способ формирования плазмы (варианты)

Формула изобретения

1. Способ формирования плазмы, включающий:

пропускание газа в многомодовую полость обработки и

зажигание плазмы путем подвергания газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц, в присутствии, по крайней мере, одного пассивного плазменного катализатора, включающего материал, который является, по крайней мере, электрически полупроводниковым.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал включает, по крайней мере, один металл, неорганическое вещество, углерод, сплав на основе углерода, композит на основе углерода, электропроводный полимер, проводящий силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит, органический-неорганический композит и любую их комбинацию.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что материал представлен, по крайней мере, в одной из форм: наночастицы, нанотрубки, порошок, пыль, хлопья, волокна, лист, иголки, нити, пряди, волосы, пряжа, бечевка, волос бороды, осколок, щепки, тканый материал, лента, волокнистый кристалл или любой их комбинацией.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что материал включает углеродное волокно.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал включает углерод и представлен, по крайней мере, в одной из форм: наночастицы, нанотрубки, порошок, пыль, хлопья, волокна, лист, иголки, нити, пряди, волосы, пряжа, бечевка, волос бороды, осколок, щепки, тканый материал, лента, волокнистый кристалл или любой их комбинацией.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал включает, по крайней мере, одну нанотрубку.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что материал, по крайней мере, частично покрыт вторым материалом.

8. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, один пассивный плазменный катализатор включает множество удлиненных электропроводных позиций, распределенных в разных местах в полости.

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что излучение имеет линии электрического поля, при этом каждая из удлиненных позиций имеет продольную ось, при этом продольные оси не являются в значительной степени сцентрованными с линиями электрического поля.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что плазменный катализатор включает, по крайней мере, один электропроводный компонент и, по крайней мере, одну добавку в соотношении, а также тем, что способ далее включает удержание плазмы, при этом удержание включает:

направление дополнительного электромагнитного излучения в полость и

предоставление возможности катализатору быть поглощенным плазмой, так что плазма содержит, по крайней мере, одну добавку.

11. Способ по п.10, отличающийся тем, что соотношение отличается для разных порций катализатора, при этом предоставление возможности включает предоставление возможности различным частям катализатора быть поглощенными плазмой в различное время таким образом, что плазма содержит варьирующееся соотношение электропроводного компонента, по крайней мере, к одной добавке.

12. Способ по п.1, отличающийся тем, что многомодовая полость имеет конфигурацию для поддержания, по крайней мере, первой моды и второй моды излучения, при этом каждая из мод имеет максимальный вектор электрического поля в полости, и каждый вектор имеет величину, при этом соотношение между величиной первой моды и величиной второй моды менее чем 1:10.

13. Способ по п.12, отличающийся тем, что соотношение менее чем 1:5.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что соотношение менее чем 1:2.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что многомодовая полость имеет конфигурацию для поддержания, по крайней мере, первой моды и второй моды излучения, при этом каждая из мод имеет максимальный вектор электрического поля в полости в позиции, при этом способ далее перемещает каждую из позиций с помощью смешивания мод.

16. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажигание включает зажигание множества плазменных катализаторов в различных местах в полости.

17. Способ по п.1, отличающийся тем, что полость представляет собой камеру излучения, и катализатор размещен полностью в камере таким образом, что катализатор практически не проводит электрический ток в камеру или к любому электропроводному объекту, расположенному за пределами камеры.

18. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор расположен наверху практически неэлектропроводного удлинителя, который проходит через отверстие поджига в камере излучения.

19. Способ по п.1, отличающийся тем, что катализатор включает множество прерывистых сегментов, отделенных и механически соединенных с множеством электрически непроводящих сегментов, при этом во время поджига катализатор проходит через отверстие поджига в полости между местом внутри полости и другим местом за пределами полости.

20. Способ по п.1, отличающийся тем, что зажигание включает зажигание плазмы катализатором, подвешенным в полости.

21. Способ формирования плазмы, включающий зажигание плазмы путем подвергания газа воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее чем 333 ГГц, в присутствии плазменного катализатора, включающего порошок.

22. Способ по п.21, отличающийся тем, что подвергание воздействию происходит в камере, и способ далее включает пропускание газа в камеру.

23. Способ по п.21, отличающийся тем, что подвергание воздействию происходит в полости, расположенной в камере.

24. Способ по п.23, отличающийся тем, что камера является многомодовой камерой.

25. Способ по п.21, далее включающий введение порошка в излучение с использованием газа-носителя.

26. Способ по п.21, далее включающий введение порошка в излучение с помощью последовательности операций, где порошок, по крайней мере, временно подвисает в полости, при этом данные операции состоят, по крайней мере, из подачи, гравитационной подачи, передачи, разбрызгивания, распрыскивания и продувания.

27. Способ по п.21, далее включающий введение порошка в полость через множество отверстий поджига.

28. Способ по п.21, отличающийся тем, что зажигание включает зажигание плазмы, в то время как порошок находится в подвешенном состоянии.

29. Способ по п.21, отличающийся тем, что плазменный катализатор включает несгораемый материал.

30. Способ по п.29, отличающийся тем, что плазменный катализатор представляет собой, по крайней мере, одно из: металл, углерод, сплав на основе углерода, электропроводный полимер, проводящий силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит и органический-неорганический композит.

31. Способ формирования плазмы, включающий подвергание газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц, в присутствии активного плазменного катализатора, включающего, по крайней мере, одну ионизирующую частицу.

32. Способ по п.31, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна ионизирующая частица включает пучок частиц.

33. Способ по п.31, отличающийся тем, что частица представляет собой, по крайней мере, одну частицу рентгеновского луча, альфа-частицу, бета-частицу, нейтрон и протон.

34. Способ по п.31, отличающийся тем, что, по крайней мере, одна ионизирующая частица является заряженной частицей.

35. Способ по п.31, отличающийся тем, что ионизирующая частица включает продукт радиоактивного деления.

36. Способ по п.35, отличающийся тем, что полость формируется в сосуде, который, по крайней мере, частично пропускает продукт деления, при этом способ далее включает позиционирование источника деления за пределами полости таким образом, что источник направляет продукт деления через сосуд в полость.

37. Способ по п.35, отличающийся тем, что сосуд и источник деления находятся внутри камеры излучения, при этом камера включает материал, который практически предотвращает утечку продукта из камеры.

38. Способ по п.35, далее включающий позиционирование источника радиоактивного деления в полости, отличающийся тем, что источник генерирует, по крайней мере, один продукт деления.

39. Способ по п.31, отличающийся тем, что ионизирующая частица является свободным электроном, при этом способ далее включает генерацию электрона путем подачи энергии на источник электронов.

40. Способ по п.39, отличающийся тем, что подача энергии включает нагревание источника электронов.

41. Способ по п.31, отличающийся тем, что частица включает свободный протон, при этом способ далее включает генерирование свободного протона путем ионизации водорода.

42. Способ по п.31, отличающийся тем, что полость является, по крайней мере, частично открытой, позволяя газу протекать через нее.

43. Способ формирования плазмы в системе, отличающийся тем, что система имеет, по крайней мере, одну полость зажигания и вторую полость в жидкостной связи с первой полостью, при этом способ включает:

подвергание газа в первой полости зажигания воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц, так что плазма в первой полости вызывает формирование плазмы во второй полости; и

удержание второй плазмы путем подвергания ее воздействию дополнительного электромагнитного излучения.

