[发明专利]用于脉冲等离子体生成的阴极组件和方法

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体生成装置的阴极组件以及生成等离子体的方法，更 具体地涉及脉冲等离子体。

背景技术

生成具有脉冲以及较短持续时间的关断时段的脉冲等离子体给出了一组 独特的挑战。目前已知的等离子体生成装置存在若干局限，这些局限使得将 这些装置用于生成脉冲等离子体不现实。

通常，等离子体生成装置包括阴极和阳极。典型地为惰性气体的等离子 体生成气体在阴极和阳极之间纵向延伸且穿过阳极的通道中流动。当等离子 体生成气体穿过等离子体通道时，该气体被加热并由在阴极和阳极之间建立 的电弧转换为等离子体。等离子体通道的各个部分可以由一个或更多个中间 电极形成。

在三个阶段中进行等离子体的生成。当在阴极和阳极之间建立电火花时 出现第一阶段，称为火花放电。当作为在电火花中的负电性电子的运动的结 果而形成的正电性离子撞击阴极时出现第二阶段，称为辉光放电。当阴极的 一部分被离子撞击足够地加热而开始发射足够数量的电子来维持阴极和阳极 之间用于加热等离子体生成气体的电流时，出现第三阶段，称为电弧放电。 电弧加热了形成等离子体的等离子体生成气体。每次生成高温等离子体时， 等离子体生成气体都必须经过所有的三个阶段。

在现有技术的装置中，在启动时，流经阴极和阳极之间的电流便升至想 要的操作水平。然而，在火花放电阶段和辉光放电阶段，不能持续电流方面 的这种快速提升。只有当达到电弧放电并且阴极开始热离子发射具有足以支 持这样的电流的速率的电子时，施加的操作水平电流才开始流过阴极和阳极 之间。在阴极开始热离子发射具有足够高的速率的电流来维持高操作水平的 电流之前试图让这样的电流通过阴极将会对阴极施加压力，而这使得该阴极 最终在相对较少次数的启动之后被损坏。

生成脉冲等离子体要求快速和连续地频繁启动等离子体生成装置。例如， 在皮肤治疗中，使用脉冲等离子体进行单次治疗可能需要数以千计个脉冲， 从而需要进行数以千计次的启动。现有技术的启动等离子体生成装置的方法 不适于生成脉冲等离子体，因为在这个过程中阴极有可能被损坏。

目前，两类装置可用于生成离子化气体的脉冲。美国专利No.6,629,974 中公开的装置是第一类型的例子。在这类装置中，通过使例如氮的等离子体 生成气体流经交变电场来生成电晕放电。交变电场产生气体中自由电子的快 速移动。该快速移动的电子从气体原子中撞击出其他电子，从而形成了已知 的电子雪崩，而这又产生了电晕放电。通过在脉冲中施加电场，产生了脉冲 电晕放电。用于产生脉冲电晕放电的该方法的优点是：(1)在流中不存在杂质， 以及(2)实现真实脉冲流的较短的启动时间。为了本公开的目的，真实脉冲流 是指在脉冲的关断时段内完全停止的流。

该第一类型的装置和方法的缺点在于产生的电晕放电具有大约2000℃的 固定最大温度。在该装置中形成的该电晕放电绝不会变成高温等离子体，因 为其没有被电弧加热。因此，产生脉冲电晕放电的装置不能被用于需要高于 2000℃的温度的一些应用。因此，该第一类型的装置的应用受到了放电过程 的特性的限制，该放电过程能够产生电晕放电，但非高温等离子体。