CN102668720B - 自我平衡的离子化的气体流 - Google Patents

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Abstract

披露用于稳定的产生电气平衡且超纯净的离子化气体流的自我平衡电晕放电。通过促进使自由电子转换成负离子的电子转换，且不添加氧气或其他负电性气体至气体流中，而达到此效果。本发明可被使用于负电性和/或正电性或惰性气体流，且可包含使用闭环电晕放电控制系统。

Description

自我平衡的离子化的气体流
相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.第119(e)款要求2009年10月23日提交的、申请号为No.61/279,610的、题目为“自我平衡的离子化的气体流”(Self-BalancingIonizedGasStreams)的美国临时申请的优先权，前述临时申请的所有内容在此全部并入本申请中。
技术领域
本发明涉及使用电晕放电以产生气体离子的静电中和设备。更具体的，本发明针对生产用于电荷中和的电气自我平衡、双极性离子化的气体流。相应地，本发明的总体目标为提供新颖且具有此类特征的系统、方法、设备、与软件。
背景技术
在纯净环境中的过程和作业特别倾向于在所有电气隔离表面上创造和堆积静电电荷。这些电荷产生不良电场，电场会将大气悬浮微粒吸引至表面、在电介质中产生电应力(electricalstress)、在半导体材料与导体材料中诱导电流、以及在生产环境中引发电气放电和电磁波干扰(EMI)。
要解决这些静电危害，最有效率的方法是将离子化的气体流供应至带电荷的表面。此类型的气体离子化可有效的补偿或中和不良电荷，从而减少关于不良电荷的污染物、电场以及电磁波干扰效应。产生气体离子化的一种常规方法被称为电晕放电(coronadischarge)。因为基于电晕的离子发生器(例如，见已公开的专利申请说明书US20070006478与JP2007048682)，在小空间内其能量与离子化可为高效率而被需要。然而，此种电晕放电设备的一个已知缺点为，在其中使用的高电压离子化电极/发射器(以尖端或细线的形式)，将与需要的气体离子一同产生不良污染物。电晕放电也可在例如周围空气中激发微小液滴型式的水气的形成。
常规电晕放电设备的另一个已知的缺点为，在其中使用的高电压离子化电极/发射器有产生不相等数量的气体正离子与气体负离子的倾向，而非如同大部分应用所需要的，产生浓度大致相等的正离子与负离子。因为高纯度的正电性与惰性气体具有高离子化能量与低负电性，在需要离子化正电性气体(诸如氮气与氩气)的应用中此问题特别严重。举例来说，负电性02的离子化能量为12.2电伏，与N2的15.6电伏和氩气的15.8电伏相比。因此，这些气体有产生大量自由电子，而非负离子的倾向。在此重申，虽然这些气体会产生三种电荷载子(电子、正离子以及负离子)，但其主要是产生正极性离子与电子。因此，负离子发射相对稀有，且正离子与负离子的产生完全不相等(不平衡)。
此外，离子不平衡也可产生来自事实：离子产生速率与平衡依赖于一些其他因素，其他因素为诸如离子化电极的状态、气体温度和气体流组成等等。举例来说，以下事实在本发明领域中显而易知：电晕放电逐渐地侵蚀正离子电极与负离子电极两者，且从这些电极中产生污染物粒子。然而，正电极通常以比负电极快速的速率被侵蚀，且这种现象加剧离子不平衡与离子电流不稳定性。
传统实践中用于平衡离子流的已知作法，是使用浮接(与地电气隔离)的高电压直流电源。该电源的高电压输出被连接至正电极与负电极(如美国专利7,042,694中所示与描述)。然而，此方法需要使用具有被高电压在其之间隔离的至少两个离子电极。
用于平衡离子流的一种可选的常规方法，是使用两个(正与负)隔离的直流/脉冲直流电压，且调整应用至一个或两个离子电极的电压输出和/或电压持续期间(如已公开的美国专利申请2007/0279829与2009/0219663中所示与描述)。此种解决办法具有其本身的缺点。第一个缺点为复杂度，其原因是需要控制每个高电压电源。第二个缺点是从两个分离的来源，在气体流中达到正离子与负离子的优良混合的困难度。
在以上提到的关于在传统离子发生器中发射器侵蚀与粒子产生的问题，对于高纯度氮气、氩气、与惰性气体的电晕离子化特别地有挑战性。在这些气体中，正极电晕放电在正常的大气状态下产生具有低迁移率(低能量)的正离子丛集。然而，由于在电子与中性分子间的非弹性碰撞，负极电晕放电产生高能量电子，非弹性碰撞的原因是发射器的场致发射(fieldemission)，与在电极顶部周围的电浆区域内的光离子化(photo-ionization)。这些在正电性气体与惰性气体中的自由电子具有对中性气体原子或分子的低附着机率。此外，自由电子的电气迁移率是由气体生成的负离子的一百倍以上。这些事实所导致的结果包括：
-高能量电子与电极表面的冲撞加速侵蚀，其相应地产生污染离子化气体流的粒子；
-高迁移率电子在离子化的气体流中产生显著的不平衡；
-自由电子有能力产生第二电子发射，引发电晕电流不稳定性和(或)导致崩溃。
对于上述问题的先前技术解决办法被利用于MKS/离子系统，氮气沿线离子化模型4210(u/un)中。图1示出此设备的简化结构。如在此所示，此装置的离子化单元(IC)具有远远地分开放置的正发射器(PE)与负发射器(NE)，并具有在两者间流动的气体3。每个发射器通过限流(current-limiting)电阻(CLR1与CLR2)连接至高电压直流电源(DC-PS)的浮接输出。在此设计中，如与此一般类型中的其他设计，正发射器侵蚀是污染粒子与离子不平衡的来源。同样地，任何将通过两电极间的气体流离子化的系统的效率被限制。
美国专利6,636,411披露对同样问题的另一种解决方法，其建议引入一种特定百分比的电子附加(electron-attaching)气体(诸如氧气)至电浆区域中，以将自由电子转换(附加)入负离子中，并稳定电晕放电。然而，氧气(或一些其他的负电性气体)的引入排除了此解决方法在纯净与超纯净环境和(或)任何需要非氧化性气体流的环境中的使用。
发明内容
本发明对于电平衡的离子化的气体流的稳定产生，提供自我平衡的电晕放电，以克服已知技术的上述与其他缺点。本发明通过促进使自由电子转换成负离子的电子转换，且不添加(掺杂)氧气或其他负电性气体至该离子化的气体流中，而达成此结果。本发明可被使用于负电性气体流、正电性气体流、及惰性气体流的任一个、多个、或这些气体流的任意组合，且可包含使用闭环控制系统。
