CN1167389C - 含有特别调谐射频电磁场发生器的等离子切割物质的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用和谐等离子云来切割物质(32)的装置。利用频率发生器系统(10)产生电磁波，所述电磁波由一个受激励发射切割电极头(28)发射出去。利用电磁波根据可引发发射切割电极头(28)表面原子颗粒形成雪崩效应的例如热离子化和光电效应等过程来激励形成等离子云。为了维持、控制在发射切割电极头(28)周围形成的原子颗粒紊乱及混沌度降低的和谐等离子云，电磁波需与等离子云相阻抗匹配、频率匹配、功率匹配及相调谐。利用磁瓶效应、箍聚效应、和隧道效应来捕集、容纳、压缩、成形、聚集、和放大切割等离子云的能量。

Description

含有特别调谐射频电磁场发生器的 等离子切割物质的装置

发明领域

本发明涉及一种利用和谐等离子云来切割物质的等离子发生装置，更具体地说是涉及一种利用由一射频信号发生器系统所发射的电磁波来激励和维持的和谐等离子云来切割物质的装置。所述系统与本发明中所述装置所激励、维持和控制的且在切割过程中包围在受激励的发射切割探头周围的和谐等离子云相阻抗匹配、频率匹配和输出功率匹配。

发明的背景技术

例如金属刀片、蓝宝石刀片、或钻石刀片等坚硬的物理刀片是最常用的切割器械。这些切割都是基于硬质的尖锐利刃与要切的物质表面之间的磨擦性的物理作用来进行的。这种试图利用将一种坚硬的物质切入另一坚硬物质中的纯粹的物理方法，特别当被切割的物质是例如生物组织、木制品或甚至是金属之类的固体致密物质时会遇到很大的磨擦阻力，所以这种方法是很没有效率的。正是因为此，人们已经借助于例如电子切割、电切割或电外科手术器械来进行切割。当利用所述的电切割器械切割物质，由于存在例如介质滞后和涡流等现象，被切割物质内的电阻就会产生热效应，所以所述电切割方法中不可控的等离子弧就会引起物质的燃烧或挥发。这两种现象会引发一种可切割物质的物理反应的透热效应。所述电切割方法的使用受到了一定的限制，这是由于其具有以下缺点：对切割路径之外的物质会造成伤害，还会由于所发生的燃烧和炭化作用而常常发出令人不愉快的气味。典型的电切割器械的低效率性表现在在其切割端部产生切割效应需要通常大于50瓦特的高功率。典型电切割或电外科手术器械所需的相对高的输出功率是由于它们的基于典型的电阻透热法和不稳定、不可控、腐蚀性的不和谐等离子弧的结合而工作的切割效率低。

也利用激光来进行切割，但激光器械比较昂贵且需要大量的输入能量来产生具有足够切割能力的激光束。激光已用于产生等离子，也用于例如微电子学领域中的蚀刻等过程中。

在例如焊弧、火花弧、闪电放电弧、氖灯、荧光灯及电外科手术弧等许多领域都可发现等离子弧。不可控的电弧作用本质上是一种形式的不和谐等离子流，等离子中不可控的离子化原子颗粒所形成的紊乱流是由等离子中的原子颗粒混沌程度大造成的。等离子弧中的原子颗粒的紊乱度代表着一种形式的原子颗粒的混沌状态，原子颗粒混沌度的不可控性造成了大量的能量溢出到了切口路径之外的物质中，从而会产生过量的热。当典型的电切割或电外科手术器械产生了不需要的弧光时就会生成大量的热。溢出到切口路径周围的物质中的能量会造成能量泄露，还会对周围物质造成伤害。仅仅降低切割端功率本身由于不会大大减小包括等离子弧的离子化原子颗粒流的紊乱程度，所以也不会显著降低等离子原子颗粒混沌度水平。而在本发明中利用了一系列的物理化学原理来使典型不和谐等离子弧中的原子颗粒的混沌度最小化，还能控制所产生的等离子的物理特性。本发明中还通过减小等离子云中的原子颗粒的紊乱度来使不和谐等离子弧最小化，由此大大降低等离子云原子颗粒的混沌度同时生成和谐的等离子云。和谐等离子可以一种更可控、更有效和更安全的方式来进行切割，这是由于和谐等离子云中的原子颗粒以比不和谐等离子中的原子颗粒更有序和紊乱度更低的一种更稳定、更平衡、更可控的状态存在着。而且还可通过利用物理学中的收聚效应来对本发明中所述的和谐等离子云进行压缩、控制、和整形。还利用在例如核物理等领域采用的为物理学家所公知的磁瓶现象来捕集和容纳本发明中所述的经压缩的等离子云。与典型的电切割或电外科手术器械不同，本发明中所述装置是利用和谐的可控等离子云而不是利用典型的电阻透热法来进行切割的。

