(57)【要約】  電気的に均衡しかつ超清潔なイオン化したガス流を安定的に生成するための自動均衡のコロナ放電が開示される。この結果は、酸素または別の陰性ガスをそのガス流に加えることなく、自由電子から陰イオンへの電子的な変換を促進することにより実現される。本発明では、陰性および／もしくは陽性のガス流または希ガス流を用いてもよく、コロナ放電の閉ループ制御システムを用いることを含んでもよい。
2013508924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流方向を定めるイオン化していないガス流をイオン化したガス流に変えるためのガスイオン化装置であって、
前記イオン化していないガス流を受け取り、前記イオン化したガス流を標的に送出するための手段と、
周期Ｔをもち正と負の部分があるイオン化信号を与えたことに反応して、前記イオン化していないガス流の中に電荷キャリアを生成するための手段であって、前記イオン化していないガス流を前記イオン化したガス流に変える電子雲、陽イオンおよび陰イオンを前記電荷キャリアが含み、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記電子雲が生成される手段と、
前記イオン化したガス流の中の前記電荷キャリアをモニタリングするための手段であって、電荷キャリアを生成するための前記手段より距離Ｌだけ下流に少なくとも一部が位置し、前記時間Ｔｎｃが前記時間Ｔｎｃの間に生成された前記電子雲が前記距離Ｌだけ下流に移動するのにかかる時間Ｔｅ以下である手段と、
前記モニタリングするための手段に反応して、前記イオン化信号を制御するための手段と、
を備えるガスイオン化装置。
【請求項２】
前記イオン化したガス流から誘電体材料により絶縁されたイオン化しない参照電極を前記モニタリングするための手段が備え、
前記イオン化していないガス流が陽性のガス流であり、
前記時間Ｔｎｃの間に生成された前記電子雲の中の前記電子が移動度μを有し、
平均電界強度がＥｄの電場がイオン化電極と前記参照電極の間に前記時間Ｔｎｃの間存在し、
前記時間ＴｅがＬ／（Ｅｄ×（−μ））以下である、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項３】
前記誘電体材料が少なくとも約１００秒の緩和時間を有し、時間ＴｎｃがサイクルＴの１０分の１（１／１０）以下である、請求項２に記載のガスイオン化装置。
【請求項４】
陽性ガス、陰性ガス、希ガス、ならびに陽性ガス、陰性ガスおよび希ガスの混合物からなる群より選択されたガスを前記イオン化していないガス流が含み、
イオン化していないガス流を受け取るための前記手段が、少なくとも一部分が絶縁性の誘電体材料で作られた壁を有する貫通チャネルを備え、
前記イオン化したガス流から前記壁により前記参照電極が絶縁されるように、前記壁の前記絶縁された一部分の外側に前記参照電極が位置する、請求項２に記載のガスイオン化装置。
【請求項５】
電荷キャリアを生成するための前記手段が少なくとも１つのイオン化電極を備え、前記制御するための手段と前記少なくとも１つのイオン化電極とに容量性結合されたイオン化電源を前記装置がさらに備え、それによって、前記イオン化したガス流中の電荷キャリアの濃度が少なくとも実質的に釣り合う、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項６】
電荷キャリアをモニタリングするための前記手段が、前記イオン化したガス流から誘電体材料により絶縁された少なくとも１つのイオン化しない参照電極を備え、
前記制御するための手段が、前記モニタリングするための手段と前記電源に伝達可能なように連結され、少なくとも１メガヘルツのカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを備える、請求項５に記載のガスイオン化装置。
【請求項７】
前記制御するための手段に反応して、約０〜約２０キロボルトの間で振幅が変動し、約１０キロヘルツ〜約１００キロヘルツの間で周波数が変動するイオン化信号を、前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項６に記載のガスイオン化装置。
【請求項８】
前記制御するための手段に反応して、約１パーセント〜約１００パーセントの間でデューティファクタが変動し、約０．１ヘルツ〜約１０００ヘルツの間で反復率が変動するイオン化信号を、前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項６に記載のガスイオン化装置。
【請求項９】
前記イオン化したガス流の流量をモニタリングするための手段をさらに備え、
前記流量をモニタリングするための前記手段に前記制御するための手段が反応し、
前記制御するための手段に反応して変動する可変デューティファクタをもつイオン化信号を前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項６に記載のガスイオン化装置。
【請求項１０】
前記イオン化信号が、
約０．０５キロヘルツ〜約２００キロヘルツの間の周波数と、
約１パーセント〜約１００パーセントの間のデューティサイクルと、
約０．１〜１０００Ｈｚの間のパルス反復率と、約１０００ボルト〜２０キロボルトの間の大きさの電圧と有し、
前記イオン化していないガス流が、１分当たり約５リットル〜１分当たり約１５０リットルの間の流量をもつ陽性ガス流である、請求項６に記載のガスイオン化装置。
【請求項１１】
下流方向を定めるイオン化していないガス流を受け取り、イオン化したガス流を電荷中和の標的に送出するためのガスイオン化装置であって、
前記イオン化していないガス流を受け取り、前記イオン化したガス流を前記標的に送出するための少なくとも１つの貫通チャネルと、
周期Ｔをもち正と負の部分があるイオン化信号を与えたことに反応して、前記イオン化していないガス流の中に電荷キャリアを生成するための少なくとも１つのイオン化電極であって、前記イオン化していないガス流に入って前記イオン化したガス流を形成する電子雲、陽イオンおよび陰イオンを前記電荷キャリアが含むイオン化電極と、
前記イオン化信号を前記イオン化電極に与えるための電源であって、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記イオン化電極により前記電子雲が生成される電源と、
前記イオン化電極の下流にあり、前記イオン化したガス流の中の前記電荷キャリアに反応するモニタ信号を生成する少なくとも１つのイオン化しない参照電極であって、前記イオン化電極により生成された前記電子雲が前記イオン化電極と前記参照電極の間で振動し、それによって前記電子が陰イオンに変わる参照電極と、
前記電源および前記参照電極に伝達可能なように連結されて、前記モニタ信号に少なくとも部分的に反応する前記イオン化電極に与えられた前記イオン化信号を制御する制御システムと、
を備えるガスイオン化装置。
【請求項１２】
時間Ｔｎｃの間に生成された前記電子雲が前記参照電極に向けて下流に移動し、前記時間Ｔｎｃが前記イオン化電極から前記参照電極に前記電子雲が移動するのにかかる時間Ｔｅ以下であり、少なくとも約１００秒の緩和時間をもつ誘電体材料により前記参照電極が前記イオン化したガス流から絶縁されている、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１３】
前記イオン化電極に容量性結合された無線周波数のイオン化電源を前記電源が備え、それによって、前記標的に送出された前記イオン化したガス流の中の陰イオンと陽イオンの濃度が少なくとも実質的に釣り合う、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１４】
陽性ガス、陰性ガス、希ガス、ならびに陽性ガス、陰性ガスおよび希ガスの混合物からなる群より選択されたガスを前記イオン化していないガス流が含み、
前記制御システムが前記参照電極に伝達可能なように連結され、
少なくとも１メガヘルツのカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを前記電源が備える、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１５】
少なくとも部分的に前記モニタ信号に反応して、約０〜約２０キロボルトの間で振幅が変動し、約５０ヘルツ〜約２００キロヘルツの間で周波数が変動するイオン化信号を、前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１６】
少なくとも部分的に前記モニタ信号に反応して、約１パーセント〜約１００パーセントの間でデューティファクタが変動し、約０．１ヘルツ〜約１０００ヘルツの間で反復率が変動するイオン化信号を、前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１７】
前記イオン化していないガス流の流量をモニタリングするための手段をさらに備え、
前記流量をモニタリングするための前記手段に前記制御システムが反応し、
前記モニタリングされた流量に反応して変動するデューティファクタをもつイオン化信号を前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１８】
前記イオン化信号が、
約０．０５キロヘルツ〜約２００キロヘルツの間の周波数と、
約１パーセント〜約１００パーセントの間のデューティサイクルと、
約０．１〜１０００Ｈｚの間のパルス反復率と、
約１０００ボルト〜２０キロボルトの間の大きさの電圧とを有し、
前記イオン化していないガス流が、１分当たり約５リットル〜１分当たり約１５０リットルの間の流量をもつ陽性ガス流である、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項１９】
