CN116075361A - 联接到能量发射器控制电路的反应器系统 - Google Patents

Abstract

公开一种产生微波能量的微波能量源。所述微波能量源具有接通状态和断开状态。控制电路联接到所述微波能量源并且包括输出以产生控制信号，所述控制信号调整所述微波能量的脉冲频率。电压产生器在所述断开状态期间将非零电压施加到所述微波能量源。所述非零电压的频率和占空比是基于所述控制信号的频率和占空比。波导联接到所述微波能量源。所述波导具有接收供应气体的供应气体入口、产生等离子体的反应区、将原材料注入到所述反应区中的工艺入口，以及基于所述等离子体内的所述供应气体与所述原材料的混合物输出粉末的出口。

Description

联接到能量发射器控制电路的反应器系统

技术领域

本公开总体上涉及用于产生碳粒子的反应器，并且更明确地说，涉及联接到电路的反应器，所述电路被配置为以限定的脉冲频率或占空比将微波能量传播到反应器中以用于输出碳粒子。

背景技术

例如，诸如磁控管或速调管的微波发射装置可被配置为输出呈微波能量形式的电磁(EM)辐射。为谨慎地控制输出微波能量的输出功率电平，集成电路可联接到此类微波发射装置来控制微波能量源以具有各种频率和占空比的离散脉冲输出微波能量。此电路可设计成用于特定范围的脉冲频率、占空比、形状和输出功率电平；然而，在传统微波发射装置和反应器设计中遇到的挑战实际上限制总操作范围。鉴于相对较慢的上升或下降时间可能负面地影响可切换信号的速率，脉冲信号的所观测到的上升和下降时间可以是所观测到的示例限制。此外，电路可递送到磁控管的功率还可能会影响磁控管的输出功率电平。谨慎控制和考虑电路设计的优化以及其与各种反应器设计的集成可提供关于反应器产物输出的益处。

发明内容

本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面，其中无单一者单独地负责本文中公开的所要属性。

本公开中描述的标的物的一个创新方面可以在反应器系统中实施，所述反应器系统包括被配置为产生微波能量的微波能量源。所述微波能量源具有接通状态和断开状态。控制电路联接到微波能量源并且包括输出以产生控制信号，所述控制信号被配置为至少部分地调整微波能量的脉冲频率。电压产生器被配置为在断开状态期间将非零电压施加到微波能量源，其中非零电压的频率和占空比是基于控制信号的频率和占空比。场增强波导(FEWG)联接到微波能量源并且包括具有沿着FEWG的长度减小的横截面积的场增强区。场增强区包括被配置为接收供应气体的供应气体入口，被配置为响应于通过微波能量激发供应气体而产生等离子体的反应区，被配置为将原材料注入到反应区中的工艺入口，以及被配置为基于在等离子体内供应气体与原材料的部分的混合物而输出含碳粉末的出口。

在一些实现方式中，反应器系统可包括被配置为收集含碳粉末的收集器。场增强区可被配置为集中微波能量。反应区可被配置为响应于通过集中的微波能量激发供应气体而对等离子体进行自点火。含碳粉末的物理性质或化学性质中的一者或多者可至少部分地基于脉冲频率。在一些方面中，非零电压可具有在大约20纳秒与50纳秒之间的范围内的上升时间，并且非零电压可具有在大约20纳秒与约50纳秒之间的范围内的下降时间。

在一些实现方式中，微波能量的脉冲频率还可以至少部分地基于非零电压。控制电路还可包括被配置为调整供应气体的解离的灯丝。微波能量的功率电平可至少部分地基于非零电压。微波能量源包括磁控管、速调管或行进波管放大器(TWTA)中的任一者或多者。控制电路可包括脉冲开关，脉冲开关包括串联联接在电压供应与接地电位之间的第一双极有源开关和第二双极有源开关。在一些方面中，供应气体可包括烃类。含碳粉末可包括含碳粒子、胶态分散液或多种固体粒子中的任一者或多者。

在一些实现方式中，反应器系统可包括被配置为将气相材料和固相材料与含碳粉末分离的气体/固体分离器。FEWG可被配置为产生微波能量源的一个或多个条件测量。含碳粉末可包含多个石墨烯片。FEWG可被配置为以大体上正交角度将多个石墨烯片彼此融合。FEWG被配置为通过使供应气体选择性地流动到反应区中来调整FEWG内产生的等离子体的长度。反应区可被配置为容纳在大约1atm的压力下的混合物。在一些方面中，反应器系统可包括被配置为控制FEWG内的温度的温度控制单元。

本公开中描述的标的物的另一个创新方面可实施为一种方法，所述方法可包括：从微波能量源产生微波能量；产生控制信号，所述控制信号被配置为调整微波能量的脉冲频率来控制微波能量源；在微波能量源的断开状态期间将非零电压施加到微波能量源，所述非零电压被配置为调整控制信号的频率和占空比；响应于通过微波能量激发供应气体而产生等离子体；将原材料注入到等离子体中；基于等离子体内供应气体与原材料的部分的组合形成混合物；以及基于通过微波能量激发所述混合物而输出含碳粉末。在一些方面中，所述方法可包括以脉冲施加非零电压，脉冲式非零电压具有在大约20纳秒与50纳秒之间的上升时间。

本公开中描述的标的物的另一个创新方面可被实现为一种方法，所述方法可包括：控制烃类物质和原材料中的任一者或多者的温度和压力；通过微波能量源产生微波能量，所述微波能量源包括输出以产生控制信号；通过所传播微波能量激发烃类物质来对等离子体进行点火；基于所传播微波能量将等离子体内的烃类物质裂解成多种较小含碳物质；以及基于所述多种较小含碳物质与原材料的混合物产生含碳粉末。在一些方面中，所述方法可包括对所述较小含碳物质中的任一者或多者进行一个或多个后处理操作。

本公开中所描述的标的物的一个或多个实现方式的细节在附图和以下描述中阐明。其他特征、方面和优势将从说明书、图式和权利要求书中变得显而易见。应注意，以下图式的相对尺寸可能未按比例绘制。

附图说明

图1A描绘根据一些实现方式的其中可在递送功率范围和/或切换频率范围内切换控制电路(诸如灯丝)功率的各种域。

图1B示出根据一些实现方式的示例电路(诸如微波发射器控制电路)的简化示意图。

图2示出根据一些实现方式的操作电压与磁控管产生的磁场的对照比较的简化图。

图3示出根据一些实现方式的图1B中所示的示例微波发射器控制电路的测试结果的简化图。

图4示出根据一些实现方式的现有技术微波发射器控制电路的测试结果的简化图。

图5示出根据一些实现方式的图1B中所示的示例电路的图式。

图6示出根据一些实现方式的适于与图1B和图5中所示的示例电路一起合并和/或使用的上升时间调整网络电路的图式。

图7A是根据一些实现方式的通过电路产生脉冲式微波辐射的方法的流程图。

图7B是根据一些实现方式的交替地连接脉冲式电压输出的方法的流程图。

图8A示出根据一些实现方式的常规微波化学处理系统的竖直横截面。

图8B和图8C示出根据一些实现方式的波导(诸如场增强波导FEWG)的示例几何形状和尺寸。

图9示出根据一些实现方式的反应器(诸如联接到微波能量源的反应器)的竖直横截面。

图10示出根据其他实现方式的微波气体处理系统的简化竖直横截面。

图11A、图11B、图11C和图11D示出根据一些实现方式的具有多个场增强波导和多个微波能量源的微波化学处理系统的框图。

图12A和图12B示出根据一些实现方式的其中多个场增强波导联接到一个微波能量产生器的微波化学处理系统的简化图式。

图13示出根据一些实现方式的具有前驱气体输入的微波气体处理系统的竖直横截面。

图14示出根据一些实现方式的具有灯丝的反应器(诸如联接到微波能量源的反应器)的竖直横截面。

图15示出根据一些实现方式的包括电子源和一对电极中的任一者或多者的反应器(诸如联接到微波能量源的反应器)的竖直横截面。

图16示出根据一些实现方式的用于供应微波辐射(诸如微波能量)以激励和/或激发供应气体并基于激发的供应气体产生等离子体的示例方法的示例流程图。

图17A至图17Y描绘根据一些实现方式的在其他材料上方生长的结构化碳、各种碳纳米粒子、各种碳基聚集体和各种三维含碳集合体。

图18A是根据一些实现方式的输出含碳粉末的方法的流程图。

图18B是根据一些实现方式的以脉冲施加非零电压的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考所公开发明的实现方式，所述实现方式的一个或多个示例在附图中示出。各示例是借助于对本发明技术的解释来提供，而非作为本发明技术的限制。实际上，本领域技术人员将显而易见，可在不脱离本发明技术的范围的情况下对本发明技术进行修改和改变。例如，被示出或描述为一个实施方案的部分的特征可与另一个实施方案一起使用，以得到又一个实施方案。因此，本发明标的物意欲涵盖在所附权利要求书及其等效物的范围内的所有此类修改和变化。

本发明的系统和方法的实施方案可用于诸如通过电路控制微波能量源以提供脉冲式微波能量，以用于使用本文中公开的微波等离子体化学处理技术由原材料产生含碳粒子。在一些实现方式中，原材料可以是气体、液体或胶态分散液。在一些其他实现方式中，原材料可以是或包括含碳粒子、胶态分散液或多种固体粒子中的任一者或多者。在一些方面中，可在波导的反应区中将原材料处理成分离的组分。在一些实现方式中，波导可以是场增强波导，所述场增强波导不仅允许处理相对较大量的原材料，并且还充当反应腔室，在所述反应腔室内可响应于通过微波能量激发供应气体而产生等离子体(也称为等离子体环境)。

此与常规系统形成对比，常规系统可能不提供通过电路控制的脉冲式微波能量和/或使用与波导分离并且不同的石英腔室来集中脉冲式微波能量，以在等离子体环境内激发含碳供应气体与原材料的混合物。在常规系统中，石英腔室壁上的微粒堆积可能会妨碍微波能量穿过石英腔室壁，由此降低此类常规系统可处理原材料的效率。更具体地说，电路可联接到微波能量源，其中电路可产生可控制微波能量源的脉冲式电压输出。例如，脉冲式电压输出可使得微波能量源产生可沿着截面渐变波导传播的脉冲式微波能量，在所述波导中脉冲式微波能量的集中程度与截面渐变程度成比例。波导还充当反应腔室，其中输入的含碳供应气体(诸如甲烷，CH₄)可与诸如硅或其他金属的额外原材料组合，并在曝露于集中的脉冲式微波能量后被激发，所述微波能量还使得供应气体中的一些点火并且产生等离子体。通过集中的脉冲式微波能量在等离子体环境内激发供应气体与原材料的混合物。结果，本文中公开的反应器系统可在等离子体内处理供应气体与原材料的混合物以输出含碳粉末的效率得到增强。此外，波导自身不一定会容易在其腔室壁的向内表面上发生微粒堆积，而这只是通过本文中公开的标的物的各种方面实现的优点的一个示例。

如本文中所使用，术语“场增强波导”(FEWG)是指具有第一横截面积和第二横截面积的波导，其中第二横截面积小于第一横截面积并且比第一横截面积离微波能量源更远。横截面积的减小通过集中微波能量而使场增强，其中波导的尺寸被设定为维持正使用的特定微波频率的传播。FEWG的第二横截面积沿着形成FEWG的反应区的反应长度延伸。在FEWG的第一横截面积与第二横截面积之间存在场增强区。在一些方面中，场增强区可按连续方式(诸如线性地或非线性地)或不连贯方式(诸如经由一个或多个离散步骤)改变横截面积。在一些方面中，FEWG内的压力是0.1atm至10atm、或0.5atm至10atm、或0.9atm至10atm、或大于0.1atm、或大于0.5atm、或大于0.9atm。

本公开的微波等离子体化学处理反应器可包括供应气体流动到其中的一个或多个供应气体入口以及输入材料流动到其中的一个或多个工艺入口，或可与所述一个或多个供应气体入口和一个或多个工艺入口相关联。供应气体入口和工艺入口位于反应区中或反应区上游，并且供应气体用于在反应区中产生等离子体。供应气体流量可以是1slm(标准升/分钟)至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm。工艺材料是气体，并且流动速率是1slm(标准升/分钟)至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm。工艺材料是液体或胶态分散液，并且流动速率是供应气体流量的小于1％至大于100％。

本公开的微波等离子体化学处理反应器可具有单个微波能量产生器，所述微波能量产生器是联接到一个或多于一个FEWG的微波能量源。所公开反应器可具有联接到多于一个FEWG的多于一个微波能量产生器。微波能量是连续波或脉冲式微波能量。微波能量产生器功率是1kW至100kW。所公开反应器可具有多于一个反应区，所述反应区连接在一起并且具有一个或多于一个出口，从所述出口收集分离的组分。所公开反应器可容纳具有不同几何形状的多个FEWG，所述FEWG包括歧管布置和网络布置。本文中将更全面地描述这些几何形状。

本公开的所公开反应器具有带有壁的反应区，并且供应气体入口和工艺入口穿过壁向反应区提供供应气体(用于产生微波等离子体)和输入材料。可存在以受控质量分数穿过壁向反应区提供供应气体和输入材料的多个供应气体入口和工艺入口。以受控质量分数穿过壁向反应区提供供应气体和输入材料可减轻分离的组分在反应区壁上的沉积。

对烃类气体的微波等离子体化学处理可使用各种技术，包括以脉冲输送微波能量以控制等离子体的能量。控制等离子体能量的能力使得能够在烃类气体转化成特定的分离组分时选择一个或多个反应路径。脉冲式微波能量可用于控制等离子体的能量，因为在等离子体点火时所产生的短寿命高能物质可能会在各个新脉冲开始时重新产生。控制等离子体能量，使它具有比常规技术低的平均离子能量，但处于足够高的水平以使得目标化学反应能够在高气体流量和高压力下发生。

已开发出使用脉冲式微波能量的微波等离子体化学处理系统，所述系统控制等离子体的能量并且具有超过90％的极高裂解效率。然而，这些常规系统在等离子体内使用低于1标准升/分钟(slm)的低流动速率和较小的气体体积，结果是生产速率较低并且生产成本较高。这些常规系统无法在使用高频微波脉冲(诸如高于大约100Hz)时增大等离子体内的气体流动速率和气体体积，因为在使用较大体积和较高流量的气体时，等离子体的点火不够快，而无法跟上脉冲。

能量发射器控制电路

微波产生磁控管在各种应用中提供效用。大体来说，通过引导在从直流电激发后从灯丝发射的电子，磁控管产生调谐微波信号。使用磁性“B”场引导电子，所述磁性“B”场使所发射电子在磁控管环中的空腔上方打旋。随着电子在空腔中的开口上方打旋，可发射微波信号。可通过改变磁控管内的空腔的形状和大小以及定位和定向来在一个范围内对微波信号的频率进行调整。