发明目的及其优点

本发明包含如下几个发明目的及优点：

(a)提供一种利用不昂贵的电子射频信号发生器、放大器、阻抗匹配及输出调节网络、和发射探头来产生、放大、调节和发射电磁波的切割装置。

(b)利用一个实心、非中空的导电射频发射探头来产生、维持和控制等离子。但在设计中发射探头也可以是完全中空或部分中空的。

(c)利用一种需要相对于目前使用中的其他电切割方法更低的系统输入能量的电子电磁场发生器系统来产生等离子切割刀片，所述系统的平均输入功率甚至可以低至2瓦特。同时所述系统所需的系统输出能量也比目前使用中的其他电切割方法所需的输出能量低，所述系统的平均输出功率甚至可低至1瓦特。

(d)无需采用如等离子腔中等离子吹焰器和刻蚀系统的等离子发生装置中所采用的将一种可离子化的气体注入切割区域中方法就可形成切割等离子云。

(e)通过对来自本发明中所述电磁发生器系统的能量进行调节而使之与包围在受激励发射切割电极头周围的等离子云相阻抗匹配，来产生和谐等离子云使其中的原子颗粒混沌及紊乱度大大低于其他等离子切割装置中的混沌及紊乱度。

(f)通过使来自本发明中所述电磁发生器系统的能量与包围在受激励发射切割电极头周围的等离子云中的原子颗粒振荡谐频和旋进频率相频率匹配而产生和谐等离子云使得其中的原子颗粒混沌及紊乱度大大低于其他等离子切割装置中的混沌及紊乱度。

(g)通过对本发明中所述电磁发生器系统的输出功率与激励和维持和谐等离子云所需功率相功率匹配而产生和谐等离子云使得其中的原子颗粒混沌及紊乱度大大低于其他等离子切割装置中的混沌及紊乱度。

(h)通过提供一种紧密耦合使电磁波发生器能量向包围在受激励发射切割电极头周围的等离子云的转换效率提高，以此来降低激励和维持包围在受激励发射切割电极头周围的和谐等离子云所需的射频发生器/放大器的输出功率。

(i)利用公知的箍缩效应物理学原理来收聚、压缩和成形包围在受激励的发射切割电极头周围的和谐等离子云。

(j)利用公知的磁瓶效应物理学原理来捕集和容纳和谐等离子云而不需要使用实心物质限制容器来包住等离子云。这样就可避免在受激励的发射切割电极头附近使用中空的等离子保持腔了。

(k)利用隧道物理化学原理使由受激励发射切割电极头所发射的电磁波反射离开和谐等离子云周围的物质，且使电磁波反射回到包围在受激励发射切割电极头周围的和谐等离子云中去。以这种方式我们就可利用隧道效应来产生电磁屏蔽，从而使所发射的来自反应和隧穿进入预期的切口路径之外物质的电磁辐射量最小。这一系统就可使电磁辐射泄露所造成的潜在的负作用最小化。而且反射回到等离子云中的电磁辐射将进一步激励和谐等离子云，这样就可减少电磁波发生器系统为了维持等离子云的有效切割性而需要的输出能量。

(l)通过使用收聚在受激励发射切割电极头周围的和谐切割等离子云，使切割等离子的动能聚集到更窄的切割路径从而可以在物质中产生不连续的、有规则的切口，同时还可使对预期的切口路径之外的物质造成的挤压或负作用最小化。

