專利名稱：便攜式弧種子微波等離子體炬的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及大氣壓等離子體產(chǎn)生裝置(或“等離體源”)。另外，本發(fā)明也涉及所述微波等離子體炬的應(yīng)用，以及用于可同步產(chǎn)生多炬的擴(kuò)大裝置的可行性。
背景技術(shù)：
大氣壓等離子源在要求等離子體直接暴露在開敞空間的應(yīng)用中使用。上述應(yīng)用包括噴涂和材料合成(參見，例如，文章M.I.Boulos等人，“熱等離子體的基礎(chǔ)和應(yīng)用”，Vol.1，Plenum Press，1994，第33-47頁(yè)和第403-418頁(yè)(以下稱作“Boulos文章”)；和“熱等離子炬和技術(shù)”，Vol.1，O.P.Solonenko，Ed.，劍橋CambridgeInt.Sci.Publ.，2001(以下稱作“Solonenko文章”)。)，微波反射器/吸收器(參見，例如，文章R.J.Vidmar，“大氣壓等離子體作為電磁反射器和吸收器的應(yīng)用”，IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.18，第733-741頁(yè)，1990(以下稱作“Vidmar文章”)；以及E.Koretzky和S.P.Kuo，“由等離子炬陣列產(chǎn)生的大氣壓等離子體的特性，”Phys.Plasmas，Vol.5，第3774-3780頁(yè)，1998(以下稱作“Koretzky文章”)。)，在超音速飛行中用于音爆和波阻縮減的沖擊波緩和(參見，例如，文章V.P.Gordeev等人，“用于降低飛行器阻力的超聲波技術(shù)，”Fluid Dynamics，Vol.31，第313-317頁(yè)，1996(以下稱作“Gordeev文章”)；S.P.Kuo等人，“利用2.5馬赫流的等離子體消除沖擊波的觀測(cè)報(bào)告，”Phys.Plasmas，Vol.7，第1345-1348頁(yè)，2000(以下稱作“Kuo文章”)；和Daniel Bivolaru和S.P.Kuo“利用等離子體空氣針消除超音速波的觀測(cè)報(bào)告，”Phys.Plasmas，Vol.9，第721-723頁(yè)，2002(以下稱作“Bivolaru文章”)。)，以及消毒和化學(xué)中和(參見，例如，文章M.Laroussi，“利用大氣壓等離子體對(duì)污染物消毒，”IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.24，第1188-1191頁(yè)，1996(以下稱作“Laroussi文章”)；J.R.Roth等人，“用于等離子過(guò)程的遠(yuǎn)距離曝光反應(yīng)堆(RER)和在一個(gè)大氣壓下通過(guò)等離子體激活物質(zhì)的消毒，”IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.28第56-63頁(yè)，2000(以下稱作“Roth文章”)；和H.W.Herrmann等人，“利用大氣壓等離子體射流(APPJ)對(duì)化學(xué)生物戰(zhàn)(CBW)劑的凈化，”Phys.Plasmas，Vol.6，第2284-2289頁(yè)，1999(以下稱作“Herrmann文章”)。)。
不同的應(yīng)用對(duì)等離子的參數(shù)有不同的要求，如，其密度、溫度、體積和流速。在噴涂應(yīng)用中，等離子射流用于加熱和加速注入到射流中的粒子。因此就要求具有大的等離子體流速和密度的高焓射流。在微波反射器/接收器的應(yīng)用中要求稠密、均一、低溫度，和大體積的等離子體。在用于凈化化學(xué)生物戰(zhàn)(CBW)劑時(shí)，等離子源的目的是產(chǎn)生化學(xué)激活物質(zhì)，如，亞穩(wěn)狀態(tài)的分子氧和原子氧。這些活性組份能夠迅速破壞廣譜的CBW劑。一些應(yīng)用也要求等離子體源易于傳輸。
稠密大氣壓等離子體可通過(guò)直流/低頻電容或高頻感應(yīng)電弧放電產(chǎn)生。這種技術(shù)要求加入氣流來(lái)穩(wěn)定放電和運(yùn)載所產(chǎn)生的等離子體離開放電區(qū)從而形成炬。感應(yīng)炬(參見，例如，文章T.B.Reed，“感應(yīng)-耦合等離子炬”，J.Appl.Phys.，Vol.32，第821-824頁(yè)，1961(以下稱作“Reed文章”)。)和未轉(zhuǎn)移直流炬(參見，例如，“Boulos文章”和M.Zhukov，“線性直流等離子體炬”，熱等離子體和新材料技術(shù)，Vol.1熱等離子體發(fā)生器的調(diào)查，O.Solonenko和M.Zhukov，Ed.Cambridge Interscience Publishing，第9-43頁(yè)，1994，(以下稱作“Zhukov文章”)。)使用高電流電源并需要非常高的氣流以獲得穩(wěn)定的操作。因此，這些炬的結(jié)構(gòu)相對(duì)較大，因而不適用于特定應(yīng)用。