因而，可对所发射微波信号进行调整(诸如功率电平调整、频率调整、信号形状调整)，以适应许多不同领域中的应用。例如，可使用被调整到水分子的共振频率的所发射微波信号来加热放到微波炉中的食物中的水。在微波炉应用中，微波信号中的能量用于加热食物或饮料，并且通过加热水消耗的功率是在几百瓦特的范围内。食物的受控加热是通过以脉冲输送微波信号的微波能量来完成。此脉冲输送通过例如(1)在第一受控的持续时间内，接通到磁控管的直流电以便对食物施加能量；接着(2)在第二受控的持续时间内，断开到磁控管的直流电以允许食物经由分子振动和旋转而吸收(诸如分配)能量来促进缓慢且均匀的加热(诸如不使食物变干或不燃烧食物)，因此将热传递到所加热食物中。

微波磁控管用于许多其他应用中，所述应用中的一些应用需要较高功率和较高的接通/断开速率。在一些情况下，这些其他应用需要极高功率和极高的接通/断开速率。当使用微波磁控管来对待退火的材料的样品施加能量时，在合理时间量(诸如几分钟或更少)内加热样品所需的磁控管功率可能比用于加热食物的功率高得多(诸如在数千瓦特的范围中)，并且接通/断开速率快得多(诸如在10KHz到25KHz的范围中)。

在一个示例中，当使用微波磁控管来在微波等离子体反应器中产生等离子体时，取决于各种因素，将工艺气体解离成离子所需的能量甚至比用于对材料退火的能量高(诸如在数万瓦特的范围中)，并且控制电子温度所需的接通/断开速率甚至更快(诸如在25KHz至100KHz的范围中)。产生工艺气体的解离成分的稳定等离子体羽对接通/断开速率和占空比极其敏感。此外，需要在大气(诸如低成本)环境中进行解离使在工艺气体反应器中产生稳定等离子体羽流变得更复杂。

不幸地，可递送数万瓦特的功率的电力供应器不会从“接通”快速地切换到“断开”(或从“断开”切换到“接通”)。此无法快速地从高功率“接通”状态切换到低或零功率“断开”限制了精细地调整或控制微波信号的能力。继而，无法控制微波信号限制了控制退火的能力和/或限制了控制工艺气体的解离的动力学的能力。需要用于控制到灯丝的高功率电流的技术，使得可实现用于控制退火工艺和/或用于控制工艺气体的解离的动力学所需的高功率和高频率切换能力。应注意，尽管电子控制电路的实施方案将被描述为与微波能量源一起使用，但是该等电子电路可与其他频率一起使用，诸如任何频率的磁控管。

图1A呈现灯丝功率在宽功率范围内接通和断开并且灯丝功率在宽切换频率范围内切换的各种状态。图的横坐标涵盖约2KHz至约30KHz的切换频率范围。图的纵坐标涵盖几瓦特至大于30千瓦的范围。此外，真空环境状态和大气环境状态分别叠加到图的左侧和右侧上。确定用于进行工艺(诸如选择真空环境或大气环境)的状态是基于特定工艺或应用。例如，真空环境对于气体解离、材料退火、材料沉积、蚀刻和各种功能化目的可能是优选的，而对于产生等离子体或等离子体自由基、或热解、或烧结、或退火，大气状态可能是优选的。

如可看出，常规低频率切换电路状态122仅扩展到约10KHz，并且仅在真空状态下。此外，如可看出，所示出的常规低功率切换电路124仅扩展到约20KHz，而高功率和高频率切换状态126涵盖约20KHz和高于20KHz的切换范围。如上文所指示，需要以某种方式控制到灯丝的高功率电流，使得可实现用于控制退火和/或用于控制工艺气体的解离的动力学的高功率和高频率切换能力。

微波信号产生设备大体上包括磁控管或速调管，或行进波导，或另一种微波能量源。电子电路控制电力(诸如直流电)到微波信号产生设备的递送。此电子电路可被配置为二个部件：(1)用于控制高电压电力的部件，以及(2)用于控制电力到灯丝的脉冲式递送的部件。

如图1B中所示，根据一些实施方案，微波发射器控制电路140包括磁控管或速调管、行进波导，或其他微波能量源141、高电压控制电路142和灯丝控制电路143，以及为简单起见而未示出的其他可能电路部件。微波发射器控制电路140是成本相对较低的低复杂性设计，所述设计允许使用相对较快的上升和下降时间来以脉冲输送输出功率电平的范围相对较宽的微波能量源141。此外，微波发射器控制电路140提供对微波能量源产生的脉冲式微波辐射的脉冲频率和脉冲占空比的精细控制。高电压控制电路142大体上包括用于产生高电压的高电压电力电子设备(高电压产生器)和用于从所产生的高电压产生脉冲式高电压输出144的脉冲开关(如下文参看图5所描述)。灯丝控制电路143大体上包括用于在145处产生灯丝电流的灯丝隔离变压器和任选的灯丝控制器(如下文参看图5所描述)。脉冲式高电压输出144被施加到微波能量源141的高电压部件，并且145处的灯丝电流被施加到微波能量源141的灯丝；由此使得微波能量源141产生或发射微波辐射(诸如约915MHz、或2.45GHz或约2.45GHz、或5.8GHz或约5.8GHz)。另外，脉冲式高电压输出144的脉冲性质将微波能量源141脉控或切换为接通和断开，或在高功率电平与低功率电平之间进行脉控或切换；由此使得微波能量源141在被脉控为接通和断开时间歇性地产生或发射微波辐射。

微波能量源141(并且因此所发射微波辐射)的接通/断开脉控是以大体上取决于微波发射器控制电路140的特定应用的操作功率电平、脉冲频率和脉冲占空比来完成。另外，微波能量源141(并且因此所发射微波辐射)的接通/断开脉控是以相对较快的上升和下降时间来完成，所述相对较快的上升和下降时间允许操作功率电平、脉冲频率和脉冲占空比的不同范围的相对较宽的多种组合，所述多种组合因此允许在多种不同应用中使用微波发射器控制电路140(诸如用于产生等离子体或等离子体自由基，或用于热解、烧结、退火等等)和/或涉及各种类型的材料。如下文参看图6所描述，可针对特定应用通过在高电压控制电路142的输出处的上升时间调整网络电路来减缓、调整或调节上升和下降时间。

大体来说，微波发射器控制电路140实现约100瓦特至250千瓦或250千瓦至约500千瓦或约500千瓦至1兆瓦的微波辐射功率电平、约5Hz至100kHz的脉冲频率，以及约5％至100％的脉冲占空比。较多特定操作参数大体上取决于正使用微波发射器控制电路140的特定应用。此类应用的非限制性列表可包括各种类型的气体或分子的热解、裂解或转化、各种类型的材料的退火、各种类型的材料的烧结、纳米金刚石的形成、碳纳米洋葱的形成，以及基于等离子体的材料合成等。特定操作参数还大体上取决于磁控管、速调管、行进波导，或微波发射器控制电路140控制的其他微波产生或其他微波能量源的类型。

图2针对典型磁控管示出操作电压与磁场的关系以及其与电子云行为的对应性的一般化特性图200。特性图200可说明图1B的微波发射器控制电路140如何能够实现上文所提及的操作参数范围。下面的线表示“哈特里曲线”201，而上面的线表示“哈尔截止曲线”202。这些特性曲线201和202对于不同磁控管具有不同的值，因此未示出用于单元的绝对值。然而，任何给定磁控管的操作模式大体上取决于磁控管的操作电压和磁场相对于特性曲线201和202的大体位置。例如，在哈特里曲线201下方，磁控管大体上在截止区203中，其中磁控管既不传导也不振荡，因此它在截止区203中不会产生微波辐射。在哈尔截止曲线202上方或左侧，磁控管大体上在传导区或模式204中，其中电流流过磁控管，但它不会振荡，因此它在此区204中不会产生微波辐射。在哈特里曲线201与哈尔截止曲线202之间，磁控管大体上在振荡区205中，其中磁控管具有电流并且在振荡，因此它在此振荡区205中产生微波辐射，所述振荡区也被称为哈特里区。在振荡区205内的不同操作位置或点处，磁控管大体上以不同功率输出和/或不同效率操作。例如，在振荡区205内但接近哈特里曲线201的操作点处，磁控管在振荡，但几乎不产生任何微波辐射。另一方面，前进到振荡区205的中间，磁控管大体上取决于总操作功率电平而产生明显电平的微波辐射。

图1B的微波发射器控制电路140以某种方式操作，使得微波能量源141的接通/断开循环或脉控导致微波能量源141分别在接通时间和断开时间期间在“接通”操作点206与“断开”操作点207之间循环。“接通”点206完全在哈特里曲线201上方并且基本上在振荡区205内，如大体上由相对于哈特里曲线201的尺寸208指示，使得微波能量源141以显著功率电平并且以相对较高效率振荡并产生微波辐射。另一方面，“断开”点207仅略微在哈特里曲线201下方并且几乎不在截止区203内，处于非零电压电平，如大体上由相对于哈特里曲线201的尺寸209所指示，使得微波能量源141不会振荡或产生微波辐射。

然而，即使微波能量源141输出功率此时断开，但由于操作电压保持为非零电压电平，因此到微波能量源141的功率在“断开”点207处未完全地断开。实际上，在断开时间期间，一些非零电平的功率或电压在“断开”点207处仍被施加到微波能量源141。也就是说，当脉冲式微波辐射断开时，方法包括在振荡区下方将微波能量源保持为非零电压电平。

在断开时间期间维持此低电平的功率或电压允许磁控管快速返回到完全接通的操作功率，诸如在极短时间段(诸如约20至约50纳秒的上升时间)内在“接通”点206处。将微波能量源141仅维持或保持为略微在振荡区205外部和下方(诸如略微在哈特里曲线201下方或略微在截止区203内)的此概念在本文中被称作“酝酿”，其中微波能量源141以刚好在“接通”条件外部的功率或电压电平“酝酿”，所述微波能量源可从所述功率或电压电平极快速转变为完全接通电平。在一些实施方案中，此技术可用于脉冲式微波辐射的脉冲整形。例如，脉冲形状可以是三角形、梯形，或三角形、梯形或方形脉冲的平滑版本。可通过微波发射器控制电路140以精细程度控制脉冲形状。例如，脉冲形状可以是基于等离子体羽流的一组所要性质，所述所要性质又基于针对特定应用(诸如针对热解、烧结、退火等)的调节。

在断开时间期间维持微波能量源的酝酿功率电平不同于将到微波能量源的功率完全断开的工艺或系统，这是因为与当微波能量源必须从较低的完全断开点开始时相比，当微波能量源可从酝酿功率电平开始时，转变到“接通”点所需的时间和功率显著较少。快速地从酝酿点转变到“接通”点的能力允许以高频率脉冲输送微波能量源。另外，此酝酿技术不同于将微波能量源保持在振荡区205内的工艺或系统。此外，当使用本文中所论述的酝酿技术时可能的较快上升时间以及当使用本文中所论述的中止技术时可能的较快下降时间帮助防止在等离子体中出现电弧或不稳定性。

图3示出微波发射器控制电路140的示例的测试结果。控制信号迹线300示出被施加到微波能量源的相对较高脉冲式控制电压的操作，并且第二迹线301示出微波能量源的所得输出电流或功率的性能。控制信号迹线300的转变处的上升和下降时间是约40纳秒。输出电流或功率迹线301的快速响应示出了上升/下降转变处的较大初始尖峰，但它们在所涉及的时间间隔时是微不足道的，并且输出电流或功率迹线301的上升/下降时间与控制信号迹线300的上升/下降时间大致相同(诸如约100纳秒或更少)。

图4示出示例现有技术微波发射器控制电路的测试结果。迹线400示出施加到磁控管的相对较高脉冲式控制电压的操作，并且第二迹线401示出磁控管的所得输出电流或功率的性能。用于控制电压迹线400的上升和下降时间是约4毫秒。

图3中提供的迹线300和301以比图4的迹线400和401精细得多的水平分辨率示出，但垂直分辨率大致相同。如果图3的迹线300和301以图4的水平分辨率呈现，则微波能量源的输出电流或功率迹线301的初始上升/下降转变尖峰将不可见。实际上，输出电流或功率迹线301将呈现为近乎完美的方波，诸如无明显的上升/下降时间、尖峰或振铃。然而，相比之下，现有技术输出电流或功率迹线401示出显著的响应滞后402和显而易见的振铃。另外，现有技术控制电压迹线400展现出明显的振铃。相比之下，用于本发明实施方案的微波能量源的控制信号迹线300几乎不具有可见的振铃，即使在图3的精细得多的水平分辨率下。

图5示出根据一些实施方案的示例示意图500，该图可以是图1B的微波发射器控制电路140的一个示例。微波发射器控制电路500如图所示包括微波能量源141、高电压控制电路142、灯丝控制电路143、电压输入501、电力供应电路502和脉冲产生器503，以及为简单起见而未在下文描述或未在此示意图中示出的其他可能电路部件。高电压控制电路142大体上包括高电压控制器504、高电压电力供应(HVPS)变压器505、倍压器506和脉冲开关507，以及为简单起见而在下文描述或未示出的其他可能电路部件。灯丝控制电路143大体上包括任选的灯丝控制器508和灯丝隔离变压器509，以及为简单起见未示出的其他可能电路部件。其他实施方案可包括其他部件或部件布置以在微波能量源141的操作中实现类似结果(诸如微处理器可代替高电压控制器504来用于控制提供到脉冲开关507的波形)。

微波发射器控制电路500经由电压线L、中性极N和接地G(诸如接地电位)在电压输入501处接收适当的输入AC电压(诸如120伏特AC)。主控制开关510连接到电压线L以控制传到微波发射器控制电路500的输入AC电压的接通和断开。主控制开关510将输入AC电压从电压线L提供到电力供应电路502。主控制开关510经由额外控制开关(诸如高电压控制开关511、灯丝控制开关512、泵/风扇控制开关513)从电压线L提供输入AC电压。当控制开关510、511、512和513闭合时，来自电压线L的AC电压被供应到高电压控制器504、灯丝控制电路143和冷却泵或风扇514。中性电位N被直接施加到高电压控制器504、HVPS变压器505、电力供应电路502和灯丝控制电路143。

高电压控制器504大体上包括变压器515、继电器516、继电器控制器517和电位计518，以及为简单起见而未示出的其他可能电路部件。高电压控制器504大体上控制提供到HVPS变压器505的电压。为了产生用于HVPS变压器505的电压，继电器516(诸如固态零交叉继电器)经由高电压控制开关511接收输入AC电压，并且在继电器控制器517的控制下，将输入AC电压缩减或截短到原始波形的某一百分比(诸如正弦波的5％至10％)，以形成缩减或截波的正弦AC电压。缩减波形可低到原始波形的0％并且高达原始波形的100％，但在一些实施方案中，实际占空比范围大体上取决于HVPS变压器505的性质和微波能量源141进行操作的电压。电位计518的设置决定了通过继电器516的输入AC电压的原始波形的百分比。变压器515接收输入AC电压和中性极N以产生电压(诸如24伏特)来对继电器控制器517供电。

