СОПЛО МИКРОВОЛНОВОГО ПЛАЗМАТРОНА С ПОВЫШЕННОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ФАКЕЛА И ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ НАГРЕВА
NOZZLE OF MICROWAVE PLASMATRON WITH ENHANCED TORCH STABILITY AND HEATING EFFICIENCY

Уровень техники
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к плазменным генераторам, более конкретно к устройствам с соплом, которое выпускает факел плазмы, которая может генерироваться с помощью микроволн.
Описание предшествующего уровня техники
В последние годы ускорился прогресс в получении плазмы. Типично плазма состоит из заряженных ионов, нейтральных компонентов и электронов. В общем, плазма может подразделяться на две категории: плазмы с термической равновесностью и термической неравновесностью. Термическая равновесность подразумевает, что температура всех компонентов, включая положительно заряженные ионы, нейтральные частицы и электроны, одинакова.
Плазмы также могут классифицироваться на плазмы с локальной термической равновесностью (LTE) и плазмы не-LTE, причем это подразделение типично связано с давлением плазм. Термин "локальная термическая равновесность (LTE)" относится к термодинамическому состоянию, при котором температуры всех компонентов плазмы одинаковы в локализованных участках в плазме.
Высокое давление плазмы подразумевает большое число столкновений на единичный временной интервал в плазме, приводя к достаточному обмену энергией между компонентами, составляющими плазму, и таким образом приводя к одинаковой температуре компонентов плазмы. Низкое давление плазмы, с другой стороны, может приводить к одной или более температурам компонентов плазмы вследствие недостаточного количества столкновений между компонентами плазмы.
В не-LTE или просто нетепловых плазмах температура ионов и нейтральных компонентов обычно менее 100°C, тогда как температура электронов может достигать нескольких десятков тысяч градусов по Цельсию. Следовательно, не-LTE может выступать в качестве высокореактивного средства как в энергоемких, так и в умеренных вариантах применения без потребления большой величины энергии. Это "горячее охлаждение" предоставляет множество возможностей обработки и экономичных вариантов для различных применений. Энергоемкие варианты применения включают в себя системы осаждения металла и установки для плазменной резки, а умеренные варианты применения включают в себя системы плазменной очистки поверхности и плазменные дисплеи.
Одним из этих вариантов применения является плазменная стерилизация, которая использует плазму для уничтожения бактериальной жизни, включая бактериальные эндоспоры с высоким сопротивлением. Стерилизация является важнейшим шагом в обеспечении безопасности медицинских и стоматологических установок, материалов и изделий для конечного применения. Существующие способы стерилизации, используемые в стационарных лечебных учреждениях и промышленности, включают в себя автоклавную обработку, обработку газообразным этиленоксидом (EtO), сухое нагревание для стерилизации и облучение посредством гамма-лучей или пучков электронов. Эти технологии сталкиваются с рядом проблем, которые необходимо преодолевать, и они включают в себя такие вопросы, как термочувствительность и разрушение теплом, образование токсичных побочных продуктов, высокая стоимость эксплуатации, а также неэффективность в течение всего жизненного цикла. Таким образом, учреждения здравоохранения и медицинские отрасли долгое время нуждались в методике, которая работоспособна при комнатных температурах и в течение гораздо меньшего времени, при этом не нанося структурных повреждений широкому диапазону медицинских материалов, включая различные термочувствительные электронные компоненты и оборудование.
Эти изменения в новых медицинских материалах и устройствах сделали стерилизацию с помощью традиционных способов очень сложной. Один подход заключался в использовании плазмы низкого давления (или эквивалентно, плазмы давления ниже атмосферного), генерируемой из перекиси водорода. Тем не менее, вследствие сложности и высоких операционных затрат блоков периодического процесса, необходимых для этого процесса, использование этой методики в лечебных учреждениях было ограничено очень специфическими вариантами применения. Кроме того, системы плазмы низкого давления генерируют плазмы, имеющие радикалы, которые главным образом отвечают за детоксикацию и частичную стерилизацию, и это оказывает отрицательное воздействие на операционную эффективность процесса.
Также можно генерировать атмосферную плазму, например, для такой обработки поверхностей, как предварительная обработка пластиковых поверхностей. Один способ генерирования атмосферной плазмы изучен в патенте US 6677550 (Förnsel и др.). Förnsel и др. раскрывают сопло плазматрона на фиг.1, в котором высокочастотный генератор применяет высокое напряжение между электродом 18 в форме стержня и трубчатым проводящим корпусом 10. Как следствие, между ними устанавливается электрический разряд в качестве механизма нагревания. Системы, предложенные Förnsel и др., а также другие существующие системы, которые используют переменный ток высокого напряжения или импульсный постоянный ток для индуцирования дуги в сопле или электрического разряда формирования плазмы, не очень эффективны. Это обусловлено тем, что первоначальная плазма генерируется в сопле, и она направляется посредством узких прорезей. Эта компоновка обеспечивает потерю некоторых активных радикалов в сопле. Она также имеет другие проблемы, заключающиеся в том, что эта конструкция сопла имеет высокое энергопотребление и генерирует высокотемпературную плазму.