炬模塊，例如在S.P.Kuo等人的文章“模塊等離體子炬的設(shè)計(jì)和電特性，”中所描述的，IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.27，no.3，第752-758頁(yè)，1999；和美國(guó)專利No.6329628，題為“產(chǎn)生等離體炬的方法和裝置，”(“628專利”)所描述的，可以在直流或低頻交流模式中運(yùn)行并能產(chǎn)生低功率(幾百瓦)或高功率(在60赫茲周期模式為幾千瓦或在脈沖模式為幾百千瓦)炬等離子體。但是，用這樣的模塊制造的炬等離子體的尺寸會(huì)受到電極間隙的限制并且較大程度上取決于氣流速度。
由于以上所述的已知等離子體炬的不足，需要一種等離子體源，其容易攜帶并能夠產(chǎn)生不依賴氣流速度的、穩(wěn)定和大小相當(dāng)?shù)牡入x子炬。

發(fā)明內(nèi)容
與本發(fā)明一致的實(shí)施例是通過(guò)提供一種種子微波炬而滿足上述目的的，所述種子微波炬采用了漸縮矩形空腔和中等微波能量(例如，時(shí)間均值能量為700W)。炬模塊，例如628專利所述的炬中的其中之一，可用來(lái)產(chǎn)生種子等離子體，其促使和控制微波放電的位置。通過(guò)種子，可使用低Q空腔(如，其值小于30)。因而，空腔壁上相對(duì)大的出口孔可用來(lái)增大炬的直徑。盡管空腔的Q-因素減小，漸近于零的微波電場(chǎng)也能更進(jìn)一步伸出空腔孔。因此，新型電弧/微波混合等離子體炬在其操作中不需要?dú)饬?，并且，仍能夠在空腔外產(chǎn)生大小適合的等離子體。盡管不需要?dú)饬?，但是由于氣流可引入其操作，所以炬模塊是可變通的。氣流能增大炬等離子體的尺寸和能量。整個(gè)系統(tǒng)可整合為一個(gè)便攜單元，這允許其可在許多要求等離子體源易于運(yùn)輸?shù)膽?yīng)用中使用。
與本發(fā)明一致的示例性等離子炬的元件可包括1)微波源(例如，磁控管)；2)漸縮微波空腔；3)炬模塊；以及4)驅(qū)動(dòng)炬模塊和磁控管的電源。該微波等離子體炬可具有大約1.25cm或更大的半徑，高大約5cm，和超過(guò)5×1013cm-3的峰值電子密度。該等離子體炬可容易并快速的啟動(dòng)等離子體的產(chǎn)生。
與本發(fā)明一致的等離子體炬裝置可容易地?cái)U(kuò)展為炬陣列。這可通過(guò)分別增加空腔的窄部分的長(zhǎng)度和在相距四分之一波長(zhǎng)，分別在空腔頂壁和底壁上增加出口孔-炬模塊對(duì)來(lái)完成。所提供的微波能量成比例的增加。
本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于至少一些與本發(fā)明一致的實(shí)施例可使用簡(jiǎn)單且適于多個(gè)交流電源的電路，如，大多數(shù)普通壁裝電源插座提供的60Hz(或50Hz)電壓。在一些與本發(fā)明一致的實(shí)施例中，如，在飛行器中的應(yīng)用，可使用400Hz的交流電源。該等離子體源能持續(xù)運(yùn)行而不需水冷并能產(chǎn)生具有周期能量(在60Hz內(nèi))超過(guò)10J/每周期的等離子炬，其對(duì)于許多應(yīng)用都足夠大。
本發(fā)明具有吸引力也是因?yàn)橹辽僖恍┡c本發(fā)明一致的實(shí)施例產(chǎn)生大量活性原子氧，其用于快速破壞廣譜的化學(xué)生物戰(zhàn)(CBW)劑的應(yīng)用中。
另外，根據(jù)本發(fā)明，微波等離子體炬可用于吸收雷達(dá)脈沖的應(yīng)用中，例如，以陣列放置在飛行器的表面的微波等離子體炬可用于躲避雷達(dá)探測(cè)。
在一些實(shí)施例中，漸縮微波空腔通過(guò)漸縮矩形波導(dǎo)的一部分和利用導(dǎo)電板終止波導(dǎo)的兩端而形成。在這樣一個(gè)實(shí)施例中，利用漸縮矩形空腔，空腔的尺寸可改變，只要在所選擇的微波源頻率處空腔支持TE10n模式，其中n為正整數(shù)且n≥3。
在一些與本發(fā)明一致的實(shí)施例中，空腔的窄部分的高度很小，例如，為5mm，漸縮部分的兩端設(shè)置在所選擇的TE10n模式的電場(chǎng)最低位置，并且在窄部分的開口設(shè)置在所選擇的TE10n模式的電場(chǎng)最高位置，所述開口容納炬模塊并排出電弧/微波等離子體。
在一些實(shí)施例中，空腔的窄部分的長(zhǎng)度為mλZ/2，其中λZ為TE10n模式在空腔軸向上的波長(zhǎng)，m為由所容納的炬數(shù)量而確定的整數(shù)。


圖1A-1C分別為根據(jù)本發(fā)明制造的漸縮空腔的頂視、側(cè)視、底視的示意圖。
圖2A為顯示炬模塊放置的示意圖，所述炬模塊通過(guò)充氣增壓室插進(jìn)空腔漸縮部中的底部開口。圖2B為顯示炬模塊被插進(jìn)空腔的圖片。
圖3在空腔底壁測(cè)量的微波電場(chǎng)分布。
圖4為炬裝置電源的電路圖。
圖5A-5C為三個(gè)由炬裝置產(chǎn)生的微波炬的圖片，一個(gè)沒(méi)有氣流，另一個(gè)有很低的氣流(例如1.133l/s)，以及第三個(gè)有大的出口孔和大的氣流速度。
