專利名稱：等離子體輔助氣體產(chǎn)生的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及等離子體輔助氣體產(chǎn)生包括氫氣產(chǎn)生的方法和裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，等離子體可以用來產(chǎn)生氣體。然而，這些方法受到包括激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體和氣體產(chǎn)生的速率所需條件的多個(gè)因素的限制。此外，某些傳統(tǒng)方法和裝置采用真空裝置激發(fā)等離子體，然而使用這些裝置會(huì)限制氣體產(chǎn)生的靈活性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種等離子體輔助氣體產(chǎn)生的方法。該方法包括(1)使氣體流入主腔，其中所述氣體包括至少第一種類；(1)使所述氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，從而在所述腔中形成等離子體，其中所述腔與至少一個(gè)過濾器流體連通；(1)通過所述過濾器提取所述第一種類；以及(1)收集所述第一種類。
本發(fā)明還提供一種等離子體輔助氣體產(chǎn)生的裝置。該裝置包括(1)腔，設(shè)置成通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射在所述腔中形成等離子體；(2)至少一個(gè)過濾器，與所述腔相關(guān)，具有等離子體面對(duì)側(cè)和等離子體背對(duì)側(cè)，其中所述過濾器設(shè)置成有選擇地使存在于所述等離子體中的第一種類通過所述過濾器，而基本上阻止任何其它種類通過所述過濾器；(3)氣體源，與所述腔相連，提供所述氣體給所述腔；(4)輻射源，與所述腔相連，提供所述輻射給所述腔；以及(5)收集裝置，與所述過濾器的所述等離子體背對(duì)側(cè)相連。
本發(fā)明還提供了用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的等離子體催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可以是惰性的或活性的。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(chǎng)(例如電磁場(chǎng))變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需施加附加的能量?；钚缘入x子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態(tài)原子或分子失去至少一個(gè)電子的任何粒子或高能波包。在惰性和活性這兩種情況下，等離子體催化劑可以改善或放寬激發(fā)涂覆等離子體所需的環(huán)境條件。
本發(fā)明還提供了用于產(chǎn)生氣體的用于激發(fā)、調(diào)節(jié)和維持等離子體的其它等離子體催化劑、方法和裝置。


本發(fā)明的其它特征將通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述變得明顯，其中相同的標(biāo)號(hào)表示相同的部件，其中圖1表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體輔助氣體產(chǎn)生系統(tǒng)的示意圖；圖1A表示根據(jù)本發(fā)明的部分等離子體輔助氣體產(chǎn)生系統(tǒng)的實(shí)施例，該系統(tǒng)通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持腔中的等離子體；圖2表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長(zhǎng)度方向具有濃度梯度；圖3表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長(zhǎng)度按比率變化；圖4表示根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)等離子體催化劑纖維，該纖維包括內(nèi)層核芯和涂層；
圖5表示根據(jù)本發(fā)明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據(jù)本發(fā)明的等離子體系統(tǒng)的另一個(gè)部分的實(shí)施例，該等離子體系統(tǒng)包括延伸通過激發(fā)口的伸長(zhǎng)型等離子體催化劑；圖7表示根據(jù)本發(fā)明在圖6的系統(tǒng)中使用的伸長(zhǎng)型等離子體催化劑的
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明涉及等離子體輔助氣體產(chǎn)生的方法和裝置，它可以降低能量消耗并可以增加氣體產(chǎn)生的效率和靈活性。
在此引入下列共同擁有并同時(shí)申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容作為參考美國專利申請(qǐng)No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0012)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0016)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0017)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體系統(tǒng)的說明圖1表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面的等離子體系統(tǒng)10。在該實(shí)施例中，在位于輻射腔(即輻射器(applicator))14內(nèi)部的容器中形成腔12。在另一個(gè)實(shí)施例中(未示出)，容器12和輻射腔14是同一個(gè)，從而不需要兩個(gè)獨(dú)立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個(gè)或多個(gè)輻射透射阻擋層，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽輻射。如下面更充分所述，系統(tǒng)10可以用于產(chǎn)生根據(jù)本發(fā)明的氣體。
在一個(gè)實(shí)施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內(nèi)形成。由于根據(jù)本發(fā)明的等離子體可以達(dá)到非常高的溫度，因此可以使用能工作于約3000華氏度的陶瓷。陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New CastleRefractories公司出售。然而本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知，根據(jù)本發(fā)明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述不同的材料。
在一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內(nèi)并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個(gè)與腔連通的孔一個(gè)用來觀察等離子體，并且至少一個(gè)用來供給氣體。腔的尺寸取決于想要進(jìn)行的等離子體過程。此外，腔至少應(yīng)該設(shè)置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區(qū)(例如，過濾器的表面)。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個(gè)或多個(gè)氣體源24(例如氬氣、氮?dú)?、氙氣、氪氣、烴類或其它含氫氣體)相連，由電源28提供能量。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產(chǎn)生的任何不需要的氣體。
一個(gè)輻射泄漏探測(cè)器(未示出)安裝在源26和波導(dǎo)管30附近，并與安全聯(lián)鎖系統(tǒng)相連，如果檢測(cè)到泄漏量超過預(yù)定安全值時(shí)，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規(guī)定的值，就自動(dòng)關(guān)閉幅射電源(例如微波)。
由電源28提供能量的輻射源26通過一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)管30將輻射引入腔14。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該理解輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導(dǎo)管30。進(jìn)入腔12的輻射可以用來激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。通過將附加的輻射與催化劑相結(jié)合可以充分維持該等離子體并將其限制在腔內(nèi)。
