JP2010536124A - Cathode assembly and method for pulsed plasma generation - Google Patents

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Abstract

パルスプラズマ生成のためのカソード組立体および方法が開示される。カソード組立体は、長手方向に位置合わせされ、好ましくは、同径であり、長さの異なる複数のカソード(10、20、30)に接続されたカソードホルダー(2)を備える。方法は、所定の大きさのDC電流を通すことにより組立体の中のカソード(10、20、30)とアノード(4)との間に電気アークを形成することによって特徴付けられる。アークが作られると、電流は電気アークを持続するために十分な大きさまたは僅かに大きい大きさに低減され、それによって、アークアタッチメントの領域を単一のカソードに縮小する。アタッチメントの領域が縮小されると、電流はパルスの動作レベルまで増加されるが、アタッチメントの領域は著しく増大しない。
【選択図】図2
A cathode assembly and method for pulsed plasma generation is disclosed. The cathode assembly comprises a cathode holder (2) aligned in the longitudinal direction, preferably of the same diameter and connected to a plurality of cathodes (10, 20, 30) of different lengths. The method is characterized by forming an electric arc between the cathode (10, 20, 30) and the anode (4) in the assembly by passing a predetermined amount of DC current. As the arc is created, the current is reduced to a magnitude that is sufficient or slightly larger to sustain the electric arc, thereby reducing the area of the arc attachment to a single cathode. When the area of attachment is reduced, the current is increased to the operating level of the pulse, but the area of attachment does not increase significantly.
[Selection] Figure 2

Description

本発明はプラズマ生成装置のカソード組立体、および、プラズマ、特に、パルスプラズマを生成する方法に関する。   The present invention relates to a cathode assembly of a plasma generator and a method for generating plasma, in particular pulsed plasma.

パルスと比較的に短時間のオフ期間とをもつパルスプラズマの生成は、独特の一連の課題を提示する。現在公知のプラズマ生成装置には、これらをパルスプラズマを生成するために利用することが実用的でないいくつかの制限がある。   The generation of a pulsed plasma with a pulse and a relatively short off period presents a unique set of challenges. Currently known plasma generators have several limitations that make it impractical to use them to generate pulsed plasma.

一般に、プラズマ生成装置はカソードおよびアノードを備える。典型的に希ガスであるプラズマ生成ガスは、カソードとアノードとの間をアノードを通過して長手方向に延在するチャンネルの中を流れる。プラズマ生成ガスがプラズマチャンネルを横断するとき、プラズマ生成ガスは、カソードとアノードとの間に作られた電気アークによって加熱され、プラズマに変換される。プラズマチャンネルの部分は1つ以上の中間電極によって形成されてもよい。   In general, a plasma generator comprises a cathode and an anode. A plasma-generating gas, typically a noble gas, flows in a channel extending longitudinally through the anode between the cathode and the anode. As the plasma generating gas traverses the plasma channel, the plasma generating gas is heated by an electric arc created between the cathode and anode and converted to plasma. The portion of the plasma channel may be formed by one or more intermediate electrodes.

プラズマの生成は3つの段階で起こる。スパーク放電と呼ばれる第1の段階は、電気スパークがカソードとアノードとの間で作られるときに起こる。グロー放電と呼ばれる第2の段階は、電気スパークの中で負に帯電した電子の運動の結果として形成された正に帯電したイオンがカソードに衝突するときに起こる。アーク放電と呼ばれる第3の段階は、カソードの部分がイオン衝突によって十分に加熱された後に起こり、このイオン衝突はプラズマ生成ガスを加熱するためカソードとアノードとの間で電流を持続するために十分な個数の電子を放出し始める。電気アークは、プラズマを形成するプラズマ生成ガスを加熱する。高温プラズマが生成されるたびに、プラズマ生成ガスは3つの段階のすべてを経なければならない。   Plasma generation occurs in three stages. The first stage, called spark discharge, occurs when an electrical spark is created between the cathode and anode. The second stage, called glow discharge, occurs when positively charged ions formed as a result of the movement of negatively charged electrons in the electric spark strike the cathode. The third stage, called arc discharge, occurs after the portion of the cathode has been sufficiently heated by ion bombardment, which ion bombardment is sufficient to sustain a current between the cathode and anode to heat the plasma generating gas. Begins to emit a large number of electrons. The electric arc heats the plasma generating gas that forms the plasma. Each time a hot plasma is generated, the plasma generating gas must go through all three stages.

従来技術の装置では、起動時に、カソードとアノードとの間を通る電流は、所望の動作レベルまで単に増加させられる。しかし、この急速に増加した電流は、スパーク放電段階およびグロー放電段階の間では持続させられない。アーク放電段階に達し、カソードがこのような電流を支持するために十分な速度で電子の熱イオン放出を始める場合に限り、印加された動作レベル電流がカソードとアノードとの間に流れ始める。カソードが、高い動作レベルの電流を維持するために十分に高い速度で電子を熱イオン放出し始める前に、このような電流をカソードの中に通すことを試行すると、カソードにストレスを加え、比較的少ない回数の起動後、最終的にカソードの破壊を引き起こす。   In prior art devices, at start-up, the current passing between the cathode and anode is simply increased to the desired operating level. However, this rapidly increased current is not sustained between the spark discharge phase and the glow discharge phase. The applied operating level current begins to flow between the cathode and anode only if the arcing phase is reached and the cathode begins to emit thermal ions of electrons at a rate sufficient to support such current. Attempting to pass such current through the cathode before the cathode begins to emit hot ions at a sufficiently high rate to maintain a high operating level of current, stress the cathode and compare After a small number of start-ups, the cathode will eventually be destroyed.

パルスプラズマの生成は、素早く連続したプラズマ生成装置の頻繁な起動を必要とする。例えば、皮膚治療において、パルスプラズマを使った単一セッションの治療は、数千個のパルスを、その結果として数千回の起動を必要とすることがある。プラズマ生成装置を起動する従来技術の方法は、カソードがセッション中に損傷されるかもしれないので、パルスプラズマ生成には適さない。   Generation of pulsed plasma requires frequent start-up of a rapid and continuous plasma generator. For example, in skin treatment, a single session treatment with a pulsed plasma may require thousands of pulses, resulting in thousands of activations. Prior art methods of starting the plasma generator are not suitable for pulsed plasma generation because the cathode may be damaged during the session.

現在、2つのタイプの装置がイオン化ガスのパルスの生成のため使用されることがある。特許文献1に開示された装置は、第1のタイプの例である。このタイプの装置では、コロナ放電が、窒素のようなプラズマ生成ガスを交番磁界の中に通すことにより生成される。交番磁界はガスの中で自由電子の速い運動を生み出す。素早く運動する電子はガス原子から他の電子を叩き出し、いわゆる電子なだれを形成し、この電子なだれが次にコロナ放電を引き起こす。電界をパルス状に印加することにより、パルスコロナ放電が生成される。数ある中でパルスコロナ放電を生成するこの方法の利点は、(1)流れの中に不純物が存在しないこと、および、(2)真にパルス状の流れの生成を可能にさせる短い開始時間である。本開示の目的から、真にパルス状の流れとは、パルスのオフ期間中に完全に止まる流れを表す。   Currently, two types of devices may be used for generating pulses of ionized gas. The apparatus disclosed in Patent Document 1 is an example of the first type. In this type of device, a corona discharge is generated by passing a plasma generating gas, such as nitrogen, through an alternating magnetic field. An alternating magnetic field produces a fast movement of free electrons in the gas. The rapidly moving electrons knock out other electrons from the gas atoms, forming a so-called electron avalanche, which in turn causes a corona discharge. A pulse corona discharge is generated by applying an electric field in pulses. The advantages of this method of generating a pulsed corona discharge among others are (1) the absence of impurities in the flow, and (2) a short start time that allows the generation of a truly pulsed flow. is there. For purposes of this disclosure, a truly pulsed flow refers to a flow that stops completely during the off period of the pulse.

第1のタイプの装置および方法の欠点は、生成されたコロナ放電が約2000℃という一定の最高温度を有することである。装置の中で形成されたコロナ放電は、電気アークによって加熱されないので、決して高温プラズマにならない。そのため、パルスコロナ放電を生成する装置は2000℃を上回る温度を必要とするいくつかの用途には使用できない。したがって、第1のタイプの装置の用途は、コロナ放電を引き起こす能力があるが高温プラズマではないという放電プロセスの性質によって制限される。   The disadvantage of the first type of apparatus and method is that the generated corona discharge has a constant maximum temperature of about 2000 ° C. The corona discharge formed in the device is not heated by the electric arc, so it never becomes a hot plasma. Therefore, an apparatus that generates a pulse corona discharge cannot be used for some applications that require temperatures above 2000 ° C. Thus, the application of the first type of device is limited by the nature of the discharge process, which is capable of causing corona discharge but not high temperature plasma.

第2のタイプの装置は、カソードとプラズマチャンネルを形成するアノードとの間に作られた電気アークによって、プラズマチャンネルを通過するプラズマ生成ガスの流れを加熱することによりプラズマを生成する。第2のタイプの装置の例は特許文献2に開示されている。特許文献2の開示によれば、プラズマ生成ガス、好ましくは、アルゴンがプラズマチャンネルを横断するとき、パルスDC電圧がアノードとカソードとの間に印加される。所定の一定バイアス電圧がパルスDC電圧に付加されてもよく、または、付加されなくてもよい。電圧パルスの間に、プラズマ生成ガスの中の自由電子の個数が増加し、プラズマの抵抗の減少と、プラズマの中を流れる電流の指数関数的増加とをもたらす。オフ期間中に、プラズマ生成ガスの中の自由電子の個数は減少し、プラズマの抵抗の増加と、プラズマの中を流れる電流の指数関数的減少とをもたらす。電流はオフ期間中に比較的低いが、電流は決して完全に消滅しない。スタンバイ電流と呼ばれるこの低電流は、真にパルス状の流れが生成されないので望ましくない。オフ期間中に、連続的な低電力プラズマ流が維持される。本質的に、装置はパルスプラズマを生成するのではなく、パルスと呼ばれる電力スパイクを伴う連続的なプラズマ流を生成し、それによって、パルスプラズマを模擬する。オフ期間はパルスより実質的に長いため、装置はオフ期間中にかなりの量のエネルギーを出力し、したがって、装置は真にパルス状のプラズマ流を必要とする用途のために効果的に利用されることができない。例えば、装置が皮膚治療のため使用されるならば、皮膚にはオフ期間中に低電力プラズマが照射されないようにするために、装置は各パルスの後に皮膚表面から離されるべきであるかもしれない。このことは装置の有用性および安全性を損ねる。   A second type of device generates plasma by heating a flow of plasma-generating gas that passes through the plasma channel by an electric arc created between the cathode and the anode that forms the plasma channel. An example of the second type of device is disclosed in US Pat. According to the disclosure of U.S. Pat. No. 6,057,049, a pulsed DC voltage is applied between the anode and cathode when a plasma generating gas, preferably argon, traverses the plasma channel. A predetermined constant bias voltage may or may not be added to the pulsed DC voltage. During the voltage pulse, the number of free electrons in the plasma generating gas increases, resulting in a decrease in the resistance of the plasma and an exponential increase in the current flowing in the plasma. During the off period, the number of free electrons in the plasma product gas decreases, resulting in an increase in plasma resistance and an exponential decrease in the current flowing through the plasma. The current is relatively low during the off period, but the current never disappears completely. This low current, called standby current, is undesirable because no truly pulsed flow is generated. During the off period, a continuous low power plasma flow is maintained. In essence, the device does not generate a pulsed plasma, but generates a continuous plasma flow with power spikes called pulses, thereby simulating the pulsed plasma. Since the off period is substantially longer than the pulse, the device outputs a significant amount of energy during the off period, and therefore the device is effectively utilized for applications that require a truly pulsed plasma flow. I can't. For example, if the device is used for skin treatment, the device may be separated from the skin surface after each pulse so that the skin is not exposed to low power plasma during the off period . This detracts from the usefulness and safety of the device.