(m)可提供例如小刀和金属刀片等纯物理能量切割技术之外的另一种可选技术，也能提供一种比目前可获得的其他切割形式效率更高、效果更好、准确性更高、更有规则的切割装置。

(n)可提供一种比市售的诸如激光等高科技切割装置更廉价的切割装置。

附图说明

本专利申请中包含两幅附图。

附图1表示的是在切割发射探头系统与要切入的物质之间采用电容耦合的等离子切割装置。

附图2表示的是在切割发射探头系统与要切入的物质之间采用电阻耦合的等离子切割装置。

附图标记说明

10射频信号发生器

12射频开关

14通-断按钮/通-断开关

16脉冲串式工作循环发生器

18连续式自激发生器

20信号门

22功率放大器

24阻抗匹配及输出调节网络

26切割发射机头

28切割电极头

30电容耦合盘

32要切入的物质

34电阻耦合电极

发明概述

本发明中所述装置是一种特别调谐射频发生器和功率放大器系统。本发明不需要很复杂的发射切割电极头设计也不需要例如托卡马克(一种环状大电流的箍缩等离子体试验装置)或回旋加速器等精细的等离子控制装置。由本发明中所述系统产生的电磁波是一种辐射电磁能量，该能量由本系统中的受激励发射切割电极头发射出去。所述辐射电磁能量经过特别调节，可与受激励的发射切割电极头和要切入物质之间界面中的原子和分子相作用。辐射电磁能量与切割电极头表面上的原子和分子之间的作用包括可使受激励切割电极头和要切入物质界面原子中的电子脱离其原子轨道的光电效应和热离子化效应。辐射能量可对沿受激励发射切割电极头表面的电子和离子进行激励。这一过程的结果是使原子转变成更高能量的离子和电子。自由的带电原子颗粒在空间中快速移动，直至与电极界面中的其他原子中的电子相碰撞，而使另外的电子脱离其原子轨道。重复这一过程便形成了被称为雪崩效应的带电原子颗粒撞击的连锁反应，这种雪崩效应有助于激发沿受激励发射切割电极头表面形成等离子云。本发明中所述装置与包围在受激励发射切割电极头周围的等离子云相阻抗匹配、频率匹配、功率匹配和相调谐。本发明中所述装置对所产生的电磁波进行调节，以使耦合紧密且向等离子云的能量转变效率提高，这样就可在使电磁能量向等离子云的转换效率最大化的同时使电磁能量向预期切口路径周围的物质中的能量泄露最小化。利用物理化学原理来控制等离子云的形状和特性，包括降低等离子云中原子颗粒的混沌度。本发明中所述装置以此方式来形成可将能量聚集到预期的切口路径上的和谐可控等离子，而不同于在典型的电切割或电外科手术器械中所见到的腐蚀性的不和谐等离子弧。这种和谐等离子云表明其中的原子颗粒混沌度比典型电切割或电外科手术系统中混沌度低而其切割效率却比典型电切割电外科手术系统高。

关于附图1-2的描述

附图1-2中表示的是本发明中所述等离子体切割装置的一种典型实施例。可采用例如通断按钮或通断开关(14)等几种装置的射频开关(12)来实现对射频信号发生器(10)的输出信号的接通和断开。射频信号发生器的输出信号通过一个信号门(20)从动于一个脉冲串式工作循环发生器(16)或连续式自激发生器(18)。脉冲串式或连续式射频输出信号接着通过一个功率放大器(22)被放大。功率放大器的输出信号接着经过一个阻抗匹配及输出调节网络的调节后而被引入到一个受激励切割发射机头(26)中。当受激时，切割发射机头(26)远端处的切割电极头(28)的周围就形成了等离子云，就是利用所形成的等离子云来定位要切割的物质的切割路径(32)。可以通过一个电容耦合盘(30)或一个电阻耦合电极(34)来将要切割的物质耦合到等离子切割系统处。尽管可以采用部分空或全空的切割电极头，但该受激励的切割电极头(28)最好采用一个实心的非空导体。最好将该切割电极头(28)设计成直线或曲线形，但是切割电极头(28)的形状不必受限制，甚至可以设计成环状或多角状。