圖6A和6B分別為延長(zhǎng)的漸縮空腔的頂視、側(cè)視的示意圖，所述漸縮空腔容納兩個(gè)炬。
圖7A和7B分別為由兩個(gè)放置在矩形漸縮空腔的延長(zhǎng)窄部分的底壁上的兩個(gè)炬模塊同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)種子等離子炬，和由該加大的發(fā)明的炬裝置同時(shí)產(chǎn)生的兩個(gè)微波等離子體炬的圖像。
圖8為鄰近空腔壁的電子密度Ne(r)的徑向分布，其由炬的發(fā)射光譜決定。
圖9包括Fe I(385.991nm)、Cu I(809.263nm)、Cu II(766.47nm)，和O I(777.194nm)在相距炬模塊的噴嘴出口大約1″(2.5cm)的位置處的光譜線相對(duì)強(qiáng)度IR與空氣流速f強(qiáng)度之間依賴關(guān)系曲線圖。
圖10是表示電弧放電和磁控管輸入的V-I特征曲線圖。
圖11是電弧放電和磁控管輸入的冪函數(shù)曲線圖。
圖12是在氣流流速f時(shí)，電弧放電的周期能量和磁控管輸入之間的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明包括用于產(chǎn)生微波等離子體炬的新型方法和裝置。提供下面的描述以使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠制造和使用本發(fā)明，并且該描述提供于它們的特別應(yīng)用和其技術(shù)要求的上下文中。公開的具體實(shí)施例的多種修改對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，并且以下闡明的一般原則可以應(yīng)用到其他的具體實(shí)施方式
和應(yīng)用中。因此，本發(fā)明并不僅限于所示的具體實(shí)施例。
在下文，由本發(fā)明執(zhí)行的功能在§4.1介紹。然后，根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的裝置結(jié)構(gòu)在§4.2描述。其后，裝置的操作是在§4.3進(jìn)行描述。最后，關(guān)于本發(fā)明的結(jié)論在§4.4描述。
§4.1功能本發(fā)明可用來(lái)產(chǎn)生微波等離子體炬，其具有相對(duì)大的尺寸(例如，至少高5cm和至少寬2cm)和較高的密度(例如，至少1013電子/cm3)。本發(fā)明也可用于產(chǎn)生在操作中不需要?dú)饬鞑⒕哂刑岣哽屎头€(wěn)定性的等離子炬。本發(fā)明可被認(rèn)為是微波等離子體炬的一個(gè)單元和陣列的幾個(gè)單元，其可安裝在容納所有單元的具有延長(zhǎng)窄部分的單個(gè)空腔內(nèi)。本發(fā)明可使用一個(gè)或多個(gè)單元的微波等離子體炬，在噴涂和材料合成、凈化化學(xué)生物戰(zhàn)CBW劑，并且用于吸收輻射(例如，雷達(dá))的應(yīng)用中。
§4.2構(gòu)造在下文中，在§4.2.1描述新的便攜式微波等離子體炬。其后，具有在§4.2.1描述的微波等離子體炬的一個(gè)或多個(gè)單元的系統(tǒng)在§4.2.2進(jìn)行描述。
§4.2.1便攜式電弧-種子微波等離子體炬新的混合弧/微波炬將參照?qǐng)D1A-1C進(jìn)行描述。炬裝置的漸縮空腔可根據(jù)如下所述的尺寸進(jìn)行構(gòu)造。
非漸縮部分(106)的末端橫截面(110)可與標(biāo)準(zhǔn)S-波段(WR-284)波導(dǎo)(例如，～7.2cm×3.4cm)相同。S-波段矩形波導(dǎo)逐漸減少到一很小的橫截面(例如，～7.2cm×0.5cm)。波導(dǎo)(100)的兩面通過(guò)導(dǎo)電板終止來(lái)形成空腔。這個(gè)腔包括三部分。在波導(dǎo)(100)兩面上的部分I(106)和III(105)具有等截面。寬的部分I(106)具有3λZ/8的長(zhǎng)度(103)(例如，～8.74cm)和窄部分III(105)具有λZ/2的長(zhǎng)度(111)(例如，～11.65cm)。漸縮部中間的過(guò)渡段II(104)作為鄰接部分與具有與相鄰部分相同的寬度(例如，～7.2cm)，具有的高度范圍～3.4cm到～0.5cm，且具有λZ/2的長(zhǎng)度(例如，～11.65cm)和傾角θ≌tan-1(2.9/11.65)≌14°。
由磁控管產(chǎn)生的微波(例如，2.45GHz，700W)在開口(108)發(fā)射進(jìn)入空腔中。開口(108)可位于相距空腔部分I的開口端約四分之一波長(zhǎng)(λ0/4)(更確切地說(shuō)，λZ/8)處。因此，如果λ0＝12.25cm為自由空間波長(zhǎng)，且λZ＝λ0[1-(λ0/2a)2]1/2＝23.3cm為TE103模式的軸向波長(zhǎng)，如果a＝7.2cm是橫截面較寬側(cè)的尺寸，空腔軸向的四分之一波長(zhǎng)為5.83cm和空腔的總軸向長(zhǎng)度為32cm≌1.5λZ。
