用於脈衝等離子體生成的陰極組件和方法

2023-05-25 10:10:46

專利名稱：用於脈衝等離子體生成的陰極組件和方法
技術領域：
本發明涉及等離子體生成裝置的陰極組件以及生成等離子體的方法，更具體地涉 及脈衝等離子體。
背景技術：
生成具有脈衝以及較短持續時間的關斷時段的脈衝等離子體給出了一組獨特的 挑戰。目前已知的等離子體生成裝置存在若干局限，這些局限使得將這些裝置用於生成脈 衝等離子體不現實。通常，等離子體生成裝置包括陰極和陽極。典型地為惰性氣體的等離子體生成氣 體在陰極和陽極之間縱向延伸且穿過陽極的通道中流動。當等離子體生成氣體穿過等離子 體通道時，該氣體被加熱並由在陰極和陽極之間建立的電弧轉換為等離子體。等離子體通 道的各個部分可以由一個或更多個中間電極形成。在三個階段中進行等離子體的生成。當在陰極和陽極之間建立電火花時出現第一 階段，稱為火花放電。當作為在電火花中的負電性電子的運動的結果而形成的正電性離子 撞擊陰極時出現第二階段，稱為輝光放電。當陰極的一部分被離子撞擊足夠地加熱而開始 發射足夠數量的電子來維持陰極和陽極之間用於加熱等離子體生成氣體的電流時，出現第 三階段，稱為電弧放電。電弧加熱了形成等離子體的等離子體生成氣體。每次生成高溫等 離子體時，等離子體生成氣體都必須經過所有的三個階段。在現有技術的裝置中，在啟動時，流經陰極和陽極之間的電流便升至想要的操作 水平。然而，在火花放電階段和輝光放電階段，不能持續電流方面的這種快速提升。只有當 達到電弧放電並且陰極開始熱離子發射具有足以支持這樣的電流的速率的電子時，施加的 操作水平電流才開始流過陰極和陽極之間。在陰極開始熱離子發射具有足夠高的速率的電 流來維持高操作水平的電流之前試圖讓這樣的電流通過陰極將會對陰極施加壓力，而這使 得該陰極最終在相對較少次數的啟動之後被損壞。生成脈衝等離子體要求快速和連續地頻繁啟動等離子體生成裝置。例如，在皮膚 治療中，使用脈衝等離子體進行單次治療可能需要數以千計個脈衝，從而需要進行數以千 計次的啟動。現有技術的啟動等離子體生成裝置的方法不適於生成脈衝等離子體，因為在 這個過程中陰極有可能被損壞。目前，兩類裝置可用於生成離子化氣體的脈衝。美國專利No. 6，629，974中公開的 裝置是第一類型的例子。在這類裝置中，通過使例如氮的等離子體生成氣體流經交變電場 來生成電暈放電。交變電場產生氣體中自由電子的快速移動。該快速移動的電子從氣體原 子中撞擊出其他電子，從而形成了已知的電子雪崩，而這又產生了電暈放電。通過在脈衝中 施加電場，產生了脈衝電暈放電。用於產生脈衝電暈放電的該方法的優點是(1)在流中不 存在雜質，以及⑵實現真實脈衝流的較短的啟動時間。為了本公開的目的，真實脈衝流是 指在脈衝的關斷時段內完全停止的流。該第一類型的裝置和方法的缺點在於產生的電暈放電具有大約2000°C的固定最大溫度。在該裝置中形成的該電暈放電絕不會變成高溫等離子體，因為其沒有被電弧加熱。 因此，產生脈衝電暈放電的裝置不能被用於需要高於2000°C的溫度的一些應用。因此，該第 一類型的裝置的應用受到了放電過程的特性的限制，該放電過程能夠產生電暈放電，但非 高溫等離子體。第二類型的裝置通過由在陰極和形成等離子體通道的陽極之間建立的電弧加熱 通過等離子體通道的等離子體生成氣體流來生成等離子體。第二類型的裝置的例子公開於 美國專利No. 6，475，215中。依據美國專利No. 6，475，215的公開內容，作為等離子體生成 氣體，優選為氬氣，穿過等離子體通道，脈衝DC電壓施加在陽極和陰極之間。將或不將預定 的恆定偏壓 加入到脈衝DC電壓。在電壓脈衝期間，等離子體生成氣體中的自由電子的數量 將增加，這導致等離子體的電阻減小，而流過等離子體的電流指數增長。在關斷時段中，等 離子體生成氣體中的自由電子的數量減少，這導致等離子體的電阻增大，且流經等離子體 的電流指數減小。雖然在關斷時段期間電流較低，但其並沒有完全停止。該低電流(稱為 備用電流)是不想要的，因為沒有生成真實脈衝等離子體流。在關斷時段中，維持了連續的 低功率等離子體流。本質上，該裝置沒有生成脈衝等離子體，而是生成了具有功率尖峰(稱 為脈衝)的連續等離子體流，從而模擬了脈衝等離子體。由於關斷時段遠比脈衝長，因而該 裝置在關斷時段期間輸出了大量能量，並且不能被有效率地用於需要真實脈衝等離子體流 的應用。例如，如果該裝置被用於皮膚治療，則在每次脈衝後必須從皮膚表面移走該裝置， 以使得皮膚不會在關斷時段期間暴露在低功率等離子體下。這損害了該裝置的可用性和安 全性。