CN101828433B - 用于脉冲等离子体生成的阴极组件和方法 - Google Patents

Abstract

公开了用于生成脉冲等离子体的阴极组件和方法。该阴极组件包括与多个纵向排列的、优选地具有相同直径和不同长度的阴极(10、20、30)连接的阴极支持部(2)。该方法的特征在于，通过流过预定幅值的DC电流而在该阴极组件中的阴极(10、20、30)与阳极(4)之间形成电弧。一旦建立电弧，则该电流的幅值将减至足以维持电弧，或是略大的幅值，从而将电弧的接合区域减小到单个阴极。一旦电弧的接合区域已被减小，则该电流将升至脉冲的操作水平，但是电弧的接合区域并不会显著增大。

Description

用于脉冲等离子体生成的阴极组件和方法

技术领域

本发明涉及等离子体生成装置的阴极组件以及生成等离子体的方法，更具体地涉及脉冲等离子体。

背景技术

生成具有脉冲以及较短持续时间的关断时段的脉冲等离子体给出了一组独特的挑战。目前已知的等离子体生成装置存在若干局限，这些局限使得将这些装置用于生成脉冲等离子体不现实。

通常，等离子体生成装置包括阴极和阳极。典型地为惰性气体的等离子体生成气体在阴极和阳极之间纵向延伸且穿过阳极的通道中流动。当等离子体生成气体穿过等离子体通道时，该气体被加热并由在阴极和阳极之间建立的电弧转换为等离子体。等离子体通道的各个部分可以由一个或更多个中间电极形成。

在三个阶段中进行等离子体的生成。当在阴极和阳极之间建立电火花时出现第一阶段，称为火花放电。当作为在电火花中的负电性电子的运动的结果而形成的正电性离子撞击阴极时出现第二阶段，称为辉光放电。当阴极的一部分被离子撞击足够地加热而开始发射足够数量的电子来维持阴极和阳极之间用于加热等离子体生成气体的电流时，出现第三阶段，称为电弧放电。电弧加热了形成等离子体的等离子体生成气体。每次生成高温等离子体时，等离子体生成气体都必须经过所有的三个阶段。

在现有技术的装置中，在启动时，流经阴极和阳极之间的电流便升至想要的操作水平。然而，在火花放电阶段和辉光放电阶段，不能持续电流方面的这种快速提升。只有当达到电弧放电并且阴极开始热离子发射具有足以支持这样的电流的速率的电子时，施加的操作水平电流才开始流过阴极和阳极之间。在阴极开始热离子发射具有足够高的速率的电流来维持高操作水平的电流之前试图让这样的电流通过阴极将会对阴极施加压力，而这使得该阴极最终在相对较少次数的启动之后被损坏。

生成脉冲等离子体要求快速和连续地频繁启动等离子体生成装置。例如，在皮肤治疗中，使用脉冲等离子体进行单次治疗可能需要数以千计个脉冲，从而需要进行数以千计次的启动。现有技术的启动等离子体生成装置的方法不适于生成脉冲等离子体，因为在这个过程中阴极有可能被损坏。

目前，两类装置可用于生成离子化气体的脉冲。美国专利No.6,629,974中公开的装置是第一类型的例子。在这类装置中，通过使例如氮的等离子体生成气体流经交变电场来生成电晕放电。交变电场产生气体中自由电子的快速移动。该快速移动的电子从气体原子中撞击出其他电子，从而形成了已知的电子雪崩，而这又产生了电晕放电。通过在脉冲中施加电场，产生了脉冲电晕放电。用于产生脉冲电晕放电的该方法的优点是：(1)在流中不存在杂质，以及(2)实现真实脉冲流的较短的启动时间。为了本公开的目的，真实脉冲流是指在脉冲的关断时段内完全停止的流。

该第一类型的装置和方法的缺点在于产生的电晕放电具有大约2000℃的固定最大温度。在该装置中形成的该电晕放电绝不会变成高温等离子体，因为其没有被电弧加热。因此，产生脉冲电晕放电的装置不能被用于需要高于2000℃的温度的一些应用。因此，该第一类型的装置的应用受到了放电过程的特性的限制，该放电过程能够产生电晕放电，但非高温等离子体。

第二类型的装置通过由在阴极和形成等离子体通道的阳极之间建立的电弧加热通过等离子体通道的等离子体生成气体流来生成等离子体。第二类型的装置的例子公开于美国专利No.6,475,215中。依据美国专利No.6,475,215的公开内容，作为等离子体生成气体，优选为氩气，穿过等离子体通道，脉冲DC电压施加在阳极和阴极之间。将或不将预定的恒定偏压加入到脉冲DC电压。在电压脉冲期间，等离子体生成气体中的自由电子的数量将增加，这导致等离子体的电阻减小，而流过等离子体的电流指数增长。在关断时段中，等离子体生成气体中的自由电子的数量减少，这导致等离子体的电阻增大，且流经等离子体的电流指数减小。虽然在关断时段期间电流较低，但其并没有完全停止。该低电流(称为备用电流)是不想要的，因为没有生成真实脉冲等离子体流。在关断时段中，维持了连续的低功率等离子体流。本质上，该装置没有生成脉冲等离子体，而是生成了具有功率尖峰(称为脉冲)的连续等离子体流，从而模拟了脉冲等离子体。由于关断时段远比脉冲长，因而该装置在关断时段期间输出了大量能量，并且不能被有效率地用于需要真实脉冲等离子体流的应用。例如，如果该装置被用于皮肤治疗，则在每次脉冲后必须从皮肤表面移走该装置，以使得皮肤不会在关断时段期间暴露在低功率等离子体下。这损害了该装置的可用性和安全性。