关于附图1-2所表示系统的工作过程

本发明中所述的用于切割物质的装置不同于所有现有的用于切割物质的装置。使用一个通断按钮/通断开关(14)来实现对射频开关(12)的激励和去激励。以此来控制射频信号发生器(10)输出信号的传输。还通过一个脉冲串式工作循环发生器(16)或一个连续式自激发生器(18)来激励或去激励射频信号发生器输出信号的传输以进一步控制射频信号发生器的输出信号。输出信号经过一个功率放大器(22)被放大，接着再经过一个阻抗匹配及输出调节网络(24)被调节。输出信号接着被导入切割发射机头(26)。通过一个电容耦合盘(30)或一个电阻耦合电极(34)来将要切割的物质耦合到本发明中所述装置上。输出信号通过一个切割电极头(28)而从等离子切割装置发射出去，而在切割电极头(28)周围形成了等离子云。这种等离子云能够与物质的原子和分子发生反应，以定位要切割的物质(32)中的切割路径。

本发明中所述系统类似于与大气中空气阻抗相匹配的标准的射频发射系统，但是本发明中所述系统是与受激励切割电极头(28)周围的和谐等离子云相阻抗匹配、频率匹配、功率匹配且相调谐的系统。尽管本发明中所述系统类似于其他的电磁波发射系统，但该系统中以某种形式合并采用了许多种物理及化学原理，这种形式允许我们创造出一种新的在物质中可以获得有规则有效的切口的装置。

在本发明所述装置的受激励切割电极头(28)周围所产生的和谐等离子体形成了可见的有序的等离子云，该等离子云可以由本发明中所述的切割系统所激发、维持和改变。与其他等离子切割系统相比，本发明中所述装置中的包围在受激励的切割电极头(28)周围的和谐等离子还呈现出减弱的原子颗粒混沌性及紊乱性，因此本装置具有明显不同的电子特性。

本装置中的等离子云所具有的和谐特性使得能量可以更好地聚集在要切入的路径上，而避免较少的能量溢出到要切入的路径之外。因此与典型的电切割系统相比，本装置可以在对预期的切口路径之外的物质形成更少挤压的情况下获得一种更有规则、更准确、更有效的切口。

尽管等离子体是宇宙中最普通的物质形式，但它是在地球上发现的四种类型的物质中最少见的一种。地球上存在的等离子体的例子有：焊弧、火花弧、氖光电弧、闪电放电所形成的不受控制的弧光、在电切割或电外科手术中见到的腐蚀性的等离子弧。等离子体也用于例如半导体刻蚀等领域中，但所利用的等离子体是由例如激光或精致的等离子刻蚀腔等昂贵的高能量消耗系统所产生的。我们利用典型的电切割或电手术外科器械所表现出的原子颗粒混沌及紊乱水平来作为定义等离子体中的原子颗粒紊流或混沌度增加或减小的一个相对标准。

本发明中所述系统是采用一种不昂贵的电子射频发生器/放大器系统来生、调节以及从一个切割电极头(28)发射出连续式或脉冲式的电磁场。脉冲式电磁场的周期时间可以变化，脉冲式的每个完整的通断周期可以小到0.000001秒。这种电磁场发生器系统的具体参数大体上是由沿着切割电极头(28)和要切入的物质间界面上的原子颗粒组成所确定的。本系统是利用沿着切割电极头(28)和要切入的物质(32)之间的界面上的原子来产生等离子云的，这完全不同于那种需要将一种可离子化的气体注入到要切口区域中然后再给注入的气体赋能而转化成等离子体。但是本发明中所述等离子切割系统可以在切割电极头(28)的范围内注入一些补充性的可离子化气体，以便于加速切割过程。本发明并不需要用于发射切割电极头的复杂的设计，也不需要例如托卡马克或回旋加速器等精细的等离子控制装置。