HVPS变压器505(诸如升压变压器)接收中性极N和截波AC电压。通过此电压，HVPS变压器505产生中间高电压(诸如约零伏特至约10,000伏特)。中间高电压的电平是基于通过继电器516的输入AC电压的原始正弦波的百分比，所述百分比是通过设置电位计518来进行调整。中间高电压的波形是通过HVPS变压器505平均化。

如所示，倍压器506大体上包括彼此连接并且连接到接地的电容器519、电容器520以及二极管521和二极管522。倍压器506接收通过HVPS变压器505产生的中间高电压并使其倍增以形成高电压(诸如约3至15千伏，此取决于微波能量源141的输出功率要求)。高电压穿过高压侧电阻器523传递到脉冲开关507的高压侧输入或高电压连接点，以随各脉冲提供到微波能量源141。

电力供应电路502是接收输入AC电压、中性极N和接地的任何适当的AC-DC功率转换器。电力供应电路502产生DC驱动电压(+out)。脉冲产生器503将信号提供到脉冲开关507。

脉冲产生器503是能够产生可改变的脉冲控制信号的任何适当内部或外部函数产生器。脉冲控制信号具有上文所提及的所要频率和占空比，以按适合于特定应用的脉冲频率、占空比、形状和输出功率电平产生微波功率。在一些实施方案中，脉冲产生器503是通过计算机、模拟输入、手动地控制，或通过其他适当的控制技术控制，以便设置脉冲控制信号的频率和占空比。

脉冲开关507连接到电力供应电路502以接收DC驱动电压(+out)，并且连接到脉冲产生器503以接收脉冲控制信号。脉冲开关507还连接到高压侧电阻器523以接收通过倍压器506提供的高电压，并且经由低压侧电阻器524进一步连接到接地路径。脉冲开关507是任何适当的切换装置，并且可包括真空继电器、功率MOSFET、IGBT或其他开关部件。例如，可购自德国克朗伯格的Behlke Power Electronics公司的HTS-GSM系列切换模组或其他适当的推挽电路可用于脉冲开关507。

脉冲开关507大体上包括高压侧双极有源开关525和低压侧双极有源开关526以及对应的开关驱动器(诸如开关驱动器527和开关驱动器528)。在一些实施方案中，双极有源开关是对于开关点具有相对一致的滞后的相对灵敏的半导体或真空管开关。在一些实施方案中，双极有源开关525和双极有源开关526两者串联连接在高电压连接与接地连接(诸如高电压导体与接地导体)之间。脉冲式高电压输出144是从双极有源开关之间的节点产生，使得双极有源开关525将正电力供应提供到微波能量源141，而双极有源开关526快速地将电力分流回到较低电平。

DC驱动电压(+out)对开关驱动器527和528供电。开关驱动器527和528分别驱动双极有源开关525和526。双极有源开关525和526是根据从脉冲产生器503接收的脉冲控制信号的频率和占空比来接通和断开。高压侧开关驱动器527产生与低压侧开关驱动器528的驱动信号反相的驱动信号，使得双极有源开关525和526以互补方式激活和撤销激活。二极管529(从高压侧高电压输入连接到脉冲开关507的脉冲式高电压输出)和二极管530(经由电阻器524从脉冲式高电压输出连接到低压侧或接地连接)为脉冲开关507提供电气保护。

当双极有源开关525闭合时，双极有源开关526断开，并且高电压快速地在脉冲式高电压输出(诸如脉冲式高电压输出144)处被施加到如上文所描述的微波能量源141，以使得微波能量源141开始振荡并产生微波辐射。将高电压直接施加到微波能量源141在上文参看图3所描述的微波能量源141的电流或功率输出中引起快速上升响应(诸如约20至50纳秒的范围，或约40纳秒的值)。由于高电压电平的对应调整，设置电位计518会调整电流或功率输出电平。

当双极有源开关526闭合时，双极有源开关525断开，并且脉冲开关507的脉冲式高电压输出经由直接到接地的电阻器524连接到接地连接。以此方式，输出电压快速分流到低电压电平(由电阻器524和电抗部件531决定)。输出电压的此快速分流以及其对应的快速中止对循环的电子云的影响在本文中被称作“中止技术”。在一些实施方案中，前述“中止技术”是使用电抗部件531来实施，所述电抗部件跨越电阻器524引入电容槽(诸如电荷槽)和/或电感负载。另选地，在一些实施方案中，电抗部件531是直接跨越双极有源开关525和526的输出置放。在一些实施方案中，除了电抗部件531之外或代替所述电抗部件，还使用相对较小的电力供应部件来将双极有源开关525与526之间的节点处的电压保持在酝酿电平。

微波能量源141在它产生微波时在它内部采取循环电子云的形式时仍具有潜在的功率。此潜在功率被分流到低电平以快速中止循环电子云，由此在上文参看图3所描述的微波能量源141的电流或功率输出中导致快速下降响应(诸如约20至50纳秒的范围，或约40纳秒的值)。因此，当双极有源开关525和526被反复脉控为接通和断开以交替地在高电压连接与相对较低电压电平之间来回连接脉冲式高电压输出时，在脉冲式高电压输出144处产生脉冲式高电压。也就是说，脉冲式电压输出经由第二双极有源开关分流到接地，所述脉冲式电压输出能够在磁控管环的空腔中使循环电子云崩溃，因此将中断微波能量的产生。脉冲式高电压具有基于从脉冲产生器503接收的脉冲控制信号的频率和占空比的频率和占空比。

灯丝隔离变压器509将电力提供到微波能量源141的灯丝。对于不具有灯丝控制器508的实施方案，灯丝隔离变压器509是直接通过从电压输入501接收的输入AC电压来驱动。如上文所描述，微波能量源141的输出电流或功率电平取决于经由脉冲开关507接收的高电压(以及其脉冲频率和脉冲占空比)和灯丝电流或受所述高电压和所述灯丝电流控制。因此，在不具有灯丝控制器508的此情况下，微波能量源141的输出电流或功率电平仅受经由脉冲开关507接收的高电压控制，这是因为灯丝电流是恒定的。对于具有灯丝控制器508的实现方式，被施加到灯丝隔离变压器509的AC电压可通过灯丝控制器508来调整或控制。在此情况下，灯丝控制器508控制传到微波能量源141的灯丝的电流或电压的量，由此提供对微波能量源141的输出电流或功率电平的额外、相对粗略的控制。对灯丝电流的控制可使图2中的“接通”点206的位置偏移。

电子电路包括产生高电压的高电压产生器、产生具有频率和占空比的脉冲控制信号的脉冲产生器，以及脉冲开关。电子电路可与产生各种频率的能量的能量源(诸如微波能量源)一起使用。在关于微波能量的实现方式中，电子电路充当微波能量源的微波发射器控制电路，其中微波能量源在接收脉冲式高电压时产生脉冲式微波辐射，并且其中脉冲式微波辐射的功率电平取决于脉冲式高电压的电压电平、频率和占空比。脉冲开关可具有第一双极有源开关、第二双极有源开关、高电压连接、接地连接、脉冲输入以及脉冲式电压输出。第一双极有源开关和第二双极有源开关串联连接在高电压连接与接地连接之间。高电压连接连接到高电压产生器以接收高电压。接地连接连接到接地电位。脉冲式电压输出连接在第一双极有源开关与第二双极有源开关之间。脉冲输入连接到脉冲产生器以接收脉冲控制信号。当第一双极有源开关和第二双极有源开关反复地被脉控为接通和断开以交替地在高电压连接与接地连接之间来回连接脉冲式电压输出时，在脉冲式电压输出处产生脉冲式高电压。脉冲式高电压的频率和占空比是基于脉冲控制信号的频率和占空比。

微波发射器控制电路包括微波能量源、产生高电压的高电压产生器、产生具有频率和占空比的脉冲控制信号的脉冲产生器，以及脉冲开关。微波能量源在接收脉冲式高电压时产生脉冲式微波辐射，其中脉冲式微波辐射的功率电平取决于脉冲式高电压的电压电平、频率和占空比。脉冲开关具有第一双极有源开关、第二双极有源开关、高电压连接、接地连接、脉冲输入以及脉冲式电压输出。第一双极有源开关和第二双极有源开关串联连接在高电压连接与接地连接之间。高电压连接连接到高电压产生器以接收高电压。接地连接连接到接地电位。脉冲式电压输出连接在第一双极有源开关与第二双极有源开关之间。脉冲输入连接到脉冲产生器以接收脉冲控制信号。当第一双极有源开关和第二双极有源开关被反复脉控为接通和断开以交替地在高电压连接与接地连接之间来回连接脉冲式电压输出时，在脉冲式电压输出处以20至50纳秒的上升和下降时间产生脉冲式高电压。脉冲式高电压的频率和占空比是基于脉冲控制信号的频率和占空比。当脉冲式微波辐射被脉控为断开时，在振荡区下方将微波能量源保持在非零电压电平。脉冲式电压输出经由第二双极有源开关被分流到接地电位，脉冲式电压输出能够使循环电子云崩溃。

一种设备包括被配置为产生具有电压电平的高电压并且产生具有频率和占空比的脉冲控制信号的电子电路。所述电子电路还被配置为通过脉冲开关由所述高电压和所述脉冲控制信号产生脉冲式高电压，脉冲式高电压具有电压电平、频率和占空比，脉冲开关具有第一双极有源开关、第二双极有源开关、高电压连接、接地连接、脉冲输入和脉冲式电压输出，其中第一双极有源开关和第二双极有源开关串联连接在高电压连接与接地连接之间，高电压连接接收高电压，接地连接连接到接地电位，脉冲式电压输出连接在第一双极有源开关与第二双极有源开关之间，脉冲输入接收脉冲控制信号，并且当第一双极有源开关和第二双极有源开关被反复地脉控为接通和断开以交替地在高电压连接与接地连接之间来回连接脉冲式电压输出时在脉冲式电压输出处产生脉冲式高电压。所述电子电路还被配置为产生具有功率电平的脉冲式微波辐射，所述功率电平取决于电压电平、频率和占空比。

一种设备包括能量源、在高电压连接上产生高电压的高电压产生器、产生具有脉冲控制频率和脉冲控制占空比的脉冲控制信号的脉冲产生器，以及脉冲开关。能量源可以是例如微波能量源。能量源在接收脉冲式高电压时产生脉冲式辐射(诸如微波辐射)，其中脉冲式辐射的功率电平取决于脉冲式高电压的电压电平、频率和占空比。脉冲开关具有第一双极有源开关、第二双极有源开关、高电压连接、接地连接、脉冲输入以及脉冲式电压输出。当高电压连接处的电压从较高电压转变到较低电压时，脉冲式微波辐射的功率电平在约20纳秒至约50纳秒的范围内从较高功率电平转变到较低功率电平(诸如从第一功率电平转变到低于第一功率电平的第二功率电平)。

图6示出用于针对微波发射器控制电路140的应用调整脉冲式高电压输出144的上升和下降时间的任选的上升时间调整网络600，所述微波发射器控制电路具有例如需要一些额外上升时间的反应器或化学物质。上升时间调整网络600大体上包括电感器601、电阻器602和串联二极管/电阻器(603/604)的并联布置，所述并联布置可减缓脉冲式高电压输出144的上升和下降时间。因此，上升时间调整网络600可置放在脉冲开关507与微波能量源之间，以在控制信号迹线300的方波的转变中形成较可控的斜率，以便平滑化或缩减尖峰或振铃，以及在图3中所示的输出电流或功率迹线301的转变中形成曲线。以此方式，上升时间调整网络600使振铃平滑化，或在输出电流或功率迹线301中提供受控的上升时间以对总体波形进行平滑化或以其他方式整形。

图7A示出描绘用于产生脉冲式微波辐射的方法的示例操作700A的说明性流程图。在一些实现方式中，操作700A可以是可通过本发明所公开的电路中的任一者或多者执行的操作中的一者或多者的示例，诸如微波发射器控制电路140大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141。在框702A处，微波发射器控制电路140可施加具有电压电平的高电压。在框704A处，微波发射器控制电路140可产生具有频率和占空比的脉冲控制信号。在框706A处，微波发射器控制电路140可通过脉冲开关从高电压和脉冲控制信号产生脉冲式高电压。在框708A处，微波发射器控制电路140可将第一双极有源开关和第二双极有源开关串联连接在高电压连接与接地连接之间。在框710A处，微波发射器控制电路140可将脉冲式电压输出连接在第一双极有源开关与第二双极有源开关之间，其中脉冲输入接收脉冲控制信号。在框712A处，微波发射器控制电路140可产生具有取决于电压电平、频率和占空比的功率电平的脉冲式微波辐射。

图7B示出描绘用于在高电压连接与接地连接之间交替地连接脉冲式电压输出的方法的示例操作700B的说明性流程图。在一些实现方式中，操作700B可以是操作700A的部分和/或是可通过本发明所公开的电路中的任一者或多者执行的操作中的一者或多者的示例，诸如微波发射器控制电路140大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141。在框702B处，当脉冲式电压输出连接在第一双极有源开关与第二双极有源开关之间时，微波发射器控制电路140接收脉冲控制信号。在框704B处，微波发射器控制电路140在脉冲式电压输出处产生脉冲式高电压。在框706B处，微波发射器控制电路140反复地将第一双极有源开关和第二双极有源开关脉控为接通和断开。在框708B处，微波发射器控制电路140交替地在高电压连接与接地连接之间连接脉冲式电压输出。

微波化学处理系统

微波发射器控制电路140大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141，所述微波能量源可与本发明所公开的波导和/或反应器系统中的任一者或多者联接以控制在整个波导中以脉冲输送和/或传播的微波能量来输出含碳粉末。关于波导和/或反应器系统，微波等离子体可在供应气体和/或工艺材料中产生，并且等离子体中的能量足以由工艺材料分子形成分离的组分。微波能量源联接到FEWG，等离子体是沿着FEWG的等离子体区产生，并且工艺材料是通过等离子体沿着FEWG中的反应长度而分离成组分。如在常规方法中，微波能量直接联接到等离子体中而不经由介电壁联接。微波等离子体可在供应气体和/或工艺材料中产生，并且等离子体中的能量足以由工艺材料分子形成分离的组分。微波能量源联接到FEWG，等离子体是沿着FEWG的等离子体区而产生，并且工艺材料是通过等离子体沿着FEWG中的反应长度而分离成组分。如在常规方法中，微波能量直接联接到等离子体中而不经由介电壁联接。

图8A示出常规微波化学处理系统800。如所示，微波化学处理系统800大体上包括反应腔室801、被配置为接收流动到反应腔室中的工艺材料808的一个或多个气体入口802、被配置为收集来自反应腔室801的分离的产物的一个或多个出口803，以及经由波导805联接到反应腔室的微波能量源804，以及为简单起见而未示出的其他元件。微波能量809在反应腔室801中产生微波等离子体806并且提供能量以用于发生反应。微波发射器电路807可将从微波能量源804发射的微波能量809控制为连续波或脉冲式微波能量。假设处于恰当的条件，等离子体中的能量将足以由工艺材料分子形成分离的组分。