在空腔的窄部分III(105)的最大波電場(chǎng)位置，其相距它的短端為λZ/4＝5.83cm，在底壁(107)和頂壁(101)上的兩個(gè)定位開口(109和102)被分別引入。兩開口具有1.3cm的相同直徑。
例如，如下所述，氣體充氣室(206)與開口(109和102)對(duì)準(zhǔn)并連接(例如，焊接)到空腔(100)窄部分III(105)的底壁(107)。氣體充氣室(206)用于注入氣體的流過(guò)并容納產(chǎn)生種子等離子體的炬模塊。
參照?qǐng)D2A，炬模塊(204)，比如在Kuo文章或628專利中詳細(xì)描述的，隨后被螺紋連接到連接于底部開口(109)的充氣室(206)上，如圖2A示意所示(所示僅為空腔的窄部分III(105)的一部分)。頂孔(102)允許等離子體從空腔中流出。如圖2A進(jìn)一步所示，充氣室(206)可以包括進(jìn)氣口(207)，并且炬模塊(204)可以包括在炬模塊的構(gòu)架(210)上的開口(208)，用來(lái)使模塊的環(huán)形氣腔(209)流動(dòng)地耦合氣體充氣室(206)，(例如，鎢)主電極(201)，(例如，陶器的)絕緣體(202)，密封墊圈(205)，和支持物(203)使絕緣體緊貼在模塊的構(gòu)架(210)上。過(guò)渡段的上角可設(shè)置在相距窄部分III的短端λZ/2處，以防止在那個(gè)位置微波放電的可能性。使用半波長(zhǎng)作為漸縮部的過(guò)渡長(zhǎng)度使空腔模式不均勻的沖擊極小化。圖2B是顯示炬模塊插入空腔的圖片(250)。
圖3說(shuō)明由小的單極天線調(diào)節(jié)的、垂直于空腔底壁的微波電場(chǎng)的空間分布。天線由直徑為1mm和長(zhǎng)度為4mm的絕緣線組成，其與50Ω同軸線的芯線相連。為執(zhí)行測(cè)量，空腔的底壁由多孔板篩替代，所述多孔板篩具有均勻分布的、直徑為2mm、間隔約6.7mm的開口。因而，天線可穿過(guò)板篩壁的開口插入到空腔中。它測(cè)量垂直于所述壁的電場(chǎng)分量，其為所關(guān)心的電場(chǎng)方向也是預(yù)期的TE103模式的場(chǎng)方向。頻譜分析儀記錄由天線收集的信號(hào)。如圖所示，在指定炬位置的場(chǎng)強(qiáng)提高約15dB(即，從～-22.5到～-7.5)。
圖4是用于炬裝置的、點(diǎn)燃炬模塊(410)和同時(shí)運(yùn)行磁控管(420)的電源和電路(400)的示意圖。單個(gè)電源變壓器(430)(如，匝比為1∶25)可用來(lái)將120V(rms)60Hz線電壓升到3kV(rms)，其通過(guò)串聯(lián)連接兩個(gè)1μF的電容器(442，444)施加于兩個(gè)裝置(410和420)，其中一個(gè)電容器對(duì)應(yīng)一個(gè)裝置。隨后磁控管(452)(420)并聯(lián)一二極管(例如，15kV和750mA額定值)，其通過(guò)防止負(fù)電壓施加于陽(yáng)極和陰極之間以消除不希望的電阻損失。雖然炬模塊(410)可以無(wú)需二極管(454)而在兩個(gè)半周期內(nèi)都可運(yùn)行產(chǎn)生炬等離子體，但是在所述具體實(shí)施例，它(410)并聯(lián)到串聯(lián)連接的二極管(454)和電阻器(例如，750Ω)(460)上，以便只有在有微波時(shí)被點(diǎn)燃。當(dāng)二極管(454)反向偏置時(shí)，該附加電路也增加應(yīng)用于炬模塊(410)的電壓。這致使其不增加變壓器(430)的匝數(shù)比也易于啟動(dòng)放電。放電很快發(fā)展為高電流/低電壓擴(kuò)散-電弧方式。加入到炬模塊(410)的電路的串聯(lián)電阻器(460)可用來(lái)當(dāng)它正向偏置時(shí)保護(hù)二極管(454)，是通過(guò)防止電容器(444)的充電電流超過(guò)二極管(454)的規(guī)格而進(jìn)行保護(hù)。在這期間電容器充電的縮減也延遲了電弧放電。如果磁控管(420)如經(jīng)常發(fā)生的情況有高的起動(dòng)電壓時(shí)，那么這是必需的。最佳運(yùn)行情況是在放電脈沖和微波脈沖彼此重疊時(shí)。由于放電脈沖多半比微波脈沖短，并因?yàn)槲⒉▓?chǎng)多半過(guò)低以致不能獨(dú)立地啟動(dòng)放電，因此在微波脈沖恰好開始時(shí)期望由電弧放電產(chǎn)生種子放電。微波電場(chǎng)可與炬列平行。在這種情況下，可有效地從空腔中移出炬等離子體并提高其高度。
該炬可不應(yīng)用氣流而進(jìn)行操作來(lái)穩(wěn)定電弧放電并且大量微波等離子體仍可在空腔外面產(chǎn)生。圖5A是在沒(méi)有氣流的情況下產(chǎn)生的炬的圖片。如圖所示，在空腔外產(chǎn)生大小相當(dāng)?shù)木娴入x子體(高度約1.5cm和容積約3.5cc)。圖5B為當(dāng)微細(xì)的氣流(約1.133l/s)引入炬模塊時(shí)，所產(chǎn)生的增大炬的結(jié)果圖片。如圖所示，這樣的小氣流可以有效地增加炬等離子體的高度(增加到約3.5cm)和容積(到約8cc)。微波炬等離子體的尺寸隨流速的大小、微波功率，和空腔壁上出口孔的直徑而增加。圖5C所示為通過(guò)單獨(dú)地將出口孔的直徑增加到2.5cm，炬等離子體可以在空腔外達(dá)到超過(guò)6cm的高度。然而，微波漏泄也可能超過(guò)5mW/cm2的標(biāo)準(zhǔn)安全水平，這在一些應(yīng)用中是不符合要求的。