与本发明以及在此所披露的一致，在电晕放电区域(也就是说，在离子化电极与非离子化参照电极之间的离子化单元的区域)内具有两个不同种类的区域：
(a)小型(直径约1毫米)且一般为球形的白热电浆区域，其以离子发射器尖端为中心或近于离子发射器尖端，在白色电浆区域中离子化电场提供充足的能量以产生新电子与光子，从而维持电晕放电；以及
(b)离子漂移区域，其为在白热电浆区域与非离子化参照电极之间的黑暗区间(darkspace)。
根据本发明，具有正部分与负部分的周期T的交替的离子化信号，被应用至离子化电极，以在限定下游方向的非离子化的气体流中产生电荷载子，从而形成离子化的气体流。电荷载子包括电子云、正离子云与负离子云。有利地，诱导在离子化信号的负部分中的Tnc部分期间产生的电子云中的电子在离子漂移区域中振荡。此电子云振荡提高了在振荡电子与在气体流(例如高纯度氮气)中的中性分子之间的弹性碰撞/附加的机率。因为当此种弹性碰撞/附加发生时自由电子与中性分子转换成负离子，所以本发明的使用提高了离子化的气体流中负离子的数量。
选择性地，在至少一个参照电极与离子漂移区域之间提供介电质屏障(dielectricbarrier)(也就是说，电气隔离)，更进一步促进将多数电子转换成低迁移率负离子。此种效应提供稳定的电晕放电，帮助平衡正离子与负离子的数量，并增进从流过离子发生器的气体流采收的正离子与负离子。
本发明的特定的选择性具体实施例使用双重解决办法以在离子化的气体流中平衡离子流：(1)将离子化电晕电极电容性地耦合至各射频频率(RF)高电压电源(HVPS)，以及(2)将参照电极与离子化的气体流电气隔离(例如，以介电材料使参照电极与气体流绝缘)。
本发明的特定的选择性具体实施例也展望使用(有能力以在正电性气体与负电性气体中工作的)控制系统，其中将增加的电压脉冲重复地应用至离子化电极，直至电晕放电发生，从而确定电极的电晕阈值电压。接着控制系统可减少作业电压至一般等于电晕阈值电压的静态水平，以最小化电晕电流、发射器融合、与粒子产生。以这种方式，本发明的特定的具体实施例可保护离子化电极，以避免在正电性气体与惰性气体中的RF电晕电流所造成的伤害(诸如侵蚀)。因此，使用此种控制系统的本发明的具体实施例，不仅可更好地平衡离子化的气体流，而且可自动地、优化地平衡离子化的气体流(也就是说，此种具体实施例可为自我平衡)。
理所当然地，前述的本发明所披露的方法很好地特定适应于前述本发明所描述的设备。类似地，本发明的设备很好地适合执行前述有进步性的方法。
通过以下优选的具体实施例的详尽描述、权利要求与相关附图，诸多本发明的其他优点与特点对于在本发明相关领域中普通技术人员将是显然的。
附图说明
本发明的优选具体实施例将于以下参照附图进行描述，其中相同的数字代表相同的步骤和/或结构，其中：
图1是在先技术的氮气沿线离子化设备；
图2是根据本发明的一个优选具体实施例的离子化单元的简要代表图；
图3a示出应用至根据图2的优选具体实施例而作业的离子化电极的电压波形；
图3b示出根据图2与图3a的优选具体实施例而作业的离子化电极放电的电晕电流波形；
图3c示出根据图2、图3a、与图3b的优选具体实施例而作业的发射器产生的正电荷载子与负电荷载子；
图4是根据本发明的自我平衡具体实施例、使用模拟控制系统的具有RFHVPS的气体离子化设备的简要代表图；
图5a是根据本发明，比较应用至离子发射器的代表性高电压信号，与在空气中的代表性电晕诱导位移电流的示波器缩略图；
图5b是比较应用至离子发射器的代表性高电压信号，与在氮气中的代表性电晕诱导位移电流的示波器缩略图；
图5c为图5b的电晕诱导电流信号的示波器缩略图，其中水平(时间)轴被扩大以更详细地示出被应用的电压信号；
图6a是根据本发明的自我平衡优选具体实施例、具有HVPS与以微处理器为基础的控制系统的气体离子化设备的简要代表图；
图6b是根据本发明的自我平衡优选具体实施例、具有HVPS与以微处理器为基础的控制系统的另一个气体离子化设备简要代表图；
图7a是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“开启”模式作业的流程图；
图7b是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“启动”模式作业的流程图；
图7c是根据本发明的一些优选具体实施例、示出气体离子化设备的控制系统的代表性“正常作业”模式作业的流程图；
图7d是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“待机”模式作业的流程图；
图7e是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“学习”模式作业的流程图；
图8是在学习作业模式(左侧)与正常作业模式(右侧)期间，在使用氮气流的有进步性的离子发生器内，比较代表性电晕位移电流信号与代表性高电压波形的示波器缩略图；
图9为在基频为45kHz、占空比为约49％、与脉冲重复速率为99Hz下，比较代表性电晕位移电流信号S4(见屏幕上较高的波形)与射频高电压波形S4’的示波器缩略图。
具体实施方式
图2是示出用于在宽范围的气体流动速率中、至少大体上浓度是电气平衡的电荷载子，产生离子化的气体流10/11(例如使用负电性/正电性/惰性气体)的优选方法与设备的简要代表图。此目标通过离子化单元100’可达到，离子化单元100’包含绝缘参照电极6以及电容性地耦合(capacitively-coupled)至高电压电源(HVPS)9的离子化电极5，高电压电源(HVPS)9优选在射频频率范围内作业。
如图2所示，优选具有进步性的离子发生器100包含至少一个设置在穿越通道2内的发射器(离子化电晕电极)5，穿越通道2接纳限定下游方向的气体流3。电极5可由导体材料诸如钨、基于金属的合金、复合材料(陶瓷/金属)，或半导体材料(诸如硅)制成，及/或可由任何材料制成及/或具有任何并入此的应用中描述的结构。电极5可以冲压、从线切割加工成型、或根据其他已知的本发明相关领域中的技术来制成。
电极5的离子发射末端可具有锥形尖端5’，锥形尖端5’具有约70～80微米的小半径。电极另一末端可固定在插座8中且可连接至高电压电容C1，高电压电容C1可连接至通篇描述的类型的高电压交流电源9的输出。在此优选具体实施例中，电源9优选地为可变幅值的交流电压发生器，交流电压的量值可自约1千伏特(kV)至约20kV(优选为10kV)，且交流电压的频率可在约50赫(Hz)至约200千赫(kHz)(最优选为38kHz)之间。