通過循環(huán)器32和調(diào)諧器34(例如，3通短線(3-stub)調(diào)諧器)提供輻射。調(diào)諧器34用來使作為改變激發(fā)或處理?xiàng)l件的函數(shù)的反射能減至最少，特別是在等離子體形成之前，因?yàn)槲⒉芾鐚⒈坏入x子體強(qiáng)烈吸收。
如下面更詳細(xì)的說明，如果腔14支持多模，尤其當(dāng)這些?？沙掷m(xù)或周期性地混合時(shí)，腔14內(nèi)的輻射透射腔12的位置并不重要。如下祥述，馬達(dá)36可以與模混合器38相連，使時(shí)間平均的輻射能量分布在腔14內(nèi)大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設(shè)置在鄰近腔12的腔14的一個(gè)壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學(xué)高溫計(jì))來觀察腔12內(nèi)的處理。在一個(gè)實(shí)施例中，光學(xué)高溫計(jì)可以隨溫度的升高從零伏增加到某一個(gè)追蹤范圍內(nèi)。
傳感器42能夠產(chǎn)生作為腔12中相關(guān)工件(未示出)的溫度或者任意其它可監(jiān)測(cè)的條件的函數(shù)的輸出信號(hào)，并將該信號(hào)供給控制器44。也可采用雙重溫度感應(yīng)和加熱，以及自動(dòng)冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運(yùn)行，其具有一個(gè)與源26相連的輸出端和另一個(gè)與控制氣流進(jìn)入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，例如可以采用由通訊和能源工業(yè)(CPI)提供的2.45GHz微波源來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。2.45GHz系統(tǒng)持續(xù)提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變微波能。3通短線調(diào)諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測(cè)量入射和反射能量的雙向連接器(未示出)。還采用了光學(xué)高溫計(jì)來遙感樣品溫度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發(fā)。此外，根據(jù)本發(fā)明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數(shù)情況下，用于這些相對(duì)高頻的氣體壓力不需要為了激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠?qū)崿F(xiàn)多種等離子體輔助氣體產(chǎn)生方法。
該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計(jì)算機(jī)控制，它能提供實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)和微波能量控制。通過利用適當(dāng)數(shù)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計(jì)算效率，在緩沖區(qū)陣列中儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目用移位寄存器和緩存區(qū)大小調(diào)整來限制。高溫計(jì)測(cè)量大約1cm2的敏感區(qū)域溫度，用于計(jì)算平均溫度。高溫計(jì)用于探測(cè)兩個(gè)波長(zhǎng)的輻射強(qiáng)度，并利用普朗克定律擬合這些強(qiáng)度值以測(cè)定溫度。然而，應(yīng)知道也存在并可使用符合本發(fā)明的用于監(jiān)測(cè)和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時(shí)提出申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據(jù)本發(fā)明可以使用的控制軟件，在此引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。
腔14具有幾個(gè)具有輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個(gè)用于插入高溫計(jì)的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個(gè)與真空泵和氣體源相連的口。
系統(tǒng)10還包括一個(gè)帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的封閉循環(huán)去離子水冷卻系統(tǒng)(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環(huán)器(用于保護(hù)磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻輻射腔。
等離子體催化劑根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質(zhì)并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質(zhì)中激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持涂覆等離子體。
根據(jù)本發(fā)明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內(nèi)氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據(jù)本發(fā)明的局部電場(chǎng)(例如電磁場(chǎng))變形而誘發(fā)等離子體的任何物體，而無需對(duì)催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以是納米粒子或納米管。這里所使用的術(shù)語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導(dǎo)電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導(dǎo)電性和伸長(zhǎng)形狀對(duì)本發(fā)明的激發(fā)等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長(zhǎng)度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當(dāng)?shù)入x子體激發(fā)或維持時(shí)，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預(yù)定方向)。
本發(fā)明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必包括納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態(tài)時(shí)，催化劑可以至少暫時(shí)地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個(gè)腔并且更容易被消耗。
在一個(gè)實(shí)施例中，粉末催化劑可以加載到腔內(nèi)并至少暫時(shí)地懸浮于載氣中。載氣可以與形成等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，輻射源52可以對(duì)設(shè)置有等離子體腔60的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個(gè)可選實(shí)施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內(nèi)，包括氣體流動(dòng)穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動(dòng)、搬運(yùn)、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內(nèi)，將粉末加到氣體中用來激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持涂覆等離子體。
