TWI444106B - 氣體離子化設備以及用以產生離子化氣體流的方法 - Google Patents

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Description

氣體離子化設備以及用以產生離子化氣體流的方法
本發明係相關於使用電暈放電以產生氣體離子之靜電中和設備。更特定言之，本發明係針對製造用於電荷中和之電氣自我平衡、雙極性離子化氣體流。相應地，本發明之總體目標為提供新穎且具有此等特徵的系統、方法、設備、與軟體。
在純淨環境中的製程與作業特定傾向於在所有電氣隔離表面上創造且堆積靜電電荷。這些電荷產生不被需要的電場，電場會將大氣懸浮微粒吸引至表面、在介電質中製造電應力(electrical stress)、在半導體材料與導體材料中誘發電流、以及在製造環境中引發電氣放電與電磁波干擾(EMI)。
欲解決這些靜電危害，最有效率的方法為將離子化氣體流供應至帶電荷的表面。此類型的氣體離子化可有效率的補正或中和不被需要的電荷，且藉以減少關於不被需要的電荷之污染物、電場、以及電磁波干擾效應。製造氣體離子化之一習知方法被稱為電暈放電(corona discharge)。基於電暈之離子化裝置(例如，見於已公開之專利申請說明 書US 20070006478與JP 2007048682)，因為在小空間內能量與離子化可為高效率而被需要。然而，此電暈放電設備之一已知的缺點為，使用於其中的高電壓離子化電極/發射器(為尖端或細線之型式)，將與需要的氣體離子一同產生不被需要的汙染物。電暈放電亦可在周圍空氣中，舉例而言，激發微小液滴型式的水氣。
習知電暈放電設備之另一已知的缺點為，使用於其中的高電壓離子化電極/發射器有產生不相等數量之氣體正離子與氣體負離子的傾向，而非如同大部分應用所需要的，產生濃度大約相等的正離子與負離子。因為高純度之正電性與惰性氣體具有高離子化能量與低負電性，在需要中和正電性氣體(諸如氮氣與氬氣)的應用中此問題特別嚴重。舉例來說，負電性O2 之離子化能量為12.2eV，與N2 之15.6eV和氬氣之15.8eV相較。因此，這些氣體有製造大量自由電子，而非負離子之傾向。在此重申，雖然這些氣體會製造三種電荷載子(電子、正離子、以及負離子)，但主要係製造正極性離子與電子。因此，負離子發散係為相對地稀有，且正離子與負離子的製造完全不均等(不平衡)。
此外，離子不平衡亦可產生自一事實：離子產生速率與平衡係依賴於一些其他因素，其他因素係為諸如離子化電極的狀態、氣體溫度、與氣體流組成等等。舉例來說， 以下事實係顯而易知於本發明領域中：電暈放電逐漸地侵蝕正離子電極與負離子電極兩者，且自此等電極中製造汙染物粒子。然而，正電極通常以較負電極快速的速率侵蝕，且此現象加劇離子不平衡與離子電流不穩定性。
實務上用以平衡離子流之習知作法，係使用一浮接(與地電氣隔離)的高電壓直流電源供應器。此電源供應器之高電壓輸出係連接至正電極與負電極(如美國專利7,042,694號中所示與描述)。然而，此作法需要使用具有高電壓隔離之至少兩離子電極。
用以平衡離子流之一替代性習知作法，係使用兩(正與負)隔離的直流/脈衝直流電壓供應器，且調整應用至一或兩離子電極之電壓輸出及(或)電壓持續期間(如已公開之美國專利申請號2007/0279829與2009/0219663中所示與描述)。此解決辦法具有其本身的缺點。第一個缺點為複雜度，其歸因於需要控制每個高電壓電源供應器。第二個缺點為從兩分離來源，在氣體流中達到正離子與負離子之優良混合的困難度。
在以上提到之關於在習知離子化裝置中發射器侵蝕與粒子產生的問題，對於高純度氮氣、氬氣、與惰性氣體之電暈離子化特別地有挑戰性。在這些氣體中，正極性電暈放電在正常的大氣狀態下產生具有低移動度(低能量)之正離子叢集。然而，由於在電子與中性分子間的非彈性碰撞， 負極性電暈放電產生高能量電子，非彈性碰撞係歸因於自發射器之電場發散，與在電極頂部周圍之電漿區域內的光離子化(photo-ionization)。這些在正電性氣體與惰性氣體中的自由電子具有對中性氣體原子或分子之低附著機率。此外，自由電子之電氣移動度係為由氣體生成之負離子的一百倍高以上。這些事實所導致的結果包括：-高能量電子與電極表面的衝撞加速侵蝕，其相應地製造汙染離子化氣體流之粒子；-高移動度電子在離子化氣體流中產生顯著的不平衡；-自由電子有能力以製造第二電子發散，引發電暈電流不穩定性且(或)導致崩潰。
對於上述問題的一先前技術解決辦法被利用於MKS/離子系統，氮氣沿線離子化模型4210(u/un)中。第一圖圖示此設備之一簡化結構。如在此所示，此裝置之離子化單元(IC)具有遠遠地分開放置之正發射器(PE)與負發射器(NE)，並具有在兩者間流動之氣體3。每個發射器係經由限流(current-limiting)電阻(CLR1與CLR2)連接至高電壓直流電源供應器(DC-PS)之一浮接輸出。在此設計中，如與此一般類型中之其他設計，正發射器侵蝕為一汙染粒子與離子不平衡之來源。同樣地，任何將通過兩電極間的氣體流離子化之系統的效率被限制。
美國專利第6,636,411號揭示對同樣問題的另一解決辦法，其建議引入一特定百分比之電子附加(electron-attaching)氣體(諸如氧氣)至電漿區域中，以將自由電子轉換(附加)入負離子中，並穩定電暈放電。然而，氧氣(或一些其他的負電性氣體)的引入排除了此解決辦法在純淨與超純淨環境與(或)任何需要非氧化性氣體流之環境中的使用。
本發明對於電氣平衡之離子化氣體流之穩定製造，提供自我平衡之電暈放電，以克服習知技術之上述與其他缺點。以促進使自由電子轉換成負離子之電子轉換，且不添加氧氣或其他負電性氣體至氣體流中，而達成此結果。本發明可被使用於負電性氣體流、正電性氣體流、及惰性氣體流之任一者、多者、或任意組合者，且可包含使用一閉迴路電暈放電控制系統。
依照本發明以及在此所揭示者，在電暈放電區域(亦即，在離子化電極與非離子化參照電極之間的離子化單元之區域)內具有兩不同種類的區域：(a)小型(直徑約1毫米)且一般為球形之白熱電漿區域，其以離子發射器尖端為中心或近於離子發射器尖端，在白色電漿區域中離子化電場提供充足的能量以產生新電 子與光子，從而維持電暈放電；以及(b)離子漂移區域，其為在白熱電漿區域與非離子化參照電極之間的黑暗區間(dark space)。
根據本發明，具有正部分與負部分之週期T之交替的離子化信號，被應用至離子化電極，以在定義下游方向之非離子化氣體流中產生電荷載子，從而形成離子化氣體流。電荷載子組成電子、正離子、與負離子之雲。有利地，在離子化信號之負部分中之Tnc 部分期間製造的電子雲中的電子，被誘發以在離子漂移區域中振盪。此電子雲振盪提高了在振盪電子與在氣體流(例如高純度氮氣)中之中性分子之間的彈性碰撞/附加之機率。因為當此等彈性碰撞/附加發生時自由電子與中性分子轉換成負離子，本發明的使用提高了離子化氣體流中負離子的數量。