前記イオン化信号に動作の大きさがあり、前記制御システムがイオン化信号の前記動作の大きさを調整して、ガス組成や、ガス流量、温度といった状態の変化を補償する、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項２０】
前記時間Ｔｎｃの間に生成された前記電子雲の中の前記電子が移動度μを有し、
平均電界強度がＥｄの電場が前記イオン化電極と前記参照電極の間に前記時間Ｔｎｃの間存在し、
前記時間ＴｅがＬ／（Ｅｄ×（−μ））以下である、請求項１１に記載のガスイオン化装置。
【請求項２１】
下流方向に流れる自動均衡のイオン化したガス流を生成する方法であって、
前記下流方向に流れ、圧力と流量をもつイオン化していないガス流を確立するステップと、
電子雲、陽イオンおよび陰イオンを含む電荷キャリアを前記イオン化していないガス流中に生成するステップであって、それにより圧力と流量をもち前記下流方向に流れるイオン化したガス流を形成するステップと、
前記電子雲の電子を陰イオンに変えるステップであって、それにより、陽イオンと陰イオンの濃度が実質的に釣り合ったイオン化したガス流を発生させるステップと、
前記釣り合ったイオン化したガス流をモニタリングするステップと、
前記モニタリングするステップに少なくとも部分的に反応して、電荷キャリアの生成を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項２２】
前記釣り合ったイオン化したガス流をモニタリングする前記ステップが、前記イオン化したガス流の前記電荷キャリアをモニタリングするステップをさらに含み、
前記生成するステップが、周期Ｔをもち正と負の部分がある無線周波数のイオン化信号を前記イオン化していないガス流の中に加えるステップをさらに含み、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記電子雲が生成され、前記時間ＴｎｃがサイクルＴの１０分の１（１／１０）以下である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記無線周波数のイオン化信号は、約０〜約２０キロボルトの間で振幅が変動し、約５０ヘルツ〜約２００キロヘルツの間で周波数が変動する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記無線周波数のイオン化信号は、約０．１パーセント〜約１００パーセントの間でデューティファクタが変動し、約０．１ヘルツ〜約１０００ヘルツの間で反復率が変動する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記イオン化したガス流をモニタリングする前記ステップが、前記イオン化したガス流の流量をモニタリングするステップをさらに含み、
前記生成するステップが、前記モニタされた流量に反応してデューティファクタが変動する無線周波数のイオン化信号を前記イオン化していないガス流の中に加えることにより、コロナ放電を介して電荷キャリアを生成するステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記生成するステップが、前記イオン化していないガス流の中に無線周波数のイオン化信号を加えるステップであって、それによりコロナ放電を介して電荷キャリアを生成するステップをさらに含み、
前記イオン化信号が、
約５キロヘルツ〜約５０キロヘルツの間の周波数と、
約０．１Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間のパルス反復率と、
約１．０キロボルト〜２０キロボルトの間の大きさとを有し、
前記イオン化したガス流が、１分当たり約５リットル〜１分当たり約１５０リットルの間の流量をもつ陽性ガス流である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
ガス流が内部を流れる貫通チャネル、前記ガス流の中に少なくとも一部が配置された少なくとも１つのイオン化電極、および前記イオン化電極より距離Ｌだけ下流にある少なくとも１つの参照電極を有するタイプのコロナ放電イオン化装置の中で自由電子の雲を陰イオンに変える方法であって、
周期Ｔをもち正と負の部分があるイオン化信号を前記イオン化電極に加えるステップであって、それにより、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記イオン化していないガス流の中に前記電子雲を生成し、前記電子雲が前記参照電極に向けて下流に移動し、前記時間Ｔｎｃが前記イオン化電極から前記参照電極に前記電子雲が距離Ｌだけ移動するのにかかる時間Ｔｅ以下であるステップを含む方法。
【請求項２８】
陽性ガス、陰性ガス、希ガス、ならびに陽性ガス、陰性ガスおよび希ガスの混合物からなる群より選択されたガスを前記ガス流が含み、
前記加えるステップが、約５キロヘルツ〜約１００キロヘルツの間の周波数をもつ無線周波数のイオン化信号を加えるステップを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ガス流の負コロナ開始電圧を検出するステップと、
前記加えるステップの前記イオン化信号の大きさを、検出された前記負コロナ開始電圧に概ね等しいように維持するステップと、
前記イオン化電極により生成された前記電子雲を前記イオン化電極と前記参照電極の間で振動させるように誘導するステップと、
をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
イオン化していないガス流が内部を流れる貫通チャネル、およびイオン化信号を加えたことに反応して前記イオン化していないガス流の中に電荷キャリアを生成することによりイオン化したガス流を形成する電極を有するタイプのイオン化装置内のコロナ放電を制御する方法であって、
学習モードであって、
少なくとも前記電極が負の電荷キャリアを生成するまで、イオン化しないレベルから増加する振幅を有する信号を前記電極に加えることにより、前記イオン化装置の負コロナ開始電圧を検出するステップと、
前記検出するステップを複数回繰り返して、負コロナ開始電圧の範囲を検出するステップと、
負コロナ開始電圧の前記範囲に基づいて、代表的な開始電圧を計算するステップと
を含むモードと、
動作モードであって、
前記代表的な開始電圧に比例する振幅を有するイオン化信号を前記イオン化電極に加えるステップ
を含むモードと、
を含む方法。
【請求項３１】
イオン化信号を加える前記ステップが、前記代表的な開始電圧に少なくとも実質的に等しいレベルに前記信号の前記振幅を維持するステップをさらに含む、請求項３０に記載のコロナ放電を制御する方法。
【請求項３２】
前記代表的な開始電圧と予め定められた電圧とを比較することにより、前記イオン化電極の状態を判断するステップをさらに含む、請求項３０に記載のコロナ放電を制御する方法。
【請求項３３】
前記検出するステップの間に前記イオン化電極に加えられる前記信号は、振幅が第１の電圧の大きさまで第１の増加率で増加し、前記第１の大きさ以上では第２の増加率で増加し、
前記第１の増加率が前記第２の増加率より大きく、
前記第１の大きさが前記代表的な開始電圧以下である、請求項３０に記載のコロナ放電を制御する方法。
【請求項３４】
前記加えるステップが、前記代表的な開始電圧より低い休止レベルに前記信号の前記振幅を低下させるステップをさらに含む、請求項３１に記載のコロナ放電を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２００９年１０月２３日に出願された「Ｓｅｌｆ−Ｂａｌａｎｃｉｎｇ  Ｉｏｎｉｚｅｄ  Ｇａｓ  Ｓｔｒｅａｍｓ」という名称の米国仮出願第６１／２７９，６１０号の利益を、米国特許法第１１９条（ｅ）項のもとで主張する。上述の仮出願は、その内容が参照により完全に本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明の背景
１．本発明の分野
本発明は、ガスイオンを発生させるためにコロナ放電を用いる静電荷中和装置の分野に関する。より詳細には、本発明は、電荷を中和するための、電気的に自動均衡した（ｓｅｌｆ−ｂａｌａｎｃｅｄ）、両極性のイオン化したガス流を生成することを対象とする。したがって、本発明の概括的な目的は、そうした特徴の新規なシステム、方法、装置およびソフトウェアを提供することである。
【背景技術】
【０００３】
２．関連技術の説明
清潔な環境での工程や操業では、特に、完全に電気的に絶縁された面上に静電荷が作り出され蓄積される傾向がある。これらの電荷は望ましくない電場を発生させ、その電場は、大気中のエアロゾルをその面に引き寄せ、誘電体中に電気的な応力を生成し、半導体材料や導電性材料中に電流を誘起し、かつ生産環境に放電や電磁障害（ＥＭＩ）を引き起こす。
【０００４】
これらの静電気の危険性にうまく対処するための最も効率的なやり方は、帯電した面にイオン化したガス流を供給することである。この種のガスのイオン化により、望ましくない電荷を効果的に補償または中和することが可能になり、その結果、それらに付随する汚染や、電場、ＥＭＩ効果が低減される。ガスのイオン化を引き起こす従来の方法の１つは、コロナ放電として知られている。コロナをベースとするイオン化装置（例えば、公開された特許出願である米国公開第２００７０００６４７８号や特開第２００７０４８６８２号を参照）は、小さな空間でエネルギーとイオン化の効率がよいという点で望ましい。しかしながら、そうしたコロナ放電装置で知られている１つの欠点は、それに用いられる（とがった先端または薄いワイヤの形の）高電圧のイオン化電極／エミッタが所望のガスイオンとともに望ましくない汚染物質を発生させるということである。コロナ放電により、周囲の空気中で例えば水蒸気の微細な液滴の形成が促進されることもある。
【０００５】