不导电外壳可被放置在电极周围，不导电外壳具有靠近电极尖端的孔口，以及用于移除电晕副产品的疏散孔(见示出在图4中的外壳4)。此可选的外壳可以冲压、加工成型、或根据其他已知的本发明相关领域中的技术制成。此配置的详情已于在以上参照并并入的专利申请中披露。
穿越通道2可由介电材料制成，且可以冲压、加工成型、或根据其他已知于本发明相关领域中的技术以制成。高压气体的来源(未示出)可连接至穿越通道的吸入口2以建立纯净气体流3，诸如包含氮气的正电性气体。优选的参照电极6为导电环的形式。参照电极6优选的以相对为厚(1～3毫米)的介电壁从通道2的内侧空间绝缘，且电气耦合至控制系统36。
电极5与参照电极6形成可发生电晕放电的离子化单元100’的主要组件。当电源9的电压输出超过电晕起始电压Vco时气体离子化开始。电晕熄灭(抑制)通常在低电压时发生。此效应已知为电晕迟滞(coronahysteresis)，且在正电性气体在高频率时更为显著。
如本发明相关领域已知，对于正极性与负极性放电，电晕起始电压的值与伏特-安培特征是不同的。此为电晕放电在气体中产生不相等数量的正电荷载子与负电荷载子的原因之一。因此，离开电晕发射器的离子流在常规系统中是不平衡的。然而，依照在此所描述的优选具体实施例，可校正此不平衡。如所示的，电极5可通过电容器C1通信式地耦合(communicativelycoupled)至电源9以达到两目标：首先，限制从电极5流出的离子电流，以及其次，使离开电极5的正电荷载子与负电荷载子10/11/11’的数量均等。因为根据电荷守恒定律，不相等的正电流与负电流在用以平衡来自电极5的正电流与负电流的电容器C1上堆积电荷并产生电压，所以将电源9电容性地耦合至发射器5使来自发射器的电荷载子10/11/11’平衡。电容器C1的优选电容值取决于电容性地耦合至电容器C1的HVPS9的作业频率。对于优选的HVPS(具有约38kHz的作业频率)，C1的优化值优选地为在约20微微法拉(picoFarads)至约30微微法拉的范围内。虽然相对于相关技术，以此方法平衡来自电极的正离子与电子为值得关注的进展，在图2中示出的优选具体实施例更进一步地展望在漂移区域(在离子化电极与下游参照电极之间)中，促进将电子云的自由电子转换成负离子的改进，如以下立即讨论。
根据奥姆定律，由电荷载子位移所产生的电流密度J[A/m2]为：
J＝qxNxExμ
其中q为离子或电子电荷；N为电荷载子浓度，μ为电荷载子的电迁移率，以及E为漂移区中电场强度。
本发明领域中已知，气体正离子的平均迁移率(meanmobility)为(+)μ＝1.36x10-4m2V-1s-1，负离子的平均迁移率为(-)μ＝1.53x10-4m2V-1s-1，而电子的平均迁移率为(-)μ＝200x10-4m2V-1s-1(或为更高，取决于气体的类型、压力、温度等等)。因此，移动进入离子化单元10的漂移区的相等浓度的(+)N离子与(-)N电子，可产生非常不同的电流幅值(+)J与(-)J以及非常不平衡的气体流。
为了解决在漂移区中的不平衡问题，本发明促进将电子转换成低迁移率的负离子。转换速率受电子产生持续期间、离子化单元尺寸、应用至电极5的电压的频率及幅值、以及离子化单元10的材料特性影响。HVPS的作业频率(F)范围从约50Hz至约200kHz，优选的射频频率范围从约10kHz至约100kHz。高电压振幅应接近于负电晕临限值(-)Vco，以下详细讨论这些因子。
图3a示出在图2中示出的具体实施例中使用的一个优选波形，此波形可由高电压电源供应9产生。在多数优选的约38kHz频率下，负电荷载子仅在电压周期的负部分中的一段非常短的时间Tnc期间中产生。因此，典型的Tnc等于电压周期的十分之一或更少。同时，电子云需要时间Te以从电极5移动至参照电极6：
Te＝L/U＝L/(Edx(-)μ)
其中：U为电子速度；μ为电子迁移率；Ed为漂移区中的平均电场强度；以及L为漂移区的等效长度。
如果电子云行动时间Te等于或小于由负电晕的电子产生的持续期间(时间期间)(Te≤Tnc)，那么多数在此周期间发射出的电子将不会有足够的时间逃出离子漂移区。如以下所讨论的，在随后的/另一边的来自HVPS9的波形的半周期期间，这些电子将朝着发射器被拉回。
将更进一步被理解的是，发射器的电场与漂移区中的电子空间电荷导致一些电子11’沉积在漂移区中通道2的内侧壁上，如图2所示。这些负电荷11’产生额外的斥力并减低电子移动至参照电极的速度。此效应更进一步减少自由电子逃出离子漂移区域的能力。
此优选具体实施例降低自由电子速度的另一方式为，以具有长时间常数的介电材料作为穿越通道2的壁。该时间常数τ优选为≥100秒(或电荷弛豫时间τ＝Rxε，其中R为电阻值，以及ε为通道材料的介电常数)。适合的材料包含聚碳酸酯与铁氟龙，因为它们具有等于或大于100秒的时间常数。由QuadrantEPPUSA，Inc.(地址在2120FairmontAve.，P.O.Box1235Reading，PA19612)所制造的PC聚碳酸酯，以及由W.L.Gore&AssociatesInc.(地址在201AirportRoadP.O.Box1488，Elkton，MD21922)所制造的(PTEF)铁氟龙800类型，被认为目前最有利的壁材料。
在周期的正部分期间，正电压产生对于电子云的吸力。此为为何如果达成以下两个优选条件：Te＜0.1-0.2/F与τ≥100s时，在漂移区域内每个高电压周期将产生电子云的振荡。
振荡的电子云导致在漂移区域内电子与中性气体分子间较高的弹性碰撞/附加机率，以及较高的大部分的自由电子转换成负气体离子11的机率。负氮气离子具有接近于在空中传播的负离子的平均迁移率(-)μ＝1.5x10-4m2V-1s-1的迁移率。此为值得关注的低于已知至少为100倍大的在氮气流中自由电子的迁移率。
此从电子至负离子的转换，由于消除了电子流(streamer)并降低了崩溃的机率，改进了电晕放电稳定性，并导致在离子化的气体流中的正离子与负离子10/11的浓度大体上相等。
低迁移率的正离子与负离子11可容易地由气体流采收(收集与移动)。在60升/每分钟的气体流在离子漂移区域中产生约67米/秒(m/s)的线性速度位移。负离子与正离子在约2.3x105伏特/米(V/m)的电场中具有约35m/s的线性速度(相比在相同电场中约4,600m/s的平均电子速度)。所以在高频/RF电场内，电子11’主要地响应于电场而移动，而正离子与负离子10/11主要地由漂移区间内的扩散与气体流速度而移动。