被用于此炬裝置的漸縮矩形空腔需要特殊設(shè)計(jì)考慮。其他的部分可由來(lái)自可利用的火花塞用于炬模塊，可利用的微波爐用于磁控管、變壓器、二極管，和電容器作為元件構(gòu)成(參見，例，Kuo文章和專利)。
已描述了示例性微波等離子體炬的便攜結(jié)構(gòu)，在以下§4.2.2將描述具有多于一個(gè)的微波等離子體炬單元的第二種結(jié)構(gòu)。
§4.2.2具有一個(gè)或多個(gè)電弧-種子微波等離子體炬的系統(tǒng)圖6A和6B分別為可以容納兩個(gè)炬的空腔600的頂視、側(cè)視的示意圖。圖6A和6B所示的尺寸單位為厘米(cm)。空腔600可根據(jù)以下提供的示例性尺寸構(gòu)造。兩對(duì)定位開口612、614位于空腔窄部分II的頂壁和底壁上。在頂壁614a、b上的開口直徑(例如，約2.5cm)大于在底壁612a、b上的開口直徑(約1.3cm)。兩個(gè)炬模塊(未顯示)可通過(guò)底孔612a、b附著于空腔并且生產(chǎn)的炬等離子體通過(guò)兩個(gè)頂孔614a、b溢出空腔。兩個(gè)分離電源(例如，比如圖4所示的一個(gè))用于驅(qū)動(dòng)炬模塊。因此電弧放電可同時(shí)與60赫茲由磁控管產(chǎn)生，通過(guò)開口608而引入的微波脈沖同步，所述磁控管由如圖4所示的同一電源驅(qū)動(dòng)。圖7A為由根據(jù)圖6所示示意圖制造的裝置，在缺少微波的情況下，產(chǎn)生的兩個(gè)電弧炬的圖片。空腔內(nèi)部的炬部分為1cm，其為這個(gè)空腔的窄部分的高度。因此各電弧炬具有約2.5cm的高度，高度小是因?yàn)槟K的背壓力僅約為1.2atm。圖7B示明用這樣的裝置產(chǎn)生的兩個(gè)微波炬(即，磁控管接通)。各微波炬的高度增加到超過(guò)7cm。施加的(時(shí)間平均值)微波功率約為1.4kW。
空腔的窄部分可以容易地延伸而容納多于一個(gè)的炬。大容積的大氣壓力等離子體因此而產(chǎn)生。其可用于吸收輻射(因此提供掩蓋物的特征)和凈化CBW劑。
在本節(jié)描述的系統(tǒng)的操作將在以下§4.3進(jìn)行描述。然而，首先，該系統(tǒng)的多種應(yīng)用將在以下§4.2.3進(jìn)行描述。
§4.2.3系統(tǒng)應(yīng)用的實(shí)施例一個(gè)或多個(gè)微波等離子體炬的設(shè)置存在許多應(yīng)用潛力。如在以下§4.2.3.1所述，根據(jù)本發(fā)明制造的系統(tǒng)，例如，§4.2.1所述的，可用來(lái)產(chǎn)生傳送活性反應(yīng)組分的等離子流，比如原子氧。比如可用來(lái)凈化化學(xué)戰(zhàn)和生物戰(zhàn)(CBW)劑的等離子流。如在以下§4.2.3.2描述的包括微波等離子體炬陣列的系統(tǒng)，根據(jù)本發(fā)明制造，比如，如§4.2.2所述，可用于為雷達(dá)掩蓋物吸收輻射。這種應(yīng)用適用于飛行器上的系統(tǒng)，比如，軍用飛機(jī)。
§4.2.3.1CBW劑的凈化分析微波等離子體炬的發(fā)射光譜，用于推導(dǎo)炬類型的電子密度分布和成分的有關(guān)信息，所述微波等離子體炬由§4.2.1所述的本發(fā)明的具體實(shí)施例產(chǎn)生。電子密度是由486.133nm的Hβ和656.279nm的Hα的斯塔克效應(yīng)譜線展寬(Stark broadening)評(píng)價(jià)。接近于空腔壁區(qū)域的電子密度Ne(r)的徑向分布顯示在圖8中。在空腔壁附近區(qū)域的電子如圖所示分布非常均勻，橫跨炬的核心，在中心為約6×1013cm-3峰值(當(dāng)時(shí))密度和在距中心為約5mm的邊界層約7×1013cm-3的峰值(當(dāng)時(shí))密度。圖9顯示Fe I(385.991nm)、Cu I(809.263nm)、Cu II(766.47nm)，和O I(777.194nm)在炬邊界層，距炬模塊噴嘴出口大約25mm(即，相距于空腔壁約20mm)處，流速f相對(duì)于譜線強(qiáng)度的依存關(guān)系。炬操作的四種流速依存關(guān)系很容易區(qū)別。首先極低的流速狀態(tài)特征為低的激發(fā)狀態(tài)和低的氧含量。第二，低流速狀態(tài)特征為迅速激發(fā)狀態(tài)和比較高的氧含量。第三，中等流速狀態(tài)的特征為提高的離子線激發(fā)，和包括氧的減少的原子譜線激發(fā)。第四，比較高的流速狀態(tài)特征為原子氧線控制光譜發(fā)射?；钚栽友跻呀?jīng)被證明能夠迅速毀壞廣譜的CBW劑。