具有场增强波导(FEWG)的微波化学处理反应器

如图8B中所示，波导的最宽尺寸被称为“a”尺寸，并且决定了操作频率的范围。最窄尺寸决定了波导的功率处置能力并且被称为“b”尺寸。本公开的FEWG有效地传递微波频率电磁能量。本公开的FEWG由导电材料构成并且横截面可以是矩形、圆形或椭圆形的。

图8C示出FEWG的场增强区的示例，其中最宽尺寸“a”保持恒定以便有效地传输选定频率的微波能量，并且较窄尺寸“b”沿着FEWG的长度缩减以便集中微波能量密度。图8C描绘尺寸“b”的线性减小；然而，尺寸“b”的减小可以是非线性的(诸如抛物线、双曲线等)，沿着长度具有不同的减小速率(诸如线性减小、一个区段中是线性减小而另一个区段中是非线性减小的不同斜率)，或包含用于使尺寸“b”的长度减小的不连贯步骤。所公开的配置或实现方式可适用于驻波系统(其中峰值保持在同一位置)和行进波系统(其中峰值可移动)两者。

图9示出反应器系统900，其中FEWG联接到微波能量产生器(诸如微波能量源)，等离子体是由FEWG的等离子体区中的供应气体产生，并且FEWG的反应长度充当反应区以将工艺材料分离成分离的组分。图10示出另一个反应器系统1000，其中FEWG联接到微波能量产生器(诸如微波能量源)，等离子体是由FEWG的等离子体区中的供应气体产生，并且FEWG的反应长度充当反应区以将工艺材料分离成分离的组分。图9的反应器系统900和图10的反应器系统1000分别不具有在场增强波导的场增强区与反应区之间的介电障壁。相比之下，常规系统的反应区被围封于诸如先前解释的石英腔室的介电障壁内。微波能量的传播方向平行于供应气体和/或工艺材料的大部分的流，并且微波能量进入在产生分离的组分的FEWG部分的上游的波导。

如图9中所示，反应器系统900包括FEWG 905、被配置为接收流动到FEWG 905中的供应气体和/或工艺材料908a的一个或多个入口902以及联接到FEWG 905的微波能量源904，以及为简单起见而未示出的其他元件。可等效于或类似于微波发射器控制电路140的微波电路907大体上示出为包括图5中所呈现的微波能量源141，控制以脉冲施加来自微波能量源904的微波能量909的脉冲频率。来自微波能量源904的微波能量909为连续波。

FEWG 905具有长度L。FEWG 905的具有长度L_A(图9和图10中所示)的部分相比FEWG的具有长度L_B(图9和图10中所示)的部分较接近微波能量产生器。在整个本公开中，FEWG的不同部分将通过表示FEWG的某一部分的具有下标的大写字母L(诸如L_A、L₀、L_B、L₁、L₂)描述，并且同义地，FEWG的不同部分的长度还将通过表示FEWG的某一部分的长度的具有下标的大写字母L(诸如L_A、L₀、L_B、L₁、L₂)描述。

FEWG在长度L_B中的横截面积小于FEWG在长度L_A中的横截面积。FEWG L₀的长度位于FEWG的长度L_A与L_B之间，并且具有沿着微波能量传播的路径减小的横截面积。FEWG沿着长度L₀的横截面积可以按连续方式减小。FEWG沿着长度L₀的横截面积在长度L_A与L_B之间线性地减小。FEWG沿着长度L₀的横截面积可在长度L_A与L_B之间非线性地减小，诸如抛物线形、双曲线形、以指数方式或对数方式减小。FEWG沿着长度L₀的横截面积在长度L_A与L_B之间以不连贯方式减小，诸如经由一个或多个离散步骤减小。

横截面积减小用以集中电场，因此增大微波能量密度，同时相较于常规系统仍提供可形成等离子体的大量区域。当使用2.45GHz的微波能量频率时，FEWG的具有长度L_B(图9和图10中所示)的部分可具有尺寸为0.75英寸乘3.4英寸的矩形横截面。此横截面积比等离子体产生面积大体上小于一平方英寸的常规系统大得多。FEWG 905的不同部分的尺寸根据微波频率而设置，以便适当地充当波导。例如，对于椭圆波导，针对2.1至2.7GHz，横截面尺寸可以是5.02英寸乘2.83英寸。

在常规气体处理系统中，诸如如上文所描述小于一平方英寸的可形成等离子体的有限区约束可发生气体反应的体积。此外，在常规系统中，微波能量经由窗(通常是石英)进入反应腔室。在这些系统中，介电材料(诸如微粒碳)在处理期间涂布于窗上，从而使得随时间推移功率递送减少。如果这些分离的组分吸收微波能量，则此可十分成问题，因为它们可能防止微波能量联接到反应腔室中以产生等离子体。

因此，发生副产物(诸如由气体反应产生的碳粒子)的快速堆积，并且所述副产物快速堆积限制了处理设备的运行时间。微波化学处理反应器900可被设计为在反应区中不使用窗；也就是说，使用能量从反应上游进入的并行传播/气体流动系统。结果，较多的能量和功率可从微波能量源联接到等离子体中。相较于常规系统中的有限反应腔室体积，缺少窗和波导内的较大体积极大地减少了导致有限运行时间的粒子堆积问题，因此提高了微波处理系统的生产效率。

图9中的微波能量909在FEWG 905的长度的具有长度L₁(图9和图10中所示)的等离子体区内在供应气体和/或工艺材料中产生微波等离子体906。具有长度L₁的等离子体区位于FEWG L_B的部分内，其中与长度L_A中相比，横截面积较小，并且微波能量密度较高。使用与工艺材料不同的供应气体来产生微波等离子体906。供应气体可为例如氢气、氦气、诸如氩气的稀有气体，或多于一种类型的气体的混合物。供应气体可与工艺材料相同，其中工艺材料是从中产生分离的组分的材料。

供应气体和/或工艺材料入口902可位于FEWG L_B的部分的上游，或位于FEWG L₀的部分内，或位于FEWG L_A的部分内，或位于FEWG L_A的部分的上游。FEWG L₁的部分从在供应气体和/或工艺材料908a进入FEWG的位置的下游沿着FEWG的位置延伸到FEWG的末端，或到供应气体和/或工艺材料的入口与FEWG 905的末端之间的位置。FEWG L₁的部分从供应气体和/或工艺材料908a进入FEWG处延伸到FEWG的末端，或到供应气体和/或工艺材料的入口与FEWG的末端之间的位置。

所产生等离子体906提供能量以用于在FEWG 905的具有反应长度L₂的反应区901内的工艺材料908b中发生反应。反应区L₂从工艺材料908a进入FEWG 905处延伸到FEWG 905的末端，或到工艺材料的入口与FEWG 905的末端之间的位置。假设处于恰当的条件，等离子体906中的能量将足以由工艺材料分子形成分离的组分。一个或多个出口903被配置为在FEWG的反应区部分下游收集来自FEWG 905的分离的产物，在所述反应区部分处在工艺材料908b中发生反应。在图9中所示的示例中，微波能量909的传播方向平行于大部分供应气体和/或工艺材料流908b，并且微波能量909在FEWG的产生分离的组分的反应区901上游进入FEWG 905。

对微波能量透明的压力障壁910可在微波能量源904内位于微波能量源的出口附近，或在微波能量源904与FEWG中产生的等离子体906之间的其他位置处。此压力障壁910可充当防止等离子体可能回流到微波能量源904中的安全措施。等离子体并不在压力障壁自身处形成；实际上，压力障壁仅为机械障壁。可制成压力障壁的材料的一些示例是石英、乙烯四氟乙烯(ETFE)、其他塑料或陶瓷。可存在二个压力障壁910和911，其中一个或二个压力障壁910和911是在微波能量源904内位于微波能量源的出口附近，或在微波能量源904与FEWG中产生的等离子体906之间的其他位置处。压力障壁911可相比压力障壁910较接近FEWG中的等离子体906，并且在压力障壁911失效的情况下，在压力障壁910与911之间存在压力吹出口912。

在系统中可包括等离子体背挡(未示出)以防止等离子体传播到微波能量源904或供应气体和/或工艺材料入口902。等离子体背挡可以是具有孔以允许微波能量穿过等离子体背挡但防止大部分等离子体物质穿过的陶瓷或金属过滤器。大部分等离子体物质将无法通过等离子体背挡，因为孔将具有高纵横比，并且等离子体物质在撞击孔的侧壁时将重新结合。等离子体背挡位于部分L₀与L₁之间，或在部分L₁的上游并且在入口902(在入口902在部分L₀内的实施方案中)和微波能量源904的下游的部分L₀内。

再次参看图10，反应器系统1000大体上包括FEWG 1005、被配置为接收流动到FEWG1005中的供应气体1008a的一个或多个供应气体入口1002、被配置为接收工艺材料1011a的一个或多个工艺材料入口1010，以及联接到FEWG 1005的微波能量源1004，以及为简单起见而未示出的其他元件。工艺材料入口1010的位置在供应气体入口1002的位置的下游，其中下游是在微波能量传播的方向上定义。

微波电路1007可控制以脉冲施加来自微波能量源1004的微波能量1009的脉冲频率。来自微波能量源1004的微波能量可为连续波。类似于图9中所示的实施方案，图10中的FEWG 1005具有部分L_A、L₀、L_B、L₁和L₂，其中部分L_B的横截面积小于L_A的横截面积，部分L₀具有在部分L_A与L_B之间的减小的横截面积，L₁是产生等离子体的部分，并且L₂是作为反应区的部分。

微波能量1009在FEWG 1005的长度L的等离子体区L₁内在供应气体1008b中产生微波等离子体1006。部分L₁可从在供应气体1008a进入FEWG 1005的位置的下游沿着FEWG1005的位置延伸到FEWG 1005的末端，或到供应气体的入口与FEWG 1005的末端之间的位置。部分L₁可从供应气体1008a进入FEWG 1005处延伸到FEWG 1005的末端，或到供应气体的入口与FEWG 1005的末端之间的位置。一个或多个额外工艺材料入口1010被配置为接收在供应气体入口1002下游的第二组位置处流动到FEWG中的工艺材料。所产生等离子体1006提供能量以用于在FEWG 1005的具有反应长度L₂的反应区1001内发生反应。

部分L₂可从工艺材料1011a进入FEWG 1005处延伸到FEWG 1005的末端，或到工艺材料的入口与FEWG 1005的末端之间的位置。假设处于恰当的条件，等离子体中的能量将足以由工艺材料分子形成分离的组分。一个或多个出口1003被配置为在发生反应的部分1001下游收集来自FEWG 1005的分离的产物。在图10中所示的示例系统1000中，微波能量1009的传播方向平行于大部分供应气流1008b和工艺材料流1011b，并且微波能量1009在FEWG的产生分离的组分的反应部分1001上游进入FEWG 1005。

对微波能量透明的一个或多个压力障壁可在微波能量源1004内位于微波能量源的出口附近，或在微波能量源1004与FEWG中产生的等离子体1006之间的其他位置处(类似于上文所描述并且在图9中所描绘的内容)。可存在两个压力障壁，并且在FEWG中较接近等离子体1006的障壁失效的情况下，在压力障壁之间可存在压力吹出口。

反应区L₂的壁可被配置为使得供应气体入口和工艺材料入口穿过FEWG的壁向反应区提供供应气体和工艺材料。例如，壁可具有充当次级供应气体入口的一系列孔，供应气体和/或工艺材料可穿过所述入口注入到FEWG中，或供应和/或工艺材料可透过壁，或壁可以是多孔的。穿过壁向反应区提供供应气体和输入材料可通过接近于壁形成蚀刻掉沉积材料的反应性等离子体而减轻分离的组分在反应区壁上的沉积。

可存在穿过FEWG的壁向反应区L₂提供供应气体和输入材料的多个供应气体和工艺入口。可存在被配置为穿过FEWG壁向反应区L₂提供受控质量分数的供应气体和输入材料的多个供应气体和工艺入口。以受控质量分数将供应气体和工艺材料引入到FEWG中可更有效地蚀刻掉沉积在反应区中的FEWG壁上的任何材料。

如上文所描述，FEWG(诸如图9中的905和图10中的1005)具有总长度L、总长度的一部分L_A和一部分L_B(L_B的横截面积小于L_A的横截面积)、部分L₁(沿该部分，产生等离子体)和总长度的一部分L₂(沿着该部分，工艺材料转化成分离的组分)。波导的总长度L可以是1cm至1000cm。波导的长度L₀可以是1cm至100cm。波导的长度L₁可以是1cm至100cm。波导的长度L₂可以是1cm至1000cm。波导的长度L可以是30cm至60cm。波导的长度L₀可以是10cm至40cm。波导的长度L₁可以是10cm至30cm。波导的长度L₂可以是5cm至20cm。对于2.45GHz的微波频率，FEWG长度L_A的部分可以是例如0英寸至10英寸，但长度可根据所使用的微波频率发生变化。FEWG长度L_B的部分是例如10英寸至20英寸，这将取决于多个因素，诸如气体流动速度和微波功率。

例如，较高气体流动速度将扩展反应区长度。长度L₁是波导的长度L的10％以上、或20％以上、或30％以上、或40％以上、或50％以上、或60％以上、或70％以上、或80％以上、或10％至90％、或20％至80％、或30％至70％，长度L₂是波导的长度L的5％以上、或10％以上、或15％以上、或20％以上、或25％以上、或30％以上、或35％以上、或40％以上、或45％以上、或50％以上、或55％以上、或60％以上、或1％至90％、或1％至70％、或1％至50％、或10％至50％、或10％至40％、或20％至40％。

FEWG 905和1005可被配置为将压力维持为0.1atm至10atm、或0.5atm至10atm、或0.9atm至10atm、或大于0.1atm、或大于0.5atm、或大于0.9atm。在许多常规系统中，微波化学处理是在真空下操作。然而，在等离子体在FEWG内产生的本发明实施方案中，在正压环境中操作有助于防止所产生等离子体馈送回到微波能量源中，例如如图9和图10中所描绘。

FEWG 905和1005在长度L_B内可具有尺寸是0.75英寸乘3.4英寸的矩形横截面，以对应于2.45GHz的微波能量频率。对于其他微波频率，L_B的其他尺寸是可能的，并且取决于波导模式，这些横截面尺寸可以是3英寸至6英寸。FEWG 905和1005在长度L_A内可具有尺寸是1.7英寸乘3.4英寸的矩形横截面，以例如对应于2.45GHz的微波能量频率。对于其他微波频率，L_A的其他尺寸是可能的。FEWG 905和1005可由任何固有导电材料或具有充分导电的涂层以传播大于90％的传入功率的材料制成。FEWG材料的一些示例是金属材料、具有导电涂层的金属材料、陶瓷材料、具有导电涂层的陶瓷材料、不锈钢、涂布有导电层(诸如Al、Ni、Au或Ni/Au合金)的不锈钢、具有铝衬里的不锈钢，或涂布有导电层的陶瓷材料。

