CN101022912A - 便携式弧种子微波等离子体炬 - Google Patents
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Abstract
一种电弧等离子炬，其由安装在渐缩S波段矩形空腔的窄部分底壁上的炬模块产生。所述电弧等离子炬用于在微波电场为最大值处种子微波放电。渐缩空腔设计成支持TE103模式。由于种子，只需要低Q空腔和中等的微波能量(单位时间平均能量700W)。微波增强放电显著增加种子电弧炬等离子体的大小、周期能量和占空度。该炬可不需要引入气流而稳定运行，或仅需要空气流而运行。增加空气流不仅可提高炬等离子体的大小，也可提高它的周期能量，在空气流速超过0.393l/s其可达到大约12J/每周期的平稳阶段。该微波等离子体炬可具有大约1.25cm或更大的半径，高度约5cm，和超过5×1013cm－3峰值电子密度。该炬可产生大量活性原子氧，并因此可用于迅速破坏广谱的化学生物战(CBW)剂的应用中。
Description
政府基金
本发明在政府支持下产生，并且政府具有由科学研究空军办公室(AFOSR)所提供的、授予号为AFOSR-F49620-01-1-0392的发明的确定权利。
技术领域
本发明一般涉及大气压等离子体产生装置(或“等离体源”)。另外，本发明也涉及所述微波等离子体炬的应用，以及用于可同步产生多炬的扩大装置的可行性。
背景技术
大气压等离子源在要求等离子体直接暴露在开敞空间的应用中使用。上述应用包括喷涂和材料合成(参见，例如，文章：M.I.Boulos等人，“热等离子体的基础和应用”，Vol.1，Plenum Press，1994，第33-47页和第403-418页(以下称作“Boulos文章”)；和“热等离子炬和技术”，Vol.1，O.P.Solonenko，Ed.，剑桥：CambridgeInt.Sci.Publ.，2001(以下称作“Solonenko文章”)。)，微波反射器/吸收器(参见，例如，文章：R.J.Vidmar，“大气压等离子体作为电磁反射器和吸收器的应用”，IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.18，第733-741页，1990(以下称作“Vidmar文章”)；以及E.Koretzky和S.P.Kuo，“由等离子炬阵列产生的大气压等离子体的特性，”Phys.Plasmas，Vol.5，第3774-3780页，1998(以下称作“Koretzky文章”)。)，在超音速飞行中用于音爆和波阻缩减的冲击波缓和(参见，例如，文章：V.P.Gordeev等人，“用于降低飞行器阻力的超声波技术，”Fluid Dynamics，Vol.31，第313-317页，1996(以下称作“Gordeev文章”)；S.P.Kuo等人，“利用2.5马赫流的等离子体消除冲击波的观测报告，”Phys.Plasmas，Vol.7，第1345-1348页，2000(以下称作“Kuo文章”)；和Daniel Bivolaru和S.P.Kuo“利用等离子体空气针消除超音速波的观测报告，”Phys.Plasmas，Vol.9，第721-723页，2002(以下称作“Bivolaru文章”)。)，以及消毒和化学中和(参见，例如，文章：M.Laroussi，“利用大气压等离子体对污染物消毒，”IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.24，第1188-1191页，1996(以下称作“Laroussi文章”)；J.R.Roth等人，“用于等离子过程的远距离曝光反应堆(RER)和在一个大气压下通过等离子体激活物质的消毒，”IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.28第56-63页，2000(以下称作“Roth文章”)；和H.W.Herrmann等人，“利用大气压等离子体射流(APPJ)对化学生物战(CBW)剂的净化，”Phys.Plasmas，Vol.6，第2284-2289页，1999(以下称作“Herrmann文章”)。)。