44. Способ по п.43, отличающийся тем, что подвергание воздействию включает подвергание газа излучению в присутствии плазменного катализатора.

45. Способ по п.43, отличающийся тем, что первая полость меньше, чем вторая полость.

46. Способ по п.45, отличающийся тем, что первая полость практически является одномодовой полостью, и вторая полость является многомодовой полостью.

47. Способ по п.46, отличающийся тем, что вторая полость является высокомодовой.

48. Способ по п.44, отличающийся тем, что плазменный катализатор включает углеродное волокно.

Описание изобретения к патенту

Ссылка на относящиеся к вопросу заявки

Приоритет заявлен по первоначальной заявке на патент США №60/378,693, поданной 8 мая 2002, 60/430,677, поданной 4 декабря 2002, и №60/435,278, поданной 23 декабря 2002, все из которых полностью включены здесь в виде ссылок.

Область изобретения

Данное изобретение относится к способам для зажигания, формирования и удержания плазмы из газов, используя плазменные катализаторы.

Предпосылки создания изобретения

Известно, что плазма может быть зажжена путем подвергания газа воздействию достаточного количества микроволнового излучения. Зажигание плазмы, однако, обычно легче при давлениях газа значительно ниже атмосферного давления. Однако вакуумное оборудование, которое требуется для снижения давления газа, может быть дорогим, а также медленным и потребляющим много энергии. Более того, использование подобного оборудования может ограничить гибкость производства.

Сущность некоторых аспектов изобретения

Могут быть обеспечены плазменные катализаторы для зажигания, формирования и удержания плазмы. Плазменный катализатор может быть пассивным или активным. Пассивный плазменный катализатор может включать любой объект, способный индуцировать плазму путем деформации электрического поля (например, электромагнитного поля), соответствующей данному изобретению, без добавления дополнительной энергии. Активный плазменный катализатор, с другой стороны, представляет собой любой пакет частиц или высокоэнергетической волны, способный передавать достаточное количество энергии газообразному атому или молекуле для удаления, по крайней мере, одного электрона из газообразного атома или молекулы в присутствии электромагнитного излучения. В обоих случаях плазменный катализатор может улучшить или ослабить воздействие условий окружающей среды, необходимых для зажигания плазмы.

Представлены способ и устройство для формирования плазмы.

Способ формирования плазмы включает пропускание газа в многомодовую полость обработки; и зажигание плазмы путем подвергания газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц в присутствии, по крайней мере, одного пассивного плазменного катализатора, включающего материал, который является, по крайней мере, электрически полупроводниковым.

При этом материал включает, по крайней мере, один металл, неорганическое вещество, углерод, сплав на основе углерода, композит на основе углерода, электропроводный полимер, проводящий силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит, органический-неорганический композит и любую их комбинацию.

Кроме того, материал представлен, по крайней мере, в одной из форм: наночастицы, нанотрубки, порошок, пыль, хлопья, волокна, лист, иголки, нити, пряди, волосы, пряжа, бечевка, волос бороды, осколок, щепки, тканый материал, лента, волокнистый кристалл или любой их комбинации.

Также материал может включать углеродное волокно.

В другом примере осуществления изобретения материал включает углерод и представлен, по крайней мере, в одной из форм: наночастицы, нанотрубки, порошок, пыль, хлопья, волокна, лист, иголки, нити, пряди, волосы, пряжа, бечевка, волос бороды, осколок, щепки, тканый материал, лента, волокнистый кристалл или любой их комбинации.

Материал может включать, по крайней мере, одну нанотрубку.

Материал, по крайней мере, частично может быть покрыт вторым материалом.

По крайней мере, один пассивный плазменный катализатор включает множество удлиненных электропроводных позиций, распределенных в разных местах в полости.

Излучение имеет линии электрического поля, при этом каждая из удлиненных позиций имеет продольную ось, при этом продольные оси не являются в значительно степени сцентрованными с линиями электрического поля.

Плазменный катализатор включает, по крайней мере, один электропроводный компонент и, по крайней мере, одну добавку в соотношении, при этом способ далее включает удержание плазмы, при этом удержание включает: направление дополнительного электромагнитного излучения в полость; и предоставление возможности катализатору быть поглощенным плазмой, так что плазма содержит, по крайней мере, одну добавку.

Соотношение отличается для разных порций катализатора, при этом предоставление возможности включает предоставление возможности различным частям катализатора быть поглощенными плазмой в различное время таким образом, что плазма содержит варьирующееся соотношение электропроводного компонента, по крайней мере, к одной добавке.

Многомодовая полость имеет конфигурацию для поддержания, по крайней мере, первой моды и второй моды излучения, при этом каждая из мод имеет максимальный вектор электрического поля в полости, и каждый вектор имеет величину, при этом соотношение между величиной первой моды и величиной второй моды менее чем 1:10, в другом примере осуществления изобретения данное соотношение может составлять менее чем 1:5 или менее чем 1:2.

При этом многомодовая полость может иметь конфигурацию для поддержания, по крайней мере, первой моды и второй моды излучения, при этом каждая из мод имеет максимальный вектор электрического поля в полости в позиции, при этом способ далее перемещает каждую из позиций с помощью смешивания мод.

Зажигание включает зажигание множества плазменных катализаторов в различных местах в полости.

Полость представляет собой камеру излучения, и катализатор размещен полностью в камере таким образом, что катализатор практически не проводит электрический ток в камеру или к любому электропроводному объекту, расположенному за пределами камеры.

Катализатор может быть расположен наверху практически неэлектропроводного удлинителя, который проходит через отверстие поджига в камере излучения. Он включает множество прерывистых сегментов, отделенных и механически соединенных с множеством электрически непроводящих сегментов, при этом во время поджига катализатор проходит через отверстие поджига в полости между местом внутри полости и другим местом за пределами полости.

Зажигание включает зажигание плазмы катализатором, подвешенным в полости.

Способ формирования плазмы включает зажигание плазмы путем подвергания газа воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее чем 333 ГГц в присутствии плазменного катализатора, включающего порошок. Подвергание воздействию может происходить в камере, и способ далее включает пропускание газа в камеру.

В другом примере осуществления изобретения подвергание воздействию может происходить в полости, расположенной в камере. При этом камера является многомодовой камерой.

Способ также включает введение порошка в излучение с использованием газа-носителя.

В другом примере осуществления способ может включать введение порошка в излучение с помощью последовательности операций, где порошок, по крайней мере, временно подвисает в полости, при этом данные операции состоят, по крайней мере, из подачи, гравитационной подачи, передачи, разбрызгивания, распрыскивания и продувания.

Введение порошка в полость может осуществляться через множество отверстий поджига.

Зажигание включает зажигание плазмы, в то время как порошок находится в подвешенном состоянии.

Плазменный катализатор включает несгораемый материал или представляет собой, по крайней мере, одно из: металл, углерод, сплав на основе углерода, электропроводный полимер, проводящий силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит и органический - неорганический композит.

Способ формирования плазмы включает подвергание газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц, в присутствии активного плазменного катализатора, включающего, по крайней мере, одну ионизирующую частицу.

При этом, по крайней мере, одна ионизирующая частица включает пучок частиц; или частица представляет собой, по крайней мере, одну частицу рентгеновского луча, альфа частицу, бета частицу, нейтрон и протон.

По крайней мере, одна ионизирующая частица может являться заряженной частицей.