従来のコロナ放電装置のもう１つの欠点として知られているものは、それに用いられる高電圧のイオン化電極／エミッタが、ほとんどの用途で求められるような大まかに等しい濃度の陽イオンと陰イオンではなく、等しくない個数の正のガスイオンと負のガスイオンを発生させる傾向があるということである。高純度の陽性ガスと希ガスはイオン化エネルギーが高く電気陰性度が低いため、この問題は、陽性ガス（窒素やアルゴンなど）をイオン化することが必要な用途では特に深刻である。例えば、陰性のＯ２のイオン化エネルギーは１２．２ｅＶであり、一方、Ｎ２は１５．６ｅＶ、アルゴンは１５．８ｅＶである。結果として、これらのガスは、陰イオンよりもむしろ多数の自由電子を生成する傾向がある。言い換えると、これらのガスは、３種類の電荷キャリア（電子、陽イオンおよび陰イオン）を生成するが、主として陽極性のイオンと電子を生成する。したがって、陰イオンが放出されることは相対的に少なく、陽イオンと陰イオンの生成量は全く等しくなく、釣り合わない。
【０００６】
さらに，イオンが釣り合わないことは、イオンの発生比率や均衡がイオン化する状態の電極や、ガス温度、ガス流組成などのいくつかの他の要因に依存するという事実に起因することもある。例えば、コロナ放電により陽イオンの電極と陰イオンの電極の両方が徐々に腐食し、これらの電極から汚染物質の粒子が生成されるということが当技術分野で知られている。しかしながら、通常、陽極は陰極より速く腐食し、これがイオンの不均衡とイオン電流の不安定性を悪化させる。
【０００７】
イオン流を均衡させるための従来の手法は、浮動性の（アースから電気的に絶縁された）高電圧直流電源を用いることである。そうした電源の高電圧出力は、（米国特許第７，０４２，６９４号に図示され記載されているように）陽極と陰極に接続される。しかしながら、この手法では、少なくとも２つの、それらの間で高電圧が絶縁されたイオン電極を用いる必要がある。
【０００８】
イオン流を均衡させる他の従来の方法は、２つの（正負の）絶縁直流電圧／パルス直流電圧の電源を使用し、１つまたは２つのイオン電極に加えられる電圧出力および／または電圧の持続時間を（米国出願公開第２００７／０２７９８２９号や第２００９／０２１９６６３号に図示され記載されているように）調整することである。この解決策はそれ自体に欠点がある。１つ目の欠点は、それぞれの高電圧電源を制御する必要がある結果、複雑になるということである。２つ目の欠点は、２つの分離した供給源からのガス流における陽イオンと陰イオンを良好に混合するのは実現が難しいということである。
【０００９】
従来のイオン化装置でエミッタが腐食し粒子が発生する上述の問題は、高純度の窒素や、アルゴン、希ガスのコロナイオン化については特に難しい。これらのガスでの陽極性のコロナ放電により、通常の大気の状態では移動度が低い（エネルギーが低い）陽性のクラスターイオンが発生する。しかしながら、負極性のコロナ放電により、エミッタからの電界放出および電極の先端周辺のプラズマ領域での光イオン化に起因して、電子と中性分子の間の非弾性衝突の結果として、高エネルギーの電子が発生する。陽性ガスおよび希ガス中のこれらの自由電子が中性のガス原子または分子に付着する確率は低い。さらに、自由電子の電気的な移動度は、ガスにより運ばれる陰イオンより１００倍以上高い。これらの事実の結果には、次のことが含まれる。
【００１０】
−  電極表面への高エネルギーの電子の衝撃により、腐食が加速し、さらにそれにより、イオン化したガス流を汚染する粒子が生成される。
【００１１】
−  高移動度の電子により、イオン化したガス流の中が著しく不均衡になる。
【００１２】
−  自由電子により、副次的な電子放出が生じ、コロナ電流が不安定性になり、かつ／または絶縁破壊が引き起こされることがあり得る。
【００１３】
上記の問題に対する先行技術の１つの解決策が、ＭＫＳ／Ｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓの窒素直列型イオン化装置のモデル４２１０（ｕ／ｕｎ）に採用されている。図１は、この装置の簡略化した構造を示す。図示したように、この装置のイオン化セル（ＩＣ）は、間隔を遠く空けた、ガス３が間を流れる陽極エミッタ（ＰＥ）と陰極エミッタ（ＮＥ）を有する。それぞれのエミッタは、電流制限抵抗器（ＣＬＲ１）および（ＣＬＲ２）を介して、高電圧直流電源（ＤＣ−ＰＳ）の浮動性出力に接続される。この設計では、この一般的な種類の他のものと同様に、陽極エミッタの腐食が汚染物質の粒子の供給源であり、イオンの不均衡のもとである。また、２つの電極間を通過するガス流をイオン化するいかなるシステムも、効率には限度がある。
【００１４】
同じ問題に対する別の手法が米国特許第６，６３６，４１１号に開示されており、そこでは、電子を付着する（酸素などの）ある一定割合のガスをプラズマ領域内に導入して、自由電子を陰イオンに変え（付着させ）、コロナ放電を安定化することが提案されている。しかしながら、酸素（または何らかの他の陰性ガス）を導入すると、清潔および超清潔な環境ならびに／または非酸化ガス流が必要とされるいかなるところでも、この手法は用いることができなくなる。
【発明の概要】
【００１５】
本発明では、イオン化したガスの電気的に均衡した流れを安定的に生成するための自動均衡のコロナ放電を実現することにより、先行技術による上述のおよび他の不備を克服する。本発明では、酸素または別の陰性ガスをイオン化したガス流に加える（すなわちドーピングする）ことなく、自由電子から陰イオンへの電子的な変換を促進することにより、この結果を実現する。本発明は、陰性ガス流、希ガス流および陽性ガス流のうちの任意の１つまたは複数、ならびに／またはこれらのガス流の任意の組合せを用いてもよく、閉ループ制御システムを用いることを含んでもよい。
【００１６】
本発明によれば、そして本明細書で開示するように、コロナ放電領域内（すなわち、（１つまたは複数の）イオン化電極とイオン化しない参照電極との間のイオン化セルの領域内）には、次の２つの別個の領域がある。
【００１７】
（ａ）小さく（直径約１ｍｍ）、概して球状の領域であり、（１つまたは複数の）イオンのエミッタの先端またはその近くに中心がある白熱するプラズマ領域。そこでは、イオン化する電場により十分なエネルギーが与えられて新たな電子とフォトンが発生し、それによってコロナ放電が維持される。
【００１８】
（ｂ）白熱するプラズマ領域とイオン化しない参照電極との間の暗い空間であるイオンのドリフト領域。
【００１９】
本発明によれば、正と負の部分がある周期Ｔの交流のイオン化信号をイオン化電極に加えて、下流方向を定めるイオン化していないガス流の中に電荷キャリアを生成し、それによってイオン化したガス流を形成する。電荷キャリアは電子雲、陽イオンおよび陰イオンを含む。好適には、イオン化信号の負の部分Ｔｎｃの間に生成された電子雲の電子が、イオンのドリフト領域内で振動するように誘導される。この電子雲の振動により、（例えば、高純度の窒素の）ガス流の中で、振動する電子と中性分子の間に弾性衝突／付着が起こる確率が高くなる。そうした弾性衝突／付着が起こると自由電子および中性分子は陰イオンに変わるため、本発明を使用することにより、イオン化したガス流の中で陰イオンの個数が増加する。
【００２０】
オプションとして、少なくとも１つの参照電極とイオンのドリフト領域との間に誘電体バリア（すなわち、電気的な絶縁）を設けることで、多数の電子がより移動度の低い陰イオンに変わることがさらに促進される。この効果により、コロナ放電が安定化され、陽イオンと陰イオンの個数が釣り合いやすくなり、かつイオン化装置を流れるガス流による陽イオンと陰イオンの捕獲が改善される。
【００２１】
ある必須でない本発明の実施形態では、（１）（１つまたは複数の）イオン化コロナ電極を無線周波数（高周波（ＲＦ））の高電圧電源（ＨＶＰＳ）に容量性結合すること、および（２）（例えば、（１つまたは複数の）参照電極を誘電体材料でそのガス流から絶縁することにより）参照電極をイオン化したガス流から電気的に絶縁することの２通りの手法を用いて、イオン化したガス流の中のイオンの流量を均衡にする。
【００２２】
ある必須でない本発明の実施形態では、制御システム（それは、陽性ガス中および陰性ガス中でも動作することができる）を用いることも構想され、その際、コロナ放電が起こることにより電極についてのコロナしきい電圧が決定されるまで、増加する電圧パルスがイオン化電極に繰り返し加えられる。次いで、コロナ電流や、エミッタの腐食、粒子の発生を最小限にするために、その制御システムにより、コロナしきい電圧に概ね等しい休止レベルに動作電圧を低下させてもよい。このように、本発明のある実施形態では、陽性ガスおよび希ガスの中で高周波コロナ電流により、イオン化電極を（腐食などの）損傷から保護してもよい。したがって、そうした制御システムを用いる本発明の実施形態では、イオン化したガス流をより良好に均衡させるだけでなく、イオン化したガス流を自動的および最適に均衡させてもよい（すなわち、これらの実施形態は自動均衡でもよい）。
【００２３】
もちろん、本発明の上記の方法は、本発明の上記の装置用に特によく適している。同様に、本発明の装置は、上述の本発明の方法を実行するのによく適している。
【００２４】
本発明の多数の他の利点および特徴は、以下の好ましい実施形態の詳細な記載、特許請求の範囲および添付の図面から、当業者にとって明らかになるであろう。
【００２５】
添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を以下に記載する。それらの図面では、同じ数字は同様のステップおよび／または構造を表す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】先行技術の窒素ガス直列型イオン化装置である。
【図２】本発明の好ましい一実施形態によるイオン化セルの概略図である。
【図３ａ】図２の好ましい実施形態に従って動作するイオン化電極に加えられる電圧波形を示す。