本發(fā)明不僅便攜并且所有空中放電都能穩(wěn)定操作，這在凈化應(yīng)用中是有利的特點(diǎn)。
§4.2.3.2用于雷達(dá)覆蓋物吸收輻射由炬模塊產(chǎn)生的等離子炬，如，Kuo文章和628專利所描述的，可具有1013電子/cm3的等離子體密度并且可衰減10GHz CW微波多于10dB。當(dāng)如圖7B所示，當(dāng)微波增加，則每個(gè)炬的尺寸也顯著加大。此外，微波等離子體炬的電子密度，如圖8中所示要大大高于由單個(gè)炬模塊產(chǎn)生的電弧炬的電子密度，并且，雷達(dá)脈沖的空氣等離子體的吸收比率隨著電子密度線性地增加。因而由本發(fā)明產(chǎn)生的微波等離子體炬可顯著改善輻射吸收的有效性。此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置可在極低氣體流速中穩(wěn)定運(yùn)行，且其生產(chǎn)的炬尺寸大于電弧炬。微波等離子體炬還可以以陣列放置在飛行器的表面上，用于逃避雷達(dá)探測(cè)(也稱為″掩護(hù)″)。
§4.3具體實(shí)施例的操作例如，在以上§4.2.1中描述的示范性的電弧-種子微波等離子體炬，其操作在以下§4.3.1中描述。例如，在以上§4.2.2描述的同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)(或以上)微波炬的示范性系統(tǒng)，其操作在以下§4.3.2進(jìn)行描述§4.3.1示范性的電弧-種子微波等離子體炬的操作示范性的微波炬的操作包括炬模塊和磁控管的操作。兩種元件都可以以60Hz周期方式運(yùn)行。如圖4所示的電路布置保持電弧放電與微波放電在各周期內(nèi)同步?？蛇x擇在電路里750Ω的電阻器460以達(dá)到最佳工作條件，其中電弧放電脈沖重疊微波脈沖，并恰好在微波脈沖開始時(shí)啟動(dòng)。
具有四個(gè)頻道的兩個(gè)數(shù)字示波器同時(shí)測(cè)量隨時(shí)間變化的、炬模塊和磁控管電弧放電的電壓和電流。在氣流速度為1.133l/s的情況下，V-I特征以及電弧放電和磁控管輸入的冪函數(shù)分別顯示在圖10和11中。如圖10所示，電弧放電的擊穿電壓約3.5kV，電弧電流峰值約4A。磁控管具有約4kV的起動(dòng)電壓和約1A工作電流。據(jù)圖11中的冪函數(shù)所示、磁控管在電弧放電之前啟動(dòng)操作。然而，微波的產(chǎn)生由于電弧放電的出現(xiàn)而中斷并恰好在電弧放電的峰值后重新開始。這種在磁控管操作上的中斷是因?yàn)樵陔娐分械碾娙萜鞑荒苡行У胤€(wěn)定來(lái)自施加到磁控管的電壓電弧放電的干擾。這樣的中斷可以利用兩個(gè)分離變壓器而避免。然而，因?yàn)殡娀》烹娒}沖比微波脈沖短得多，這個(gè)中斷并未顯著地降低磁控管的性能。在電弧放電影響下，微波脈沖(由如圖11所示的磁控管的輸入功率推出)變得較短，但其能量變得較高。
電弧放電和磁控管輸入的周期能量作為氣體流速f的函數(shù)在圖12中顯示。如圖所示，氣體流動(dòng)的效果在超過(guò)0.393l/s的速度飽和。在此流速狀態(tài)，炬等離子體的周期能量達(dá)到約12焦耳的極限(假定磁控管有50％轉(zhuǎn)換效率)。
§4.3.2包括兩個(gè)或更多微波等離子體炬的示例性系統(tǒng)的操作在§4.2.2描述的具體實(shí)施例的兩-炬系統(tǒng)使用單個(gè)微波源。在操作中，兩個(gè)炬模塊的電弧放電與相同的微波脈沖同步。因而這個(gè)系統(tǒng)中可采用兩個(gè)分離電源。一個(gè)可與圖4所示的那個(gè)電源一致，其驅(qū)動(dòng)磁控管和兩個(gè)炬模塊中的一個(gè)。另一個(gè)炬模塊可被分離電源驅(qū)動(dòng)。相同的60Hz電源線使兩個(gè)電源同步輸出電壓。因?yàn)殡娀》烹姴挥绊懕舜耍瑒t各炬模塊的電特性與圖10和11所顯示的類似。用于產(chǎn)生圖7B所示的兩個(gè)微波炬的微波能量，是由兩個(gè)磁控管輸出而提供的，所述兩個(gè)磁控管輸出由微波組合器(幻T形)相結(jié)合。
§4.4結(jié)論通過(guò)結(jié)合等離子炬和微波發(fā)生器，電弧等離子體炬可用來(lái)種子微波放電而產(chǎn)生大的、高密度、等離子炬而無(wú)需氣流。
沒(méi)有種子，磁控管中中等的微波能量(例如～700W)由于過(guò)低而不能在低的Q空腔內(nèi)獨(dú)立啟動(dòng)微波放電。因此，本發(fā)明具有在利用低的Q腔以適度的微波功率電平來(lái)觸發(fā)微波放電和產(chǎn)生大的、高密度等離子放電(炬)的優(yōu)點(diǎn)。
這樣新的混合電弧/微波等離子炬，可根據(jù)市場(chǎng)上可得到的微波爐、火花塞、和漸縮空腔的部分而構(gòu)造。炬的尺寸由于開口直徑的加倍而幾乎加倍，所述開口來(lái)自炬模塊的開口。這種混合電弧/微波等離體炬不需要提供很大的氣流而具有超過(guò)1013電子/cm3的峰值等離體密度并能達(dá)到近似于20cc的容積。
權(quán)利要求