プラズマの中を通る電流をパルスとパルスの間に零まで減少させ、プラズマのパルス毎に装置を再起動することは、特許文献2に開示された装置を使用するときに実用的でない。パルス毎に装置を再起動することは、プラズマ流がカソードの中を通る高電流を支持するために十分な電子をカソードが放出することの保証がなく、カソードの中に高電流を通す結果として、カソードの急速な破壊をもたらす。カソードがこのような電流を持続させるために十分に高い速度で電子を放出し始める前にカソードの中に高電流を通すことを試みることは、カソードにストレスを加え、最終的にカソードの破壊を引き起こす。代替的に、カソードとアノードとの間の電圧と、プラズマの中を通過する電流との両方を緩やかに増加させることが可能である。この代替案は、パルス毎の装置の始動が許容できないほど長いので実用的でもない。   Reducing the current through the plasma to zero between pulses and restarting the device with each plasma pulse is not practical when using the device disclosed in US Pat. Restarting the device after each pulse does not guarantee that the cathode will discharge enough electrons to support the high current through the cathode, and as a result of passing a high current through the cathode. , Resulting in rapid destruction of the cathode. Attempting to pass a high current through the cathode before it begins to emit electrons at a high enough rate to sustain such a current will stress the cathode and eventually destroy the cathode. cause. Alternatively, both the voltage between the cathode and anode and the current passing through the plasma can be increased slowly. This alternative is not practical because the start of the device per pulse is unacceptably long.

特許文献2に開示された装置、および、現在公知のこのタイプのその他の装置が真にパルス状のプラズマ流を生成する能力をもたないことは、装置の構成が原因である。このタイプの装置が起動するとき、スパッタリングに起因して何らかの電極の腐食がある。この腐食はプラズマの中で流れる分離された金属粒子のような電極材料を生じる。連続的なプラズマ流が使用されるとき、起動と起動に付随した不純物とは1回の治療につき1回しか発生しないので、起動不純物は比較的重要でない欠点である。したがって、装置が実際の治療を開始する前に電極粒子が装置から抜け出るための起動後の数秒間を待つことが可能である。しかし、パルスプラズマ流を使用するとき、不純物が装置から抜け出ることを待つことは現実的でない。なぜならば、粒子がパルス毎に電極から分離するからである。   It is due to the configuration of the device that the device disclosed in U.S. Pat. No. 6,057,056 and other devices of this type known at present do not have the ability to generate a truly pulsed plasma stream. When this type of device starts up, there is some electrode corrosion due to sputtering. This corrosion results in electrode materials such as separated metal particles that flow in the plasma. When a continuous plasma flow is used, activation impurities are a relatively unimportant drawback because activation and associated impurities occur only once per treatment. It is therefore possible to wait a few seconds after activation for the electrode particles to exit the device before the device starts the actual treatment. However, when using a pulsed plasma flow, it is not practical to wait for impurities to escape from the device. This is because particles separate from the electrode every pulse.

プラズマ流が予め作り出されているとき、プラズマ流の中の電流を増加または減少させるためにはほんの数マイクロ秒しか要しない。さらに、治療中の起動がないので、不純物がプラズマ流に入ることはなく、カソードにストレスがない。しかし、低電流であってもプラズマの中を通る電流を連続的に維持することは、上述されているように、真にパルス状のプラズマ流を必要とするいくつかの用途に関して、最適な装置とはいえない。   When the plasma stream is pre-created, it takes only a few microseconds to increase or decrease the current in the plasma stream. Furthermore, since there is no activation during the treatment, impurities do not enter the plasma flow and the cathode is not stressed. However, maintaining a current through the plasma continuously even at low currents is an optimal device for some applications that require a truly pulsed plasma flow, as described above. That's not true.

プラズマ生成ガスを電気アークで加熱することによって真にパルス状のプラズマ流を生成することが困難であるのは主としてカソードおよびアノードで起こるプロセスの性質が原因である。一般に、そして、特に医療用途にとって、電流が急速に増加するとき、アノードおよびカソードの腐食がない動作を保証することが重要である。急速な電流増加中に、カソードの温度は低く、後続のパルスの繰り返しの間に容易に制御されないことがある。カソードとアノードとの間での電気アークの生成中に、カソードへのアークのアタッチメントの領域はカソードの初期温度に強く依存する。カソードが冷たいとき、アタッチメントの領域は比較的小さい。数パルス後に、カソードの温度は上昇するので、急速な電流増加の間に、アタッチメントの領域はカソードの表面領域全体に拡大し、そして、カソードホルダーにまで拡大する。これらの状況下で、カソードフォールは変動し始め、カソード腐食が始まる。さらに、電気アークのアタッチメントの領域がカソードホルダーに達するならば、カソードホルダーが溶け始め、望ましくない不純物をプラズマ流に取り込む。適切なカソード機能性のため、プラズマの各パルスにおける急速な電流増加の間にカソード表面への電気アークのアタッチメントの領域の正確な位置およびサイズを制御することが必要である。   It is mainly due to the nature of the process that occurs at the cathode and anode that it is difficult to produce a truly pulsed plasma stream by heating the plasma-generating gas with an electric arc. In general, and especially for medical applications, it is important to ensure operation without erosion of the anode and cathode when the current increases rapidly. During rapid current increases, the cathode temperature is low and may not be easily controlled during the repetition of subsequent pulses. During the generation of an electric arc between the cathode and anode, the area of arc attachment to the cathode is strongly dependent on the initial temperature of the cathode. When the cathode is cold, the area of attachment is relatively small. After a few pulses, the temperature of the cathode rises, so that during a rapid current increase, the area of attachment expands to the entire surface area of the cathode and then to the cathode holder. Under these circumstances, the cathode fall begins to fluctuate and cathodic corrosion begins. Furthermore, if the area of attachment of the electric arc reaches the cathode holder, the cathode holder begins to melt and introduces unwanted impurities into the plasma stream. For proper cathode functionality, it is necessary to control the exact location and size of the area of the electrical arc attachment to the cathode surface during the rapid current increase in each pulse of the plasma.

電気アークはカソードの表面不完全部(凹凸と呼ばれることがある)に付着する傾向がある。従来技術では、このような表面不完全部は円筒型カソードの形状を変更することにより作り出された。従来技術において使用される典型的な表面不完全部はカソードテーパリングである。カソードテーパリングは、アークが付着する傾向がある先端部を作り出す。不完全部を生じさせる別の方法は円筒型カソードを斜めに切断することによる。この方法もアークが付着する傾向のある不完全部を作り出す。これらの方法は、連続したプラズマ流セッションの間で電気アークアタッチメントの位置を制御するものの、上述されているように、アークアタッチメントの領域が段階的に拡大していくことに対して、パルスプラズマ動作のために、その領域のサイズを制御することに対しては十分ではない。   Electric arcs tend to adhere to imperfect surfaces (sometimes called irregularities) of the cathode. In the prior art, such surface imperfections were created by changing the shape of the cylindrical cathode. A typical surface imperfection used in the prior art is cathode tapering. Cathode tapering creates a tip where the arc tends to adhere. Another way to produce imperfections is by cutting the cylindrical cathode diagonally. This method also creates imperfections where the arc tends to adhere. Although these methods control the position of the electric arc attachment between successive plasma flow sessions, as described above, the arc attachment area expands in stages, as opposed to pulsed plasma operation. Because of this, it is not enough to control the size of the area.

アークアタッチメントの領域の位置およびサイズを制御するこれらの試みとは無関係に、いくつかの従来技術の装置は様々な目的のため多数のカソードを使用している。例えば、特許文献3では、複数のカソードがカソード間でスパークを生成するためプラズマベースの電球で使用されている。特許文献4では、複数のカソードが3つのグループに分割される。3段階の電力がカソードの間に分布するので、1つのグループが、擬似連続動作モードを提供する段階の間に使用される。特許文献5では、1対のカソードが、磁界によってカソードの間に分離された粒子を使用して、カソードから金属トレースをスパッタリングするため使用される。特許文献6では、カソードが、放電が起こる真空チャンバの真空密封を破壊することなく入れ替えられるように、複数のカソードが回転ドラムに設けられる。特許文献7は、複数のカソードが、アノードの周りに間隔をあけられている浄水システムを開示する。このマルチカソード構成は、清浄器の中を通る水の流れの乱れを減少させるため使用される。特許文献8では、電気的に絶縁されたカソードのマルチカソード組立体は、電気アーク生成に関係するカソードを交番することによりイオンビーム装置の寿命を延長するため使用される。特許文献9では、互いに離間された複数の並列カソードは、粉末粒子によるプラズマチャンネルの目詰まりを防止すべく、プラズマ流の断面を拡大するためにプラズマスプレー装置で使用される。一般に、複数のカソードを開示する従来技術の文献は、パルスプラズマの生成と関連した問題と関係がない。   Regardless of these attempts to control the location and size of the arc attachment region, some prior art devices use multiple cathodes for various purposes. For example, in Patent Document 3, a plurality of cathodes are used in plasma-based light bulbs to generate sparks between the cathodes. In Patent Document 4, a plurality of cathodes are divided into three groups. Since three stages of power are distributed between the cathodes, one group is used during the stage of providing a quasi-continuous mode of operation. In U.S. Patent No. 6,057,836, a pair of cathodes is used to sputter metal traces from the cathode using particles separated between the cathodes by a magnetic field. In Patent Document 6, a plurality of cathodes are provided on the rotating drum so that the cathodes can be replaced without breaking the vacuum seal of the vacuum chamber in which discharge occurs. U.S. Patent No. 6,057,031 discloses a water purification system in which a plurality of cathodes are spaced around the anode. This multi-cathode configuration is used to reduce water flow turbulence through the purifier. In U.S. Patent No. 6,057,051, an electrically isolated cathode multi-cathode assembly is used to extend the life of an ion beam device by alternating cathodes involved in electric arc generation. In Patent Document 9, a plurality of parallel cathodes spaced apart from each other are used in a plasma spray device to enlarge the cross section of the plasma flow in order to prevent clogging of the plasma channel by powder particles. In general, prior art documents disclosing multiple cathodes are not related to problems associated with the generation of a pulsed plasma.