Кроме того, ионизирующая частица включает продукт радиоактивного деления.

Полость формируется в сосуде, который, по крайней мере, частично пропускает продукт деления, при этом способ далее включает позиционирование источника деления за пределами полости таким образом, что источник направляет продукт деления через сосуд в полость.

Сосуд и источник деления находятся внутри камеры излучения, при этом камера включает материал, который практически предотвращает утечку продукта из камеры.

Способ может далее включать позиционирование источника радиоактивного деления в полости, при этом источник генерирует, по крайней мере, один продукт деления.

Ионизирующая частица является свободным электроном, при этом способ далее включает генерацию электрона путем подачи энергии на источник электронов. Подача энергии включает нагревание источника электронов.

Частица может включать свободный протон, при этом способ далее включает генерирование свободного протона путем ионизации водорода.

Полость может являться, по крайней мере, частично открытой, позволяя газу протекать через нее.

Один из вариантов способа формирования плазмы в системе предполагает также, что система имеет, по крайней мере, одну полость зажигания и вторую полость в жидкостной связи с первой полостью, при этом способ включает: подвергание газа в первой полости зажигания воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее 333 ГГц, так что плазма в первой полости вызывает формирование плазмы во второй полости; и удержание второй плазмы путем подвергания ее воздействию дополнительного электромагнитного излучения.

Подвергание воздействию включает подвергание газа излучению в присутствии плазменного катализатора.

Первая полость может быть меньше, чем вторая полость.

Первая полость может практически являться одномодовой полостью, а вторая полость также может являться многомодовой или высокомодовой полостью.

Плазменный катализатор включает углеродное волокно.

В одном примере осуществления данного изобретения способ включает направление газа в многомодовую обрабатывающую полость и зажигание газа путем подвергания газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющему частоту менее чем 333 ГГц, в присутствии, по крайней мере, одного пассивного плазменного катализатора, включающего материал, являющийся, по крайней мере, электрически полупроводниковым.

В другом примере осуществления изобретения представлены способы и устройство для зажигания плазмы путем подвергания газа воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту около менее 333 ГГц, в присутствии плазменного катализатора, включающего порошок.

В еще одном примере осуществления изобретения представлены дополнительные способы и устройство для формирования плазмы с использованием системы сдвоенной полости. Система может включать первую полость зажигания и вторую полость, имеющие жидкостное сообщение между собой. Способ может включать: (i) подвергание газа в первой полости для зажигания воздействию электромагнитного излучения с частотой около менее 333 ГГц, так что плазма в первой полости вызывает формирование плазмы во второй полости, и (ii) удержание второй плазмы во второй полости путем подвергания ее воздействию дополнительного электромагнитного излучения.

Представлены дополнительные плазменные катализаторы и способы для зажигания, формирования и удержания плазмы, соответствующие данному изобретению.

Краткое описание чертежей

Дальнейшие аспекты изобретения будут очевидны после рассмотрения следующего детального описания совместно с сопроводительными чертежами, в которых подобные позиции относятся к подобным позициям по всему тексту и в которых:

фиг.1 представляет собой принципиальную схему иллюстративной плазменной системы, соответствующей данному изобретению;

фиг.1А представляет собой иллюстративный пример осуществления части плазменной системы для добавления порошкового плазменного катализатора к плазменной полости для зажигания, формирования или удержания плазмы в полости в соответствии с данным изобретением;

На фиг.2 показан иллюстративный пример волокна плазменного катализатора с, по крайней мере, одним компонентом, имеющим градиент концентрации по его длине, соответствующий данному изобретению;

На фиг.3 показан иллюстративный пример волокна плазменного катализатора с множеством компонентов с соотношением, которое меняется воль его длины в соответствии с данным изобретением;

На фиг.4 показан еще один иллюстративный пример волокна плазменного катализатора, который включает сердцевинный подслой и покрытие в соответствии с данным изобретением;

На фиг.5 показано поперечное сечение волокна плазменного катализатора по фиг.4, взятое по линии 5-5 фиг.4, соответствующее данному изобретению;

На фиг.6 показан иллюстративный пример другой части плазменной системы, включающий удлиненный плазменный катализатор, который распространяется через раскаляющее отверстие в соответствии с настоящим изобретением;

На фиг.7 показан иллюстративный пример удлиненного плазменного катализатора, который может использоваться в системе по фиг.6, соответствующей данному изобретению;

На фиг.8 показан еще один иллюстративный пример удлиненного плазменного катализатора, который может использоваться в системе по фиг.6, соответствующей данному изобретению; и

На фиг.9 показан иллюстративный пример части плазменной системы для направления излучения в камеру излучения, соответствующие данному изобретению;

Подробное описание примеров осуществления изобретения

Данное изобретение может относиться к способам и устройству для зажигания, формирования и удержания плазмы для разнообразных применений, включая термообработку, синтезирование и отложение карбидов, нитридов, боридов, оксидов и других веществ, легирование, науглероживание, нитрирование и карбонитрирование, агломерацию, многозвенную обработку, соединение, декристаллизацию, изготовление и эксплуатацию печей, обработку выходящих газов, обработку сточных вод, прокаливание, чистку, озоление, выращивание углеродных структур, генерирование водорода и других газов, формирование безэлектродных плазмотронов, плазменной обработки на производственных линиях, стерилизации, очистке и т.д.

Данное изобретение может использоваться для контролируемой генерации тепла и для сопровождаемой плазмой обработки для снижения стоимости энергии и увеличения эффективности теплообработки и гибкости в сопровождаемом плазмой производстве.

Следовательно, предлагается плазменный катализатор для зажигания, формирования и удержания плазмы. Катализатор может быть пассивным или активным. Пассивный плазменный катализатор может включать любой объект, способный индуцировать плазму путем деформации местного электрического поля (например, электромагнитного поля) в соответствии с данным изобретением без необходимости добавления дополнительной энергии через катализатор, подобно применению напряжения для создания искры. С другой стороны, активный плазменный катализатор может быть любой частицей или высокоэнергетическим волновым пакетом, способным передавать достаточное количество энергии газообразному атому или иону для удаления, по крайней мере, одного электрона из газообразного атома или молекулы в присутствии электромагнитного излучения.

Иллюстративная плазменная система

На фиг.1 показана иллюстративная плазменная система 10, соответствующая одному аспекту изобретения. В данном примере осуществления изобретения полость 12 формируется в сосуде, который помещен внутри камеры излучения 14, (т.е. аппликатора). В другом примере осуществления изобретения (не показано) сосуд 12 и камера излучения 14 являются одним и тем же, тем самым устраняя необходимость в двух дополнительных компонентах. Сосуд, в котором формируется полость 12, может включать один или более пропускающих излучения слоя для улучшения его термоизоляционных свойств без значительного закрытия полости 12 от излучения.

В одном примере осуществления изобретения полость 12 формируется в сосуде, выполненном из керамики. В связи с чрезвычайно высокими температурами, которые могут быть получены у плазм по данному изобретению, можно использовать керамику, эксплуатирующуюся при около 3000°F (1648,9°C). Керамический материал может включать по весу 29,8% кремнезема, 68,2% глинозема, 0,4 оксида железа, 1% титана, 0,1% извести, 0,1% магния, 0,4% щелочи, которые продаются под моделью №LW-30 компанией Нью-Кастл Рефректориз, Нью Кастл, Пенсильвания. Специалисты в данной области, однако, поймут, что другие материалы, такие как кварц и отличные от описанных выше, могут также соответствовать данному изобретению.