【図３ｂ】図２および図３ａの好ましい実施形態に従って動作するイオン化電極から放出されるコロナ電流の波形を示す。
【図３ｃ】図２、図３ａおよび図３ｂの好ましい実施形態に従って動作するエミッタからの正負の電荷キャリアの発生を示す。
【図４】本発明の自動均衡の実施形態によるアナログ制御システム用いた高周波ＨＶＰＳをもつガスイオン化装置の概略図である。
【図５ａ】本発明による、イオンのエミッタに加えられる代表的な高電圧信号と空気中の代表的なコロナ誘導変位電流とを比較するオシロスコープのスクリーンショットである。
【図５ｂ】イオンのエミッタに加えられる代表的な高電圧信号と窒素中の代表的なコロナ誘導変位電流とを比較するオシロスコープのスクリーンショットである。
【図５ｃ】水平（時間）軸が拡大されて印加電圧信号をより詳細に示した、図５ｂのコロナ誘導電流信号のオシロスコープのスクリーンショットである。
【図６ａ】本発明の自動均衡の好ましい実施形態によるＨＶＰＳおよびマイクロプロセッサ・ベースの制御システムをもつガスイオン化装置の概略図である。
【図６ｂ】本発明の自動均衡の好ましい実施形態によるＨＶＰＳおよびマイクロプロセッサ・ベースの制御システムをもつ別のガスイオン化装置の概略図である。
【図７ａ】本発明のいくつかの好ましい実施形態による、制御システムを動作させる代表的な「電源投入」モードを示すフローチャートである。
【図７ｂ】本発明のいくつかの好ましい実施形態による、制御システムを動作させる代表的な「動作開始」モードを示すフローチャートである。
【図７ｃ】本発明のいくつかの好ましい実施形態による、ガスイオン化装置の制御システムの動作の代表的な「通常動作」モードを示すフローチャートである。
【図７ｄ】本発明のいくつかの好ましい実施形態による、制御システムを動作させる代表的な「スタンバイ」モードを示すフローチャートである。
【図７ｅ】本発明のいくつかの好ましい実施形態による、制御システムを動作させる代表的な「学習」モードを示すフローチャートである。
【図８】学習の動作モード（左側）と通常の動作モード（右側）の期間に窒素ガス流を用いる発明されたイオン化装置における、代表的なコロナ変位電流信号と代表的な高電圧波形とを比較するオシロスコープのスクリーンショットである。
【図９】代表的なコロナ変位電流信号Ｓ４（スクリーン上の上側の線を参照）と、基本周波数が４５ｋＨｚ、デューティファクタが約４９％、パルス反復率が９９Ｈｚの高周波高電圧波形Ｓ４’とを比較するオシロスコープのスクリーンショットである。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図２は、ガス流量の広い範囲にわたって電荷キャリアの濃度が少なくとも実質的に電気的に均衡したイオン化したガス流１０／１１を、（例えば、陰性ガス／陽性ガス／希ガスを用いて）作り出すための好ましい方法および装置を示す概略図である。この目標は、絶縁された参照電極６と、好ましくは無線周波数の範囲で動作する高電圧電源（ＨＶＰＳ）９に容量性結合されたイオン化電極５とを含むイオン化セル１００’で達成される。
【００２８】
図２に示すように、本発明の好ましいイオン化装置１００は、下流方向を定めるガス流３を収容する貫通チャネル２の内側に位置する少なくとも１つのエミッタ（イオン化コロナ電極）５を備える。電極５は、タングステンや、金属をベースとする合金、コポジット（ｃｏｐｏｓｉｔｓ）（セラミックス／金属）などの導電性材料、もしくはシリコンなどの半導体材料で作ることができ、かつ／またはいかなる材料で作ってもよく、かつ／または組み込まれた出願に記載されたいかなる構造を有してもよい。電極５は、打ち抜くか、機械加工されたワイヤから切り取るか、または当技術分野で知られている他の技法によって作ってもよい。
【００２９】
電極５のイオン放出端は、半径が約７０〜８０ミクロンと小さい先細の先端５’を有してもよい。電極の反対側の後端は、ソケット８に固定してもよく、かつ高電圧コンデンサＣ１に接続してもよく、そのコンデンサは、全体にわたって記載されている種類の高電圧交流電源９の出力に接続してもよい。この好ましい実施形態では、電源９は、好ましくは、約５０Ｈｚ〜約２００ｋＨｚ（３８ｋＨｚが最も好ましい）の範囲にわたり変化できる周波数で、約１ｋＶ〜約２０ｋＶ（１０ｋＶが好ましい）の範囲にわたり変化できる、可変振幅の交流電圧の発電機である。
【００３０】
電極の先端近くにオリフィスがありコロナ副産物を取り除くための排出口がある非導電性のシェルを、電極の周囲に置くことができる（図４に示したシェル４を参照）。必須でないシェルは、打ち抜くか、機械加工するか、または当技術分野で知られている他の技法によって作ってもよい。そうした配置の詳細は、上記で参照され組み込まれた特許出願に開示されている。
【００３１】
貫通チャネル２は、誘電体材料で作ってもよく、打ち抜くか、機械加工するか、または当技術分野で知られている他の技法によって作ってもよい。高圧力ガスの供給源（図示せず）を貫通チャネル２の入口に接続して、窒素を含む陽性ガスなどの清潔なガスの流れ３を確立してもよい。参照電極６は、好ましくは導電性リングの形である。参照電極６は、好ましくは、相対的に厚い（１〜３ｍｍ）誘電体壁によってチャネル２の内側の空間から絶縁され、制御システム３６に電気的に連結される。
【００３２】
電極５と参照電極６は、そこでコロナ放電が発生し得るイオン化セル１００’の主要な構成要素を形成する。電源９の電圧出力がコロナ開始電圧ＶＣＯを超えたときに、ガスのイオン化が始まる。通常、コロナの消滅（抑制）は、より低い電圧で起こる。その結果はコロナのヒステリシスとして知られており、陽性ガスでは高周波数でより本質的になる。
【００３３】
当技術分野で知られているように、陽極性の放電と陰極性の放電についてのコロナ開始電圧値とボルトアンペア特性は異なる。それが、コロナ放電によりガス中に等しくない量の正負の電荷キャリアが発生する理由のうちの１つである。結果として，従来のシステムでは、コロナのエミッタを離れるイオン流は不均衡になる。しかしながら、この好ましい実施形態によれば、本明細書に記載するようにこの不均衡が修正される。図示したように、コンデンサＣ１を介して電極５を電源９に伝達可能なように連結して、次の２つの目標を達成することができる。その１つ目は、電極５から流れるイオン電流を制限することであり、２つ目は、電極５を離れる正負の電荷キャリア１０／１１／１１’の量を等しくすることである。電源９をエミッタ５に容量性結合することにより、エミッタからの電荷キャリア１０／１１／１１’が均衡する。というのは、電荷保存の法則により、等しくない正電流と負電流が電荷を蓄積し、コンデンサＣ１に電圧を発生させて、電極５からの正電流と負電流を均衡させるからである。コンデンサＣ１の好ましい静電容量値は、そのコンデンサが容量性結合されるＨＶＰＳ９の動作周波数に依存する。動作周波数が約３８ｋＨｚの好ましいＨＶＰＳについては、Ｃ１の最適な値は、好ましくは約２０ピコファラド〜約３０ピコファラドの範囲内である。電極からの陽イオンと電子をこのように均衡させることは関連技術と比べて顕著な進歩であるが、図２の好ましい実施形態では、さらに、すぐ後で述べるように、（イオン化電極と下流の参照電極の間の）ドリフト領域で電子雲の自由電子を陰イオンに変えること促進するという改良が構想される。
【００３４】
オームの法則によれば、電荷キャリアが移動することにより生じる電流密度Ｊ［Ａ／ｍ２］は、次の通りである。
【００３５】
Ｊ＝ｑ×Ｎ×Ｅ×μ
【００３６】
ここで、ｑはイオンまたは電子の電荷、Ｎは電荷キャリアの濃度、μは電荷キャリアの電気的な移動度、Ｅはドリフト区域の電界強度である。
【００３７】
正のガスイオンの平均移動度は（＋）μ＝１．３６×１０−４ｍ２Ｖ−１ｓ−１、陰イオンについては（−）μ＝１．５３×１０−４ｍ２Ｖ−１ｓ−１、電子については（−）μ＝２００×１０−４ｍ２Ｖ−１ｓ−１である（または、ガスの種類や、圧力、温度などに依存してそれより高くなる）ことが、当技術分野では知られている。結果として、イオン化セル１００’のドリフト区域を移動する等しい濃度のＮ個の（＋）イオンとＮ個の（−）Ｎ電子により、非常に異なる大きさの電流（＋）Ｊおよび（−）Ｊと、非常に不均衡なガス流を作り出すことができる。
【００３８】
ドリフト区域での不均衡の問題を解決するために、本発明では、電子をより低い移動度の陰イオンに変えることを促進する。その変換比は、電子発生の持続時間、イオン化セルの寸法、（１つまたは複数の）電極５に加えられる電圧の周波数および大きさ、ならびにイオン化セル１００’の材料の特性によって影響される。ＨＶＰＳの動作周波数（Ｆ）は約５０Ｈｚ〜約２００ｋＨｚの範囲で変化し、無線周波数の範囲は約１０ｋＨｚ〜約１００ｋＨｚが好ましい。高電圧の振幅は、負コロナのしきい値（−）ＶＣＯの付近にすべきである。これらの因子については、以下で詳細に述べる。
【００３９】
図３ａは、図２の実施形態で用いられる１つの好ましい波形を示し、これは高電圧電源９によって生成することができる。最も好ましい周波数が約３８ｋＨｚの場合は、電圧サイクルが負の部分である間の非常に短い期間Ｔｎｃ中だけ、負の電荷キャリアが生成される。結果として、通常、Ｔｎｃは電圧周期の１０分の１以下である。同時に、電子雲が電極５から参照電極６に移動するには、次のＴｅの時間がかかることになる。
【００４０】
Ｔｅ＝Ｌ／Ｕ＝Ｌ／（Ｅｄ×（−）μ）
【００４１】
ここで、Ｕは電子の速度、μは電子の移動度、Ｅｄはドリフト区域での平均電界強度、Ｌはドリフト区域の有効長である。
【００４２】
電子雲の移動時間Ｔｅが負コロナによる電子発生の持続時間（期間）以下（Ｔｅ≦Ｔｎｃ）であれば、そのサイクル中に放出されるほとんどの電子には、イオンのドリフト区域から逃れるのに十分な時間がないことになる。以下で述べるように、これらの電子は、ＨＶＰＳ９からの波形の後続する／反対の半サイクル中にエミッタに向けて引き戻されることになる。
【００４３】
