Плазменная сопловая решетка для обеспечения генерирования однородной расширяющейся микроволновой плазмы

Плазменная сопловая решетка для обеспечения генерирования однородной расширяющейся микроволновой плазмы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка имеет отношение к параллельно поданной заявке согласно РСТ US № 2005026085, зарегистрированной 21 июля 2005 года, озаглавленный "СИСТЕМА И СПОСОБ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ МОЩНОСТИ В ПРЕДЕЛАХ МИКРОВОЛНОВОГО РЕЗОНАТОРА", которая тем самым включается в настоящую заявку посредством ссылки во всей полноте.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

1. Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение имеет отношение к системам генерирования плазмы и, конкретнее, к микроволновым плазменным системам, имеющим плазменные сопловые решетки.

2. Предшествующий уровень техники

В течение последних лет наращивались достижения в производстве плазмы. Как правило, плазма состоит из положительно заряженных ионов, нейтральных частиц и электронов. В целом, плазмы могут быть подразделены на две категории: термически равновесные и термически неравновесные плазмы. Термическое равновесие подразумевает, что температура всех частиц, в том числе положительно заряженных ионов, нейтральных частиц и электронов, является одинаковой.

Плазмы также могут быть разделены на плазмы в состоянии локального термического равновесия (ЛТР) и в не-ЛТР состоянии, причем это подразделение обычно зависит от давления плазм. Термин "локальное тепловое равновесие (ЛТР)" имеет отношение к термодинамическому состоянию в тех случаях, когда температуры всех частиц плазмы одинаковы в локализованных областях в плазме.

Высокое плазменное давление порождает большое число столкновений в плазме за единичный временной интервал, приводящих к достаточному обмену энергией между частицами, составляющими плазму, и это приводит к равной температуре для плазменных частиц. С другой стороны, низкое плазменное давление может в результате давать одну или более температуры для плазменных частиц вследствие недостаточных столкновений между частицами плазмы.

В не-ЛТР, или попросту нетермических плазмах, температура ионов и нейтральных частиц обычно является меньше 100°C, в то время как температура электронов может достигать нескольких десятков тысяч градусов по Цельсию. Поэтому не-ЛТР плазма может служить высокореактивным средством для энергоемких, а также тонких прикладных задач без потребления большого количества энергии. Эта "горячая прохлада" предоставляет множество возможностей для технологических процессов и экономические перспективы для различных прикладных задач. Энергоемкие прикладные задачи включают в себя системы металлизации и плазменной резки, а тонкие прикладные задачи включают в себя плазменные системы очистки поверхности и плазменные дисплеи.

Одной из этих прикладных задач является плазменная стерилизация, в которой применяется плазма для уничтожения микроорганизмов, в том числе высокоустойчивых бактериальных эндоспор. Стерилизация является очень важным этапом при обеспечении безопасности медицинских и стоматологических приборов, материалов и тканей для конечного использования. Существующие способы стерилизации, используемые в больницах и отраслях промышленности, включают в себя автоклавную обработку, газовую обработку этиленоксидом (ЭТО), стерилизацию сухим жаром и облучение гамма-лучами или электронными лучами. У этих технологий имеется ряд сложностей, с которыми приходится сталкиваться и преодолевать, и они включают в себя такие проблемы, как тепловая чувствительность и разрушение под воздействием высокой температуры, образование токсичных побочных продуктов, высокие эксплуатационные расходы и неэффективность при полной продолжительности цикла. Следовательно, организации и промышленные отрасли здравоохранения давно нуждаются в технологии стерилизации, которая может функционировать при близкой к комнатной температуре и за меньшее время, не вызывая структурного повреждения, для широкого ассортимента медицинских принадлежностей, в том числе различных чувствительных к высокой температуре электронных компонентов и оборудования. Плазмы атмосферного давления для стерилизации, как и в случае обработки материалов, предоставляют потребителям ряд определенных преимуществ. Малогабаритная компоновка делает простым изменение конфигурации, устраняется потребность в дорогостоящих вакуумных камерах и системах накачки, оборудование может устанавливаться в различных условиях эксплуатации без требований дополнительного уменьшения ограничений, а эксплуатационные расходы и требования к техническому обслуживанию минимальны. Фактически, фундаментальное значение стерилизации атмосферной плазмой заключается в ее способности стерилизации чувствительных к высокой температуре объектов, простоте использования и более быстрому производственному циклу. Стерилизация атмосферной плазмой может быть достигнута в результате непосредственного воздействия реактивных нейтральных частиц, в том числе атомарного кислорода и гидроксильных радикалов, и порожденного плазмой ультрафиолетового излучения, которые могут воздействовать и наносить повреждение клеточным мембранам бактерий. Таким образом, существует потребность в устройствах, которые могут генерировать плазму атмосферного давления, как эффективном и дешевом средстве стерилизации.