不同的应用对等离子的参数有不同的要求，如，其密度、温度、体积和流速。在喷涂应用中，等离子射流用于加热和加速注入到射流中的粒子。因此就要求具有大的等离子体流速和密度的高焓射流。在微波反射器/接收器的应用中要求稠密、均一、低温度，和大体积的等离子体。在用于净化化学生物战(CBW)剂时，等离子源的目的是产生化学激活物质，如，亚稳状态的分子氧和原子氧。这些活性组份能够迅速破坏广谱的CBW剂。一些应用也要求等离子体源易于传输。
稠密大气压等离子体可通过直流/低频电容或高频感应电弧放电产生。这种技术要求加入气流来稳定放电和运载所产生的等离子体离开放电区从而形成炬。感应炬(参见，例如，文章：T.B.Reed，“感应-耦合等离子炬”，J.Appl.Phys.，Vol.32，第821-824页，1961(以下称作“Reed文章”)。)和未转移直流炬(参见，例如，“Boulos文章”和M.Zhukov，“线性直流等离子体炬”，热等离子体和新材料技术，Vol.1：热等离子体发生器的调查，O.Solonenko和M.Zhukov，Ed.Cambridge Interscience Publishing，第9-43页，1994，(以下称作“Zhukov文章”)。)使用高电流电源并需要非常高的气流以获得稳定的操作。因此，这些炬的结构相对较大，因而不适用于特定应用。
炬模块，例如在S.P.Kuo等人的文章“模块等离体子炬的设计和电特性，”中所描述的，IEEE Trans.Plasma Sci.，Vol.27，no.3，第752-758页，1999；和美国专利No.6329628，题为“产生等离体炬的方法和装置，”(“628专利”)所描述的，可以在直流或低频交流模式中运行并能产生低功率(几百瓦)或高功率(在60赫兹周期模式为几千瓦或在脉冲模式为几百千瓦)炬等离子体。但是，用这样的模块制造的炬等离子体的尺寸会受到电极间隙的限制并且较大程度上取决于气流速度。
由于以上所述的已知等离子体炬的不足，需要一种等离子体源，其容易携带并能够产生不依赖气流速度的、稳定和大小相当的等离子炬。
发明内容
与本发明一致的实施例是通过提供一种种子微波炬而满足上述目的的，所述种子微波炬采用了渐缩矩形空腔和中等微波能量(例如，时间均值能量为700W)。炬模块，例如628专利所述的炬中的其中之一，可用来产生种子等离子体，其促使和控制微波放电的位置。通过种子，可使用低Q空腔(如，其值小于30)。因而，空腔壁上相对大的出口孔可用来增大炬的直径。尽管空腔的Q-因素减小，渐近于零的微波电场也能更进一步伸出空腔孔。因此，新型电弧/微波混合等离子体炬在其操作中不需要气流，并且，仍能够在空腔外产生大小适合的等离子体。尽管不需要气流，但是由于气流可引入其操作，所以炬模块是可变通的。气流能增大炬等离子体的尺寸和能量。整个系统可整合为一个便携单元，这允许其可在许多要求等离子体源易于运输的应用中使用。
与本发明一致的示例性等离子炬的元件可包括：1)微波源(例如，磁控管)；2)渐缩微波空腔；3)炬模块；以及4)驱动炬模块和磁控管的电源。该微波等离子体炬可具有大约1.25cm或更大的半径，高大约5cm，和超过5×1013cm-3的峰值电子密度。该等离子体炬可容易并快速的启动等离子体的产生。
与本发明一致的等离子体炬装置可容易地扩展为炬阵列。这可通过分别增加空腔的窄部分的长度和在相距四分之一波长，分别在空腔顶壁和底壁上增加出口孔-炬模块对来完成。所提供的微波能量成比例的增加。
本发明的优势在于至少一些与本发明一致的实施例可使用简单且适于多个交流电源的电路，如，大多数普通壁装电源插座提供的60Hz(或50Hz)电压。在一些与本发明一致的实施例中，如，在飞行器中的应用，可使用400Hz的交流电源。该等离子体源能持续运行而不需水冷并能产生具有周期能量(在60Hz内)超过10J/每周期的等离子炬，其对于许多应用都足够大。
本发明具有吸引力也是因为至少一些与本发明一致的实施例产生大量活性原子氧，其用于快速破坏广谱的化学生物战(CBW)剂的应用中。