在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，通過在伸入腔的銅管中設(shè)置一堆碳纖維粉末來使等離子體在腔內(nèi)激發(fā)。盡管有足夠的輻射被引入腔內(nèi)，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發(fā)生等離子體激發(fā)。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進(jìn)入腔內(nèi)，從而使粉末受到輻射，腔內(nèi)等離子體幾乎瞬間激發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合物、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合物納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內(nèi)基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發(fā)可以在腔內(nèi)精確地控制。均勻激發(fā)在一些應(yīng)用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時(shí)間短暫的應(yīng)用中，例如以一個(gè)或多個(gè)爆發(fā)的形式。還需要有一定的時(shí)間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個(gè)腔內(nèi)，尤其在復(fù)雜的多腔的腔內(nèi)。因而，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，粉末等離子體可以通過多個(gè)激發(fā)口引入腔內(nèi)以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個(gè)或多個(gè)微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個(gè)物理尺寸基本上大于另一個(gè)物理尺寸。例如，在至少兩個(gè)垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長(zhǎng)度相比相對(duì)細(xì)的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內(nèi)部纖維數(shù)量和束長(zhǎng)對(duì)激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長(zhǎng)的一段石墨帶得到滿意的結(jié)果。根據(jù)本發(fā)明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標(biāo)為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個(gè)或多個(gè)如基本為球形、環(huán)形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長(zhǎng)形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導(dǎo)電的材料。在一個(gè)實(shí)施例中，該材料具有強(qiáng)導(dǎo)電性。例如，根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物、有機(jī)無機(jī)復(fù)合物或其任意組合?？梢园ㄔ诘入x子體催化劑中的一些可能的無機(jī)材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導(dǎo)電無機(jī)材料。
除了一種或多種導(dǎo)電材料以外，本發(fā)明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導(dǎo)電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。因此，催化劑可以包括添加劑本身或者，它可以包括分解后能產(chǎn)生添加劑的前體材料。因此，根據(jù)最終期望的等離子體復(fù)合物和使用等離子體處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導(dǎo)電材料。
惰性等離子體催化劑中的導(dǎo)電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時(shí)間變化。例如，在激發(fā)期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導(dǎo)電成分來改善激發(fā)條件。另一方面，如果在維持等離子體時(shí)使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領(lǐng)域普的通技術(shù)人員可知用于激發(fā)和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的。
預(yù)定的比率分布可以用于簡(jiǎn)化許多等離子體處理。在許多常規(guī)的等離子體處理中，等離子體中的成分是根據(jù)需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據(jù)預(yù)定計(jì)劃來添加成分。然而，根據(jù)本發(fā)明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動(dòng)變化。這就是說，在任一特定時(shí)間等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內(nèi)的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當(dāng)前等離子體的成分比率依賴于當(dāng)前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內(nèi)的氣體流速較慢時(shí)。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個(gè)催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續(xù)或者不連續(xù)改變。例如在圖2中，比率可以平穩(wěn)改變形成沿催化劑100長(zhǎng)度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度的成分并向段110連續(xù)增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續(xù)變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應(yīng)該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預(yù)定的形式改變。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)?shù)入x子體被監(jiān)測(cè)并且已檢測(cè)到特殊的添加劑時(shí)，可以自動(dòng)開始或結(jié)束進(jìn)一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時(shí)間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時(shí)，在腔內(nèi)形成的等離子體會(huì)有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動(dòng)化系統(tǒng)可包括用于在等離子體激發(fā)、調(diào)節(jié)和/或維持以前和/或期間機(jī)械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑可以包括沉積在基本導(dǎo)電材料表面的基本不導(dǎo)電涂層?；蛘?，催化劑可包括沉積在基本不導(dǎo)電材料表面的基本導(dǎo)電涂層。例如圖4和5表示了包括內(nèi)層145和涂層150的纖維140。在一個(gè)實(shí)施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續(xù)引入等離子體，從而形成限時(shí)釋放(time-release)機(jī)制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數(shù)量的材料，只要部分催化劑至少是半導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，為了基本上減少或防止輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于輻射腔內(nèi)。這樣，等離子體催化劑不會(huì)電或磁連接于包括腔的容器、或腔外的任何導(dǎo)電物體。這可以防止在激發(fā)口的瞬間放電，并防止在激發(fā)期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑可以位于伸入激發(fā)口的基本不導(dǎo)電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設(shè)置有等離子體腔165的輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長(zhǎng)并伸入激發(fā)口175。如圖7所示，根據(jù)本發(fā)明的催化劑170可包括導(dǎo)電的末梢部分180(設(shè)置于腔160內(nèi))和不導(dǎo)電部分185(基本上設(shè)置于腔160外，但是可稍微伸入腔)。該結(jié)構(gòu)防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個(gè)實(shí)施例中，催化劑由多個(gè)導(dǎo)電片段190形成，所述多個(gè)導(dǎo)電片段190被多個(gè)不導(dǎo)電片段195隔開并與之機(jī)械相連。在這個(gè)實(shí)施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個(gè)點(diǎn)和腔外的另一個(gè)點(diǎn)之間的激發(fā)口，但是其電氣不連續(xù)的分布有效地防止了產(chǎn)生瞬間放電和能量泄漏。