Одним из ключевых факторов, которые влияют на эффективность систем стерилизации атмосферной плазмой, как и в случае других систем генерирования плазмы, является расширяемость плазм, генерируемых системами. Существует несколько систем для плазмы атмосферного давления на основе микроволновых сопел, широко используемых на промышленных предприятиях и в образовательных учреждениях во всем мире. Большинство этих разработок основывается на одиночном сопле, и они нуждаются в большой области расширяемости, необходимой для прикладных задач стерилизации медицинских приборов. Кроме того, такие плазменные системы генерируют высокотемпературную плазму, которая не применима для прикладных задач стерилизации.

Одно решение задачи предоставления однородной плазмы использует сопловую решетку, связанную с микроволновым резонатором. Одной из сложных проблем такой системы является управление распределением микроволн в пределах микроволнового резонатора так, чтобы энергия микроволн (или, что одно и то же, микроволна) была локализована в заданных областях (в дальнейшем называемых "области высоких энергий"), которые являются постоянными в пределах резонатора. В таких системах однородность и расширяемость плазмы могут быть получены с помощью связи сопел с управляемыми участками высоких энергий, что также увеличивает эксплуатационную эффективность системы.

Большинство традиционных систем, имеющих микроволновый резонатор, разработано для обеспечения однородного распределения энергии микроволн в микроволновом резонаторе. Например, статья Герлинга "ВОЛНОВОДНЫЕ КОМПОНЕНТЫ И КОНФИГУРАЦИИ ДЛЯ ОПТИМАЛЬНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК В МИКРОВОЛНОВЫХ СИСТЕМАХ НАГРЕВА", опубликованная на www.2450mhz.com Компанией Gerling Applied Engineering Inc в 2000 году, преподносит систему, имеющую два вращающихся фазосдвигающих устройства. В этой системе два вращающихся фазосдвигающих устройства генерируют области высоких энергий, которые непрерывно перемещаются в пределах микроволнового резонатора для гарантирования однородного распределения нагрева в пределах микроволнового резонатора.