選擇性地，在至少一參照電極與離子漂移區域之間提供介電質屏障(dielectric barrier)(亦即電氣隔離)，更進一步促進將多數電子轉換成低移動度負離子。此效應提供穩定的電暈放電，幫助平衡正離子與負離子的數量，並增進從流過離子化裝置之氣體流採收正離子與負離子。
本發明之特定的選擇性具體實施例使用雙重解決辦法以在離子化氣體流中平衡離子流：(1)將離子化電暈電極電容性地耦合至一射頻頻率(RF)高電壓電源供應器(HVPS)，以及(2)將參照電極與離子化氣體流電氣隔離 (例如，以介電材料使參照電極與氣體流絕緣)。
本發明之特定的選擇性具體實施例亦展望使用(有能力以在正電性氣體與負電性氣體中工作的)控制系統，其中將增加的電壓脈衝重複地應用至一離子化電極，直至電暈放電發生，從而決定電極的電暈臨限電壓。接著控制系統可減少作業電壓至一般等於電暈臨限電壓之一靜態位準，以最小化電暈電流、發射器融合、與粒子產生。以此方式，本發明之特定的具體實施例可保護離子化電極，以避免在正電性氣體與惰性氣體中之RF電暈電流所造成的傷害(諸如侵蝕)。使用如此之控制系統之本發明之具體實施例，不僅可更加地平衡離子化氣體流，從而亦可自動地、最佳化地平衡離子化氣體流(亦即，此等具體實施例可為自我平衡)。
理所當然地，前述之本發明所揭示之方法係很好地特定適應於前述本發明所揭示之設備。類似地，本發明所揭示設備係很好地適合執行前述有進步性的方法。
藉著以下對於較佳的具體實施例之詳盡描述、申請專利範圍、與伴隨之附加圖式，諸多本發明之其他優點與特點將顯然於在本發明相關領域中具有通常知識者。
第2圖係圖示用於以在廣範圍之流動速率中、至少實 質上濃度為電氣平衡之電荷載子，產生離子化氣體流10/11(例如使用負電性/正電性/惰性氣體)之較佳方法與設備之一簡要代表圖。此目標經由離子化單元100’以達成，離子化單元100’包含絕緣參照電極6以及電容性地耦合(capacitively-coupled)至高電壓電源供應器(High Voltage Power Supply；HVPS)9之離子化電極5，高電壓電源供應器9較佳係於射頻頻率範圍內作業。
如第2圖所圖示，較佳具有進步性的離子化裝置100包含至少一個位在穿越通道2內之離子化電極5電暈發射器，穿越通道2接納定義下游方向之氣體流3。離子化電極5可由導體材料諸如鎢、基於金屬之合金、複合材料(陶瓷/金屬)，或半導體材料(諸如矽)製成，及/或可由任何材料製成及/或具有任何於併入此之應用中描述之結構。離子化電極5可以沖壓、從線切割加工成型、或根據其他已知於本發明相關領域中之技術以製成。
離子化電極5之離子發射末端可具有錐形尖端5’，錐形尖端5’具有約70~80微米之小半徑。電極另一末端可固定於插座8且可連接至高電壓電容C1，高電壓電容C1可連接至於通篇描述之類型的高電壓電源供應器9之輸出。在此較佳具體實施例中，高電壓電源供應器9較佳地為可變量值之交流電壓產生器，交流電壓之量值可自約1千伏特(kV)至約20kV(較佳為10kV)，且交流電壓之頻率可於自 約50赫茲(Hz)至約200千赫茲(kHz)(最佳為38kHz)之間。
一不導電外殼可被放置於電極周圍，不導電外殼具有靠近電極尖端之流孔，以及用於移除生成電暈之疏散孔(見圖示於第4圖中之外殼4)。此選擇性之外殼可以沖壓、加工成型、或根據其他已知於本發明相關領域中之技術以製成。此配置之細節已於在以上參照並併入之發明應用中揭示。
穿越通道2可以介電材料製成，且可以沖壓、加工成型、或根據其他已知於本發明相關領域中之技術以製成。高壓氣體之來源(未圖示)可連接至穿越通道2之吸入口以建立純淨氣體流3，諸如包含氮氣之正電性氣體。較佳之參照電極6為導電環之型式。參照電極6係較佳地以相對為厚(1~3毫米)之介電體壁絕緣自穿越通道2之內側空間，且電氣耦合至控制系統36。
離子化電極5與參照電極6形成可發生電暈放電之離子化單元100’的主要組件。當高電壓電源供應器9之電壓輸出超過電暈肇始電壓VCO時氣體離子化開始。電暈熄滅(抑制)通常在低電壓時發生。此效應已知為電暈遲滯(corona hysteresis)，且在正電性氣體與高頻率時更為顯著。
如已知於本發明相關領域之，對於正極性與負極性放電，電暈肇始電壓的值與伏特-安培特徵係為不同。此為電暈放電在氣體中產生不均等數量的正電荷載子與負電荷載 子的原因之一。因此，離開電暈發射器之離子流在習知系統中係為不平衡的。然而，依照在此所描述之較佳具體實施例，可校正此不平衡。如所示之，離子化電極5可經由電容器C1通信式地耦合(communicatively coupled)至高電壓電源供應器9以達到兩目標：首先，限制自離子化電極5流出之離子電流，以及接著，使離開離子化電極5之正電荷載子與負電荷載子10/11/11’之數量均等。因為根據電荷守恆定律，不均等之正電流與負電流在用以平衡自離子化電極5之正電流與負電流之電容器C1上堆積電荷並產生電壓，所以將高電壓電源供應器9電容性地耦合至離子化電極5使出自發射器之電荷載子10/11/11’平衡。電容器C1之較佳電容值係取決於電容性地耦合至電容器C1之高電壓電源供應器9之作業頻率。對於較佳的HVPS(具有約38kHz之作業頻率)，C1之最佳化值較佳地係為在約20微微法拉(picoFarads)至約30微微法拉的範圍內。雖然相較於習知技術，以此方法平衡自發射器之正離子與電子為一值得被注意的進展，圖示於第2圖之較佳具體實施例更進一步地展望在漂移區域(在離子化電極與下游參照電極之間)中，促進將電子雲之自由電子轉換成負離子之改進，如隨於以下討論之。
根據歐姆定律，由電荷載子位移所產生之電流密度J[A/m2 ]為： J=q x N x E x μ
其中q為離子或電子電荷；N為電荷載子濃度，μ為電荷載子之電移動度，以及E為漂移區中電場強度。
如已知於本發明相關領域者，氣體正離子之平均移動度(mean mobility)為(+)μ=1.36 x 104 m2 V-1 s-1 ，負離子之平均移動度為(-)μ=1.53 x 10-4 m2 V-1 s-1 ，而電子之平均移動度為(-)μ=200 x 10-4 m2 V-1 s-1 (或為更高，取決於氣體的類型、壓力、溫度等等)。因此，移動進入離子化單元10之漂移區之均等濃度的(+)N離子與(-)N電子，可產生非常不同的電流量值(+)J與(-)J以及非常不平衡之氣體流。
為了解決在漂移區中之不平衡問題，本發明促進將電子轉換成低移動度之負離子。轉換速率係受電子產生持續期間、離子化單元尺寸、應用至離子化電極5之電壓之頻率及量值、以及離子化單元10之材料特性。較佳之HVPS之作業頻率(F)範圍係自約50Hz至約200kHz，射頻頻率範圍係自約10kHz至約100kHz。高電壓振幅應接近於負電暈臨限值(-)VCO。以下詳盡討論這些因子。