当使用在美国专利No.6,475,215中公开的装置时，在脉冲之间将流经该等离子体的电流降至零并为等离子体的每个脉冲重启该装置是不可实现的。作为使较高电流通过阴极而不保证阴极为等离子体流发出足够的电子来支持该电流的结果，为每次脉冲重启该装置将使得阴极被快速损坏。在阴极开始发射具有足够高的速率的电子以维持较高电流之前，试图将该较高电流通过阴极将对阴极造成压力，这最终将导致阴极损坏。可选地，可以缓慢地增大阴极和阳极之间的电压和流经等离子体的电流。但是这种选择也是不实际的，因为对于每次脉冲的装置启动的时间将会变得不可忍受的长。

由于装置的结构，在美国专利No.6,475,215中公开的装置以及在本领域中当前公知的该类型的其他装置不能生成真实脉冲等离子体流。当这种类型的装置启动时，由于溅射的缘故，电极存在一定程度的腐蚀。该腐蚀导致了等离子体中流动的分离的电极材料(例如金属微粒)。当使用连续的等离子体流时，启动杂质是相对较小的缺点，因为启动以及与其相关的杂质每次治疗仅出现一次。因此，在启动之后，在开始实际的治疗之前，可以等待几秒钟，以使电极微粒离开装置。然而，当使用脉冲等离子体流时，等待杂质离开该装置是不实际的，因为对于每次脉冲时微粒均从电极分离出来。

当等离子体流已经在之前被创建时，仅花费几微秒即可增大或减小等离子体流中的电流。此外，由于在治疗中没有启动，杂质不进入等离子体流，并且阴极上不存在压力。但是，如上所述，即使持续维持经过等离子体的低电流也会使该装置对于需要真实脉冲等离子体流的某些应用而言不是最优的。

借助用电弧加热等离子体生成气体来生成真实脉冲等离子体流的困难主要是由发生在电极上的过程的特性造成的。一般地，并且特别对于医学应用而言，当电流快速增大时，确保操作不腐蚀阳极和阴极是极为重要的。在电流快速增大期间，阴极的温度可能较低，且在脉冲的随后重复期间不易被控制。当在阴极和阳极之间生成电弧时，该电弧接合到阴极的区域很大程度上取决于阴极的初始温度。当阴极是冷却的时，该接合区域就相对较小。在几次脉冲之后，阴极的温度增高，从而在电流快速增大过程中，该接合区域在阴极的整个表面区域上延伸，甚至在阴极支持部上延伸。在这些情况下，阴极电势开始波动，且阴极腐蚀开始。此外，如果电弧的接合区域达到阴极支持部，则该支持部将开始熔化，从而会将不希望的杂质引入等离子体流。为了使阴极正常发挥作用，在等离子体的每次脉冲中的电流快速增大的时段中，必须控制电弧接合到阴极表面的区域的精确位置和大小。

电弧倾向于接合到阴极上的表面缺陷(也称为不规则)处。在现有技术中，通过改变圆柱形阴极的形状来形成这样的表面缺陷。在现有技术中使用的典型的表面缺陷是阴极锥(tapering)。阴极锥形成了电弧倾向于接合的尖端。另一个用于产生缺陷的途径是以一定角度切割圆柱形阴极。这也创建了电弧倾向于接合的缺陷。尽管这些方法控制了连续等离子体流过程之间的电弧接合的位置，但是由于上述的电弧接合区域的逐渐扩展的缘故，它们不足以控制用于脉冲等离子体操作的该区域的大小。

与这些控制电弧接合区域的位置和大小的方法无关，一些现有技术的装置为了各种目的而使用多个阴极。例如，在美国专利No.1,661,579中，多个阴极被用在基于等离子体的灯泡中，以用于在它们之间生成火花。在美国专利No.2,615,137中，多个阴极被分成三组。在这些阴极之间分配三相功率，使得在一相时间内使用一个组的阴极，以提供伪连续模式的操作。在美国专利No.3,566,185中，通过使用由磁场隔离在阴极之间的微粒，一对阴极被用于从阴极溅射金属迹线。在美国专利No.4,785,220中，在转动的鼓中设置了多个阴极，以使得在不破坏其中发生放电的真空腔的真空密封的情况下，可以互换阴极。美国专利No.4,713,170公开了净水系统，在该系统中围绕阳极成间隔地分布多个阴极。该多阴极配置用于降低对流经净水器的水流的干扰。在美国专利No.5,089,707中，由电绝缘的阴极组成的多阴极组件被用于通过轮换参与电弧生成的阴极来延长离子束设备的寿命。在美国专利No.5,225,625中，彼此间隔排布的多个平行的阴极被用于等离子体喷射装置来扩展等离子体流的横截面，以防止粉末微粒阻塞等离子体通道。一般而言，公开了多个阴极的现有技术参考文献没有涉及与脉冲等离子体的生成有关的问题。