另外，根据本发明，微波等离子体炬可用于吸收雷达脉冲的应用中，例如，以阵列放置在飞行器的表面的微波等离子体炬可用于躲避雷达探测。
在一些实施例中，渐缩微波空腔通过渐缩矩形波导的一部分和利用导电板终止波导的两端而形成。在这样一个实施例中，利用渐缩矩形空腔，空腔的尺寸可改变，只要在所选择的微波源频率处空腔支持TE10n模式，其中n为正整数且n≥3。
在一些与本发明一致的实施例中，空腔的窄部分的高度很小，例如，为5mm，渐缩部分的两端设置在所选择的TE10n模式的电场最低位置，并且在窄部分的开口设置在所选择的TE10n模式的电场最高位置，所述开口容纳炬模块并排出电弧/微波等离子体。
在一些实施例中，空腔的窄部分的长度为mλZ/2，其中λZ为TE10n模式在空腔轴向上的波长，m为由所容纳的炬数量而确定的整数。
附图说明
图1A-1C分别为根据本发明制造的渐缩空腔的顶视、侧视、底视的示意图。
图2A为显示炬模块放置的示意图，所述炬模块通过充气增压室插进空腔渐缩部中的底部开口。图2B为显示炬模块被插进空腔的图片。
图3在空腔底壁测量的微波电场分布。
图4为炬装置电源的电路图。
图5A-5C为三个由炬装置产生的微波炬的图片，一个没有气流，另一个有很低的气流(例如：1.133l/s)，以及第三个有大的出口孔和大的气流速度。
图6A和6B分别为延长的渐缩空腔的顶视、侧视的示意图，所述渐缩空腔容纳两个炬。
图7A和7B分别为由两个放置在矩形渐缩空腔的延长窄部分的底壁上的两个炬模块同时产生的两个种子等离子炬，和由该加大的发明的炬装置同时产生的两个微波等离子体炬的图像。
图8为邻近空腔壁的电子密度Ne(r)的径向分布，其由炬的发射光谱决定。
图9包括Fe I(385.991nm)、Cu I(809.263nm)、Cu II(766.47nm)，和O I(777.194nm)在相距炬模块的喷嘴出口大约1″(2.5cm)的位置处的光谱线相对强度IR与空气流速f强度之间依赖关系曲线图。
图10是表示电弧放电和磁控管输入的V-I特征曲线图。
图11是电弧放电和磁控管输入的幂函数曲线图。
图12是在气流流速f时，电弧放电的周期能量和磁控管输入之间的关系曲线图。
具体实施方式
本发明包括用于产生微波等离子体炬的新型方法和装置。提供下面的描述以使本领域技术人员能够制造和使用本发明，并且该描述提供于它们的特别应用和其技术要求的上下文中。公开的具体实施例的多种修改对于本领域技术人员是显而易见的，并且以下阐明的一般原则可以应用到其他的具体实施方式和应用中。因此，本发明并不仅限于所示的具体实施例。
在下文，由本发明执行的功能在§4.1介绍。然后，根据本发明构造的装置结构在§4.2描述。其后，装置的操作是在§4.3进行描述。最后，关于本发明的结论在§4.4描述。
§4.1功能
本发明可用来产生微波等离子体炬，其具有相对大的尺寸(例如，至少高5cm和至少宽2cm)和较高的密度(例如，至少1013电子/cm3)。本发明也可用于产生在操作中不需要气流并具有提高焓和稳定性的等离子炬。本发明可被认为是微波等离子体炬的一个单元和阵列的几个单元，其可安装在容纳所有单元的具有延长窄部分的单个空腔内。本发明可使用一个或多个单元的微波等离子体炬，在喷涂和材料合成、净化化学生物战CBW剂，并且用于吸收辐射(例如，雷达)的应用中。
§4.2构造
在下文中，在§4.2.1描述新的便携式微波等离子体炬。其后，具有在§4.2.1描述的微波等离子体炬的一个或多个单元的系统在§4.2.2进行描述。
§4.2.1便携式电弧-种子微波等离子体炬
新的混合弧/微波炬将参照图1A-1C进行描述。炬装置的渐缩空腔可根据如下所述的尺寸进行构造。