由本系统所产生的电磁波是一种辐射形式的电磁能量且可从本系统的受激励切割电极头(28)发射出去。还特别将辐射电磁能量调节得可与受激励切割电极头(28)表面上的原子和分子发生作用。由等离子切割电极头(28)处的原子颗粒作用及动力作用所间接产生的电磁频率在实现本系统的功能及效果方面起到了重要作用。所产生的基本电磁波的谐频常常在实现本系统的功能、动力学效果方面起到重要作用。辐射电磁能量与原子和分子间的作用包括热离子化和光电作用，这些作用使得处在要切入的物质(32)和切割电极头(28)之间界面处原子中的电子脱离了其所处的原子轨道。这一过程就使得原子和分子转变成离子和自由电子。自由的带电原子颗粒在空间中移动，直至与其他的电极表面原子发生碰撞，由此会将更多的电子撞出其原子轨道。重复这一过程，便形成了被称为雪崩效应的带电原子颗粒撞击的连锁反应，这种雪崩效应参与了受激励切割电极头(28)表面的等离子云的形成过程。

本发明中所述装置与切割电极头(28)周围的等离子云相阻抗匹配、频率匹配、能量匹配、相调谐。本装置对发射的电磁波形进行调节以能够以高耦合度、高效率将能量转换成等离子云，以便于使来自切割电极头(28)的能量最大程度地转换成等离子云，而使进入预期的切口路径周围物质内的电磁辐射能量损失最小。利用物理化学原理来控制等离子云的形状和特性，包括调整等离子云中的原子颗粒紊乱度。本发明中所述装置以这种方式产生了可将能量聚集在预期的切口路径上的和谐的可控等离子体，这完全不同于在典型电切割或电子外科手术器械中所见到的腐蚀性的不和谐等离子弧。这种和谐等离子云具有比典型的电切割或电子外科手术系统更低的原子颗粒紊乱度，因此本发明中所述系统可以完成比典型的产生不和谐等离子弧的电切割或电子外科手术系统效率更高的切割作用。

利用电磁场来调整原子颗粒的顺序扩展到了电子、物理和化学领域。在现代科技甚至包括用于发电的涡轮发电机中都经常利用电磁场来使原子颗粒更有序。同样核磁共振(NMR)装置也利用了磁场来使随机排列的原子颗粒(原子颗粒的混沌或无序度较高)变成定位在磁场平面内的原子颗粒(原子颗粒的混沌或无序度较低)。与此类似，本发明中所述装置也是利用具有阻抗匹配、频率匹配、能量匹配及相调谐的电磁波来激励、维持和调节切割电极头(28)周围的等离子云同时降低等离子云中原子颗粒的解体及混沌度。以这种方式对包围在本发明的切割电极头(28)周围的等离子云中的原子颗粒进行调节，以便具有比典型电切割系统中的等离子弧更低的原子颗粒混沌度和更高程度的颗粒有序性，因此本发明中所述装置可以形成和谐的等离子云。

我们可以把典型电切割或电子外科手术器械所具有的原子颗粒紊乱及混沌水平作为一个用来确定和表示等离子云中的原子颗粒紊乱或混沌度是增大还是减小的相对标准或基点。

电磁波频率效应与电磁波功率或场强是彼此相关的且呈现动态的变化。核磁共振教导我们：当原子颗粒的进动频率和辐射电磁能量的频率发生共振时，进动的原子颗粒可以吸收辐射的电磁能量。换句话说，核磁共振表明当原子颗粒与辐射电磁波频率相匹配时就会发生对电磁能量的充分吸收。本发明中所述装置也表明关于本发明的发射电磁波与组成切割电极头(28)周围等离子云的原子颗粒特性之间频率匹配重要性的一种类似的关系。