值得注意的是，FEWG 905和1005可充当产生等离子体并且发生工艺材料反应的腔室，而不是像常规系统中那样具有单独的波导和石英反应腔室。使FEWG 905和1005充当反应器腔室提供了可发生气体反应的大得多的体积(诸如多达1000L)。此使得能够处理高流动速率的工艺材料，但不受如常规系统中发生的碳微粒的堆积所限制。例如，穿过入口902和1010进入相应FEWG 905、1005中的工艺材料流动速率可以是1slm(标准升/分钟)至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm。穿过入口902和1002进入相应FEWG 905和1005中的供应气体流动速率可以例如是1slm至1000slm、或2slm至1000slm、或5slm至1000slm、或大于1slm、或大于2slm、或大于5slm。取决于导致足够的等离子体密度(诸如二次电子发射系数)的气体等离子体性质，流量可以是1slm至1000slm并且压力高达14atm。

工艺材料(或者称为原材料)可以是经由工艺材料入口提供到FEWG 905和1005中的液体。可用作工艺材料的液体的一些示例是水、烷烃、烯烃、炔烃、芳族烃、(诸如烷烃、烯烃、炔烃或芳族烃的)饱和和不饱和烃、乙醇、甲醇、异丙醇(诸如异丙醇)或其混合物(诸如乙醇/甲醇的50/50混合物)。上文所列的液体工艺材料可产生碳和氢的分离的组分。液体的流动速率可以是进入反应器的供应气体流的百分比，诸如0.001％至1000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％。

工艺材料可以是经由工艺材料入口提供到FEWG 905和1005中的胶态分散液(诸如悬浮于液体或气体中的固体粒子的混合物)。例如，胶态分散液可包括含碳粒子。可用作工艺材料的胶态分散液的一些示例是与液体或气体混合的来自第16族、第14族、第10族、第9族、第5族、第2族、第1族的固体粒子、其合金以及其混合物。上文所列的固体粒子可与液体混合，液体诸如水、烷烃、烯烃、炔烃、芳族烃、(诸如烷烃、烯烃、炔烃或芳族烃的)饱和和不饱和烃、乙醇、甲醇、异丙醇或其混合物(诸如乙醇/甲醇的50/50混合物)。

气体的示例是第1族和第15到18族以及无机化合物(诸如第14族氢化物)。可由上文所列的胶态分散工艺材料产生的分离的组分的一些示例是以有机材料涂布的固体无机材料(诸如涂布有石墨烯的硅)，以及具有有机/无机材料的夹层的复合材料(诸如硅芯具有囊封硅的碳层，并涂布有额外的无机层)。胶态分散液的流动速率可以是进入反应器的供应气体流的百分比，诸如0.001％至1000％、或0.001％至100％、或0.001％至10％、或0.001％至1％、或0.001％至0.1％、或0.01％至1000％、或0.01％至100％、或0.01％至10％、或0.01％至1％、或0.01％至0.1％。

工艺材料可以是气体。工艺材料可以是烃气，诸如C₂H₂、C₂H₄、C₂H₆。工艺材料可以是甲烷，并且分离的组分是氢和纳米微粒碳。工艺材料可以是具有水的二氧化碳，并且分离的组分是氧、碳和水。工艺材料是H₂S，并且分离的组分可包括氢气和硫。工艺材料不包含二氧化碳。工艺材料可以是基于气体的复合材料，例如SiH₄、三甲基铝(TMA)、三甲基镓(TMG)、甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、SF₆，以及半导体行业中用于对金属和电介质进行沉积和蚀刻的其他材料。

分离的组分中的一者是纳米微粒碳，诸如但不限于碳黑、碳纳米洋葱(CNO)、颈缩CNO、碳纳米球、石墨、热解石墨、石墨烯、石墨烯纳米粒子、石墨烯片、富勒烯、混合富勒烯、单壁纳米管和多壁纳米管。这些纳米微粒碳中的一者或多者可在特定工艺运行期间产生。分离的组分可包含聚结的纳米微粒碳，其还可描述为聚集粒子。在一些情况下，聚结或聚集粒子包含许多纳米微粒碳粒子。聚结或聚集粒子可包含纳米微粒碳粒子并且平均直径大于50微米、或大于100微米、或大于200微米、或大于300微米、或大于500微米、或大于1000微米、或1至1000微米、或10微米至1000微米、或100微米至1000微米、或100微米至500微米。

调整微波化学处理系统中的微波能量

不同工艺材料需要不同量的能量以反应成不同的分离的组分。在本公开中，可通过改变等离子体的平均能量来选择可用反应路径。联接到等离子体的微波能量可以以脉冲施加，并且通过控制微波能量脉冲持续时间和频率、占空比、形状以及时间平均输出功率电平来选择等离子体的平均能量，并且因此选择反应路径。调整微波化学处理系统中的微波能量的额外细节在美国专利9,812,295中公开，所述专利由本申请的受让人拥有并特此以全文引用的方式并入本文中。

可通过改变脉冲周期、通过选择脉冲频率以实现所要等离子体能量而控制等离子体中的平均能量。另外，可通过控制占空比来控制等离子体的平均能量。此可通过考虑时间平均输入功率和脉冲周期两者皆保持恒定并且占空比发生变化的情况来理解。当微波能量接通时，较短占空比将增大联接到腔室中的功率的量值。此为有利的，因为相对较低量的功率(诸如时间平均功率)可用于从反应路径产生反应产物，所述产生将不可能在连续波中以相同功率促进。

可通过控制输入到等离子体中的时间平均功率来选择反应路径。例如，如果占空比和脉冲频率保持恒定，并且输入到微波产生器中的功率增大，则等离子体的能量将增大。再举例来说，如果占空比和脉冲频率保持恒定，并且功率更有效地联接到反应腔室中，则等离子体的能量将增大。

可通过控制微波能量脉冲的形状来选择反应路径。微波脉冲可为矩形波，其中在微波接通时，功率在脉冲周期的持续时间期间是恒定的。在微波功率接通时，脉冲功率在脉冲周期的持续时间期间可能并不恒定。微波脉冲为三角形波、或梯形波、或不同波轮廓。等离子体可被称为在高能量物质以较高分数存在的时间周期期间(诸如在等离子体达到平衡之前的脉冲开始时)扩散。微波能量可在等离子体扩散的时间周期内增大，因此增大了等离子体中的高能量物质的时间平均分数。如上文所描述，调整脉冲频率、占空比和脉冲形状可使得能够针对给定时间平均输入功率在等离子体内产生较高分数的较高能量物质。较高能量物质可允许原本在能量上不利的额外反应路径。

可通过将甲烷(CH₄)用作待分离成氢和纳米微粒碳的示例工艺材料来进一步理解上文技术。通常，需要4到6eV来解离甲烷(CH₄)；然而，等离子体能量通常在初始点火能量尖峰之后稳定在大约1.5eV。通过以脉冲方式施加微波，将平均等离子体能量(诸如时间平均等离子体能量)维持为较高电平，其中脉冲的频率和持续时间控制平均等离子体能量。具体来说，可控制脉冲参数(诸如频率和占空比)以提供4到6eV的平均等离子体能量来选择甲烷的特定解离反应。以脉冲施加微波能量另一优势是能量较多地分布在正在被输入微波的腔室中。

在常规系统中，在平衡时，等离子体在腔室中朝向微波输入位置形成致密电离物质层，该层吸收传入的微波能量并且因此防止其他微波能量较深地渗透到腔室中。本公开的高频脉冲在较大部分的时间内将等离子体维持在非平衡状态下并且致密电离物质层在较小部分的时间内存在，此允许微波能量较深地渗透到腔室中并且等离子体在腔室内的较大体积中产生。更大体来说，在本公开的各种实施方案中，等离子体在脉冲周期的整个持续时间内的平均能量可以是0.9eV至20eV、或0.9eV至10eV、或1.5eV至20eV、或1.5eV至10eV，或大于0.9eV、或大于1.5eV。等离子体能量被调整到的特定值将取决于正利用的工艺材料的类型。

在上文所描述的微波处理系统中，微波能量源通过微波发射器电路(诸如图9中的907和图10中的1007)控制，所述微波发射器电路可将从源发射的微波能量控制为连续波或脉冲式微波能量。微波发射器电路可经由使用磁控管来产生微波能量，诸如在915MHz、2.45GHz或5.8GHz下。为了控制微波能量的脉冲输出功率，微波发射器电路可以以各种频率和占空比对磁控管进行脉控。各微波发射器电路被设计成用于特定范围的脉冲频率、占空比、形状和脉冲输出功率电平，其中使用对这些参数的特定值的选择来调整工艺材料中的化学反应路径。

微波控制电路可实现500Hz至1000kHz、或1kHz至1000kHz、或10kHz至1000kHz、或40kHz至80kHz、或60kHz至70kHz、或大于10kHz、或大于50kHz、或大于100kHz的脉冲频率。微波源可以以1至100kW、或1kW至500kW、或1kW至1MW、或10kW至5MW、或大于10kW、或大于100kW、或大于500kW、或大于1MW、或大于2MW的时间平均功率发射连续波或脉冲式微波能量。脉冲周期具有微波功率接通的第一持续时间，以及微波能量断开或功率比第一持续时间期间的功率低的第二持续时间。第二持续时间可长于第一持续时间。用于给定系统的最佳占空比取决于许多因素，包括微波功率、脉冲频率和脉冲形状。占空比(诸如微波能量接通的脉冲周期的分数，表示为百分比)可以是1％至99％、或1％至95％、或10％至95％、或20％至80％、或50％至95％、或1％至50％、或1％至40％、或1％至30％、或1％至20％、或1％至10％、或小于99％、或小于95％、或小于80％、或小于60％、或小于50％、或小于40％、或小于30％、或小于20％、或小于10％。

具有多个场增强波导的微波化学处理反应器

图11A至图11D示出表示本公开的微波化学处理系统的实施方案的框图，其中多个FEWG联接到一个或多个微波能量产生器(诸如微波能量源)。这些实施方案中的FEWG可共用上文所描述的系统的一些或所有特征。这些实施方案中的供应气体和工艺材料输入也可共用上文所描述的一些或所有特征。各FEWG可具有反应区。等离子体可由FEWG中的每一者中的等离子体区中的供应气体产生，并且FEWG中的每一者的反应长度充当反应区以将工艺材料分离成分离的组分。反应区可连接在一起，并且微波化学处理系统具有用于分离的组分的一个出口。反应区可连接在一起，并且微波化学处理系统具有用于分离的组分的多于一个出口。各反应区可具有自己的用于分离的组分的出口。

图11A示出存在联接到多个FEWG 1102的一个微波能量产生器1101并且FEWG的反应区皆连接在一起以使得存在收集分离的组分的单个出口1103的实施方案。图11B示出存在联接到多个FEWG 1102的一个微波能量产生器1101并且一些FEWG的反应区连接在一起以使得存在收集分离的组分的多于一个出口1103的实施方案。图11C示出存在联接到多个FEWG 1102的多于一个微波能量产生器1101并且FEWG的反应区皆连接在一起以使得存在收集分离的组分的单个出口1103的实施方案。图11D示出存在联接到多个FEWG 1102的多于一个微波能量产生器1101并且一些FEWG的反应区连接在一起以使得存在收集分离的组分的多于一个出口1103的实施方案。

图11A至图11D出于说明性目的描绘6个FEWG，但在实际实现方式中可存在少于或多于6个FEWG。例如，可存在联接到各微波能量产生器的1至10个FEWG。来自多于一个微波产生器的微波能量可使用功率合并器合并，并且接着合并的微波能量可联接到多于一个FEWG中。从此类功率合并器发射的微波能量可能极大并且可联接到许多FEWG(诸如超过10个)中。可使用多路复用将来自单个微波能量源的微波能量联接到多个FEWG中。

在一个示例中，多路复用是时分复用，这表示能量在一个时刻从微波能量源联接到一组FEWG中，并且使用开关来在稍后时刻将能量引导到一组不同FEWG中。可使用开关来随时间推移将来自单个微波能量源的能量在多组FEWG(诸如超过2个、或超过5个、或超过10个)之间循环，其中各组FEWG可包含多个FEWG(诸如超过2个、或超过5个、或1至10个)。图11B描绘两个出口，并且图11D描绘三个出口，但在其他FEWG阵列配置中可存在多于两个或三个出口，其中(例如)各FEWG可具有自己的用于收集分离的组分的出口。存在收集分离的组分的1个出口至10个出口。图11B和图11D描绘连接到各出口中的3个FEWG，但少于或多于3个FEWG可连接到各出口中，并且各FEWG可具有自己的用于收集分离的组分的出口。图11C和图11D描绘两个微波能量产生器，但存在超过2个微波能量产生器。可以有1个FEWG至10个FEWG一起连接到收集分离的组分的各出口。

图12A和图12B示出本公开的微波化学处理系统的实施方案，其中多个FEWG使用不同几何形状联接到一个微波能量产生器(诸如微波能量源)。这些实施方案中的FEWG可共用上文所描述的系统的一些或所有特征。这些实施方案中的供应气体和工艺材料输入也可共用上文所描述的一些或所有特征。各FEWG可具有反应区。等离子体可由FEWG中的每一者中的等离子体区中的供应气体产生，并且FEWG中的每一者的反应长度充当反应区以将工艺材料分离成分离的组分。反应区可连接在一起，并且微波化学处理系统具有用于分离的组分的一个出口。反应区可连接在一起，并且微波化学处理系统具有用于分离的组分的多于一个出口。各反应区可具有自己的用于分离的组分的出口。

图12A示出存在联接到多个FEWG的一个微波能量产生器的歧管几何形状。微波能量1201联接到歧管波导1202，并且接着联接到多个FEWG中。微波能量进入各FEWG的较大横截面积区段，接着进入FEWG的场增强区1203，并且接着联接到FEWG的较小横截面积反应区1204中。在图12A中所描绘的实施方案中，所有FEWG都连接在一起，使得存在收集分离的组分的单个出口1205。

图12B示出存在联接到多个FEWG的一个微波能量产生器的网络几何形状。微波能量1201联接到网络波导1202，并且接着联接到多个FEWG中。具体的网络波导尺寸取决于正使用的微波频率。微波能量进入各FEWG的较大横截面积区段，接着进入FEWG的场增强区1203，并且接着联接到FEWG的较小横截面积反应区1204中。在图12B中所描绘的实现方式中，所有FEWG都连接在一起，使得存在收集分离的组分的单个出口1205。

尽管图12A和图12B描绘以歧管或网络几何形状联接到5个FEWG的一个微波能量产生器，但在其他实现方式中，可存在其他合适数目或例项的微波能量产生器。来自多于一个微波产生器的微波能量可使用功率合并器合并，并且接着合并的微波能量可以以歧管或网络几何形状联接到多于一个FEWG中。从此类功率合并器发射的微波能量可能极大，并且可以以歧管或网络几何形状联接到许多FEWG(诸如超过10个)中。可存在以歧管或网络几何形状联接到各微波能量产生器的1个FEWG至10个FEWG。