Другой способ генерирования атмосферной плазмы описан в патенте US 3353060 (Yamamoto и др.). Yamamoto и др. раскрывают высокочастотный генератор плазмы разряда, в котором плазма подается в соответствующий поток отработанного газа для инициирования высокочастотного разряда в этом потоке газа. Это генерирует плазменную струю ионизированного газа при сверхвысокой температуре. Yamamoto и др. используют передвижной стержень 30 проводника и ассоциативно связанные компоненты, показанные на фиг.3, для инициирования плазмы с помощью сложного механизма. Yamamoto и др. также раскрывают коаксиальный волновод 3, который является проводником и формирует тракт передачи высокочастотной мощности. Другой недостаток этой конструкции состоит в том, что температура ионов и нейтральных компонентов в плазме варьируется от 5000 до 10000°C, что непригодно для стерилизации, поскольку эти температуры могут легко уничтожить стерилизуемые продукты.
Использование микроволн является одним из традиционных способов генерирования плазмы. Тем не менее, существующие микроволновые методики генерируют плазму, которая не подходит, или в лучшем случае очень неэффективна для стерилизации вследствие одного или более из следующих недостатков: высокая температура плазмы, низкое энергетическое поле плазмы, высокие операционные затраты, существенная длительность стерилизационной обработки, высокая первоначальная стоимость устройства, или они используют вакуумные системы низкого давления (типично ниже атмосферного давления). Таким образом, существует потребность в системе стерилизации, которая 1) дешевле доступных в настоящее время систем стерилизации, 2) использует сопла, которые генерируют относительно холодную плазму, и 3) работает при атмосферном давлении, так чтобы не требовалось вакуумного оборудования.
Раскрытие изобретения
Настоящее изобретение предоставляет различные системы и способы генерирования относительно холодной микроволновой плазмы с помощью атмосферного давления. Эти системы имеют низкую единичную стоимость и работают при атмосферном давлении с меньшими операционными затратами, меньшим энергопотреблением и меньшей длительностью стерилизационной обработки. Относительно холодная микроволновая плазма генерируется посредством сопел, которые в отличие от существующих систем генерирования плазмы работают при атмосферном давлении с повышенной операционной эффективностью.
В отличие от плазм низкого давления, ассоциативно связанных с вакуумными камерами, плазмы атмосферного давления предлагают ряд уникальных преимуществ пользователям. Системы плазм высокого давления используют компактную конструкцию, которая позволяет легко конфигурировать системы и устраняет необходимость в дорогих вакуумных камерах и системах накачки. Кроме того, системы плазм атмосферного давления могут устанавливаться во множестве средств без необходимости дополнительных помещений и имеют минимальные операционные затраты и требования к обслуживанию. Фактически, основным признаком системы стерилизации с помощью атмосферной плазмы является ее способность стерилизовать термочувствительные объекты простым способом с меньшим оборотным циклом. Стерилизация с помощью атмосферной плазмы позволяет добиваться непосредственного воздействия реактивных нейтралов, в том числе атомарного кислорода и гидроксильных радикалов, а также плазмы, генерируемой посредством ультрафиолетового света, и все они могут атаковать и наносить вред клеточным мембранам бактерий. Таким образом, заявители выявили потребность в устройствах, которые позволяют генерировать плазму атмосферного давления для эффективной и недорогой стерилизации.
Согласно одному аспекту изобретения раскрыто сопло микроволнового плазматрона для генерирования плазмы из микроволн и газа. Сопло микроволнового плазматрона включает в себя трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, при этом трубка подачи газа имеет выпускную часть, включающую в себя материал, который достаточно прозрачен для микроволн. Выпускная часть относится к секции, включающей в себя край и часть трубки подачи газа рядом с краем. Сопло также включает в себя проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа. Проводник в форме стержня может включать в себя наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Также можно включить вихревую направляющую, размещенную между проводником в форме стержня и трубкой подачи газа. Вихревая направляющая имеет, по меньшей мере, один проход, который размещается под углом к продольной оси проводника в форме стержня, для сообщения спиралевидного направления потока вокруг проводника в форме стержня газу, проходящему по проходу. Есть возможность предоставить проход или проходы внутрь вихревой направляющей, и проходами может быть канал, размещенный на внешней поверхности вихревой направляющей, так чтобы они размещались между вихревой направляющей и трубкой подачи газа.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения сопло микроволнового плазматрона для генерирования плазмы из микроволн и газа содержит трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа, и вихревую направляющую, размещенную между проводником в форме стержня и трубкой подачи газа. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Вихревая направляющая имеет, по меньшей мере, один проход, размещенный под углом к продольной оси проводника в форме стержня, для сообщения спиралевидного направления потока вокруг проводника в форме стержня газу, проходящему по проходу.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения сопло микроволнового плазматрона для генерирования плазмы из микроволн и газа содержит трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа, заземленный экран для уменьшения потерь микроволновой мощности через трубку подачи газа, и держатель, размещенный между проводником в форме стержня и заземленным экраном, для надежного крепления проводника в форме стержня относительно заземленного экрана. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Заземленный экран имеет отверстие для приема потока газа, протекающего через него, и вставлен в наружную поверхность трубки подачи газа.