根據(jù)本發(fā)明的形成等離子體的另一種方法包括使腔內(nèi)氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產(chǎn)生或包括至少一個(gè)電離粒子。
根據(jù)本發(fā)明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態(tài)原子或分子傳遞足夠能量來使氣態(tài)原子或分子失去至少一個(gè)電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準(zhǔn)直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示輻射源200將輻射引入輻射腔205。等離子體腔210可以設(shè)置于腔205內(nèi)并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護(hù)，但也屏蔽了對(duì)源220的輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據(jù)本發(fā)明的電離粒子的實(shí)例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質(zhì)子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產(chǎn)物。在一個(gè)實(shí)施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當(dāng)放射性裂變?cè)次挥谇煌鈺r(shí)，該源可以引導(dǎo)裂變產(chǎn)物穿過容器來激發(fā)等離子體。為了基本防止裂變產(chǎn)物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變?cè)纯梢晕挥谳椛淝粌?nèi)。
在另一個(gè)實(shí)施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發(fā)射。例如，電子可以通過激發(fā)電子源(如金屬)來引入腔內(nèi)，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內(nèi)、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知可用任意組合的電子源。產(chǎn)生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場(chǎng)能進(jìn)一步加速。
除電子以外，自由能質(zhì)子也能用于催化等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，自由質(zhì)子可通過電離氫產(chǎn)生，并且選擇性地由電場(chǎng)加速。
多模輻射腔輻射波導(dǎo)管、腔或室被設(shè)置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術(shù)語“?！北硎緷M足Maxwell方程和可應(yīng)用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導(dǎo)管或腔內(nèi)，該?？梢允莻鞑セ蛲姶艌?chǎng)的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)矢量的頻率和極化表征。模的電磁場(chǎng)形式依賴于頻率、折射率或介電常數(shù)以及波導(dǎo)管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場(chǎng)矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場(chǎng)矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導(dǎo)管一般不支持輻射傳播的標(biāo)準(zhǔn)TEM模。盡管輻射似乎沿著波導(dǎo)管的長(zhǎng)度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。因此，根據(jù)傳播模，輻射(例如微波)沿著波導(dǎo)管軸線(通常指z軸)具有一些電場(chǎng)成分或者一些磁場(chǎng)成分。
在腔或者波導(dǎo)管中的實(shí)際場(chǎng)分布是其中模的疊加。每種模可以用一個(gè)或多個(gè)下標(biāo)(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標(biāo)一般說明在x和y方向上含有多少在導(dǎo)管波長(zhǎng)的“半波”。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知波導(dǎo)管波長(zhǎng)與自由空間的波長(zhǎng)不同，因?yàn)椴▽?dǎo)管內(nèi)的輻射傳播是通過波導(dǎo)管的內(nèi)壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標(biāo)來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數(shù)量。
對(duì)于給定的輻射頻率，波導(dǎo)管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統(tǒng)被稱為單模系統(tǒng)(如單模輻射器)。在矩形單模波導(dǎo)管中TE10模通常占主導(dǎo)。隨著波導(dǎo)管(或波導(dǎo)管所連接的腔)的尺寸增加，波導(dǎo)管或輻射器有時(shí)能支持附加的高階模，形成多模系統(tǒng)。當(dāng)能夠同時(shí)支持多個(gè)模時(shí)，系統(tǒng)往往表示為被高度?；?highly moded)。
一個(gè)簡(jiǎn)單的單模系統(tǒng)具有包括至少一個(gè)最大和/或最小的場(chǎng)分布。最大的量級(jí)很大程度上依賴于施加于系統(tǒng)的輻射的量。因此，單模系統(tǒng)的場(chǎng)分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時(shí)支持幾個(gè)傳播模，在疊加時(shí)其形成混合場(chǎng)分布形式。在這種形式中，場(chǎng)在空間上變得模糊，并因此場(chǎng)分布通常不顯示出腔內(nèi)最小和最大場(chǎng)值的相同強(qiáng)度類型。此外，如下的詳細(xì)說明，可以用一個(gè)?；旌掀鱽怼盎旌稀被颉爸匦路植肌蹦?如利用輻射反射器的機(jī)械運(yùn)動(dòng))。這種重新分布有望提供腔內(nèi)更均勻的時(shí)間平均場(chǎng)分布。
根據(jù)本發(fā)明的多模腔可以支持至少兩個(gè)模，并且可以支持多于兩個(gè)的多個(gè)模。每個(gè)模有最大電場(chǎng)矢量。雖然可以有兩個(gè)或多個(gè)模，但是只有一個(gè)模占主導(dǎo)并具有比其它模大的最大電場(chǎng)矢量量級(jí)。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級(jí)之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知比率越小，模之間的電場(chǎng)能量越分散，從而使腔內(nèi)的電磁輻射能越分散。
處理腔內(nèi)等離子體的分布非常依賴于所施加的輻射的分布。例如，在一個(gè)純單模系統(tǒng)中只可以有一個(gè)電場(chǎng)最大值的位置。因此，強(qiáng)等離子體只能在這一個(gè)位置產(chǎn)生。在許多應(yīng)用中，這樣一個(gè)強(qiáng)局部化的等離子體會(huì)不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據(jù)本發(fā)明無論使用單或多模腔，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。例如，在特定的應(yīng)用中，如在等離子體輔助熔爐中，腔可以全部密封。參見，例如，共有并同時(shí)提出申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整個(gè)內(nèi)容作為參考。然而在其它應(yīng)用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動(dòng)氣體的流量、類型和壓力可以隨時(shí)間而改變。這是令人滿意的，因?yàn)楸阌谛纬傻入x子體的如氬氣的特定氣體更容易激發(fā)，但在隨后的等離子體處理中不需要。