为了保护离子发射器避免高频电晕放电所造成的伤害，本发明的可选的优选具体实施例的特点为限制来自电极5的电流作准备。此由连续地使用参照电极(作为监视的装置)以将监视信号(响应于在离子化的气体流中的电荷载子)反馈至控制系统以调整RF电源9，以至应用至电极5的电压保持在(或接近于)电晕阈值电压。
依照在图4示出的优选具体实施例，HVPS9’包含建立在高电压变压器TR四周的可调自振荡发生器。特别是，图4示出优选的具体实施例，其中参照电极6通过电容器C2电容性地耦合至模拟控制系统36’。如所图示，环形电极6以通过绝缘介电通道2与离子化的气体流3隔离；因此，传导电流与离子化的气体被阻隔。
由L1/C2构成的具有约1兆赫(MHz)的截止频率的高通滤波器，被用以将来自参照电极6的电晕信号反馈。此经滤波电晕信号可由二极管D1整流，并以由R2/C6构成的低通滤波器滤波，传递至由T3/R1构成的电压比较器(其中R1代表预定比较器电压水平)，且其后传递至n-通道功率MOSFET晶体管T2的闸极。相应地，晶体管T2供应足够的电流，以驱动功率振荡器/高电压变压电路9’。其他信号处理可包含高增益放大、减少噪声分量的集成、以及与参照电晕信号水平的比较。以上所纪录的信号处理极大地减少电晕信号中固有的噪声，且连同于特定优选的具体实施例此可特别重要，因为优选的高电压电源9’在射频频率范围内作业。
在使用上，当离子化开始时，因为反馈馈信号仅刚开始，电晕放电与电晕信号(由参照电极6提出且反映位移电流)是高的。电晕信号保持为高的(典型地为数毫秒)直到反馈电路开始调整此状态。控制电路快速地将应用至离子发生器的高电压，减少至由预定参照电压所确定的较低的水平，且优选地，将电晕放电在此水平保持恒定。通过监视(被通信式地耦合的参照电极的)电晕反馈并调变高电压驱动器，控制系统36’与HVPS9’具有将作业电压保持在(或接近于)电晕阈值电压，并将发射器伤害最小化的能力。
在本领域的技术人员将会注意到，图4的电容器C2由位移电流充电，位移电流具有两个主要分量：(1)来自发射器的高电压电场的具有基础频率F(优选为约38kHz)的诱导信号，以及(2)由电晕放电本身产生的信号。图5a(S1’与S1)与图5b(S2’与S2)示出说明这些分量的代表性示波器缩略图。在此图中的纪录波形代表在相同时间框架内的两个讯号。如所示的，在空气中的参照电极上产生的电晕信号S1(见图5a)不同于在氮气中的参照电极上产生的电晕信号S2(见图5b与图5c)。在大部分情况下，在空气中的电晕放电产生振荡放电的两个起始瞬变突波(transientspikes)(见图5a中的信号S1)。此可能和氧气(一种显著的空气组成)与氮气的离子化能量不同有关。
图5b与图5c展示在纯净氮气内的负电晕诱导电流S2，在此，振荡电晕放电信号S2具有一个最大值(在应用至电极的离子化电压S2’的最大值)。在氮气与空气两者中，负电晕位移电流均比正电流高出许多。在高频率(诸如40～50kHz)时，在电场影响下正离子的移动范围被限制。特别地，在高电压周期的正部分期间，正离子10将仅能从电浆区域12移动一毫米的一小部分。从而，正离子云的位移由相对地慢的过程控制-气体流的扩散与位移。因此正离子10的位移对参照电极6的影响将仅为可忽略的数量。
现参阅图6a与图6b，其中依照两个自我平衡的本发明的优选具体实施例，展示两个可选的气体离子化设备的简要代表图，每一个具有通信式地耦合至以微处理器为基础的控制系统36”与36”’的HVPS9”。
在图6a与图6b的具体实施例的两者中，微处理器(控制器)190的主要工作是提供对驱动离子化电极5的高电压电源9”的闭环伺服控制。优选的微处理器为型号ATMEGA8μP，由Atmel，OrchardPkwy，SanJose，CA95131所制造。在此使用的优选的变压器为变压器型号CH-990702，由晶勇实业股份有限公司，现地址为330桃园县桃园市永安路964巷22弄10号所制造(www.chirkindustry.com)。如图6a与图6b所示，从参照电极6的电晕位移电流监视信号可由滤波器180滤波并缓冲，并供应至微处理器190的模拟输入。微处理器190可比较电晕信号与预定参照水平(见TP2)，且随后产生一连串的PWM(脉波宽度调变)脉冲输出电压。一连串的脉冲输出电压随后被滤波电路200滤波且处理，以发展用于可调自振荡高电压电源9”(类似图4所示的替代性HVPS设计9’)的驱动电压。
为了最小化与电晕放电相关的伤害，与来自离子化电极5的粒子产生，微处理器190可对高电压电源的变压器TR提供具有不同占空比(dutyfactor)(在约1～100％的范围内，且优选地约为5～100％)的脉冲(见TP1)。脉冲重复频率可设为约0.1～200Hz的范围内，且优选地约为30～100Hz。尽管微处理器190也可响应于压力传感器33’(见图6a)，在其他具体实施例中微处理器190可选地响应于真空传感器33”(见图6b)。
在高气体流动速率(例如90～150升/每分钟)时，正离子与负离子可能发生重组的时间期间很短，且来自离子发生器的离子电流很大。在此情况下，应用至发射器的高电压的占空比可较低些(例如50％或更少)。图9展示供应至发射器5的高电压波形S4’的示范例(优选的基频约为38kHz、优选的占空比约为49％、且优选的脉冲重复速率约为99Hz)。将可认识到占空比越低，电子/离子可能轰击(bombard)发射器5的时间越短，便将会发生较少的发射器侵蚀(从而延伸发射器寿命)。
占空比可由使用连接至微处理器的模拟输入的微调电阻(trimpot)TP1(占空比)来手动调整，或可由基于适当的气体传感器33’(例如TSISeries4000HighPerformanceLinearOEMMassFlowmeter，由TSIIncorporated，地址在500CardiganRoad，Shoreview，MN55126所制造)测量到的气体压力或气体流的测量结果来自动调整(见图6a)。
微处理器190基于反馈信号自动地建立驱动电压。如果需要，可使用微调电阻TP2将自动地被确定的驱动电压调整高些或低些。
具有此设置，以微处理器为基础的控制系统可用以响应于来自传感器33’的信号而采取各种动作。例如，如果气体流水平在预定阈值水平之下，则控制系统可将高电压电源9”关闭。同时微处理器190可触发警示信号“低气体流”(警示/LED显示系统202)。