米国特許第6,629,974号明細書US Pat. No. 6,629,974 米国特許第6,475,215号明細書US Pat. No. 6,475,215 米国特許第1,661,579号明細書US Pat. No. 1,661,579 米国特許第2,615,137号明細書US Pat. No. 2,615,137 米国特許第3,566,185号明細書US Pat. No. 3,566,185 米国特許第4,785,220号明細書US Pat. No. 4,785,220 米国特許第4,713,170号明細書US Pat. No. 4,713,170 米国特許第5,089,707号明細書US Pat. No. 5,089,707 米国特許第5,225,625号明細書US Pat. No. 5,225,625

したがって、現在、真にパルス状のプラズマ生成のために従来技術の制限を解決するカソード組立体およびカソード組立体を使用する装置を動作させる方法の必要性がある。   Thus, there is currently a need for a cathode assembly and a method of operating an apparatus that uses the cathode assembly that overcomes the limitations of the prior art for truly pulsed plasma generation.

パルスプラズマ生成のためのカソード組立体は、長手方向に位置合わせされた複数のカソードに接続されたカソードホルダーを備える。好ましくは、組立体の中のカソードはできるだけ一緒に接近させてクラスタ化される。カソードは、好ましくは、ランタン含有タングステン製である。カソードは、好ましくは、同径を有するが、異なる長さを有する。最適には、長さが最も接近した2つのカソードの間の長さの差は、組立体の中のカソードの径とほぼ等しく、好ましくは、0.5mmである。本発明の実施形態によるカソード組立体は、カソードのうちの1つとアノードとの間に作られた電気アークによるプラズマ生成ガスの加熱に基づいて、パルスプラズマを生成する装置で使用される。特に、カソード組立体は、(a)カソードホルダーと、(b)長手方向に位置合わせされ、カソードホルダーに接続され、各カソードが少なくとも1つの他のカソードと物理的に接触した複数のカソードのクラスタと、を備える。   A cathode assembly for pulsed plasma generation includes a cathode holder connected to a plurality of cathodes aligned in the longitudinal direction. Preferably, the cathodes in the assembly are clustered as close together as possible. The cathode is preferably made of tungsten containing lanthanum. The cathodes preferably have the same diameter but different lengths. Optimally, the length difference between the two cathodes closest in length is approximately equal to the diameter of the cathode in the assembly, preferably 0.5 mm. A cathode assembly according to an embodiment of the present invention is used in an apparatus that generates a pulsed plasma based on heating of a plasma-generating gas by an electric arc created between one of the cathodes and the anode. In particular, the cathode assembly includes (a) a cathode holder, (b) a plurality of cathode clusters that are longitudinally aligned and connected to the cathode holder, each cathode in physical contact with at least one other cathode. And comprising.

好ましい実施形態において、動作中に、プラズマ生成ガスはカソードとアノードとの間を、好ましくは、プラズマチャンネルの中を通って通過させられる。高周波、高振幅の電圧波をアノードとカソードとの間に印加することにより、多数の自由電子が生成される。これらの電子がスパーク放電を形成する。スパークは、プラズマ生成ガスをイオン化し、グロー放電段階に入る。グロー放電中に、ガス原子のイオン化に起因して形成された正イオンはカソードに衝突し、これによりカソードを加熱する。カソードのアノード側端部が熱イオン電子放出の温度に達すると、プラズマ生成ガスがアーク放電段階に入り、アークがカソードとアノードとの間に作られる。アークは組立体の中のすべてのカソードに付着する。   In a preferred embodiment, in operation, plasma generated gas is passed between the cathode and anode, preferably through the plasma channel. A large number of free electrons are generated by applying a high-frequency, high-amplitude voltage wave between the anode and the cathode. These electrons form a spark discharge. The spark ionizes the plasma generating gas and enters the glow discharge phase. During the glow discharge, positive ions formed due to ionization of gas atoms collide with the cathode, thereby heating the cathode. When the anode end of the cathode reaches the temperature of thermionic electron emission, the plasma-generating gas enters an arc discharge phase and an arc is created between the cathode and anode. The arc adheres to all cathodes in the assembly.

アークがカソードとアノードとの間に作られた後、電流はアークを持続させるために十分な大きさ、または、僅かにより大きい大きさまで減少させられる。これによりアークアタッチメントの領域は減少される。アタッチメントの領域は、アークが単一のカソードに付着するように減少する。この低電流がある期間に亘って維持された後、電流はパルスの動作レベルまで上昇させられる。アタッチメントの領域は著しく増加せず、電子放出は単一のカソードからに限り発生する。動作電流が所望の間隔に亘って維持された後、装置は、電流および電圧が印加されないオフ期間に入る。   After the arc is created between the cathode and anode, the current is reduced to a magnitude sufficient to sustain the arc, or to a slightly larger magnitude. This reduces the arc attachment area. The area of attachment is reduced so that the arc adheres to a single cathode. After this low current is maintained for a period of time, the current is raised to the operating level of the pulse. The area of attachment does not increase significantly and electron emission occurs only from a single cathode. After the operating current is maintained for the desired interval, the device enters an off period in which no current and voltage are applied.

この動作方法は、従来技術の方法と関連した不安定動作の問題を回避する。マルチカソード組立体がこの方法によって動作させられるならば、カソードは過熱することがなく、アタッチメントの領域はカソードホルダーまで拡大しない。このことは、プラズマ生成装置の安定動作を確実にする。この動作方法は、単一のカソードを有するカソード組立体で使用された場合において、特定の利点をさらに提供する。   This method of operation avoids the problem of unstable operation associated with prior art methods. If the multi-cathode assembly is operated in this manner, the cathode will not overheat and the area of attachment will not extend to the cathode holder. This ensures a stable operation of the plasma generator. This method of operation further provides certain advantages when used in a cathode assembly having a single cathode.

プラズマのパルスを生成する方法は、(a)第1の電流を1つ以上のカソードおよびアノードに通すステップと、(b)電流の大きさが第1の電流の大きさより小さい第2の電流を、1つ以上のカソードおよびアノードに通すステップと、(c)電流の大きさが第1の電流の大きさより大きい第3の電流を、1つ以上のカソードおよびアノードに通すステップと、(d)1つ以上のカソードおよびアノードを通る第3の電流を止めるステップと、を備える。   A method for generating a pulse of plasma includes: (a) passing a first current through one or more cathodes and anodes; and (b) a second current having a current magnitude less than the first current magnitude. Passing one or more cathodes and anodes; (c) passing a third current having a current magnitude greater than the first current magnitude through the one or more cathodes and anodes; and (d). Stopping a third current through the one or more cathodes and anodes.

パルスプラズマ生成のための基本装置を示す図である。It is a figure which shows the basic apparatus for pulse plasma generation. 好ましい実施形態のカソード組立体を3次元で示す図である。FIG. 3 illustrates a cathode assembly of a preferred embodiment in three dimensions. 皮膚治療のため採用されるパルスプラズマを生成する装置を示す図である。It is a figure which shows the apparatus which produces | generates the pulse plasma employ | adopted for skin treatment. 各パルスの生成用のアノードとカソードとの間の電圧のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the voltage between the anode and cathode for the production | generation of each pulse. 各パルスの生成用のカソード、プラズマチャンネルの中のプラズマ生成ガス、および、アノードに印加された電流のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the electric current applied to the cathode for production | generation of each pulse, the plasma production gas in a plasma channel, and an anode. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. パルスの生成中にプラズマチャンネルの中で起こるプロセスを示す図である。FIG. 3 shows a process that occurs in a plasma channel during pulse generation. 従来技術において、現在公知の方法によって生成されたある程度の個数のパルスの後の、シングルカソード組立体の中のカソードの温度とアークアタッチメントの領域とを示す図である。In the prior art, it shows the temperature of the cathode and the area of the arc attachment in a single cathode assembly after a certain number of pulses generated by a currently known method. 本発明の実施形態によって生成されたある程度の個数のパルスの後の、マルチカソード組立体の中のカソードの温度とアークアタッチメントの領域とを示す図である。FIG. 4 shows the cathode temperature and arc attachment region in a multi-cathode assembly after a certain number of pulses generated by an embodiment of the present invention. 従来技術の方法によって生成された、500個のパルスの後のシングルカソード組立体の顕微鏡視野の略図である。Figure 2 is a schematic view of a microscopic field of a single cathode assembly after 500 pulses generated by a prior art method. 本発明の方法の実施形態によって生成された、40000個のパルスの後のマルチカソード組立体の顕微鏡視野の略図である。FIG. 6 is a schematic view of a microscopic field of view of a multi-cathode assembly after 40000 pulses produced by an embodiment of the method of the present invention.

典型的な実施形態では、複数のカソードを有するカソード組立体はプラズマ生成装置の一部である。少なくとも2個存在する限り、組立体の中のカソードの個数に理論的な限界はない。図1はこのような装置の略縦断面図である。カソードホルダー2は、互いに長手方向に位置合わせされた3つのカソード10、20および30を保持する。アノード4はカソードから離れて配置されている。好ましい実施形態では、初期的に、各カソードは、アノード4に最も接近した端部(「アノード端部」)にそれぞれ平坦面12、22および32を有する。平坦面はそれぞれエッジ14、24および34を形成する。図2はカソード組立体の3次元図を示している。   In an exemplary embodiment, a cathode assembly having a plurality of cathodes is part of a plasma generator. As long as there are at least two, there is no theoretical limit to the number of cathodes in the assembly. FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of such a device. The cathode holder 2 holds three cathodes 10, 20 and 30 which are aligned with each other in the longitudinal direction. The anode 4 is arranged away from the cathode. In the preferred embodiment, initially each cathode has a flat surface 12, 22 and 32, respectively, at the end closest to the anode 4 (“anode end”). The flat surfaces form edges 14, 24 and 34, respectively. FIG. 2 shows a three-dimensional view of the cathode assembly.