第3a圖圖示使用於第2圖圖示之具體實施例之一較佳波形，此波形可由高電壓電源供應器9產生。在多數較佳之約38kHz頻率下，負電荷載子僅在電壓週期之負部分中之一非常短的時間Tnc 期間中產生。因此，典型的Tnc 係等 於電壓週期之十分之一或更少。同時，電子雲需要時間Te 以自離子化電極5移動至參照電極6：Te =L/U=L/(Ed x(-)μ)
其中：U為電子速度；μ為電子移動度；Ed 為漂移區中之平均電場強度；以及L為漂移區之等效長度。
若電子雲行動時間Te係等於或小於歸因於負電暈之電子產生之持續期間(時間期間)(TeTnc)，則多數在此週期間發射出之電子將不會有足夠的時間逃出離子漂移區。如以下所討論之，於隨後的/另一邊的來自高電壓電源供應器9之波形之半週期期間，此等電子將朝著發射器被退回。
將更進一步被理解的是，發射器之電場與漂移區中之電子空間電荷導致一些電子11’沉積在漂移區中穿越通道2之內側體壁上，如第2圖所圖示。此等負電荷11’產生額外的斥力並減低電子移動至參照電極之速度。此效應更進一步減少自由電子逃出離子漂移區域的能力。
此較佳具體實施例減低自由電子速度之另一方式為，以具有長時間常數之介電材料作為穿越通道2之體壁。此時間常數τ較佳為100秒(或電荷弛緩時間τ=R x ε，其中R為電阻值，以及ε為通道材料之介電常數)。適合的材料包含聚碳酸酯與鐵氟龍，因為他們具有等於或大於100秒之時間常數。由Quadrant EPP USA,Inc.of 2120 Fairmont Ave.,P.O.Box 1235 Reading,PA 19612所製造之PC聚碳 酸酯，以及由W.L.Gore & Associates Inc.,201 Airport Road P.O.Box 1488,Elkton,MD 21922所製造之(PTEF)鐵氟龍800類型，被相信為當下最有利的體壁材料。
在週期的正部分期間，正電壓產生對於電子雲之吸力。此為為何若達成以下兩較佳條件時：Te<0.1-0.2/F與τ100s，在漂移區域內每個高電壓週期將製造電子雲之振盪。
振盪之電子雲導致在漂移區域內電子與中性氣體分子間較高的彈性碰撞/附加機率，以及較高的大部分的自由電子轉換成負氣體離子11之機率。負氮氣離子具有接近於在空中傳播之負離子之平均移動度(-)μ=1.5 x 10-4 m2 V-1 s-1 之移動度。此為值得被注意的低於已知至少為100倍大之於氮氣流中自由電子之移動度。
此由電子至負離子之轉換，由於消除了電子流(streamer)與降低了崩潰的機率，改進了電暈放電穩定性，並導致在離子化氣體流中之正離子與負離子10/11之濃度實質上均等。
低移動度之正離子與負離子11可容易地由氣體流採收(收集與移動)。於每分鐘60升之氣體流在離子漂移區域中產生約67公尺/秒(m/s)之線性速度位移。負離子與正離子在約2.3 x 105 伏特/公尺(V/m)之電場中具有約35m/s之線性速度(相較於在相同電場中約4,600m/s之平均電子速 度)。所以在高頻/RF電場內，電子11’主要地回應於電場而移動，而正離子與負離子10/11主要地由漂移區間內之擴散與氣體流速度而移動。
為了保護離子發射器自高頻電暈放電所造成的傷害，本發明之一選擇性的較佳具體實施例之特點為限制來自離子化電極5之電流作準備。此由連續地使用參照電極(作為監視之手段)以將監視信號(回應於在離子化氣體流中之電荷載子)回饋至控制系統以調整高電壓電源供應器9，致使應用至離子化電極5之電壓保持在(或接近於)電暈臨限電壓。
依照圖示於第4圖之較佳具體實施例，高電壓電源供應器9’包含建立於高電壓變壓器TR四周之可調自振盪產生器。特定言之，第4圖圖示一較佳的具體實施例，其中參照電極6係經由電容器C2電容性地耦合至類比控制系統36’。如所圖示之，環形電極6以絕緣介電穿越通道2與離子化氣體流3隔離；因此，傳導電流與離子化氣體被阻隔。
由L1/C2構成之具有約1百萬赫茲(MHz)之截止頻率之高通濾波器，被用以將來自參照電極6之電暈信號回饋。此經濾波電暈信號可由二極體D1整流，並以由R2/C6構成之低通濾波器濾波，傳遞至由T3/R1構成之電壓比較器(其中R1代表一預定比較器電壓位準)，且其後傳遞至n-通道功率MOSFET電晶體T2之閘極。相應地，電晶體T2 供應足夠的電流，以驅動功率振盪器/高電壓電源供應器9’。其他信號處理可包含高增益放大、減少雜訊分量之集成、以及與一參照電暈信號位準之比較。以上所紀錄之信號處理極大地減少電暈信號中固有的雜訊，且連同於特定較佳具體實施例此可為特別重要，因為較佳的高電壓電源供應器9’係在射頻頻率範圍內作業。
在使用上，當離子化開始時，因為回饋信號僅剛開始，電暈放電與電暈信號(由參照電極6提出且反映位移電流)為高。電暈信號保持為高(典型地為數毫秒)直到回饋電路開始調整此狀態。控制電路快速地將應用至離子化裝置之高電壓，減少至由一預定參照電壓所決定之較低的位準，且較佳地，將電暈放電在此位準保持恆定。以監視(被通信式地耦合之參照電極之)電暈回饋並調變高電壓驅動器，控制系統36’與高電壓電源供應器9’具有將作業電壓保持在(或接近於)電暈臨限電壓，並將發射器傷害最小化之能力。
在本發明相關領域具有通常知識者將會注意到，第4圖之電容器C2係由一位移電流充電，位移電流具有兩主要分量：(1)來自發射器之高電壓電場的具有基礎頻率F(較佳為約38kHz)之誘發信號，以及(2)由電暈放電本身產生之信號。第5a圖(S1’與S1)與第5b圖(S2’與S2)圖示說明此等分量之代表性示波器螢幕擷取圖。在此圖示之紀錄波形代表在相同時間框架內之兩訊號。如所示之，在空氣中 之參照電極上產生的電暈信號S1(見第5a圖)係不同於在氮氣中之參照電極上產生的電暈信號S2(見第5b圖與第5c圖)。在大部分情況下，在空氣中的電暈放電產生振盪放電之兩起始瞬變突波(transient spikes)(見第5a圖中之信號S1)。此可能和氧氣(一顯著的空氣組成)與氮氣的離子化能量不同有關。
第5b圖與第5c圖展示在純淨氮氣內的負電暈誘發電流S2，於此振盪電暈放電信號S2具有一最大值(於應用至電極之離子化電壓S2’之最大值)。在氮氣與空氣兩者中，負電暈位移電流皆係比正電流高出許多。在高頻率(諸如40~50kHz)時，在電場影響下正離子之移動範圍被限制。特定言之，在高電壓週期之正部分期間，正離子10將僅能自電漿區域12移動一毫米之一小部分。從而，正離子雲之位移係由相對地慢的程序控制-氣體流之擴散與位移。因此正離子10之位移對參照電極6的影響將僅為一可忽略的數量。
現參閱第6a圖與第6b圖，其中依照兩自我平衡之本發明之較佳具體實施例，展示兩替代性的氣體離子化設備之簡要代表圖，每一者具有通信式地耦合至以微處理器為基礎之控制系統36”與36'''之高電壓電源供應器9”。