核磁共振还教导我们：原子颗粒进动频率可能与原子颗粒所处磁场强度直接相关。因此所采用的磁场越强则达到能量充分吸收所需的共振所需要的电磁场频率就越高。同样地当我们从赤道向北极或南极的任一个地球磁极移动时，地球电离层的“D”和“E”层中的电子回转频率就会增加。这一原理与本发明中所述装置所表现的场强和电磁频率之间的关系进而就是其所发射的电磁波与组成切割电极头(28)周围等离子云的原子颗粒间的功率匹配和频率匹配中所包含的科学原理相同。但是，本发明中所述电磁场发生器系统所具有的各个参数大体上可随要切入的不同类型的具体物质而变化，主要取决于沿切割电极头(28)和要切入的物质(32)间界面中的原子颗粒组成情况。

在所发射的电磁波与发射元件周围的分子组成之间存在着很强的相关性。无线电报员Ham利用了一个被称为驻波比的度量单位来表征发射入大气中的电磁波功率的百分比。Ham无线电单元可以对其所发射的电磁波进行调节，以使发射到大气中的电磁能量的百分比最大化。本发明中所述装置与此相类似，这是由于该装置通过阻抗匹配与输出调节网络来使所发射的电磁辐射最大化，其中所述的阻抗匹配与输出调节网络可提供紧密耦合以高效率地将电磁波能量转换成包围在切割电极头(28)周围的等离子云。以这种方式，本发明中所述装置就可有效地将辐射电磁能量转换成切割电极头(28)周围的等离子云。

弧光是不和谐等离子流的一种形式，表示着在等离子中存在着不受控制的紊乱的离子化原子颗粒流，由此便增加了等离子中原子颗粒的混沌及紊乱程度。由例如核磁共振(NMR)等其他领域中可看出：仅仅通过减小切割端功率本身是不可能大大改进等离子的和谐性的，这是因为仅仅通过这种方法是不会大大降低组成等离子弧的离子化原子颗粒流的紊乱或混沌度的。与物质的其他形式相同，等离子具有包含大范围的温度、密度、流动性、原子颗粒成份等各种物理特性。在地球上的例如焊弧、火花弧、氖光电弧、闪电弧光、电切割或电外科手术弧光等很多领域中都会发现等离子弧。典型电切割等离子弧中的原子颗粒紊乱的大体强度就代表着一种形式的高品质原子颗粒混沌度，其中原子颗粒混沌所具有的不受控制的特性是由等离子云中紊乱的原子颗粒流所造成的。这种形式的等离子就是不和谐的等离子，当利用它来切割时就会造成大量发热或出现大量能量溢出到预期的切口路径之外的物质中去。溢出到预期的切口路径之外物质中的能量会造成能量泄露、热泄露，还会损伤周围物质。本发明中所述装置通过大大降低等离子云中的原子颗粒紊乱度而使典型等离子弧最小化，并由此产生出和谐的等离子云。

随着电磁场穿过受激励的切割电极头(28)周围的和谐等离子的薄层，电磁场会缓慢地降低其幅度。最后，电磁场将完全穿过等离子云而接触到预期的切口路径之外的物质，也就是在切割等离子云周围的物质。按照隧道的物理化学原理，所产生的电磁波会遇到与其频率及阻抗不匹配的壁垒，电磁波的大部分剩余能量就会反射回到和谐的等离子云中。反射回去的电磁能量将进一步激励等离子云中的分子颗粒，这样就可减少必须由电磁波发生器系统所发射的输出能量。这一过程也会使总的电磁辐射量透射到切口路径之外的物质，与之反应并存在对其造成损伤的潜在辐射泄露的百分比达到最小化。

可利用本装置中所产生磁场的向心力来控制和谐等离子云与受激的切割电极头(28)表面内的原子颗粒之间的距离。当单个的离子化的颗粒可以同时振荡、振动、自旋和/或旋进时，离子化颗粒就可在磁场中以螺旋轨迹行进。另外，在本发明所述装置中还用到了在例如等离子物理等领域中已采用了多年的收聚效应。我们就可以此方式通过利用实心的或中空的发射切割电极头(28)来对和谐等离子云进行压缩、定形、整形和控制。我们还可利用在例如核物理中已采用了的磁瓶效应来捕集和容纳经压缩的等离子云，而不需要实心物质容器了，这样就可避免使用中空或带有空腔的切割端探头来捕集和控制等离子云了。通过增加和谐等离子云中的原子颗粒的密度就可大大增加等离子云功率密度，进而就可以改进等离子云的切割效率及其功率。