當使用在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置時，在脈衝之間將流經該等離子 體的電流降至零並為等離子體的每個脈衝重啟該裝置是不可實現的。作為使較高電流通過 陰極而不保證陰極為等離子體流發出足夠的電子來支持該電流的結果，為每次脈衝重啟該 裝置將使得陰極被快速損壞。在陰極開始發射具有足夠高的速率的電子以維持較高電流之 前，試圖將該較高電流通過陰極將對陰極造成壓力，這最終將導致陰極損壞。可選地，可以 緩慢地增大陰極和陽極之間的電壓和流經等離子體的電流。但是這種選擇也是不實際的， 因為對於每次脈衝的裝置啟動的時間將會變得不可忍受的長。由於裝置的結構，在美國專利No. 6，475，215中公開的裝置以及在本領域中當前 公知的該類型的其他裝置不能生成真實脈衝等離子體流。當這種類型的裝置啟動時，由於 濺射的緣故，電極存在一定程度的腐蝕。該腐蝕導致了等離子體中流動的分離的電極材料 (例如金屬微粒)。當使用連續的等離子體流時，啟動雜質是相對較小的缺點，因為啟動以 及與其相關的雜質每次治療僅出現一次。因此，在啟動之後，在開始實際的治療之前，可以 等待幾秒鐘，以使電極微粒離開裝置。然而，當使用脈衝等離子體流時，等待雜質離開該裝 置是不實際的，因為對於每次脈衝時微粒均從電極分離出來。當等離子體流已經在之前被創建時，僅花費幾微秒即可增大或減小等離子體流中 的電流。此外，由於在治療中沒有啟動，雜質不進入等離子體流，並且陰極上不存在壓力。但 是，如上所述，即使持續維持經過等離子體的低電流也會使該裝置對於需要真實脈衝等離 子體流的某些應用而言不是最優的。藉助用電弧加熱等離子體生成氣體來生成真實脈衝等離子體流的困難主要是由 發生在電極上的過程的特性造成的。一般地，並且特別對於醫學應用而言，當電流快速增大時，確保操作不腐蝕陽極和陰極是極為重要的。在電流快速增大期間，陰極的溫度可能較 低，且在脈衝的隨後重複期間不易被控制。當在陰極和陽極之間生成電弧時，該電弧接合到 陰極的區域很大程度上取決於陰極的初始溫度。當陰極是冷卻的時，該接合區域就相對較 小。在幾次脈衝之後，陰極的溫度增高，從而在電流快速增大過程中，該接合區域在陰極的 整個表面區域上延伸，甚至在陰極支持部上延伸。在這些情況下，陰極電勢開始波動，且陰 極腐蝕開始。此外，如果電弧的接合區域達到陰極支持部，則該支持部將開始熔化，從而會 將不希望的雜質引入等離子體流。為了使陰極正常發揮作用，在等離子體的每次脈衝中的 電流快速增大的時段中，必須控制電弧接合到陰極表面的區域的精確位置和大小。電弧傾向於接合到陰極上的表面缺陷(也稱為不規則)處。在現有技術中，通過 改變圓柱形陰極的形狀來形成這樣的表面缺陷。在現有技術中使用的典型的表面缺陷是陰 極錐(tapering)。陰極錐形成了電弧傾向於接合的尖端。另一個用於產生缺陷的途徑是 以一定角度切割圓柱形陰極。這也創建了電弧傾向於接合的缺陷。儘管這些方法控制了連 續等離子體流過程之間的電弧接合的位置，但是由於上述的電弧接合區域的逐漸擴展的緣 故，它們不足以控制用於脈衝等離子體操作的該區域的大小。與這些控制電弧接合區域的位置和大小的方法無關，一些現有技術的裝置為了各 種目的而使用多個陰極。例如，在美國專利No. 1，661，579中，多個陰極被用在基於等離子 體的燈泡中，以用於在它們之間生成火花。在美國專利No. 2，615，137中，多個陰極被分成 三組。在這些陰極之間分配三相功率，使得在一相時間內使用一個組的陰極，以提供偽連續 模式的操作。在美國專利No. 3，566，185中，通過使用由磁場隔離在陰極之間的微粒，一對 陰極被用於從陰極濺射金屬跡線。在美國專利No. 4，785，220中，在轉動的鼓中設置了多個 陰極，以使得在不破壞其中發生放電的真空腔的真空密封的情況下，可以互換陰極。美國專 利No. 4，713，170公開了淨水系統，在該系統中圍繞陽極成間隔地分布多個陰極。該多陰極 配置用於降低對流經淨水器的水流的幹擾。在美國專利No. 5，089，707中，由電絕緣的陰極 組成的多陰極組件被用於通過輪換參與電弧生成的陰極來延長離子束設備的壽命。在美國 專利No. 5，225，625中，彼此間隔排布的多個平行的陰極被用於等離子體噴射裝置來擴展 等離子體流的橫截面，以防止粉末微粒阻塞等離子體通道。一般而言，公開了多個陰極的現 有技術參考文獻沒有涉及與脈衝等離子體的生成有關的問題。因此，目前需要一種陰極組件和操作使用該陰極組件的裝置的方法，其中，該陰極 組件克服了現有技術的局限並用於脈衝等離子體的生成。

發明內容