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрено устройство генерирования плазмы. Устройство содержит СВЧ-резонатор, имеющий стенку, формирующую часть канала прохода газа; трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, при этом трубка подачи газа имеет впускную часть, соединенную с СВЧ-резонатором, и трубка подачи газа имеет выпускную часть, включающую в себя диэлектрический материал. Сопло также включает в себя проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Часть проводника в форме стержня размещена в СВЧ-резонаторе и позволяет принимать микроволны, проходящие через него. Сопло микроволнового плазматрона также может включать в себя средство уменьшения потерь микроволновой мощности через трубку подачи газа. Средство уменьшения потерь микроволновой мощности может включать в себя экран, который размещен рядом с частью трубки подачи газа. Экран может быть предоставлен снаружи или внутри трубки подачи газа. Сопло также может быть оснащено заземленным экраном, размещенным рядом с частью трубки подачи газа. Механизм экранирования для уменьшения потерь микроволн через трубку подачи газа также может предоставляться. Механизмом экранирования может быть внутренняя экранирующая трубка, размещенная внутри трубки подачи газа, или заземленный экран, покрывающий часть трубки подачи газа.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения система генерирования плазмы содержит СВЧ-резонатор и сопло, соединенное с СВЧ-резонатором. Сопло включает в себя трубку подачи газа, которая имеет выпускную часть, изготовленную из диэлектрического материала, проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа, заземленный экран, соединенный с СВЧ-резонатором и размещенный на наружной поверхности трубки подачи газа, и держатель, размещенный между проводником в форме стержня и заземленным экраном, для надежного крепления проводника в форме стержня относительно заземленного экрана. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа, и часть, размещенную в СВЧ-резонаторе, для приема микроволн. Заземленный экран уменьшает потери микроволновой мощности через трубку подачи газа и имеет отверстие для приема потока газа.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения раскрыта система генерирования плазмы. Система генерирования плазмы содержит микроволновый генератор для генерирования микроволн; источник питания, соединенный с генератором микроволн, для предоставления ему мощности; СВЧ-резонатор, имеющий стенку, формирующую часть канала прохода газа; волновод, соединенный с СВЧ-резонатором, для передачи в него микроволн; изолятор для рассеяния микроволн, отражаемых от СВЧ-резонатора; трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, при этом трубка подачи газа имеет выпускную часть, включающую в себя диэлектрический материал, а также трубка подачи газа имеет впускную часть, соединенную с СВЧ-резонатором; и проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Часть проводника в форме стержня размещена в СВЧ-резонаторе для приема или сбора микроволн. Вихревая направляющая также может быть размещена между проводником в форме стержня и трубкой подачи газа. Вихревая направляющая имеет, по меньшей мере, один проход, который размещается под углом к продольной оси проводника в форме стержня, для сообщения спиралевидного направления потока вокруг проводника в форме стержня газу, проходящему по проходу.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения раскрыта система генерирования плазмы. Система генерирования плазмы содержит микроволновый генератор для генерирования микроволн; источник питания, соединенный с генератором микроволн, для предоставления ему мощности; СВЧ-резонатор; волновод, соединенный с СВЧ-резонатором, для передачи микроволн в СВЧ-резонатор; изолятор для рассеяния микроволн, отражаемых от СВЧ-резонатора; трубку подачи газа, через которую протекает поток газа, при этом трубка подачи газа имеет выпускную часть, включающую в себя диэлектрический материал; проводник в форме стержня, размещенный в трубке подачи газа; заземленный экран, соединенный с СВЧ-резонатором и сконфигурированный для уменьшения потерь микроволновой мощности через трубку подачи газа; и держатель, размещенный между проводником в форме стержня и заземленным экраном, для надежного крепления проводника в форме стержня относительно заземленного экрана. Проводник в форме стержня имеет наконечник, размещенный рядом с выпускной частью трубки подачи газа. Часть проводника в форме стержня размещена в СВЧ-резонаторе для приема или сбора микроволн. Заземленный экран имеет отверстие для приема потока газа, протекающего через него, и размещен на наружной поверхности трубки подачи газа.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предусмотрен способ генерирования плазмы с помощью микроволн. Способ содержит этапы, на которых предоставляют СВЧ-резонатор; предоставляют трубку подачи газа и проводник в форме стержня, размещенный в осевом направлении трубки подачи газа; размещают первую часть проводника в форме стержня рядом с выпускной частью трубки подачи газа и помещают вторую часть проводника в форме стержня в СВЧ-резонатор; предоставляют газ в трубку подачи газа; передают микроволны в СВЧ-резонатор; принимают передаваемые микроволны с помощью, по меньшей мере, второй части проводника в форме стержня; и генерируют плазму с помощью газа, предоставляемого на этапе предоставления газа в трубку подачи газа, и посредством использования микроволн, принимаемых на этапе приема.
Эти и другие преимущества и признаки изобретения должны стать очевидными специалистам в данной области техники после прочтения подробного описания изобретения, излагаемого ниже.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичное представление системы генерирования плазмы, имеющей СВЧ-резонатор и сопло в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.2 - частичный поперечный разрез СВЧ-резонатора и сопла вдоль линии A-A, показанной на фиг.1.
Фиг.3 - покомпонентное представление трубки подачи газа, проводника в форме стержня и вихревой направляющей, включенной в сопло, изображенное на фиг.2.
Фиг.4A-4C - частичные поперечные разрезы альтернативных вариантов осуществления СВЧ-резонатора и сопла вдоль линии A-A, показанной на фиг.1.
Фиг 5A-5F - поперечные разрезы альтернативных вариантов осуществления трубки подачи газа, проводника в форме стержня и вихревой направляющей, показанной на фиг.2, которые включают в себя дополнительные компоненты, которые повышают эффективность сопла.
Фиг.6A-6D - поперечные разрезы альтернативных вариантов осуществления трубки подачи газа, показанной на фиг.2, которые включают в себя четыре различные геометрические формы выпускной части трубки подачи газа.
Фиг.6E и 6F - вид в перспективе и сверху, соответственно трубки подачи газа, проиллюстрированной на фиг.6D.
Фиг.6G иллюстрирует поперечный разрез другого альтернативного варианта осуществления трубки подачи газа, изображенной на фиг.2.
Фиг.6H и 6I - вид в перспективе и сверху, соответственно трубки подачи газа, проиллюстрированной на фиг.6G.