类似地，尽管图12A和图12B描绘一个出口，但在其他实现方式中，可存在其他合适数目或例项的出口。可存在收集来自以歧管或网络几何形状联接到微波能量产生器的FEWG的分离的组分的1个出口至10个出口。类似地，尽管图12A和图12B描绘联接到多个FEWG的一个微波能量产生器，但在其他实现方式中，可存在其他合适数目或例项的微波能量产生器。可存在一起连接到各出口中的1个FEWG至10个FEWG，所述出口收集来自以歧管或网络几何形状联接到微波能量产生器的FEWG的分离的组分。

在一些实现方式中，在歧管或网络几何形状波导1202与FEWG的场增强区1203之间可存在孔隙。这些孔隙的尺寸经过调整以有效地将来自歧管或网络几何形状波导1202的微波能量联接到FEWG的场增强区1203。这些孔隙的尺寸是不同大小以在FEWG的所有联接的场增强区1203之间平衡来自歧管或网络几何形状波导1202的微波能量传输。

在一些实现方式中，歧管或网络几何形状波导1202的尺寸可经过调整使得它们形成共振腔并且在歧管或网络几何形状波导1202内存在微波能量的驻波。微波能量的驻波可经调谐以有效地将微波能量联接到FEWG的联接的场增强区1203中的每一者中。

在一些实现方式中，可存在从歧管或网络几何形状波导1202到FEWG的场增强区1203的受控泄漏，以有效地分布联接到FEWG的反应区1204中的每一者中的微波能量的量。用于控制从歧管或网络几何形状波导1202到FEWG的场增强区1203的泄漏并且有效地分布联接到FEWG的反应区1204中的每一者中的微波能量的量的设计的一些示例是：改变波导的横截面和/或长度；在歧管或网络几何形状波导1202与FEWG的场增强区1203之间使用孔隙；改变歧管或网络几何形状波导1202与FEWG的场增强区1203之间的定向的角度；在歧管或网络几何形状波导内或FEWG内使用灯丝、点源、电极和/或磁体(如下文将进一步详细论述)；以及这些设计特征中的两者或更多者的组合。

具有场增强波导的微波化学处理反应器中的额外特征

除了具有FEWG的微波处理系统的上述特征之外，现将论述可用于上文所描述的系统中的其他特征。图6示出具有FEWG的微波处理系统，其中在一个或多个前驱气体中产生等离子体，其中前驱气体是在工艺材料流动到FEWG的反应区中的位置的上游注入。前驱气体通过添加具有各种电离电位的物质而提高裂解效率。也就是说，不同气体具有不同电离能量，这是从原子或分子移除电子所需的能量的量。另外，各种气体具有不同的电子对产生(每离子可产生多少电子)和二次电子发射性质(带电粒子轰击表面时的电子发射)。因此，在本公开中，可利用前驱气体的使用来影响等离子体的能量。

图13示出微波气体处理系统1300，所述微波气体处理系统包括微波能量产生器(诸如微波能量源)1304、FEWG 1305和微波发射器电路1307，所述微波发射器电路可类似或等效于大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141的微波发射器控制电路140。为了清楚起见，相较于先前图，图13的图式为简化图式。供应气体入口1302接收前驱气体1320，所述前驱气体补充供应气体(未示出)以在波导中产生等离子体。在各种实施方案中，前驱气体1320可包括氢气、氩气、氦气或各种惰性气体中的一者或多者。工艺材料入口1310被配置为接收将发生反应的工艺材料。

工艺材料的分离的组分中的一者或多者可再循环回到进入FEWG 1305的供应气体和/或工艺材料中。对于并非系统的所要输出产物的前驱气体(诸如处理甲烷时的氩气前驱气体)，在后处理步骤中从出口1303输出的分离的组分1330和1332移除前驱气体。如图13中所示，FEWG 1305中的气体反应产生分离的组分1330和1332。例如，对于甲烷作为工艺材料，第一分离的组分1330可以是碳，并且第二分离的组分1332可以是H₂气体(H₂气体在出口1303处被收集之前由原子氢H+再结合而成)。

另选地，第一分离的组分1330可以是CH₂并且第二分离的组分1332可以是氢气H₂。分离的组分1332经由导管1340再循环回到FEWG 1305中，再返回供应气体入口1302。再循环的分离的组分1332因此用作前驱气体1320。尽管将所产生的分离的组分返回到反应系统中可能看起来反常，但所述组分的再循环向等离子体添加能量，并且还可有助于工艺材料的热裂解，因为再循环的组分在气体处理期间已经加热。例如，对于产生总共150至200slm H₂的工艺，分离的组分1332可以是再循环回到FEWG 1305中的2至10slm的H₂。如由多个因素(诸如工艺材料的流动速率和/或需要添加到工艺中以起始目标化学路径的能量的量)确定，可使分离的组分1332的其他量或部分再循环。

为起始前述化学路径，一个或多个微波能量源可被配置为在微波化学处理反应器内引发化学反应。

供应气体中的一些或全部包含工艺材料的一个或多个再循环的分离的组分。例如，供应气体可以是氢气，并且工艺材料可以是甲烷，甲烷发生反应以形成氢和碳，并且由甲烷产生的氢的至少一部分可被再循环并用作供应气体。使所产生的氢再循环有益地提高了总体气体处理的效率，因为由氢形成的等离子体在裂解工艺材料分子中的烃键方面十分有效。另外，再循环的H₂已处于高温，因此需要较少能量输入就能达到热裂解能量。供应气体是由外部源提供的H₂，再循环的H₂添加到所述供应气体。所产生的等离子体可以是氢等离子体。

图14示出具有FEWG和灯丝的微波处理系统1400。在一些实现方式中，微波处理系统1400包括微波能量产生器(诸如微波能量源)1404、FEWG 1405和微波发射器电路1407。微波能量1409由微波能量源1404供应，以在沿着FEWG 1405的长度L的方向上传播。在此实施方案中，供应气体入口1402置放于部分L₀的入口附近，而非置放于部分L₁(诸如等离子体区)的入口处。一个或多个金属灯丝1420置放于FEWG 1405内以有助于等离子体的点火和/或等离子体内的较高能量物质的激发。在此实现方式中，金属灯丝1420在供应气体入口1402的下游，在FEWG L₁的等离子体区部分(横截面积比较接近微波能量产生器的FEWG小)的入口附近。

灯丝1420可位于FEWG 1405的总长度L的部分L₁内的其他位置处，其中L₁是如关于先前实施方案所描述的波导中形成等离子体的区。灯丝1420位于FEWG的部分L₁内并且在工艺材料入口1410的上游，使得其将位于发生反应并且可用反应物质涂布灯丝的部分L₂(诸如图9中所示的长度L₂)外部。灯丝1420的存在可通过提供点火位点，通过使微波能量1409的电场聚集来降低等离子体点火电压。另外，灯丝1420可被加热并且经由热离子发射来发射电子，此进一步有助于降低等离子体点火电压。尽管在此实施方案中将灯丝1420示出为单根线，但灯丝1420可采用其他配置，诸如线圈或多根灯丝。灯丝1420可以是钨。灯丝可以被有源激励(供电)或可以是无源的。灯丝1420可以是邻近于加热器线圈的锇灯丝(诸如被配置为板或线圈或其他形状)。灯丝1420可以是电感线圈的领域中的亚铁材料。在有源部件(诸如加热源部件)位于FEWG 1405外部并且正被加热的灯丝材料在FEWG 1405内部的情况下，对灯丝1420进行有源加热。

图15示出反应器系统1500，其中能量源1530基本上与FEWG 1505并排延伸和/或可类似地与本文中所公开的FEWG中的任一者或多者一起定位。在一些实现方式中，能量源1530可体现为一个或多个电极，或沿着纵向延伸穿过FEWG 1505的中心的共同垂直轴线定向的一个或成对共面电极。各对电极可包含正电极(被称为“阴极”)和负电极(被称为“阳极”)。如本文中大体上所理解和所提及的，“电极”意指用于与电路的非金属部分接触的电导体。替代或除了并入有一个或多个电极的能量源1530的配置之外，能量源可体现为(或以其他方式并入)电子枪，电子枪是指一些真空管中产生具有精确动能的较窄的准直电子束的电部件。此类电子枪配置可包括若干构成部分，诸如热阴极，所述热阴极被加热以经由热离子发射产生电子流；电极，所述电极产生电场以聚焦电子束(诸如卫耐耳特圆柱)；以及一个或多个阳极电极，所述阳极电极使射束加速并且进一步聚焦。

此外，除了所论述的配置之外或替代所述配置，能量源还可被配置为流加热器和/或反应器，所述流加热器和/或反应器允许传递热能(作为热量)以用于对液体和粘稠流体材料(诸如由供应气体入口1502提供的供应气体和/或工艺输入材料，在一些实现方式中，工艺输入材料还可流过供应气体入口1502)进行超快速加热。在一些实现方式中，能量源1530可独立于图13的再循环的前驱气体1320、图14的灯丝1420或图15的电子源1520使用或与前述各者按任何组合一起使用。系统1500可包括一组或多组能量源1530，其中能量源1530中的任一者或多者可被配置为将能量(诸如呈热和/或电磁能形式，以及其他形式的能量)供应到等离子体1506。能量源1530在体现为侧接FEWG 1505的一对带相反电荷的共面电极(诸如图15中所示的共面电极)时可被配置为在FEWG 1505的总长度L的部分L₁内产生电场。L₁是指如上文所描述的FEWG中形成等离子体的区。能量源1530(在体现为侧接FEWG1505的一对带相反电荷的共面电极时)可被激励到特定电压以将等离子体1506内的气态和/或基于等离子体的物质(其在接收来自能量源1530的能量时变成带电荷的)加速到所要程度，因此准许精确控制等离子体1506的能量级(测量为温度或某一其他类型的能量测量)。

此实现方式的能量源1530可被配置为在连续波微波能量输入(如由例如微波处理系统1500所提供)情况下起作用，并且在与脉冲式微波输入组合使用时也是有效的。例如，在具有电极并且使用连续提供的微波能量的常规系统中，位于能量源1530之间的等离子体1506将倾向于以平衡状态定位在那里。等离子体1506可屏蔽(指至少部分阻挡或以其他方式阻碍)曝露于由能量源1530产生的电场(诸如在体现为一对共面电极时)，此又可限制能量源1530向等离子体1506添加能量的能力。相比之下，当所供应的微波以脉冲施加时，等离子体1506可在整个处理时间的较大部分内以非平衡状态存在(指不处于热力学平衡的等离子体，因为电子温度比诸如离子和中性物的重物质的温度热很多)。结果，等离子体1506可在整个处理时间的其余部分内以平衡状态存在，并且因此将在整个处理时间的较小部分内屏蔽由能量源1530产生的电场。

如图15中所示，能量源1530可独立于图13的再循环的前驱气体1320、图14的灯丝1420或图15的电子源1520使用或与前述各者组合使用。系统1500包含向等离子体添加能量的一组或多组电极1530。电极被配置为在FEWG 1505的总长度L的部分L₁内产生电场，其中L₁是如上文所描述的FEWG中形成等离子体的区。能量源1530在图15中示出为一对带相反电荷的共面电极，所述电极是在FEWG 1505的产生等离子体1506的部分的外部上并且在所述部分的相对侧上，但其他能量源类型是可能的(诸如包括加热器的热能源)。电极可被激励到特定电压以将等离子体内的带电物质加速到所要程度，因此控制等离子体能量。此实施方案的电极可与连续波微波能量(诸如从微波能量产生器1504在一般方向1509上施加的微波能量)一起使用，并且在与脉冲式微波输入组合时尤其有效。在具有电极和连续微波能量的常规系统中，电极之间的等离子体将以平衡状态定位(诸如在电极附近)并且屏蔽来自电极的电场，这样限制了电极向等离子体添加能量的能力。然而，当微波以脉冲施加时，等离子体将在较大部分的时间内以非平衡状态存在并且将在较小部分的时间内屏蔽电极的电场。

本公开的微波处理系统将包括磁体(未示出)以约束反应区中的等离子体并且降低用于产生等离子体的点火电压。所述磁体是永久性的或者是电磁体。磁体可被定位成使得等离子体密度分布可受控制。磁体将增大部分L₁中的等离子体密度，这样将提高通过等离子体分离工艺材料的效率。FEWG内的局部阻抗是使用灯丝、点源、电极和/或磁体来调整。灯丝、点源、电极和/或磁体用于增大FEWG的反应区内的密度等离子体。

如先前所描述，联接到包含反应区的FEWG的微波能量产生器以及脉冲式微波能量、高气体流量(诸如大于5slm)、较大等离子体体积(诸如高达1000L)、高压(诸如大于0.1atm或大于0.9atm，或大于2atm)、在各脉冲开始时有助于等离子体点火的灯丝或电子源，和/或进一步向等离子体添加能量的电极可在低能量输入要求的情况下实现有成本效益的高生产率化学气体处理系统。

具有上述特征的微波处理系统以某种方式进行配置，使得在FEWG自身内产生等离子体并且将工艺材料分离成组分，诸如图9、图10、图11A至图11D、图12A和图12B、图13、图14和图15中所描绘的示例。在此类系统中，微波能量在产生分离的组分的反应上游进入系统，并且因此分离的组分在反应器的微波进入窗上堆积并且在微波能量可产生等离子体之前吸收微波能量的问题得以缓解。FEWG的产生分离的组分的部分充当反应腔室，并且通过反应腔室的供应气流和/或工艺材料流平行于FEWG中的微波能量的传播方向。微波能量在FEWG的充当产生分离的组分的反应腔室的部分上游进入FEWG。

气体再循环、灯丝和电子源可在具有利用连续波(CW)微波能量的FEWG的微波气体处理系统中使用。在具有CW微波能量的配置中，气体再循环、灯丝和电子源将仍有利于提高系统的气体处理效率、降低等离子体的点火电压以及控制等离子体的密度分布。尽管FEWG中的反应区具有较大体积，但分离的组分仍可能在产生分离的组分的反应的下游附着到FEWG的壁。尽管这并不会防止等离子体产生，但这仍表示系统中的生产损失和污染源。因此，供应气体和工艺材料的气流可被设计成在沉积区域附近产生等离子体以移除沉积于波导壁(或反应腔室壁)上的分离的产物。在一些实现方式中，供应气体和/或工艺材料的额外入口可被配置为将气体引导到沉积区域以移除沉积于波导壁(或反应腔室壁)上的分离的产物。