用於脈衝等離子體生成的陰極組件包括連接到多個縱向排列的陰極的陰極支持 部。優選地，該組件中的陰極儘可能緊密地集中在一起。這些陰極優選地由含有鑭的鎢制 成。這些陰極優選地具有相同的直徑和不同的長度。最優地，長度上最接近的兩個陰極之 間的長度差大約等於組件中的一個陰極的直徑，即優選為0. 5mm。根據本發明的實施例的陰 極組件被用在基於通過電弧加熱等離子體生成氣體來生成脈衝等離子體的裝置中，其中該 電弧建立在陰極之一和陽極之間。具體而言，陰極組件包括(a)陰極支持部和(b) —束連 接到該陰極支持部的多個縱向排列的陰極，其中每個陰極都物理接觸至少另一個陰極。在操作中，在優選實施例中，等離子體生成氣體經過陰極和陽極之間，優選地穿過等離子體通道。通過在陽極和陰極之間施加高頻和高幅值電壓波，產生大量自由電子。這些電子形成火花放電。該火花電離等離子體生成氣體，後者進入輝光放電階段。在輝光放 電過程中，由於氣體原子的電離而形成的正離子撞擊陰極，從而加熱陰極。一旦朝向陽極的 陰極末端達到熱離子電子發射的溫度，則等離子體生成氣體進入電弧放電階段，並且該電 弧建立在陰極和陽極之間。該電弧接合到組件中的所有陰極。在陰極和陽極之間建立電弧後，電流被減小到足以維持電弧的幅值或略大一些的 幅值。這導致電弧接合區域減小。接合區域減小將使得電弧僅接合單個陰極。在維持該低 電流一段時間之後，電流將提升到脈衝的操作水平。接合區域沒有顯著增大，並且僅僅從單 個陰極發生電子發射。在維持操作電流一段希望的持續時間之後，裝置進入不施加電流和 電壓的關斷時段。本操作方法避免了與現有技術的方法相關的不穩定操作的問題。如果依據本方法 操作多陰極組件，則陰極不會過熱，並且電弧的接合區域也不會擴展到陰極支持部。這就保 證了等離子體生成裝置的穩定操作。當用於具有單個陰極的陰極組件之中時，該操作方法 也提供了某些裨益。生成脈衝等離子體的方法包括(a)使第一電流流過一個或多個陰極和一個陽 極；(b)使第二電流流過該一個或多個陰極和該陽極，該第二電流的幅值小於該第一電流 的幅值；(c)使第三電流流過該一個或多個陰極和該陽極，該第三電流的幅值大於該第一 電流的幅值；以及(d)停止流過該一個或多個陰極和該陽極的該第三電流。


圖1示出了用於生成脈衝等離子體的基本裝置；圖2示出了優選實施例的陰極組件的三維視圖；圖3示出了用於生成適於皮膚治療的脈衝等離子體的裝置；圖4A示出了陽極和陰極之間的用於生成每個脈衝的電壓曲線圖；圖4B示出了施加到陰極、等離子體通道中的等離子體生成氣體和陽極的用於生 成每個脈衝的電流曲線圖；圖5A-I示出了在生成脈衝過程中發生在等離子體通道中的過程；圖6A示出了根據現有技術中目前已知的方法在生成多個脈衝之後單陰極組件中 的陰極溫度和電弧接合區域；圖6B示出了根據本發明的實施例在生成多個脈衝之後多陰極組件中的陰極溫度 和電弧接合區域；圖7A是根據現有技術的方法在生成500個脈衝之後的單陰極組件的微觀視圖的 略圖；以及圖7B是根據本發明的方法的實施例在生成40，000個脈衝之後的多陰極組件的微 觀視圖的略圖。
具體實施例方式在示例性實施例中，具有多個陰極的陰極組件是等離子體生成裝置的一部分。對 組件中的陰極數量並不存在理論限制，只要其中存在至少兩個陰極即可。圖1示出了這種裝置的縱向橫截面的示意圖。陰極支持部2容納了彼此縱向排列的三個陰極10、20和30。 陽極4位於與陰極成一定距離之處。在優選實施例中，開始時，這些陰極在其最接近陽極4 的末端(「陽極末端」)處分別具有平整表面12、22和32。該平整表面12、22和32分別形 成了邊緣14、24和34。圖2示出了陰極組件的三維視圖。在幾何上來說，陰極必須緊密集合成一束。緊密集合成一束意味著所有的陰極被 排布成單個組，其中每個陰極都縱向接觸至少另一陰極並且沒有陰極與該組分離。陰極優 選地儘可能緊密地集束在一起。但是，組件中的每個陰極與束中的至少另一陰極物理接觸 是足夠的。理論上，組件中的陰極可以有不同的直徑。但是，在優選實施例中，陰極10、20 和30具有相同的直徑，優選為0. 5mm。在一些實施例中，組件中的至少一個陰極的長度不同 於至少另一陰極的長度。在優選實施例中，組件中的所有陰極具有不同的長度。優選地，兩 個陰極之間的最小長度差大約等於一個陰極的直徑，這在組件的優選實施例中為0. 5mm。在一些實施例中，容納有陰極組件的裝置也包括在陰極10、20、30和陽極4之間延 伸並穿過陽極4的等離子體通道6。在一些實施例中，等離子體通道由一個或多個中間電極 形成。在一些實施例中，陰極10、20和30的陽極末端位於與等離子體通道連接的等離子體 腔中。陰極組件可以用於其他裝置中，例如如圖3所示的脈衝等離子體生成裝置中。
