻射源的激活直到所述控制器收到所述檢測器發(fā)出的已經(jīng)達(dá)到預(yù)定吸收水平的信號。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述控制器在所述第一輻射源形成等離子體之后激活所述第二輻射源。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中如果所述第一輻射源與所述第二輻射源相比是正交極化的則同時激活所述第一輻射源和所述第二輻射源。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置還包括催化劑。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中存在所述催化劑以減少電磁輻射能量泄漏。
7.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述催化劑具有電氣不連續(xù)的分布。
8.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述催化劑具有可變的成分。
9.如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述催化劑為納米結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括傳送電磁輻射的循環(huán)器。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括處理反射功率的調(diào)諧器。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括電子源。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括?；旌掀?。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括柔性波導(dǎo)管。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，還包括第二輻射腔。
16.如權(quán)利要求15所述的裝置，其中所述第二輻射腔基本上至少為單模。
17.一種等離子體裝置，包括腔；管道，用于向所述腔供氣；多個輻射源，設(shè)置成向所述腔傳送頻率低于大約333GHz的電磁輻射；以及控制器，用于延遲除了所述多個輻射源的第一個以外的所有輻射源的激活直到所述多個輻射源的第一個被激活。
18.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括提供輻射吸收信號的檢測器，并且其中所述控制器延遲所述多個輻射源中的每一個的激活直到所述控制器收到所述檢測器發(fā)出的已經(jīng)達(dá)到預(yù)定吸收水平的信號。
19.如權(quán)利要求18所述的裝置，其中所述檢測器被連接到所述控制器。
20.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中在所述多個輻射源的第一個形成等離子體之后所述控制器激活所述多個輻射源的第二輻射源。
21.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中如果在所述多個輻射源的至少兩個源之間存在正交極化則同時激活所述多個輻射源的所述至少兩個源。
22.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述裝置還包括催化劑。
23.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中存在所述催化劑以減少電磁輻射能量泄漏。
24.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述催化劑具有電氣不連續(xù)的分布。
25.如權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述催化劑具有可變的成分。
26.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括第二輻射腔。
27.如權(quán)利要求26所述的裝置，其中所述第二輻射腔基本上至少為單模。
28.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述催化劑為納米結(jié)構(gòu)。
29.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括傳送電磁輻射的循環(huán)器。
30.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括處理反射功率的調(diào)諧器。
31.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括輻射腔。
32.如權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述腔設(shè)置成支持至少一種電磁模。
33.如權(quán)利要求17所述的裝置，還包括?；旌掀?。
34.一種采用至少第一輻射源和第二輻射源的方法，所述至少第一輻射源和第二輻射源設(shè)置成將電磁輻射引入等離子體區(qū)域，所述方法包括將氣體引入所述等離子體區(qū)域；激活具有低于大約333GHz的頻率的所述第一輻射源以促進(jìn)所述等離子體區(qū)域中的等離子體形成；以及在所述等離子體形成之后激活具有低于大約333GHz的頻率的所述第二輻射源。
35.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括如果所述第一輻射源與所述第二輻射源相比是正交極化的則同時啟動所述第一輻射源和所述第二輻射源的步驟。
36.如權(quán)利要求34所述的方法，其中使用至少一種能夠引起等離子體激發(fā)的催化劑來促進(jìn)等離子體的形成。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，其中所述至少一種催化劑包括至少一種摻雜劑。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，還包括以變化的速度引入所述至少一種催化劑的步驟。
39.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括在激活所述第一輻射源和所述第二輻射源中的一個之后激活至少第三輻射源的步驟。
40.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括延遲所述至少第三輻射源的激活直到所述第一輻射源和所述第二輻射源被激活的步驟。
41.如權(quán)利要求34所述的方法，其中來自所述第一輻射源的電磁輻射與來自所述第二輻射源的電磁輻射相比正交極化。
42.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括激活多個輻射源的步驟，其中所述多個輻射源中的每一個以預(yù)定的間隔連續(xù)激活。
43.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述等離子體區(qū)域包含等離子體催化劑。
44.如權(quán)利要求34所述的方法，其中所述激活所述第一輻射源的步驟還包括這樣的步驟在至少一種包括至少是半導(dǎo)電的材料的惰性等離子體催化劑存在的情況下，通過使所述等離子體區(qū)域內(nèi)的氣體受到由所述第一輻射源產(chǎn)生的頻率低于大約333GHz的電磁輻射，來激發(fā)所述等離子體。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須中的至少一種。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其中所述方法還包括調(diào)整所述納米管的方向的步驟。
47.如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述至少一種惰性等離子體催化劑包括多個分布在圍繞所述等離子體區(qū)域的輻射腔中多個位置的伸長型導(dǎo)電條。
48.如權(quán)利要求44所述的方法，其中圍繞所述等離子體區(qū)域的所述輻射腔設(shè)置成支持電磁輻射的至少第一模和第二模，在所述輻射腔中每一種模具有最大的電場矢量，每一個所述電場矢量具有一個量級，并且其中第一模量級和第二模量級之間的比率小于約1∶10。
49.如權(quán)利要求34所述的方法，其中激活所述第一輻射源的所述步驟還包括在包括至少一種電離粒子的活性等離子體催化劑存在的情況下，使所述等離子體區(qū)域中的氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述至少一種電離粒子是帶電粒子。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述至少一種電離粒子包括放射性裂變產(chǎn)物。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中在至少部分透射所述放射性裂變產(chǎn)物的容器中形成圍繞所述等離子體區(qū)域的所述輻射腔，所述方法還包括在所述圍繞所述等離子體區(qū)域的所述輻射腔外設(shè)置放射性裂變源，以便所述放射性裂變源將所述裂變產(chǎn)物通過所述容器引入圍繞所述等離子體區(qū)域的所述輻射腔中的步驟。
53.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述容器和所述放射性裂變源在腔內(nèi)，并且其中所述腔包括基本上防止所述放射性裂變產(chǎn)物從所述腔逃逸的材料。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，還包括在圍繞所述等離子體區(qū)域的所述輻射腔內(nèi)設(shè)置放射性裂變源的步驟，其中所述放射性裂變源產(chǎn)生所述至少一種放射性裂變產(chǎn)物。
55.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括從屏蔽所述碳纖維受到電磁輻射的結(jié)構(gòu)中釋放碳纖維進(jìn)入所述等離子體區(qū)域的步驟。
56.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括使用模混合器達(dá)到預(yù)定加熱梯度的步驟。
57.如權(quán)利要求34所述的方法，還包括?；旌系牟襟E。
全文摘要
本發(fā)明提供了使用多個輻射源的等離子體輔助方法和裝置。在一個實施例中，在惰性或活性等離子體催化劑存在的情況下，通過使處理腔中的氣體受到頻率低于約333GHz的電磁輻射來激發(fā)等離子體。使用控制器來延遲一個輻射源相對于另一個輻射源的激活。
文檔編號H01J37/32GK101076221SQ20071010741
公開日2007年11月21日 申請日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者S·庫馬爾, D·庫馬爾 申請人:Btu國際公司