В отличие от таких традиционных систем система генерирования плазмы, которая имеет плазменную сопловую решетку, должна иметь возможность целенаправленного управления микроволнами в своем микроволновом резонаторе и генерирования областей высоких энергий, связанных с сопловой решеткой. Таким образом, имеется серьезная потребность в системах генерирования плазмы, которые могут целенаправленно и генерировать области высоких энергий, и управлять ими в пределах микроволнового резонатора и имеют плазменные сопловые решетки, расположенные так, чтобы принимать энергию микроволн из областей высоких энергий.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение предоставляет различные системы, которые имеют микроволновые плазменные сопловые решетки, и способы для выбора конфигурации плазменных сопловых решеток.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения способ для выбора конфигурации микроволновой плазменной сопловой решетки включает в себя этапы, на которых: направляют микроволны в микроволновый резонатор в противоположных направлениях так, что микроволны интерферируют и формируют структуру стоячих микроволн, которые являются постоянными в пределах микроволнового резонатора; регулируют фазу, по меньшей мере, одной из микроволн для управления областями высоких энергий, генерируемых структурой стоячих микроволн; и размещают сопловую решетку, по меньшей мере, частично в микроволновом резонаторе так, чтобы один или более сопловых элементов сопловой решетки был выполнен с возможностью приема энергии микроволн из соответствующей одной из областей высоких энергий.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения способ для выбора конфигурации микроволновой плазменной сопловой решетки включает в себя этапы, на которых: направляют первую пару микроволн в микроволновый резонатор в противоположных направлениях вдоль первой оси; направляют вторую пару микроволн в микроволновый резонатор в противоположных направлениях вдоль второй оси, причем первая ось расположена перпендикулярно второй оси, так что первая и вторая пары микроволн интерферируют и формируют области высоких энергий, которые являются постоянными в пределах микроволнового резонатора; регулируют фазу, по меньшей мере, одной из микроволн для управления областями высоких энергий и размещают сопловую решетку, по меньшей мере, частично в микроволновом резонаторе так, чтобы один или более сопловых элементов сопловой решетки был выполнен с возможностью приема энергии микроволн из соответствующей одной из областей высоких энергий.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения блок микроволновой плазменной сопловой решетки включает в себя: микроволновый резонатор и решетку сопел, причем каждое из сопел включает в себя: газорасходную трубку, выполненную с возможностью направления через нее потока газа и имеющую входную часть и выходную часть; стержневой проводник, расположенный по направлению оси в газорасходной трубке, причем стержневой проводник имеет участок, расположенный в микроволновом резонаторе, для приема микроволн, и наконечник, прилегающий к выходной части.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения микроволновая плазменная система включает в себя: источник микроволн; пару вентилей, функционально соединенных с источником микроволн; микроволновый резонатор, имеющий пару входов; пару волноводов, причем каждый из волноводов функционально соединен, по меньшей мере, с одним из вентилей и, по меньшей мере, с одним из входов микроволнового резонатора; пару невращающих фазосдвигающих устройств, причем каждое из невращающих фазосдвигающих устройств функционально соединено, по меньшей мере, с одним из волноводов и, по меньшей мере, с одним из вентилей; и решетку сопел, причем каждое из сопел решетки включает в себя: газорасходную трубку, выполненную с возможностью направления через нее потока газа и имеющую входную часть и выходную часть; стержневой проводник, расположенный по направлению оси в газорасходной трубке, причем стержневой проводник имеет участок, расположенный в микроволновом резонаторе, для приема микроволн, и наконечник, прилегающий к выходной части.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения микроволновая плазменная система включает в себя: источник микроволн; вентиль, функционально соединенный с источником микроволн; микроволновый резонатор, имеющий вход; волновод, функционально соединенный с вентилем и с входом микроволнового резонатора; невращающее фазосдвигающее устройство, функционально соединенное с волноводом и вентилем; циркулятор, функционально соединенный с волноводом и выполненный с возможностью направления микроволн к невращающему фазосдвигающему устройству; подвижный короткозамыкатель, функционально соединенный с микроволновым резонатором; и решетку сопел, причем каждое из сопел решетки включает в себя: газорасходную трубку, выполненную с возможностью направления через нее потока газа и имеющую входную часть и выходную часть; стержневой проводник, расположенный по направлению оси в газорасходной трубке, причем стержневой проводник имеет участок, расположенный в микроволновом резонаторе, для приема микроволн, и наконечник, прилегающий к выходной части.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, микроволновая плазменная система включает в себя: источник микроволн; пару вентилей, функционально соединенных с источником микроволн; микроволновый резонатор, имеющий пару входов; пару волноводов, причем каждый из упомянутых волноводов функционально соединен с соответствующим одним из упомянутых вентилей и с соответствующим одним из упомянутых входов микроволнового резонатора; пару невращающих фазосдвигающих устройств, причем каждое из упомянутых невращающих фазосдвигающих устройств функционально соединено с соответствующим одним из упомянутых волноводов и с соответствующим одним из упомянутых вентилей; пару подвижных короткозамыкателей, причем каждый из упомянутых подвижных короткозамыкателей функционально соединен с упомянутым микроволновым резонатором; и решетку сопел, причем каждое из сопел решетки включает в себя: газорасходную трубку, выполненную с возможностью направления через нее потока газа и имеющую входную часть и выходную часть; стержневой проводник, расположенный по направлению оси в газорасходной трубке, причем стержневой проводник имеет участок, расположенный в микроволновом резонаторе, для приема микроволн, и наконечник, прилегающий к выходной части.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, микроволновая плазменная система содержит: источник микроволн; микроволновый резонатор, имеющий четыре входа; четыре волновода, причем каждый из волноводов функционально соединен, по меньшей мере, с одним из входов микроволнового резонатора и с источником микроволн; четыре невращающих фазосдвигающих устройств, причем каждое из невращающих фазосдвигающих устройств функционально соединено, по меньшей мере, с одним из волноводов и с источником микроволн; четыре циркулятора, причем каждый из циркуляторов функционально соединен, по меньшей мере, с одним из волноводов и выполнен с возможностью направления микроволн, генерируемых источником микроволн, по меньшей мере, к одному из невращающих фазосдвигающих устройств; и решетку сопел, причем каждое из сопел решетки включает в себя: газорасходную трубку, выполненную с возможностью направления через нее потока газа и имеющую входную часть и выходную часть; стержневой проводник, расположенный по направлению оси в газорасходной трубке, причем стержневой проводник имеет участок, расположенный в микроволновом резонаторе, для приема микроволн, и наконечник, прилегающий к выходной части.