幾何構造の点で、カソードはクラスタ化されるべきである。クラスタ化とは、あらゆるカソードが少なくとも1つの他のカソードに長手方向に接触し、グループから分離したカソードが存在せずに、カソードのすべてが単一のグループとして並べられることを意味する。カソードは、好ましくは、互いにできる限り接近するようにクラスタ化される。しかし、組立体の中の各カソードがクラスタの中の少なくとも1つの他のカソードと物理的に接触状態にあれば十分である。理論的に、組立体の中のカソードは異なる径を有していてもよい。しかし、好ましい実施形態では、カソード10、20、30は、好ましくは、0.5mmである同径を有する。いくつかの実施形態では、組立体の中の少なくとも1つのカソードは、少なくとも1つの他のカソードの長さと異なる長さを有する。好ましい実施形態では、組立体の中の全カソードは異なる長さを有する。好ましくは、2つのカソードの間の最小の長さの差は、組立体の好ましい実施形態では0.5mmであるカソードの径にほぼ等しい。   In terms of geometry, the cathode should be clustered. Clustering means that all cathodes are in longitudinal contact with at least one other cathode, and all of the cathodes are arranged as a single group, with no cathodes separated from the group. The cathodes are preferably clustered as close as possible to each other. However, it is sufficient that each cathode in the assembly is in physical contact with at least one other cathode in the cluster. Theoretically, the cathodes in the assembly may have different diameters. However, in a preferred embodiment, the cathodes 10, 20, 30 preferably have the same diameter, which is 0.5 mm. In some embodiments, at least one cathode in the assembly has a length that is different from the length of at least one other cathode. In a preferred embodiment, all cathodes in the assembly have different lengths. Preferably, the minimum length difference between the two cathodes is approximately equal to the cathode diameter, which in the preferred embodiment of the assembly is 0.5 mm.

いくつかの実施形態では、カソード組立体を採用する装置は、カソード10、20、30とアノード4との間に延在し、アノード4を通過するプラズマチャンネル6をさらに備える。いくつかの実施形態では、プラズマチャンネルは1つ以上の中間電極によって形成される。いくつかの実施形態では、カソード10、20、30のアノード端部はプラズマチャンネルに接続されたプラズマチャンバの中に位置している。カソード組立体は、例えば、図3に示されたパルスプラズマ生成装置のような他の装置で使用されることがある。   In some embodiments, an apparatus employing a cathode assembly further comprises a plasma channel 6 extending between the cathode 10, 20, 30 and the anode 4 and passing through the anode 4. In some embodiments, the plasma channel is formed by one or more intermediate electrodes. In some embodiments, the anode ends of the cathodes 10, 20, 30 are located in a plasma chamber connected to the plasma channel. The cathode assembly may be used in other devices, such as, for example, the pulsed plasma generator shown in FIG.

カソード組立体を採用することがある装置は、しかし、プラズマ生成装置に限定されない。いくつかの実施形態では、カソード組立体は、光源に用いられるか、または、通信装置の一部として用いられることがある。一般に、カソード組立体は、カソードとアノードとの間に短い間隔の電気アークを作ることを必要とする装置で用いられることがある。   Devices that may employ a cathode assembly, however, are not limited to plasma generators. In some embodiments, the cathode assembly may be used for a light source or as part of a communication device. In general, the cathode assembly may be used in devices that require creating a short-spaced electric arc between the cathode and the anode.

動作方法を説明する目的のため、図3に示された装置の実施形態が用いられる。しかし、後述される動作方法は、他の装置の中でマルチカソード組立体と併せて使用されるならば、同じ利点を提供することに留意すべきである。さらに、動作方法はシングルカソード組立体と併せて用いられることがあるが、マルチカソード組立体でこれらの動作方法を使用することはより効果的である。図3に示された装置は、図2に示された、カソードホルダー2と、カソード10、20および30とを有するカソード組立体を備える。装置は、アノード4と、アノード4から電気的に絶縁され、互いに電気的に絶縁された1つ以上の中間電極42a〜42eとをさらに備える。プラズマチャンネル6は、中間電極42a〜42eとアノード4とによって形成される。いくつかの実施形態では、中間電極42aはプラズマチャンバ8をさらに形成する。装置の動作中に、プラズマ生成ガス(典型的に、アルゴンのような希ガス)は、開口部72を介して装置に取り込まれる。プラズマ生成ガスは、カソード10、20、30に沿ってプラズマチャンバ8の中へ流れ、次に、プラズマチャンネル6の中へ流れ、その後に、プラズマ生成ガスはアノード4の中の開口部を介して装置を抜け出る。   For the purpose of describing the method of operation, the embodiment of the apparatus shown in FIG. 3 is used. However, it should be noted that the method of operation described below provides the same advantages if used in conjunction with a multi-cathode assembly in other devices. Furthermore, although operating methods may be used in conjunction with single cathode assemblies, it is more effective to use these operating methods with multi-cathode assemblies. The apparatus shown in FIG. 3 includes a cathode assembly having the cathode holder 2 and the cathodes 10, 20 and 30 shown in FIG. The apparatus further comprises an anode 4 and one or more intermediate electrodes 42a-42e that are electrically insulated from the anode 4 and electrically insulated from each other. The plasma channel 6 is formed by the intermediate electrodes 42 a to 42 e and the anode 4. In some embodiments, the intermediate electrode 42a further forms the plasma chamber 8. During operation of the device, plasma generated gas (typically a noble gas such as argon) is taken into the device through opening 72. The plasma generating gas flows along the cathodes 10, 20, 30 into the plasma chamber 8 and then into the plasma channel 6, after which the plasma generating gas passes through the opening in the anode 4. Exit the device.

いくつかの実施形態では、延長ノズルが装置のアノード端部に取り付けられる。延長ノズルはプラズマチャンネルに接続された延長チャンネルを形成する。管状絶縁体要素が延長チャンネルの内面の長手方向部分を覆う。さらに、いくつかの実施形態では、延長ノズルは1つ以上の酸素運搬ガス入口を有する。   In some embodiments, an extension nozzle is attached to the anode end of the device. The extension nozzle forms an extension channel connected to the plasma channel. A tubular insulator element covers the longitudinal portion of the inner surface of the extension channel. Further, in some embodiments, the extension nozzle has one or more oxygen carrying gas inlets.

図3に示された装置のようなプラズマ生成装置は、典型的に、(1)アノード4とカソード10、20、30との間に印加された電圧、および、(2)カソード10、20、30、プラズマチャンネル6の中のプラズマ生成ガス、および、アノード4を通過する電流を制御する1つ以上の電子回路に接続される。電流を制御する回路は、公知の電流源である。これらの回路はプラズマの各パルスの生成のため使用される。組立体の中の全カソードは互いに電気的に接続され、同じ回路に接続されるので、カソード10、20、30は同じ電位を有し、個々のカソードの間に電圧は存在せず、アノード4とカソード10、20、30との間だけに存在する。プラズマパルス形成のプロセスは、(1)カソードとアノードとの間に電圧を印加し、(2)プラズマ生成ガスを通過する電流を制御することによって制御される。   A plasma generating device, such as the device shown in FIG. 3, typically includes (1) a voltage applied between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30, and (2) a cathode 10, 20, 30, connected to one or more electronic circuits that control the plasma generating gas in the plasma channel 6 and the current passing through the anode 4. The circuit for controlling the current is a known current source. These circuits are used for the generation of each pulse of plasma. Since all the cathodes in the assembly are electrically connected to each other and connected to the same circuit, the cathodes 10, 20, 30 have the same potential, there is no voltage between the individual cathodes, and the anode 4 And between the cathodes 10, 20 and 30. The process of plasma pulse formation is controlled by (1) applying a voltage between the cathode and anode, and (2) controlling the current passing through the plasma generating gas.

概要として、プラズマ生成のプロセスは、(1)スパーク放電、(2)グロー放電、および、(3)アーク放電の3つの段階を含む。アーク放電段階における電気アークは、プラズマチャンネル6の中を流れるプラズマ生成ガスを加熱し、プラズマを形成する。各プラズマパルスの生成は、プラズマ生成ガスが3つの段階をすべて経ることを必要とする。パルスの生成前に、プラズマ生成ガスの抵抗は無限に近い。少数の自由電子が宇宙線による原子のイオン化に起因してプラズマ生成ガスの中に存在する。   In summary, the plasma generation process includes three stages: (1) spark discharge, (2) glow discharge, and (3) arc discharge. The electric arc in the arc discharge stage heats the plasma generation gas flowing in the plasma channel 6 to form plasma. The generation of each plasma pulse requires the plasma generating gas to go through all three stages. Before the generation of the pulse, the resistance of the plasma generating gas is nearly infinite. A small number of free electrons are present in the plasma product gas due to the ionization of atoms by cosmic rays.

スパーク放電を作り出すため、高振幅、高周波の電圧波がアノード4とカソード10、20、30との間に印加される。この電圧波は、カソード10、20、30とアノード4との間でプラズマチャンネル6の中の自由電子の個数を増大させる。十分な個数の自由電子が形成されると、DC電圧がアノード4とカソード10、20、30との間に印加され、DC電流は、カソード10、20、30と、プラズマ生成ガスと、アノード4とを通過させられ、カソード10、20、30とアノード4との間にスパーク放電を形成する。   In order to create a spark discharge, a high-amplitude, high-frequency voltage wave is applied between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30. This voltage wave increases the number of free electrons in the plasma channel 6 between the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4. When a sufficient number of free electrons are formed, a DC voltage is applied between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30, and the DC current is applied to the cathodes 10, 20, 30, the plasma generating gas, and the anode 4. And a spark discharge is formed between the cathode 10, 20, 30 and the anode 4.

スパーク放電後、プラズマ生成ガスの抵抗は減少し、グロー放電段階が始まる。グロー放電段階の間に、正に帯電したイオンがカソード10、20、30とアノード4との間の電圧によって作り出された電界の影響下でカソードに引き付けられる。カソード10、20、30にイオンが衝突しているとき、カソードのアノード端部の温度は上昇する。温度が熱イオン電子放出の温度まで上昇すると、アーク放電段階が始まる。初期に、アークは組立体の中のすべてのカソードに付着する。プラズマ生成ガスの中を通る電流はその後に減少し、その結果、アタッチメントの領域はアーク放電を持続させることができるアタッチメントのほぼ最小の領域まで縮小する。アークアタッチメントの領域は小さいので、アタッチメントの領域は組立体の中の単一のカソードに限定される。したがって、アーク放電を持続させるために必要とされ、カソードの径に依存する電流は、比較的低い。電流が低下させられ、ある期間に亘ってそのレベルに保たれた後、電流はパルスの動作レベルまで急速に増大される。アークアタッチメントの領域は少しだけ増大し、単一のカソードだけがパルスの残りの部分の間に電子を放出し続ける。単一のカソードだけが制御された領域から電子を放出するように、アークアタッチメントの領域を減少させ、その後に、その小さい領域を維持することは、真にパルス状のプラズマ装置の動作に極めて重要である。   After the spark discharge, the resistance of the plasma generating gas decreases and the glow discharge phase begins. During the glow discharge phase, positively charged ions are attracted to the cathode under the influence of the electric field created by the voltage between the cathode 10, 20, 30 and the anode 4. When ions collide with the cathodes 10, 20, and 30, the temperature at the anode end of the cathode rises. When the temperature rises to the temperature of thermionic electron emission, the arc discharge phase begins. Initially, the arc attaches to all cathodes in the assembly. The current passing through the plasma generating gas is then reduced, so that the area of attachment is reduced to an almost minimal area of the attachment that can sustain the arc discharge. Because the area of the arc attachment is small, the area of attachment is limited to a single cathode in the assembly. Therefore, the current required to sustain the arc discharge and depending on the cathode diameter is relatively low. After the current is lowered and held at that level for a period of time, the current is rapidly increased to the operating level of the pulse. The area of arc attachment increases slightly and only a single cathode continues to emit electrons during the remainder of the pulse. Decreasing the arc attachment area so that only a single cathode emits electrons from the controlled area, and then maintaining that small area is crucial to the operation of a truly pulsed plasma device It is.

