CN1277546A - 用特殊调振射频电磁场发生器的物体等离子云切割方法 - Google Patents

Abstract

一种用调谐等离子云对物体进行切割的方法。一种廉价的射频信号发生器和功率放大器产生从发射器切割探头发送的电磁波。此电磁波阻抗匹配、频率匹配并且功率匹配,以发出和保持低原子粒子湍流和扰动的谐调等离子云。所述谐调等离子云形成覆盖受激励的发射器切割探头表面的包覆层并且起减少功率放大器的功率输出要求的作用。本发明还采用电磁波产生物理学中的夹紧效应压缩、成形整形和控制谐调等离子云。还进一步利用电磁波根据物理学中的磁瓶效应捕获和限制受压缩的等离子云,而不需要实体的限制容器。利用物理化学中的隧道原理放大送往谐调等离子云中的能量,同时把预定切割路径周围的物体与潜在的辐射侵蚀屏蔽开。本系统提供有效的高效益的、安全、干净和廉价的物体切割方法。

Description

用特殊调振射频电磁埸发生器的 物体等离子云切割方法

本发明涉及用调谐等离子云对物体进行切割的方法，尤其是用射频信号发生器系统发射的电磁能量波诱发和保持的谐调等离子云，所述射频信号发生器系统与构成谐调等离子云的原子粒子阻抗匹配、频率匹配且功率匹配，所述谐调等离子云覆盖受激励的发射器切割探头。

多数切割都用坚硬的实体刃具进行，如钢刃具、蓝宝石刃具、金钢石刃具等。这些切割都是靠坚硬物体锋锐的刃口对受切割物体表面的磨擦性物理作用进行的。这些力图用一种坚硬物体割开另一种坚硬物体的纯实体方法效率不高，因此在受切割物体极为坚实致密时遇到明显的阻力而效率低下。因此，其它的方法诉诸于电子发生切割、电切割、或者称电手术等。以这样的方法切割物体，在受切割物体的欧姆阻抗因为介电滞后及涡流之类的现象产生热效应的同时，电诱发的弧会烧灼物体或者使物体挥发。上述的前两个现象产生一种称为透热的效应，结果可以产生起切割物体作用的物理反应。这个方法由于其下列缺点得到的应用有限，包括会对预定切割路径外侧的物体造成广泛损伤、产生烧灼、焦黑并常伴有难闻的烟气。因为在切割端部产生切割作用所需要的高功率加重了传统电切割的低效率，所述功率往往超过50瓦特。传统电切割装置所要求的相对高的输出功率是这些装置的效率不高造成的，因为它们以传统的电阻透热和不稳定的、不聚焦的等离子弧的结合为工作原理。

激光也用于切割，但是激光切割价格不菲并且需要很大的系统输入功率产生功率足够的激光束以切割物体。技术上已经采用激光发生等离子的方法，并应用于微电子领域的蚀刻工艺等方面。

等离子弧可以在焊接弧、火花塞弧、放电电弧、氖光灯弧和电刀弧等领域中出现。弧在本质上是一种不谐调等离子流，表现为无控制的等离子体内的电离原子粒子的湍流以及等离子体内的原子粒子扰动增大。等离子弧内的原子粒子湍流代表一种原子粒子扰动，而且原子粒子扰动的无控制性在物体的预定切割路径之外中造成大量的能量泄露，从而产生过热。在物体的预定切割路径周围的物体中发生的能量泄露侵蚀在周围物体上并损伤周围物体。仅仅降低切割端的尖端功率，因为不能大大地减少构成等离子弧的电离原子粒子湍流，所以本身不能显著地改善等离子体的调谐性。从而，本发明采用一系列物理化学原理减少不谐调等离子弧。本发明通过减少等离子云内的原子粒子的扰动减少不谐调等离子弧，大大减小等离子云中的原子扰动，从而产生谐调等离子云。谐调等离子体以更有控制、有效和安全的方式进行切割，因为谐调等离子云中的原子粒子成分以更稳定、平衡和受控制的状态存在，比不谐调等离子云有更高度组织而且原子粒子扰动低。通过利用物理学的夹紧效应，根据本发明的谐调等离子云进一步被压缩、受控制、有轮廓并易于整形。然后本发明的压缩等离子云通过物理学公知的并用于核物理领域的磁瓶现象捕获和控制。