Эти и другие преимущества и признаки настоящего изобретения станут очевидными для специалистов в данной области техники после прочтения подробностей настоящего изобретения, которые более полно описаны ниже.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг.1 является схематическим представлением системы, имеющей плазменную сопловую решетку, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2A схематично иллюстрирует интерференцию двух микроволн в пределах микроволнового резонатора системы, показанной на Фиг.1, в случае, когда микроволны перемещаются в противоположных направлениях.

Фиг.2B схематично показывает распределение областей высоких энергий в пределах микроволнового резонатора для системы, показанной на Фиг.1.

Фиг.3 является схематическим представлением системы, имеющей плазменную сопловую решетку, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.4A показывает вид сверху микроволнового резонатора и плазменной сопловой решетки, показанной на Фиг.1.

Фиг.4B показывает вид в поперечном разрезе, взятом по линии IV-IV, микроволнового резонатора и сопла, изображенных на Фиг.4A.

Фиг.4C показывает вид в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.4B.

Фиг.4D показывает вид в поперечном разрезе другого альтернативного варианта осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.4B.

Фиг.5A показывает вид сверху альтернативного варианта осуществления плазменной сопловой решетки, показанной на Фиг.4A.

Фиг.5B показывает вид в поперечном разрезе, взятом по линии IV'-IV', микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.5A.

Фиг.5C показывает вид в поперечном разрезе альтернативного варианта осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.5B.

Фиг.5D показывает вид в поперечном разрезе другого альтернативного варианта осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.5B.

Фиг.6A-6F показывают виды в поперечном разрезе альтернативных вариантов осуществления микроволнового плазменного сопла, изображенного на Фиг.4C, иллюстрируя дополнительные компоненты для повышения эффективности сопла.

Фиг.7 является схематическим представлением системы, имеющей плазменную сопловую решетку, в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.8 показывает интерференционный узор областей высоких энергий, полученных в пределах микроволнового резонатора системы, показанной на Фиг.7, иллюстрируя одно размещение сопловой решетки в областях высоких энергий.

Фиг.9 является схематическим представлением микроволнового резонатора и волноводов для генерирования областей высоких энергий в форме плоской решетки в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.10 показывает альтернативный интерференционный узор областей высоких энергий, полученных в пределах микроволнового резонатора систем, показанных на Фиг.7 и 9, иллюстрируя альтернативное размещение сопловой решетки в областях высоких энергий.

Фиг.11 является схематическим представлением системы, имеющей плазменную сопловую решетку, в соответствии с еще одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

Фиг.12 показывает вид в поперечном разрезе, взятом перпендикулярно оси z, микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.11.

Фиг.13 является перспективным изображением с пространственным разделением деталей сопла, показанного на Фиг.12.

Фиг.14A-14I показывают виды в поперечном разрезе альтернативных вариантов осуществления стержневого проводника, изображенного на Фиг.13.

Фиг.15 показывает блок-схему, поясняющую иллюстративные этапы связывания микроволновой сопловой решетки в соответствии, по меньшей мере, с одним вариантом осуществления настоящего изобретения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Нижеследующее подробное описание представляет лучшие рассматриваемые в настоящее время методы осуществления настоящего изобретения. Настоящее описание не должно восприниматься в ограниченном смысле, а делается единственно с целью иллюстрирования общих принципов настоящего изобретения, поскольку объем настоящего изобретения лучше всего определен посредством прилагаемой формулы изобретения.