非渐缩部分(106)的末端横截面(110)可与标准S-波段(WR-284)波导(例如，～7.2cm×3.4cm)相同。S-波段矩形波导逐渐减少到一很小的横截面(例如，～7.2cm×0.5cm)。波导(100)的两面通过导电板终止来形成空腔。这个腔包括三部分。在波导(100)两面上的部分I(106)和III(105)具有等截面。宽的部分I(106)具有3λZ/8的长度(103)(例如，～8.74cm)和窄部分III(105)具有λZ/2的长度(111)(例如，～11.65cm)。渐缩部中间的过渡段II(104)作为邻接部分与具有与相邻部分相同的宽度(例如，～7.2cm)，具有的高度范围～3.4cm到～0.5cm，且具有λZ/2的长度(例如，～11.65cm)和倾角θ≌tan-1(2.9/11.65)≌14°。
由磁控管产生的微波(例如，2.45GHz，700W)在开口(108)发射进入空腔中。开口(108)可位于相距空腔部分I的开口端约四分之一波长(λ0/4)(更确切地说，λZ/8)处。因此，如果λ0＝12.25cm为自由空间波长，且λZ＝λ0[1-(λ0/2a)2]1/2＝23.3cm为TE103模式的轴向波长，如果a＝7.2cm是横截面较宽侧的尺寸，空腔轴向的四分之一波长为5.83cm和空腔的总轴向长度为32cm≌1.5λZ。
在空腔的窄部分III(105)的最大波电场位置，其相距它的短端为λZ/4＝5.83cm，在底壁(107)和顶壁(101)上的两个定位开口(109和102)被分别引入。两开口具有1.3cm的相同直径。
例如，如下所述，气体充气室(206)与开口(109和102)对准并连接(例如，焊接)到空腔(100)窄部分III(105)的底壁(107)。气体充气室(206)用于注入气体的流过并容纳产生种子等离子体的炬模块。
参照图2A，炬模块(204)，比如在Kuo文章或628专利中详细描述的，随后被螺纹连接到连接于底部开口(109)的充气室(206)上，如图2A示意所示(所示仅为空腔的窄部分III(105)的一部分)。顶孔(102)允许等离子体从空腔中流出。如图2A进一步所示，充气室(206)可以包括进气口(207)，并且炬模块(204)可以包括在炬模块的构架(210)上的开口(208)，用来使模块的环形气腔(209)流动地耦合气体充气室(206)，(例如，钨)主电极(201)，(例如，陶器的)绝缘体(202)，密封垫圈(205)，和支持物(203)使绝缘体紧贴在模块的构架(210)上。过渡段的上角可设置在相距窄部分III的短端λZ/2处，以防止在那个位置微波放电的可能性。使用半波长作为渐缩部的过渡长度使空腔模式不均匀的冲击极小化。图2B是显示炬模块插入空腔的图片(250)。
图3说明由小的单极天线调节的、垂直于空腔底壁的微波电场的空间分布。天线由直径为1mm和长度为4mm的绝缘线组成，其与50Ω同轴线的芯线相连。为执行测量，空腔的底壁由多孔板筛替代，所述多孔板筛具有均匀分布的、直径为2mm、间隔约6.7mm的开口。因而，天线可穿过板筛壁的开口插入到空腔中。它测量垂直于所述壁的电场分量，其为所关心的电场方向也是预期的TE103模式的场方向。频谱分析仪记录由天线收集的信号。如图所示，在指定炬位置的场强提高约15dB(即，从～-22.5到～-7.5)。
图4是用于炬装置的、点燃炬模块(410)和同时运行磁控管(420)的电源和电路(400)的示意图。单个电源变压器(430)(如，匝比为1∶25)可用来将120V(rms)60Hz线电压升到3kV(rms)，其通过串联连接两个1μF的电容器(442，444)施加于两个装置(410和420)，其中一个电容器对应一个装置。随后磁控管(452)(420)并联一二极管(例如，15kV和750mA额定值)，其通过防止负电压施加于阳极和阴极之间以消除不希望的电阻损失。虽然炬模块(410)可以无需二极管(454)而在两个半周期内都可运行产生炬等离子体，但是在所述具体实施例，它(410)并联到串联连接的二极管(454)和电阻器(例如，750Ω)(460)上，以便只有在有微波时被点燃。当二极管(454)反向偏置时，该附加电路也增加应用于炬模块(410)的电压。这致使其不增加变压器(430)的匝数比也易于启动放电。放电很快发展为高电流/低电压扩散-电弧方式。加入到炬模块(410)的电路的串联电阻器(460)可用来当它正向偏置时保护二极管(454)，是通过防止电容器(444)的充电电流超过二极管(454)的规格而进行保护。在这期间电容器充电的缩减也延迟了电弧放电。如果磁控管(420)如经常发生的情况有高的起动电压时，那么这是必需的。最佳运行情况是在放电脉冲和微波脉冲彼此重叠时。由于放电脉冲多半比微波脉冲短，并因为微波场多半过低以致不能独立地启动放电，因此在微波脉冲恰好开始时期望由电弧放电产生种子放电。微波电场可与炬列平行。在这种情况下，可有效地从空腔中移出炬等离子体并提高其高度。