より詳細には、パルスプラズマ生成方法についての以下の説明は図4A〜Bを参照し、図4Aはアノード4とカソード10、20、30との間に印加された電圧を示し、図4Bは、プラズマチャンネル6の中のプラズマ生成ガスを通って、カソード10、20、30のうちの1つ以上からアノード4へプラズマの中を流れる電流を示している。後述される電圧、電流、および、時間の値は、図3に示されたパルスプラズマ装置において3カソード組立体と併せて使用されるときにこの方法のため好ましい値である。この方法がマルチカソード組立体のその他の実施形態のため使用されるとき、または、マルチカソード組立体が別の装置で使用されるとき、電圧、電流、および、時間のその他の値が好ましいことがある。   More specifically, the following description of the pulsed plasma generation method refers to FIGS. 4A-B, where FIG. 4A shows the voltage applied between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30, and FIG. The current flowing through the plasma from one or more of the cathodes 10, 20, 30 to the anode 4 through the plasma generating gas in the plasma channel 6 is shown. The voltage, current, and time values described below are preferred values for this method when used in conjunction with a three cathode assembly in the pulsed plasma apparatus shown in FIG. When this method is used for other embodiments of the multi-cathode assembly, or when the multi-cathode assembly is used in another device, other values of voltage, current, and time may be preferred. is there.

図4Aは、アノード4とカソード10、20、30との間に印加された電圧のグラフを示している。プラズマパルスの生成前に、時点tで、バイアス電圧202が生成される。バイアス電圧は、100ないし1000ボルトでもよいが、好ましくは、400ないし500ボルトである。tとtとの間で、バイアス電圧が電子回路によってアノード4とカソード10、20、30との間に印加される。しかし、バイアス電圧202の生成は、プラズマ生成ガスの抵抗が無限に近いので、プラズマチャンネル6の中のプラズマ生成ガスの中を通る電流を生成しない。一実施形態では、コンデンサがバイアス電圧を持続させるため使用される。図5Aは、tとtとの間に、プラズマチャンネル6の中を流れる電流が存在しないことを示し、カソード10、20、30とアノード4との間でプラズマチャンネル6の中に僅かに数個の自由電子しか存在しないことを示している。 FIG. 4A shows a graph of the voltage applied between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30. A bias voltage 202 is generated at time t 0 before generating the plasma pulse. The bias voltage may be 100 to 1000 volts, but is preferably 400 to 500 volts. Between t 0 and t 1 , a bias voltage is applied between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30 by an electronic circuit. However, the generation of the bias voltage 202 does not generate a current through the plasma generation gas in the plasma channel 6 because the resistance of the plasma generation gas is nearly infinite. In one embodiment, a capacitor is used to sustain the bias voltage. FIG. 5A shows that there is no current flowing in the plasma channel 6 between t 0 and t 1, and slightly between the cathode 10, 20, 30 and the anode 4 in the plasma channel 6. It shows that there are only a few free electrons.

時点tで、高周波、高振幅の電圧波204がアノード4とカソード10、20、30との間に印加される。電圧波の振幅は少なくとも1kVであるが、好ましくは、約5kVである。いくつかの実施形態では、高周波、高振幅の電圧波204は、図4Aに示されているように、指数関数的に減少する振幅で弱められる。電圧波の周波数は少なくとも300kHzであり、好ましくは、約500kHzである。高電圧、高周波の波の継続時間は少なくとも2波長である。例えば、500kHzの周波数をもつ波の期間は、少なくとも0.4マイクロ秒であるが、15ないし20マイクロ秒のより長い波が好ましい。高周波、高振幅の電圧波204は、パルスプラズマ生成の唯一の電圧制御された部分であることに留意されたい。パルスの残りの部分の間に、電圧は、カソード10、20、30とアノード4との間でプラズマ生成ガスを通過する電流の結果として、アノード4とカソード10、20、30との間で単純に維持される。 At time t 1 , a high frequency, high amplitude voltage wave 204 is applied between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30. The amplitude of the voltage wave is at least 1 kV, but is preferably about 5 kV. In some embodiments, the high frequency, high amplitude voltage wave 204 is attenuated with an exponentially decreasing amplitude, as shown in FIG. 4A. The frequency of the voltage wave is at least 300 kHz, preferably about 500 kHz. The duration of the high voltage, high frequency wave is at least two wavelengths. For example, the duration of a wave having a frequency of 500 kHz is at least 0.4 microseconds, but longer waves of 15 to 20 microseconds are preferred. Note that the high frequency, high amplitude voltage wave 204 is the only voltage controlled part of the pulsed plasma generation. During the rest of the pulse, the voltage is simply between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30 as a result of the current passing through the plasma generating gas between the cathode 10, 20, 30 and the anode 4. Maintained.

高周波、高振幅の電圧波204は、プラズマチャンネル6の内部でプラズマ生成ガスの中の自由電子の急速な交替運動を作り出す。急速に運動する自由電子は、プラズマチャンネル6の中を流れるプラズマ生成ガスの原子から電子を叩き出す。このプロセスは電子なだれとして公知である。電子なだれの結果として、自由電子の量は、図5Bに示されているように、カソード10、20、30とアノード4との間にスパーク放電を作り出すために十分な数に達する。   The high-frequency, high-amplitude voltage wave 204 creates a rapid alternating movement of free electrons in the plasma product gas inside the plasma channel 6. The rapidly moving free electrons knock out electrons from the atoms of the plasma generation gas flowing in the plasma channel 6. This process is known as electronic avalanche. As a result of the avalanche, the amount of free electrons reaches a number sufficient to create a spark discharge between the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4, as shown in FIG. 5B.

図3に示されている実施形態のように、1つ以上の中間電極によって形成されたプラズマチャンネル6を有する実施形態では、スパークが最初にカソードとカソードに最も接近した中間電極42aとの間で作り出される。その他のスパークは、プラズマチャンネル6の中を流れるプラズマ生成ガスの中の自由電子と、プラズマチャンネル6を形成する他の中間電極42b〜42eとの間で作り出される。最終的に、図5Cに示されたカソード10、20、30とアノード4との間にスパーク放電が作り出される。   In an embodiment having a plasma channel 6 formed by one or more intermediate electrodes, such as the embodiment shown in FIG. 3, the spark is first between the cathode and the intermediate electrode 42a closest to the cathode. Produced. Other sparks are created between the free electrons in the plasma generation gas flowing through the plasma channel 6 and the other intermediate electrodes 42 b to 42 e forming the plasma channel 6. Eventually, a spark discharge is created between the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4 shown in FIG. 5C.

スパーク放電は、プラズマ生成ガスの中のある程度の個数の原子をイオン化し、よって、プラズマ生成ガスの導電率を増加させ、プラズマ生成ガスの抵抗を、好ましくは、200ないし1000Ωまで低下させる。イオン化の結果として作り出された自由電子は、図5Cに示された比較的小さい体積302に閉じ込められる。   Spark discharge ionizes a certain number of atoms in the plasma generated gas, thus increasing the conductivity of the plasma generated gas and reducing the resistance of the plasma generated gas, preferably to 200-1000Ω. Free electrons created as a result of ionization are confined in the relatively small volume 302 shown in FIG. 5C.

時点tで、高周波、高振幅の電圧波204が終了した後、100ないし1000ボルト、好ましくは、約400ないし500ボルトの範囲に入る電圧206がアノード4とカソード10、20、30との間に印加される。いくつかの実施形態では、時点tで印加される電圧は高周波、高振幅の電圧波204のバイアス電圧202に等しい。いくつかの実施形態では、電圧206は、図4Aに示されているように、時間と共に指数関数的に減少する。 After the high frequency, high amplitude voltage wave 204 is terminated at time t 2 , a voltage 206 falling between 100 and 1000 volts, preferably about 400 to 500 volts is applied between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30. To be applied. In some embodiments, the voltage applied at time t 2 is equal to the bias voltage 202 of the high frequency, high amplitude voltage wave 204. In some embodiments, voltage 206 decreases exponentially with time, as shown in FIG. 4A.

時点tで、プラズマ生成ガスは電気を通すために十分な自由電子を有する。しかし、カソード10、20、30は、例えば、皮膚治療のような特定の用途のため必要とされる特性を備えたプラズマ流の生成を維持する持続可能な電気アークを可能にさせる熱イオン電子放出を実現するために十分に加熱されていない。放電電圧206はグロー放電段階を開始する。カソード10、20、30が電子を熱イオン放出し始めるため、カソード表面12、22および32は、熱イオン電子放出温度、または、熱イオン電子放出の温度と呼ばれるカソード材料に固有のある温度に到達しなければならない。例えば、好ましい実施形態で使用されるカソードのような、ランタンを含有するタングステン製のカソードに対し、電子放出の温度は約2800ないし3200Kである。アノード4とカソード10、20、30との間に電圧によって作り出された電界の影響下で、プラズマチャンネル6の中に存在する自由電子はアノード4の方へ引き付けられ、イオンはカソード10、20、30の方へ引き付けられる。図5Dに示されたグロー放電は、二次放出に起因して、大部分はイオン衝撃に起因して電子を放出する冷陰極を使う自続放電である。この放電の顕著な特徴は、好ましい実施形態では、表面の強い電界、および、100ないし400ボルトのかなりの電位降下を伴う、カソードにおける正空間電荷の層である。この降下はカソードフォールとして公知である。電流が増大されるならば、グロー放電は、特定のレベルで、アーク放電に移り、そのときまでに、電子を熱イオン放出するため十分な表面温度に達している。 Once t 2, the plasma generation gas has a sufficient free electrons to conduct electricity. However, the cathodes 10, 20, 30 are thermionic electron emission that allows for a sustainable electric arc that maintains the generation of a plasma stream with the properties required for a particular application, eg, skin treatment. Is not heated enough to realize. The discharge voltage 206 starts the glow discharge phase. As the cathode 10, 20, 30 begins to emit electrons thermionicly, the cathode surfaces 12, 22 and 32 reach a temperature inherent to the cathode material called the thermionic electron emission temperature, or the temperature of thermionic electron emission. Must. For example, for a tungsten cathode containing lanthanum, such as the cathode used in the preferred embodiment, the temperature of electron emission is about 2800-3200K. Under the influence of the electric field created by the voltage between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30, free electrons present in the plasma channel 6 are attracted toward the anode 4, and ions are attracted to the cathode 10, 20, Attracted toward 30. The glow discharge shown in FIG. 5D is a self-sustained discharge that uses a cold cathode that emits electrons mostly due to ion bombardment due to secondary emission. The salient features of this discharge are, in the preferred embodiment, a positive space charge layer at the cathode with a strong electric field at the surface and a significant potential drop of 100 to 400 volts. This drop is known as cathode fall. If the current is increased, the glow discharge goes to an arc discharge at a certain level, by which time it has reached a sufficient surface temperature to emit electrons to hot ions.