В одном успешном эксперименте плазма образовывалась в частично открытой полости внутри первого кирпича, на котором сверху находился второй кирпич. Полость имела размеры около: 2 дюйма × 2 дюйма × 1,5 дюйма (около 50,78 мм × 50,78 мм × 38,085 мм). По крайней мере два отверстия были сделаны в кирпиче в соединении с полостью: одно для осмотра плазмы и, по крайней мере, одно отверстия для обеспечения газом. Размер полости может зависеть от выполняемого желаемого плазменного процесса. Также полость должна иметь такую конфигурацию, чтобы предотвратить подъем плазмы и ее удаление из первичного района обработки.

Полость 12 может быть соединена с одним или более источником газа 24 (например, источником аргона, азота, водорода, ксенона, криптона) по линии 20 и контрольного клапана 22, которые могут получать питание от источника питания 28. Линия 20 может быть трубкой (например, между около 1/16 дюйма (1,586875 мм) и около 1/4 дюйма (6,3475 мм), т.е. порядка 1/8 дюйма (3,17175 мм)). Также, если желательно, к камере может быть подсоединен вакуумный насос для удаления паров, которые могут генерироваться во время плазменной обработки. В одном примере осуществления изобретения газ может протекать в и/или из полости 12 через один или более зазор в составном сосуде. Таким образом, газовые отверстия по данному изобретению не должны быть четкими отверстиями и могут принимать также и другие формы, такие как многочисленные небольшие распределенные отверстия.

Детектор утечки излучения (не показано) был установлен около источника 26 и волновода 30 и подсоединен к системе блокировки для безопасности для автоматического отключения источника питания излучения (например, микроволнового), если детектируется утечка выше заданного уровня безопасности, подобного определенному Федеральной комиссией по связи и Администрацией по профессиональной безопасности и здоровью (например, 5 мВ/см ²).

Источник излучения 26, который может питаться от источника электроэнергии 28, направляет энергию излучения в камеру 14 через один или более волновод 30. Специалистам в данной области будет понятно, что источник 26 может быть подсоединен к полости 12 напрямую, тем самым устраняя волновод 30. Энергия излучения, поступающая в полость 12, используется для зажигания плазмы внутри полости. Эта плазма может значительно удерживаться и ограничиваться в полости путем присоединения дополнительного излучения катализатором. Также частота излучения (например, микроволнового излучения) считается некритичной во многих применениях.

Энергия излучения может подаваться через циркулятор 32 и тюнер 34 (например, 3-шлейфовое настроечное устройство). Тюнер 34 может быть использован для сведения к минимуму отраженной энергии в качестве функцией изменения условий инициации или обработки, особенно после формирования плазмы, потому что микроволновая мощность, например, будет сильно поглощаться плазмой.

Как это более полно объясняется ниже, расположение пропускающей излучение полости 12 в камере 14 может и не быть критическим, если камера 14 поддерживает множественные режимы, и особенно когда режимы непрерывно или периодически смешиваются. Как также более полно объясняется ниже, двигатель 36 может присоединяться к смесителю режимов работы 38 для того, чтобы сделать усредненное по времени распределение энергии излучения практически однородным по камере 14. Далее окно 14 (например, кварцевое окно) может быть расположено в одной из стенок камеры 14, примыкающей к полости 12, что позволяет температурному датчику 42 (например, оптическому пирометру) быть использованным для обзора процесса внутри полости 12. В одном примере осуществления изобретения выход оптического пирометра может быть увеличен от нуля вольт по мере подъема температуры до улавливаемого диапазона.

Датчик 42 может вырабатывать выходные сигналы как функцию температуры или любого другого контролируемого условия, связанного с обрабатываемой деталью (не показано) внутри полости 12, и подавать сигналы на контроллер 44. Могут также использоваться сдвоенное восприятие температуры и нагревание, а также автоматизированное управление нормой охлаждения и потоком газа. Контроллер 44 в свою очередь может использоваться для управления работой источника питания 28, один выход которого подсоединен к источнику 26, как было описано выше, а другой выход подсоединен к клапану 22 для управления потоком газа в полость 12.

Изобретение использовалось с равным успехом при использовании микроволновых источников при как 915 МГц, так и 2,45 ГГц, обеспечиваемых промышленностью коммуникаций и энергии (CPI), хотя может использоваться излучение, имеющее любую частоту около менее 333 ГГц. Система 2,45 ГГЦ обеспечивала непрерывную переменную микроволновую энергию от около 0,5 кВт до около 5,0 кВт. 3-Шлейфовый тюнер позволял согласовывать импеданс для максимальной передачи энергии и использовался двунаправленный совместитель для измерения направленной и отраженной энергии. Также использовались оптические пирометры для дистанционного восприятия образца температуры.

Как было упомянуто выше, излучение, имеющее любую частоту, меньшую около 333 ГГц, может использоваться по данному изобретению. Например, могут использоваться частоты, такие как линейные частоты питания (около 50 до около 60 Гц), хотя давление газа, из которого формируется плазма, может быть понижено для помощи в зажигании плазмы. Также любая радиочастота или микроволновая частота могут использоваться по данному изобретению, включая частоты большие, чем около 100 кГц. В большинстве случаев давление газа для таких относительно высоких частот должно быть понижено для зажигания, формирования или удержания плазмы, тем самым позволяя многим плазменным процессам происходить при атмосферных давлениях и выше.

Оборудование управлялось компьютером с помощью программного обеспечения LabView 6i, которое позволяло контролировать температуру в реальном масштабе времени и управлять микроволновой энергией. Шум снижался путем использования усреднения приемлемого количества точек данных. Также для улучшения скорости и эффективности вычислений, число запоминаемых точек данных в буферном массиве ограничивалось использованием сдвиговых регистров и выставлением размера буфера.

Пирометр измерял температуру чувствительной зоны около 1 см², которая использовалась для расчета средней температуры. Пирометр воспринимал интенсивности излучения на двух длинах волн и подгонял эти интенсивности, используя закон Планка для определения температуры. Однако следует оценить, что также имеются в распоряжении и другие устройства и способы для контроля и управления температурой и они могут использоваться по данному изобретению.

Камера 14 имеет несколько покрытых стеклом смотровых отверстий с радиационными экранами и одним кварцевым окном для доступа пирометра. Также предусмотрено несколько отверстий для подсоединения к вакуумному насосу и источнику газа, хотя они и не обязательно используются.

Система 10 также включала замкнутую систему охлаждения деионизированной водой (не показано), при этом внешний теплообменник охлаждается водой из-под крана. Во время работы деионизированная вода сначала охлаждала магнетрон, затем сброс нагрузки в циркуляторе (используемый для защиты магнетрона) и в конечном итоге камеру излучения через водяные каналы, приваренные на наружной поверхности камеры.

Плазменные катализаторы

Плазменный катализатор по данному изобретению может включать одно или более различных веществ и может быть либо пассивным либо активным. Плазменный катализатор может использоваться, помимо прочего, для зажигания, формирования и/или удержания плазмы при давлении газа меньшем или равном или большем, чем атмосферное давление.

Один способ формирования плазмы, соответствующий данному изобретению может включать подвергание газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту менее чем около 333 ГГц в присутствии пассивного плазменного катализатора. Пассивный плазменный катализатор по данному изобретению может включать любой объект, способный индуцировать плазму путем деформации местного электрического поля (например, электромагнитного поля) в соответствии с данным изобретением, без необходимости добавления дополнительной энергии через катализатор, как, например, приложения электрического напряжения для создания искры.