Нужно отметить, что в том смысле, в каком они употребляются в настоящем описании и в прилагаемой формуле изобретения, формы единственного числа включают в себя множественные объекты ссылки, если из контекста явно не следует иное. Таким образом, например, ссылка на "сопло" включает в себя одно или более сопел, и равнозначность этого понятна для специалистов в данной области техники, и т.д.

Как упомянуто ранее, традиционные микроволновые плазменные системы генерируют однородное распределение энергии в пределах микроволнового резонатора, управляя разностями фаз между двумя микроволнами, переданными в микроволновый резонатор. В отличие от существующих систем, настоящее изобретение предоставляет способы и системы для управления фазами микроволн так, чтобы они могли генерировать постоянные области высоких энергий в пределах микроволновых резонаторов. Также раскрываются способы для выбора конфигурации плазменной сопловой решетки так, чтобы использовать энергию из областей высоких энергий.

Фиг.1 является схематическим представлением системы 10, имеющей плазменную сопловую решетку, в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, система 10 содержит: источник 13 микроволн, имеющий микроволновую силовую головку 12, которая генерирует микроволны, и разветвитель 14 мощности, имеющий два выхода, который разделяет микроволны, генерируемые микроволновой силовой головкой 12; пару вентилей 17a и 17b, выполненных с возможностью рассеивания двигающихся назад микроволн, которые перемещаются к микроволновой силовой головке 12, причем каждый вентиль включает в себя искусственную нагрузку 18a и 18b для рассеивания двигающихся назад микроволн и циркулятор 16 для отклонения двигающихся назад микроволн к соответствующей искусственной нагрузке 18a и 18b; пару невращающих фазосдвигающих устройств 24a и 24b для сдвига фаз микроволн; пару циркуляторов 22a и 22b для направления микроволн от разветвителя 14 мощности к невращающим фазосдвигающим устройствам 24a и 24b соответственно; волноводы 20a и 20b для передачи микроволн и микроволновый резонатор 32. В альтернативном варианте осуществления система 10 может дополнительно содержать: ответвители 26a и 26b, соединенные с измерителями 28a и 28b мощности для измерения микроволновых потоков; и блоки 30a и 30b настройки для согласования полного сопротивления микроволн. Как правило, микроволновая силовая головка 12 включает в себя генератор микроволн и источник питания, которые не показаны на Фиг.1 для простоты. В другом альтернативном варианте осуществления вентиль может быть расположен между микроволновой силовой головкой 12 и разветвителем 14 мощности с двумя выходами, таким образом, заменяя пару вентилей 17a и 17b.

Сопловая решетка 37, содержащая одно или более сопел 36, связана с микроволновым резонатором 32 и генерирует плазменные факелы 38a-38n из газа, подающегося от газгольдера 34 через клапан 35 управления массовым потоком (УМП). Некоторые варианты осуществления сопел 36 и микроволнового резонатора 32, которые могут быть применены для системы 10, обсуждаются в одной из заявок согласно PCT, находящихся на рассмотрении параллельно с настоящей заявкой, озаглавленной "Микроволновое плазменное сопло с улучшенными стабильностью факела и теплопроизводительностью", зарегистрированной 5 июля 2005 года, которая тем самым включается в настоящую заявку посредством ссылки во всей полноте.

Микроволны 40a и 40b, переданные от разветвителя 14 мощности, перемещаются в противоположных направлениях по оси x в пределах микроволнового резонатора 32 и образуют интерференционный узор, как показано на Фиг.2A. Фиг.2A показывает график 50 микроволн 52a и 52b, которые интерферируют друг с другом, что приводит к образованию стоячей микроволны 54 в пределах микроволнового резонатора 32. Абсцисса и ордината графика 50 представляют направление распространения микроволн и амплитуды микроволн соответственно. Поскольку интенсивность стоячей микроволны 54 пропорциональна квадрату амплитуды, стоячая микроволна 54 имеет вершинные позиции 64 для каждого цикла, где амплитуда достигает своего максимального значения, амплитуды 58. (Для простоты, в дальнейшем, под амплитудой подразумевается абсолютная величина амплитуды.)