在第6a圖與第6b圖之具體實施例之兩者中，微處理器(控制器)190之主要工作為提供對驅動離子化電極5之高 電壓電源供應器9”之閉迴路伺服控制。較佳的微處理器為型號ATMEGA 8μP，由Atmel,Orchard Pkwy,San Jose,CA 95131所製造。在此使用之較佳的變壓器為變壓器型號CH-990702，由晶勇實業股份有限公司，現地址為330桃園縣桃園市永安路964巷22弄10號所製造(www.chirkindustry.com )。如第6a圖與第6b圖所示，自參照電極6之電暈位移電流監視信號可由濾波器180濾波並緩衝，並供應至微處理器190之一類比輸入。微處理器190可比較電暈信號與一預定參照位準(見TP2)，且隨後產生一連串的PWM(脈波寬度調變)脈衝輸出電壓。一連串的脈衝輸出電壓隨後被濾波電路200濾波且處理，以發展用於可調自振盪高電壓電源供應器9”(類似第4圖所示之替代性高電壓電源供應器9’的設計)之驅動電壓。
為了最小化與電暈放電相關的傷害，與來自離子化電極5之粒子產生，微處理器190可對高電壓電源供應器之變壓器TR提供具有不同工作因數(duty factor)(在約1~100%的範圍內，且較佳地約為5~100%)之脈衝(見TP1)。脈衝重複頻率可設為約0.1~200Hz的範圍內，且較佳地約為30~100Hz。儘管微處理器190亦可回應於壓力感測器33’(見第6a圖)，在其他具體實施例中微處理器190可替代性地回應於真空感測器33””(見第6b圖)。
在高流動速率(例如每分鐘90~150升)時，正離子與 負離子可能發生重組的時間期間很短，且來自離子化裝置之離子電流很大。在此情況下，應用至電極之高電壓之工作因數可較低些(例如50%或更少)。第9圖展示供應至離子化電極5之高電壓波形S4’之一範例(較佳的基頻約為38kHz、較佳的工作因數約為49%、且較佳的脈衝重複速率約為99Hz)。將可認知到工作因數越低，電子/離子可能轟擊(bombard)離子化電極5的時間越短，且將會發生較少的發射器侵蝕(從而延伸發射器壽命)。
工作因數可由使用連接至微處理器之類比輸入的微調電阻(trim pot)TP1(工作因數)以手動調整，或可由基於適當的氣體感測器33’(例如TSI Series 4000 High Performance Linear OEM Mass Flowmeter，由TSI Incorporated,500 Cardigan Road,Shoreview,MN 55126所製造)量測得之氣體壓力或氣體流之量測結果以自動調整(見第6a圖)。
微處理器190基於回饋信號自動地建立驅動電壓。若需要，可使用微調電阻TP2將自動地被決定的驅動電壓調整高些或低些。
具有此設置，以微處理器為基礎之控制系統可用以回應於來自感測器33’之信號而採取各種動作。例如，若氣體流位準在一預定臨限位準之下，則控制系統可將高電壓電源供應器9”關閉。同時微處理器190可觸發警示信號「低氣體流」(警示/LED顯示系統202)。
在第6b圖之具體實施例中，當一抽射器(eductor)26”被用於在離子化殼體中以提供吸力時，如在併入之專利案中所描述之，且如第6b圖所圖示，來自於穿越通道2中之氣體流3之真空壓力可被用以偵測流動速率。在此情況下，監視疏散孔內真空位準之真空感測器33”亦將關於氣體流的資訊提供至微處理器190。微處理器190有能力以自動地調整至高電壓電源供應器9”之驅動電壓，以在不同的流動速率下將離子電流保持在規格中。在此本發明之較佳具體實施例中使用之抽射器可為由Anver Corporation located at 36 Parmenter Road,Hudson,MA 01749 USA所製造並行銷之ANVER JV-09 Series Mini Vacuum Generator；及由Fox Valve Development Corp.located at Hamilton Business Park,Dover,New Jersey 07801 USA所製造並行銷之Fox Mini-Eductor；或其他已見於此技術領域之均等裝置。
在典型的工業應用中，離子化裝置時常於高電壓「開啟-關閉」模式中作業。在一長時間「關閉-週期」(一般為一小時以上)之後，離子化裝置在每個「開啟-週期」中起始電暈放電。在正電性氣體(如氮氣)中的電暈啟動程序，相較於一已被「調節(conditioned)」之離子化裝置，通常需要較高的起始肇始電壓及電流。為了克服此問題，該有進步性之離子化裝置可由以微處理器為基礎之控制系統來操 作於下列各別的模式中：「待命(standby)」、「開啟(power on)」、「啟動(start up)」、「學習(learning)」與「作業(operating)」模式。
第7a圖、第7b圖、第7c圖、第7d圖與第7e圖圖示本發明之一些較佳離子化裝置具體實施例之功能性流程圖。特定言之，此等圖式圖示微處理器用以進行以下作業之程序：(1)起始電暈放電(第7a圖-開啟模式)；(2)調節用於電暈放電之離子化電極(第7b圖-啟動模式)，學習且精細調諧保持電暈放電所需的離子化信號(第7e圖-學習模式)；以及(3)隨後，調變離子化信號以保持所需的電暈放電位準(第7c圖-正常作業模式)。在各種於此描述之狀態下，微處理器亦可進入待命模式(第7d圖)。在開啟之後，程序控制轉移至待命或啟動例行程序其中之一者。在高電壓警示狀態被設定，即如由一視覺化顯示器所指示(諸如一紅光LED持續發光)之前，迴路可不斷重複(例如多達30次)。若離子化裝置成功地啟動，如同(例如)由可被接受的電暈回饋信號所決定的，控制轉移至學習與正常作業例行程序。
現在注意到第7a圖，當程序傳至方塊212時開啟模式例行程序210開始發生，在方塊212處微處理器將輸出設定為一正常、已知之狀態。隨後程序傳至決策方塊214，在決策方塊214處決定由適當的類比輸入所指示之氣體流 壓力是否充足以繼續。若非，則程序傳至方塊216，在方塊216處使黃光與藍光LED指示器發光，且程序傳回至決策方塊214。當壓力夠充足以繼續進行時，開啟模式例行程序210程序傳至代表第7b圖之啟動例行程序方塊230。
啟動例行程序方塊230開始於方塊232處且使閃爍藍光LED發光，且傳至方塊234，在方塊234處高電壓被應用至離子化裝置，直至充足的電暈回饋信號存在於一預設電壓位準。若為如此，則程序傳至方塊242，在方塊242處程序回到第7a圖之開啟模式例行程序210。否則，啟動例行程序方塊230程序傳至決策方塊236，在決策方塊236處若啟動例行程序方塊230結束則將回到開啟模式例行程序210。否則程序在方塊238決定是否發生少於29次的重試。若為如此，則程序傳過方塊240且回到方塊240。若非如此，則啟動例行程序方塊230程序傳至如第7d圖圖示之待命模式280。