Пассивный плазменный катализатор в соответствии с данным изобретением может также быть наночастицей или нанотрубкой. При использовании здесь термин «наночастица» может включать любую частицу, имеющую максимальный физический размер около менее 100 нм, которая является, по крайней мере, полупроводниковой электрически. Так же как одностеночные, так и многостеночные углеродные нанотрубки, легированные и нелегированные, могут быть особенно эффективными для зажигания плазмы по данному изобретению из-за их исключительной электрической проводимости и удлиненной формы. Нанотрубки могут иметь любую удобную длину и могут быть порошком, фиксированным к субстрату. Если они фиксированные, то нанотрубки могут быть произвольно ориентированы на поверхности субстрата или зафиксированы к субстрату (например, в какой-то заданной ориентации), в то время как плазма зажигается или удерживается.

Пассивный плазменный катализатор может быть также порошком в соответствии с данным изобретением, и нет необходимости компромисса между наночастицами или нанотрубками. Он может быть образован, например, из волокон, частиц пыли, хлопьев, листов, и т.д. Когда он находится в порошковой форме, катализатор может быть подвешен, по крайней мере, временно в газе. Путем подвешивания порошка в газе порошок может быстро диспергироваться по полости и, если это желательно, более легко употребляться.

В одном примере осуществления изобретения порошковый катализатор может быть занесен в полость и по крайней мере временно подвешен в газе-носителе. Газ-носитель может быть одинаковым или отличным от газа, который формирует плазму. Также порошок может быть добавлен в газ до введения в полость. Например, как показано на фиг.1А, источник излучения 52 может подавать излучение на полость излучения 55, в которой размещена плазменная полость 60. Источник порошка 65 обеспечивает каталитический порошок 70 в поток газа 75. В альтернативном примере осуществления изобретения порошок 70 сначала добавляется в полость 60 насыпью (например, кипой) и затем распределяется в полости любым из путей, включая пропускание газа через или над ссыпанной пудрой. В дополнение пудра может добавляться в газ для зажигания, формирования или удержания плазмы путем перемещения, передачи, разбрызгивания, распыления, продувания или по иному, подавая пудру в и внутри полости.

В одном примере осуществлении изобретения плазма зажигалась в полости путем размещения кипы углеродоволокнистой пудры в медной трубе, которая проходила в полости. Хотя в полость направлялась достаточное излучение, медная труба экранировала порошок от излучения, и не происходило зажигания плазмы. Однако, как только через трубу начинал проходить газ-носитель, вынуждая порошок переместиться из трубы в полость и тем самым подвергая порошок воздействию излучения, плазма почти мгновенно зажигалась в полости.

Порошковый плазменный катализатор по данному изобретению может быть в значительной степени несгораемым, так что он не должен содержать кислород или гореть в присутствии кислорода. Таким образом, катализатор может включать металл, углерод, углеродистые сплавы, композитные материалы на основе углерода, электропроводный полимер, проводящий силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит, органический - неорганический композит и любую их комбинацию.

Также порошковые катализаторы могут быть практически однородно распределены в плазменной полости (например, при подвешенном состоянии в газе), и инициация плазмы может точно контролироваться внутри полости. Однородное инициирование может быть важным в некоторых применениях, включая применения, требующие короткое воздействие плазмы, как в форме одного или более всплесков. Все равно некоторое количество времени может потребоваться на то, чтобы порошковый катализатор распределился бы по полости, особенно в сложных, многокамерных полостях. Следовательно, в соответствии с другим аспектом данного изобретения порошковый катализатор может вводиться в полость через множество отверстий зажигания, чтобы более быстро получить более однородное распределение катализатора в ней (см. ниже).

В дополнение к порошку пассивный плазменный катализатор по данному изобретению может включать, например, одно или более микроскопических или макроскопических волокон, листов, игл, нитей, прядей, волосков, пряжи, бечевок, стружек, осколков, щепок, тканого материала, ленты, волос бороды или любой их комбинации. В этих случаях плазменный катализатор может иметь, по крайней мере, одну порцию с одним физическим размером, который значительно превышает другой физический размер. Например, соотношение между, по крайней мере, двумя ортогональными размерами должно быть, по крайней мере, около 1:2, но может и быть больше чем около 1:5, или даже больше чем около 1:10.

Таким образом, пассивный плазменный катализатор может включать, по крайней мере, одну часть из материала, который относительно тонкий по сравнению с его длиной. Может также использоваться связка катализаторов (например, волокон) и может включать, например, секцию графитовой ленты. В одном эксперименте успешно использовалась секция ленты, имеющая приблизительно тридцать тысяч прядей графитового волокна, каждая диаметром около 2-3 мкм. Число волокон и длина связки не имеют критического значения для зажигания, формирования и удержания плазмы. Например, удовлетворительные результаты были получены при использовании секции графитовой ленты длиной около одной четверти дюйма (около 6,3475 мм). Один тип углеродного волокна, который успешно использовался по данному изобретению, продается под товарным знаком Magnamite^® , модель №AS4C-GP3K, корпорацией Хексель, из Андерсона, Южная Каролина, США. Также успешно использовались волокна из карбида силикона.

Пассивный плазменный катализатор, соответствующий другому аспекту данного изобретения, может включать одну или две части, которые, например, практически сферические, кольцевые, пирамидальные, кубические, планарные, прямоугольные или удлиненные.

Пассивные плазменные катализаторы, рассматриваемые выше, включают, по крайней мере, один материал, который является, по крайней мере, электрически полупроводниковым. В одном примере осуществления изобретения материал может иметь высокую проводимость. Например, пассивный плазменный катализатор по данному изобретению может включать металл, неорганическое вещество, углерод, углеродистый сплав, углеродистый композит, электропроводный полимер, проводимый силиконовый эластомер, полимерный нанокомпозит, органический-неорганический композит и любую их комбинацию. Некоторые возможные неорганические вещества, которые могут быть включены в плазменный катализатор, включают углерод, карбид кремния, молибден, платину, тантал, вольфрам, нитрид углерода и алюминий, хотя есть основания полагать, что другие электропроводные неорганические вещества действуют также хорошо.

В дополнение к одному или более электропроводным материалам пассивный плазменный катализатор по данному изобретению может включать одну или более добавок (которые не должны быть электропроводными). При использовании в данном изобретении добавка может включать любое вещество, которое пользователь хочет добавить к плазме. Например, при легировании полупроводников и других материалов одна или более легирующая примесь может быть добавлена к плазме через катализатор. Катализатор может включать саму легирующую примесь или он может включать материал-предшественник, который после разложения может образовывать легирующую примесь. Таким образом, плазменный катализатор может включать одну или более добавок и один или более электропроводный материал в любом желательном соотношении, в зависимости от желательного конечного состава плазмы и использующего плазму процесса.

Соотношение электропроводных компонентов к добавкам в пассивном плазменном катализаторе может меняться в зависимости от времени во время потребления. Например, во время зажигания плазменный катализатор мог бы желательно включать относительно большой процент электропроводных компонентов для улучшения условий зажигания. С другой стороны, если он используется при удержании плазмы, то катализатор мог бы включать относительно большой процент добавок. Специалисты в данной области поймут, что соотношение компонентов плазменного катализатора, используемого для инициации и поддержания плазмы, могут быть одинаковыми.