本发明是产生一种在等离子云中原子粒子湍流小的谐调等离子云的方法，从而在等离子体中呈现低原子粒子扰动的状态。物理学定义了四种物态：固态、液态、气态和等离子态。虽然在地球上等离子体的例子并不常见，但是宇宙主要是由等离子体组成。本发明的等离子云由一种低价的类似于商用无线电发射机的射频信号发生器和放大器产生的。本发明的电磁波发生器系统要求的输入功率低，这是部分地通过切割发送探头与谐调的等离子云阻抗匹配、频率匹配和系统功率匹配实现的。受激励的发射器切割端头产生一种等离子云，此等离子云在受激励的发射器切割端头的表面形成一个包覆层。本发明的发射器切割探头优选地是固体的非空心导体，但是也可以采用空心的发射器探头。在激励本发明的射频电磁波发射器时，根据物理学上的集肤效应，电子流主要地发生在发射器或者说切割端头的外表面。通过受激励的切割发射器端头的射频电磁波与包绕切割电极端头的等离子云的阻抗匹配，本发明产生紧密耦合的能量传输系统，其中高百分比的总电磁波功率发送到等离子云中，仅有低百分比的总电磁波能量反射回受激励的发射器切割探头。此概念与标准的无线电发射机天线与环境空气的阻抗匹配类似。

电弧在本质上是一种不谐调等离子流的形式，表现为不受控制的等离子体内电离原子粒子的湍流，导致等离子体中原子粒子的扰动加剧。单纯地降低切割头功率，因为没有大大地减少构成等离子弧的电离原子粒子的湍流，不能显著地改善等离子体的谐调性。等离子弧中的电离原子粒子的湍流代表了一种原子粒子扰动形式，原子粒子扰动的无控制性引起大量的能量泄露到预定切割路径之外的物体中，由此可以产生过热。这种泄露到在物体中预定切割路径周围物体中的能量，引起热侵蚀和辐射侵蚀，导致对周围物体的损伤。本发明通过减少等离子云中的原子粒子湍流减少等离子弧，从而大大地降低等离子云原子粒子扰动，以此产生谐调的等离子云。

产生了谐调的等离子云后，可以通过利用有源发射器切割端头发送的电磁波，应用物理学的夹紧效应对所述等离子云压缩、控制、形成轮廓并整形。然后本发明的压缩等离子云通过物理学公知的并用于核物理的磁瓶现象捕获和控制。这使我们能够通过压缩、聚集和捕获所述谐调的等离子云来降低切割电极的等离子包覆层厚度。这个效果因此使我们能够增加覆盖在切割端头上的谐调等离子云的密度，增加了等离子云的原子粒子密度就增加了等离子云能量密度。这从而能够提高切割物体的效率并降低切入物体的切割线宽度。在根据本发明产生的电磁波穿过等离子包覆层后，碰到与电磁波阻抗匹配不好的、谐调等离子云周围的物体。因此大百分比的总电磁波发射能量反射回谐调的等离子云包覆层，只有小百分比的总电磁波辐射发送到周围的物体中。电磁辐射与物体的这种物理作用称为物理化学上的隧道效应。反射回谐调等离子云中的电磁波能量起进一步为等离子云的原子粒子供能的作用，从而进一步地降低了本发明电磁波发生器系统所需要的输出电磁功率。

增加等离子体的谐调性、增加谐调等离子密度、减薄受激励的发送切割探头上的谐调等离子体包覆层以及本发明产生的电磁波上的隧道效应结合起来得到高效率、预定切割路径中物体切割干净且向预定切割路径周围物体中的泄露的能量很少。减少向预定切割路径周围物体中泄露的能量，使得预定切割路径之外物体损伤显著地降低。根据物理原理，形成谐调等离子体以比在先切割方式更有效更干净地切割物体。