模混合在許多等離子體輔助應(yīng)用中，需要腔內(nèi)包括均勻的等離子體。然而，由于微波輻射可以有較長(zhǎng)波長(zhǎng)(如幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結(jié)果，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，多模腔內(nèi)的輻射模在在一段時(shí)間內(nèi)可以混合或重新分布。因?yàn)榍粌?nèi)的場(chǎng)分布必須滿足由腔(例如，如果是金屬的)的內(nèi)表面設(shè)定的所有邊界條件，可以通過改變內(nèi)表面的任一部分的位置來改變這些場(chǎng)分布。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，可移動(dòng)的反射表面位于輻射腔內(nèi)。反射表面的形狀和移動(dòng)在移動(dòng)期間將聯(lián)合改變腔的內(nèi)表面。例如，一個(gè)“L”型金屬物體(即“?；旌掀鳌?在圍繞任意軸旋轉(zhuǎn)時(shí)將改變腔內(nèi)的反射表面的位置或方向，從而改變其中的輻射分布。任何其它不對(duì)稱形狀的物體也可使用(在旋轉(zhuǎn)時(shí))，但是對(duì)稱形狀的物體也能工作，只要相對(duì)移動(dòng)(如旋轉(zhuǎn)、平移或兩者結(jié)合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個(gè)實(shí)施例中，?；旌掀骺梢允菄@非圓柱體縱軸的軸旋轉(zhuǎn)的圓柱體。
多模腔中的每個(gè)模都具有至少一個(gè)最大電場(chǎng)矢量，但是每個(gè)矢量會(huì)周期性出現(xiàn)在腔內(nèi)。通常，假設(shè)輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動(dòng)模混合器使它與輻射相作用，就可能移動(dòng)最大值的位置。例如，?；旌掀?8可用于優(yōu)化腔14內(nèi)的場(chǎng)分布以便于優(yōu)化等離子體激發(fā)條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時(shí)間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變?；旌掀鞯奈恢脕硪苿?dòng)最大值的位置。
因此，根據(jù)本發(fā)明，在等離子體激發(fā)期間可以使用?；旌?。例如，當(dāng)把導(dǎo)電纖維用作等離子體催化劑時(shí)，已經(jīng)知道纖維的方向能夠強(qiáng)烈影響最小等離子體激發(fā)條件。例如據(jù)報(bào)道說，當(dāng)這樣的纖維取向于與電場(chǎng)成大于60°的角度時(shí)，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動(dòng)反射表面進(jìn)入或接近腔，電場(chǎng)分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)波導(dǎo)管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實(shí)現(xiàn)?；旌稀榱嗽谳椛淝粌?nèi)在不同方向上有效地發(fā)射輻射，該旋轉(zhuǎn)接頭可以機(jī)械地運(yùn)動(dòng)(如旋轉(zhuǎn))。結(jié)果，在輻射器腔內(nèi)可產(chǎn)生變化的場(chǎng)形式。
通過柔性波導(dǎo)管將輻射射入輻射腔，也能實(shí)現(xiàn)模混合。在一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)管可固定在腔內(nèi)。在另一個(gè)實(shí)施例中，波導(dǎo)管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導(dǎo)管末端的位置可以以任何合適的方式連續(xù)或周期性移動(dòng)(如彎曲)。這種移動(dòng)也能引起模混合并有助于在時(shí)間平均基礎(chǔ)上更均勻的等離子體處理(如加熱)。可選擇地，這種移動(dòng)可用于優(yōu)化激發(fā)的等離子體的位置或者其它的等離子體輔助處理。
如果柔性波導(dǎo)管是矩形的，波導(dǎo)管的開口末端的簡(jiǎn)單扭曲將使輻射器腔內(nèi)的輻射的電場(chǎng)和磁場(chǎng)矢量的方向旋轉(zhuǎn)。因而，波導(dǎo)管周期性的扭曲可引起?；旌弦约半妶?chǎng)的旋轉(zhuǎn)，這可用于輔助激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場(chǎng)，電場(chǎng)矢量的重新定向能將無效方向變?yōu)楦行У姆较?。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可知?；旌峡梢允沁B續(xù)的、周期性的或預(yù)編程的。
除了等離子體激發(fā)以外，在隨后的等離子體處理期間?；旌峡捎脕頊p少或產(chǎn)生(如調(diào)整)腔內(nèi)的“熱點(diǎn)”。當(dāng)微波腔只支持少數(shù)模時(shí)(如少于5)，一個(gè)或多個(gè)局部電場(chǎng)最大值可產(chǎn)生“熱點(diǎn)”(如在腔12內(nèi))。在一個(gè)實(shí)施例中，這些熱點(diǎn)可設(shè)置成與一個(gè)或多個(gè)分開但同時(shí)的等離子體激發(fā)或處理相一致。因此，等離子體催化劑可放在一個(gè)或多個(gè)這些激發(fā)或隨后的處理位置上。
多位置激發(fā)可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發(fā)等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，可用多纖維在腔內(nèi)的不同點(diǎn)處激發(fā)等離子體。這種多點(diǎn)激發(fā)在要求均勻等離子體激發(fā)時(shí)尤其有益。例如，當(dāng)?shù)入x子體在高頻(即數(shù)十赫茲或更高)下調(diào)節(jié)，或在較大空間中激發(fā)，或兩者都有時(shí)，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態(tài)撞擊和再撞擊。可選地，當(dāng)在多個(gè)點(diǎn)使用等離子體催化劑時(shí)，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內(nèi)的不同位置連續(xù)激發(fā)等離子體。這樣，如果需要，在腔內(nèi)可以可控地形成等離子體激發(fā)梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個(gè)位置的催化劑的隨機(jī)分布增加了如下可能性根據(jù)本發(fā)明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優(yōu)化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優(yōu)化取向(基本上沒有與電力線對(duì)準(zhǔn))，也改善了激發(fā)條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認(rèn)為具有每個(gè)粉末粒子具有位于腔內(nèi)不同物理位置的效果，從而改善了腔內(nèi)的激發(fā)均勻性。
雙腔等離子體激發(fā)/維持根據(jù)本發(fā)明的雙腔排列可用于激發(fā)和維持等離子體。在一個(gè)實(shí)施例中，系統(tǒng)至少包括第一激發(fā)腔和與第一激發(fā)腔流體連通的第二腔。為了激發(fā)等離子體，第一激發(fā)腔中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等離子體激發(fā)第二腔中的等離子體，其可用附加的電磁輻射來維持。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一腔可以非常小并主要或只設(shè)置用于等離子體激發(fā)。這樣，只需很少的微波能來激發(fā)等離子體，使激發(fā)更容易，尤其在使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑時(shí)。
在一個(gè)實(shí)施例中，第一腔基本上是單模腔，第二腔是多模腔。當(dāng)?shù)谝磺恢恢С謫文r(shí)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布會(huì)劇烈變化，形成一個(gè)或多個(gè)精確定位的電場(chǎng)最大值。該最大值一般是等離子體激發(fā)的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點(diǎn)。然而應(yīng)該知道，當(dāng)使用等離子體催化劑時(shí)，催化劑不需要設(shè)置在電場(chǎng)最大值之處，而且在大多數(shù)情況下，不需要取向于特定的方向。