但是，可以容納該陰極組件的裝置不限於等離子體生成裝置。在一些實施例中，陰 極組件可以用於光源中或作為通信裝置的一部分。一般而言，該陰極組件可用在需要在陰 極和陽極之間建立短持續時間的電弧的任意裝置中。為了描述本操作方法的目的，使用了圖3中所示的裝置的實施例。然而，應當注意 至IJ，如果與其它裝置中的多陰極組件結合使用，以下所述的方法將提供同樣的裨益。而且， 這些操作方法也可以與單陰極組件結合使用，儘管在多陰極組件上使用這些操作方法會更 加有效。圖3中示出的裝置包括在圖2中示出的陰極組件，其具有陰極支持部2和陰極10、 20和30。該裝置還包括陽極4以及與陽極4電絕緣並且相互電絕緣的一個或多個中間電極 42a_e。等離子體通道6由中間電極42a_e和陽極4形成。在一些實施例中，中間電極42a 也形成等離子體腔8。在該裝置的操作過程中，等離子體生成氣體，通常是惰性氣體(例如 氬氣)，通過開口 72被引入裝置。該等離子體生成氣體沿陰極10、20和30流入等離子體腔 8，再流入等離子體通道6，最後通過陰極4中的開口離開該裝置。在一些實施例中，延伸噴嘴被固定在裝置的陽極末端處。該延伸噴嘴形成連接到 等離子體通道的延伸通道。管狀絕緣體元件覆蓋延伸通道的內部表面的縱向部分。此外， 在一些實施例中，延伸噴嘴具有一個或多個攜氧氣體入口。例如如圖3所示的等離子體生成裝置通常連接到一個或多個電路，這些電路控制 (1)施加在陽極4和陰極10、20和30之間的電壓以及(2)流經陰極10、20、30、等離子體通 道6中的等離子體生成氣體以及陽極4的電流。用於控制電流的電路是本領域中公知的電 流源。這些電路被用於生成每個等離子體脈衝。組件中的所有陰極都彼此電連接，以及連 接到相同電路，從而陰極10、20、30具有相同的電勢，以及在各個個體的陰極之間不存在電 壓，而只在陽極4和所有陰極10、20、30之間存在電壓。等離子體脈衝形成過程由以下步驟 控制(1)在陰極和陽極之間施加電壓，以及⑵控制流經等離子體生成氣體的電流。作為簡單的概述，等離子體生成過程包括三個階段(1)火花放電，(2)輝光放電 和(3)電弧放電。電弧放電階段中的電弧加熱流經等離子體通道6的的等離子體生成氣體，從而形成等離子體。生成每個等離子體脈衝均需要等離子體生成氣體經過所有三個階段。 在生成脈衝之前，等離子體生成氣體的電阻接近無窮大。由於宇宙線對原子的電離，在等離 子體生成氣體中存在少量自由電子。為了產生火花放電，在陽極4和陰極10、20、30之間施加高幅值、高頻率電壓波。該 波增加了陰極10、20、30和陽極4之間的等離子體通道6中的自由電子的數量。一旦已經 形成足夠數量的自由電子，DC電壓將被施加到陽極4和陰極10、20、30之間，並且DC電流 將流經陰極10、20、30，等離子體生成氣體和陽極4，從而在陰極10、20、30和陽極4之間形 成火花放電。在火花放電之後，等離子體生成氣體的電阻下降，並且開始輝光放電階段。在輝光 放電階段中，在由陰極和陽極4之間的電壓產生的電場的影響下，正電性離子被吸引到陰 極10、20、30。由於陰極10、20、30被離子撞擊，陰極的陽極末端的溫度升高。一旦該溫度達 到熱離子電子發射的溫度，則開始電弧放電階段。開始時，電弧接合組件中的所有陰極。流 過等離子體生成氣體的電流之後被降低，從而電弧接合區域減小到能夠維持該電弧的幾乎 最小接合區域。由於電弧接合區域較小，所以接合區域被限於組件中的單個陰極。因此，維 持電弧放電所需的電流(取決於陰極的直徑)相對較小。在電流已經被減小並被維持在該 水平一段時間之後，該電流快速增大到脈衝的操作水平。電弧接合區域未顯著增大，且僅單 個陰極在脈衝的剩餘時間內繼續發射電子。減小電弧接合區域然後維持這一較小區域以使 得僅單個陰極從受控區域發射電子對於真實脈衝等離子體裝置的操作是極為重要的。
更具體地，以下結合圖4A-4B討論脈衝等離子體生成的方法。圖4A示出了施加在 陽極4和陰極10、20、30之間的電壓，圖4B示出了從一個或多個陰極10、20、30到陽極4經 過等離子體通道6中的等離子體生成氣體而流經等離子體的電流。當該方法與圖3中所示 的脈衝等離子體裝置中的三陰極組件結合使用時，以下描述的電壓、電流和時間的值對於 該方法是優選的。當該方法被用於多陰極組件的其他實施例或者多陰極組件被用於另一裝 置中時，其他的電壓、電流和時間值可能是優選的。圖4A示出了施加在陽極4和陰極10、20、30之間的電壓的曲線圖。在生成等離子 體脈衝之前，在時刻、處，生成偏壓202。該偏壓可以是100-1000伏，但是優選為400-500 伏。