[发明专利]含有特别调谐射频电磁场发生器的等离子切割物质的装置

说明书

发明领域

本发明涉及一种利用和谐等离子云来切割物质的等离子发生装置，更具体地说是涉及一种利用由一射频信号发生器系统所发射的电磁波来激励和维持的和谐等离子云来切割物质的装置。所述系统与本发明中所述装置所激励、维持和控制的且在切割过程中包围在受激励的发射切割探头周围的和谐等离子云相阻抗匹配、频率匹配和输出功率匹配。

发明的背景技术

例如金属刀片、蓝宝石刀片、或钻石刀片等坚硬的物理刀片是最常用的切割器械。这些切割都是基于硬质的尖锐利刃与要切的物质表面之间的磨擦性的物理作用来进行的。这种试图利用将一种坚硬的物质切入另一坚硬物质中的纯粹的物理方法，特别当被切割的物质是例如生物组织、木制品或甚至是金属之类的固体致密物质时会遇到很大的磨擦阻力，所以这种方法是很没有效率的。正是因为此，人们已经借助于例如电子切割、电切割或电外科手术器械来进行切割。当利用所述的电切割器械切割物质，由于存在例如介质滞后和涡流等现象，被切割物质内的电阻就会产生热效应，所以所述电切割方法中不可控的等离子弧就会引起物质的燃烧或挥发。这两种现象会引发一种可切割物质的物理反应的透热效应。所述电切割方法的使用受到了一定的限制，这是由于其具有以下缺点：对切割路径之外的物质会造成伤害，还会由于所发生的燃烧和炭化作用而常常发出令人不愉快的气味。典型的电切割器械的低效率性表现在在其切割端部产生切割效应需要通常大于50瓦特的高功率。典型电切割或电外科手术器械所需的相对高的输出功率是由于它们的基于典型的电阻透热法和不稳定、不可控、腐蚀性的不和谐等离子弧的结合而工作的切割效率低。

也利用激光来进行切割，但激光器械比较昂贵且需要大量的输入能量来产生具有足够切割能力的激光束。激光已用于产生等离子，也用于例如微电子学领域中的蚀刻等过程中。

在例如焊弧、火花弧、闪电放电弧、氖灯、荧光灯及电外科手术弧等许多领域都可发现等离子弧。不可控的电弧作用本质上是一种形式的不和谐等离子流，等离子中不可控的离子化原子颗粒所形成的紊乱流是由等离子中的原子颗粒混沌程度大造成的。等离子弧中的原子颗粒的紊乱度代表着一种形式的原子颗粒的混沌状态，原子颗粒混沌度的不可控性造成了大量的能量溢出到了切口路径之外的物质中，从而会产生过量的热。当典型的电切割或电外科手术器械产生了不需要的弧光时就会生成大量的热。溢出到切口路径周围的物质中的能量会造成能量泄露，还会对周围物质造成伤害。仅仅降低切割端功率本身由于不会大大减小包括等离子弧的离子化原子颗粒流的紊乱程度，所以也不会显著降低等离子原子颗粒混沌度水平。而在本发明中利用了一系列的物理化学原理来使典型不和谐等离子弧中的原子颗粒的混沌度最小化，还能控制所产生的等离子的物理特性。本发明中还通过减小等离子云中的原子颗粒的紊乱度来使不和谐等离子弧最小化，由此大大降低等离子云原子颗粒的混沌度同时生成和谐的等离子云。和谐等离子可以一种更可控、更有效和更安全的方式来进行切割，这是由于和谐等离子云中的原子颗粒以比不和谐等离子中的原子颗粒更有序和紊乱度更低的一种更稳定、更平衡、更可控的状态存在着。而且还可通过利用物理学中的收聚效应来对本发明中所述的和谐等离子云进行压缩、控制、和整形。还利用在例如核物理等领域采用的为物理学家所公知的磁瓶现象来捕集和容纳本发明中所述的经压缩的等离子云。与典型的电切割或电外科手术器械不同，本发明中所述装置是利用和谐的可控等离子云而不是利用典型的电阻透热法来进行切割的。

发明目的及其优点

本发明包含如下几个发明目及优点：

(a)提供一种利用不昂贵的电子射频信号发生器、放大器、阻抗匹配及输出调节网络、和发射探头来产生、放大、调节和发射电磁波的切割装置。

(b)利用一个实心、非中空的导电射频发射探头来产生、维持和控制等离子。但在设计中发射探头也可以是完全中空或部分中空的。

(c)利用一种需要相对于目前使用中的其他电切割方法更低的系统输入能量的电子电磁场发生器系统来产生等离子切割刀片，所述系统的平均输入功率甚至可以低至2瓦特。同时所述系统所需的系统输出能量也比目前使用中的其他电切割方法所需的输出能量低，所述系统的平均输出功率甚至可低至1瓦特。

(d)无需采用如等离子腔中等离子吹焰器和刻蚀系统的等离子发生装置中所采用的将一种可离子化的气体注入切割区域中方法就可形成切割等离子云。