當存在充足的離子化裝置回饋信號，或當啟動模式結束時，啟動例行程序方塊230程序傳至方塊242且重新進入開啟模式例行程序210之方塊220。開啟模式例行程序210隨後以監視突然的電暈回饋信號提升，決定離子化是否已開始。若非如此，則程序傳至決策方塊224，在決策方塊224處一定數量的重試被測試，若已發生多於30次的重試，則程序朝向待命模式280。否則，程序傳過方塊226， 且啟動例行程序再一次地被呼叫，在方塊226處程序(以典型被選定為2-10秒間的一值)被延遲。於自啟動例行程序方塊230返回時，若離子化調節已發生，則程序傳過決策方塊220至第7e圖之學習模式300。若偵測到電暈回饋，則微處理器將繼續進行至學習模式300(見第7e圖)。在此離子化信號將自零點被提升(方塊302)至再一次偵測到電暈回饋(方塊304)之點。接著，正當監視回饋位準時，離子化信號被略微減少(方塊306)至所需的靜態電壓位準，且程序傳至正常作業模式250(如第7c圖與第8圖所圖示)。
正常作業模式250開始於決策方塊252，在決策方塊252處決定是否存在待命命令。若存在，則正常作業模式250程序傳至待命模式280並繼續進行如有關於第7d圖之描述。否則，正常作業模式250程序傳至決策方塊256，在決策方塊256處測試高電壓警示狀態。若硬體甚至以100%電壓輸出與工作因數，皆無法建立並保持電暈回饋信號於所需的位準，則設定高電壓警示狀態，且正常作業模式250程序傳至方塊258，在方塊258處警示LED發光且關閉高電壓電源供應器。隨後正常作業模式250程序傳回決策方塊252並繼續進行。若尚未達到警示狀態則程序傳至方塊260，在方塊260處若高電壓驅動超過其最大值的95%，則設定低離子輸出警示狀態。若已達到低離子輸出警示狀態，則正常作業傳至方塊262，且一黃光LED發光。 隨後程序傳回決策方塊252並繼續進行，如在此所描述之。若未達到低離子警示狀態，則程序傳至方塊264，在方塊264處若真空感測器電壓在極限之上，則設定氣體流警示限制狀態(flow alarm limit condition)，指示氣體流不足。若達到警示狀態，則正常作業模式250程序傳至方塊266，在方塊266處黃光與藍光LED發光，且關閉高電壓電源供應器。程序再次傳至決策方塊252，並如在此所描述繼續進行。若未達到氣體流警示狀態，則正常作業模式250程序傳至方塊268，且應用至離子化電極之高電壓如閉迴路伺服控制所需被調整。接著，程序傳至方塊270，在方塊270處所有藍光、黃光、與紅光LED被關閉。隨後正常作業模式250程序傳回至決策方塊252並如在此所描述繼續進行。當在方塊252接收到並偵測到待命指令，則程序傳至待命模式280並繼續進行如關於第7d圖所描述者。
當程序傳至方塊282時待命模式280開始，且藍光LED發光。若為第一次通過方塊284，或自從上一通過方塊284之週期已經過一分鐘，則程序傳至啟動例行程序方塊230，在啟動例行程序方塊230處啟動模式例行程序如關於第7b圖所描述繼續進行。在從啟動例行程序方塊230返回時，待命模式280程序傳至方塊288，在方塊288處開始一(典型被選定為2-10秒間的一值之)延遲，且程序移至方塊290，在方塊290處設定啟動模式終止旗標。最後，待命模 式280程序傳至方塊292，在方塊292處例行程序返回至呼叫此例行程序之位置(在第7a圖、第7b圖、與第7c圖之一者中)。類似地，在方塊284處若經過的時間少於一分鐘，則待命模式280程序傳至方塊292，在方塊292處例行程序返回至呼叫此例行程序之位置(在第7a圖、第7b圖、與第7c圖之一者中)。
若離子化裝置以一外部輸入或因一警示狀態被安置於待命狀態，則離子化裝置將較佳地保持在該狀態，直至警示解除或外部輸入改變狀態。待命模式可由一不同的視覺顯示器(諸如一持續發光之藍光LED)指示。
第8圖係一示波器螢幕擷取圖，其圖示在學習模式300開始處，以微處理器為基礎之控制系統36”/36”’控制高電壓電源供應器9”，而實質上即時地(2.5kV/ms)自零點提升應用至離子化電極之離子化電壓S3’，至一低於電暈肇始電壓VCO之電壓振幅VS。此電壓位準可位在自約1kV至約3.5kV之範圍內。在此時間期間內電暈位移電流S3係接近於零。在此之後，以微處理器為基礎之控制系統將較佳地控制高電壓電源供應器9”，以將電壓提升速率降低至約5kV/ms，並逐漸地提升離子化電壓S3’至高於電暈臨限電壓VCO。在電暈信號到達預設位準時，以微處理器為基礎之控制系統36”/36”’將控制功率放大器，以將離子電壓S3’在一預設時間期間內(較佳地為約3秒)保持恆定。此學習 程序在控制系統36”/36”’可計算且紀錄平均電暈肇始電壓值之時間期間內可被重複數次(可多達30次)。若系統未能完成此學習程序，則可觸發高電壓警示並關閉高電壓電源供應器/9”。
若學習模式成功執行，則微處理器可開始正常作業例行程序(亦圖示於第8圖中)。在此正常作業模式250中，高電壓電源供應器9”將接近於電暈肇始電壓之離子化電壓S3’應用至離子化電極5，且電暈位移電流S3之改變處於最小值。此用於管理在流動的氣體流(特別於正電性/惰性氣體)中之電暈放電之方法，提供穩定的電暈電流並將發射器傷害以及粒子產生最小化。類似的學習模式與作業模式之週期將較佳地，在每次較佳離子化裝置自待命模式切換至正常作業模式時發生。
因為已知由於侵蝕、碎屑累積、與其他關於電暈之程序，離子化電極的特性將改變(且從而需要維護或替換)，較佳的具體實施例可選擇性地致能以微處理器為基礎之控制系統36”/36”’，以監視離子化電極5的狀況。根據此選擇性的特徵，以微處理器為基礎之控制系統36”/36”’可在每個學習週期期間監視電暈肇始/臨限電壓VCO，且可將此值與預設最大臨限電壓VCOmax 比較。當VCO變得接近或等於VCOmax 時，微處理器36’/36”可起始維護警示信號(見第7c圖)。
替代性地，亦可能在發射器安裝時，即將起初的發射器電暈肇始/臨限電壓記錄在微處理器記憶體中。由比較起初與當下的電暈肇始/臨限電壓，可定義離子化電極5對特定的離子化裝置、特定的氣體、及/或特定的環境之劣化速率。
為了完整性，第9圖圖示一示波器螢幕擷取圖，其顯示在執行50%工作因數之正常作業模式期間離子化裝置作業的數個週期。在此模式中，應用至離子化電極5之離子化電壓S4’被開啟與關閉。接著電暈位移電流依照地跟隨。
正當本發明以相關於在當下被認為是最實際且最佳的具體實施例而描述，必須了解本發明並不限制於所揭示之具體實施例，而意為包含在附加申請專利範圍之精神與範疇內的各種修改與均等的配置。例如關於上文的描述，必須理解到本發明之部件的最佳尺寸關係，包含大小、材料、形狀、型式、功能、與作業、組合及使用方式的變化，係被視為輕易顯然於一在本發明技術領域中具有通常知識者，且附加申請專利範圍係意為包含所有等於在圖式中所圖示、以及在說明書中說明者。因此，上文所述被視為對本發明原理的說明性描述並非為窮舉的。
在作業範例，或其他經指示者以外，將瞭解到因用詞「約」，所有參照於成分數量、反應狀態等等之在說明書與申請專利範圍內被使用之數字或陳式，將可在所有實例中 被修改。相應地，除非有相反指示，載於說明書與附加申請專利範圍內之數值性參數係為近似值，且可根據本發明所需獲得的特性以變化。每個數值性參數必須至少被解釋為根據報告之有效位元，以及應用普通的捨入技巧之數字，並盡力不意圖為限制對於申請專利範圍之範疇之均等論應用。