微波气体处理的方法

图16是表示使用FEWG对高效率气体反应进行化学控制的用于气体的微波处理的方法的示例流程图1600。在框1602中，经由具有一定长度的FEWG供应微波能量，其中微波能量在沿着FEWG的方向上传播。微波能量可为脉冲式微波能量或连续波。微波能量是以小于100kW、或1kW至100kW、或1kW至500kW、或1kW至1kW、或10kW至5kW、或大于10kW、或大于100kW、或大于500kW、或大于1MW、或大于2MW的时间平均功率供应到FEWG中。FEWG内的压力是至少0.1个大气压，诸如0.9atm至10atm。在框1604中，在沿着FEWG的长度的第一位置处将供应气体提供到FEWG中，其中大部分供应气体在微波能量传播的方向上流动。在框1606中，在FEWG的长度的至少一部分中在供应气体中产生等离子体。可在第一位置下游的第二位置处将工艺材料添加到FEWG中。大部分工艺材料可以以大于5slm的流动速率在微波传播方向上流动。

任选地，在框1608中，控制等离子体的平均能量以将工艺材料转化成分离的组分。平均能量可以是例如0.8eV至20eV。可控制脉冲频率，其中脉冲频率大于500Hz。例如，微波能量的脉冲频率可以是500Hz至1000kHz。除了脉冲频率之外或代替脉冲频率，还可控制脉冲式微波能量的占空比，其中占空比小于50％。

应注意，图16的操作可按除所示顺序以外的顺序执行。例如，可在与框1604相同的点处添加工艺气体；也就是说，在产生等离子体的框之前在框1604中添加工艺气体。在另一个示例中，框1608中的等离子体能量控制可结合框1606中的等离子体产生来执行。可通过不同形式的能量输入来控制余辉中的条件。作为一个特定示例，可通过微波能量控制余辉条件。此微波能量可直接用以扩展等离子体羽流或加热区中的粒子。此特征使等离子体扩展，由此适应对粒子在等离子体中耗费的时间的调整。此特征还有助于控制该整个区中的粒子的气相化学性质、粒子充电和粒子加热过程。对这些参数的控制引发对粒子形态学的控制。另选地，可选择此区中的能量源，使得并不形成等离子体，而是改为对粒子加热，从而引发对粒子温度的直接控制。此又允许控制生长动力学并且因此控制粒子的形态学。关于图15示出和论述沿着FEWG的长度定位的能量源的并置和使用的一个实现方式。

结构化碳、各种碳纳米粒子、各种含碳聚集体

图17A至图17Y描绘在其他材料上方生长的结构化碳、各种碳纳米粒子、各种含碳聚集体以及各种三维含碳结构。与通过常规系统和方法可实现的较低均匀性、较少有序性和较低纯度粒子形成对比，碳纳米粒子和聚集体的特征可在于：高“均匀性”，诸如所要碳同素异形体的高质量分数；高“有序”度，诸如低缺陷浓度；和/或高“纯度”，诸如低元素杂质浓度。

使用本文中所描述的方法产生的纳米粒子可包含多壁球形富勒烯(MWSF)或连接式MWSF并且具有较高均匀性，诸如石墨烯与MWSF的比率是20％至80％；高有序度，诸如ID/IG比率是0.95至1.05的拉曼签名；以及高纯度，诸如碳与除氢以外的其他元素的比率大于99.9％。使用本文中所描述的方法产生的纳米粒子可包含MWSF或连接式MWSF，并且MWSF并不包含由除碳以外的杂质元素构成的芯。在一些情况下，使用本文中所描述的方法产生的粒子是包含上文所描述的纳米粒子的聚集体，所述纳米粒子具有较大直径，诸如大于10μm。

常规方法已用于产生包含具有高有序度的多壁球形富勒烯的粒子，但常规方法产生具有多种缺点的碳产物。例如，高温合成技术使得粒子具有许多碳同素异形体的混合物，并且因此具有低均匀性，诸如富勒烯与其他碳同素异形体的比率小于20％，和/或较小粒径，诸如在一些情况下小于1μm或小于100nm。使用催化剂的方法产生包括催化剂元素的产物，并且因此还具有低纯度，诸如碳与其他元素的比率小于95％。这些非所要的性质还常常引起所得碳粒子的非所要电性质，诸如小于1000S/m的电导率。

本文中所描述的碳纳米粒子和聚集体的特征在于指示结构的高有序度和均匀性的拉曼光谱。本文中所描述的均匀排列和/或纯碳纳米粒子和聚集体是使用如下文所描述的反应器和方法产生。额外优势和/或改进还将从以下公开中变得显而易见。

定义

术语“石墨烯”意指呈一个原子形成各顶点的二维原子级六方晶格形式的碳的同素异形体。石墨烯中的碳原子被sp²键结。另外，当使用532nm激发激光时，石墨烯具有拥有两个主峰值的拉曼光谱：大约1580cm-1处的G模式和大约1350cm-1处的D模式。

术语“富勒烯”意指呈中空球、椭球、管或其他形状形式的碳的分子。球形富勒烯还可称为巴克敏斯特富勒烯或巴克球。圆柱形富勒烯还可称为碳纳米管。富勒烯在结构上类似于石墨，石墨由键联的六边形环的堆叠石墨烯薄片构成。富勒烯还可包含五边形(或有时七边形)环。

术语“多壁富勒烯”指代具有多个同心层的富勒烯。例如，多壁纳米管(MWNT)包含多个石墨烯轧制层(同心管)。多壁球形富勒烯(MWSF)包含多个同心富勒烯球。

术语“纳米粒子”指代测量为1nm至989nm的粒子。纳米粒子可包括一个或多个结构特征，诸如晶体结构、缺陷浓度等，以及一种或多种类型的原子。纳米粒子可为任何形状，包括但不限于球形形状、类球形形状、哑铃形状、圆柱形形状、细长圆柱形类型形状、矩形棱柱形状、圆盘形状、线形状、不规则形状、致密形状(诸如几乎不具有空隙)、多孔形状(诸如具有许多空隙)等。

术语“聚集体”指代通过范德华力、通过共价键、通过离子键、通过金属键或通过其他物理或化学相互作用连接在一起的多个纳米粒子。聚集体的大小可显著不同，但一般大于约500nm。

如本文中所描述，碳纳米粒子包括两个或多于两个连接式多壁球形富勒烯(MWSF)和石墨烯层涂布的连接式MWSF。如本文中所描述，碳纳米粒子包括两个或多于两个连接式多壁球形富勒烯(MWSF)和石墨烯层涂布的连接式MWSF，其中MWSF不包含由除碳以外的杂质元素构成的芯。如本文中所描述，碳纳米粒子包括两个或多于两个连接式多壁球形富勒烯(MWSF)和石墨烯层涂布的连接式MWSF，其中MWSF在中心处并不包含空隙，诸如大于约0.5nm或大于约1nm的无碳原子空间。如与较不有序、非均匀、非晶碳粒子的球形成对比，连接式MWSF可由sp²杂化碳原子的同心有序球形成。

包含连接式MWSF的纳米粒子的平均直径可在5至500nm、或5至250nm、或5至100nm、或5至50nm、或10至500nm、或10至250nm、或10至100nm、或10至50nm、或170至500nm、或170至250nm、或170至100nm、或50至500nm、或50至250nm、或50至100nm的范围内。

本文中所描述的碳纳米粒子可形成聚集体，其中许多纳米粒子聚集在一起以形成较大单位。碳聚集体可包括多个碳纳米粒子。碳聚集体的直径可在10至500μm、或50至500μm、或100至500μm、或250至500μm、或10至250μm、或10至100μm、或10至50μm的范围内。如上文所定义，聚集体可由多个碳纳米粒子形成。聚集体可包含连接式MWSF。聚集体包含连接式MWSF，其具有高均匀性量度，诸如石墨烯与MWSF的比率是20％至80％；高有序度，诸如ID/IG比率是0.95至1.05的拉曼签名；以及高纯度，诸如大于99.9％的碳。

产生尤其具有上文所描述范围中的直径的碳纳米粒子的聚集体的一个益处是相比小于500nm的粒子或粒子聚集体，更易于收集大于10μm的粒子聚集体。易于收集降低了碳纳米粒子的生产中所使用的制造设备的成本并且提高了碳纳米粒子的产率。另外，与处置较小纳米粒子的风险(诸如由于吸入较小纳米粒子的潜在健康和安全风险)相比，大小大于10μm的粒子造成较少安全问题。因此，较低的健康和安全风险进一步降低了制造成本。

碳纳米粒子的石墨烯与MWSF的比率可以是10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至170％、或10％至20％、或20％至170％、或20％至90％、或170％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳聚集体的石墨烯与MWSF的比率是10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至170％、或10％至20％、或20％至170％、或20％至90％、或170％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳纳米粒子的石墨烯与连接式MWSF的比率是10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至170％、或10％至20％、或20％至170％、或20％至90％、或170％至90％、或60％至90％、或80％至90％。碳聚集体的石墨烯与连接式MWSF的比率是10％至90％、或10％至80％、或10％至60％、或10％至170％、或10％至20％、或20％至170％、或20％至90％、或170％至90％、或60％至90％、或80％至90％。

可使用拉曼光谱法表征碳同素异形体以区分其分子结构。例如，可使用拉曼光谱法表征石墨烯以确定诸如有序/无序、边缘和晶界、厚度、层数目、掺杂、应变和热导率的信息。还使用拉曼光谱法表征MWSF以确定MWSF的有序度。

可使用拉曼光谱法表征MWSF或连接式MWSF的结构。拉曼光谱中的主峰值为G模式和D模式。G模式是归因于sp²杂化碳网络中的碳原子的振动，并且D模式与具有缺陷的六边形碳环的呼吸相关。在一些情况下，可能存在缺陷，但在拉曼光谱中不能检测到所述缺陷。例如，如果所呈现的结晶结构相对于基面正交，则D峰值将展示增大。另选地，如果呈现有相对于基面平行的绝对平面表面，则D峰值将为零。

当使用532nm入射光时，拉曼G模式对于平面石墨通常在1582cm-1处，然而对于MWSF或连接式MWSF可能会下移(诸如降到1565cm-1或降到1580cm-1)。在MWSF或连接式MWSF的拉曼光谱中在大约1350cm-1处观测到D模式。D模式峰值与G模式峰值的强度的比率(诸如ID/IG)与MWSF的有序度相关，其中较低ID/IG指示较高有序度。接近或低于1的ID/IG指示相对较高的有序度，并且大于1.1的ID/IG指示较低的有序度。

如本文中所描述，包含MWSF或连接式MWSF的碳纳米粒子或碳聚集体具有拉曼光谱，其中当使用532nm入射光时，第一拉曼峰值在约1350cm 1处并且第二拉曼峰值在约1580cm 1处。本文中所描述的纳米粒子或聚集体的第一拉曼峰值的强度与第二拉曼峰值的强度的比率(诸如ID/IG)在0.95至1.05、或0.9至1.1、或0.8至1.2、或0.9至1.2、或0.8至1.1、或0.5至1.5、或小于1.5、或小于1.2、或小于1.1、或小于1、或小于0.95、或小于0.9、或小于0.8的范围内。

如上文所定义，包含MWSF或连接式MWSF的碳聚集体具有高纯度。包含MWSF或连接式MWSF的碳聚集体的碳与金属的比率大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.8％、或大于99.5％、或大于99％。碳聚集体的碳与其他元素的比率大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.5％、或大于99％、或大于90％、或大于80％、或大于70％、或大于60％。碳聚集体的碳与其他元素(除了氢以外)的比率大于99.99％、或大于99.95％、或大于99.9％、或大于99.8％、或大于99.5％、或大于99％、或大于90％、或大于80％、或大于70％、或大于60％。

如上文所定义，包含MWSF或连接式MWSF的碳聚集体具有高比表面积。碳聚集体的布厄特(BET)比表面积是10至200m2/g、或10至100m2/g、或10至50m2/g、或50至200m2/g、或50至100m2/g、或10至1000m2/g。

如上文所定义，包含MWSF或连接式MWSF的碳聚集体具有高电导率。如上文所定义，包含MWSF或连接式MWSF的碳聚集体被压缩成丸粒，并且丸粒的电导率大于500S/m、或大于1000S/m、或大于2000S/m、或大于3000S/m、或大于17000S/m、或大于5000S/m、或大于10000S/m、或大于20000S/m、或大于30000S/m、或大于170000S/m、或大于50000S/m、或大于60000S/m、或大于70000S/m、或500S/m至100000S/m、或500S/m至1000S/m、或500S/m至10000S/m、或500S/m至20000S/m、或500S/m至100000S/m、或1000S/m至10000S/m、或1000S/m至20000S/m、或10000至100000S/m、或10000S/m至80000S/m、或500S/m至10000S/m。

在一些情况下，丸粒的密度是大约1g/cm3、或大约1.2g/cm3、或大约1.5g/cm3、或大约2g/cm3、或大约2.2g/cm3、或大约2.5g/cm3、或大约3g/cm3。另外，已执行测试，其中已在2000psi和12000psi的压缩与800℃和1000℃的退火温度下形成碳聚集体材料的压缩丸粒。较高压缩和/或较高退火温度大体上产生具有较高电导率程度的丸粒，包括在121710.0S/m至13173.3S/m的范围内。

在后处理之前或之后，本文中所描述的碳纳米粒子和聚集体用于各种应用。此类应用包括但不限于运输应用(诸如汽车和卡车轮胎、联接件、安装件、弹性o形环、软管、密封剂、索环等)和工业应用(诸如橡胶添加剂、聚合材料的官能化添加剂、环氧树脂的添加剂等)。

图17A和图17B示出合成的碳纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图像。图17A(在第一放大率下)和图17B(在第二放大率下)的碳纳米粒子包含连接式多壁球形富勒烯1702(MWSF)，其中石墨烯层1704涂布连接式MWSF。在此示例中，由于相对较短的共振时间，MWSF与石墨烯同素异形体的比率大约是80％。图17A中的MWSF的直径是大约5nm至10nm，并且使用上文所描述的条件，直径可以是5nm至500nm。MWSF的平均直径在5nm至500nm、或5nm至250nm、或5nm至100nm、或5nm至50nm、或10nm至500nm、或10nm至250nm、或10nm至100nm、或10nm至50nm、或40nm至500nm、或40nm至250nm、或40nm至100nm、或50nm至500nm、或50nm至250nm、或50nm至100nm的范围内。在此过程中未使用催化剂，并且因此不存在包含污染物的中心晶种。此示例中所产生的聚集粒子的粒径是大约10μm至100μm、或大约10μm至500μm。

图17C示出此示例中的合成的聚集体在532nm入射光的情况下获得的拉曼光谱。此示例中所产生的聚集体的ID/IG是大约0.99至1.03，指示聚集体是由具有高有序度的碳同素异形体构成。

图17D和图17E示出在通过在球磨机中研磨而缩减大小之后的碳纳米粒子的示例TEM图像。以3分钟逆时针研磨步骤、接着6分钟闲置步骤、接着3分钟顺时针研磨步骤、接着6分钟闲置步骤的循环进行球磨。研磨步骤是使用1700rpm的旋转速度来执行。研磨介质是氧化锆并且大小在0.1mm至10mm的范围内。总大小缩减处理时间是60分钟至120分钟。在大小缩减之后，此示例中所产生的聚集粒子的粒径是大约1μm至5μm。大小缩减之后的碳纳米粒子是连接式MWSF，其中石墨烯层涂布连接式MWSF。