Заранее заданный профиль соотношения может использоваться для упрощения многих плазменных процессов. Во многих обычных плазменных процессах по необходимости в плазму добавляются компоненты, но подобное добавление требует программируемого оборудования для добавления компонентов в соответствии с заранее заданным графиком. Однако в соответствии с данным изобретением соотношение компонентов в катализаторе может варьироваться и таким образом может автоматически варьироваться соотношение компонентов в самой плазме. То есть соотношение компонентов в плазме в любое определенное время зависит от того, какие порции катализатора в настоящее время потребляются плазмой. Таким образом, соотношение компонентов катализатора может быть различным в разных местах внутри катализатора. И текущее соотношение компонентов в плазме может зависеть от пропорций катализатора, который был употреблен сейчас и/или ранее, особенно когда норма расхода газа, проходящего через плазменную камеру, относительно медленная.

Пассивный плазменный катализатор по данному изобретению может быть однородным, неоднородным или дифференцированным. Также соотношение компонентов плазменного катализатора может меняться непрерывно или прерывисто по катализатору. Например, на фиг. 2 соотношение может меняться гладко, образуя градиент вдоль длины катализатора 100. Катализатор 100 может включать связку материала, который содержит относительно низкую концентрацию компонентов в секции 105 и непрерывно увеличивает концентрацию по направлению к секции 110.

Альтернативно, как показано на фиг.3, соотношение может меняться прерывисто в каждой части катализатора 120, который включает, например, чередующиеся секции 125 и 130, имеющие разные концентрации. Следует отметить, что катализатор 120 может иметь более двух типов секций. Таким образом, соотношение компонентов катализатора, потребляемых плазмой, может варьироваться любым заранее заданным образом. В одном примере осуществления изобретения, когда плазма контролируется и детектируется определенная добавка, дальнейшая обработка может автоматически быть начата или закончена.

Другим способом изменить соотношение компонентов в удерживаемой плазме является введение множества катализаторов, имеющих различное соотношение компонентов в различное время или при различной скорости. Например, множественный катализатор может быть введен в приблизительно одно и тоже место или в различные места внутри полости. Когда он вводится в различных местах, формируемая в полости плазма может иметь градиент концентрации компонентов, определяемых местоположение различных катализаторов. Таким образом, автоматизированная система может включать устройство, с помощью которого потребляемый плазменный катализатор механически вставляется до и/или во время зажигания, формирования и/или удержания плазмы.

Плазменный катализатор по данному изобретению может также быть покрытым. В одном примере осуществления изобретения катализатор может включать практически неэлектропроводное покрытие, наносимое на поверхность практически электропроводного материала. Альтернативно катализатор может включать в значительной степени электропроводное покрытие, осаждаемое на поверхности практически неэлектропроводного материала. Например, на фиг.4 и 5 показано волокно 140, которое включает низлежащий слой 145 и покрытие 150. В одном примере осуществления изобретения плазменный катализатор, включающий углеродную сердцевину, покрывается никелем для предотвращения окисления углерода.

Отдельный плазменный катализатор может также включать множество покрытий. Если покрытия потребляются во время контакта с плазмой, покрытия могли бы вводиться в плазму последовательно, от наружного покрытия к самому внутреннему покрытию, тем самым создавая механизм задержки срабатывания. Таким образом, покрытый плазменный катализатор может включать любое число материалов, пока часть катализатора является, по крайней мере, полупроводниковой электрически.

В соответствии с другим примером осуществления данного изобретения плазменный катализатор может быть полностью расположен внутри полости излучения, чтобы значительно снизить или предотвратить утечку энергии излучения. Таким образом, плазменный катализатор не связан электрически или магнитно с сосудом, содержащим полость, или с любым электропроводным объектом снаружи полости. Это предотвращает образование искры у окна зажигания и предотвращает утечку излучения за пределы полости во время зажигания и, возможно, позже, когда плазма удерживается. В одном примере осуществления изобретения катализатор может быть расположен вверху практически электрически непроводящего удлинителя, который простирается через отверстие зажигания.

На фиг.6, например, показана камера излучения 160, в которой размещена плазменная полость 165. Плазменный катализатор 170 удлиненный и распространяется через отверстие зажигания 175. Как показано на фиг.7, и в соответствии с изобретением катализатор 170 может включать электропроводную дистальную часть 180 (которая помещена в камере 160) и электрически непроводящую часть 185 (которая помещена практически снаружи камеры 160). Эта конфигурация предотвращает электрическое соединение (например, искрение) между дистальной частью 180 и камерой 160.

В другом примере осуществления изобретения, показанном на фиг.8, катализатор может быть сформирован из множества электропроводных сегментов 190, отделенных от и механически соединенных с множеством электрически непроводящих сегментов 195. В данном примере осуществления изобретения катализатор может распространяться через отверстие зажигания между точкой внутри полости и другой точкой снаружи полости, но электрически прерывистый профиль значительно предотвращает искрение и утечку энергии.

Другой способ формирования плазмы по данному изобретению включает подвергание газа в полости воздействию электромагнитного излучения, имеющего частоту около менее 333 ГГц в присутствии активного плазменного катализатора, который генерирует или включает, по крайней мере, одну ионизирующую частицу.

Активный плазменный катализатор по данному изобретению может быть любой частицей или высокоэнергетическим волновым пакетом, способным передавать значительное количество энергии газообразному атому или молекуле для удаления, по крайней мере, одного электрона из газообразного атома или молекулы в присутствии электромагнитного излучения.

В зависимости от источника ионизирующие частицы могут быть направлены в полость в форме сфокусированного или коллимированного луча или они могут быть распрысканы, выдавлены, разбрызганы или введены по-иному.

Например, на фиг.9 показан источник излучения 200, направляющий излучение в камеру излучения 205. Плазменная полость 210 расположена внутри камеры 205 и может дать возможность газу протекать через отверстия 215 и 216. Источник 220 направляет ионизирующие частицы 225 в полость 210. Источник 220 может быть защищен, например, металлическим экраном, который позволяет ионизирующим частицам проходить, но экранирует источник 220 от излучения. Если необходимо, источник 220 может иметь водяное охлаждение.

Примеры ионизирующих частиц по данному изобретению могут включать частицы рентгеновских лучей, частицы гамма-лучей, альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны и любую их комбинацию. Таким образом, катализатор на ионизирующих частицах может быть заряжен (например, ион от источника ионов) или разряжен и может быть продуктом процесса деления ядра. В одном примере осуществления изобретения сосуд, в котором формируется плазменная полость, может полностью или частично пропускать катализатор на основе ионизирующих частиц. Источник радиоактивного деления может быть расположен внутри камеры излучения и практически предотвращать продукты деления (например, катализатор на основе ионизирующих частиц) от создания угрозы безопасности.

В другом примере осуществления изобретения ионизирующая частица может представлять собой свободный электрон, но он не должен излучаться в процессе деления. Например, электрон может быть введен в полость путем возбуждения источника электронов (подобного металлу), так чтобы у электронов было достаточно энергии для ухода из источника. Источник электронов может быть размещен внутри полости, рядом с полостью, или даже в стенке полости. Обычные специалисты в данной области поймут, что возможна любая комбинация источников электронов. Обычным способом получения электронов является нагревание металла, и эти электроны могут далее ускоряться путем применения электрического поля.