儘管載於本發明之廣範疇的數值範圍與參數係為近似值，載於特定範例之數值已被盡可能精準地報告。然而因為見於各別的測試量測之標準差，任何數值固有地包含必然的錯誤。
此外，必須理解任何在此記載之數值範圍，係意為包含所有在其中包容之子範圍。例如，範圍「1~10」係意為包含於其間之所有子範圍，且包含記載之最小值1與最大值10；換言之，具有均等或大於之最小值1與均等或小於之最大值10。因為所揭示之數值範圍為連續的，其包含在最小值與最大值之間的每個值。除非有明確的其他指示，各種詳述於本案的數值範圍係為近似值。
為了下文描述的目的，用詞「上」、「下」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「頂部」、「底部」、與上等用詞之變化型必關聯於本發明，因其定向於圖式中。然而，比須瞭解可假設各種替代性的改變與步驟序列，除非指示相反。亦須瞭解在附加圖式中圖示，並在說明書中描述之特定的裝置 與程序，係為本發明之單純的示例性具體實施例。因此，相關於在此揭示之具體實施例之特定的尺寸與其他物理特性，係不視為限制。
各種離子化裝置以及技術被描述於下揭美國專利以及已公開專利申請案，其整體內容在此被併入參照之：核發予Suzuki之美國專利第5,847,917號，申請號08/539,321，申請日為1995年10月4日，公開日為1998年12月8日，名稱為「氣體離子化設備與方法」；核發予Leri之美國專利第6,563,110號，申請號09/563,776，申請日為2000年5月2日，公開日為2003年5月13日，名稱為「沿線氣體離子化裝置與方法」；以及核發予Kotsuji之美國專利早期公開號US 2007/0006478，申請號10/570,085，申請日為2004年8月24日，公開日為2007年1月11日，名稱為「離子化裝置」。
100‧‧‧離子化裝置
100’‧‧‧離子化單元
10‧‧‧離子化氣體流
11‧‧‧離子化氣體流
11’‧‧‧電子
12‧‧‧電漿區域
16”‧‧‧濾波器
2‧‧‧穿越通道
26”‧‧‧抽射器
3‧‧‧氣體流
33’‧‧‧壓力感測器
33’‧‧‧真空感測器
36‧‧‧控制系統
36’‧‧‧控制系統
36”‧‧‧控制系統
4‧‧‧外殼
5‧‧‧離子化電極
5’‧‧‧錐形尖端
6‧‧‧參照電極
8‧‧‧插座
9‧‧‧高電壓電源供應器
9’‧‧‧高電壓電源供應器
9”‧‧‧高電壓電源供應器
本發明之較佳具體實施例將於以下參照於附加圖式以描述，其中數值代表對應之步驟及/或架構，其中：第1圖圖示一習知氮氣沿線離子化設備；第2圖為根據本發明之一較佳具體實施例之離子化單元之簡要代表圖；第3a圖圖示應用至根據第2圖之較佳具體實施例而作 業之離子化電極之一電壓波形；第3b圖圖示自根據第2圖與第3a圖之較佳具體實施例而作業之離子化電極放電之一電暈電流波形；第3c圖圖示自根據第2圖、第3a圖、與第3b圖之較佳具體實施例而作業之發射器產生之正電荷載子與負電荷載子；第4圖為根據本發明之自我平衡具體實施例、使用類比控制系統之具有RF HVPS之氣體離子化設備之簡要代表圖；第5a圖為根據本發明，比較應用至離子發射器之代表性高電壓信號，與在空氣中之代表性電暈誘發位移電流之示波器螢幕擷取圖；第5b圖為根據本發明，比較應用至離子發射器之代表性高電壓信號，與在氮氣中之代表性電暈誘發位移電流之示波器螢幕擷取圖；第5c圖為第5b圖之電暈誘發電流信號之示波器螢幕擷取圖，其中水平(時間)軸被擴大以更詳細地圖示被應用的電壓信號；第6a圖為根據本發明之自我平衡較佳具體實施例、具有HVPS與以微處理器為基礎之控制系統之氣體離子化設備之簡要代表圖；第6b圖為根據本發明之自我平衡較佳具體實施例、具 有HVPS與以微處理器為基礎之控制系統之另一氣體離子化設備簡要代表圖；第7a圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示控制系統之代表性「開啟」模式作業之流程圖；第7b圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示控制系統之代表性「啟動」模式作業之流程圖；第7c圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示氣體離子化設備之控制系統之代表性「正常作業」模式作業之流程圖；第7d圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示控制系統之代表性「待命」模式作業之流程圖；第7e圖為根據本發明之一些較佳具體實施例、圖示控制系統之代表性「學習」模式作業之流程圖；第8圖為在學習作業模式(左側)與正常作業模式(右側)期間，在使用氮氣流之有進步性的離子化裝置內，比較代表性電暈位移電流信號與代表性高電壓波形之示波器螢幕擷取圖；第9圖為在基頻為45kHz、工作因數為約49%、與脈衝重複速率為99Hz下，比較代表性電暈位移電流S4(見螢幕上較高的波形)與射頻高電壓波形S4’之示波器螢幕擷取圖。
100‧‧‧離子化裝置
100’‧‧‧離子化單元
10‧‧‧離子化氣體流
11‧‧‧離子化氣體流
11’‧‧‧電子
12‧‧‧電漿區域
2‧‧‧穿越通道
3‧‧‧氣體流
36‧‧‧控制系統
5‧‧‧離子化電極
5’‧‧‧錐形尖端
6‧‧‧參照電極
8‧‧‧插座
9‧‧‧高電壓電源供應器
9’‧‧‧高電壓電源供應器
9”‧‧‧高電壓電源供應器

Claims (34)

  1. 一種用以將一非離子化氣體流轉換為一離子化氣體流之氣體離子化設備，該非離子化氣體流定義一下游方向，該氣體離子化設備包含：接收構件，用於接收該非離子化氣體流，且該接收構件用於將該離子化氣體流傳遞至一目標；製造構件，用於回應於具有一週期T之一離子化信號之供給，而在該非離子化氣體流中製造電荷載子，該週期T具有正部分與負部分，其中該等電荷載子包含以將該非離子化氣體流轉換為該離子化氣體流之電子雲、正離子雲與負離子雲，且其中該電子雲係於該離子化信號之該負部分中之一時間Tnc 期間內製造；一非離子化參照電極，該非離子化參照電極以一介電材料與該離子化氣體流絕緣，該非離子化參照電極用於監視該離子化氣體流中之該等電荷載子，至少一部份的該參照電極係位在該製造構件之下游，並與該製造構件相隔一距離L，且該時間Tnc 係小於或等於在該時間Tnc 期間製造的該電子雲往下游移動距離L所需之一時間Te ；以及控制構件，用於回應於該監視構件而控制該離子化信號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之氣體離子化設備，其中 該非離子化氣體流為一正電性氣體流；在該時間Tnc 期間內製造之該電子雲中之該等電子具有一移動度μ；在該時間Tnc 期間內，在該離子化電極與該參照電極之間存在平均電場強度為Ed 之一電場；以及該時間Te 係小於或等於L/(Ed x(-μ))。