Фиг.7A-7I - альтернативные варианты осуществления проводника в форме стержня, показанного на фиг.2.
Фиг.8 - схематичное представление системы генерирования плазмы, имеющей СВЧ-резонатор и сопло в соответствии со вторым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Фиг.9 - частичный поперечный разрез СВЧ-резонатора и сопла вдоль линии B-B, показанной на фиг.8.
Фиг.10 - вид в перспективе по частям сопла, изображенного на фиг.9.
Фиг.11A-11E - поперечные разрезы альтернативных вариантов осуществления сопла, показанного на фиг.9, которые включают в себя различные конфигурации трубки подачи газа и проводника в форме стержня в сопле.
Фиг.12 - блок-схема последовательности операций примерного способа генерирования микроволновой плазмы с помощью систем, показанных на фиг.1 и 8, согласно настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показано схематичное представление системы генерирования микроволновой плазмы, имеющей СВЧ-резонатор и сопло, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано, показанная система 10 может включать в себя СВЧ-резонатор 24; блок 11 подачи микроволн для предоставления микроволн в СВЧ-резонатор 24; волновод 13 для передачи микроволн из блока 11 подачи микроволн в СВЧ-резонатор 24; и сопло 26, соединенное с СВЧ-резонатором 24, для приема микроволн из СВЧ-резонатора 24 и генерирования атмосферной плазмы 28 с помощью газа или газовой смеси, принимаемой из газового резервуара 30. Предлагаемая на рынке скользящая цепь 32 короткого замыкания может быть присоединена к СВЧ-резонатору 24 для управления распределением микроволновой энергии в СВЧ-резонаторе 24 посредством регулирования СВЧ-фазы.
Блок 11 подачи микроволн предоставляет микроволны в СВЧ-резонатор 24 и может включать в себя микроволновый генератор 12 для генерирования микроволн; блок питания для предоставления энергии в микроволновый генератор 14; и изолятор 15, имеющий искусственную нагрузку 16 для рассеяния отражаемых микроволн, которые распространяются в направлении к микроволновому генератору 12, и циркулятор 18 для направления отражаемых микроволн к искусственной нагрузке 16.
В альтернативном варианте осуществления блок 11 подачи микроволн дополнительно может включать в себя соединитель 20 для измерения потоков микроволн; и тюнер 22 для снижения микроволн, отражаемых от СВЧ-резонатора 24. Компоненты блока 11 подачи микроволн, показанные на фиг.1, хорошо известны и приводятся в данном документе только в качестве примера. Кроме того, можно заменить блок 11 подачи микроволн на систему, позволяющую предоставлять микроволны в СВЧ-резонатор 24, без отступления от настоящего изобретения. Аналогично, скользящая цепь 32 короткого замыкания может быть заменена фазовращателем, который может быть сконфигурирован в блоке 11 подачи микроволн. Типично, фазовращатель устанавливается между изолятором 15 и соединителем 20.
Фиг.2 - это частичный поперечный разрез СВЧ-резонатора 24 и сопла 26 вдоль линии A-A на фиг.1. Как проиллюстрировано, СВЧ-резонатор 24 включает в себя стенку 41, которая формирует газовый канал 42 для впуска газа из газового резервуара 30; и резонатор 43 для удержания микроволн, передаваемых из микроволнового генератора 12. Сопло 26 включает в себя трубку 40 подачи газа, герметизированную с помощью стенки резонатора или структуры, формирующей газовый канал 42, для приема газа; проводник 34 в форме стержня, имеющий часть 35, размещенную в СВЧ-резонаторе 24, для приема микроволн из СВЧ-резонатора 24; и вихревую направляющую 36, размещенную между проводником 34 в форме стержня и трубкой 40 подачи газа. Вихревая направляющая 36 может быть сконструирована для надежного удержания соответствующих элементов на месте.
По меньшей мере, некоторые детали выпускной части трубки 40 подачи газа могут быть изготовлены из проводящих материалов. Проводящие материалы, используемые в качестве деталей выпускной части трубки подачи газа, выступают в качестве экрана и повышают эффективность плазмы. Деталь выпускной части, использующая проводящий материал, может размещаться, к примеру, на выпускном конце трубки подачи газа.
На фиг.3 показано покомпонентное представление в перспективе сопла 26, показанного на фиг.2. Как показано на фиг.3, проводник 34 в форме стержня и трубка 40 подачи газа могут соприкасаться с внутренним и внешним периметром вихревой направляющей 36 соответственно. Проводник 34 в форме стержня выступает в качестве антенны для сбора микроволн из СВЧ-резонатора 24 и фокусирует собранные микроволны на коническом наконечнике 33 для генерирования плазмы 28 с помощью газа, протекающего через трубку 40 подачи газа. Проводник 34 в форме стержня может быть изготовлен из любого материала, который проводит микроволны. Проводник 34 в форме стержня может изготовляться из меди, алюминия, платины, золота, серебра и других проводящих материалов. Термин "проводник в форме стержня" охватывает проводники, имеющие различные поперечные разрезы, такие как круглый, овальный, эллиптический или продолговатый поперечный разрез или их сочетания. Предпочтительно, чтобы проводник в форме стержня не имел такой поперечный разрез, при котором две его части пересекаются и формируют угол (или острую точку), поскольку микроволны концентрируются в этой области и снижают эффективность устройства.
Трубка 40 подачи газа обеспечивает механическую поддержку всего сопла 26 и может быть изготовлена из любого материала, через который могут проходить микроволны с очень небольшими потерями энергии (практически прозрачного для микроволн). Материалом предпочтительно может быть кварц или другой традиционный диэлектрический материал, но не только он.