因此，目前需要一种阴极组件和操作使用该阴极组件的装置的方法，其中，该阴极组件克服了现有技术的局限并用于脉冲等离子体的生成。

发明内容

用于脉冲等离子体生成的阴极组件包括连接到多个纵向排列的阴极的阴极支持部。优选地，该组件中的阴极尽可能紧密地集中在一起。这些阴极优选地由含有镧的钨制成。这些阴极优选地具有相同的直径和不同的长度。最优地，长度上最接近的两个阴极之间的长度差大约等于组件中的一个阴极的直径，即优选为0.5mm。根据本发明的实施例的阴极组件被用在基于通过电弧加热等离子体生成气体来生成脉冲等离子体的装置中，其中该电弧建立在阴极之一和阳极之间。具体而言，阴极组件包括(a)阴极支持部和(b)一束连接到该阴极支持部的多个纵向排列的阴极，其中每个阴极都物理接触至少另一个阴极。

在操作中，在优选实施例中，等离子体生成气体经过阴极和阳极之间，优选地穿过等离子体通道。通过在阳极和阴极之间施加高频和高幅值电压波，产生大量自由电子。这些电子形成火花放电。该火花电离等离子体生成气体，后者进入辉光放电阶段。在辉光放电过程中，由于气体原子的电离而形成的正离子撞击阴极，从而加热阴极。一旦朝向阳极的阴极末端达到热离子电子发射的温度，则等离子体生成气体进入电弧放电阶段，并且该电弧建立在阴极和阳极之间。该电弧接合到组件中的所有阴极。

在阴极和阳极之间建立电弧后，电流被减小到足以维持电弧的幅值或略大一些的幅值。这导致电弧接合区域减小。接合区域减小将使得电弧仅接合单个阴极。在维持该低电流一段时间之后，电流将提升到脉冲的操作水平。接合区域没有显著增大，并且仅仅从单个阴极发生电子发射。在维持操作电流一段希望的持续时间之后，装置进入不施加电流和电压的关断时段。

本操作方法避免了与现有技术的方法相关的不稳定操作的问题。如果依据本方法操作多阴极组件，则阴极不会过热，并且电弧的接合区域也不会扩展到阴极支持部。这就保证了等离子体生成装置的稳定操作。当用于具有单个阴极的阴极组件之中时，该操作方法也提供了某些裨益。

生成脉冲等离子体的方法包括：(a)使第一电流流过一个或多个阴极和一个阳极；(b)使第二电流流过该一个或多个阴极和该阳极，该第二电流的幅值小于该第一电流的幅值；(c)使第三电流流过该一个或多个阴极和该阳极，该第三电流的幅值大于该第一电流的幅值；以及(d)停止流过该一个或多个阴极和该阳极的该第三电流。

附图说明

图1示出了用于生成脉冲等离子体的基本装置；

图2示出了优选实施例的阴极组件的三维视图；

图3示出了用于生成适于皮肤治疗的脉冲等离子体的装置；

图4A示出了阳极和阴极之间的用于生成每个脉冲的电压曲线图；

图4B示出了施加到阴极、等离子体通道中的等离子体生成气体和阳极的用于生成每个脉冲的电流曲线图；

图5A-I示出了在生成脉冲过程中发生在等离子体通道中的过程；

图6A示出了根据现有技术中目前已知的方法在生成多个脉冲之后单阴极组件中的阴极温度和电弧接合区域；

图6B示出了根据本发明的实施例在生成多个脉冲之后多阴极组件中的阴极温度和电弧接合区域；

图7A是根据现有技术的方法在生成500个脉冲之后的单阴极组件的微观视图的略图；以及

图7B是根据本发明的方法的实施例在生成40,000个脉冲之后的多阴极组件的微观视图的略图。

具体实施方式

在示例性实施例中，具有多个阴极的阴极组件是等离子体生成装置的一部分。对组件中的阴极数量并不存在理论限制，只要其中存在至少两个阴极即可。图1示出了这种装置的纵向横截面的示意图。阴极支持部2容纳了彼此纵向排列的三个阴极10、20和30。阳极4位于与阴极成一定距离之处。在优选实施例中，开始时，这些阴极在其最接近阳极4的末端(“阳极末端”)处分别具有平整表面12、22和32。该平整表面12、22和32分别形成了边缘14、24和34。图2示出了阴极组件的三维视图。

