[发明专利]用于产生均匀可调的微波等离子体的等离子体喷嘴阵列

说明书

相关申请的交叉参考

本申请涉及2005年7月21日同时提交的、名称为“SYSTEM ANDMETHOD FOR CONTROLLING A POWER DISTRIBUTION WITHIN AMICROWAVE CAVITY”的PCT申请，因此，将该PCT申请的全文并入本申请中作为参考。

技术领域

本发明涉及等离子体发生系统，具体涉及具有等离子体喷嘴阵列的微波等离子体系统。

背景技术

近些年来，在产生等离子体方面的方法不断取得进展。通常，等离子体由带正电离子、中性物质和电子构成。一般来说，可以将等离子体再划分成两类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡意味着包括带正电离子、中性物质和电子的所有物质的温度都是相同的。

也可将等离子体分为局部热平衡(LTE)等离子体和非LTE等离子体，这种划分通常与等离子体的压力有关。术语“局部热平衡(LTE)”是指这样一种热力学状态，其中所有等离子体物质(plasma species)的温度在等离子体的局部区域中是相同的。

高的等离子体压力在等离子体中引发单位时间间隔内的大量碰撞，从而导致在包括等离子体的物质之间的充分能量交换，这也就导致等离子体物质的温度相同。另一方面，低的等离子体压力可能由于在等离子体物质之间的不充分碰撞而导致等离子体物质的一个或多个温度。

在非LTE等离子体或仅仅在非热平衡等离子体中，所述离子和中性物质的温度通常小于100℃，而电子的温度可能最高达几万摄氏度。因此，非LTE等离子体可以在不消耗大量能量的情况下作为用于强应用还有弱应用的高反应性工具。这种“热冷性(hot coolness)”对于各种应用而言允许多种加工可能性和经济机会。强应用包括金属沉积系统和等离子体切割器，弱应用包括等离子体表面清洁系统和等离子体显示器。

这些应用中的一种应用为等离子体消毒，其利用等离子体来毁灭包括高抵抗性细菌内生孢子的微生物生命。消毒是确保最终使用的医疗和牙科装置、材料以及织物的安全性的关键步骤。在医院和工业中使用的现有消毒方法包括高压灭菌、环氧乙烷气体(EtO)、干燥加热以及用伽马射线或电子束照射。这些技术存在许多必须应对和克服的缺点，这些缺点包括热敏感性和受热损坏、形成有毒副产品、高操作成本以及整个循环期间内的低效率。因此，卫生保健部门和工业上一直需要这样一种消毒技术，该消毒技术能够在室温附近并且以更短的时间起作用，同时不会对包括各种热敏电子元件和设备的大多数医疗材料造成结构损坏。

就材料处理而言，用于消毒的大气压等离子体为使用者带来了许多明显的优点。其紧凑的组装使得易于成形，其无需使用昂贵的真空腔室和泵运系统，其无需附加的设施就能安装在各种环境中，并且，其操作成本和维护要求最低。实际上，大气压等离子体消毒的基本重要性在于，其具有以简便使用的方式并以更快的周转周期对热敏物体进行消毒的能力。大气压等离子体消毒可通过包括原子氧、羟基基团的反应性中性物质和产生等离子体的紫外线的直接效应来实现，所有这些均能攻击细菌细胞膜并且对它造成破坏。因此，就有了将能够产生大气压等离子体的装置作为有效且低成本的消毒源的需求。

如其它的等离子体发生系统一样，影响大气压等离子体消毒系统的效率的一个关键性因素在于由该系统产生的等离子体的可调性(scalability)。目前存在几种在全世界的工业和教育机构中广泛使用的、基于微波喷嘴的大气压等离子体系统。这些设计中的大部分均是基于单一喷嘴作出的，而且它们缺乏医疗装置应用方面的消毒所需的大容积可调性。另外，这些等离子体系统会产生不适于消毒应用的高温等离子体。

一种用于提供均匀等离子体的解决方案使用了与微波空腔结合的喷嘴阵列。这种系统的一个挑战性问题为：必须控制微波空腔内的微波分布，以使微波能量(或者等同地说是微波)分布在该空腔内的静止不动的预期区域(下面，将其称为“高能量域”)中。在这类系统中，等离子体均匀性和可调性可通过使喷嘴与被控制的高能部位相结合而获得，该结合也能够提高所述系统的工作效率。