等離子體輔助氣體產(chǎn)生提供從等離子體產(chǎn)生氣體的方法和裝置。通常，包括至少一種原子或分子種類的等離子體是由氣體形成。將該等離子體與一個(gè)選擇的阻擋層(例如，過濾器)的表面接觸，該選擇的阻擋層有選擇地使該種類通過，并基本上阻止其它種類通過。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，該種類可以被吸附到阻擋層的表面，通過阻擋層，并在阻擋層的另一側(cè)被收集。
本發(fā)明收集的一種種類是氫。在操作期間，氫在過濾器的等離子體面對(duì)表面上離解以產(chǎn)生氫原子。然后，氫原子在阻擋層的另一低壓側(cè)上結(jié)合并解吸成氫氣分子。一旦形成氫分子，它們就可以被收集(例如，直接使用或存儲(chǔ))。
圖10是用于本發(fā)明的等離子體輔助氣體產(chǎn)生的裝置300的截面圖。裝置300包括腔305，該腔設(shè)置成通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射在該腔中形成等離子體310。如圖10所示，氣體通過一個(gè)或多個(gè)口由氣體源提供給腔305?？梢允褂萌魏伟璺N類的氣體。此外，如果需要，這些種類可以單獨(dú)地加入氣體中，即使在激發(fā)等離子體以后。
某些供給腔305的氣體也可以通過一個(gè)或多個(gè)不同的口排掉。如下更充分所述，電磁輻射可以由電磁輻射源間接通過波導(dǎo)管提供給腔305，或直接將該輻射源與腔305連接。同時(shí)，如圖1所示，輻射源也可以與外部腔連接，腔305可以透射輻射。
裝置300還可包括至少一個(gè)與腔305相關(guān)的過濾器315。過濾器315設(shè)置為可以有選擇地使第一原子或分子種類(例如，氫)通過它，并基本上阻止其它種類(例如，碳)通過，所述其它種類也可能存在于等離子體310中。所選擇的種類可以通過過濾器315，從過濾器的等離子體面對(duì)側(cè)317到等離子體背對(duì)側(cè)319。在所選擇的種類通過過濾器315以后，可以使用任何一種與等離子體背對(duì)側(cè)319連通的收集裝置(未示出)收集所選擇的種類。
裝置300在腔305中或腔305附近還可包括至少一種等離子體催化劑。根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑可以是活性或惰性的，但它也可以是任何其它類型的等離子體激發(fā)裝置。
過濾器315可以具有任何形狀(例如，管狀或平板狀)，只要它的一側(cè)面對(duì)等離子體，另一側(cè)背對(duì)等離子體。為了最大化氣體產(chǎn)生，等離子體面對(duì)側(cè)可以具有較大的表面面積。過濾器315可以設(shè)計(jì)成能使例如氫氣通過。在這種情況下，過濾器例如可以由如下材料形成金屬氫化物、鈀、氧化鈀、釕鈀、鈀銀、鈀銅、鈾、鎂、鈦、鋰鋁、鑭鎳鋁、鋯、陶瓷及其任意組合，或它們的任意合金。在一個(gè)實(shí)施例中，過濾器315包括鈀管。
當(dāng)鈀或鈀合金被用于制造氫時(shí)，鈀表面可以用作選擇阻擋層，主要使原子氫通過它的壁，而完全阻止其它種類。分子氫可以被吸附到離解表面以便變成原子氫。雖然本發(fā)明不限于任何特殊的理論，氫原子可以和鈀金屬晶格共享它們的電子，使氫原子在壓力梯度所確定的方向上通過晶格擴(kuò)散。氫原子可以在過濾器的低壓力側(cè)上組合并解吸成氫分子。
依據(jù)所提取的原子和/或分子種類的類型，也可以使用其它類型的過濾器材料。再者，過濾器315可以包括多個(gè)過濾層(未示出)。用這種方法，所選的種類可以順序通過每一層而被提純。本發(fā)明的多層過濾器使穿過每個(gè)過濾器層的壓力梯度小于穿過一個(gè)單層的壓力梯度，這就使每一個(gè)層具有更多的選擇性。
腔305可以具有能夠基本上約束等離子體的任何適合的形狀。如圖10所示，在一個(gè)實(shí)施例中，腔305可以形成在內(nèi)管(即，過濾器)315和外管350之間。外管350可以是導(dǎo)電的以便基本上限制輻射，以及等離子體310。另一方面，如果外管350是由輻射透射材料，例如陶瓷或石英制成，則可以認(rèn)識(shí)到為了安全起見，附加的導(dǎo)電腔或殼體(如圖1所示)可以設(shè)置在管350的周圍。
如上所述，電磁輻射可以利用任何類型的輻射源以任何適合的方式提供給腔305。例如，圖10示出了同軸波導(dǎo)管360，它通過錐形波導(dǎo)管365使電磁輻射直接進(jìn)入腔305。輻射透射阻擋層362可使輻射進(jìn)入腔305，但阻止等離子體310在其它方向通過，離開腔305。在另一實(shí)施例中，同軸波導(dǎo)管360可以直接使電磁輻射進(jìn)入腔305，而不使用錐形波導(dǎo)管。不過，使用錐形波導(dǎo)管365可以使用較大的腔，而這又使過濾器具有較大的表面面積。因此，如果內(nèi)導(dǎo)體361的外徑不等于(例如，小于)過濾器315的外徑，一個(gè)錐形內(nèi)連接器可以用于把兩者連接在一起。
在一個(gè)實(shí)施例中，外管350是導(dǎo)電的，導(dǎo)電端板398可以軸向移動(dòng)(例如，在管350內(nèi))。另一方面，如果等離子體310在單程中不能充分吸收電磁輻射，端板398的四分之一輻射波長(zhǎng)的位移可用于移動(dòng)腔里的駐波圖形(使最小值和最大值的位置反向)。因此，端板398的1/4波長(zhǎng)的周期性擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)將使隨時(shí)間的場(chǎng)分布模糊不清并消除沿過濾器315的熱點(diǎn)。
另一方面，如果等離子體引0吸收輻射的能力很強(qiáng)，則等離子區(qū)的長(zhǎng)度可以選擇，使輻射的一半左右在單程中被吸收?，F(xiàn)在可以設(shè)計(jì)阻擋層364和端板398之間的距離(例如，1/4，3/4等波長(zhǎng))，以便當(dāng)輻射從端板398反射回來的時(shí)候吸收“同相(in phase)”的剩余能量。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，相同的原理可以應(yīng)用于其它設(shè)計(jì)(例如，在圖11所示的裝置中)。在任何情況下，模移動(dòng)可以是連續(xù)的，周期性的，階躍式的，或編程的其它形式。
例如，較大的腔允許使用管狀過濾器，它大于同軸電纜(或波導(dǎo)管)的芯，該同軸電纜可用于提供輻射到腔。例如，圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的等離子輔助氣體產(chǎn)生裝置400的簡(jiǎn)化截面圖。如裝置300，裝置400也包括腔405，過濾器410，同軸波導(dǎo)管415，錐形波導(dǎo)管420，和輻射透射阻擋層425。如上所述，過濾器410幾乎具有任何形狀，但最好具有大的表面面積以便提高氣體從等離子體提取出的速率。例如，如果過濾器410是伸長(zhǎng)型管，它可能具有明顯大于同軸電纜417的芯的直徑。同時(shí)，如圖11所示，過濾器410不需要連接或制成其它形狀以與芯417相配。最后，根據(jù)本發(fā)明的過濾器可以包括多個(gè)纖維，它們可以安排在多根管子上或它們自己形成管子。
圖12是根據(jù)本發(fā)明的氣體產(chǎn)生裝置450的另一個(gè)簡(jiǎn)化截面圖。裝置450包括腔455，過濾器460，同軸波導(dǎo)管465，錐形波導(dǎo)管470，和輻射透射阻擋層475。同樣，過濾器460可具有幾乎任何形狀，但最好是具有大的表面面積以便提高氣體從腔455中形成的等離子體提取出氣體的速度。如圖12所示，過濾器460包括多個(gè)過濾器部件以便最大化表面面積，這些部件可以是連接在一起(如圖所示)或者是分離的。如果連接在一起，可以使用一個(gè)氣體出口480收集來自所有部件的氣體。如果是分離的，可以使用多個(gè)氣體出口分別收集來自每個(gè)部件的氣體(未示出)。
圖13是沿圖10的線13-13截取的、同軸電纜360的截面圖。如圖13所示，芯361具有用字母“a”表示的外半徑，外護(hù)罩363具有用字母“b”表示的內(nèi)半徑。當(dāng)b∶a的比例在約2.5∶1和約3.0∶1之間時(shí)，可以減小出現(xiàn)在芯361的外表面上給定輻射能量的最大電場(chǎng)。當(dāng)比例是約2.72∶1時(shí)，在那個(gè)表面上的最大電場(chǎng)達(dá)到最小。相同的幾何尺寸比也適用于管狀等離子腔，它可以由內(nèi)過濾器管(例如，圖10的過濾器315)的外半徑和外管(例如，圖10的管350)的內(nèi)半徑確定，或者由內(nèi)管的外半徑和外過濾器管(未示出)的內(nèi)半徑確定。通過使過濾器表面上的電場(chǎng)最小化，即使在使用具有相對(duì)大數(shù)量輻射能量的相對(duì)長(zhǎng)的過濾器時(shí)，也能基本上防止在過濾器315的外表面上出現(xiàn)電孤和過熱。
裝置330的管狀同軸幾何形狀能夠進(jìn)行TEM模操作。不過，可以理解，各種其它幾何形狀(例如，矩形)也能進(jìn)行各種其它模操作，包括單模和多模操作。
裝置300還包括一個(gè)電壓源，用于提供偏壓給過濾器。例如，如圖10所示，電壓源320可以通過同軸電纜325為濾器315提供一個(gè)電偏壓。在這種情況下，電纜325的內(nèi)電纜330可以通過導(dǎo)電管335與過濾器315電連接。管335可以由能夠輸送通過過濾器315以后的原子或分子種類的任何材料制成，例如鋼或銅。電纜325的外護(hù)罩340可以和外腔350電連接，并可選地接地。另外，當(dāng)芯與過濾器315電連接時(shí)，電壓源320可以通過同軸電纜360的芯361提供一個(gè)電偏壓給過濾器315。如果需要，電纜360的外護(hù)罩363也可以與外腔350電連接，并可選地接地。