与传统的电切割机对比，本发明的电磁波发生器系统的振荡频率调谐到切割端头和受切割物体界面上的等离子云的分子振荡谐波分量。这个表面原子粒子薄层的动能因此极高，从而在切割电极的周围形成一个高能离子电子云。发射电磁波的发射器切割头内馈入的连续或者脉冲的射频波把等离子云中的分子向心地朝向切割探头吸引。这有效地在切割探头的表面上产生一个高度集中的谐调等离子体切割包覆层。本发明使我们能够不像等离子体灯和等离子体室的蚀刻系统中的等离子体发生装置那样向切割埸内注入可电离气体，就能产生切割等离子云。关闭电磁波辐射后，等离子体就迅速地释放能量，因此等离子云中的原子粒子失去保持等离子态所需要的能量。在受激励的电磁波探头与谐调的等离子云包覆层阻抗匹配、频率匹配和功率匹配的条件下用射频能量激励电极端头，可以产生一种用等离子体原子粒子的能量进行切割的等离子体刃具。发送的电磁波辐射与切割端头附近的等离子体的阻抗匹配和发射机天线的电磁波辐射与天线周围的空气之间的阻抗匹配类似。电磁波一经穿过等离子体层，它就进入了不在预定切割路径处的物体，因遭遇阻抗不匹配的物体而使发送的电磁波信号以物理化学的隧道效应原理所述方式受到高次数量级的衰减。所以，在预定的切割路径内切割的效率提高了，而在预定的切割路径之外受到高度地衰减，从而产生的电磁波辐射侵蚀、冲击、或者说对预定的切割路径外的物体的副作用极小。最终的结果是安全干净地切割物体。

综上所述，本发明的一些目的和优点是：

a)提供一种采用低价的射频信号发生器、放大器和发射器探头来产生、放大、和发送电磁波的切割方法。

b)采用一种固体的、非空心的导电射频发射器探头来产生、保持和控制等离子体。然而。发射器探头在结构上可以是完全空心的或者部分空心的。

c)由电磁埸发生器系统产生一种等离子切割刃具，它相对于现行的其它切割方法要求较少的系统输入功率。类似地，本发明的系统相对于现行其它切割方法要求的输出功率较低，平均输出功率甚至于可以低达1瓦特。

d)不用像等离子体灯和等离子体蚀刻系统中的等离子体发生装置那样向切割埸注入可电离气体，就可以产生等离子云。

e)通过电磁波发生器发出的能量与围绕和覆盖受激励发射器切割探头等离子云之间阻抗匹配，产生原子粒子扰动和湍流低的谐调等离子云。

f)通过电磁波发生器发出的能量与围绕和覆盖受激励的发射器切割探头的等离子云的原子粒子振扬分量之间频率匹配，产生原子粒子扰动和湍流低的谐调等离子云。

g)通过在电磁波发生器发出的功率与激励和保持谐调等离子云所需功率之间进行功率匹配，产生原子粒子扰动和湍流低的谐调等离子云。

h)产生电磁波发生器能量向包绕和覆盖受激励的发射器切割探头的等离子云中紧耦合的、高效的传输，从而降低激励和保持受激励的发射器切割探头周围的等离子云所需要的射频信号发生器/放大器输出功率。

i)利用称为夹紧效应的物理原理对覆盖受激励的发射器切割探头的谐调等离子云进行聚集、压缩和整形。

j)应用称为磁瓶效应的物理原理捕获和控制所述谐调等离子云，并从而无须用实体容器拘束等离子云。

k)应用隧道效应的物理化学原理反射由受激切割发射器端头发射的、来自谐调等离子云周围物体的电磁波，使之折回受激励的发射器切割端头周围的等离子云中。以此方式，本发明应用隧道效应产生一种电磁屏蔽，大幅降低发送的电磁波穿入预定的切割路径之外物体。这达到了降低辐射侵蚀的潜在副作用。而且，反射回等离子云的电磁波辐射起到了进一步为等离子云提供能量的作用，从而进一步降低了电磁波发生器系统所需的输出功率。

l)采用聚集在受激励的发射器切割端头周围的谐调等离子云，把切割用等离子体的动能集中在一个较薄的切割路径上，以对物体进行分立而干净的切割，对预定的切割路径之外物体的冲击或者说副作用极小。

m)提供一种不同于刀刃具之类的纯实体能量切割的技术方法，同时提供比现行的其它切割形式如激光切割更有效、更干净、更经济的方法。

本发明的物体切割方法不同于一切在先切割方法。本发明采用低价的电子射频信号发生器/放大器系统产生脉冲或者连续的射频电磁波，把电磁波导入切割头然后从发射器切割探头发送。本发明的切割探头优选地是固体的，非空心导体，但是也可以采用部分或者完全空心的发射器探头。本发明的系统与和周围空气阻抗匹配的标准无线电发射机相似，并且本发明的系统与受激励的发射器切割电极端头周围的谐调等离子云阻抗匹配、功率匹配而且谐振。

等离子体是宇宙中最丰富的物质形式，但是在地球上是最不丰富的物质形式。地球上等离子体的例子包括：电弧焊、火花塞弧、氖光灯弧和闪电的周围弧、还有电手术刀等领域中出现的烧灼弧。等离子体还可见于半导体蚀刻等领域中，但那里等离子体是由高价高能耗的系统产生的，例如激光器或者精密的等离子蚀刻室。