В дополнении к электронам свободные энергетические протоны могут также использоваться для катализации плазмы. В одном примере осуществления изобретения свободный протон может быть сгенерирован ионизацией водорода и, по выбору, быть ускорен электрическим полем.

Одним преимуществом активного и пассивного катализатора по данному изобретению является то, что они могут производить катализацию плазмы практически непрерывно. Искровое устройство, например, может только производить катализацию плазмы, когда присутствует искра. Искра, однако, обычно генерируется путем применения напряжения между двумя электродами. Обычно искры генерируются периодически и отделяются периодами, в которых искра не генерируется. Во время подобных безыскровых периодов плазма не катализируется. Также искровым устройствам, например, обычно требуется электрическая энергия для работы, хотя активные и пассивные катализаторы плазмы по данному изобретению не требуют электрической энергии для работы.

Многомодовые полости излучения

Радиационный волновод, полость или камера могут быть сконструированы для поддержания или облегчения распространения, по крайней мере, одной моды электромагнитного излучения. При использовании здесь термин «мода» относится к определенной схеме любой стоящей или распространяющейся электромагнитной волны, которая удовлетворяет уравнениям Максвелла и приемлемым граничным условиями (например, «полость»). В волноводе или полости мода может быть любой одной из различных схем распространения или стояния электромагнитных полей. Каждая мода характеризуется своей частотой и поляризацией векторов электрического и/или магнитного поля. Схема электромагнитного поля моды зависит от частоты, коэффициентов отражения или диэлектрических постоянных и геометрии волновода или полости.

Поперечная электрическая мода (ТЭ) - это такая мода (электромагнитных колебаний), при которой вектор электрического поля нормален (перпендикулярен) к направлению распространения (электромагнитных волн). Подобным же образом поперечная магнитная (ТМ) мода - это мода, при которой вектор магнитного поля нормален к направлению распространения. Поперечная электрическая и магнитная (ТЭМ) мода - это мода, при которой оба вектора как электрического, так и магнитного поля нормальны к направлению распространения. Полый металлический волновод обычно не поддерживает нормальную моду (ТЭМ) распространения излучения. Даже несмотря на то, что складывается впечатление, что излучение перемещается вдоль длины волновода, оно может делать это, только отражаясь от внутренних стенок волновода под некоторым углом. Следовательно, в зависимости от моды распространения излучение (например, микроволновое) может иметь любо некоторый компонент электрического поля либо некоторый компонент магнитного поля по оси волновода (часть называемой осью z).

Действительное распределение поля внутри полости или волновода является суперпозицией (наложением) мод в нем. Каждая мода может быть идентифицирована одним или более подстрочным индексом (например, ТЭ ₁₀ («т э один ноль»)). Эти подстрочные индексы обычно указывают сколько «полуволн» по длине волновода содержится в направлениях х и у. Специалисты в данной области поймут, что длина волны может отличаться от длины волны свободного пространства, потому что излучение распространяется внутри волновода путем отражения под определенным углом от внутренних стенок волновода. В некоторых случаях может быть добавлен третий подстрочный индекс для определения числа полуволн в схеме стоящей волны по оси z.

Для данной частоты излучения может быть выбран достаточно малый размер волновода, чтобы он мог поддерживать единую моду распространения. В подобном случае система называется "одномодовая система" (т.е. одномодовый аппликатор). Мода ТЭ₁₀ обычно преобладает в прямоугольном одномодовом волноводе.

По мере увеличения размера волновода (или полости, к которой подсоединен волновод), волновод или аппликатор может иногда поддерживать дополнительные моды более высокого порядка, формируя многомодовую систему. Когда одновременно может быть поддержано много мод, система часто называется высокомодовой.

Простая, одномодовая система имеет распределение поля, которое включает, по крайней мере, один максимум и/или минимум. Величина максимума в значительной степени зависит от величины излучения, подаваемого в систему. Таким образом, распределение поля одномодовой системы сильно колеблется и является в значительной степени неоднородным.

В отличие от одномодовой полости многомодовая полость может поддерживать одновременно несколько мод распространения, которые при наложении приводят к сложной схеме распределения поля. В подобной схеме поля имеют тенденцию пространственно расплываться, и таким образом распределение поля обычно не демонстрирует одинаковые типы сильных минимальных и максимальных значений полей внутри полости. В дополнение, как это более полно объяснено ниже, для «перетряхивания» или «перераспределения» мод может использоваться смеситель мод (к примеру, механически перемещающийся рефлектор излучения). Это перераспределение желательно обеспечивает более однородное усредненное по времени распределение поля внутри полости.

Многомодовая полость в соответствии с данным изобретением может поддерживать, по крайней мере, две моды и может поддерживать значительно более двух мод. Каждая мода имеет максимальный вектор электрического поля. Хотя может быть две или более мод и одна мода может быть доминантной и имеет величину максимального вектора электрического поля, большую, чем у других мод. При использовании здесь многомодовая полость может быть любой полостью, в которой соотношение между величинами первой и второй моды менее чем около 1:10 или менее чем около 1:5 или даже менее чем около 1:2. Обычные специалисты в данной области поймут, что чем меньше соотношение, тем более распределенной будет энергия электрического поля между модами и, следовательно, более распределенной будет энергия излучения в полости.

Распределение плазмы внутри обрабатывающей полости может сильно зависеть от распределения применяемого излучения. Например, в чисто одномодовой системе может быть только одно место, в котором электрическое поле достигает максимума. Следовательно, сильная плазма может формироваться только в данном единственном месте. Во многих применениях подобная сильнолокализованная плазма может нежелательно приводить к неоднородной обработке плазмы или нагреванию (т.е. локализованному перегреву и недогреву).

Независимо от того, используется ли одномодовая или многомодовая полость в соответствии с данным изобретением, обычные специалисты в данной области поймут, что полость, в которой формируется плазма, может быть полностью замкнутой или частично открытой. Например, в некоторых применениях, таких как плазменно стимулированных печах, полость может быть полностью закрытой. Однако в других применениях может быть желательным продувать газ через полость и, следовательно, полость должна быть в некоторой степени открытой. Таким образом, поток, тип и давление протекающего газа может со временем меняться. Это может быть желательно потому, что некоторые газы, которые облегчают формирование плазмы, такие как аргон, легче зажигаются, но они может быть и не нужны во время последующей обработки плазмы.

Смеситель мод

Для многих применений полость, содержащая однородную плазму, является желательной. Однако потому, что микроволновое излучение может иметь относительно длинную длину волны (например, несколько десятых сантиметров), может быть трудно добиться однородного распределения. В результате в соответствии с одним аспектом данного изобретения моды излучения в многомодовой полости могут смешиваться или перераспределяться в течение периода времени. Так как распределение поля внутри полости должно удовлетворять всем граничным условиям, накладываемым внутренней поверхностью полости (если она металлическая), то можно изменить эти распределения поля путем изменения позиции любой части этой внутренней поверхности.

В одном примере осуществления данного изобретения внутри полости излучения можно поместить передвижную отражающую поверхность. Форма и движение отражающей поверхности при объединении должны изменить внутреннюю поверхность полости во время движения. Например, L-образный металлический объект (т.е. «смеситель мод») при вращении вокруг любой оси изменит местоположение и ориентацию отражающих поверхностей в полости и, следовательно, изменит распределение излучения в ней. Может также использоваться любой другой асимметрический объект (при вращении), но можно также использовать объекты симметричной формы в той степени, в которой их относительное движение (например, вращение, поступательное движение, или комбинация того и другого) вызывает некоторое изменение местоположения или ориентации отражающих поверхностей. В одном примере осуществления изобретения смеситель мод может быть цилиндром, который вращается вокруг оси, которая не является продольной осью цилиндра.