在、和、之間，偏壓由一電路施加在陽極4和陰極10、20、30之間。但是，生成偏壓 202不會產生任何流經等離子體通道6中的等離子體生成氣體的電流，因為等離子體生成 氣體的電阻接近無窮大。在一個實施例中，電容器被用於維持該偏壓。圖5A示出了在、和 、之間在等離子體通道6中不存在電流，以及在陰極10、20、30和陽極4之間等離子體通道 6中僅存在少量的自由電子。在時刻、處，在陽極4和陰極10、20、30之間施加高頻率、高幅值電壓波204。該 波的幅值至少為lkV，但是優選為5kV左右。在一些實施例中，該高頻率和高幅值電壓波204 被抑制，其具有指數減小的幅值，如圖4A所示。該波的頻率至少為300kHz，優選為500kHz 左右。該高電壓、高頻率波的持續時間為至少兩個波長。例如，具有500kHz頻率的波的持 續時間至少應為0. 4微秒；但是優選15-20微秒的更長波。注意，該高頻率、高幅值電壓波 204是脈衝等離子體生成的唯一電壓控制部分。在脈衝的剩餘部分，作為電流通過陰極10、 20,30和陽極4之間的等離子體生成氣體的結果，該電壓被維持在陽極4和陰極10、20、30 之間。
該高頻率、高幅值電壓波204在等離子體通道6內部的等離子體生成氣體中產生 了自由電子的快速交替運動。這些快速移動的自由電子從流經等離子體通道6的等離子體 生成氣體的原子中撞擊出電子。這一過程已知為電子雪崩。作為電子雪崩的結果，自由電 子的數量將達到足以在陰極10、20、30和陽極4之間產生火花放電的數量，如圖5B所示。在具有由一個或多個中間電極形成的等離子體通道6的實施例中(例如如圖3所 示)，將首先在陰極以及最接近這些陰極的中間電極42a之間建立火花。其他火花將在流經 等離子體通道6的等離子體生成氣體中的自由電子以及形成等離子體通道6的其他中間電 極42b-e之間產生。最終，在陰極10、20、30和陽極4之間產生如圖5C所示的火花放電。該火花放電電離等離子體生成氣體中的一些原子，因此提高了等離子體生成氣體的導電性並將其電阻降低到優選為200-1000歐姆。作為電離的結果而產生的自由電子被 局限於相對較小的體積302中，如圖5C所示。在時刻t2處，在高頻率、高幅值電壓波204結束後，處於100-1000伏範圍之中、優 選約為400-500伏的電壓206被施加在陽極4和陰極10、20、30之間。在一些實施例中，在 時刻t2施加的電壓等於所述高頻率、高幅值電壓波204的偏壓202。在一些實施例中，電壓 206隨時間指數減小，如圖4A所示。在時刻t2處，等離子體生成氣體具有足夠多的自由電子來導電。但是，陰極10、20、 30沒有被足夠地加熱以實現熱離子電子發射，該熱離子電子發射可實現可持續電弧，該可 持續電弧可維持具有特定應用(如皮膚治療)所需的特性的等離子體流的生成。放電電壓 206開始了輝光放電階段。為使陰極10、20、30開始熱電離發射電子，它們的表面12、22和 32必須達到對於陰極材料特定的某個溫度，該溫度被稱為熱離子電子發射溫度或熱離子電 子發射的溫度。例如，對於由含鑭的鎢製成的陰極，例如在本優選實施例中使用的陰極，電 子發射的溫度大約為2800° -3200° K。在由陽極4和陰極10、20、30之間的電壓產生的電 場的影響下，存在於等離子體通道6中的自由電子被吸向陽極4，而離子被吸向陰極10、20、 30。如圖5D所示的輝光放電是一種自維持的放電，其中由於二次發射的緣故，主要是由於 離子撞擊的緣故，冷陰極發射電子。在優選實施例中，該放電的區別特徵是在陰極處的一層 正空間電荷，其在表面上具有強電場以及100-400伏的相當大的電位降。在本領域中，該電 位降是已知的陰極勢降。如果電流增大，則輝光放電將在特定水平處轉換成電弧放電，並且 之後將達到足夠的表面溫度來熱電離地發射電子。在時刻t3處，當陽極4和陰極10、20、30之間的電壓降到預定值時，流經陰極10、 20和30、等離子體通道6中的等離子體生成氣體以及陽極4的電流將從OA (安培)增大到 預定的第一電流，優選處於4-6A的範圍內。優選地，該電流被維持Ι-lOms。當電流開始增 大時，該預定電壓處於時刻t2時的電壓的？_5-一_5倍之間，但是優選地，其大約是時刻t2 時的電壓的e—1倍。(注意，e是自然對數的基數，其大約等於2. 718)。例如，在一個實施例 中，時刻t2時在陽極4和陰極10、20、30之間施加的電壓大約是400伏。當電壓降至大約 150伏時，經過等離子體生成氣體的電流被增大到大約5A。在一些實施例中，電流增大表現 為t3和t4之間的斜坡，其具有300-500微秒的持續時間。