另外，通过压缩等离子云就可大大减小等离子云的横截面直径，进而就可减小预期的切口路径的宽度，同时还可使对预期的切口路径之外的物质造成的负作用或潜在反向挤压最小化。一旦切断电磁波发生器系统的电源，和谐等离子云的能量水平就可迅速衰减到使组成等离子云的原子颗粒无法维持在公知的等离子云物质状态的一点。结论、衍生结果及范围

因此读者会看到：采用这种特别调谐电磁波来产生形状、轮廓、功率密度及物理特性都是可控的和谐的等离子云，将使我们获得一种效率更高、控制性更强、伤害更小、成本效果更好的切割物质的方法。

典型的电切割或电子外科手术器械是利用非充分的传统电阻性透热法来切割物质的，而本发明所述射频发生器系统是利用其经发射调节的功率来产生和维持一薄层包围在切割电极头周围的和谐等离子云来切割物质的。因此本发明中所述装置工作所需能量低于典型电阻性电切割或电子外科手术系统所需能量。本发明中所述装置是通过利用切割电极头周围的和谐等离子云与要切入物质间的相互作用来切割物质的。也就是利用一个受激励切割电极头周围的可控和谐等离子原子颗粒来切入物质的。另外，本发明中所述的等离子切割装置还具有以下优点：

产生等离子成本低；

产生等离子的效率高；

产生的等离子是可控的；

所产生的等离子可切入实心物质；

利用了公知的物理原理来使辐射电磁能量向所产生等离子云的转换效率最大化；

利用了公知的科学原理来使辐射电磁能量可与正在振荡、振动、自旋和/或旋进的原子颗粒相作用并激励、供给原子颗粒能量；

可使所产生等离子云的原子颗粒混沌及紊乱度低于典型等离子切割器械中所产生的原子颗粒混沌及紊乱度，所以可以形成和谐的等离子云；

切入物质时可使切口路径中所涉及的物质层更薄；

可利用物理化学中的隧道效应来使切口路径之外的物质免受电磁辐射即可切入物质，而不需要使用由各种形式的物质所制成的防护物；

利用了磁瓶效应来捕集在切割电极头周围所形成的等离子云；

利用了收聚效应来对等离子云的形状及密度进行收聚、定形和控制，而不需要使用大的容器腔来包裹所产生的等离子云；

不需要复杂的发射切割电极头的设计；

不需要例如托卡马克或回旋加速器等精细的等离子控制装置；

在物质中获得的切口是不昂贵、有规则、有效率、安全且可控的。

尽管以上描述包含了许多详细说明，但所述内容不应解释为对本发明范围的限制而仅仅是对本发明的一些优选实施例进行阐明。因此本发明范围应由所附权利要求及其合法等同物而不是由所给出的实施例来确定。

Claims (20)

1.一种利用等离子进行切割的装置，包含以下装置：

射频信号发生器，用于产生射频能量；

阻抗匹配与输出调节网络，用于对所述射频能量进行调节；

用于将所述射频能量输入到一个发射切割电极头中的装置；

用于从所述受激励的发射切割电极头的表面向外形成一个电磁场的装置；

用于形成包围在所述受激励切割电极头周围的等离子云的装置，其利用对沿所述受激励发射切割电极头和所述要切入物质之间界面的原子颗粒进行激励来产生等离子云，而并不需要向所述受激励发射切割电极头周围空间注入可离子化的气体，但通过向所述受激励发射切割电极头周围空间注入可离子化的气体会增强所述等离子云；以及