さらに、図２に示すように、ドリフト領域におけるエミッタと電子の空間電荷の電場によりいくらかの電子１１’がドリフト領域内のチャネル２の内壁に付着することが理解されよう。これらの負の電荷１１’により、参照電極に移動する電子の速度を減少させる付加的な斥力が生じる。さらに、この効果により、自由電子はイオンのドリフト領域から逃れることができにくくなる。
【００４４】
この好ましい実施形態により自由電子の速度を減少させる別のやり方は、長い時定数をもつ誘電体材料を貫通チャネル２の壁として採用することである。その時定数τは、好ましくは１００秒以上である（または、電荷緩和時間τ＝Ｒ×εであり、ここでＲは抵抗、εはチャネルの材料の誘電率である）。適当な材料には、１００秒以上の時定数をもつことから、ポリカーボネートやテフロン（登録商標）が含まれる。２１２０  Ｆａｉｒｍｏｎｔ  Ａｖｅ．，Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ  １２３５  Ｒｅａｄｉｎｇ，ＰＡ  １９６１２のＱｕａｄｒａｎｔ  ＥＰＰ  ＵＳＡ，Ｉｎｃ．により製造されたＰＣ  Ｐｏｌｙｃａｒｂｏｎａｔｅや、２０１  Ａｉｒｐｏｒｔ  Ｒｏａｄ  Ｐ．Ｏ．Ｂｏｘ  １４８８，Ｅｌｋｔｏｎ，ＭＤ  ２１９２２のＷ．Ｌ．Ｇｏｒｅ＆Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ  Ｉｎｃ．により製造された（ＰＴＥＦ）Ｔｅｆｌｏｎ  Ｓｔｙｌｅ  ８００が、現在最も都合よい壁の材料であると考えられている。
【００４５】
サイクルが正の部分である間、正の電圧により、電子雲に対する引力が生じる。そのために、Ｔｅ＜０．１〜０．２／Ｆとτ≧１００秒の両方の好ましい条件が満たされれば、それぞれの高電圧サイクルにて、ドリフト領域の内部で電子雲の振動が引き起こされる。
【００４６】
電子雲の振動により、ドリフト領域で電子が中性ガスの分子に弾性衝突／付着する確率が高くなり、大部分の自由電子が負のガスイオン１１に変わり得る。窒素の陰イオンは、空気により運ばれる陰イオンの平均移動度に近い移動度（−）μ＝１．５×１０−４ｍ２Ｖ−１ｓ−１をもつ。これは、窒素流中の自由電子の移動度より著しく低く、自由電子の移動度は少なくとも１００倍大きいことが知られている。
【００４７】
このように電子が陰イオンに変わることにより、ストリーマがなくなり絶縁破壊の確率がより低くなるためにコロナ放電の安定性が改善され、イオン化したガス流における陽イオンおよび陰イオン１０／１１の濃度が実質的に等しくなる。
【００４８】
移動度が低い陽イオンおよび陰イオン１１は、ガス流により容易に捕獲（収集および移動）することができる。６０ｌ／分のガス流により、イオンのドリフト領域内に１秒当たり約６７メートル（ｍ／ｓ）の線速度の動きが作り出される。陰イオンと陽イオンは、１メートル当たり約２．３×１０５ボルト（Ｖ／ｍ）の電場内で約３５ｍ／ｓの線速度をもつ（これに対し、同じ電場内での平均電子速度は約４，６００ｍ／ｓである）。そのため、高周波数／高周波の場では、電子１１’は主としてその電場に反応して移動し、一方、陽イオンおよび陰イオン１０／１１は主としてドリフト領域内の拡散およびガス流の速度で移動する。
【００４９】
高周波数のコロナ放電による損傷からイオンのエミッタを保護ために、本発明の好ましい実施形態の必須でない特徴により、（１つまたは複数の）電極５からの電流を制限できるようにする。これは、（モニタリングするための手段として）参照電極を連続的に用いて（イオン化したガス流中の電荷キャリアに反応する）モニタ信号を制御システムにフィードバックして、電極５に加えられる電圧がコロナしきい電圧かまたはその近くのままであるように高周波電源９を調整することにより実現される。
【００５０】
図４に示した好ましい実施形態によれば、ＨＶＰＳ９’は、高電圧トランスＴＲの周囲に作られた調整可能な自励振動発電機を含む。特に、図４は、参照電極６がコンデンサＣ２を介してアナログ制御システム３６’に容量性結合されている好ましい実施形態を表す。図示したように、環状電極６はイオン化したガス流３から絶縁性の誘電体チャネル２によって絶縁され、したがって、イオン化したガスからの導電性の電流を遮る。
【００５１】
カットオフ周波数が約１ＭＨｚのハイパスフィルタＬ１／Ｃ２を用いて、参照電極６からのコロナ信号をフィードバックする。このフィルタされたコロナ信号を、ダイオードＤ１により整流し、ローパスフィルタＲ２／Ｃ６を介してフィルタし、電圧コンパレータＴ３／Ｒ１（ここで、Ｒ１は予め定められたコンパレータの電圧レベルを表す）に送出し、それから、ｎチャネルパワーＭＯＳＦＥＴトランジスタＴ２のゲートに送出してもよい。そしてトランジスタＴ２は、電力発振器／高電圧トランス回路９’を駆動するのに十分な電流を供給する。他の信号処理として、高利得増幅や、ノイズ成分を低減させるための積分、参照コロナ信号レベルとの比較を含んでもよい。上記の信号処理はコロナ信号に固有のノイズを大きく低下させる。高電圧電源９’は好ましくは無線周波数の範囲で動作するため、このことはある好ましい実施形態と併せて特に重要となり得る。
【００５２】
使用の際、イオン化を開始させるときは、フィードバック信号が丁度開始されたところであるため、コロナ放電とコロナ信号（参照電極６から取られ、変位電流を反映する）は高い。コロナ信号は、フィードバック回路がこの条件に調整し始めるまで（典型的には数ミリ秒間）高いままである。制御回路は、イオン化装置に加えられる高電圧を予め定められた参照電圧により決定されるより低いレベルに急速に低下させ、好ましくはコロナ放電定数をこのレベルに保つ。（伝達可能なように連結された参照電極の）コロナフィードバックをモニタリングし、高電圧駆動を調節することにより、制御システム３６’とＨＶＰＳ９’は、コロナしきい値かまたはその近くの動作電圧を保ち、エミッタの損傷を最小化することができるようになる。
【００５３】
図４のコンデンサＣ２は（１）エミッタの高電圧場から誘導される基本周波数Ｆ（好ましくは約３８ｋＨｚ）の信号と（２）コロナ放電自体により生成される信号との２つの主要な成分をもつ変位電流によって帯電されるということに、当業者は気付くであろう。これらの成分を示す代表的なオシロスコープのスクリーンショットを、図５ａ（Ｓ１’およびＳ１）と図５ｂ（Ｓ２’およびＳ２）に示す。図示されている記録波形は、同じ時間枠内の両方の信号を表す。図示したように、空気中の参照電極上に生成されたコロナ信号Ｓ１（図５ａを参照）は、窒素中の参照電極上に生成されたコロナ信号Ｓ２（図５ｂおよび図５ｃを参照）とは異なる。ほとんどの場合、空気中のコロナ放電により、２つの最初の過渡的な振動する放電のスパイクが作り出される（図５ａの信号Ｓ１を参照）。これは、おそらく、酸素（空気の１つの重要な構成要素である）と窒素のイオン化エネルギーが異なることに関係している。
【００５４】
図５ｂおよび図５ｃは、清潔な窒素中で負コロナにより誘導された電流Ｓ２を示す。ここでは、振動するコロナ放電信号Ｓ２は（電極に加えられる最大のイオン化電圧Ｓ２’で）１つの最大値をとる。負コロナの変位電流は、窒素中と空気中の両方で正電流よりはるかに大きい。（４０〜５０ｋＨｚなどの）高周波数では、電場の影響下で陽イオンが移動する範囲は制限される。特に、高電圧サイクルの正の部分である間、陽イオン１０は、プラズマ領域１２から数分の１ミリメートルしか移動することができない。したがって、陽イオンの雲の移動は、相対的に遅いプロセス、すなわちガス流の拡散および移動によって制御される。結果として、参照電極６は、無視できる量の陽イオン１０の移動によって影響されるだけになる。
【００５５】
今度は図６ａおよび図６ｂに移ると、そこでは、本発明の自動均衡の好ましい２つの実施形態による、マイクロプロセッサ・ベースの制御システム３６’’および３６’’’に伝達可能なように連結されたＨＶＰＳ９’’をそれぞれが有する２つの代替のガスイオン化装置の概略図を示している。
【００５６】
図６ａおよび図６ｂの両方の実施形態では、マイクロプロセッサ（コントローラ）１９０の主なタスクは、イオン化電極５を駆動する高電圧電源９’’に対するサーボ機構による閉ループ制御を実現することである。好ましいマイクロプロセッサは、Ａｔｍｅｌ，Ｏｒｃｈａｒｄ  Ｐｋｗｙ，Ｓａｎ  Ｊｏｓｅ，ＣＡ  ９５１３１により製造されたモデルＡＴＭＥＧＡ  ８μＰである。本明細書で用いられる好ましいトランスは、ＣＨＩＲＫ  Ｉｎｄｕｓｔｒｙ  Ｃｏ．，Ｌｔｄ．により製造されたモデルＣＨ−９９０７０２のトランスであり、現在の住所は、台湾のＮｏ．１０，Ａｌｌｅｙ  ２２，Ｌａｎｅ  ９６４，Ｙｕｎｇ  Ａｎ  Ｒｏａｄ，Ｔａｏｙｕａｎ  ３３０（ｗｗｗ．ｃｈｉｒｋｉｎｄｕｓｔｒｙ．ｃｏｍ）である。図６ａおよび図６ｂに示すように、参照電極６からのコロナ変位電流のモニタ信号を、フィルタ１８０によってフィルタかつバッファし、マイクロプロセッサ１９０のアナログ入力に供給してもよい。マイクロプロセッサ１９０は、コロナ信号を予め定められた参照レベル（ＴＰ２を参照）と比較し、次いで、ＰＷＭ（パルス幅変調）パルス列の出力電圧を発生させてもよい。すると、パルス列の出力電圧は、フィルタ回路２００によってフィルタかつ処理されて、（図４に示した代替のＨＶＰＳ設計９’と同様の）調整可能な自励振動高電圧電源９’’用の駆動電圧を生じさせる。
【００５７】
コロナ放電に関する損傷とイオン化電極５からの粒子の発生を最小限にするために、マイクロプロセッサ１９０は、約１〜１００％、好ましくは約５〜１００％の範囲内の様々なデューティファクタをもつパルスを、高電圧電源のトランスＴＲに供給することができる（ＴＰ１を参照）。パルス反復率は、約０．１〜２００Ｈｚの範囲内に設定することができ、好ましくは約３０〜１００Ｈｚである。マイクロプロセッサ１９０は圧力センサ３３’（図６ａを参照）にも反応できるが、他の実施形態では、マイクロプロセッサ１９０は代わりに真空センサ３３’’（図６ｂを参照）に反応してもよい。
【００５８】