在几何上来说，阴极必须紧密集合成一束。紧密集合成一束意味着所有的阴极被排布成单个组，其中每个阴极都纵向接触至少另一阴极并且没有阴极与该组分离。阴极优选地尽可能紧密地集束在一起。但是，组件中的每个阴极与束中的至少另一阴极物理接触是足够的。理论上，组件中的阴极可以有不同的直径。但是，在优选实施例中，阴极10、20和30具有相同的直径，优选为0.5mm。在一些实施例中，组件中的至少一个阴极的长度不同于至少另一阴极的长度。在优选实施例中，组件中的所有阴极具有不同的长度。优选地，两个阴极之间的最小长度差大约等于一个阴极的直径，这在组件的优选实施例中为0.5mm。

在一些实施例中，容纳有阴极组件的装置也包括在阴极10、20、30和阳极4之间延伸并穿过阳极4的等离子体通道6。在一些实施例中，等离子体通道由一个或多个中间电极形成。在一些实施例中，阴极10、20和30的阳极末端位于与等离子体通道连接的等离子体腔中。阴极组件可以用于其他装置中，例如如图3所示的脉冲等离子体生成装置中。

但是，可以容纳该阴极组件的装置不限于等离子体生成装置。在一些实施例中，阴极组件可以用于光源中或作为通信装置的一部分。一般而言，该阴极组件可用在需要在阴极和阳极之间建立短持续时间的电弧的任意装置中。

为了描述本操作方法的目的，使用了图3中所示的装置的实施例。然而，应当注意到，如果与其它装置中的多阴极组件结合使用，以下所述的方法将提供同样的裨益。而且，这些操作方法也可以与单阴极组件结合使用，尽管在多阴极组件上使用这些操作方法会更加有效。图3中示出的装置包括在图2中示出的阴极组件，其具有阴极支持部2和阴极10、20和30。该装置还包括阳极4以及与阳极4电绝缘并且相互电绝缘的一个或多个中间电极42a-e。等离子体通道6由中间电极42a-e和阳极4形成。在一些实施例中，中间电极42a也形成等离子体腔8。在该装置的操作过程中，等离子体生成气体，通常是惰性气体(例如氩气)，通过开口72被引入装置。该等离子体生成气体沿阴极10、20和30流入等离子体腔8，再流入等离子体通道6，最后通过阴极4中的开口离开该装置。

在一些实施例中，延伸喷嘴被固定在装置的阳极末端处。该延伸喷嘴形成连接到等离子体通道的延伸通道。管状绝缘体元件覆盖延伸通道的内部表面的纵向部分。此外，在一些实施例中，延伸喷嘴具有一个或多个携氧气体入口。

例如如图3所示的等离子体生成装置通常连接到一个或多个电路，这些电路控制(1)施加在阳极4和阴极10、20和30之间的电压以及(2)流经阴极10、20、30、等离子体通道6中的等离子体生成气体以及阳极4的电流。用于控制电流的电路是本领域中公知的电流源。这些电路被用于生成每个等离子体脉冲。组件中的所有阴极都彼此电连接，以及连接到相同电路，从而阴极10、20、30具有相同的电势，以及在各个个体的阴极之间不存在电压，而只在阳极4和所有阴极10、20、30之间存在电压。等离子体脉冲形成过程由以下步骤控制：(1)在阴极和阳极之间施加电压，以及(2)控制流经等离子体生成气体的电流。

作为简单的概述，等离子体生成过程包括三个阶段：(1)火花放电，(2)辉光放电和(3)电弧放电。电弧放电阶段中的电弧加热流经等离子体通道6的的等离子体生成气体，从而形成等离子体。生成每个等离子体脉冲均需要等离子体生成气体经过所有三个阶段。在生成脉冲之前，等离子体生成气体的电阻接近无穷大。由于宇宙线对原子的电离，在等离子体生成气体中存在少量自由电子。

为了产生火花放电，在阳极4和阴极10、20、30之间施加高幅值、高频率电压波。该波增加了阴极10、20、30和阳极4之间的等离子体通道6中的自由电子的数量。一旦已经形成足够数量的自由电子，DC电压将被施加到阳极4和阴极10、20、30之间，并且DC电流将流经阴极10、20、30，等离子体生成气体和阳极4，从而在阴极10、20、30和阳极4之间形成火花放电。

在火花放电之后，等离子体生成气体的电阻下降，并且开始辉光放电阶段。在辉光放电阶段中，在由阴极和阳极4之间的电压产生的电场的影响下，正电性离子被吸引到阴极10、20、30。由于阴极10、20、30被离子撞击，阴极的阳极末端的温度升高。一旦该温度达到热离子电子发射的温度，则开始电弧放电阶段。开始时，电弧接合组件中的所有阴极。流过等离子体生成气体的电流之后被降低，从而电弧接合区域减小到能够维持该电弧的几乎最小接合区域。由于电弧接合区域较小，所以接合区域被限于组件中的单个阴极。因此，维持电弧放电所需的电流(取决于阴极的直径)相对较小。在电流已经被减小并被维持在该水平一段时间之后，该电流快速增大到脉冲的操作水平。电弧接合区域未显著增大，且仅单个阴极在脉冲的剩余时间内继续发射电子。减小电弧接合区域然后维持这一较小区域以使得仅单个阴极从受控区域发射电子对于真实脉冲等离子体装置的操作是极为重要的。