可以理解，電絕緣體390(例如，陶瓷或石英)可以沿鋼管395設(shè)置以便防止外管350帶電。同時(shí)，阻擋層364可以是輻射透射的或不透射的，這取決于設(shè)計(jì)要求。如阻擋層362，阻擋層364也被用于基本上約束接近過濾器315的區(qū)域中的等離子體310。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，阻擋層364和絕緣體390可以被取消，特別當(dāng)不使用電壓源320的時(shí)候。
圖14是根據(jù)本發(fā)明的氣體產(chǎn)生方法。該方法包括(1)將氣體流入腔，步驟500，(2)使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射以在腔中形成等離子體，步驟505，其中腔與至少一個(gè)過濾器流體連通，(3)通過過濾器從等離子體中提取第一種類，步驟510，以及(4)收集所述種類，步驟515。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，步驟505可以包括在至少一種等離子體催化劑存在的情況下通過使氣體受到輻射來激發(fā)腔內(nèi)的等離子體。如上詳述，等離子體催化劑可以是活性或惰性的，或者是任何其它的能夠激發(fā)、調(diào)節(jié)或維持等離子體的裝置。使用根據(jù)本發(fā)明的等離子體催化劑能夠在低于、等于、或高于大氣壓的壓力上進(jìn)行圖14的方法。
較高的氣體壓力允許較高的等離子體壓力，較高的等離子體壓力可用于提高提取和收集的速度。例如，當(dāng)穿過濾器形成壓力梯度以使等離子體面對(duì)表面(例如，過濾器315的表面317)的壓力高于其背對(duì)表面(例如過濾器315的表面319)的壓力時(shí)，所選擇地原子或分子種類可以以較快的速度被提取。因此，使用等離子體催化劑可以在較高的壓力下激發(fā)等離子體，形成較大的梯度而無需真空裝置。在背對(duì)表面?zhèn)壬鲜褂谜婵昭b置也可以增加壓力梯度的值，特別是在激發(fā)期間。
如圖10所示，提高提取速度的另一種方法是給過濾器施加一個(gè)電偏壓。雖然本發(fā)明不一定限于任何特殊的理論，但是施加偏壓可以加速并集中等離子體使之靠近過濾器的等離子體面對(duì)表面。較高濃度可以提高在該表面上的吸收速率，而這又能夠提高在另一側(cè)上的氣體產(chǎn)生的速率。
提取速率取決于過濾器的溫度。如果在較高的溫度過濾器提取速度較快，則可以通過使過濾器暴露于等離子體來增加溫度。使用合適的溫度控制，溫度就能保持在最佳溫度，這個(gè)溫度可以是過濾器通過承受的最高溫度。正如這里所使用的，這個(gè)溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度，它是能夠例如熔化或損壞過濾器的溫度。當(dāng)使用鈀時(shí)，溫度可以保持在約400攝氏度，一般是在約100度攝氏和約1500攝氏度之間。
過濾器的溫度可以利用傳統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)行冷卻，這個(gè)傳統(tǒng)技術(shù)例如包括，使流體流過埋在過濾器內(nèi)或附著在過濾器上的管道。另一個(gè)冷卻過濾器的方法是使流體，例如水，流過軸向過濾器315的中心。用這個(gè)方法，流體可以用于冷卻過濾器315，并同時(shí)可以吸收通過過濾器315的氫氣。然后，用隨后的步驟可以使氫氣從流體中排除。可以理解，流體不必通過軸向過濾器的芯。相反，流體可以通過過濾器的外表面，或如上所述，通過埋在過濾器中的管道。
根據(jù)本發(fā)明，一旦氣體通過過濾器被提取，它便可以被收集。收集例如包括，將第一種類泵送到氣體容器中。另外，收集還包括，將氣體暴露于燃料電池(例如，它的有效面積)。這樣的燃料電池可以形成住宅或工業(yè)供電電源的一部分，或者它也可以安放在車輛中，例如安放在汽車，火車，飛機(jī)，摩托車，或任何其它需要移動(dòng)電源的裝置中。
根據(jù)本發(fā)明，過濾器表面也可以通過下面的方法來清潔提供清潔氣體給腔，利用清潔氣體形成清潔等離子體，施加電偏壓給過濾器以將形成等離子體的帶點(diǎn)粒子充分加速到過濾器，從而至少部分地清除可能沉積在過濾器上的任何殘留物。
在前述的實(shí)施例中，為了簡(jiǎn)化說明，各種特征被集合在單個(gè)實(shí)施例中。這種公開方法不意味著本發(fā)明權(quán)利要求書要求了比每個(gè)權(quán)利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權(quán)利要求所述，創(chuàng)造性方面要比前述公開的單個(gè)實(shí)施例的全部特征少。因此，下列權(quán)利要求被加入到該具體實(shí)施方式
中，每個(gè)權(quán)利要求本身作為本發(fā)明的一個(gè)單獨(dú)的優(yōu)選實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種等離子體輔助氣體產(chǎn)生的方法，該方法包括使氣體流入主腔，其中所述氣體包括至少第一種類；使所述氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射，從而在所述腔中形成等離子體，其中所述腔與至少一個(gè)過濾器流體連通；通過所述過濾器提取所述第一種類；以及收集所述第一種類。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一種類包括氫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述受到步驟包括在至少一個(gè)等離子體催化劑存在的情況下，通過使所述腔中的所述氣體受到所述輻射來激發(fā)所述等離子體，所述等離子體催化劑包括至少是半導(dǎo)電的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述材料包括金屬、無機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機(jī)無機(jī)復(fù)合物中的至少一種。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中所述等離子體催化劑包括碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其中所述等離子體催化劑包括粉末。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述受到步驟包括在一種活性等離子體催化劑存在的情況下使所述氣體受到所述輻射，所述活性等離子體催化劑包括至少一種電離粒子。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述至少一種電離粒子包括粒子束。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、電子、離子和質(zhì)子中的至少一種。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所述電離粒子包括放射性裂變的產(chǎn)物。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在至少是大氣壓的氣體壓力下進(jìn)行所述受到步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述過濾器包括金屬氫化物、鈀、氧化鈀、釕鈀、鈀銀、鈀銅、鈾、鎂、鈦、鋰鋁、鑭鎳鋁、鋯、陶瓷及其任意組合、或它們的任意合金中的至少一種。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述過濾器具有等離子體面對(duì)表面和背對(duì)表面，其中所述提取步驟包括穿過所述過濾器形成壓力梯度以使在所述等離子體面對(duì)表面的壓力大于在所述背對(duì)表面的壓力。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述提取步驟包括施加電偏壓給所述過濾器。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述過濾器具有一個(gè)轉(zhuǎn)變溫度，其中所述提取步驟包括將所述過濾器的溫度保持在約100攝氏度和約1500攝氏度之間。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的方法，其中所述提取步驟包括將所述等離子體與所述過濾器接觸以將過濾器加熱到所需的工作溫度。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述過濾器包括多個(gè)過濾層，其中所述提取步驟包括將所述第一種類通過每一個(gè)所述過濾層以獲得高純度的所述第一種類。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述至少一個(gè)過濾器包括多個(gè)設(shè)置在多個(gè)對(duì)應(yīng)的管子上的過濾器。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述過濾器設(shè)置在管子的表面上，其中所述提取步驟包括使所述第一種類通過所述過濾器，從所述管子外面的位置到所述管子里面的位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述主腔形成在內(nèi)過濾器管和金屬管之間，所述內(nèi)過濾器管包括所述過濾器，其中所述提取步驟包括使所述第一種類通過所述內(nèi)管，從所述主腔里面的位置到所述內(nèi)管里面的位置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，還包括通過同軸波導(dǎo)管將所述電磁輻射引入所述主腔。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述內(nèi)管具有外直徑，所述外管具有內(nèi)直徑，其中所述內(nèi)直徑與所述外直徑的比在約2.5和約3.0之間。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的方法，其中所述比是約2.72。