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之氣體離子化設備，其中該介電材料具有至少約100秒之一弛緩時間，且時間Tnc 係小於或等於週期T之十分之一(1/10)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之氣體離子化設備，其中該非離子化氣體流包含選自由下列氣體所組成之群組之一氣體：一正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體、以及由以上三種氣體所混合之一混合氣體；接收一非離子化氣體流之該接收構件包含具有一體壁之一穿越通道，該體壁的至少一部分係以一絕緣介電材料製成；以及該參照電極係位於該體壁之該絕緣部分之外側，致使該體壁使該參照電極與該離子化氣體流絕緣。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之氣體離子化設備，其中製造電荷載子之該製造構件包含至少一個離子化電極，且該設備更包含一離子化電源供應器，該離子化電源供應器係電容性地耦合(capacitively coupled)至該控制構件與該至少一個離子化電極，從而使該離子化氣體流中之該等電荷載子之濃度至少為實質上平衡。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之氣體離子化設備，其中該控制構件係通信式地耦合(communicatively coupled)至該參照電極與該電源供應器，且該控制構件包含具有至少為1百萬赫茲(megaHertz)之一截止頻率的一高通濾波器。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中回應於該控制構件，該電源供應器將一離子化信號提供至該離子化電極，該離子化信號之振幅係於約0與約20千伏特(kV)之間變化，而該離子化信號之頻率係約於10千赫茲(kHz)與100kHz之間變化。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中回應於該控制構件，該電源供應器將一離子化信號提供至該離子化電極，該離子化信號之工作因數(duty factor)係約 於1%與100%之間變化，而該離子化信號之重複速率(repetition rate)係於約0.1Hz與約1000Hz之間變化。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中該設備更包含監視流動速率構件，該監視流動速率構件係用於監視該離子化氣體流之流動速率；該控制構件係回應於該監視流動速率構件；以及該電源供應器提供具有一變化工作因數之一離子化信號至該離子化電極，該變化工作因數係回應於該控制構件而變化。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之氣體離子化設備，其中該離子化信號具有：約0.05kHz與約200kHz之間之一頻率；約1%或約等於100%之間之一工作因數；約0.1Hz與約1000Hz之間之一脈衝重複速率；以及約1000V與約20kV之間之一電壓量值；以及該非離子化氣體流係為具有約每分鐘5升與約每分鐘150升之間之一流動速率之一正電性氣體。
  11. 一種用以將一離子化氣體流傳遞至一電荷中和目標之氣體離子化設備，該氣體離子化設備接收定義一下游方向之一非離子化氣體流，且包含：至少一個穿越通道，該至少一個穿越通道用於接收該非離子化氣體流並將該離子化氣體流傳遞至該目標；一不導電外殼，該不導電外殼放置於該穿越通道內並具有一流孔，該流孔放置於該不導電外殼的一端；至少一個離子化電極，該至少一個離子化電極用於回應於具有一週期T之一離子化信號之供給，而在該不導電外殼中製造電荷載子，該週期T具有正部分與負部分，其中該等電荷載子包含透過該外殼流孔進入該非離子化氣體流以成形該離子化氣體流之電子雲、正離子雲與負離子雲；一電源供應器，該電源供應器用於將該離子化信號提供至該離子化電極，其中該電子雲係於該離子化信號之該負部分中之一時間Tnc 期間製造；至少一個非離子化參照電極，該至少一個非離子化參照電極與該離子化氣體流電性絕緣並位於該離子化電極之下游，該參照電極回應於在該離子化氣體流內之該等電荷載子之而製造一監視信號，其中以該離子化電極製造之該電子雲在該離子化電極與該參照電極之間振盪，從而將該等電子轉換為負離子；以及 一控制系統，該控制系統通信式地耦合至該電源供應器與該參照電極，以至少部分地回應於該監視信號而控制提供至該離子化電極之該離子化信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中在時間Tnc 期間製造之該電子雲朝下游往該參照電極移動，該時間Tnc 係小於或等於該電子雲自該離子化電極移動至該參照電極之一時間Te ，且該參照電極係以一具有至少約100秒之一弛緩時間之一介電材料與該離子化氣體流絕緣。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該電源供應器包含一射頻離子化電源供應器，該射頻離子化電源供應器係電容性地耦合至該離子化電極，藉以使傳遞至該目標之該離子化氣體流之負離子與正離子之濃度至少實質上為平衡。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該非離子化氣體流包含由下列氣體所組成之群組之一氣體：一正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體、以及由以上三種氣體所混合之一混合氣體； 該控制系統係通信式地耦合至該參照電極與該電源供應器，且該控制系統包含具有至少為1百萬赫茲之一截止頻率的一高通濾波器。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該電源供應器至少部分地回應於該監視信號而提供一離子化信號至該離子化電極，該離子化信號之振幅係於約0與約20kV之間變化，而該離子化信號之頻率係於約50Hz與約200kHz之間變化。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該電源供應器回應於該控制信號而提供一離子化信號至該離子化電極，該離子化信號之工作因數係於約1%與約100%之間變化，且該離子化信號之重複速率係於約0.1Hz與約1000Hz之間變化。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該設備更包含用以監視該非離子化氣體流之該流動速率之監視構件；該控制系統係回應於監視該流動速率之該監視構件；以及 該電源供應器將一離子化信號提供至該離子化電極，該離子化信號具有回應於監視到的該流動速率而變化之一工作因數。