在图6b的具体实施例中，当抽射器(eductor)26”被用于在离子化壳体中以提供吸力时，如在并入的专利申请中所描述的，且如图6b所示，来自于信道2内的气体流3的真空压力可被用以探测流动速率。在此情况下，监视疏散孔内真空水平的真空传感器33”也将关于气体流的信息提供至微处理器190。微处理器190有能力以自动地调整至高电压电源9”的驱动电压，以在不同的流动速率下将离子电流保持在规格(specifications)中。在此本发明的优选具体实施例中使用的抽射器可为由AnverCorporationlocated，地址在36ParmenterRoad，Hudson，MA01749USA所制造并销售的ANVERJV-09SeriesMiniVacuumGenerator；及由FoxValveDevelopmentCorp.地址在HamiltonBusinessPark，Dover，NewJersey07801USA所制造并销售的FoxMini-Eductor；或其他已见于此技术领域的等同装置。
在典型的工业应用中，离子发生器经常在高电压“开启-关闭”模式中作业。在长时间的“关闭-周期”(一般为一个小时以上)之后，离子发生器在每个“开启-周期”中开始电晕放电。在正电性气体(如氮气)中的电晕启动程序，相对于已被“调节(conditioned)”的离子发生器，通常需要较高的初始起始电压(initialonsetvoltage)及电流。为了克服此问题，该有进步性的离子发生器可由以微处理器为基础的控制系统来操作于下列各别的模式中：“待机(standby)”、“开启(poweron)”、“启动(startup)”“学习(learning)”与“作业(operating)”模式。
图7a、图7b、图7c、图7d与图7e示出本发明的一些优选离子发生器具体实施例的功能性流程图。特别地，这些图示出微处理器用以进行以下作业的程序：(1)起始电晕放电(图7a-开启模式)；(2)调节用于电晕放电的离子化电极(图7b-启动模式)，学习且精细调节保持电晕放电所需的离子化信号(图7e-学习模式)；以及(3)随后，调节离子化信号以保持所需的电晕放电水平(图7c-正常作业模式)。在各种在此描述的状态下，微处理器也可进入待机模式(图7d)。在开启之后，过程控制转移至待机或启动例行程序的其中之一。未能成功地启动将使控制返回到开启例行程序。在高电压警示状态被设定，即如由可视化显示器所指示(诸如红光LED持续发光)之前，回路可不断重复(例如多达30次)。如果离子发生器成功地启动，如同(例如)由可被接受的电晕反馈信号所确定的，控制转移至学习与正常作业例行程序。
现在注意到图7a，当程序传至方块212时开启模式210开始发生，在方块212处微处理器将输出设定为正常、已知的状态。随后程序传至决策方块214，在决策方块214处确定由适当的模拟输入所指示的气体流压力是否充足以继续。如果不是这样，则程序传至方块216，在方块216处使黄光与蓝光LED指示器发光，且程序传回至决策方块214。当压力够充足以继续进行时，程序210传至代表图7b的启动例行程序的方块230。
启动例行程序230开始于方块232处且使闪烁蓝光LED发光，且传至方块234，在方块234处高电压被应用至离子发生器，直至充足的电晕反馈信号存在于预设电压水平。如果为如此，则程序传至方块242，在方块242处程序回到图7a的开启例行程序210。否则，程序230传至决策方块236，在决策方块236处如果启动模式230结束则将回到开启模式210。否则程序在方块238确定是否发生少于29次的重试。如果为如此，则程序传过方块240且回到方块234。若非如此，则程序230传至如图7d示出的待机模式280。
当存在充足的离子发生器反馈信号，或当启动模式结束时，程序230传至方块242且重新进入开启例行程序210的方块220。例行程序210随后通过监视突然的电晕反馈信号提升，确定离子化是否已开始。如果不是如此，则程序传至决策方块224，在决策方块224处一定数量的重试被测试，如果已发生多于30次的重试，则程序朝向待机模式280。否则，程序传过方块226，且启动例行程序再一次地被呼叫，在方块226处程序(通过典型被选定为2-10秒间的值)被延迟。在从启动例行程序230返回时，如果离子化调节已发生，则程序传过决策方块220至图7e的学习模式300。如果探测到电晕反馈，则微处理器将继续进行至学习模式300(见图7e)。在此离子化信号将从零点被提升302至再一次探测到电晕反馈304的点。接着，当监视反馈水平时，离子化信号被略微减少306至所需的静态电压水平，且程序传至正常作业模式250(如图7c与图8所示)。
正常作业250开始于决策方块252，在决策方块252处确定是否存在待机命令。如果存在，则程序传至待机模式280并继续进行如有关在图7d中的描述。否则，程序250传至决策方块256，在决策方块256处测试高电压警示状态。如果硬件甚至通过100％电压输出和占空比驱动，均无法建立并保持电晕反馈信号在所需的水平，则设定高电压警示状态，且程序250传至方块258，在方块258处警示LED发光且关闭高电压电源。随后程序250传回决策方块252并继续进行。如果还未达到警示状态则程序传至方块260，在方块260处如果高电压驱动超过其最大值的95％，则设定低离子输出警示状态。如果已达到低离子输出警示状态，则正常作业传至方块262，且黄光LED发光。随后程序传回决策方块252并继续进行，如在此所描述的。如果未达到低离子警示状态，则程序传至方块264，在方块264处如果真空传感器电压在极限之上，则设定气体流警示限制状态(flowalarmlimitcondition)，指示气体流不足。如果达到警示状态，则程序250传至方块266，在方块266处黄光与蓝光LED发光，且关闭高电压电源。程序再次传至决策方块252，并如在此所描述继续进行。如果未达到气体流警示状态，则程序250传至方块268，且应用至离子化电极的高电压如闭环伺服控制所需被调整。接着，程序传至方块270，在方块270处所有蓝光、黄光、与红光LED被关闭。随后程序250传回至决策方块252并如在此所描述继续进行。当在方块252接收到并探测到待机指令，则程序传至待机模式280并继续进行如关于图7d所描述的。
当程序传至方块282时待机模式280开始，且蓝光LED发光。如果为第一次通过方块284，或从上一次通过方块284的周期已经过一分钟，则程序传至方块230，在方块230处启动模式例行程序如关于图7b所描述的继续进行。在从启动模式230返回时，待机程序280传至方块288，在方块288处开始(典型被选定为2-10秒间的值的)延迟，且程序移至方块290，在方块290处设定启动模式终止旗标。最后，待机程序280传至方块292，在方块292处例行程序返回至呼叫此例行程序的位置(在图7a、图7b、与图7c之一中)。类似地，在方块284处如果经过的时间少于一分钟，则待机程序280传至方块292，在方块292处例行程序返回至呼叫此例行程序的位置(在图7a、图7b、与图7c之一中)。