通过使所述电磁场中的能量高效率地传递到沿所述受激励发射切割电极头和所述要切入物质之间界面的所述原子颗粒中去的方式来维持所述等离子云的装置，

其中，所述阻抗匹配与输出调节网络使所述辐射电磁场与所述等离子云相阻抗匹配、频率匹配、功率匹配和相调谐；并且

所述阻抗匹配与输出调节网络使系统输出功率、电磁场频率和电磁场阻抗匹配，以使所述等离子切割装置与沿切割电极头表面的原子颗粒相调谐。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述用于形成电磁场的装置以射频信号发生器开始，所述射频信号发生器能产生其频率在电磁频谱中被称为射频频谱的电磁波。

3.如权利要求1所述的装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络通过一个信号门将所述射频信号发生器所产生的射频波传播到一个脉冲串式工作循环发生器或一个连续式自激发生器。

4.如权利要求3所述装置，其中，所述电磁场包括连续电磁波或脉冲电磁波。

5.如权利要求1所述的装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络包括一个具有固定或变化增益的功率放大器。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络调节和调整例如阻抗之类的所述射频信号特性，以使从所述发射切割电极头发射出去的信号最大化同时使反射回到所述装置的信号最小化。

7.如权利要求1所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络将输出信号引导到通过一个波导且使之在到达所述切割电极头之前进入一个切割发射机头。

8.如权利要求1所述装置，其中，所述受激励发射切割电极头包含一个最好是实心端但也可以是中空或半中空的导电的或半导电的物体。

9.如权利要求8所述装置，其中，所述受激励发射切割电极头具有最好为线形或大体为曲线形的设计，但所述受激励发射切割电极头也可以为非具体的形状甚至可以为环形。

10.如权利要求1所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络减少所述等离子切割装置的功率要求。

11.如权利要求1所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络降低沿所述发射切割电极头表面的等离子云中的原子颗粒的紊乱及混沌度。

12.如权利要求11所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络用于发展包围在所述发射切割电极头表面的和谐等离子云，由此等离子云中的原子颗粒组份就可大大降低其原子颗粒的紊乱及混沌度。

13.如权利要求1所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络用于发射由所述等离子切割装置所产生的电磁波总能量的大部分且能将其转换成所述等离子云，而且，当所述电磁波到达预期的切割路径之外及超出所述包围在切割电极头周围的等离子云的物质时，可使所述电磁场残余能量的大部分反射回到所述等离子云中。

14.如权利要求13所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络使得从预期的切割路径之外物质反射回去的电磁波能量进一步激励所述等离子云，由此可进一步降低为了产生和维持所述等离子云而需由所述切割电极头所发射的总输出功率。

15.如权利要求1所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络利用所述切割电极头所发射的电磁场来控制所述等离子云中原子颗粒与所述受激励发射切割电极头表面之间的距离。

16.如权利要求15所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络无需使用实心物质限制或限制容器来捕集和限制所述切割电极头周围的等离子云。

17.如权利要求15所述装置，其中，所述阻抗匹配与输出调节网络对切割电极头周围的等离子云的形状和密度进行捕集、压缩、成形和控制。

18.如权利要求17所述装置，其中，所述装置还包括在减小等离子云的横截面直径和减小等离子切割装置切入物质中的预期的路径宽度的同时增加包围在切割电极头周围的等离子云能量密度的装置。

19.如权利要求1所述装置，其中，所述的用于将所述射频能量输入到一个发射切割电极头中的装置包括用于基于例如原子颗粒进动、振动、自旋、振荡等组成等离子云的原子颗粒特性的不同，以及基于组成等离子云的原子颗粒的不同类型和原子颗粒的不同组成比率，根据适应于原子颗粒可变的物理参数及其特性所需要的可变的系统条件，根据系统规格来选择改变例如阻抗、波形频率、系统输出功率等电磁波的特性的装置。

20.一种等离子装置，包括：

射频信号发生器；

耦合到射频信号发生器的调节网络，用于产生调节的射频能量；

耦合到调节网络的电极，其中，所述经过调节的射频能量被耦合到所述电极，用于产生并且保持在所述电极附近的电磁场，所述电磁场与靠近所述电极的原子颗粒结合作用，以形成围绕所述电极的等离子云，

其中，所述调节网络使所述电磁场与所述等离子云匹配以便将所述等离子装置与所述原子颗粒相调谐。