更具体地，以下结合图4A-4B讨论脉冲等离子体生成的方法。图4A示出了施加在阳极4和阴极10、20、30之间的电压，图4B示出了从一个或多个阴极10、20、30到阳极4经过等离子体通道6中的等离子体生成气体而流经等离子体的电流。当该方法与图3中所示的脉冲等离子体装置中的三阴极组件结合使用时，以下描述的电压、电流和时间的值对于该方法是优选的。当该方法被用于多阴极组件的其他实施例或者多阴极组件被用于另一装置中时，其他的电压、电流和时间值可能是优选的。

图4A示出了施加在阳极4和阴极10、20、30之间的电压的曲线图。在生成等离子体脉冲之前，在时刻t₀处，生成偏压202。该偏压可以是100-1000伏，但是优选为400-500伏。在t₀和t₁之间，偏压由一电路施加在阳极4和阴极10、20、30之间。但是，生成偏压202不会产生任何流经等离子体通道6中的等离子体生成气体的电流，因为等离子体生成气体的电阻接近无穷大。在一个实施例中，电容器被用于维持该偏压。图5A示出了在t₀和t₁之间在等离子体通道6中不存在电流，以及在阴极10、20、30和阳极4之间等离子体通道6中仅存在少量的自由电子。

在时刻t₁处，在阳极4和阴极10、20、30之间施加高频率、高幅值电压波204。该波的幅值至少为1kV，但是优选为5kV左右。在一些实施例中，该高频率和高幅值电压波204被抑制，其具有指数减小的幅值，如图4A所示。该波的频率至少为300kHz，优选为500kHz左右。该高电压、高频率波的持续时间为至少两个波长。例如，具有500kHz频率的波的持续时间至少应为0.4微秒；但是优选15-20微秒的更长波。注意，该高频率、高幅值电压波204是脉冲等离子体生成的唯一电压控制部分。在脉冲的剩余部分，作为电流通过阴极10、20、30和阳极4之间的等离子体生成气体的结果，该电压被维持在阳极4和阴极10、20、30之间。

该高频率、高幅值电压波204在等离子体通道6内部的等离子体生成气体中产生了自由电子的快速交替运动。这些快速移动的自由电子从流经等离子体通道6的等离子体生成气体的原子中撞击出电子。这一过程已知为电子雪崩。作为电子雪崩的结果，自由电子的数量将达到足以在阴极10、20、30和阳极4之间产生火花放电的数量，如图5B所示。

在具有由一个或多个中间电极形成的等离子体通道6的实施例中(例如如图3所示)，将首先在阴极以及最接近这些阴极的中间电极42a之间建立火花。其他火花将在流经等离子体通道6的等离子体生成气体中的自由电子以及形成等离子体通道6的其他中间电极42b-e之间产生。最终，在阴极10、20、30和阳极4之间产生如图5C所示的火花放电。

该火花放电电离等离子体生成气体中的一些原子，因此提高了等离子体生成气体的导电性并将其电阻降低到优选为200-1000欧姆。作为电离的结果而产生的自由电子被局限于相对较小的体积302中，如图5C所示。

在时刻t₂处，在高频率、高幅值电压波204结束后，处于100-1000伏范围之中、优选约为400-500伏的电压206被施加在阳极4和阴极10、20、30之间。在一些实施例中，在时刻t₂施加的电压等于所述高频率、高幅值电压波204的偏压202。在一些实施例中，电压206随时间指数减小，如图4A所示。

在时刻t₂处，等离子体生成气体具有足够多的自由电子来导电。但是，阴极10、20、30没有被足够地加热以实现热离子电子发射，该热离子电子发射可实现可持续电弧，该可持续电弧可维持具有特定应用(如皮肤治疗)所需的特性的等离子体流的生成。放电电压206开始了辉光放电阶段。为使阴极10、20、30开始热电离发射电子，它们的表面12、22和32必须达到对于阴极材料特定的某个温度，该温度被称为热离子电子发射温度或热离子电子发射的温度。例如，对于由含镧的钨制成的阴极，例如在本优选实施例中使用的阴极，电子发射的温度大约为2800°-3200°K。在由阳极4和阴极10、20、30之间的电压产生的电场的影响下，存在于等离子体通道6中的自由电子被吸向阳极4，而离子被吸向阴极10、20、30。如图5D所示的辉光放电是一种自维持的放电，其中由于二次发射的缘故，主要是由于离子撞击的缘故，冷阴极发射电子。在优选实施例中，该放电的区别特征是在阴极处的一层正空间电荷，其在表面上具有强电场以及100-400伏的相当大的电位降。在本领域中，该电位降是已知的阴极势降。如果电流增大，则辉光放电将在特定水平处转换成电弧放电，并且之后将达到足够的表面温度来热电离地发射电子。