時点t3で、アノード4とカソード10、20、30との間の電圧が所定の値まで低下するとき、カソード10、20、30と、プラズマチャンネル6の中のプラズマ生成ガスと、アノード4とを通過する電流は、0Aから、好ましくは、4ないし6Aの範囲にある所定の第1の電流まで増加する。好ましくは、この電流は1ないし10ミリ秒に亘って維持される。電流が増加し始めたときに、所定の電圧は、時点t2での電圧のe−0.5ないしe−1.5倍であるが、好ましくは、時点t2での電圧の約e−1倍である(eは自然対数の底であり、およそ2.718に等しいことに注意を要する)。例えば、一実施形態では、時点t2でアノード4とカソード10、20、30との間に印加された電圧は、約400ボルトである。電圧が約150ボルトまで低下するとき、プラズマ生成ガスの中を通る電流は約5Aまで増加される。いくつかの実施形態では、電流増加は、t3とt4との間の300ないし500マイクロ秒の間隔をもつランプ208である。 At time t 3 , when the voltage between the anode 4 and the cathodes 10, 20, 30 decreases to a predetermined value, the cathodes 10, 20, 30, the plasma generating gas in the plasma channel 6, the anode 4, The current passing through increases from 0A to a predetermined first current, preferably in the range of 4-6A. Preferably, this current is maintained for 1 to 10 milliseconds. When the current starts to increase, the predetermined voltage, but to no e -0.5 voltage at time t 2 is -1.5 times e, preferably, about e -1 times the voltage at time t 2 (Note that e is the base of the natural logarithm and is approximately equal to 2.718). For example, in one embodiment, voltage applied between at time t 2 and the anode 4 and the cathode 10,20,30 is about 400 volts. As the voltage drops to about 150 volts, the current through the plasma generating gas is increased to about 5A. In some embodiments, the current increase is a lamp 208 with a 300 to 500 microsecond interval between t 3 and t 4 .

4の後のある時点で、カソードは、図5Eに示されているように、カソードの表面12、22および32から電子を熱イオン放出し始める。この時点での電子放出は、所望の特性のプラズマを生成するため必要とされる電気アークを持続させるために十分である。この時点で、アーク放電段階が始まり、プラズマチャンネル6に沿ってカソード10、20、30とアノード4との間にアークが作られる。流れの中のプラズマの抵抗は約1ないし3Ωである。この時点で、理論的に、電流は、図5Fに示されるように特定の用途のために必要とされる動作レベルまで増加させることができる。しかし、この時点で電流を動作レベルまで増加させることは、以下の望ましくない影響を引き起こす。図5D〜Fに示されているように、組立体の中の全カソードは、グロー放電段階に係わり、その後に、アーク放電段階に係わる。カソード10、20、30の本体は、グロー放電段階中に正に帯電したイオンによって衝突され続け、アークはアーク放電段階中に全カソードの表面領域に付着する。パルスとパルスとの間のオフ期間中に、カソード10、20、30の温度は当初の非動作レベルまで低下しないので、カソードが依然として前のパルスによって加熱されていると、グロー放電段階およびアーク放電段階が発生する。カソードのより大きい部分がパルス毎に電子を放出するため十分に加熱されるようになるので、プラズマアタッチメントの領域は増大する。約300ないし500パルス後のある時点で、プラズマはカソードの表面領域全体に付着し、同様にカソードホルダー2に付着し始める。 At some point after t 4 , the cathode begins to emit electrons from the cathode surfaces 12, 22 and 32 as shown in FIG. 5E. The electron emission at this point is sufficient to sustain the electric arc required to produce a plasma with the desired characteristics. At this point, the arcing phase begins and an arc is created along the plasma channel 6 between the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4. The resistance of the plasma in the flow is about 1 to 3Ω. At this point, theoretically, the current can be increased to the required operating level for a particular application as shown in FIG. 5F. However, increasing the current to the operating level at this point causes the following undesirable effects: As shown in FIGS. 5D-F, all cathodes in the assembly are involved in the glow discharge phase and then the arc discharge phase. The body of the cathode 10, 20, 30 continues to be bombarded by positively charged ions during the glow discharge phase, and the arc adheres to the surface area of the entire cathode during the arc discharge phase. During the off-period between pulses, the temperature of the cathode 10, 20, 30 does not drop to the original non-operating level, so if the cathode is still heated by the previous pulse, the glow discharge phase and arc discharge Stages occur. The area of the plasma attachment is increased because the larger part of the cathode becomes sufficiently heated to emit electrons with each pulse. At some point after about 300 to 500 pulses, the plasma will adhere to the entire surface area of the cathode and will begin to adhere to the cathode holder 2 as well.

アークがカソードホルダー2に付着するので、カソードホルダーは、電極材料と共に電子をスパッタし、放出し始める点まで加熱される。これは、プラズマ流中に不純物を取り込むこととなり、いくつかの用途、特に、医療用途の場合に許容できない。さらに、カソードの融点より十分に低い融点を有するカソードホルダーが溶け始める。1つ以上のカソードと接触した状態であるカソードホルダーの部分が溶け始めるとき、これらのカソードは損傷を受ける。この損傷は、電気アークが後続のパルスの間に付着できる不完全部の原因となる。1つ以上のカソードの基部におけるこの不完全部へのアークのアタッチメントは、プラズマチャンネルの外側で終了する電気アークを引き起こすこともある。この結果、プラズマがプラズマチャンネルの中に形成されるかどうかを制御することは不能になる。さらに、アタッチメントの制御されない表面は、カソードの電位の変動を引き起こす。一般に、制御不能のアークアタッチメントの領域の拡大は装置の不安定動作の原因となる。   As the arc adheres to the cathode holder 2, the cathode holder is heated to the point where it begins to sputter and emit electrons with the electrode material. This will introduce impurities into the plasma stream and is unacceptable for some applications, particularly medical applications. Furthermore, a cathode holder having a melting point sufficiently lower than that of the cathode starts to melt. When the portions of the cathode holder that are in contact with one or more cathodes begin to melt, these cathodes are damaged. This damage causes imperfections where the electric arc can adhere during subsequent pulses. Attachment of the arc to this imperfection at the base of one or more cathodes can cause an electric arc that terminates outside the plasma channel. As a result, it becomes impossible to control whether a plasma is formed in the plasma channel. Furthermore, the uncontrolled surface of the attachment causes fluctuations in the cathode potential. In general, the expansion of the uncontrollable arc attachment area causes unstable operation of the apparatus.

カソードの長さを延長し、よって、カソードホルダー2をアークが最初に付着するカソード10、20、30のアノード端部から遠ざけることは、最適な解決にならないことがわかった。いくつかの実験によれば、カソードを延長しても上述された望ましくないプロセスを取り除くことはなく、ほんの僅かに遅らせるだけであることが明らかになった。   It has been found that extending the length of the cathode and thus moving the cathode holder 2 away from the anode end of the cathode 10, 20, 30 where the arc first deposits is not an optimal solution. Several experiments have shown that extending the cathode does not remove the undesirable process described above, but only slightly delays.

好ましい方法によれば、時点t5で、電流は第2の電流まで減少させられる。いくつかの実施形態では、電流減少は300ないし500マイクロ秒の間隔をもつランプ209である。電流は、好ましくは、アーク放電を持続させるために必要とされる最小限の電流とこの最小限の電流のほぼ3倍との間のレベルまで減少させられる。いくつかの実施形態に対し、この電流は0.33ないし1.0Aの範囲にある。好ましくは、第2の電流は5ないし20ミリ秒維持される。電流低下は、アークアタッチメントの縮小した領域と同様に、カソード10、20、30とアノード4との間の電気アークの断面の縮小をもたらす。アタッチメント領域を、アークを持続させるため必要とされる最小値まで減少させる必要はないが、電流を減少することにより、アタッチメントの領域を最小領域を著しく上回らないサイズまで縮小する。図5Gに示されているように、アークはカソードの表面領域全体に付着しない。実際に、電気アークを持続させるため、放出された電子は、図5Gに示されているように、比較的小さい体積に集中し、小さい領域から放出される。カソードを加熱するイオン電流は、アタッチメントの小さい領域を通る高い電流密度フラックスのため、カソードからの熱イオン電子放出を持続させるために十分に強い状態を保つ。このイオン電流は、アークアタッチメントの領域および周囲の体積における非常に高温の原因となる。このようにしてカソード10、20、30とプラズマ生成ガスとアノード4とに印加された電流を減少させることは、アークが単一のカソードだけに付着すること、および、さらにアークのアタッチメントが比較的小さい領域に制約されることを保証する。 According to a preferred method, at time t 5 , the current is reduced to a second current. In some embodiments, the current reduction is a lamp 209 with an interval of 300 to 500 microseconds. The current is preferably reduced to a level between the minimum current required to sustain the arc discharge and approximately three times this minimum current. For some embodiments, this current is in the range of 0.33 to 1.0 A. Preferably, the second current is maintained for 5 to 20 milliseconds. The current drop results in a reduction in the cross section of the electric arc between the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4, as well as a reduced area of the arc attachment. Although it is not necessary to reduce the attachment area to the minimum required to sustain the arc, reducing the current reduces the area of the attachment to a size that does not significantly exceed the minimum area. As shown in FIG. 5G, the arc does not adhere to the entire surface area of the cathode. Indeed, to sustain the electric arc, the emitted electrons are concentrated in a relatively small volume and emitted from a small area, as shown in FIG. 5G. The ionic current heating the cathode remains strong enough to sustain thermionic electron emission from the cathode due to the high current density flux through the small area of the attachment. This ionic current causes very high temperatures in the area of the arc attachment and the surrounding volume. Reducing the current applied to the cathodes 10, 20, 30 and the plasma generating gas and the anode 4 in this way ensures that the arc adheres only to a single cathode and that the arc attachment is relatively Guarantees that it is constrained to a small area.