该炬可不应用气流而进行操作来稳定电弧放电并且大量微波等离子体仍可在空腔外面产生。图5A是在没有气流的情况下产生的炬的图片。如图所示，在空腔外产生大小相当的炬等离子体(高度约1.5cm和容积约3.5cc)。图5B为当微细的气流(约1.133l/s)引入炬模块时，所产生的增大炬的结果图片。如图所示，这样的小气流可以有效地增加炬等离子体的高度(增加到约3.5cm)和容积(到约8cc)。微波炬等离子体的尺寸随流速的大小、微波功率，和空腔壁上出口孔的直径而增加。图5C所示为通过单独地将出口孔的直径增加到2.5cm，炬等离子体可以在空腔外达到超过6cm的高度。然而，微波漏泄也可能超过5mW/cm2的标准安全水平，这在一些应用中是不符合要求的。
被用于此炬装置的渐缩矩形空腔需要特殊设计考虑。其他的部分可由来自可利用的火花塞用于炬模块，可利用的微波炉用于磁控管、变压器、二极管，和电容器作为元件构成(参见，例，Kuo文章和专利)。
已描述了示例性微波等离子体炬的便携结构，在以下§4.2.2将描述具有多于一个的微波等离子体炬单元的第二种结构。
§4.2.2具有一个或多个电弧-种子微波等离子体炬的系统
图6A和6B分别为可以容纳两个炬的空腔600的顶视、侧视的示意图。图6A和6B所示的尺寸单位为厘米(cm)。空腔600可根据以下提供的示例性尺寸构造。两对定位开口612、614位于空腔窄部分II的顶壁和底壁上。在顶壁614a、b上的开口直径(例如，约2.5cm)大于在底壁612a、b上的开口直径(约1.3cm)。两个炬模块(未显示)可通过底孔612a、b附着于空腔并且生产的炬等离子体通过两个顶孔614a、b溢出空腔。两个分离电源(例如，比如图4所示的一个)用于驱动炬模块。因此电弧放电可同时与60赫兹由磁控管产生，通过开口608而引入的微波脉冲同步，所述磁控管由如图4所示的同一电源驱动。图7A为由根据图6所示示意图制造的装置，在缺少微波的情况下，产生的两个电弧炬的图片。空腔内部的炬部分为1cm，其为这个空腔的窄部分的高度。因此各电弧炬具有约2.5cm的高度，高度小是因为模块的背压力仅约为1.2atm。图7B示明用这样的装置产生的两个微波炬(即，磁控管接通)。各微波炬的高度增加到超过7cm。施加的(时间平均值)微波功率约为1.4kW。
空腔的窄部分可以容易地延伸而容纳多于一个的炬。大容积的大气压力等离子体因此而产生。其可用于吸收辐射(因此提供掩盖物的特征)和净化CBW剂。
在本节描述的系统的操作将在以下§4.3进行描述。然而，首先，该系统的多种应用将在以下§4.2.3进行描述。
§4.2.3系统应用的实施例
一个或多个微波等离子体炬的设置存在许多应用潜力。如在以下§4.2.3.1所述，根据本发明制造的系统，例如，§4.2.1所述的，可用来产生传送活性反应组分的等离子流，比如原子氧。比如可用来净化化学战和生物战(CBW)剂的等离子流。如在以下§4.2.3.2描述的包括微波等离子体炬阵列的系统，根据本发明制造，比如，如§4.2.2所述，可用于为雷达掩盖物吸收辐射。这种应用适用于飞行器上的系统，比如，军用飞机。
§4.2.3.1CBW剂的净化