  18. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該離子化信號具有：約0.05kHz與約200kHz之間之一頻率；約1%或約100%之間之一工作因數；約0.1Hz與約1000Hz之間之一脈衝重複速率；以及約1000V與約20kV之間之一電壓量值；以及該非離子化氣體流係為具有約每分鐘5升與約每分鐘150升之間之一流動速率之一正電性氣體。
  19. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中該離子化信號具有一作業量值，且該控制系統調整該離子化信號之該作業量值，以補正諸如氣體組成、氣體流、與溫度之狀態的改變。
  20. 如申請專利範圍第11項所述之氣體離子化設備，其中於該時間Tnc 期間內製造之該電子雲中之該等電子具有一移動度μ； 在該時間Tnc 期間內，在該離子化電極與該非離子化參照電極之間存在平均電場強度為Ed 之一電場；以及該時間Te 係小於或等於L/(Ed x(-μ))。
  21. 一種用於製造往一下游方向流動之一自我平衡離子化氣體流之方法，包含以下步驟：建立步驟，建立往該下游方向流動之一非離子化氣體流，該非離子化氣體流具有一壓力與一流動速率；製造步驟，在一不導電外殼中製造電荷載子，該不導電外殼係與該非離子化氣體流絕緣，該等電荷載子包含電子雲、正離子雲與負離子雲；引入步驟，將該等電荷載子引入該非離子化氣體流中，藉以成形具有一壓力與一流動速率、且往該下游方向流動之一離子化氣體流；轉換步驟，在一離子漂移區域中將該電子雲的該等電子轉換為負離子，藉以製造具有一實質上電性平衡之正離子與負離子濃度之一離子化氣體流；監視步驟，監視該平衡離子化氣體流；以及控制步驟，至少部分地回應於該監視步驟以控制該製造步驟。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中 監視該平衡離子化氣體流之該監視步驟更包含以下步驟：監視該離子化氣體流之該等電荷載子；以及該製造步驟更包含以下步驟：應用具有一週期T之一射頻離子化信號於該非離子化氣體流中，該週期T具有正部分與負部分，該電子雲係在該離子化信號之該負部分中之一時間Tnc 期間被製造，且該時間Tnc 係小於或等於週期T之十分之一(1/10)。
  23. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該射頻離子化信號之振幅係於約0與約20kV之間變化，而該離子化信號之頻率係於約50Hz與約200kHz之間變化。
  24. 如申請專利範圍第22項所述之方法，其中該射頻離子化信號之工作因數係於約0.1%與約100%之間變化，而該離子化信號之重複速率係於約0.1Hz與約1000Hz之間變化。
  25. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中監視該平衡離子化氣體流之該監視步驟更包含以下步驟：監視該離子化氣體流之該流動速率；以及該製造步驟更包含以下步驟：應用一射頻離子化信號於該非離子化氣體流中，藉以經由電暈放電製造電荷載 子，該離子化信號回應於監視到的該流動速率而改變工作因數。
  26. 如申請專利範圍第21項所述之方法，其中該製造步驟更包含以下步驟：應用在該非離子化氣體流中之一射頻離子化信號，藉以經由電暈放電製造電荷載子，該離子化信號具有約5kHz與約50kHz之間之一頻率；約0.1Hz與約1000Hz之間之一脈衝重複速率；以及約1kV與約20kV之間之一量值；以及該非離子化氣體流係為具有約每分鐘5升與約每分鐘150升之間之一流動速率之一正電性氣體。
  27. 一種用於在一電暈放電離子化裝置內、將一自由電子雲轉換為負離子的方法，該電暈放電離子化裝置係為具有一氣體流流動穿越之一穿越通道、至少部分位於該氣體流內之至少一個離子化電極、與位在該離子化電極之下游並與該離子化電極相隔一距離L之至少一個參照電極之類型，該方法包含以下步驟：應用步驟，將具有一週期T之一離子化信號應用至該離子化電極，該週期T具有正部分與負部分，藉以在該離 子化信號之該負部分中之一時間Tnc 內、於該氣體流內製造該電子雲，其中該電子雲往下游方向朝該參照電極移動，且其中該時間Tnc 係小於或等於該電子雲自該離子化電極移動距離L至該參照電極之一時間Te 。
  28. 如申請專利範圍第27項所述之方法，其中該氣體流包含自由下列氣體所組成之群組之一氣體：一正電性氣體、一負電性氣體、一惰性氣體、以及由以上三種氣體所混合之一混合氣體；該應用步驟包含以下步驟：應用具有頻率為約5kHz與約100kHz之間之一射頻離子化信號。
  29. 如申請專利範圍第27項所述之方法，更包含以下步驟：偵測該氣體流之一負電暈肇始電壓；維持該應用步驟中之該離子化信號之一振幅，使該振幅大體上等於所偵測到的該負電暈肇始電壓；以及誘發由該離子化電極製造之該電子雲，使該電子雲在該離子化電極與參照電極之間振盪。
  30. 一種用於在一離子化裝置內控制電暈放電的方法，該離子化裝置係為具有一非離子化氣體流流動穿越之一穿越 通道、回應於一離子化信號之應用以在該非離子化氣體流中製造電荷載子藉以形成一離子化氣體流之一離子化電極之類型，該方法包含以下步驟：一學習模式，包含以下步驟：偵測步驟，將具有自一非離子化位準提升、至少直到該電極製造負電荷載子之振幅之一信號應用至該電極，以偵測該離子化裝置之一負電暈肇始電壓；重複該偵測步驟數次，藉以偵測一負電暈肇始電壓範圍；以及基於該負電暈肇始電壓範圍，計算一代表性肇始電壓；以及一作業模式，包含以下步驟：一應用步驟，將一離子化信號應用至該離子化電極，該離子化信號具有與該代表性肇始電壓成正比之一振幅。
  31. 如申請專利範圍第30項所述之控制電暈放電之方法，其中應用離子化信號之該應用步驟更包含以下步驟：維持該信號之該振幅於至少實質上等於該代表性肇始電壓之一位準。
  32. 如申請專利範圍第30項所述之控制電暈放電之方法，更包含以下步驟：比較該代表性肇始電壓與一預定電壓，藉以決定該離子化電極之狀態。
  33. 如申請專利範圍第30項所述之控制電暈放電之方法，其中在該偵測步驟期間應用至該離子化電極之該信號的振幅，係以一第一提升速率提升至一第一電壓量值，並以一第二提升速率提升至該第一電壓量值之上；該第一提升速率係大於該第二提升速率；以及該第一電壓量值係低於該代表性肇始電壓。
  34. 如申請專利範圍第31項所述之控制電暈放電之方法，其中該應用步驟更包含以下步驟：將該信號之該振幅減少至低於該代表性肇始電壓之一靜態位準(quiescent level)。
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