Каждая мода многомодовой полости может иметь, по крайней мере, один максимальный вектор электрического поля, но каждый из этих векторов может возникать периодически по внутреннему размеру полости. Обычно эти максимумы являются фиксированными, предположив, что не меняется частота излучения. Однако путем передвижения смесителя мод таким образом, чтобы он взаимодействовал с излучением, можно передвинуть позиции максимумов. Например, смеситель мод 38 может использоваться для оптимизации распределения поля внутри полости 14 таким образом, чтобы условия зажигания плазмы и/ удержания плазмы были бы оптимизированы. Следовательно, как только плазма возбуждена, позиция смесителя мод может быть изменена и передвинуться в положение максимумов для однородного усредненного во времени плазменного процесса (например, нагревания).

Таким образом, в соответствии с данным изобретением смешивание мод может быть полезным во время зажигания плазмы. Например, когда электрически проводящее волокно используется в качестве плазменного катализатора, известно, что ориентация волокна может сильно влиять на минимальные условия зажигания плазмы. Например, отмечалось, что когда подобное волокно ориентировано под углом более 60° к электрическому полю, то катализатор мало способствует улучшению или ослаблению этих условий. Однако путем передвижения отражающей поверхности либо внутри или около полости можно значительно изменить распределение электрического поля.

Смешивание мод можно также получить путем запуска излучения в камеру аппликатора через, например, вращающееся сочленение волновода, которое может быть установлено внутри камеры аппликатора. Вращающееся сочленение может быть механически передвинуто (например, повернуто) для эффективного запуска излучения в разных направлениях в камере излучения. В результате внутри камеры аппликатора может быть генерирована меняющаяся картина поля.

Смешивание мод можно также получить путем запуска излучения в камеру аппликатора через гибкий волновод. В одном примере осуществления изобретения волновод может простираться в камеру. Позиция концевой части гибкого волновода может непрерывно или периодически перемещаться (например, изгибаться) любым приемлемым образом для запуска излучения (например, микроволнового излучения) в камеру в различных направлениях и/или местах. Это передвижение может также привести к смешиванию мод и облегчить более однородную обработку плазмы (например, нагревание) на усредненной во времени основе. Альтернативно это движение может использоваться для оптимизации местоположения плазмы для зажигания или других плазменных процессов.

Если гибкий волновод является прямоугольным, простое скручивание открытого конца волновода перевернет ориентацию векторов электрического и магнитного поля в излучении внутри камеры аппликатора. Затем периодическое скручивание волновода может привести к смешиванию мод, а также к вращению электрического поля, которые могут использоваться для оказания помощи в зажигании, формировании или удержании плазмы.

Таким образом, даже если первоначальная ориентация катализатора является перпендикулярной к электрическому полю, перенаправление векторов электрического поля может изменить неэффективную ориентацию на более эффективную. Специалисты в данной области поймут, что смешивание мод может быть непрерывным, периодическим или перепрограммируемым.

В дополнении к зажиганию плазмы смешивание мод может быть полезным во время последующей обработки плазмы для снижения или создания (например, настройки) «горячих точек» в камере. Когда микроволновая полость поддерживает только небольшое количество мод (например, менее 5), один или более локализованных максимумов поля могут привести к «горячим точкам» (например, внутри полости 12). В одном примере осуществления изобретения эти горячие точки могут иметь такую конфигурацию, чтобы совпадать с одним или более отдельных, но одновременных зажиганий плазмы или событиями обработки. Таким образом, плазменный катализатор может быть расположен при одной из данных позиций зажигания или последующей обработки.

Множественное зажигание

Плазма может зажигаться при использовании множественных плазменных катализаторов в различных местах. В одном примере осуществления изобретения множественные волокна можно было использовать для поджига плазмы в различных точках внутри полости. Подобное многоточечное зажигание может быть особенно полезным, когда желательно однородное зажигание плазмы. Например, когда плазма формируется при высокой частоте (например, десятки Гц и выше) или поджигается в сравнительно большом объеме, или и то и другое, практически однородное мгновенное зажигание и перезажигание плазмы может быть улучшено. Альтернативно, когда плазменные катализаторы используются во множестве точек, они могут быть использованы для последовательного зажигания плазмы в различных местах внутри плазменной камеры путем селективного введения катализатора в тех различных местах. Таким образом, внутри полости, если желательно, может быть контролируемым образом сформирован градиент зажигания плазмы.

Также в многомодовой полости произвольное распределение катализатора по множеству мест в полости увеличивает вероятность, что, по крайней мере, одно из волокон или любой другой пассивный плазменный катализатор по данному изобретению будет оптимально ориентирован в линиях электрического поля. Все еще даже когда катализатор не ориентирован оптимально (не сцентрован с линиями электрического поля), условия зажигания улучшаются.

Более того, так как порошок катализатора может быть подвешен в газе, полагается, что каждая частица порошка может иметь эффект размещения в другом физическом месте внутри полости, тем самым улучшая однородность зажигания внутри полости.

Двухполостное зажигание/удержание плазмы

Двухполостная компоновка может использоваться для зажигания и удержания плазмы по данному изобретению. В одном примере осуществления изобретения система включает, по крайней мере, первую камеру зажигания и вторую камеру зажигания, имеющие жидкостное сообщение с первой полостью. Для зажигания плазмы газ в первой камере зажигания должен быть подвергнут воздействию электромагнитного излучения с частотой менее 333 ГГц, с возможностью присутствия плазменного катализатора. Таким образом, близость первой и второй полостей может позволить плазме, сформированной в первой полости, зажечь плазму во второй полости, которая может удерживаться дополнительным электромагнитным излучением.

В одном примере осуществления данного изобретения первая полость может быть очень маленькой и предназначена в основном или исключительно для зажигания плазмы. Таким путем для зажигания плазмы может потребоваться очень мало микроволновой энергии, что создает возможность для более легкого зажигания, особенно когда плазменный катализатор используется в соответствии с данным изобретением.

В одном примере осуществления данного изобретения первая полость может быть практически одномодовой полостью, а вторая полость - многомодовой полостью. Когда первая полость зажигания поддерживает единственную моду, распределение электрического поля может сильно меняться внутри полости, образуя один или более точно расположенных максимумов электрического поля. Подобные максимуму обычно являются первыми местами, в которых плазмы зажигаются, что делает их идеальными точками для размещения плазменных катализаторов. Следует, однако, понимать, что когда используется плазменный катализатор, он не должен размещаться в максимуме электрического тока и во многих случаях не должен быть ориентирован в каком-либо определенном направлении.

В предшествующих примерах осуществления изобретения различные признаки сгруппированы вместе в одно осуществление для целей упрощения раскрытия. Этот способ раскрытия не должен интерпретироваться как отражение намерения о том, что заявленное изобретение требует большее количество признаков, помимо явно отраженных в каждом пункте формулы. Скорее, как отражают последующие пункты формулы, изобретательские аспекты лежат менее чем во всех признаках отдельного приведенного выше раскрытого примера осуществления изобретения. Следовательно, последующая формула данным включена в детальное описание примеров осуществления изобретения, при этом каждый пункт формулы самостоятелен и рассматривается как отдельное предпочтительное воплощение изобретения.