本发明采用低价的电子射频信号发生器/放大器系统从受激励的发射器切割电极端头发送连续的或者脉冲的射频电磁波。此电磁埸发生器系统的具体参数很大程度上取决于沿发射器切割电极端和待切割物体之间界面上的原子粒子成分。本发明的系统利用沿发射器切割探头界面的原子产生等离子云，与那些需要向切割埸内注入可电离气体靠此供能转化为等离子体的系统相反。本发明的发射器切割探头优选地在结构上是直线的或者曲线的，但是发射器端头电极的形状不必要在构形上是特定的，甚至于可以是环形的构形。本发明的系统是阻抗匹配、频率匹配和输出功率匹配的，以产生和维持覆盖受激励的发射器切割探头的谐调等离子云，从而极大地降低了发生在切割端头和受切割物体界面上的传统的等离子弧。

电弧在本质上是一种不谐调等离子流的形式，并且表现为无控制的等离子体内电离原子粒子的湍流，引起等离子体内的原子粒子扰动增加。单纯地降低切割头功率，由于不能大大地减少构成等离子弧的电离原子粒子的湍流，本身并不能显著地提高等离子体的谐调性。较之其它形式的物体，等离子体具有广泛的物理特性，包括广泛的温度、密度、流动特性、原子粒子成分等。在世上，等离子可见于焊接弧、火花塞弧、放电弧、氖光灯弧、电手术刀弧等领域中。等离子弧中的高度原子粒子湍流表现为原子粒子扰动的形式，而等离子云中的原子粒子的湍流造成原子粒子扰动的无控制性。这种等离子体的形式表现为不谐调的等离子体并产生过热及大量的能量泄露到预定的切割路径之外的物体中。这种泄露到预定的切割路径之外物体中的能量引起对周围物体的能量侵蚀、热侵蚀和损伤。以此方式，本发明通过减少等离子云中的原子粒子湍流和扰动减小等离子弧，从而产生谐调的等离子云。

随着电磁埸穿过受激励的发射器切割探头周围的谐调等离子体覆盖薄层，电磁埸缓慢地受到衰减或者产幅度下降。最后，电磁埸会完全地穿过等离子云而遭遇到包绕切割等离子云的预定切割路径之外的物体。根据物理化学中的隧道原理，发生的电磁波然后遭遇到一个与它没有谐振的，或者说与之阻抗不匹配的障碍，从而大百分比的总电磁波能量反射回谐调等离子云中。这种反射回谐调等离子云中的电磁波能量起进一步为等离子云中的分子粒子提供能量的作用，从而进一步降低了电磁波发生器系统需要发送的输出功率。这个过程还减少穿入预定的切割路径之外的物体、与之反应并呈现潜在的辐射侵蚀损伤的总电磁辐射的百分比。

本发明产生的磁埸的向心力用于控制谐调等离子云中的原子粒子与受激励的发射器切割电极端头之间的距离。为此，在等离子物理等领域中使用了多年的夹紧效应被应用于本发明的系统中。以此方式本发明能够用实心的或者空心的发射器切割探头压缩、成形、整形和控制谐调等离子云。本发明还采用原用于核物理等领域中的磁瓶效应捕获和限制受压缩的等离子云，而不需要实体的限制容器，从而不再需要用空心的或者说腔式的发射器探头捕获和控制等离子体。提高谐调等离子云中的原子粒子密度使我们能够增加等离子云的功率密度，从而提高提高切割效率和等离子云的威力。

而且，对等离子云的压缩减少了等离子云的截面直径，从而不但减少了预定切割路径的宽度也减少了对预定切割路径之外物体的潜在的不利冲击或者说副作用。一旦切断了电磁波发生器系统的电源，谐调等离子云的能量就会迅速地衰减至构成等离子云的原子不能维持称为等离子体物态的水准。

因此读者可以理解，采用特定的调谐电磁波产生形状和轮廓受控制的谐调等离子体使我们能够得到更有效、更有控制、以较少的毒性和更有经济效益的物体切割方法。

尽管以上的说明具有许多的特定性，但是，不应认为是对本发明的范围的限制，而是仅提供本发明的优选实施例的解说。因此，本发明的范围应当由权利要求书及其法律等效物确定，而不是由给定实施例确定。

Claims (18)