Области 69 высоких энергий могут соотноситься с позициями, в которых амплитуда стоячей микроволны 54 превышает пороговое значение 60, которое может быть установлено пользователем. Как будет объяснено для Фиг.5A и 10, более чем одно сопло может быть расположено по направлению оси х в каждой области 69 высоких энергий. В таких случаях ширина 62 областей 69 высоких энергий может быть установлена, принимая во внимание размер сопел, расстояние между двумя соседними соплами и значение максимальной амплитуды 58. Например, пользователь может установить пороговое значение 60-75% от максимальной амплитуды 58, чтобы обеспечить энергию микроволн для всех сопел в областях 69 высоких энергий.

Вершинными позициями 64 и максимальными амплитудами 58 вершин так же, как шириной 62 областей 69 высоких энергий, можно управлять с помощью невращающих фазосдвигающих устройств 24a и 24b, в то время как шаг 56 определяется длиной волны микроволн 52a и 52b. Если разность фаз между микроволнами 52a и 52b уменьшается, максимальная амплитуда 58 и ширина 62 областей 69 высоких энергий увеличивается. Если фазы двух микроволн 52a и 52b сдвигаются в одном направлении по оси x, вершинные позиции 64 могут сдвигаться в этом направлении.

Фиг.2B показывает распределение 66 областей 69 высоких энергий в пределах микроволнового резонатора 32, рассматриваемого в направлении, перпендикулярном плоскости x-z. Как показано на Фиг.2B, области 69 высоких энергий генерируются путем интерференции микроволн 52a и 52b, распространяющихся в направлениях 68a и 68b соответственно в пределах микроволнового резонатора 32. Поскольку микроволны 52a и 52b могут быть одномерными волнами, все области 69 высоких энергий могут быть представлены в виде прямоугольных полос, отстоящих друг от друга на половину шага 56. На Фиг.2A и 2B в целях иллюстрации допускается, что микроволновый резонатор является прямоугольным параллелепипедом. Тем не менее, специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что микроволновый резонатор может иметь любую другую форму, не отклоняясь от настоящего изобретения.

В альтернативном варианте осуществления источник 13 микроволн может быть заменен двумя отдельными микроволновыми силовыми головками и двумя вентилями, соответственно прикрепленными к ним, причем каждая микроволновая силовая головка может передавать микроволну в микроволновый резонатор 32. В этом варианте осуществления две микроволны 52a и 52b могут иметь различные длины волны и амплитуды. Однако применяя тот же принцип, сформулированный выше, невращающие фазосдвигающие устройства 24a и 24b могут использоваться для управления вершинными позициями 64 и максимальной амплитудой 58 так же, как шириной 62 областей 69 высоких энергий.

Фиг.3 является схематическим представлением системы 70 для детерминированного генерирования областей высоких энергий в пределах микроволнового резонатора в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения. Как показано, система 70 может включать в себя микроволновую силовую головку 72 для генерирования микроволн; вентиль 74, имеющий искусственную нагрузку 76, выполненную с возможностью рассеивания двигающихся назад микроволн, которые распространяются в направлении микроволновой силовой головки 72, и циркулятор 78 для отклонения двигающихся назад микроволн к искусственной нагрузке 76; невращающее фазосдвигающее устройство 82 для управления фазой микроволн; циркулятор 80; микроволновый резонатор 92; волновод 90 для передачи микроволн от микроволновой силовой головки 72 в микроволновый резонатор 92; и подвижный короткозамыкатель 94 для управления фазой отраженных микроволн. В альтернативном варианте осуществления система 70 может дополнительно включать в себя ответвитель 86, соединенный с измерителем 84 мощности для измерения микроволновых потоков; и блок 88 настройки для согласования полного сопротивления микроволн. В другом альтернативном варианте осуществления подвижный короткозамыкатель 94 может быть заменен стенкой, причем размер микроволнового резонатора 92 в направлении распространения микроволн является кратным половине длины волны микроволн. Сопловая решетка 99, содержащая сопла 98, может быть соединена с микроволновым резонатором 92 и генерирует плазменные факелы 100 из газа, подающегося от газгольдера 96. Отдельные детали сопел 98 будут обсуждаться ниже.