カソード径は、カソードの中を通過させられ、その間にカソードとアノードとの間の電気アークを依然として維持する最低限の持続可能な電流に最も有意な影響を与えることが実験的にわかった。例えば、径1.0mmおよび長さ5mmのカソードに対する最小電流は約1Aである。径0.5mmおよび長さ5mmのカソードに対する最小電流は約0.5Aである。径0.5mmおよび長さ35mmのカソードに対する最小電流は約0.3Aである。t6とt7との間の第2の減少した電流の期間中に、プラズマは1つのカソードだけに付着するので、例えば、t4とt5との間で、電気アークが組立体の中の全部のカソードに付着される場合に、アークを持続させるため必要とされる電流と比べて比較的小さい電流を使って電気アークを持続させることが可能である。カソード組立体の好ましい実施形態を参照すると、組立体の中の単一のカソードの径は組立体の中の全カソードの全径の約半分であるので、アークが単一のカソードに付着するとき、アークを持続させるため必要とされる電流は、アークが3つのカソード全部に付着した場合に必要とされる電流のほぼ半分である。 It has been experimentally found that the cathode diameter has the most significant effect on the minimum sustainable current that is passed through the cathode while still maintaining the electric arc between the cathode and anode. For example, the minimum current for a 1.0 mm diameter and 5 mm long cathode is about 1A. The minimum current for a 0.5 mm diameter and 5 mm long cathode is about 0.5A. The minimum current for a 0.5 mm diameter and 35 mm long cathode is about 0.3A. During the second reduced current period between t 6 and t 7 , the plasma adheres to only one cathode, so that, for example, between t 4 and t 5 , an electric arc is generated in the assembly. When attached to all of the cathodes, it is possible to sustain the electric arc using a relatively small current compared to the current required to sustain the arc. Referring to the preferred embodiment of the cathode assembly, the diameter of a single cathode in the assembly is about half of the total diameter of all cathodes in the assembly so that the arc adheres to a single cathode. The current required to sustain the arc is approximately half that required when the arc is deposited on all three cathodes.

時点t7で、電流は第3の電流、すなわち、特定の用途のため必要とされる動作レベルであり、好ましくは、10ないし80Aの範囲にある電流まで増加させられる。いくつかの実施形態では、電流増加は、t7とt8との間で300ないし500ミリ秒の間隔をもつランプ211である。増加の割合は、毎秒1000ないし10000Aである。時点t8まで、好ましくは、30ないし90ボルトの範囲にある動作電圧は、装置の幾何構造と、カソード10、20、30のうちの1つとアノード4との間を通る電流との結果として、アノード4とカソード10、20、30との間で維持される。 Once t 7, the current third current, that is, the operation level required for a particular application, preferably 10 to be increased to a current in the range of 80A. In some embodiments, the current increase is a lamp 211 with an interval between 300 and 500 milliseconds between t 7 and t 8 . The rate of increase is 1000 to 10,000 A per second. Up to time t 8 , an operating voltage, preferably in the range of 30 to 90 volts, is the result of the device geometry and the current passing between one of the cathodes 10, 20, 30 and the anode 4, It is maintained between the anode 4 and the cathode 10, 20, 30.

時点t8で、電流は動作レベルに達し、完全に成長したプラズマ流は、好ましくはそれぞれ10ないし80Aおよび30ないし90ボルトである動作電流レベル214および動作電圧レベル216で維持される。これらの動作レベルは特定の用途のため所望の間隔に亘って維持される。例えば、皮膚治療に対し、好ましい間隔t7−t8は5ないし100ミリ秒である。図5Hは、カソードのうちの1つであるカソード10とアノード4との間で、完全に成長したプラズマ流を持続させる電気アークを示している。パルスの動作期間の間に、電気アークは、第2の電流が通過させられるときの期間t6−t7の間のアークの断面より著しく大きくはない断面を有する。 At time t 8 , the current reaches the operating level and the fully grown plasma flow is maintained at operating current level 214 and operating voltage level 216, which are preferably 10 to 80 A and 30 to 90 volts, respectively. These operational levels are maintained over a desired interval for a particular application. For example, for skin treatment, it is preferred spacing t 7 -t 8 from 5 to 100 milliseconds. FIG. 5H shows an electric arc that sustains a fully grown plasma flow between the cathode 10 and the anode 4, one of the cathodes. During the operating period of the pulse, the electric arc has a cross section that is not significantly larger than the cross section of the arc during the period t 6 -t 7 when the second current is passed.

時点tで、プラズマ流が所望の間隔に亘って持続させられたとき、プラズマチャンネル6の中のプラズマ生成ガスの中を流れる電流はオフに切り替えられ、その結果、アノード4とカソード10、20、30との間の電圧の印加は停止され、装置は、次のプラズマのパルスが生成されるまで、図5Iに示されたオフ期間に入る。 At t 9, when the plasma flow has been lasted over a desired interval, the current flowing through the plasma generation gas in the plasma channel 6 is switched off, as a result, the anode 4 and the cathode 10, 20 , 30 is stopped and the device enters the off period shown in FIG. 5I until the next plasma pulse is generated.

上述された方法の使用は、上述のようにアークアタッチメントの領域が段階的に拡大することを回避する。プラズマがカソードの露出した表面領域全体に付着する可能性のある、t2からt4までに行われるグロー放電は、好ましい実施形態では、最大で10ミリ秒まで持続する。グロー放電中に得られる温度上昇は、パルスの残りの部分とオフ期間との間に失われる。その結果、新しいパルスが生成されるべきときまでに、カソードは冷却されている。図6Aは、従来技術の方法によって生成された一連のパルスに対し、シングルカソード組立体のアタッチメントの温度および領域を概略的に示している。上のグラフは時間の関数として電流を表している。中央のグラフは時間の関数としてカソードの温度を表している。下のグラフは時間の関数としてカソード組立体へのアークアタッチメントの領域を表している。図6Aは、説明の目的のため、4つのパルスだけを表しているが、実際のプロセスは約300ないし500個のパルスの期間に亘って起こることがある。したがって、例えば、1番目の図示されたパルスは1番目の実際のパルスでもよく、2番目の図示されたパルスは150番目の実際のパルスでもよく、3番目の図示されたパルスは300番目の実際のパルスでもよく、4番目の図示されたパルスは450番目の実際のパルスでもよい。1番目の図示されたパルスの間に、カソードは冷たく、アークはカソード表面の小さい領域に付着する。しかし、1番目の図示されたパルスの間にカソードを通過する電流はカソードの温度を上昇させる。カソードの温度は、次のパルスの前にやや降下するが、カソードの当初の非動作温度まで降下しない。2番目の図示されたパルスの間に、アークアタッチメントの領域は増大しないが、カソードの温度はさらに一層上昇する。2番目の図示されたパルスの後に、温度はやや降下するが、2番目のパルスの前のカソードの温度までは降下しない。3番目の図示されたパルスの間に、温度はさらに上昇し、臨界温度Tを超え、カソードの本体全体は、臨界温度を上回ると電子を熱イオン放出することができる。カソードの温度がTを超えた後、アタッチメントの領域は次のパルス毎に急速に増大する。図6Aに示されているように、4番目の図示されたパルスまでに、アークアタッチメントの領域はカソード表面全体を覆う。 The use of the method described above avoids escalating the arc attachment area as described above. The glow discharge that occurs from t 2 to t 4 where the plasma can adhere to the entire exposed surface area of the cathode lasts up to 10 milliseconds in the preferred embodiment. The temperature increase obtained during the glow discharge is lost between the rest of the pulse and the off period. As a result, the cathode is cooled by the time a new pulse is to be generated. FIG. 6A schematically illustrates the temperature and area of the single cathode assembly attachment for a series of pulses generated by a prior art method. The upper graph represents current as a function of time. The middle graph represents the cathode temperature as a function of time. The lower graph represents the area of arc attachment to the cathode assembly as a function of time. Although FIG. 6A represents only four pulses for purposes of illustration, the actual process may occur over a period of about 300 to 500 pulses. Thus, for example, the first illustrated pulse may be the first actual pulse, the second illustrated pulse may be the 150th actual pulse, and the third illustrated pulse may be the 300th actual pulse. The fourth illustrated pulse may be the 450th actual pulse. During the first illustrated pulse, the cathode is cold and the arc adheres to a small area of the cathode surface. However, the current passing through the cathode during the first illustrated pulse raises the temperature of the cathode. The cathode temperature drops slightly before the next pulse, but does not drop to the cathode's original non-operating temperature. During the second illustrated pulse, the area of the arc attachment does not increase, but the cathode temperature rises even further. After the second illustrated pulse, the temperature drops slightly, but does not drop to the temperature of the cathode before the second pulse. During the third illustrated pulse, the temperature rises further and exceeds the critical temperature T 0, and the entire cathode body is capable of emitting hot ions when the critical temperature is exceeded. After the cathode temperature exceeds T 0 , the area of attachment increases rapidly with each subsequent pulse. As shown in FIG. 6A, by the fourth illustrated pulse, the area of arc attachment covers the entire cathode surface.

図6Bは、本発明の実施形態によって生成された一連のパルスに対し、マルチカソード組立体の好ましい実施形態の温度およびアタッチメントの領域を概略的に示している。電流パルスは、図4Bに示され、上述されたパルスに対応する。図示されたパルスは図6Aの場合と同様に実際のパルスに対応する。上述のように、電流の各パルスにおいて、アークが始動された後、アークは組立体の中のすべてのカソードに付着する。電流は次にアタッチメントの領域を単一のカソードだけに縮小するため減少し、その後に限り、電流は動作レベルまで増加させられる。実質的にパルスの間隔全体に対し、アークは小さい領域に付着するので、カソードの本体全体は著しく加熱されることがない。オフ期間中に、カソード組立体の大部分がパルスの間にかなり冷めているので、カソードは急速に冷める。図6Bに示されているように、1番目の図示されたパルスの後に、カソードの温度は、次の実際のパルスの前に非動作温度まで降下する。したがって、次の実際の電流パルスが始まるとき、組立体の中のカソードは当初の非動作温度を有する。そのパルスの後に続くオフ期間中に、カソードの温度は当初の非動作レベルまで再び降下する。カソードの温度は決してTを超えないので、アタッチメントの領域は増大することなく、図6Bの下のグラフに示されているように、数万個のパルスに対しほぼ同じ状態を保つ。 FIG. 6B schematically illustrates the temperature and attachment regions of a preferred embodiment of a multi-cathode assembly for a series of pulses generated by an embodiment of the present invention. The current pulses are shown in FIG. 4B and correspond to the pulses described above. The illustrated pulse corresponds to an actual pulse as in the case of FIG. 6A. As described above, at each pulse of current, after the arc is started, the arc attaches to all cathodes in the assembly. The current then decreases to reduce the attachment area to only a single cathode, and only thereafter the current is increased to the operating level. Since the arc adheres to a small area for substantially the entire pulse interval, the entire body of the cathode is not significantly heated. During the off period, the cathode cools rapidly because most of the cathode assembly cools significantly during the pulse. As shown in FIG. 6B, after the first illustrated pulse, the cathode temperature drops to the non-operating temperature before the next actual pulse. Thus, when the next actual current pulse begins, the cathode in the assembly has an initial non-operating temperature. During the off period following the pulse, the cathode temperature drops again to the original non-operating level. Since the cathode temperature never exceeds T 0 , the attachment area does not increase and remains approximately the same for tens of thousands of pulses, as shown in the lower graph of FIG. 6B.