1.一種用于產(chǎn)生至少一個(gè)混合電弧/微波等離子體放電的裝置，該裝置包括a)空腔，其適于在微波頻率支持TE模式和TM模式中的至少一種；和b)炬模塊，與所述空腔相連，用于在空腔內(nèi)部產(chǎn)生種子等離子體。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述空腔為漸縮空腔。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步包括c)微波源，其與空腔相連，用于在微波頻率時(shí)產(chǎn)生微波和用于將所產(chǎn)生的微波引入到空腔中。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中炬模塊為電弧炬模塊，并且其中，由電弧炬模塊放電產(chǎn)生的種子等離子體觸發(fā)空腔內(nèi)的微波放電，從而產(chǎn)生附加等離子體。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其中出口孔被確定在空腔內(nèi)相對(duì)電弧炬模塊的位置處，其中，等離子體是由電弧放電和微波放電結(jié)合而產(chǎn)生的，以及其中所產(chǎn)生的等離子體通過(guò)出口孔作為混合電弧/微波放電從空腔溢出。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述空腔包括第一壁和相對(duì)所述第一壁的第二壁，其中，炬模塊裝配進(jìn)空腔的第一壁，和其中出口孔被確定在空腔的第二壁內(nèi)相對(duì)炬模塊的位置處。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述空腔具有窄部分、寬部分以及處于窄部分和寬部分之間的漸縮部分。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中，窄部分和寬部分都具有矩形橫截面。
9.如權(quán)利要求8所述的裝置，其中，所述空腔被形成所需要的尺寸以在微波源頻率支持TE10n模式，其中n為至少為3的整數(shù)。
10.如權(quán)利要求6所述的裝置，其中，所述空腔包括端壁，基本上垂直于第一和第二壁，和附加壁，放置在端壁之間并包括第一和第二壁，其中，混合電弧/微波等離體放電從第二壁的出口孔溢出空腔。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其進(jìn)一步包括至少一個(gè)與空腔相連的附加炬模塊，其中，由炬模塊的電弧放電產(chǎn)生的種子等離子體，由TE模式電場(chǎng)而不是TM模式電場(chǎng)激勵(lì)，種子等離子體觸發(fā)隨后的微波放電，從而產(chǎn)生至少兩個(gè)混合電弧/微波等離體放電。
12.如權(quán)利要求11所述的裝置，其中，所述空腔包括第一壁和相對(duì)所述第一壁的第二壁，其中，炬模塊裝入空腔的第一壁，并且其中出口孔被確定在空腔的第二壁內(nèi)相對(duì)炬模塊的位置處，其中，所述空腔包括基本上垂直于第一和第二壁的端壁，并且其中，混合電弧/微波等離體放電從第二壁的兩個(gè)出口孔溢出空腔。
13.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述空腔具有窄部分、寬部分以及處于窄部分和寬部分之間的漸縮部分，其中所述空腔包括由附加壁確定的窄部分，窄部分高大約5mm，第一附加壁具有限定在炬模塊被裝入的位置處的第一開口，第二附加壁具有限定在那里的第二開口，其中，第二開口允許混合電弧/微波等離子體炬溢出，和其中，第一和第二開口位于TE10n模式電場(chǎng)的最大位置中的一個(gè)位置處，漸縮部分包括兩個(gè)端部位置，漸縮部分的端部位置位于所述TE10n模式電場(chǎng)的最小位置。
14.如權(quán)利要求7所述的裝置，窄部分長(zhǎng)約mλz/2，其中λz為所述TE10n模式在空腔軸向上的波長(zhǎng)，并且m為由與所述空腔容納的炬數(shù)量所確定的整數(shù)。
15.如權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述空腔為值少于30的低Q空腔，其中所述炬模塊不需要微波放電就可產(chǎn)生種子等離子，所述種子等離子產(chǎn)生附加等離子，和其中所述空腔包括出口孔用于溢出混合電弧/微波等離子放電，所述出口孔的直徑大于所述炬模塊不產(chǎn)生種子等離子所可能的出口孔直徑，所述較大直徑出口孔導(dǎo)致等離子體放電的尺寸增加。
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述的炬模塊包括框架、中心電極和陶瓷絕緣體，框架包括與空腔電連接的外電極，陶瓷絕緣體將中心電極與模塊框架和空腔絕緣。
17.如權(quán)利要求16所述的裝置，其中所述炬模塊框架包括耦合入口氣體到所述炬模塊的氣室的開口。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中混合電弧/微波等離子體放電形成柱狀物，所述柱狀物高達(dá)大約6cm、直徑約為2cm。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中混合電弧/微波等離子體炬具有至少1013電子/cm3的密度。