На Фиг.3 графическая вставка 102 иллюстрирует распространение микроволн, передающихся от микроволновой силовой головки 72 в микроволновый резонатор 92. Передающиеся микроволны отражаются от подвижного короткозамыкателя 94, что обозначено стрелкой 104, и они интерферируют с поступающими микроволнами, что приводит к образованию стоячих микроволн в пределах микроволнового резонатора 92. Подвижный короткозамыкатель 94 может управлять фазой отраженных микроволн и, если он используется совместно с невращающим фазосдвигающим устройством 82, управлять позициями и максимальной амплитудой стоячих волн так же, как шириной областей высоких энергий, которые подобны областям 69 высоких энергий, показанными на Фиг.2B.

Фиг.4A представляет собой вид сверху плазменной сопловой решетки 37, показанной на Фиг.1, иллюстрирующий сопла 36, расположенные в пределах областей 69 высоких энергий, установленных в пределах микроволнового резонатора 32 микроволнами, перемещающимися в противоположных направлениях 68a и 68b. Как показано, сопловая решетка, обозначенная ссылочной позицией 37, представлена в виде плоской решетки. Однако специалистам в данной области техники должно быть очевидно, что может использоваться другое расположение сопел. Например, сопловая решетка 37 может иметь только одномерную решетку сопел 36, с расположением или в направлении оси z, или в направлении х. Заметим, что сопловая решетка 99 на Фиг.3 может иметь такое же расположение, как показано на Фиг.4A.

Фиг.4B показывает графическое изображение 110 в поперечном разрезе, взятом по линии IV-IV, микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.4A. Как показано, микроволновый резонатор 32 включает в себя стенку 111, которая формирует газорасходный канал 112 для впускания газа из газгольдера 34; и резонатор 113 для приема микроволн, переданных от источника 13 микроволн, и генерирования областей 69 высоких энергий. Каждое сопло 36 может включать в себя газорасходную трубку 120, соединенную со стенкой 111 резонатора, для приема газа через газорасходный канал 112; стержневой проводник 114, имеющий часть 116 для улавливания микроволн из областей 69 высоких энергий в резонаторе 113; и вихревое направляющее устройство 118, расположенное между стержневым проводником 114 и газорасходной трубкой 120. Вихревое направляющее устройство 118 имеет, по меньшей мере, одно отверстие 119 для создания спиральной траектории вихревого потока вокруг стержневого проводника 114. Микроволны, принятые частью 116 стержневого проводника, фокусируются на его конусообразном наконечнике 117 для генерирования плазменных факелов 38, использующих газ. Газорасходная трубка 120 может быть сделана из материала, который в значительной степени прозрачен для микроволн. Например, газорасходная трубка 120 может быть сделана из диэлектрического материала, такого как кварц.

Ширина 62 областей 69 высоких энергий может быть оптимизирована с помощью управления невращающими фазосдвигающими устройствами 24a и 24b. В общем случае, меньшая ширина областей 69 высоких энергий может привести к большей эксплуатационной эффективности сопел 36. Однако принимая во внимание возможное непостоянство областей 69 высоких энергий во время работы системы 10, ширина 62 областей 69 высоких энергий может быть немного большей, чем диаметр стержневого проводника 114.

Фиг.4C является графическим изображением в поперечном разрезе альтернативного варианта 122 осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.4B. Как показано, сопло 128 имеет компоненты, подобные показанным на Фиг.4B. Фиг.4C включает в себя газорасходную трубку 134, герметично соединенную со стенкой 126 для приема газа через газорасходный канал 127; стержневой проводник 130 для улавливания микроволн из областей 69 высоких энергий в резонаторе 133 и вихревое направляющее устройство 132. Газорасходная трубка 134 может быть сделана из любого материала, который в значительной степени прозрачен для микроволн (то есть микроволны могут проходить через газорасходную трубку 134 с очень низкой потерей энергии), и, как следствие, газ, протекающий через газорасходную трубку 134, может предварительно разогреваться внутри резонатора 133 до того, как достигнет области конусообразного наконечника стержневого проводника 130.