在時刻t4之後的一段時間內，陰極開始從它們的表面12、22和32熱電離地發射 電子，如圖5E所示。此時的電子發射足以維持生成具有希望的特性的等離子體所需的電 弧。此時，電弧放電階段開始並且建立陰極10、20、30和陽極4之間的沿等離子體通道6的電弧。流中的等離子體的電阻大約是1-3歐姆。此時，理論上，電流可以增大到特殊應用所 需的操作水平，如圖5F所示。但是，此時將電流增大到操作水平將導致以下不希望的效果。 如圖5D-5F所示，組件中的所有陰極均參與輝光放電階段，並且隨後參與電弧放電階段。在 輝光放電階段中，陰極10、20、30繼續被正電性離子撞擊，且在電弧放電階段中，電弧接合 到所有陰極的表面區域。在脈衝之間的關斷時段中，陰極10、20、30的溫度未降到原來的非 操作水平，從而當從之前的脈衝起陰極仍然被加熱時，出現輝光放電和電弧放電階段。由於 陰極的大部分被足夠地加熱到在每次脈衝中發射電子，等離子體接合區域增大。在某時刻， 在大約300-500次脈衝之後，等離子體接合到陰極的整個表面區域，並也開始接合到陰極 支持部2。當電弧接合到陰極支持部2時，陰極支持部被加熱到開始濺射和發射電子連同電 極材料的程度。這就在等離子體流中引入了雜質，對某些應用而言，特別是對醫療應用而 言，這是不可接受的。此外，熔點比陰極熔點低很多的陰極支持部開始熔化。由於與一個或 多個陰極接觸的陰極支持部的部分開始熔化，那些陰極會被損壞。這樣的損壞會導致缺陷， 在接下來的脈衝中電弧可能接合到該缺陷。電弧在一個或多個陰極的基部接合該缺陷也會 導致電弧結束在等離子體通道的外部。這導致不能控制是否在等離子體通道中形成等離子 體。此外，該不受控制的接合表面導致陰極上的電勢波動。一般而言，電弧接合區域的不受 控制的擴展會導致該裝置的不穩定操作。
延長陰極的長度，從而增大陰極支持部2與陰極10、20、30的陽極末端(開始時電 弧接合於此處)之間的距離，被證明是一種次優方案。實驗已經表明，延長陰極不會消除， 而只是略微延遲了上述不希望的過程。根據本優選方法，在時刻t5處，電流減小到第二電流。在一些實施例中，該電流減 小表現為斜坡209，其持續時間為300-500微秒。該電流優選地降到維持電弧放電所需的最 小電流以及該電流的大約3倍之間的水平。對一些實施例而言，該電流處於0. 33-1. OA的範 圍內。優選地，第二電流被維持5-20ms。該電流降導致了陰極10、20、30和陽極4之間的電 弧的橫截面的減小以及減小的電弧接合區域。雖然不必將接合區域減小到維持電弧所需的 最小值，但是減小的電流將接合區域減小到不顯著超出該最小區域的尺寸。如圖5G所示， 電弧未接合到陰極的整個表面區域。事實上，為了維持電弧，發射的電子集中在相對小的體 積內，並且從較小的區域發出，如圖5G所示。因為穿過該較小的接合區域的高電流密度通 量的緣故，加熱陰極的離子電流保持足夠強以維持來自陰極的熱離子電子發射。該離子電 流導致了電弧接合區域以及周圍體積上的非常高的溫度。以這種方式減小施加在陰極10、 20、30，等離子體生成氣體和陽極4上的電流確保了電弧僅接合到單個陰極，並且還確保了 電弧接合被限於相對小的區域。通過試驗已經發現，陰極直徑對流過陰極同時維持陰極和陽極之間的電弧的最小 可持續電流影響最大。例如，對具有1. Omm直徑和5mm長度的陰極而言，該最小電流大約為 IA0對具有0. 5mm直徑和5mm長度的陰極而言，該最小電流為約0. 5A。對具有0. 5mm直徑和 35mm長度的陰極而言，該最小電流為約0. 3A。由於在t6_t7之間的第二減小的電流的時段中 等離子體接合到僅僅一個陰極，因此與維持接合到組件中的所有陰極的電弧所需的電流(如 、至、之間)相比，可以用較小的電流維持電弧。轉到陰極組件的優選實施例，由於組件中的 單個陰極的直徑大約是組件中的所有陰極的總直徑的一半，因此當電弧接合到單個陰極時，維持電弧所需的電流大約是電弧接合到所有三個陰極時維持電弧所需的電流的一半。在時刻t7處，電流增大到特殊應用需要的第三電流(操作水平)，優選地處於 10-80A的範圍內。在一些實施例中，該電流增大表現為丨7和、之間的斜坡211，其具有 300-500微秒的持續時間。該增大的速率是1000-10000A/S。到時刻t8為止，作為該裝置 的幾何形狀和流經陰極10、20、30之一和陽極4之間的電流的結果，優選地處於30-90伏的 範圍內的操作電壓保持在陽極4和陰極10、20、30之間，。在時刻t8處，電流達到操作水平，且在操作電流水平214和操作電壓水平216處 (其優選地分別為10-80A和30-90V)維持了完全形成的等離子體流。對特定應用而言， 在希望的持續時間內維持這些操作水平。例如，對皮膚治療而言，優選的持續時間t7-t8為 5-lOOms。圖5H示出了陰極之一(陰極10)與陽極4之間的、維持完全形成的等離子體流 的電弧。在脈衝的操作時段中，該電弧具有不顯著大於時段、-、中(此時通過第二電流) 的電弧的橫截面的橫截面。