在时刻t₃处，当阳极4和阴极10、20、30之间的电压降到预定值时，流经阴极10、20和30、等离子体通道6中的等离子体生成气体以及阳极4的电流将从0A(安培)增大到预定的第一电流，优选处于4-6A的范围内。优选地，该电流被维持1-10ms。当电流开始增大时，该预定电压处于时刻t₂时的电压的e^-0.5-e^-1.5倍之间，但是优选地，其大约是时刻t₂时的电压的e^-1倍。(注意，e是自然对数的基数，其大约等于2.718)。例如，在一个实施例中，时刻t₂时在阳极4和阴极10、20、30之间施加的电压大约是400伏。当电压降至大约150伏时，经过等离子体生成气体的电流被增大到大约5A。在一些实施例中，电流增大表现为t₃和t₄之间的斜坡，其具有300-500微秒的持续时间。

在时刻t₄之后的一段时间内，阴极开始从它们的表面12、22和32热电离地发射电子，如图5E所示。此时的电子发射足以维持生成具有希望的特性的等离子体所需的电弧。此时，电弧放电阶段开始并且建立阴极10、20、30和阳极4之间的沿等离子体通道6的电弧。流中的等离子体的电阻大约是1-3欧姆。此时，理论上，电流可以增大到特殊应用所需的操作水平，如图5F所示。但是，此时将电流增大到操作水平将导致以下不希望的效果。如图5D-5F所示，组件中的所有阴极均参与辉光放电阶段，并且随后参与电弧放电阶段。在辉光放电阶段中，阴极10、20、30继续被正电性离子撞击，且在电弧放电阶段中，电弧接合到所有阴极的表面区域。在脉冲之间的关断时段中，阴极10、20、30的温度未降到原来的非操作水平，从而当从之前的脉冲起阴极仍然被加热时，出现辉光放电和电弧放电阶段。由于阴极的大部分被足够地加热到在每次脉冲中发射电子，等离子体接合区域增大。在某时刻，在大约300-500次脉冲之后，等离子体接合到阴极的整个表面区域，并也开始接合到阴极支持部2。

当电弧接合到阴极支持部2时，阴极支持部被加热到开始溅射和发射电子连同电极材料的程度。这就在等离子体流中引入了杂质，对某些应用而言，特别是对医疗应用而言，这是不可接受的。此外，熔点比阴极熔点低很多的阴极支持部开始熔化。由于与一个或多个阴极接触的阴极支持部的部分开始熔化，那些阴极会被损坏。这样的损坏会导致缺陷，在接下来的脉冲中电弧可能接合到该缺陷。电弧在一个或多个阴极的基部接合该缺陷也会导致电弧结束在等离子体通道的外部。这导致不能控制是否在等离子体通道中形成等离子体。此外，该不受控制的接合表面导致阴极上的电势波动。一般而言，电弧接合区域的不受控制的扩展会导致该装置的不稳定操作。

延长阴极的长度，从而增大阴极支持部2与阴极10、20、30的阳极末端(开始时电弧接合于此处)之间的距离，被证明是一种次优方案。实验已经表明，延长阴极不会消除，而只是略微延迟了上述不希望的过程。

根据本优选方法，在时刻t₅处，电流减小到第二电流。在一些实施例中，该电流减小表现为斜坡209，其持续时间为300-500微秒。该电流优选地降到维持电弧放电所需的最小电流以及该电流的大约3倍之间的水平。对一些实施例而言，该电流处于0.33-1.0A的范围内。优选地，第二电流被维持5-20ms。该电流降导致了阴极10、20、30和阳极4之间的电弧的横截面的减小以及减小的电弧接合区域。虽然不必将接合区域减小到维持电弧所需的最小值，但是减小的电流将接合区域减小到不显著超出该最小区域的尺寸。如图5G所示，电弧未接合到阴极的整个表面区域。事实上，为了维持电弧，发射的电子集中在相对小的体积内，并且从较小的区域发出，如图5G所示。因为穿过该较小的接合区域的高电流密度通量的缘故，加热阴极的离子电流保持足够强以维持来自阴极的热离子电子发射。该离子电流导致了电弧接合区域以及周围体积上的非常高的温度。以这种方式减小施加在阴极10、20、30，等离子体生成气体和阳极4上的电流确保了电弧仅接合到单个阴极，并且还确保了电弧接合被限于相对小的区域。

通过试验已经发现，阴极直径对流过阴极同时维持阴极和阳极之间的电弧的最小可持续电流影响最大。例如，对具有1.0mm直径和5mm长度的阴极而言，该最小电流大约为1A。对具有0.5mm直径和5mm长度的阴极而言，该最小电流为约0.5A。对具有0.5mm直径和35mm长度的阴极而言，该最小电流为约0.3A。由于在t₆-t₇之间的第二减小的电流的时段中等离子体接合到仅仅一个阴极，因此与维持接合到组件中的所有阴极的电弧所需的电流(如t₄至t₅之间)相比，可以用较小的电流维持电弧。转到阴极组件的优选实施例，由于组件中的单个阴极的直径大约是组件中的所有阴极的总直径的一半，因此当电弧接合到单个阴极时，维持电弧所需的电流大约是电弧接合到所有三个阴极时维持电弧所需的电流的一半。