Вихревая направляющая 36 имеет, по меньшей мере, один проход или канал 38. Проход 38 (или проходы) сообщает спиралевидное направление вокруг проводника 34 в форме стержня потоку газа, протекающему через трубку, как показано на фиг.2. Тракт 37 вихревого потока газа обеспечивает повышенную длину и стабильность плазмы 28. Он также дает возможность использовать проводники меньшей длины, чем в других случаях для генерирования плазмы. Предпочтительно, вихревая направляющая 36 может быть изготовлена из керамического материала. Вихревая направляющая 36 может быть изготовлена из любого другого непроводящего материала, который может подвергаться воздействию высоких температур. Например, высокотемпературный пластик, который также является прозрачным для микроволн материалом, используется для вихревой направляющей 36.
На фиг.3 каждое сквозное отверстие или проход 38 схематично проиллюстрировано как находящееся под углом к продольной оси проводника в форме стержня и может иметь такую форму, чтобы спиралевидный или вращательный поток сообщался газу, протекающему через проход или проходы. Тем не менее, проход или проходы могут иметь другую геометрическую форму, если тракт потока вызывает закрученный поток вокруг проводника в форме стержня.
Если снова обратиться к фиг.2, на нем стенка 41 СВЧ-резонатора формирует газовый канал для впуска газа из газового резервуара 30. Впускная часть трубки 40 подачи газа соединена с частью стенки 41. Фиг.4A-4C иллюстрируют различные варианты осуществления системы подачи газа, показанной на фиг.2, которая имеет компоненты, аналогичные аналогам на фиг.2.
На фиг.4A показан частичный поперечный разрез альтернативного варианта осуществления структуры СВЧ-резонатора и сопла, показанных на фиг.2. В этом варианте осуществления СВЧ-резонатор 44 имеет стенку 47, формирующую канал 46 подачи газа, соединенный с газовым резервуаром 30. Сопло 48 включает в себя проводник 50 в форме стержня, трубку 54 подачи газа, соединенную со стенкой 46 СВЧ-резонатора, и вихревую направляющую 52. В этом варианте осуществления трубка 54 подачи газа может быть изготовлена из любого материала, который позволяет микроволнам проходить с очень небольшими потерями энергии. Как следствие, газ, протекающий через трубку 54 подачи газа, может быть предварительно нагрет в СВЧ-резонаторе 44 до достижения конического наконечника проводника 50 в форме стержня. В первом альтернативном варианте осуществления верхняя часть 53 трубки 54 подачи газа может быть изготовлена из материала, практически прозрачного для микроволн, такого как диэлектрический материал, тогда как другая часть 55 может быть изготовлена из проводящего материала, при этом выпускная часть выполнена из материала, практически прозрачного для микроволн.
Во втором альтернативном варианте осуществления часть 53 трубки 54 подачи газа может быть изготовлена из диэлектрического материала, а часть 55 может включать в себя две субчасти: субчасть, изготовленную из диэлектрического материала, рядом с выпускной частью трубки 54 подачи газа, и субчасть, изготовленную из проводящего материала. В третьем альтернативном варианте осуществления часть 53 трубки 54 подачи газа может быть изготовлена из диэлектрического материала, а часть 55 может включать в себя две субчасти: субчасть, изготовленную из проводящего материала, рядом с выпускной частью трубки 54 подачи газа, и субчасть, изготовленную из диэлектрического материала. Как и в случае фиг.2, микроволны, принимаемые частью проводника 50 в форме стержня, фокусируются на коническом наконечнике для нагрева газа до плазмы 56.
На фиг.4B показан частичный поперечный разрез СВЧ-резонатора и сопла, показанного на фиг.2. На фиг.4B весь СВЧ-резонатор 58 формирует канал подачи газа, соединенный с газовым резервуаром 30. Сопло 60 включает в себя проводник 62 в форме стержня, трубку 66 подачи газа, соединенную с СВЧ-резонатором 58, и вихревую направляющую 64. Как и в случае фиг.2, микроволны, собираемые частью проводника 62 в форме стержня, фокусируются на коническом наконечнике для нагрева газа до плазмы 68.
На фиг.4C показан частичный поперечный разрез еще одного другого варианта осуществления СВЧ-резонатора и сопла, показанного на фиг.2. На фиг.4C сопло 72 включает в себя проводник 74 в форме стержня, трубку 78 подачи газа, соединенную с газовым резервуаром 30, и вихревую направляющую 76. В этом варианте осуществления в отличие от систем по фиг.4A-4B, СВЧ-резонатор 70 соединен не напрямую с газовым резервуаром 30. Трубка 78 подачи газа может быть изготовлена из материала, который практически прозрачен для микроволн, так чтобы газ мог предварительно нагреваться в СВЧ-резонаторе 70 до достижения конического наконечника проводника 74 в форме стержня. Как и в случае фиг.2, микроволны, собираемые частью проводника 74 в форме стержня, фокусируются на коническом наконечнике для нагрева газа до плазмы 80. В этом варианте осуществления расход газа из резервуара 30 проходит через трубку 78 подачи газа, которая проходит через СВЧ-резонатор. Затем газ протекает через вихревую направляющую 76 и нагревается до температуры плазмы 80 рядом с коническим наконечником.
Как проиллюстрировано на фиг.2, часть 35 проводника 34 в форме наконечника вставляется в резонатор 43 для приема и сбора микроволн. Далее эти микроволны идут вдоль поверхности проводника 34 и фокусируются на коническом наконечнике. Поскольку часть проходящих в трубке 40 подачи газа микроволн может теряться, механизм экранирования может использоваться для повышения эффективности и безопасности сопла, как показано на фиг.5A-5B.