在時刻t9處，當等離子體流已經維持了所述希望的持續時間時，流經等離子體通 道6內的等離子體生成氣體的電流被關斷，且隨後停止施加陽極4和陰極10、20、30之間的 電壓，且該裝置進入關斷時段，如圖51所示，直到生成等離子體的下一脈衝為止。使用上述方法避免了如上所述的逐漸擴展的電弧接合區域。在優選實施例中，從 、至、(此時等離子體可接合到陰極的整個暴露的表面區域)進行的輝光放電持續多達 10ms。在輝光放電過程中獲得的任何溫度升高在脈衝的剩餘部分以及關斷時段內不會再出 現。因此，到必須生成新的脈衝時，陰極已經冷卻。圖6A示意性地示出了對於根據現有技 術的方法生成的一系列脈衝的單陰極組件的接合溫度和區域。其上部的圖示出了作為時間 的函數的電流。其中間的圖示出了作為時間的函數的陰極溫度。其底部的圖示出了作為時 間的函數的陰極組件的電弧接合區域。雖然為說明的目的圖6A只示出了 4個脈衝，但是真 實過程在大約300-500個脈衝的範圍上進行。因此，例如，第一圖示的脈衝可以是第一實際 脈衝，第二圖示的脈衝可以是第150個實際脈衝，第三圖示的脈衝可以是第300個實際脈 衝，且第四圖示的脈衝可以是第450個實際脈衝。在第一圖示的脈衝中，陰極是冷卻的，且 電弧接合到陰極表面的較小區域。然而，在第一圖示的脈衝中，流經陰極的電流升高了陰極 的溫度。雖然在下一個脈衝之前陰極的溫度有所下降，但是其沒有下降到其原始的非操作 溫度。在第二圖示的脈衝中，電弧接合區域未增大，但是陰極的溫度進一步升高。在第二圖 示的脈衝之後，該溫度有所下降，但是其沒有達到第二脈衝之前的陰極溫度。在第三圖示的 脈衝中，溫度進一步升高並超過臨界溫度Ttl，在該臨界溫度之上，陰極的整個主體都能夠熱 電離地發射電子。在陰極溫度超過Ttl後，接合區域隨每個下一次脈衝快速增大。如圖6A所 示，到第四圖示的脈衝為止，電弧接合區域已經覆蓋整個陰極表面。圖6B示意性地示出了對於根據本發明的實施例生成的一系列脈衝的多陰極組件 的優選實施例的溫度和接合區域。電流脈衝對應於如圖4所示的和如上所述的脈衝。圖示 的脈衝以與圖6中所示的相同的方式對應於實際脈衝。如上所述，在每個電流脈衝中，在啟 動電弧之後，該電弧接合到組件中的所有陰極。該電流然後下降，以減小接合區域至單個陰 極，且然後該電流僅被升高到操作水平。因為在脈衝的基本整個持續時間內電弧接合到較 小的區域，因而陰極的整個主體沒有被顯著加熱。在關斷時段中，陰極快速冷卻，因為大部 分的陰極組件在脈衝過程中相對較冷。如圖6B所示，在第一圖示的脈衝之後，在下一實際脈衝之前，陰極的溫度下降到非操作溫度。因此，當下一個實際的電流脈衝開始時，組件中 的陰極具有原始的非操作溫度。在該脈衝隨後的關斷時段中，陰極溫度再次下降到原始的 非操作水平。由於陰極溫度從未超過Ttl，因此對上萬次脈衝而言，接合區域不會增大且大約 保持相同，如圖6B中的底部的圖所示。圖7A是根據現有技術的方法生成的500個脈衝之後的單陰極組件的微觀視圖的 略圖。區域350是該500次脈衝過程的最後脈衝過程中的電弧接合區域。陰極支持部352 被熔化，且區域350包括整個陰極。對陰極的微觀檢查表明，該接合區域被嚴重腐蝕，這是 因為陰極的溫度不穩定，其由不考慮控制接合區域的操作方法產生。圖7B是根據本發明的 方法的實施例生成的40000個脈衝之後的多陰極組件的微觀視圖的略圖。區域360是該 40000次脈衝過程的最後脈衝過程中的接合區域。如圖7B所示，由於電弧從不接合到它們， 陰極支持部和最接近陰極支持部的陰極的縱向部分未受影響。而且，被接合區域覆蓋的陰 極部分所受影響也不明顯，因為電弧僅僅在t4和t5之間接合到那個區域，如圖5F所示，且 在t5之後，該接合區域減小為一個陰極上的較小區域，從而陰極的剩餘部分未受電弧影響。已通過試驗發現，對圖2中所示的陰極組件而言，在最初的幾千個脈衝的時間內， 電弧接合到最短的陰極10。在這些脈衝中，陰極10的陽極末端被明顯加熱。結果，在陰極 10的陽極末端處出現一定程度的熔化。陰極10失去了邊緣14的精心限定的表面缺陷。一 旦表面缺陷沒有被很好地限定，則電弧開始接合到第二最短的陰極20，其陽極末端仍然具 有精心限定的邊緣24。在若干千次脈衝之後，陰極20的末端失去該精心限定的邊緣24。