分析微波等离子体炬的发射光谱，用于推导炬类型的电子密度分布和成分的有关信息，所述微波等离子体炬由§4.2.1所述的本发明的具体实施例产生。电子密度是由486.133nm的Hβ和656.279nm的Hα的斯塔克效应谱线展宽(Stark broadening)评价。接近于空腔壁区域的电子密度Ne(r)的径向分布显示在图8中。在空腔壁附近区域的电子如图所示分布非常均匀，横跨炬的核心，在中心为约6×1013cm-3峰值(当时)密度和在距中心为约5mm的边界层约7×1013cm-3的峰值(当时)密度。图9显示Fe I(385.991nm)、Cu I(809.263nm)、Cu II(766.47nm)，和O I(777.194nm)在炬边界层，距炬模块喷嘴出口大约25mm(即，相距于空腔壁约20mm)处，流速f相对于谱线强度的依存关系。炬操作的四种流速依存关系很容易区别。首先极低的流速状态特征为低的激发状态和低的氧含量。第二，低流速状态特征为迅速激发状态和比较高的氧含量。第三，中等流速状态的特征为提高的离子线激发，和包括氧的减少的原子谱线激发。第四，比较高的流速状态特征为原子氧线控制光谱发射。活性原子氧已经被证明能够迅速毁坏广谱的CBW剂。
本发明不仅便携并且所有空中放电都能稳定操作，这在净化应用中是有利的特点。
§4.2.3.2用于雷达覆盖物吸收辐射
由炬模块产生的等离子炬，如，Kuo文章和628专利所描述的，可具有1013电子/cm3的等离子体密度并且可衰减10GHz CW微波多于10dB。当如图7B所示，当微波增加，则每个炬的尺寸也显著加大。此外，微波等离子体炬的电子密度，如图8中所示要大大高于由单个炬模块产生的电弧炬的电子密度，并且，雷达脉冲的空气等离子体的吸收比率随着电子密度线性地增加。因而由本发明产生的微波等离子体炬可显著改善辐射吸收的有效性。此外，根据本发明的装置可在极低气体流速中稳定运行，且其生产的炬尺寸大于电弧炬。微波等离子体炬还可以以阵列放置在飞行器的表面上，用于逃避雷达探测(也称为″掩护″)。
§4.3具体实施例的操作
例如，在以上§4.2.1中描述的示范性的电弧-种子微波等离子体炬，其操作在以下§4.3.1中描述。例如，在以上§4.2.2描述的同时产生两个(或以上)微波炬的示范性系统，其操作在以下§4.3.2进行描述
§4.3.1示范性的电弧-种子微波等离子体炬的操作
示范性的微波炬的操作包括炬模块和磁控管的操作。两种元件都可以以60Hz周期方式运行。如图4所示的电路布置保持电弧放电与微波放电在各周期内同步。可选择在电路里750Ω的电阻器460以达到最佳工作条件，其中电弧放电脉冲重叠微波脉冲，并恰好在微波脉冲开始时启动。
具有四个频道的两个数字示波器同时测量随时间变化的、炬模块和磁控管电弧放电的电压和电流。在气流速度为1.133l/s的情况下，V-I特征以及电弧放电和磁控管输入的幂函数分别显示在图10和11中。如图10所示，电弧放电的击穿电压约3.5kV，电弧电流峰值约4A。磁控管具有约4kV的起动电压和约1A工作电流。据图11中的幂函数所示、磁控管在电弧放电之前启动操作。然而，微波的产生由于电弧放电的出现而中断并恰好在电弧放电的峰值后重新开始。这种在磁控管操作上的中断是因为在电路中的电容器不能有效地稳定来自施加到磁控管的电压电弧放电的干扰。这样的中断可以利用两个分离变压器而避免。然而，因为电弧放电脉冲比微波脉冲短得多，这个中断并未显著地降低磁控管的性能。在电弧放电影响下，微波脉冲(由如图11所示的磁控管的输入功率推出)变得较短，但其能量变得较高。
电弧放电和磁控管输入的周期能量作为气体流速f的函数在图12中显示。如图所示，气体流动的效果在超过0.393l/s的速度饱和。在此流速状态，炬等离子体的周期能量达到约12焦耳的极限(假定磁控管有50％转换效率)。
§4.3.2包括两个或更多微波等离子体炬的示例性系统的操作
在§4.2.2描述的具体实施例的两-炬系统使用单个微波源。在操作中，两个炬模块的电弧放电与相同的微波脉冲同步。因而这个系统中可采用两个分离电源。一个可与图4所示的那个电源一致，其驱动磁控管和两个炬模块中的一个。另一个炬模块可被分离电源驱动。相同的60Hz电源线使两个电源同步输出电压。因为电弧放电不影响彼此，则各炬模块的电特性与图10和11所显示的类似。用于产生图7B所示的两个微波炬的微波能量，是由两个磁控管输出而提供的，所述两个磁控管输出由微波组合器(幻T形)相结合。
§4.4结论
通过结合等离子炬和微波发生器，电弧等离子体炬可用来种子微波放电而产生大的、高密度、等离子炬而无需气流。