На фиг.5A показан поперечный разрез альтернативного варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 90 включает в себя проводник 92 в форме стержня, трубку 94 подачи газа, вихревую направляющую 96 и внутренний экран 98 для уменьшения потерь микроволновой мощности через трубку 94 подачи газа. Внутренний экран 98 может иметь трубчатую форму и может размещаться в углублении, сформированном вдоль внешнего периметра вихревой направляющей 96. Внутренний экран 98 предоставляет дополнительный контроль спиралевидного направления потока вокруг проводника 92 в форме стержня и повышает стабильность плазмы за счет изменения промежутка между трубкой 94 подачи газа и проводником 92 в форме стержня.
На фиг.5B показан поперечный разрез другого варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 100 включает в себя проводник 102 в форме стержня, трубку 104 подачи газа, вихревую направляющую 106 и заземленный экран 108 для уменьшения потерь микроволновой мощности через трубку 104 подачи газа. Заземленный экран 108 может охватывать часть трубки 104 подачи газа и изготовляется из металла, такого как медь. Как и внутренний экран 98, заземленный экран 108 может предоставлять дополнительный контроль спиралевидного направления потока вокруг проводника 102 в форме стержня и может повышать стабильность плазмы за счет изменения промежутка между трубкой 104 подачи газа и проводником 102 в форме стержня.
Основной механизм нагрева, применяемый к соплам, показанным на фиг.2 и 4A-4C, - это микроволны, которые фокусируются и выпускаются на наконечник проводника в форме стержня, при этом сопла могут генерировать не-LTE плазму для стерилизации. Температура ионов и нейтральных компонентов не-LTE плазмы может быть менее 100°C, тогда как температура электронов может достигать нескольких десятков тысяч градусов по Цельсию. Для увеличения температуры электронов и повышения эффективности сопел, сопла могут включать в себя дополнительные механизмы, которые предоставляют электронное возбуждение газа, когда газ находится в трубке подачи газа, как проиллюстрировано на фиг.5C-5F.
На фиг.5C показан частичный поперечный разрез еще одного варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 110 включает в себя проводник 112 в форме стержня, трубку 114 подачи газа, вихревую направляющую 116 и пару внешних магнитов 118 для электронного возбуждения газа, протекающего в трубке 114 подачи газа. Каждый из пары внешних магнитов 118 может иметь форму цилиндра, имеющего, к примеру, полукруглый поперечный разрез, размещающийся вокруг внешней поверхности трубки 114 подачи газа.
На фиг.5D показан частичный поперечный разрез дополнительного другого варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 120 включает в себя проводник 122 в форме стержня, трубку 124 подачи газа, вихревую направляющую 126 и пару внутренних магнитов 128, которые крепятся посредством вихревой направляющей 126 в трубке 124 подачи газа для электронного возбуждения газа, протекающего в трубке 124 подачи газа. Каждый из пары внутренних магнитов 128 может иметь форму цилиндра, имеющего, к примеру, полукруглый поперечный разрез.
На фиг.5E показан частичный поперечный разрез дополнительного другого варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 130 включает в себя проводник 132 в форме стержня, трубку 134 подачи газа, вихревую направляющую 136, пару внешних магнитов 138 и внутренний экран 140. Каждый из внешних магнитов 118 может иметь форму цилиндра, имеющего, к примеру, полукруглый поперечный разрез. В альтернативном варианте осуществления внутренний экран 140, в общем, может иметь трубчатую форму.
На фиг.5F показан поперечный разрез другого варианта осуществления сопла, показанного на фиг.2. Как проиллюстрировано, сопло 142 включает в себя проводник 144 в форме стержня, трубку 146 подачи газа, вихревую направляющую 148, анод 150 и катод 152. Анод 150 и катод 152 соединены с источником электроэнергии (не показан для простоты). Эта компоновка позволяет аноду 150 и катоду 152 предоставлять электронное возбуждение газа, протекающего в трубке 146 подачи газа. Анод и катод генерируют электромагнитное поле, которое заряжает газ по мере того, как он проходит через магнитное поле. Это позволяет плазме иметь более высокий энергетический потенциал и повышает средний срок службы плазмы.
На фиг.5A-5F показаны поперечные разрезы различных вариантов осуществления сопла, показанного на фиг.2. Следует понимать, что различные альтернативные варианты осуществления, показанные на фиг.5A-5F, также могут использоваться вместо сопел, показанных на фиг.4A-4C.
Если снова обратиться к фиг.2-3, на нем трубка 40 подачи газа проиллюстрирована как прямая трубка. Тем не менее, поперечный разрез трубки 40 подачи газа может изменяться на ее протяженности для спиралевидного направления потока 37 к наконечнику 33, как показано на фиг.6A-6B. Например, на фиг.6A показано частичное поперечное сечение альтернативного варианта осуществления сопла 26 (фиг.2). Как проиллюстрировано, сопло 160 может иметь проводник 166 в форме стержня и трубку 162 подачи газа, включающую в себя прямую секцию 163 и секцию 164 в форме усеченного конуса. На фиг.6B показан поперечный разрез другого альтернативного варианта осуществления сопла 26, в котором трубка 170 подачи газа имеет прямую секцию 173 и криволинейную секцию, как, например, колоколообразную секцию 172.