図7Aは従来技術の方法によって生成された500個のパルスの後のシングルカソード組立体の顕微鏡視野の略図である。領域350は、500パルスのセッションの最後のパルスの間の電気アークのアタッチメントの領域である。カソードホルダー352は溶け、領域350はカソード全体を含む。カソードの顕微鏡検査は、アタッチメントの領域が、アタッチメントの領域の制御を考慮しない動作方法から生じるカソードの温度不安定性に起因して、激しく腐食されていることを明らかにした。図7Bは本発明の方法の実施形態によって生成された40000個のパルスの後のマルチカソード組立体の顕微鏡視野の略図である。領域360は40000パルスのセッションの最後のパルス中のアタッチメントの領域である。図7Bからわかるように、カソードホルダーおよびホルダーに最も接近したカソードの長手方向部分は、アークが決して付着しないので影響を受けない。同様に、アタッチメントの領域によって覆われているカソードの部分は、図5Fに示されているように、アークがt4とt5との間に限りその領域に付着するので、アークによって少ししか影響を受けることがなく、t5の後、アタッチメントの領域はカソードのうちの1つに接した小さい領域に縮小されるので、カソードの残りの部分はアークによる影響を受けない。 FIG. 7A is a schematic view of a microscope field of a single cathode assembly after 500 pulses generated by a prior art method. Region 350 is the region of electrical arc attachment during the last pulse of a 500 pulse session. Cathode holder 352 melts and region 350 contains the entire cathode. Microscopic examination of the cathode revealed that the attachment region was severely corroded due to cathode temperature instability resulting from operating methods that did not take into account control of the attachment region. FIG. 7B is a schematic representation of a microscopic field of view of a multi-cathode assembly after 40000 pulses generated by an embodiment of the method of the present invention. Region 360 is the region of attachment in the last pulse of a 40,000 pulse session. As can be seen from FIG. 7B, the cathode holder and the longitudinal portion of the cathode closest to the holder are unaffected because the arc never adheres. Similarly, the portion of the cathode covered by the area of attachment will have little effect by the arc, as shown in FIG. 5F, as the arc will only adhere to that area between t 4 and t 5. After t 5 , the area of the attachment is reduced to a small area in contact with one of the cathodes so that the rest of the cathode is not affected by the arc.

図2に示されたカソード組立体に対し、最初の数千個のパルスの間に、アークは最も短いカソード10に付着することが実験的に見出された。これらのパルスの間に、カソード10のアノード端部は著しく加熱される。その結果として、いくらかの溶融がカソード10のアノード端部で起こる。カソード10は、エッジ14の明確に画定された表面不完全部を失う。表面不完全部が非常に明確に画定されないならば、アークは、アノード端部が依然として明確に画定されたエッジ24を有する2番目に短いカソード20に付着し始める。数千個のパルスの後、カソード20の端部は明確に画定されたエッジ24を失う。その後、アークは次に短いカソード、すなわち、カソード30に付着し始める。数千個のパルスの後、カソード30の端部は同様にカソード30の明確に画定されたエッジ34を失う。4つ以上のカソードを備えるカソード組立体の実施形態では、アークは長さが増大する順番に異なるカソードに付着している。アークが最も長いカソードに付着した後、最も長いカソードのアノード端部によって吸収された熱のため、アノードに最も接近したすべてのカソードの端部はいくらかの溶融のためそのカソードの端部の明確に画定されたエッジを失う。   For the cathode assembly shown in FIG. 2, it has been experimentally found that the arc attaches to the shortest cathode 10 during the first thousands of pulses. During these pulses, the anode end of the cathode 10 is heated significantly. As a result, some melting occurs at the anode end of the cathode 10. The cathode 10 loses a well-defined surface imperfection at the edge 14. If the surface imperfection is not very well defined, the arc will begin to attach to the second shortest cathode 20 with the anode end still having a well defined edge 24. After thousands of pulses, the end of the cathode 20 loses a well-defined edge 24. Thereafter, the arc begins to attach to the next short cathode, ie, cathode 30. After thousands of pulses, the end of the cathode 30 loses the well-defined edge 34 of the cathode 30 as well. In embodiments of the cathode assembly with four or more cathodes, the arcs are attached to different cathodes in order of increasing length. After the arc has adhered to the longest cathode, all the cathode ends closest to the anode are clearly melted at the cathode end due to some melting because of the heat absorbed by the anode end of the longest cathode. Lose defined edges.

一旦このことが起こると、アークは再び最も短いカソードに付着し始める。アークは、アノードがエッジ14の画定をさらに失うまで、数千個のパルスの間にカソード10に付着する。この時点で、アークは、エッジ12よりは、明確に画定されたエッジ22を含むアノード端部を有する2番目に短いカソード、すなわち、カソード20に付着し始める。数千個のパルスにおいて、アークは次に短いカソード等々に付着する。   Once this happens, the arc begins to adhere to the shortest cathode again. The arc attaches to the cathode 10 during thousands of pulses until the anode further loses the definition of the edge 14. At this point, the arc begins to attach to the second shortest cathode, ie, cathode 20, having an anode end that includes a well-defined edge 22 rather than edge 12. In thousands of pulses, the arc attaches to the next short cathode, etc.

図2に示されたカソード組立体に対し、実験は、アークが約10000個のパルスの間にカソード10に付着し、その後に、アークが次の約10000個のパルスの間にカソード20に付着し、その後に、次の約10000個のパルスの間にカソード30に付着することを明らかにした。その後、アークは、次の約10000個のパルスの間に再びカソード10等々に付着する。図2に示されたカソード組立体は、殆どのパルスプラズマ用途のため十分である60000個のパルスのセッションに対しこのようにして機能することが明らかにされた。   For the cathode assembly shown in FIG. 2, experiments have shown that an arc attaches to cathode 10 during about 10,000 pulses, after which an arc attaches to cathode 20 during the next about 10,000 pulses. After that, it was found to adhere to the cathode 30 during the next approximately 10,000 pulses. The arc then reattaches to the cathode 10 etc. during the next approximately 10,000 pulses. The cathode assembly shown in FIG. 2 has been shown to function in this manner for a session of 60000 pulses, which is sufficient for most pulsed plasma applications.

上記の方法は、マルチカソード組立体と共に使用されるとき、最良の結果をもたらすことを明らかにしたが、この方法の使用はシングルカソード組立体に対しても同様に有益である。   Although the above method has been shown to give the best results when used with a multi-cathode assembly, the use of this method is equally beneficial for a single cathode assembly.

本発明の実施形態についての上記説明は、例示と解説のため提示されている。網羅的であること、または、本発明を開示されたそのままの形に制限することは意図されていない。多数の変更および変形が当業者に理解されるであろう。実施形態は、発明の原理および発明の実際的な用途を最良の説明のために選択され記載され、それによって、当業者が発明を理解することを可能とする。特定の使用に適した種々の実施形態および変更が考慮される。発明の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定められることが意図されている。   The foregoing descriptions of embodiments of the present invention have been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise form disclosed. Many modifications and variations will be apparent to practitioners skilled in this art. The embodiments are chosen and described for best explanation of the principles of the invention and practical applications of the invention, thereby enabling those skilled in the art to understand the invention. Various embodiments and modifications suitable for a particular use are contemplated. It is intended that the scope of the invention be defined by the appended claims and their equivalents.

Claims (14)

a.カソードホルダーと、
b.長手方向に整列され、クラスタとして前記カソードホルダーに接続され、各カソードが少なくとも1つの他のカソードと物理的に接触している複数のカソードと、
を備えるカソード組立体。
a. A cathode holder;
b. A plurality of cathodes that are longitudinally aligned and connected to the cathode holder as a cluster, each cathode in physical contact with at least one other cathode;
A cathode assembly comprising:
前記カソードが互いに電気的に接続されている、請求項1に記載のカソード組立体。   The cathode assembly of claim 1, wherein the cathodes are electrically connected to each other. 前記カソードのうちの少なくとも1つが少なくとも1つの他のカソードの長さと異なる長さを有する、請求項1に記載のカソード組立体。   The cathode assembly of claim 1, wherein at least one of the cathodes has a length that is different from a length of at least one other cathode. 前記カソードの全部が異なる長さを有する、請求項3に記載のカソード組立体。   The cathode assembly of claim 3, wherein all of the cathodes have different lengths. 複数の前記カソードのうちの各々の径が実質的に同一である、請求項4に記載のカソード組立体。   The cathode assembly of claim 4, wherein each of the plurality of cathodes has substantially the same diameter. 1対のカソードの間の長さの最小の差がカソードの径に等しい、請求項5に記載のカソード組立体。   The cathode assembly of claim 5, wherein the minimum difference in length between the pair of cathodes is equal to the diameter of the cathode. 前記カソードの径が0.5mmである、請求項5に記載のカソード組立体。   The cathode assembly according to claim 5, wherein the cathode has a diameter of 0.5 mm. アノードと、1つ以上のカソードに接続されたカソードホルダーを含むカソード組立体とを備える装置において、プラズマのパルスを生成する方法であって、
a.第1の電流を、前記1つ以上のカソードおよび前記アノードに通すことと、
b.電流の大きさが前記第1の電流の大きさより小さい第2の電流を、前記1つ以上のカソードおよび前記アノードに通すことと、
c.電流の大きさが前記第1の電流の大きさより大きい第3の電流を、前記1つ以上のカソードおよび前記アノードに通すことと、
d.前記1つ以上のカソードおよび前記アノードを通る前記第3の電流を、止めることと、
を備える方法。
A method for generating a pulse of plasma in an apparatus comprising an anode and a cathode assembly including a cathode holder connected to one or more cathodes, comprising:
a. Passing a first current through the one or more cathodes and the anode;
b. Passing a second current having a magnitude of current less than the magnitude of the first current through the one or more cathodes and the anode;
c. Passing a third current having a magnitude of current greater than the magnitude of the first current through the one or more cathodes and the anode;
d. Turning off the third current through the one or more cathodes and the anode;
A method comprising:
前記第2の電流が1つのカソードに通され、前記第3の電流が同じカソードに通される、請求項8に記載の方法。   The method of claim 8, wherein the second current is passed through one cathode and the third current is passed through the same cathode. 前記第1の電流を通す前に、前記アノードと前記1つ以上のカソードとの間に交番電圧を印加することをさらに備える、請求項9に記載の方法。   The method of claim 9, further comprising applying an alternating voltage between the anode and the one or more cathodes prior to passing the first current. 前記第2の電流の大きさが、前記カソードと前記アノードとの間で電気アークを持続させるために必要とされる最小電流の1倍と3倍との間にある、請求項10に記載の方法。   The magnitude of the second current is between 1 and 3 times the minimum current required to sustain an electric arc between the cathode and the anode. Method. 前記第2の電流の大きさが0.33ないし1.0Aである、請求項11に記載の方法。   The method of claim 11, wherein the magnitude of the second current is 0.33 to 1.0 A. 前記第1の電流の大きさが4.0ないし6.0Aである、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the magnitude of the first current is 4.0 to 6.0 A. 前記第3の電流の大きさが10ないし80Aである、請求項13に記載の方法。   The method of claim 13, wherein the third current magnitude is between 10 and 80 A.
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