图17F示出在大小缩减之后在532nm入射光情况下从这些聚集体获得的拉曼光谱。此示例中的聚集粒子在大小缩减之后的ID/IG是大约1.017。另外，在大小缩减之后的粒子的布厄特(BET)比表面积是大约40m2/g至50m2/g。

此样品中所产生的聚集体的纯度是使用质谱分析和x射线荧光(XRF)光谱分析来测量。在16个不同批次中测得的碳与除氢以外的其他元素的比率是99.86％至99.98％，平均是99.917％的碳。

在此示例中，前驱材料是甲烷，其以1slm至5slm的流速流动。在这些流动速率和工具几何形状的情况下，反应腔室中气体的共振时间是大约20秒至30秒，并且碳粒子产生速率是大约20g/hr。关于此处理系统的其他细节可见于标题为“CRACKING OF APROCESS GAS”的先前所提及的美国专利9,862,602中。

图17G、图17H和图17I示出此示例的合成的碳纳米粒子的TEM图像。碳纳米粒子包含连接式多壁球形富勒烯(MWSF)，其中石墨烯层涂布连接式MWSF。由于相对较长的共振时间允许较厚或较多石墨烯层涂布MWSF，此示例中的多壁富勒烯与石墨烯同素异形体的比率是大约30％。在此过程中未使用催化剂，并且因此不存在包含污染物的中心晶种。此示例中所产生的合成的聚集粒子的粒径是大约10μm至500μm。图17J示出来自此示例的聚集体的拉曼光谱。此示例中的合成的粒子的拉曼签名指示合成的材料中的涂布MWSF的较厚石墨烯层。另外，合成的粒子的布厄特(BET)比表面积是大约90m2/g至100m2/g。

图17K和图17L示出此示例的碳纳米粒子的TEM图像。具体来说，所述图像描绘通过在球磨机中研磨而进行大小缩减之后的碳纳米粒子。大小缩减工艺条件与关于前述图17G至图17J所描述的那些条件相同。在大小缩减之后，此示例中所产生的聚集粒子的粒径是大约1μm至5μm。TEM图像表明在大小缩减之后可观测到埋入石墨烯涂层中的连接式MWSF。图17M示出在大小缩减之后在532nm入射光情况下从此示例的聚集体获得的拉曼光谱。在大小缩减之后，此示例中的聚集粒子的ID/IG大约为1，指示埋入合成的石墨烯涂层中的连接式MWSF在大小缩减之后变得在拉曼中可检测到，并且具有良好的有序性。在大小缩减之后的粒子的布厄特(BET)比表面积是大约90m2/g至100m2/g。

图17N是在第一放大率下示出石墨和石墨烯同素异形体的碳聚集体的扫描电子显微镜(SEM)图像。图17O是在第二放大率下示出石墨和石墨烯同素异形体的碳聚集体的SEM图像。层状石墨烯清楚地示出于碳的变形(褶皱)内。碳同素异形体的3D结构也是可见的。

图17N和图17O的碳粒子的粒径分布示出于图17P中。质量基准累积粒径分布1706对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布1708的直方图对应于图中的右侧轴线(dQ3(x)[％])。中值粒径是大约33μm。第10百分位粒径是大约9μm，并且第90百分位粒径是大约103μm。粒子的质量密度是大约10g/L。

从多级反应器捕获的碳粒子的粒径分布示出于图17Q中。质量基准累积粒径分布1714对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布1716的直方图对应于图中的右侧轴线(dQ3(x)[％])。所捕获中值粒径是大约11μm。第10百分位粒径是大约3.5μm，并且第90百分位粒径是大约21μm。图17Q中的图还示出对应于图中的左侧y轴(Q0(x)[％])的数目基准累积粒径分布1718。以数目为基准的中值粒径是大约0.1μm至大约0.2μm。所收集粒子的质量密度是大约22g/L。

返回到图17P的论述，该图还示出第二组示例结果。具体来说，在此示例中，通过机械研磨缩减粒子的大小，并且接着使用旋风分离器处理大小缩减的粒子。此示例中所捕获的大小缩减的碳粒子的质量基准累积粒径分布1710对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量基准粒径分布1712的直方图对应于图中的右侧轴线(dQ3(x)[％])。此示例中所捕获的大小缩减的碳粒子的中值粒径是大约6μm。第10百分位粒径是1μm至2μm，并且第90百分位粒径是10μm至20μm。

关于制造和使用旋风分离器的其他细节可见于2017年10月5日申请的标题为“MICROWAVE REACTOR SYSTEM WITH GAS-SOLIDS SEPARATION”的美国专利申请15/725,928中，所述申请以全文引用的方式并入本文中。

使用微波反应器系统产生的高纯度碳同素异形体

可使用微波等离子体反应器系统，使用包含甲烷或包含异丙醇(IPA)或包含乙醇或包含冷凝烃(诸如己烷)的前驱材料产生包含石墨、石墨烯和非晶碳的碳粒子和聚集体。在一些其他示例中，含碳前驱体任选地与供应气体(诸如氩气)混合。此示例中所产生的粒子包含石墨、石墨烯、非晶碳，但不包含晶种粒子。此示例中的粒子的碳与其他元素(除氢以外)的比率是大约99.5％或更大。

在一个特定示例中，烃是微波等离子体反应器的输入材料，并且反应器的分离的输出包含氢气以及包含石墨、石墨烯和非晶碳的碳粒子。在多级气固分离系统中将碳粒子与氢气分离。来自反应器的分离的输出的固体载量是0.001g/L至2.5g/L。

图17R、图17S和图17T是合成的碳纳米粒子的TEM图像。所述图像示出石墨、石墨烯和非晶碳同素异形体的示例。在图像中可清楚地看到石墨烯层和其他碳材料层。

所捕获碳粒子的粒径分布示出于图17U中。质量基准累积粒径分布1720对应于图中的左侧y轴(Q3(x)[％])。质量粒径分布1722的直方图对应于图中的右侧轴线(dQ3(x)[％])。此示例中在旋风分离器中所捕获的中值粒径是大约14μm。第10百分位粒径是大约5μm，并且第90百分位粒径是大约28μm。图17U中的图还示出对应于图中的左侧y轴(Q0(x)[％])的数目基准累积粒径分布1724。此示例中以数目为基准的中值粒径是大约0.1μm至大约0.2μm。

图17V、图17W和图17X和图17Y是示出生长到其他三维结构上的三维含碳结构的图像。图17V是生长到碳纤维上的三维碳结构的100倍放大图，而图17W是生长到碳纤维上的三维碳结构的200倍放大图。图17X是生长到碳纤维上的三维碳结构的1601倍放大图。示出纤维表面上方的三维碳生长。图17Y是生长到碳纤维上的三维碳结构的10000倍放大图。所述图像描绘在基面和边缘平面上的生长。

更具体地说，图17V至图17Y示出使用来自微波等离子体反应器的等离子体能量生长到纤维上的3D碳材料的示例SEM图像。图17V示出3D碳材料1730生长在纤维表面上的相交纤维1731和1732的SEM图像。图17W是示出纤维1732上的3D碳生长1730的较高放大率图像(相较于图17V的500μm，比例尺为300μm)。图17X是示出纤维表面1735上的3D碳生长1730的另一放大图(比例尺为40μm)，其中可清楚地看到碳生长1730的3D本质。图17Y仅示出碳的近距视图(比例尺为500nm)，示出生长在纤维上的3D碳材料的多个子粒子的基面1736与边缘平面1734之间的互连。图17V至图17Y证明了根据一些实施方案的在3D纤维结构上生长3D碳的能力，诸如在3D碳纤维上生长的3D碳生长。

纤维上的3D碳生长可通过将多个纤维引入到速调管供电式电离反应器中并且在微波反应器中使用等离子体来蚀刻纤维而实现。蚀刻产生成核位点，使得在通过反应器中的烃解离产生碳粒子和子粒子时，在这些成核位点处起始3D碳结构的生长。3D碳结构直接生长在自身本质上是三维的纤维上提供了具有孔隙的高度整合的3D结构，树脂可渗透到所述孔隙中。相较于由具有平滑表面并且平滑表面通常与树脂基质分层的常规纤维构成的复合材料，用于树脂复合物的此3D强化基质(包括与高纵横比强化纤维整合的3D碳结构)产生增强的材料性质，诸如拉伸强度和剪切。

图18A示出描绘用于输出含碳粉末的方法的示例操作1800A的说明性流程图。操作1800A可通过所呈现FEWG和电路的配置和/或联接中的任一者或多者执行，诸如微波发射器控制电路140大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141，所述电路统称为反应器系统。在框1802A处，反应器系统从微波能量源产生微波能量。在框1804A处，反应器系统产生控制信号，所述控制信号被配置为调整微波能量的脉冲频率来控制微波能量源。在框1806A处，反应器系统在微波能量源的断开状态期间将非零电压施加到微波能量源，所述非零电压被配置为调整控制信号的频率和占空比。在框1808A处，反应器系统响应于通过微波能量激发供应气体而产生等离子体。在框1810A处，反应器系统将原材料注入到等离子体中。在框1812A处，反应器系统基于等离子体内的供应气体与原材料的部分的组合形成混合物。在框1814A处，反应器系统基于通过微波能量激发混合物而输出含碳粉末。

图18B示出描绘用于以脉冲施加非零电压的方法的示例操作1800B的说明性流程图。操作1800B可通过所呈现FEWG和电路的配置和/或联接中的任一者或多者执行，诸如微波发射器控制电路140大体上示出为包括图5中呈现的微波能量源141，所述电路统称为反应器系统。在框1802B处，反应器系统以脉冲施加非零电压。

官能化碳

碳材料，诸如本文中所描述的3D碳材料，可被官能化以促进粘着力和/或添加元素(诸如氧、氮、碳、硅)或硬化剂。碳材料可被原位官能化，也就是说，在产生碳材料的同一反应器内被官能化。碳材料可在后处理中被官能化。例如，富勒烯或石墨烯的表面可用与树脂基质的聚合物形成键的含氧或含氮物质来官能化，因此提高粘着力并且提供强结合以增强复合材料的强度。

实施方案包括利用本文中所描述的等离子体反应器(诸如速调管供电式电离反应器)对碳(诸如CNT、CNO、石墨烯、诸如3D石墨烯的3D碳材料)进行官能化表面处理。各种实施方案可包括在产生碳材料期间进行原位表面处理，所述碳材料可与复合材料中的粘合剂或聚合物结合。各种实施方案可包括在产生碳材料之后进行表面处理，同时碳材料仍在反应器内。

本公开中所描述的实现方式的各种修改对于本领域的技术人员来说可能是易于显而易见的，并且本文中所定义的一般原理可在不脱离本公开的精神或范围的情况下应用于其他实现方式。因此，权利要求不意欲限于本文中所示的实现方式，而是应符合与本文中所公开的本公开内容、原理和新颖特征相一致的最广泛范围。

Claims (24)

1.一种系统，所述系统包括：

微波能量源，所述微波能量源被配置为产生微波能量，所述微波能量源具有包括接通状态和断开状态的操作功率电平；

控制电路，所述控制电路联接到所述微波能量源并且包括输出以产生控制信号，所述控制信号被配置为将所述微波能量的所述操作功率电平维持在所述接通状态的所限定的接近范围内；

电压产生器，所述电压产生器被配置为在所述断开状态期间将非零电压施加到所述微波能量源，其中所述非零电压的频率和占空比是基于所述控制信号的频率和占空比；以及

波导，所述波导被配置为充当反应器并且联接到所述微波能量源，所述波导包括：

反应区，所述反应区被配置为响应于所述微波能量而产生等离子体；

入口，所述入口被配置为将原材料注入到所述反应区中；以及

出口，所述出口被配置为基于所述原材料输出粉末。

2.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括被配置为收集所述粉末的收集器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述波导被配置为集中所述微波能量。

4.如权利要求3所述的系统，其中所述反应区被配置为响应于通过所述集中的微波能量至少激发所述原材料而对所述等离子体进行自点火。

5.如权利要求4所述的系统，其中所述粉末的物理性质或化学性质中的一者或多者是至少部分基于所述集中的微波能量。

6.如权利要求1所述的系统，其中所述非零电压具有在大约20纳秒与50纳秒之间的范围内的上升时间。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述非零电压具有在大约20纳秒与约50纳秒之间的范围内的下降时间。

8.如权利要求1所述的系统，其中所述微波能量的脉冲频率还至少部分基于所述非零电压。

9.如权利要求1所述的系统，其中所述控制电路还包括被配置为调整所述等离子体的解离的灯丝。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述微波能量的功率电平是至少部分基于所述非零电压。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述微波能量源包括磁控管、速调管或行进波管放大器(TWTA)中的任一者或多者。

12.如权利要求1所述的系统，其中所述控制电路包括脉冲开关，所述脉冲开关包括串联联接在电压供应与接地电位之间的第一双极有源开关和第二双极有源开关。

13.如权利要求1所述的系统，其中所述等离子体包含含碳物质。

14.如权利要求1所述的系统，其中所述粉末包含含碳粒子、胶态分散液或多种固体粒子中的任一者或多者。

15.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括被配置为将气相材料和固相材料与所述粉末分离的气体/固体分离器。

16.如权利要求1所述的系统，其中所述波导被配置为产生所述微波能量源的一个或多个条件测量。

17.如权利要求1所述的系统，其中所述粉末包含多个石墨烯片。

18.如权利要求17所述的系统，其中所述波导被配置为以大体上正交角度将所述多个石墨烯片彼此融合。

19.如权利要求1所述的系统，其中所述波导被配置为通过使供应气体选择性地流动到所述反应区中来调整所述波导内产生的所述等离子体的长度。

20.如权利要求1所述的系统，其中所述反应区被配置为容纳在大约1atm的压力下的所述等离子体。

21.如权利要求1所述的系统，所述系统还包括被配置为控制所述波导内的温度的温度控制单元。

22.一种方法，所述方法包括：

从微波能量源产生微波能量；

产生控制信号，所述控制信号被配置为调整所述微波能量的脉冲频率；

在所述微波能量源的断开状态期间将非零电压施加到所述微波能量源，所述非零电压被配置为调整所述控制信号的频率和占空比；

响应于通过所述微波能量激发供应气体而产生等离子体；

将原材料注入到所述等离子体中；

基于所述等离子体内的所述供应气体与所述原材料的一个或多个部分的组合形成混合物；以及

基于通过所述微波能量对所述混合物进行激发而输出粉末。

23.如权利要求22所述的方法，所述方法还包括以脉冲施加所述非零电压。

24.如权利要求23所述的方法，其中所述脉冲式非零电压具有在大约20纳秒与50纳秒之间的上升时间。

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