ガス流量が高い（例えば、１分当たり９０〜１５０リットル）と、陽イオンと陰イオンの再結合が起こり得る時間は短く、イオン化装置からのイオン電流は高い。この場合、エミッタに加えられる高電圧デューティファクタをより低く（例えば、５０％以下に）することができる。図９は、エミッタ５に供給される高電圧波形Ｓ４’の例を示す（基本周波数は好ましくは約３８ｋＨｚ、デューティファクタは好ましくは約４９％、かつパルス反復率は好ましくは約９９Ｈｚである）。デューティファクタが低ければ低いほど、電子／イオンがエミッタ５に衝撃を与え得る時間が短くなり、エミッタの腐食が起きにくくなる（それにより、エミッタの寿命が延びる）ことが理解されよう。
【００５９】
デューティファクタの調整は、マイクロプロセッサのアナログ入力に接続されたトリムポットＴＰ１（デューティサイクル）を用いて手動で行ってもよく、または、適切なガスセンサ３３’（例えば、ＴＳＩ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ，５００  Ｃａｒｄｉｇａｎ  Ｒｏａｄ，Ｓｈｏｒｅｖｉｅｗ，ＭＮ  ５５１２６により製造されたＴＳＩ  Ｓｅｒｉｅｓ  ４０００  Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｌｉｎｅａｒ  ＯＥＭ  Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ）（図６ａを参照）により測定されたガス圧力またはガス流量の測定に基づいて自動的に行ってもよい。
【００６０】
駆動電圧は、フィードバック信号に基づいてマイクロプロセッサ１９０により自動的に確立される。必要があれば、自動的に決定された駆動電圧を、トリムポットＴＰ２を用いてより高くまたはより低く修正してもよい。
【００６１】
そうした構成で、マイクロプロセッサ・ベースの制御システムを用いて、（１つまたは複数の）センサ３３’からの信号に反応して色々な措置を講じることができる。例えば、流量レベルが予め定められたしきい値レベル以下であれば、制御システムにより高電圧電源９’’を停止してもよい。同時に、マイクロプロセッサ１９０により、「低ガス流量」の警報信号を作動させてもよい（警報／ＬＥＤ表示システム２０２）。
【００６２】
図６ｂの実施形態では、組み込まれた特許出願に記載されかつ図６ｂに示したように排出器２６’’を用いてイオン化シェル内の吸気を行うときに、チャネル２の内側のガス流３からの真空圧を用いて流量を検出することができる。この場合、排出口の真空レベルをモニタリングする真空センサ３３’’も、ガス流に関する情報をマイクロプロセッサ１９０に与える。マイクロプロセッサ１９０は、高電圧電源９’’に対する駆動電圧を自動的に調整して、様々なガス流量でイオン電流を基準値内に保つことができる。本発明のこの好ましい実施形態で用いられる排出器は、米国の３６  Ｐａｒｍｅｎｔｅｒ  Ｒｏａｄ，Ｈｕｄｓｏｎ，ＭＡ  ０１７４９にあるＡｎｖｅｒ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造販売されているＡＮＶＥＲ  ＪＶ−０９  Ｓｅｒｉｅｓ  Ｍｉｎｉ  Ｖａｃｕｕｍ  Ｇｅｎｅｒａｔｏｒや、米国のＨａｍｉｌｔｏｎ  Ｂｕｓｉｎｅｓｓ  Ｐａｒｋ，Ｄｏｖｅｒ，Ｎｅｗ  Ｊｅｒｓｅｙ  ０７８０１にあるＦｏｘ  Ｖａｌｖｅ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｃｏｒｐ．により製造販売されているＦｏｘ  Ｍｉｎｉ−Ｅｄｕｃｔｏｒ、または当技術分野で知られているそれらと同等ないかなる排出器でもよい。
【００６３】
通常の産業用途では、たいていの場合、イオン化装置は高電圧の「オンオフ」モードで動作する。長い「オフサイクル」の時間（一般には１時間以上）の後では、イオン化装置はそれぞれの「オンサイクル」でコロナ放電を起こさなければならない。（窒素のような）陽性ガス中のコロナ開始プロセスでは、通常、イオン化装置が「調整された」後で必要となり得るよりも高い最初の開始電圧および電流が必要になる。この問題を克服するために、本発明のイオン化装置は、マイクロプロセッサ・ベースの制御システムにより、別個のモード、すなわち「スタンバイ」、「電源投入」、「動作開始」、「学習」および「動作」のモードで実行することができる。
【００６４】
図７ａ、図７ｂ、図７ｃ、図７ｄおよび図７ｅは、本発明のある好ましいイオン化装置の実施形態の機能についてのフローチャートを示す。特に、これらの図は、（１）コロナ放電を開始させ（７ａ−電源投入モード）、（２）コロナ放電用のイオン化電極を調整し（７ｂ−動作開始モード）、コロナ放電を維持するのに必要とされるイオン化信号を学習および微調整し（７ｅ−学習モード）、次いで、（３）イオン化信号を調節して所望のコロナ放電レベルを維持する（７ｃ−通常動作モード）ために、マイクロプロセッサが使用するプロセスを示す。本明細書に記載した色々な条件下で、マイクロプロセッサはスタンバイモード（７ｄ）にも入ることがある。電源投入後に、プロセスの制御は、スタンバイルーチンかまたは動作開始ルーチンの一方に渡される。うまく動作開始できないと、制御は電源投入ルーチンに戻ることになる。例えば赤色ＬＥＤを点灯させ続けるなどの視覚的な表示によって高電圧の警報条件を示すように設定する前に、ループを（例えば３０回まで）繰り返してもよい。イオン化装置がうまく動作開始し例えば許容できるコロナフィードバック信号によりそれが判定された場合には、制御は学習ルーチンと通常動作ルーチンに渡される。
【００６５】
図７ａに重点を置くと、電源投入モード２１０が始まるとプロセスはボックス２１２に進み、そこでは、マイクロプロセッサがその出力を適切な既知の状態に設定する。次いで、プロセスはデシジョンボックス２１４に進み、そこでは、適切なアナログ入力で示されるガス流の圧力が続行に十分かどうかを判定する。十分でなければ、プロセスはボックス２１６に進み、そこでは、黄色および青色の表示ＬＥＤを点灯し、プロセスはデシジョンボックス２１４に戻る。続行するのに圧力が十分なときは、プロセス２１０は、図７ｂの動作開始ルーチンを表すボックス２３０に進む。
【００６６】
動作開始ルーチン２３０は、青色ＬＥＤを光らせるボックス２３２で始まり、ボックス２３４に進み、そこでは、予め設定された電圧レベルの十分なコロナフィードバック信号ができるまで、高電圧をイオン化装置に加える。信号が十分であれば、プロセスはボックス２４２に進み、そこでプロセスは図７ａの電源投入ルーチン２１０に戻る。信号が十分でない場合、プロセス２３０はデシジョンボックス２３６に進み、そこでは、動作開始モード２３０が終了していれば電源投入モード２１０に戻ることになる。終了していない場合、プロセスは、ボックス２３８で、２９回未満のリトライを行ったかどうかを判断する。行っていれば、プロセスは、ボックス２４０を通ってボックス２３４に戻る。行っていなければ、プロセス２３０は図７ｄに示したスタンバイモード２８０に進む。
【００６７】
十分なイオン化装置のフィードバック信号があるか、または動作開始モードが終了したときは、プロセス２３０はボックス２４２に進み、ボックス２２０で電源投入ルーチン２１０に再び入る。次いで、ルーチン２１０は、コロナフィードバック信号の急激な立ち上がりモニタリングすることにより、イオン化が始まったかどうかを判定する。イオン化が始まっていなければ、プロセスはデシジョンボックス２２４に進み、そこではリトライの回数を調べ、３０回より多くのリトライが行われていればスタンバイモード２８０に進む。そうでない場合は、プロセスはボックス２２６に進み、そこでは、プロセスが（通常、約２〜１０秒の間で選択された値だけ）遅延し、動作開始ルーチンが再び呼び出される。動作開始ルーチン２３０から戻ると、イオン化装置の調整が行われていれば、プロセスはデシジョンボックス２２０を通って図７ｅの学習モード３００に進む。コロナフィードバックが検出された場合、マイクロプロセッサは学習モード３００（図７ｅを参照）に進むことになる。ここで、イオン化信号を０から増加３０２させ、コロナフィードバックが再び検出３０４されるようにする。次いで、フィードバックレベルをモニタリングしながら、（図７ｃおよび図８に示すように）イオン化信号を所望の休止電圧レベルにわずかに低下３０６させ、プロセスは通常動作モード２５０に進む。
【００６８】
通常動作２５０はデシジョンボックス２５２で始まり、そこではスタンバイ命令があるかどうかを判定する。命令があれば、プロセスはスタンバイモード２８０に進み、図７ｄに関して記載するように進行する。命令がない場合、プロセス２５０はデシジョンボックス２５６に進み、そこでは高電圧の警報条件を調べる。１００％の電圧出力とデューティファクタで駆動してもハードウェアがコロナフィードバック信号を所望のレベルに確立し維持できない場合は、高電圧の警報条件を設定し、プロセス２５０はボックス２５８に進み、そこでは警報のＬＥＤを点灯し高電圧電源を切る。次いで、プロセス２５０はデシジョンボックス２５２に戻って進行する。警報条件がまだ満たされていなければ、プロセスはボックス２６０に進み、そこでは、高電圧の駆動が最大値の９５％を超えている場合に低イオン出力の警報条件を設定する。低イオン出力の警報条件が満たされていれば、通常動作はボックス２６２に進み、黄色ＬＥＤを点灯する。次いで、プロセスはデシジョンボックス２５２に戻り、ここで記載したように進行する。低イオンの警報条件が満たされていなければ、プロセスはボックス２６４に進み、そこでは、真空センサの電圧が限界を超えており、ガス流が不十分であることを示している場合に、流量警報の限界条件を設定する。警報条件が満たされていれば、プロセス２５０はボックス２６６に進み、そこでは黄色および青色のＬＥＤを点灯し、高電圧電源を切る。プロセスは、再びデシジョンボックス２５２に進み、ここで記載したように進行する。流量警報の条件が満たされていなければ、プロセス２５０はボックス２６８に進み、イオン化電極に加えられる高電圧をサーボ機構による閉ループ制御で必要とされるように調整する。次いで、プロセスはボックス２７０に進み、そこでは、青色、黄色および赤色のすべてのＬＥＤを切る。次いで、プロセス２５０はデシジョンボックス２５２に戻り、ここで記載したように進行する。ボックス２５２でスタンバイ命令が受信され検出されると、プロセスはスタンバイモード２８０に進み、図７ｄを参照して記載するように進行する。