在时刻t₇处，电流增大到特殊应用需要的第三电流(操作水平)，优选地处于10-80A的范围内。在一些实施例中，该电流增大表现为t₇和t₈之间的斜坡211，其具有300-500微秒的持续时间。该增大的速率是1000-10000A/s。到时刻t₈为止，作为该装置的几何形状和流经阴极10、20、30之一和阳极4之间的电流的结果，优选地处于30-90伏的范围内的操作电压保持在阳极4和阴极10、20、30之间，。

在时刻t₈处，电流达到操作水平，且在操作电流水平214和操作电压水平216处(其优选地分别为10-80A和30-90V)维持了完全形成的等离子体流。对特定应用而言，在希望的持续时间内维持这些操作水平。例如，对皮肤治疗而言，优选的持续时间t₇-t₈为5-100ms。图5H示出了阴极之一(阴极10)与阳极4之间的、维持完全形成的等离子体流的电弧。在脉冲的操作时段中，该电弧具有不显著大于时段t₆-t₇中(此时通过第二电流)的电弧的横截面的横截面。

在时刻t₉处，当等离子体流已经维持了所述希望的持续时间时，流经等离子体通道6内的等离子体生成气体的电流被关断，且随后停止施加阳极4和阴极10、20、30之间的电压，且该装置进入关断时段，如图5I所示，直到生成等离子体的下一脉冲为止。

使用上述方法避免了如上所述的逐渐扩展的电弧接合区域。在优选实施例中，从t₂至t₄(此时等离子体可接合到阴极的整个暴露的表面区域)进行的辉光放电持续多达10ms。在辉光放电过程中获得的任何温度升高在脉冲的剩余部分以及关断时段内不会再出现。因此，到必须生成新的脉冲时，阴极已经冷却。图6A示意性地示出了对于根据现有技术的方法生成的一系列脉冲的单阴极组件的接合温度和区域。其上部的图示出了作为时间的函数的电流。其中间的图示出了作为时间的函数的阴极温度。其底部的图示出了作为时间的函数的阴极组件的电弧接合区域。虽然为说明的目的图6A只示出了4个脉冲，但是真实过程在大约300-500个脉冲的范围上进行。因此，例如，第一图示的脉冲可以是第一实际脉冲，第二图示的脉冲可以是第150个实际脉冲，第三图示的脉冲可以是第300个实际脉冲，且第四图示的脉冲可以是第450个实际脉冲。在第一图示的脉冲中，阴极是冷却的，且电弧接合到阴极表面的较小区域。然而，在第一图示的脉冲中，流经阴极的电流升高了阴极的温度。虽然在下一个脉冲之前阴极的温度有所下降，但是其没有下降到其原始的非操作温度。在第二图示的脉冲中，电弧接合区域未增大，但是阴极的温度进一步升高。在第二图示的脉冲之后，该温度有所下降，但是其没有达到第二脉冲之前的阴极温度。在第三图示的脉冲中，温度进一步升高并超过临界温度T₀，在该临界温度之上，阴极的整个主体都能够热电离地发射电子。在阴极温度超过T₀后，接合区域随每个下一次脉冲快速增大。如图6A所示，到第四图示的脉冲为止，电弧接合区域已经覆盖整个阴极表面。

图6B示意性地示出了对于根据本发明的实施例生成的一系列脉冲的多阴极组件的优选实施例的温度和接合区域。电流脉冲对应于如图4所示的和如上所述的脉冲。图示的脉冲以与图6中所示的相同的方式对应于实际脉冲。如上所述，在每个电流脉冲中，在启动电弧之后，该电弧接合到组件中的所有阴极。该电流然后下降，以减小接合区域至单个阴极，且然后该电流仅被升高到操作水平。因为在脉冲的基本整个持续时间内电弧接合到较小的区域，因而阴极的整个主体没有被显著加热。在关断时段中，阴极快速冷却，因为大部分的阴极组件在脉冲过程中相对较冷。如图6B所示，在第一图示的脉冲之后，在下一实际脉冲之前，阴极的温度下降到非操作温度。因此，当下一个实际的电流脉冲开始时，组件中的阴极具有原始的非操作温度。在该脉冲随后的关断时段中，阴极温度再次下降到原始的非操作水平。由于阴极温度从未超过T₀，因此对上万次脉冲而言，接合区域不会增大且大约保持相同，如图6B中的底部的图所示。