然 後，該電弧開始接合到下一個最短的陰極，即陰極30。在幾千次脈衝之後，陰極30的末端也 失去其精心限定的邊緣34。在包括多於三個陰極的陰極組件的實施例中，電弧以長度增長 的次序接合到不同的陰極。在電弧已經接合到最長的陰極之後，因為被其陽極末端吸收的 熱量的緣故，由於發生一定程度的熔化的原因，所有陰極的最接近陽極的末端均失去它們 的精心限定的邊緣。一旦出現這種情況，電弧開始再次接合到最短的陰極。電弧在幾千次脈衝的時間 內接合到陰極10，直到陽極進一步失去其邊緣14的限定。在這一點，電弧開始接合到第二 最短陰極，即陰極20，其包括具有比邊緣12限定更好的邊緣22的陽極末端。在幾千次脈衝 後，電弧接合到下一個最短的陰極，等等。對於如圖2所示的陰極組件而言，試驗已經表明，在約大約10000個脈衝的時間 內，電弧接合到陰極10，之後，在下一個大約10000個脈衝的時間內，其接合到陰極20，再之 後，在下一個大約10000個脈衝的時間內，其接合到陰極30。在此之後，在下一個大約10000 個脈衝的時間內，電弧再次接合到陰極10，等等。已經示出，如圖2所示的陰極組件已以這 種方式工作60000個脈衝的過程時間，這對於大多數脈衝等離子體應用而言都是足夠的雖然當與多陰極組件一起使用時以上公開的方法提供了最佳結果，但是對單陰極 組件而言使用該方法也是有益的。已為說明和描述的目的而提供了對本發明的實施例的前述描述。其本意不是窮舉 性的，也不欲將本發明限制於所公開的精確形式。對本領域技術人員而言，許多更改和變化 是顯而易見的。為了最好地解釋本發明的原理及其實際應用而選擇和描述了這些實施例， 從而使本領域的其他技術人員能夠理解本發明。可以設想適於特定應用的不同實施例和變 型。本意是本發明的範圍由所附權利要求及其等同物限定。
權利要求
一種陰極組件，包括a.陰極支持部；和b.多個縱向排列的陰極，其作為一個集束而與所述陰極支持部連接，且每個陰極與至少一個其他陰極物理接觸。
2.如權利要求1所述的陰極組件，其中所述陰極彼此電連接。
3.如權利要求1所述的陰極組件，其中所述陰極中的至少一個的長度不同於至少一個 其他陰極的長度。
4.如權利要求3所述的陰極組件，其中所有的所述陰極具有不同的長度。
5.如權利要求4所述的陰極組件，其中所述多個陰極中的每一個的直徑大致相等。
6.如權利要求5所述的陰極組件，其中一對陰極之間的長度的最小差值等於陰極的直徑。
7.如權利要求5所述的陰極組件，其中所述陰極的直徑是0.5mm。
8.—種在包括陽極和陰極組件的裝置中產生等離子體脈衝的方法，該陰極組件包括連 接到一個或多個陰極的陰極支持部，該方法包括a.使第一電流通過所述一個或多個陰極和所述陽極；b.使第二電流通過所述一個或多個陰極和所述陽極，該第二電流的幅值小於所述第一 電流的幅值；c.使第三電流通過所述一個或多個陰極和所述陽極，該第三電流的幅值大於所述第一 電流的幅值；以及d.停止通過所述一個或多個陰極和所述陽極的該第三電流。
9.如權利要求8所述的方法，其中所述第二電流通過一個陰極，並且所述第三電流通 過相同的陰極。
10.如權利要求9所述的方法，還包括在通過所述第一電流之前在所述陽極和所述一 個或多個陰極之間施加交變電壓。
11.如權利要求10所述的方法，其中所述第二電流的幅值處於維持所述陰極和所述陽 極之間的電弧所需的最小電流的一倍到三倍之間。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述第二電流的幅值是0.33-1. OA。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述第一電流的幅值是4.0-6. OA。
14.如權利要求13所述的方法，其中所述第三電流的幅值是10-80A。
全文摘要
公開了用於生成脈衝等離子體的陰極組件和方法。該陰極組件包括與多個縱向排列的、優選地具有相同直徑和不同長度的陰極(10、20、30)連接的陰極支持部(2)。該方法的特徵在於，通過流過預定幅值的DC電流而在該陰極組件中的陰極(10、20、30)與陽極(4)之間形成電弧。一旦建立電弧，則該電流的幅值將減至足以維持電弧，或是略大的幅值，從而將電弧的接合區域減小到單個陰極。一旦電弧的接合區域已被減小，則該電流將升至脈衝的操作水平，但是電弧的接合區域並不會顯著增大。
文檔編號H05H1/36GK101828433SQ200780100858
公開日2010年9月8日 申請日期2007年8月6日 優先權日2007年8月6日
發明者尼克雷·薩斯洛夫 申請人:普拉斯馬外科投資有限公司