【００６９】
プロセスがボックス２８２に進むとスタンバイモード２８０が始まり、青色ＬＥＤが点灯する。これが初めてボックス２８４を通る場合かまたはボックス２８４を通った最後のサイクルから１分以上が経っている場合は、プロセスはボックス２３０に進み、そこでは、図７ｂを参照して記載したように動作開始モードのルーチンが進行する。動作開始モード２３０から戻ると、スタンバイプロセス２８０はボックス２８８に進み、そこでは、（通常、約２〜１０秒の間で選択された値だけの）遅延が始まり、プロセスはボックス２９０に移って、動作開始モードの終了のフラグを設定する。最後に、スタンバイプロセス２８０はボックス２９２に進み、ルーチンが（図７ａ、図７ｂまたは図７ｃのうちの１つで）呼び出された場所に戻る。同様に、ボックス２８４で、１分未満しか経過していなければ、スタンバイプロセス２８０はボックス２９２に進み、（図７ａ、図７ｂまたは図７ｃのうちの１つで）呼び出された場所に戻る。
【００７０】
外部入力によりまたは警報条件のためにイオン化装置がスタンバイの状態になっている場合は、警報が解除されるかまたは外部入力の状態が変わるまでその状態にとどまることが好ましい。青色ＬＥＤを点灯させ続けるなどの異なる視覚的な表示によってスタンバイモードを示してもよい。
【００７１】
図８はオシロスコープのスクリーンショットであり、学習モード３００の開始時に、イオン化電極に加えられるイオン化電圧Ｓ３’を０からコロナ開始電圧ＶＣＯより低い値の電圧振幅Ｖｓまで実質的に即座に（２．５ｋＶ／ｍｓ）増加させるように、マイクロプロセッサ・ベースの制御システム３６’’／３６’’’により電源９’’を制御することを示す。この電圧レベルは、約１ｋＶ〜約３．５ｋＶの範囲内としてもよい。この期間中、コロナ変位電流Ｓ３は０に近い。その後、好ましくは、マイクロプロセッサ・ベースの制御システムにより、電圧の増加率を約５ｋＶ／ｍｓに減らすように電源９’’を制御し、イオン化電圧Ｓ３’をコロナしきい電圧ＶＣＯ以上に徐々に上昇させる。コロナ信号が予め設定されたレベルに達したときに、マイクロプロセッサ・ベースの制御システム３６’’／３６’’’により、イオン化電圧Ｓ３’を予め設定された期間（好ましくは約３秒）の間一定に保つように電力増幅器を制御する。この学習プロセスは何回か（３０回まで）繰り返してもよく、その間に、制御システム３６’’／３６’’’により、平均のコロナ開始電圧の値を計算し記録してもよい。システムがこの学習プロセスを完了し損なった場合は、高電圧警報を作動させ、高電圧電源９’’を切ってもよい。
【００７２】
学習モードがうまく動けば、マイクロプロセッサにより通常動作ルーチン（図８にも示している）を開始してもよい。この通常モード２５０では、電力増幅器９’’によりコロナ開始電圧に近いイオン化電圧Ｓ３’をイオン化電極５に加え、最小になっているコロナ変位電流Ｓ３を変化させる。流れているガス流、特に陽性ガス／希ガス中のコロナ放電を操作するこの方法により、コロナ電流を安定化し、エミッタの損傷と粒子の発生を最小限にすることができる。好ましいイオン化装置がスタンバイモードから通常動作モードに切り替わるたびに、学習モードと動作モードの同様のサイクルが行われることが好ましい。
【００７３】
オプションとして、好ましい実施形態では、マイクロプロセッサ・ベースの制御システム３６’’／３６’’’により（１つまたは複数の）イオン化電極５の状態をモニタリングすることができるとよい。というのは、腐食や破片の蓄積、コロナに関する他のプロセスの結果として、イオン化電極はその特徴が変化する（したがって、保守または交換が必要になる）ことが知られているからである。この必須でない特徴によれば、マイクロプロセッサ・ベースの制御システム３６’’／３６’’’により、それぞれの学習サイクルの間にコロナ開始／しきい電圧ＶＣＯをモニタリングしてもよく、その値を予め設定された最大しきい電圧ＶＣＯｍａｘと比較してもよい。ＶＣＯがＶＣＯｍａｘに近いかまたはそれと等しいときに、マイクロプロセッサ３６’／３６’’により保守の警報信号を発してもよい（図７ｃを参照）。
【００７４】
代わりに、エミッタを取り付けるときに、エミッタの元のコロナ開始／しきい電圧をマイクロプロセッサのメモリに記録することも可能である。元のコロナ開始／しきい値と現在のコロナ開始／しきい値とを比較することにより、ある一定のイオン化装置、一定のガスおよび／または一定の環境について、電極５の劣化の比率を定めることができる。
【００７５】
完全を期すため、図９は、５０％のデューティサイクルを実行する通常動作モード中におけるイオン化装置の動作のいくつかのサイクルを表示するオシロスコープのスクリーンショットを示す。このモードでは、イオン化電極５に加えられるイオン化電圧Ｓ４’がオンオフされる。そしてそれに応じて、コロナ変位電流が生じる。
【００７６】
最も実用的で好ましい実施形態であると現在考えられているものに関して本発明を記載してきたが、本発明は開示された実施形態に限定されず、添付の特許請求の範囲およびその精神に含まれる色々な修正および同等な装置も包含するように意図していることが理解されよう。上述の記載について、例えば、大きさや、材料、形状、形態、動作の機能および方法、組立てならびに使用についての変形例を含む、本発明の部分についての最適な寸法関係は、当業者にとって容易にわかるものと考えられ、図面に示し本明細書に記載したものと同等な関係にあるすべてのものは添付の特許請求の範囲により包含されるように意図しているということが理解されよう。したがって、前述の内容は、網羅的なものではなく、本発明の原理を例示的に記載したものと考えられる。
【００７７】
動作例以外では、または特に断りがないところでは、本明細書および特許請求の範囲で用いられる構成要素や反応条件などの量を指すすべての数や表記は、すべての場合、「約」という用語で修飾されているものと理解すべきである。したがって、特に断りがなければ、以下の明細書および添付の特許請求の範囲で述べる数値パラメタは、所望の特性に応じて変動し得る近似値であり、それについても本発明が権利取得することを求める。最低でも、特許請求の範囲に均等論を適用することを制限する試みとしてではなく、それぞれの数値パラメタは、少なくとも、伝えられた有効桁数を考慮して、かつ通常の丸めの技法を適用することにより、構成すべきである。
【００７８】
広範囲に及ぶ本発明を規定する数値範囲およびパラメタは近似値であるにもかかわらず、具体例で述べた数値は可能な限り正確に伝えている。しかしながら、それぞれの試験の測定値に見られる標準偏差から必然的に生じる一定の誤差が、いかなる数値にも内在する。
【００７９】
また、本明細書で列挙したいかなる数値範囲もその中に包含されるすべての部分範囲を含むように意図していることを理解されたい。例えば、「１〜１０」の範囲は、列挙された最小値の１と列挙された最大値の１０の間の、およびそれらを含む、すわなち１以上の最小値と１０以下の最大値をもつすべての部分範囲を含むことを意図している。開示された数値範囲は連続的なので、それらの範囲は最小値と最大値の間にあるすべての値を含む。特に断りがなければ、本出願で指定した色々な数値範囲は近似値である。
【００８０】
説明のために、以下では、「上側」や、「下側」、「右」、「左」、「垂直」、「水平」、「上部」、「底部」の用語およびそれらの派生語により、本発明を図面の中で向きが定められているものとして述べる。しかしながら、本発明では、特に断りがあるところを除いて色々な代替の変形例やステップの順序を想定し得るということが理解されよう。添付の図面に示し以下の明細書に記載した特定の装置およびプロセスが本発明の単なる例示的な実施形態であることも理解されよう。したがって、本明細書で開示された実施形態に関する具体的な寸法や他の物理的な特徴は、限定的なものと考えるべきではない。
【００８１】
色々なイオン化装置および技法が、以下の米国特許および公開された特許出願、すなわち、出願番号が第０８／５３９，３２１号の、１９９５年１０月４日に出願され、１９９８年１２月８日に発行された「Ａｉｒ  Ｉｏｎｉｚｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の、Ｓｕｚｕｋｉへの米国特許第５，８４７，９１７号、出願番号が第０９／５６３，７７６号の、２０００年５月２日に出願され、２００３年５月１３日に発行された「Ｉｎ−Ｌｉｎｅ  Ｇａｓ  Ｉｏｎｉｚｅｒ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ」という名称の、Ｌｅｒｉへの米国特許第６，５６３，１１０号、および出願番号が第１０／５７００８５号の、２００４年８月２４日に出願され、２００７年１月１１日に公開された、「Ｉｏｎｉｚｅｒ」という名称の、Ｋｏｔｓｕｊｉの米国公開第２００７／０００６４７８号に記載されており、それらの全体の内容が参照により本明細書に組み込まれる。
【図１】
2013508924.tif 000003
【図２】
2013508924.tif 000004
【図３ａ】
2013508924.tif 000005
【図３ｂ】
2013508924.tif 000006
【図３ｃ】
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【図４】
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【図５ａ】
2013508924.tif 000009