没有种子，磁控管中中等的微波能量(例如～700W)由于过低而不能在低的Q空腔内独立启动微波放电。因此，本发明具有在利用低的Q腔以适度的微波功率电平来触发微波放电和产生大的、高密度等离子放电(炬)的优点。
这样新的混合电弧/微波等离子炬，可根据市场上可得到的微波炉、火花塞、和渐缩空腔的部分而构造。炬的尺寸由于开口直径的加倍而几乎加倍，所述开口来自炬模块的开口。这种混合电弧/微波等离体炬不需要提供很大的气流而具有超过1013电子/cm3的峰值等离体密度并能达到近似于20cc的容积。
Claims (34)
1、一种用于产生至少一个混合电弧/微波等离子体放电的装置，该装置包括：
a)空腔，其适于在微波频率支持TE模式和TM模式中的至少一种；和
b)炬模块，与所述空腔相连，用于在空腔内部产生种子等离子体。
2、如权利要求1所述的装置，其中所述空腔为渐缩空腔。
3、如权利要求1所述的装置，其进一步包括：
c)微波源，其与空腔相连，用于在微波频率时产生微波和用于将所产生的微波引入到空腔中。
4、如权利要求1所述的装置，其中炬模块为电弧炬模块，并且其中，由电弧炬模块放电产生的种子等离子体触发空腔内的微波放电，从而产生附加等离子体。
5、如权利要求4所述的装置，其中出口孔被确定在空腔内相对电弧炬模块的位置处，其中，等离子体是由电弧放电和微波放电结合而产生的，以及其中所产生的等离子体通过出口孔作为混合电弧/微波放电从空腔溢出。
6、如权利要求1所述的装置，其中，所述空腔包括第一壁和相对所述第一壁的第二壁，其中，炬模块装配进空腔的第一壁，和其中出口孔被确定在空腔的第二壁内相对炬模块的位置处。
7、如权利要求1所述的装置，其中，所述空腔具有窄部分、宽部分以及处于窄部分和宽部分之间的渐缩部分。
8、如权利要求7所述的装置，其中，窄部分和宽部分都具有矩形横截面。
9、如权利要求8所述的装置，其中，所述空腔被形成所需要的尺寸以在微波源频率支持TE10n模式，其中n为至少为3的整数。
10、如权利要求6所述的装置，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，放置在端壁之间并包括第一和第二壁，
其中，混合电弧/微波等离体放电从第二壁的出口孔溢出空腔。
11、如权利要求1所述的装置，其进一步包括：至少一个与空腔相连的附加炬模块，其中，由炬模块的电弧放电产生的种子等离子体，由TE模式电场而不是TM模式电场激励，种子等离子体触发随后的微波放电，从而产生至少两个混合电弧/微波等离体放电。
12、如权利要求11所述的装置，其中，所述空腔包括第一壁和相对所述第一壁的第二壁，其中，炬模块装入空腔的第一壁，并且其中出口孔被确定在空腔的第二壁内相对炬模块的位置处，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，混合电弧/微波等离体放电从第二壁的两个出口孔溢出空腔。
13、如权利要求10所述的装置，其中所述空腔具有窄部分、宽部分以及处于窄部分和宽部分之间的渐缩部分，
其中所述空腔包括由附加壁确定的窄部分，窄部分高大约5mm，第一附加壁具有限定在炬模块被装入的位置处的第一开口，第二附加壁具有限定在那里的第二开口，
其中，第二开口允许混合电弧/微波等离子体炬溢出，和
其中，第一和第二开口位于TE10n模式电场的最大位置中的一个位置处，渐缩部分包括两个端部位置，渐缩部分的端部位置位于所述TE10n模式电场的最小位置。
14、如权利要求7所述的装置，窄部分长约mλz/2，其中λz为所述TE10n模式在空腔轴向上的波长，并且m为由与所述空腔容纳的炬数量所确定的整数。
15、如权利要求7所述的装置，其中所述空腔为值少于30的低Q空腔，
其中所述炬模块不需要微波放电就可产生种子等离子，所述种子等离子产生附加等离子，和
其中所述空腔包括出口孔用于溢出混合电弧/微波等离子放电，所述出口孔的直径大于所述炬模块不产生种子等离子所可能的出口孔直径，所述较大直径出口孔导致等离子体放电的尺寸增加。