20.如權(quán)利要求3所述裝置，其進(jìn)一步包括d)第一電源模塊，為微波源供電；和e)第二電源模塊，為炬模塊供電，其中第一和第二電源模塊共用一個(gè)變壓器。
21.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中初級(jí)輸入功率選自以下至少一種60Hz、50Hz和400Hz交流初級(jí)電源，其中大約700W的時(shí)間平均功率由所述第一電源模塊提供，并且其中混合電弧/微波放電具有大約12J/周期的周期能量。
22.如權(quán)利要求20所述的裝置，其中，第一電源模塊包括大約1微法的耦合電容器，其中所述第二電源包括1微法的耦合電容器，和大約750ohms的極限電阻，和其中共用變壓器具有大約1∶25的匝數(shù)比。
23.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中空腔被形成所需要的尺寸以在微波源頻率支持TE10n模式，其中n＝3，其中微波頻率大約2.45GHz，和其中空腔包括第一部分、第二部分和第三部分，所述第一部分具有大約7.2cm×3.4cm的S波段WR-284的波導(dǎo)的尺寸和大約8.74cm的長(zhǎng)度，所述第三部分具有大約7.2cm×0.5cm的尺寸和大約11.65cm的長(zhǎng)度，所述第二部分為中間部分，為錐形，具有大約7.2cm的寬度，高度范圍從大約3.4cm到大約0.5cm，長(zhǎng)度大約11.65cm，大約14度的傾斜角。
24.能支持產(chǎn)生至少一種混合電弧/微波等離子體放電的裝置，該裝置包括a)一個(gè)空腔，其在微波頻率支持TE模式和TM模式中的至少一種；和b)連接至少一個(gè)炬模塊到所述空腔的裝置。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，所述用于耦合至少一個(gè)炬的元件包括與所述空腔壁連接的螺紋部分。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中空腔的尺寸在微波源頻率支持TE10n模式，其中n為至少為3的整數(shù)。
27.如權(quán)利要求24所述的裝置，進(jìn)一步包括c)連接至少一個(gè)附加炬模塊到所述空腔的元件，其中所述炬等離子體由TE模式電場(chǎng)激勵(lì)而不是由TM模式電場(chǎng)激勵(lì)，并且其中產(chǎn)生至少兩種混合電弧/微波等離子放電。
28.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中，所述空腔包括第一壁和相對(duì)所述第一壁的第二壁，其中，用于耦合的元件設(shè)置在空腔的第一壁上，和其中出口孔被確定在空腔的第二壁內(nèi)相對(duì)耦合元件的位置處。
29.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述空腔具有窄部分、寬部分以及處于窄部分和寬部分之間的漸縮部分。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中，窄部分和寬部分都具有矩形橫截面。
31.如權(quán)利要求30所述的裝置，其中，所述空腔被形成在微波源頻率支持TE10n模式的尺寸，其中n為至少為3的整數(shù)。
32.如權(quán)利要求28所述的裝置，其中，所述空腔包括基本上垂直于第一和第二壁的端壁，其中，炬等離子體形成的混合電弧/微波等離體放電從第二壁的出口孔溢出空腔。
33.如權(quán)利要求32所述的裝置，其中所述空腔具有窄部分、寬部分以及處于窄部分和寬部分之間的漸縮部分，其中所述空腔包括有附加壁確定的窄部分，窄部分高大約5mm，第一附加壁具有限定在炬模塊被裝入的位置處的第一開口，第二附加壁具有限定在那里的第二開口，其中，第二開口允許混合電弧/微波等離子體放電溢出，和其中，第一和第二開口位于TE10n模式的電場(chǎng)最大位置中的一個(gè)位置處，漸縮部分包括兩個(gè)端部位置，漸縮部分的端部位置位于所述TE10n模式的電場(chǎng)最低位置處。
34.如權(quán)利要求29所述的裝置，窄部分長(zhǎng)約mλz/2，其中λz為所述TE10n模式在空腔軸向上的波長(zhǎng)，并且m為由與所述空腔容納的炬數(shù)量所確定的整數(shù)。
全文摘要
一種電弧等離子炬，其由安裝在漸縮S波段矩形空腔的窄部分底壁上的炬模塊產(chǎn)生。所述電弧等離子炬用于在微波電場(chǎng)為最大值處種子微波放電。漸縮空腔設(shè)計(jì)成支持TE
文檔編號(hào)C23F1/00GK101022912SQ200580016015
公開日2007年8月22日 申請(qǐng)日期2005年3月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月19日
發(fā)明者斯潘塞·P·郭 申請(qǐng)人:斯潘塞·P·郭