如果离子发生器通过外部输入或由于警示状态被安置于待机状态，则离子发生器将优选地保持在该状态，直至警示解除或外部输入改变状态。待机模式可由不同的视觉显示器(诸如持续发光的蓝光LED)指示。
图8是示波器屏幕缩略图，其示出在学习模式300开始处，以微处理器为基础的控制系统36”/36”’控制电源9”，而大体上实时地(2.5kV/ms)从零点提升应用至离子化电极的离子化电压S3’，至低于电晕起始电压Vco的电压振幅Vs。此电压水平可在从约1kV至约3.5kV的范围内。在此时间期间内电晕位移电流S3接近于零。在此之后，以微处理器为基础的控制系统将优选地控制电源9”，以将电压斜坡速率降低至约5kV/ms，并逐渐地提升离子化电压S3’至高于电晕阈值电压Vco。在电晕信号到达默认水平时，以微处理器为基础的控制系统36”/36”’将控制功率放大器，以将离子电压S3’在预设时间期间内(优选地为约3秒)保持恒定。此学习程序在控制系统36”/36”’可计算且纪录平均电晕起始电压值的时间期间内可被重复数次(可多达30次)。如果系统未能完成此学习程序，则可触发高电压警示并关闭高电压电源19”。
如果学习模式成功执行，则微处理器可开始正常作业例行程序(也示出在图8中)。在此正常模式250中，功率放大器9”将接近于电晕起始电压的离子化电压S3’应用至离子化电极5，且电晕位移电流S3的改变处于最小值。此种用于管理在流动的气体流(特别在正电性/惰性气体)中的电晕放电的方法，提供稳定的电晕电流并将发射器伤害以及粒子产生最小化。类似的学习模式与作业模式的周期将优选地，在每次优选离子发生器从待机模式切换至正常作业模式时发生。
因为已知由于侵蚀、碎屑累积、与其他关于电晕的程序，离子化电极的特性将改变(且从而需要维护或替换)，优选的具体实施例可选择性地使得以微处理器为基础的控制系统36”/36”’能够监视离子化电极5的状况。根据此可选的特征，以微处理器为基础的控制系统36”/36”’可在每个学习周期期间监视电晕起始/阈值电压Vco，且可将此值与默认最大阈值电压Vcomax比较。当Vco变得接近或等于Vcomax时，微处理器36’/36”可起始维护警示信号(见图7c)。
可选地，也可能在发射器安装时，即将起初的发射器电晕起始/阈值电压记录在微处理器内存中。通过比较起初与当前的电晕起始/阈值电压，可限定电极5对特定的离子发生器、特定的气体、及/或特定的环境的降解率。
为了完整性，图9示出示波器缩略图，其显示在执行50％占空比的正常作业模式期间离子发生器作业的几个周期。在此模式中，应用至离子化电极5的离子化电压S4’被开启与关闭。接着电晕位移电流相应地遵循。
正当本发明以相关于在目前被认为是最实际且最优选的具体实施例而描述，必须了解本发明并不限制于所披露的具体实施例，而意为包含在附加权利要求的精神与范围内的各种修改与等同的配置。例如关于上文的描述，必须理解到本发明的部件的最优尺寸关系，包含大小、材料、形状、形式、功能、与作业、组合及使用方式的变化，被视为对一个在本发明技术领域中普通技术人员是显而易见的，且附加的权利要求意为包含所有等于在图中示出、以及在说明书中说明的内容。因此，上文所述被视为对本发明原理的说明性描述并非为穷举。
在作业实施例中，或其他所指示的以外，将认识到由于用词“约”，所有参照于成分数量、反应状态等等的在说明书与申请专利范围内被使用的数字或表达，将可在所有实例中被修改。相应地，除非有相反指示，记载于说明书与附加权利要求范围内的数值性参数为近似值，且可根据本发明所需获得的特性而变化。每个数值性参数必须至少被解释为根据报告的有效位，以及应用普通的四舍五入技术的数字，并非意图为对于权利要求范围的等同原则应用的限制。
尽管记载在本发明的宽范围的数值范围与参数为近似值，记载在特定实施例的数值已被尽可能精准地报告。然而由于在各别的测试测量中的标准偏差，任何数值固有地包含必然的错误。
此外，必须理解任何在此记载的数值范围，旨在包含所有在其中包含的子范围。例如，范围“1～10”旨在包含在其间的所有子范围，且包含记载的最小值1与最大值10；换句话说，具有等于或大于1的最小值与等于或小于10的最大值。因为所披露的数值范围为连续的，其包含在最小值与最大值之间的每个值。除非有明确的其他指示，各种详述于本案的数值范围为近似值。
为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”与上等用词的变化型应该与于本发明相关，因为其在图中是定向的。然而，比须理解到可假设各种可选的改变与步骤序列，除非明确地指示相反。也须理解在附图中的图示，和在说明书中描述的特定的装置与程序，为本发明的简单的示例性具体实施例。因此，相关在此披露的具体实施例的特定的尺寸与其他物理特性，不视为限制。
各种离子化装置以及技术被描述在接下来的美国专利以及已公开专利申请中，其全部内容在此被纳入参考：核发予Suzuki的美国专利第5,847,917号，相关申请号08/539,321，申请日为1995年10月4日，公开日为1998年12月8日，名称为“气体离子化设备与方法”；Leri的美国专利第6,563,110号，相关申请号09/563,776，申请日为2000年5月2日，公开日为2003年5月13日，名称为“沿线气体离子发生器与方法”；以及Kotsuji的美国专利早期公开号US2007/0006478，相关申请号10/570,085，申请日为2004年8月24日，公开日为2007年1月11日，名称为“离子发生器”。

Claims (36)

1.一种用于将限定下游方向的非离子化的气体流转换为离子化的气体流的气体离子化设备，该气体离子化设备包含：
用于接收该非离子化的气体流和将该离子化的气体流传递至目标的装置；
用于响应于具有带正部分与负部分的周期T的离子化信号的供给而在该非离子化的气体流中产生电荷载子的装置，其中该电荷载子包含将该非离子化的气体流转换为该离子化的气体流的电子云、正离子云和负离子云，且其中该电子云是在该离子化信号的该负部分的时间Tnc期间产生；
通过介电材料与该离子化的气体流绝缘的非离子化参照电极，用于监视该离子化的气体流中的该电荷载子，该参照电极的至少一部份位于该用于产生电荷载子的装置的下游距离L处，且该时间Tnc小于或等于在该时间Tnc期间产生的该电子云往下游移动距离L的时间Te；以及