【図５ｂ】
2013508924.tif 000010
【図５ｃ】
2013508924.tif 000011
【図６ａ】
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【図６ｂ】
2013508924.tif 000013
【図７ａ】
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【図７ｂ】
2013508924.tif 000015
【図７ｃ】
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【図７ｄ】
2013508924.tif 000017
【図７ｅ】
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【図８】
2013508924.tif 000019
【図９】
2013508924.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成24年6月25日(2012.6.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流方向を定めるイオン化していないガス流を受け取り、イオン化したガス流を電荷中和の標的に送出するためのコロナ放電ガスイオン化装置であって、
前記イオン化していないガス流を受け取り、前記イオン化したガス流を前記標的に送出するための少なくとも１つの貫通チャネルと、
周期Ｔをもち正と負の部分があるイオン化信号を与えたことに反応して、前記イオン化していないガス流の中に電荷キャリアを生成するための少なくとも１つのコロナ放電イオン化電極であって、前記イオン化していないガス流に入って前記イオン化したガス流を形成する電子雲、陽イオンおよび陰イオンを前記電荷キャリアが含むコロナ放電イオン化電極と、
前記イオン化信号を前記イオン化電極に与えるための電源であって、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記イオン化電極により負の電荷キャリアが生成される電源と、
前記イオン化電極の下流にあり、前記イオン化したガス流の中の前記電荷キャリアに反応するモニタ信号を生成する少なくとも１つのイオン化しない参照電極であって、前記イオン化電極により生成された前記電荷キャリアが前記イオン化電極と前記参照電極の間で振動する参照電極と、
前記電源および前記参照電極に伝達可能なように連結されて、コロナ放電のしきい値を定める前記モニタ信号に少なくとも部分的に反応する前記イオン化電極に与えられた前記イオン化信号を制御する制御システムと、
を備えるコロナ放電ガスイオン化装置。
【請求項２】
時間Ｔｎｃの間に生成された前記負の電荷キャリアが前記参照電極に向けて下流に移動し、前記時間Ｔｎｃが前記イオン化電極から前記参照電極に前記負の電荷キャリアが移動するのにかかる時間Ｔｅ以下であり、少なくとも約１００秒の緩和時間をもつ誘電体材料により前記参照電極が前記イオン化したガス流から絶縁されている、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項３】
前記イオン化電極に容量性結合された高電圧無線周波数のイオン化電源を前記電源が備え、それによって、前記標的に送出された前記イオン化したガス流の中の正負の電荷キャリアの濃度が少なくとも実質的に静電気的に釣り合う、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項４】
陽性ガス、陰性ガス、希ガス、ならびに陽性ガス、陰性ガスおよび希ガスの混合物からなる群より選択されたガスを前記イオン化していないガス流が含み、
前記制御システムが前記参照電極に伝達可能なように連結され、
少なくとも１メガヘルツのカットオフ周波数をもつハイパスフィルタを前記電源が備える、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項５】
約０〜約２０キロボルトの間で振幅が変動し、少なくとも部分的に前記モニタ信号に反応して約５０ヘルツ〜約２００キロヘルツの間で周波数が変動し、約１パーセント〜約１００パーセントの間でデューティファクタが変動し、少なくとも部分的に前記モニタ信号に反応して約０．１ヘルツ〜約１０００ヘルツの間で反復率が変動するイオン化信号を、前記電源が前記イオン化電極に与える、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項６】
前記イオン化信号より実質的に高い周波数のモニタ信号が前記イオン化していないガス流のコロナ開始電圧を示し、負コロナ開始電圧を示すモニタ信号に反応して、前記制御システムが前記電源を制御することにより、前記イオン化信号の振幅を前記負コロナ開始電圧に概ね等しいように維持する、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つのイオン化しない参照電極が、イオン化したガス流から誘電体材料により絶縁され、
前記少なくとも１つのコロナ放電イオン化電極が、コロナ放電中にプラズマ領域を生成し、
前記装置が、前記イオン化していないガス流から前記プラズマ領域を保護する誘電体のシェルをさらに備える、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項８】
前記時間Ｔｎｃの間に生成された前記負の電荷キャリアが移動度μを有し、
平均電界強度がＥｄの電場が前記イオン化電極と前記参照電極の間に前記時間Ｔｎｃの間存在し、
前記時間ＴｅがＬ／（Ｅｄ×（−μ））以下である、請求項１に記載のガスイオン化装置。
【請求項９】
下流方向に流れる自動均衡でありかつ陽性のイオン化したガス流を生成する方法であって、
前記下流方向に流れ、圧力と流量をもつイオン化していない陽性のガス流を確立するステップと、
電子雲、陽イオンおよび陰イオンを含む電荷キャリアを前記イオン化していないガス流中に生成するステップであって、それにより圧力と流量をもち前記下流方向に流れるイオン化したガス流を形成するステップと、
前記電子雲の電子を陰イオンに変えるステップであって、それにより、陽イオンと陰イオンの濃度が実質的に釣り合ったイオン化したガス流を発生させるステップと、
前記釣り合ったイオン化したガス流をモニタリングするステップと、
前記モニタリングするステップに少なくとも部分的に反応して、電荷キャリアの生成を制御するステップと、
を含む方法。
【請求項１０】
前記釣り合ったイオン化したガス流をモニタリングする前記ステップが、前記イオン化したガス流の前記電荷キャリアをモニタリングするステップをさらに含み、
前記生成するステップが、周期Ｔをもち正と負の部分がある無線周波数のイオン化信号を前記イオン化していないガス流の中に加えるステップをさらに含み、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記電子雲が生成され、前記時間ＴｎｃがサイクルＴの１０分の１（１／１０）以下である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記無線周波数のイオン化信号は、約０〜約２０キロボルトの間で振幅が変動し、約５０ヘルツ〜約２００キロヘルツの間で周波数が変動する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記生成するステップが、前記イオン化していないガス流の中に無線周波数のイオン化信号を加えるステップであって、それによりコロナ放電を介して電荷キャリアを生成するステップをさらに含み、
前記イオン化信号が、
約５キロヘルツ〜約５０キロヘルツの間の周波数と、
約０．１Ｈｚ〜１０００Ｈｚの間のパルス反復率と
を有し、
前記ガス流の負コロナ開始電圧を検出するステップと、
前記加えるステップの前記イオン化信号の大きさを、検出された前記負コロナ開始電圧に概ね等しいように維持するステップと、
前記イオン化電極により生成された前記電子雲を前記イオン化電極と前記参照電極の間で振動させるように誘導するステップと
をさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
ガス流が内部を流れる貫通チャネル、前記ガス流の中に少なくとも一部が配置された少なくとも１つのイオン化電極、および前記イオン化電極より距離Ｌだけ下流にある少なくとも１つの参照電極を有するタイプのコロナ放電イオン化装置の中で自由電子の雲を陰イオンに変える方法であって、
周期Ｔをもち正と負の部分があるイオン化信号を前記イオン化電極に加えるステップであって、それにより、前記イオン化信号の前記負の部分の時間Ｔｎｃの間に前記イオン化していないガス流の中に前記電子雲を生成し、前記電子雲が前記参照電極に向けて下流に移動し、前記時間Ｔｎｃが前記イオン化電極から前記参照電極に前記電子雲が距離Ｌだけ移動するのにかかる時間Ｔｅ以下であるステップを含む方法。
【請求項１４】
陽性ガス、陰性ガス、希ガス、ならびに陽性ガス、陰性ガスおよび希ガスの混合物からなる群より選択されたガスを前記ガス流が含み、
前記加えるステップが、約５キロヘルツ〜約１００キロヘルツの間の周波数をもつ無線周波数のイオン化信号を加えるステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記ガス流の負コロナ開始電圧を検出するステップと、
前記加えるステップの前記イオン化信号の大きさを、検出された前記負コロナ開始電圧に概ね等しいように維持するステップと、
前記イオン化電極により生成された前記電子雲を前記イオン化電極と前記参照電極の間で振動させるように誘導し、それによって電子を陰イオンに変えるステップと
をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【国際調査報告】
2013508924.tif 000021