图7A是根据现有技术的方法生成的500个脉冲之后的单阴极组件的微观视图的略图。区域350是该500次脉冲过程的最后脉冲过程中的电弧接合区域。阴极支持部352被熔化，且区域350包括整个阴极。对阴极的微观检查表明，该接合区域被严重腐蚀，这是因为阴极的温度不稳定，其由不考虑控制接合区域的操作方法产生。图7B是根据本发明的方法的实施例生成的40000个脉冲之后的多阴极组件的微观视图的略图。区域360是该40000次脉冲过程的最后脉冲过程中的接合区域。如图7B所示，由于电弧从不接合到它们，阴极支持部和最接近阴极支持部的阴极的纵向部分未受影响。而且，被接合区域覆盖的阴极部分所受影响也不明显，因为电弧仅仅在t₄和t₅之间接合到那个区域，如图5F所示，且在t₅之后，该接合区域减小为一个阴极上的较小区域，从而阴极的剩余部分未受电弧影响。

已通过试验发现，对图2中所示的阴极组件而言，在最初的几千个脉冲的时间内，电弧接合到最短的阴极10。在这些脉冲中，阴极10的阳极末端被明显加热。结果，在阴极10的阳极末端处出现一定程度的熔化。阴极10失去了边缘14的精心限定的表面缺陷。一旦表面缺陷没有被很好地限定，则电弧开始接合到第二最短的阴极20，其阳极末端仍然具有精心限定的边缘24。在若干千次脉冲之后，阴极20的末端失去该精心限定的边缘24。然后，该电弧开始接合到下一个最短的阴极，即阴极30。在几千次脉冲之后，阴极30的末端也失去其精心限定的边缘34。在包括多于三个阴极的阴极组件的实施例中，电弧以长度增长的次序接合到不同的阴极。在电弧已经接合到最长的阴极之后，因为被其阳极末端吸收的热量的缘故，由于发生一定程度的熔化的原因，所有阴极的最接近阳极的末端均失去它们的精心限定的边缘。

一旦出现这种情况，电弧开始再次接合到最短的阴极。电弧在几千次脉冲的时间内接合到阴极10，直到阳极进一步失去其边缘14的限定。在这一点，电弧开始接合到第二最短阴极，即阴极20，其包括具有比边缘12限定更好的边缘22的阳极末端。在几千次脉冲后，电弧接合到下一个最短的阴极，等等。

对于如图2所示的阴极组件而言，试验已经表明，在约大约10000个脉冲的时间内，电弧接合到阴极10，之后，在下一个大约10000个脉冲的时间内，其接合到阴极20，再之后，在下一个大约10000个脉冲的时间内，其接合到阴极30。在此之后，在下一个大约10000个脉冲的时间内，电弧再次接合到阴极10，等等。已经示出，如图2所示的阴极组件已以这种方式工作60000个脉冲的过程时间，这对于大多数脉冲等离子体应用而言都是足够的

虽然当与多阴极组件一起使用时以上公开的方法提供了最佳结果，但是对单阴极组件而言使用该方法也是有益的。

已为说明和描述的目的而提供了对本发明的实施例的前述描述。其本意不是穷举性的，也不欲将本发明限制于所公开的精确形式。对本领域技术人员而言，许多更改和变化是显而易见的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择和描述了这些实施例，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明。可以设想适于特定应用的不同实施例和变型。本意是本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (11)

1.一种阴极组件，包括：

a.阴极支持部；和

b.多个纵向排列的阴极，其作为一个集束而与所述阴极支持部连接，且每个阴极与至少一个其他阴极物理接触，所述阴极彼此电连接且连接到相同电路从而具有相同的电势，

其中所述阴极中的至少一个的长度不同于至少一个其他阴极的长度。

2.如权利要求1所述的阴极组件，其中所有的所述阴极具有不同的长度。

3.如权利要求2所述的阴极组件，其中所述多个纵向排列的阴极中的每一个的直径大致相等。

4.如权利要求3所述的阴极组件，其中一对阴极之间的长度的最小差值等于阴极的直径。

5.如权利要求3所述的阴极组件，其中所述阴极的直径是0.5mm。

6.一种在包括阳极和阴极组件的装置中产生等离子体脉冲的方法，该阴极组件包括连接到多个阴极的阴极支持部，所述多个阴极作为一个集束而与所述阴极支持部连接，且每个阴极与至少一个其他阴极物理接触，所述阴极彼此电连接且连接到相同电路，从而具有相同的电势，其中所述阴极中的至少一个的长度不同于至少一个其他阴极的长度，该方法包括：

a.在所述多个阴极和所述阳极之间建立处于第一电流水平上的电弧；

b.接着，仅在所述多个阴极的第一阴极和所述阳极之间将所述电弧保持在第二电流水平上，该第二电流水平小于所述第一电流水平；

c.接着，在所述多个阴极的第一阴极和所述阳极之间将所述电弧保持在第三电流水平上，该第三电流水平大于所述第一电流水平；以及

d.接着，熄灭所述电弧。

7.如权利要求6所述的方法，还包括在建立电弧之前在所述阳极和所述多个阴极之间施加交变电压。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述第二电流水平处于维持所述多个阴极的第一阴极和所述阳极之间的电弧所需的最小电流的一倍到三倍之间。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述第二电流水平是0.33-1.0A。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述第一电流水平是4.0-6.0A。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述第三电流水平是10-80A。

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