用于响应于该参照电极而控制该离子化信号的装置。
2.如权利要求1所述的气体离子化设备，其中，
该非离子化的气体流为正电性气体流；
在该时间Tnc期间产生的该电子云中的该电子具有迁移率μ；
在该时间Tnc期间在该离子化电极与该参照电极之间存在平均电场强度为Ed的电场；以及
该时间Te小于或等于L/(Edx(-μ))。
3.如权利要求2所述的气体离子化设备，其中该介电材料具有至少100秒的弛豫时间，且时间Tnc小于或等于周期T的十分之一(1/10)。
4.如权利要求1所述的气体离子化设备，其中
该非离子化的气体流包含选自由下列气体所组成的群组的气体：正电性气体、负电性气体、惰性气体、以及由正电性气体、负电性气体和惰性气体的混合物；
该用于接收非离子化的气体流的装置包含具有壁的穿越通道，该壁的至少一部分由绝缘介电材料制成；以及
该参照电极位于该壁的绝缘的部分的外侧，以至该壁使该参照电极与该离子化的气体流绝缘。
5.如权利要求1所述的气体离子化设备，其中该用于产生电荷载子的装置包含至少一个离子化电极，且该设备进一步包含：离子化电源，该离子化电源电容性地耦合至该用于控制的装置和该至少一个离子化电极，从而使该离子化的气体流中的电荷载子的浓度至少大体上平衡。
6.如权利要求5所述的气体离子化设备，其中
该用于控制的装置通信式地耦合至该参照电极和该电源，且该用于控制的装置包含具有至少为1兆赫的截止频率的高通滤波器。
7.如权利要求6所述的气体离子化设备，其中该电源将离子化信号提供至该离子化电极，且响应于该控制构件，该离子化信号的振幅在0与20千伏之间变化，而该离子化信号的频率在10千赫与100千赫之间变化。
8.如权利要求6所述的气体离子化设备，其中该电源将离子化信号提供至该离子化电极，且响应于该用于控制的装置，该离子化信号的占空比在1％与100％之间变化，而该离子化信号的重复速率在0.1赫与1000赫之间变化。
9.如权利要求6所述的气体离子化设备，其中
该设备进一步包含用于监视该离子化的气体流的流动速率的装置；
该用于控制的装置响应于该用于监视流动速率的装置；以及
该电源提供具有变化的占空比的离子化信号至该离子化电极，该变化的占空比响应于该用于控制的装置而变化。
10.如权利要求6所述的气体离子化设备，其中该离子化信号具有：
在0.05千赫与200千赫之间的频率；
在1％与100％之间的占空比；
在0.1赫与1000赫之间的脉冲重复速率以及
在1000伏与20千伏之间的电压幅值；以及
该非离子化的气体流为具有在5升/每分钟与150升/每分钟之间的流动速率的正电性气体流。
11.一种用以将离子化的气体流传递至电荷中和目标的电晕放电气体离子化设备，该气体离子化设备接收定义下游方向的非离子化的气体流，且包含：
至少一个穿越通道，其用于接收该非离子化的气体流，并将该离子化的气体流传递至该目标；
不导电外壳，布置于该穿越通道中并且具有布置在其一端的孔口；
至少一个电晕放电离子化电极，其用于响应于具有带正部分与负部分的周期T的离子化信号的供给而在该不导电外壳内产生电荷载子，其中该电荷载子包含穿过所述外壳的孔口进入该非离子化的气体流以形成该离子化的气体流的电子云、正离子云与负离子云；
电源，其用于将该离子化信号提供至该离子化电极，其中该电子与负离子由该离子化电极在该离子化信号的该负部分的时间Tnc期间产生；
至少一个非离子化参照电极，其与该离子化的气体流电绝缘并被放置在该离子化电极的下游，该参照电极响应于在该离子化的气体流内的该电荷载子而产生监视信号，其中由该离子化电极产生的该电荷载子在该离子化电极与该参照电极之间振荡；以及
控制系统，其通信式地耦合至该电源和该参照电极，以至少部分地响应于该监视信号控制提供至该离子化电极的该离子化信号，从而定义电晕放电阈值。
12.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中在时间Tnc期间产生的该电子与负离子朝下游往该参照电极移动，该时间Tnc小于或等于该电子与负离子从该离子化电极移动至该参照电极的时间Te，且该参照电极通过具有至少100秒的弛豫时间的介电材料与该离子化的气体流绝缘。
13.如权利要求11项所述的气体离子化设备，其中该电源包含高电压射频离子化电源，该高电压射频离子化电源电容性地耦合至该离子化电极，从而使传递至该目标的离子化的气体流内的电子和负离子与正离子的浓度至少大体上静电平衡。
14.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中
该非离子化的气体流包含选自由下列气体所组成的群组的气体：正电性气体、负电性气体、惰性气体、以及由正电性气体、负电性气体和惰性气体的混合物；
该控制系统通信式地耦合至该参照电极；以及
该控制系统包含具有至少为1兆赫的截止频率的高通滤波器。
15.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中该电源提供离子化信号至该离子化电极，且至少部分地响应于该监视信号，该离子化信号的振幅在0与20千伏之间变化，而该离子化信号的频率在50赫与200千赫之间变化，且至少部分地响应于该监视信号，该离子化信号的占空比在1％与100％之间变化，而该离子化信号的重复速率在0.1赫与1000赫之间变化。
16.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中该电源提供离子化信号至该离子化电极，且至少部分地响应于该监视信号，该离子化信号的占空比在1％与100％之间变化，且该离子化信号的重复速率在0.1赫与1000赫之间变化。
17.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中
实质上比该离子化信号频率更高的监视信号表示该非离子化的气体流的电晕起始电压，以及其中，响应于表示负电晕起始电压的监视信号，该控制系统控制该电源，从而维持该离子化信号的振幅至少大体上等于该负电晕起始电压。
18.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中该离子化信号具有：
在0.05千赫与200千赫之间的频率；
在1％和100％之间的占空比；
在0.1赫与1000赫之间的脉冲重复速率；以及
在1000伏与20千伏之间的电压幅值；以及
该非离子化的气体流为具有在5升/每分钟与150升/每分钟之间的流动速率的正电性气体流。
19.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中该至少一个非离子化参照电极通过介电材料与该离子化的气体流绝缘；