25.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述輻射包括TEM模，該方法還包括將所述模軸向移動(dòng)至少約1/4波長(zhǎng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求21的方法，其中所述主腔具有第一軸端和第二軸端，該方法還包括從至少所述第一軸端將所述輻射發(fā)射到所述主腔。
27.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述外管包括基本上透射所述輻射的材料，以及所述內(nèi)管基本上反射所述輻射。
28.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括將電偏壓施加給所述過濾器。
29.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一種類在所述提取步驟之后是氣態(tài)形式，其中所述收集步驟包括在所述提取步驟之后將所述第一種類泵送到氣體容器。
30.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述第一種類在所述提取步驟之后是氣態(tài)形式，其中所述收集步驟包括將所述第一種類暴露于燃料電池。
31.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，還包括清潔所述過濾器，其中所述清潔步驟包括提供清潔氣體到所述主腔；利用所述清潔氣體形成清潔等離子體，其中所述清潔等離子體包括帶電粒子；以及施加電偏壓給所述過濾器，以將所述帶電粒子充分加速到所述過濾器，從而至少部分地清除在所述過濾器上沉積的殘留物。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所述收集步驟包括使一種流體與所述過濾器接觸，從而使所述第一種類被所述流體吸收。
33.一種等離子體輔助氣體產(chǎn)生的裝置，該裝置包括腔，設(shè)置成通過使氣體受到頻率小于約333GHz的電磁輻射在所述腔中形成等離子體；至少一個(gè)過濾器，與所述腔相關(guān)，具有等離子體面對(duì)側(cè)和等離子體背對(duì)側(cè)，其中所述過濾器設(shè)置成有選擇地使存在于所述等離子體中的第一種類通過所述過濾器，而基本上阻止任何其它種類通過所述過濾器；氣體源，與所述腔相連，提供所述氣體給所述腔；輻射源，與所述腔相連，提供所述輻射給所述腔；以及收集裝置，與所述過濾器的所述等離子體背對(duì)側(cè)相連。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述氣體包括氫氣。
35.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括在所述第一腔中的至少一種等離子體催化劑，其中所述催化劑包括至少是半導(dǎo)電的材料。
36.根據(jù)權(quán)利要求35的裝置，其中所述材料包括金屬、無機(jī)材料、碳、碳基合金、碳基復(fù)合物、導(dǎo)電聚合體、導(dǎo)電硅橡膠彈性體、聚合納米復(fù)合物和有機(jī)無機(jī)復(fù)合物中的至少一種。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的裝置，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細(xì)絲、紗、細(xì)繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的裝置，其中所述等離子體催化劑包括碳纖維。
39.根據(jù)權(quán)利要求38的裝置，其中所述等離子體催化劑包括粉末。
40.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括在所述腔中的包括至少一種電離粒子的活性等離子體催化劑。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所述至少一種電離粒子包括粒子束。
42.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所述粒子是x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、電子、離子和質(zhì)子中的至少一種。
43.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括激發(fā)腔，用于利用電磁輻射激發(fā)等離子體以在所述激發(fā)腔中形成激發(fā)等離子體，其中所述激發(fā)腔與所述第一腔流體連通，從而所述激發(fā)等離子體使第一等離子體在所述第一腔中形成。
44.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述過濾器包括金屬氫化物、鈀、氧化鈀、釕鈀、鈀銀、鈀銅、鈾、鎂、鈦、鋰鋁、鑭鎳鋁、鋯、陶瓷及其任意組合、或它們的任意合金中的至少一種。
45.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括電壓源，與所述過濾器電連接以提供偏壓給所述過濾器。
46.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述過濾器包括多個(gè)過濾層。
47.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述氣體收集裝置至少包括氫燃料電池。
48.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，其中所述腔形成在內(nèi)過濾器管和外金屬管之間，所述內(nèi)過濾器管包括所述過濾器。
49.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，還包括同軸波導(dǎo)管，設(shè)置成將所述電磁輻射引入所述腔。
50.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，其中所述內(nèi)管具有外直徑，所述外管具有內(nèi)直徑，所述內(nèi)直徑與所述外直徑的比在約2.5和約3.0之間。
51.根據(jù)權(quán)利要求50的裝置，其中所述比是約2.72。
52.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，其中所述輻射包括TEM模，并且其中該裝置還包括導(dǎo)電端板，用于將所述模至少軸向移動(dòng)1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍。
53.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，其中所述外管包括基本上透射所述輻射的材料。
54.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，其中所述主腔具有第一軸端，用于接收所述輻射。
55.根據(jù)權(quán)利要求48的裝置，還包括電壓源，用于施加偏壓給所述過濾器。
56.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置，還包括使流體流動(dòng)的管道，從而使所述流體和所述過濾器接觸。
57.根據(jù)權(quán)利要求56的裝置，其中所述管道形成在所述過濾器中。
全文摘要
本發(fā)明提供了等離子體輔助氣體產(chǎn)生的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施例中，包括至少一種原子或分子種類的氣體流入腔(305)。使該氣體受到頻率小于約333GHz(可選地在等離子體催化劑存在的情況下)的電磁輻射，在腔(305)中形成等離子體(310)。過濾器(315)與該腔(305)流體連通，它能使所述原子或分子種類通過，但阻止其它種類通過。用這種方法，所選的種類可以被提取和收集，用于存儲(chǔ)或直接使用。
文檔編號(hào)B01J37/34GK1653574SQ03810274
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月8日
發(fā)明者S·庫馬爾, D·庫馬爾 申請(qǐng)人:達(dá)納公司