Фиг.4D показывает вид в поперечном разрезе другого альтернативного варианта осуществления 140 микроволнового резонатора и сопловой решетки, изображенных на Фиг.4A. Как показано, сопла 144 имеют компоненты, подобные их аналогам на Фиг.4B: газорасходную трубку 148, герметично соединенную со стенкой 143 микроволнового резонатора 142, для приема газа; стержневой проводник 152 для улавливания микроволн из областей 69 высоких энергий и вихревое направляющее устройство 146. Микроволновый резонатор 142 может формировать газорасходный канал, соединенный с газгольдером 34. Стержневой проводник 152 может быть подобен проводнику 114, проиллюстрированному на Фиг.4B, причем часть 116 стержневого проводника 114 помещена в резонатор 113 для приема микроволн. Затем принятые микроволны перемещаются по его поверхности и фокусируются на конусообразном наконечнике.

Упомянутая ранее ширина 62 (Фиг.2) областей 69 высоких энергий может быть оптимизирована с помощью управления невращающими фазосдвигающими устройствами 24a и 24b. В общем случае, меньшая ширина областей 69 высоких энергий может привести к большей эксплуатационной эффективности сопел 36. Поэтому на Фиг.4A-4D ширина 62 областей 69 высоких энергий может быть немного большей, чем диаметр стержневого проводника 114. В этих приложениях интервал между двумя соседними соплами по направлению оси х может составлять половину длины волны микроволн, перемещающихся в противоположных направлениях 68a и 68b. Однако, в некоторых приложениях, интервал в половину длины волны может вносить отклонения в характеристики плазмы по направлению оси х, и, как следствие, может потребоваться меньший интервал между соплами. Фиг.5A-5D иллюстрируют сопловые решетки, имеющие различные интервалы между двумя соседними соплами по направлению оси х.

Фиг.5A представляет собой вид сверху альтернативного варианта 37' осуществления плазменной сопловой решетки, показанной на Фиг.4A, иллюстрирующий сопла 36', расположенные в пределах областей 69' высоких энергий, которые устанавливаются микроволнами, перемещающимися в противоположных направлениях 68a' и 68b'. Как изображено, ширина 62' области 69' высоких энергий может быть достаточно большой, чтобы вместить одно или более сопел 36' по направлению оси х, даже если шаг 54' равен длине волны микроволн. Шириной 62' можно управлять, изменяя разность фаз между микроволнами 68a' и 68b', как описано в отношении Фиг.2A. Заметим, что сопловая решетка 99 на Фиг.3 может иметь такое же расположение, как показано на Фиг.5A.

Фиг.5B-5D представляют собой виды в разрезе, взятом по линии IV'-IV', различных вариантов осуществления микроволнового резонатора и сопловой решетки на Фиг.5A. Как показано, эти три варианта осуществления, обозначенные ссылочными позициями 110' (Фиг.5B), 122' (Фиг.5C) и 140' (Фиг.5D), подобны их аналогам, обозначенным ссылочными позициями 110, 122 и 140 соответственно, с тем отличием, что ширина 62' может быть достаточно большой, чтобы вместить более чем одно сопло по направлению оси х.

Каждое сопло, изображенное на Фиг.4B-4D и 5B-5D, включает в себя стержневой проводник, который имеет часть, помещенную в резонатор для приема микроволн. Затем принятые микроволны перемещаются по его поверхности и фокусируются на конусообразном наконечнике. Поскольку часть перемещающихся микроволн может быть потеряна при прохождении через газорасходную трубку, может использоваться экранирующий механизм для повышения эффективности сопел, которые проиллюстрированы на Фиг.6A-6B.

Фиг.6A показывает вид в разрезе сопла 160, которое является альтернативным вариантом осуществления сопла 36, показанного на Фиг.4C. Как показано, сопло 160 включает в себя: стержневой проводник 162; газорасходную трубку 164; вихревое направляющее устройство 166 и внутренний экран 168 для снижения потерь микроволн при прохождении через газорасходную трубку 164. Внутренний экран 168 имеет трубчатую