16、如权利要求1所述的装置，其中所述的炬模块包括框架、中心电极和陶瓷绝缘体，框架包括与空腔电连接的外电极，陶瓷绝缘体将中心电极与模块框架和空腔绝缘。
17、如权利要求16所述的装置，其中所述炬模块框架包括耦合入口气体到所述炬模块的气室的开口。
18、如权利要求1所述的装置，其中混合电弧/微波等离子体放电形成柱状物，所述柱状物高达大约6cm、直径约为2cm。
19、如权利要求1所述的装置，其中混合电弧/微波等离子体炬具有至少1013电子/cm3的密度。
20、如权利要求3所述装置，其进一步包括：
d)第一电源模块，为微波源供电；和
e)第二电源模块，为炬模块供电，
其中第一和第二电源模块共用一个变压器。
21、如权利要求20所述的装置，其中初级输入功率选自以下至少一种：60Hz、50Hz和400Hz交流初级电源，其中大约700W的时间平均功率由所述第一电源模块提供，并且其中混合电弧/微波放电具有大约12J/周期的周期能量。
22、如权利要求20所述的装置，其中，第一电源模块包括大约1微法的耦合电容器，其中所述第二电源包括1微法的耦合电容器，和大约750ohms的极限电阻，和其中共用变压器具有大约1∶25的匝数比。
23、如权利要求3所述的装置，其中空腔被形成所需要的尺寸以在微波源频率支持TE10n模式，其中n＝3，其中微波频率大约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约7.2cm×3.4cm的S波段WR-284的波导的尺寸和大约8.74cm的长度，所述第三部分具有大约7.2cm×0.5cm的尺寸和大约11.65cm的长度，所述第二部分为中间部分，为锥形，具有大约7.2cm的宽度，高度范围从大约3.4cm到大约0.5cm，长度大约11.65cm，大约14度的倾斜角。
24、能支持产生至少一种混合电弧/微波等离子体放电的装置，该装置包括：
a)一个空腔，其在微波频率支持TE模式和TM模式中的至少一种；和
b)连接至少一个炬模块到所述空腔的装置。
25、如权利要求24所述的装置，所述用于耦合至少一个炬的元件包括与所述空腔壁连接的螺纹部分。
26、如权利要求24所述的装置，其中空腔的尺寸在微波源频率支持TE10n模式，其中n为至少为3的整数。
27、如权利要求24所述的装置，进一步包括：
c)连接至少一个附加炬模块到所述空腔的元件，其中所述炬等离子体由TE模式电场激励而不是由TM模式电场激励，并且其中产生至少两种混合电弧/微波等离子放电。
28、如权利要求24所述的装置，其中，所述空腔包括第一壁和相对所述第一壁的第二壁，其中，用于耦合的元件设置在空腔的第一壁上，和其中出口孔被确定在空腔的第二壁内相对耦合元件的位置处。
29、如权利要求24所述的装置，其中所述空腔具有窄部分、宽部分以及处于窄部分和宽部分之间的渐缩部分。
30、如权利要求29所述的装置，其中，窄部分和宽部分都具有矩形横截面。
31、如权利要求30所述的装置，其中，所述空腔被形成在微波源频率支持TE10n模式的尺寸，其中n为至少为3的整数。
32、如权利要求28所述的装置，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，炬等离子体形成的混合电弧/微波等离体放电从第二壁的出口孔溢出空腔。
33、如权利要求32所述的装置，其中所述空腔具有窄部分、宽部分以及处于窄部分和宽部分之间的渐缩部分，
其中所述空腔包括有附加壁确定的窄部分，窄部分高大约5mm，第一附加壁具有限定在炬模块被装入的位置处的第一开口，第二附加壁具有限定在那里的第二开口，
其中，第二开口允许混合电弧/微波等离子体放电溢出，和
其中，第一和第二开口位于TE10n模式的电场最大位置中的一个位置处，渐缩部分包括两个端部位置，渐缩部分的端部位置位于所述TE10n模式的电场最低位置处。
34、如权利要求29所述的装置，窄部分长约mλz/2，其中λz为所述TE10n模式在空腔轴向上的波长，并且m为由与所述空腔容纳的炬数量所确定的整数。
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