所述至少一个电晕放电离子化电极在电晕放电期间产生电浆区域；以及
该不导电外壳保护该电浆区域免受该非离子化的气体流破坏。
20.如权利要求11所述的气体离子化设备，其中
在该时间Tnc期间产生的该电子与负离子具有迁移率μ；
在该时间Tnc期间在该离子化电极与该参照电极之间存在平均电场强度为Ed的电场；以及
该时间Te小于或等于L/(Edx(-μ))。
21.一种用于产生往下游方向流动的自我平衡离子化的气体流的方法，包含以下步骤：
建立往该下游方向流动的非离子化的气体流，该非离子化的气体流具有压力与流动速率；
通过电晕放电离子化电极在不具有该非离子化的气体流的不导电外壳内产生电荷载子，该电荷载子包含电子云、正离子云与负离子云；
将该电荷载子引入该非离子化的气体流中，从而形成具有压力与流动速率、且往该下游方向流动的离子化的气体流；
在离子漂移区内将该电子云的电子转换为负离子，从而产生具有大体上电平衡的正离子与负离子浓度的离子化的气体流；
通过放置在所述离子化电极下游的非离子化参照电极监视该平衡的离子化的气体流；以及
至少部分地响应于该监视步骤而控制电荷载子的产生。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述产生电荷载子的步骤包括将具有带正部分与负部分的周期T的离子化信号应用至该离子化电极，从而在该离子化信号的该负部分中的时间Tnc内、在该非离子化的气体流内产生该电子云，其中该电子云往下游方向朝该参照电极移动，且其中该时间Tnc小于或等于该电子云从该离子化电极移动距离L至该参照电极的时间Te。
23.如权利要求22所述的方法，其中：
所述监视步骤进一步包括探测该气体流的负电晕起始电压；
所述应用步骤进一步包括维持该离子化信号的振幅至少大体上等于该探测到的该负电晕起始电压；以及
所述转换步骤包括诱导由该离子化电极产生的该电子云在该离子化电极与参照电极之间振荡，从而将电子转换成负离子。
24.如权利要求21所述的方法，其中
该监视该平衡的离子化的气体流的步骤进一步包含以下步骤：监视该离子化的气体流的该电荷载子；以及
该产生电荷载子的步骤包含以下步骤：在该非离子化的气体流中应用具有带正部分与负部分的周期T的射频离子化信号，该电子云在该离子化信号的该负部分中的时间Tnc期间被产生，且该时间Tnc小于或等于周期T的十分之一(1/10)。
25.如权利要求24所述的方法，其中该射频离子化信号的振幅在0与20千伏之间变化，而该离子化信号的频率在50赫与200千赫之间变化。
26.如权利要求24所述的方法，其中该射频离子化信号的占空比在0.1％与100％之间变化，而该离子化信号的重复速率在0.1赫与1000赫之间变化。
27.如权利要求21所述的方法，其中
该监视离子化的气体流的步骤进一步包含以下步骤：监视该离子化的气体流的流动速率；以及
该产生电荷载子的步骤进一步包含以下步骤：在该非离子化的气体流中应用射频离子化信号，从而通过电晕放电产生电荷载子，该离子化信号响应于该监视到的流动速率来改变占空比。
28.如权利要求21所述的方法，其中该产生电荷载子的步骤进一步包含以下步骤：在该非离子化的气体流中应用射频离子化信号，从而通过电晕放电产生电荷载子，
该离子化信号具有
在5千赫与50千赫之间的频率；
且具有在0.1赫与1000赫之间的脉冲重复速率；以及
该方法进一步包括：探测该气体流的负电晕起始电压；
维持该应用步骤中的该离子化信号的振幅大体上等于该探测到的该负电晕起始电压；以及
诱导由该离子化电极产生的该电子云在该离子化电极与参照电极之间振荡。
29.一种用于在电晕放电离子发生器内将自由电子云转换为负离子的方法，该电晕放电离子发生器的类型为具有非离子化的气体流流动穿过其中的穿越通道、至少部分布置于该非离子化的气体流内的至少一个离子化电极、在该离子化电极的下游距离L处的至少一个参照电极，该方法包含以下步骤：
将具有带正部分与负部分的周期T的离子化信号应用至该离子化电极，从而在该离子化信号的该负部分中的时间Tnc内、在该非离子化的气体流内产生该电子云，其中该电子云往下游方向朝该参照电极移动，且其中该时间Tnc小于或等于该电子云从该离子化电极移动距离L至该参照电极的时间Te。
30.如权利要求29项所述的方法，其中
该气体流包含选自下列气体所组成的群组的气体：正电性气体、负电性气体、惰性气体、以及由正电性气体、负电性气体和惰性气体的混合物；
该应用步骤包含以下步骤：应用具有在5千赫与100千赫之间的频率的射频离子化信号。
31.如权利要求29所述的方法，进一步包含以下步骤：
探测该气体流的负电晕起始电压；
维持该应用步骤中的该离子化信号的振幅大体上等于该探测到的该负电晕起始电压；以及
诱导由该离子化电极产生的该电子云在该离子化电极与参照电极之间振荡。
32.一种用于控制离子发生器内的电晕放电的方法，该离子发生器的类型为具有非离子化的气体流流动穿过其中的穿越通道、响应于离子化信号的应用以在该非离子化的气体流中产生电荷载子从而形成离子化的气体流的离子化电极以及位于所述离子化电极下游的至少一个参照电极，该方法包含以下步骤：
学习模式，包含以下步骤：
通过将具有从非离子化水平开始增加的振幅的信号应用至该离子化电极至少直到该离子化电极产生负电荷载子来探测该离子发生器的负电晕起始电压；
重复该探测步骤数次，从而探测一系列负电晕起始电压；以及
基于该一系列负电晕起始电压，计算代表性起始电压；以及
工作模式，包含以下步骤：
将离子化信号应用至该离子化电极，该离子化信号具有与该代表性起始电压成比例的振幅。
33.如权利要求32所述的控制电晕放电的方法，其中该应用离子化信号的步骤进一步包含以下步骤：维持该信号的该振幅在至少大体上等于该代表性起始电压的水平。
34.如权利要求32所述的控制电晕放电的方法，进一步包含以下步骤：比较该代表性起始电压与预定电压，从而确定该离子化电极的状态。
35.如权利要求32所述的控制电晕放电的方法，其中
在该探测步骤期间应用至该离子化电极的该信号的振幅以第一斜坡速率增加直到达到第一电压幅值，并以第二斜坡速率增加至该第一幅值之上；
该第一斜坡速率大于该第二斜坡速率；以及
该第一电压幅值低于该代表性起始电压。
36.如权利要求33所述的控制电晕放电的方法，其中该应用步骤进一步包含以下步骤：将该信号的该振幅减少至低于该代表性起始电压的静态水平。
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