1.一种用等离子体切割物体的方法，包括下列步骤：

采用一个含有射频信号发生器和功率放大器的电子系统，

产生射频能量，

把所述射频能量馈入一个有源的发射器切割电极端头，

从所述有源的发射器切割电极端头的表面向外产生一个电磁埸，

通过激励沿所述有源的发射器切割电极端头内表面与所述受切割物体之间界面上原子粒子，产生一个覆盖所述有源的发射器切割电极端头的等离子云，不需要向所述有源的发射器切割电极端头周围空间注入可电离气体，然而所述等离子云可以由向所述有源的发射器切割电极端头周围空间注入可电离气体加强，

通过电磁波向沿所述有源的发射器切割电极端头与所述受切割的物体之间界面上的原子粒子高效率地传输能量来维持所述等离子云，和

利用包围所述有源的发射器切割电极端头的所述等离子云切割物体以产生对所述物体的安全、干净、高效率和高效益的切割。

2.权利要求1所述方法，其特征在于，所述构成所述有源的发射器切割电极端头的步骤包括优选地用固体的端头的导体或者半导体构成，但是也可以是完全或者部分空心的端头。

3.权利要求1所述方法，其特征在于，所述构成所述有源的发射器切割电极端头的步骤包括优选地用直线的或者曲线的构形，但是可以是非特定的构形，甚至于可以是环形的构形。

4.权利要求1所述方法，其特征在于，产生所述电磁波的步骤包括产生连续的电磁波的步骤。

5.权利要求1所述方法，其特征在于，产生所述电磁波的步骤包括产生脉冲的电磁波的步骤。

6.权利要求1所述方法，其特征在于，产生所述等离子体的步骤包括使由所述射频信号发生器和放大器发出的所述射频能量与覆盖所述有源的发射器切割电极端头的所述等离子云阻抗匹配、频率匹配和功率匹配。

7.权利要求6所述方法，其特征在于，进一步包含产生高效的紧耦合的从所述射频信号发生器和功率放大器向沿所述有源的发射器切割电极端头表面的所述等离子云中的原子粒子传输所述射频信号能量的步骤。

8.权利要求7所述方法，其特征在于，进一步包含匹配所述射频信号发生器和功率放大器而产生和维持谐调等离子云所需的输出功率的步骤。

9.权利要求6所述方法，其特征在于，进一步包含减少沿所述有源的发射器切割电极端头的所述等离子云中的原子粒子湍流及扰动的步骤。

10.权利要求9所述方法，其特征在于，进一步包含增强覆盖所述有源的发射器切割电极端头表面的所述谐调等离子云的步骤。

11.权利要求6所述方法，其特征在于，进一步包含使由所述射频信号发生器和放大器发生的所述电磁波总能量的高百分比能够经所述等离子云传输的步骤，但是，根据物理化学中的隧道原理，在所述电磁波到达所述等离子云和所述受切割物体之间的界面时，所述电磁波总能量的高百分比能够反射回所述等离子云中。

12.权利要求11所述方法，其特征在于，进一步包含使所述电磁波的反射能量能够进一步为所述等离子云供能的步骤，从而降低所述射频信号发生器和放大器发生的为产生和维持所述等离子云所需要发送的能量输出。

13.权利要求11所述方法，其特征在于，进一步包含把预定切割路径周围的所述物体与所述电磁波的能量屏蔽开的步骤，从而使所述预定切割路径外的所述物体免受辐射侵蚀。

14.权利要求1所述方法，其特征在于，产生所述等离子云的所述步骤包括利用本发明的发送电磁波来控制所述等离子云中的原子粒子与所述有源的发射器切割电极端头表面之间的距离。

15.权利要求14所述方法，其特征在于，进一步包含根据物理学的夹紧效应利用所述发送的电磁波捕获、压缩、成形和控制所述等离子云的形状和密度。

16.权利要求15所述方法，其特征在于，进一步包含增加所述等离子云的密度而同时减少所述等离子云的横截面直径和所述预定的物体切割路径的宽度的步骤。

17.权利要求14所述方法，其特征在于，进一步包含，根据物理学的磁瓶效应通过利用所述发送的电磁波捕获和控制所述等离子云步骤，而这不需要用实体限制容器或向所述有源的发射器切割电极端头周围的空间注入所述可电离气体。

18.权利要求1所述方法，其特征在于，产生所述电磁波的步骤包括按照构成所述等离子云的所述原子粒子中的不同要求以及改变所述等离子云的物理参数的能力、有选择地改变所述电磁波的频率和功率的步骤。