На фиг.6C показан поперечный разрез еще одного альтернативного варианта осуществления сопла 26 (фиг.2). Как проиллюстрировано, сопло 176 может иметь проводник 182 в форме стержня и трубку 178 подачи газа, причем трубка 178 подачи газа имеет прямую часть 180 и вытянутую направляющую часть 181 для удлинения факела плазмы и повышения стабильности факела. На фиг.6D показан поперечный разрез еще одного альтернативного варианта осуществления сопла 26. Как проиллюстрировано, сопло 184 может иметь проводник 188 в форме стержня и трубку 186 подачи газа, причем трубка 186 подачи газа имеет прямую часть 187 и часть 183 модификации факела для изменения геометрии факела плазмы.
На фиг.6E и 6F показан вид в перспективе и сверху, соответственно трубки 186 подачи газа, проиллюстрированной на фиг.6D. Впускное отверстие 192 трубки 186 подачи газа может иметь, в общем, круглую форму, тогда как выпускное отверстие 190 может иметь, в общем, форму узкой прорези. Часть 183 модификации факела может изменять поперечную геометрию факела плазмы из, в общем случае, окружности на коническом наконечнике до, в общем, узкой полоски у выпускного отверстия 190.
На фиг.6G показан поперечный разрез дополнительного альтернативного варианта осуществления сопла 26. Как проиллюстрировано, сопло 193 может иметь проводник 194 в форме стержня и трубку 195 подачи газа, причем трубка 195 подачи газа имеет прямую часть 196 и часть 197 расширения факела для увеличения диаметра факела плазмы.
На фиг.6H и 6I показан вид в перспективе и сверху, соответственно трубки 195 подачи газа, проиллюстрированной на фиг.6G. Часть 197 расширения факела, в общем, может иметь колоколообразную форму, при этом выпускное отверстие части 197 расширения факела имеет больший диаметр, чем впускное отверстие 198. По мере того, как плазма проходит от наконечника проводника в форме стержня к выпускному отверстию 199, диаметр факела плазмы может увеличиваться.
Как проиллюстрировано на фиг.2, микроволны принимаются посредством собирающей части 35 проводника 34 в форме стержня, идущей в СВЧ-резонатор 24. Эти микроволны идут вниз по проводнику в форме стержня в направлении конического наконечника 33. Более конкретно, микроволны принимаются и идут вдоль поверхности проводника 34 в форме стержня. Глубина оболочки, отвечающей за проникновение и перемещение микроволн, является функцией от частоты микроволн и материала проводника. Расстояние проникновения микроволн может быть меньше миллиметра. Таким образом, проводник 200 в форме стержня по фиг.7A, имеющий полую часть 201, является альтернативным вариантом осуществления проводника в форме стержня.
Хорошо известно, что некоторые драгоценные металлы являются хорошими проводниками микроволн. Таким образом, чтобы снизить цену устройства без риска потери производительности проводника в форме стержня, слой оболочки проводника в форме стержня может быть изготовлен из драгоценных металлов, которые являются хорошими проводниками микроволн, тогда как более дешевые проводящие материалы могут быть использованы для внутренней части сердечника. На фиг.7B показан поперечный разрез другого альтернативного варианта осуществления проводника в форме стержня, в котором проводник 202 в форме стержня включает в себя слой 206 оболочки, изготовленный из драгоценного металла, и слой 204 сердечника, изготовленный из более дешевого проводящего материала.
На фиг.7C показан поперечный разрез еще одного альтернативного варианта осуществления проводника в форме стержня, в котором проводник 208 в форме стержня включает в себя конический наконечник 210. Также могут использоваться другие варианты поперечных разрезов. Например, конический наконечник 210 может разъедаться плазмой быстрее, чем другая часть стержневого проводника 208, и таким образом, может требоваться его периодическая замена.
На фиг.7D показано поперечное сечение другого альтернативного варианта осуществления проводника в форме стержня, в котором проводник 212 в форме стержня имеет тупоносый наконечник 214 вместо заостренного наконечника для повышения своего срока службы.
На фиг.7E показано поперечное сечение другого альтернативного варианта осуществления проводника в форме стержня, в котором проводник 216 в форме стержня имеет коническую секцию 218, прикрепленную к цилиндрической части 220 посредством надлежащего механизма 222 крепления (в этом случае коническая секция 218 может привинчиваться к цилиндрической части 220 с помощью головки 222 болта) для его простой и удобной замены.
Фиг.7F-7I иллюстрируют поперечные разрезы дополнительных альтернативных вариантов осуществления проводника в форме стержня. Как проиллюстрировано, проводники 221, 224, 228 и 234 в форме стержня аналогичны своим аналогам 34 (фиг.2), 200 (фиг.7A), 202 (фиг.7B) и 216 (фиг.7E), соответственно, при этом различие заключается в том, что они имеют тупоносые наконечники для снижения интенсивности эрозии под воздействием плазмы.
На фиг.8 показано схематичное представление системы генерирования микроволновой плазмы, имеющей СВЧ-резонатор и сопло, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Как проиллюстрировано, система может включать в себя СВЧ-резонатор 324; блок 311 подачи микроволн для предоставления микроволн в СВЧ-резонатор 324; волновод 313 для передачи микроволн из блока 311 подачи микроволн в СВЧ-резонатор 324; и сопло 326, соединенное с СВЧ-резонатором 324, для приема микроволн из СВЧ-резонатора 324 и генерирования атмосферной плазмы 328 с помощью газа или газовой смеси, принимаемой из газового резервуара 330. Система 310 может быть аналогична системе 10 (фиг.1) с различием в том, что сопло 326 может принимать газ непосредственно из газового резервуара 330 посредством газовой линии или трубы 343.
Фиг.9 иллюстрирует частичный поперечный разрез СВЧ-резонатора 324 и сопла 326 вдоль линии B-B, показанной на фиг.8. Как проиллюстрировано, сопло 500 может включать в себя трубку 508 подачи газа; заземленный экран 510 для уменьшения потерь микроволн через трубку 508 подачи газа, герметизированную с помощью стенки 342 резонатора, при этом трубка 508 подачи газа плотно входит в заземленный экран 510; проводник 502 в форме стержня, имеющий часть 504, размещенную в СВЧ-резонаторе 324, для приема микроволн из СВЧ-резонатора 324; держатель 506, размещенный между проводником 502 в форме стержня и заземленным экраном 510 и сконфигурированный для надежного крепления проводника 502 в форме стержня относительно заземленного экрана 510; и механизм 512 подачи газа для подсоединения газовой линии или трубки 343 к заземленному экрану 510. Держатель 506, заземленный экран 510, проводник 502 в форме стержня и трубка 508 подачи газа могут быть изготовлены из тех же материалов, что и вихревая направляющая 36 (фиг.2), заземленный экран 108 (фиг.5B), проводник 34 в форме стержня (фиг.3) и трубка 40 подачи газа (фиг.3) соответственно. Например, заземленный экран 510 может быть изготовлен из металла, предпочтительно меди. Трубка 508 подачи газа может быть изготовлена из традиционного диэлектрического материала, предпочтительно кварца.
Как проиллюстрировано на фиг.9, сопло 500 может принимать газ посредством механизма 512 подачи газа. Механизм 512 подачи газа может соединять газовую линию 343 с заземленным экраном 510 и быть, к примеру, кнопочным пневмосоединением (модель номер KQ2H05-32), изготовленным корпорацией SMC Corporation of America, Indianapolis, IN. Один конец механизма 512 подачи газа может иметь болт с резьбой, который соединяется с внутренней резьбой, сформированной на краю перфорации или отверстия 514 в заземленном экране 510 (как проиллюстрировано на фиг.10). Следует отметить, что настоящее изобретение на практике может использоваться с другим надлежащим устройством, которое может подсоединять газовую линию 343 к заземленному экрану 510.
На фиг.10 показан вид в перспективе по частям сопла, изображенного на фиг.9. Как проиллюстрировано, проводник 502 в форме стержня и заземленный экран 510 могут зацепляться с внутренним и внешним периметром держателя 506 соответственно. Проводник 502 в форме стержня может иметь форму 504, которая выступает в качестве антенны для сбора микроволн из СВЧ-резонатора 324. Собранные микроволны могут идти вдоль проводника 502 в форме стержня и генерировать плазму 505 с помощью газа, протекающего через трубку 508 подачи газа. Как и в случае проводника 34 в форме стержня (фиг.3), термин "проводник в форме стержня" охватывает проводники, имеющие различные поперечные разрезы, такие как круглый, овальный, эллиптический или продолговатый поперечный разрез или их сочетания.
Следует отметить, что проводник 502 в форме стержня может быть одним из вариантов осуществления, проиллюстрированных на фиг.7A-7I. Например, фиг.11A иллюстрирует альтернативный вариант осуществления сопла 520, имеющего такой же проводник 524 в форме стержня, что и проводник 221 в форме стержня, проиллюстрированный на фиг.7F.
На фиг.11B показан поперечный разрез альтернативного варианта осуществления сопла, показанного на фиг.9. Как проиллюстрировано, сопло 534 может включать в себя проводник 536 в форме стержня, заземленный экран 538, трубку 540 подачи газа, внешняя поверхность которой плотно входит во внутреннюю поверхность заземленного экрана 538, держатель 542 и механизм 544 подачи газа. Трубка 540 подачи газа может иметь отверстие в стенке для формирования газового прохода и заходить в углубление, сформированное вдоль внешнего периметра держателя 542.
Трубка 508 подачи газа (фиг.10) может иметь альтернативные варианты осуществления, аналогичные проиллюстрированным на фиг.6A-6I. Например, на фиг.11C-11E показаны поперечные разрезы альтернативных вариантов осуществления сопла 500, имеющего часть 552 модификации факела, вытянутую направляющую часть 564 и часть 580 расширения факела соответственно.
На фиг.12 показана блок-схема 600 последовательности операций примерного способа, который может использоваться в качестве подхода к генерированию микроволновой плазмы с помощью систем, проиллюстрированных на фиг.1 и 8. На этапе 602 предоставляются СВЧ-резонатор и сопло, имеющее трубку подачи газа и проводник в форме стержня, при этом проводник в форме стержня размещается в осевом направлении трубки подачи газа. Затем на этапе 604 часть проводника в форме стержня конфигурируется в СВЧ-резонатор. Кроме того, наконечник проводника в форме стержня размещается рядом с выпускным отверстием потока газа. Далее, на этапе 606 газ впускается в трубку подачи газа, а на этапе 608 микроволны передаются в СВЧ-резонатор. После этого передаваемые микроволны принимаются посредством сконфигурированной части проводника в форме стержня на этапе 610. Следовательно, собранные микроволны фокусируются на наконечнике проводника в форме стержня для нагрева газа до плазмы на этапе 612.
Хотя настоящее изобретение описано со ссылкой на его конкретные варианты осуществления, следует понимать, что вышеприведенное описание относится к предпочтительным вариантам осуществления изобретения, и модификации могут выполняться без отступления от духа и области применения изобретения, задаваемой прилагаемой формулой изобретения.