专利名称：用于产生均匀可调的微波等离子体的等离子体喷嘴阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及等离子体发生系统，具体涉及具有等离子体喷嘴阵列的微波等离子体系统。
背景技术：
近些年来，在产生等离子体方面的方法不断取得进展。通常，等离子体由带正电离子、中性物质和电子构成。一般来说，可以将等离子体再划分成两类热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡意味着包括带正电离子、中性物质和电子的所有物质的温度都是相同的。
也可将等离子体分为局部热平衡(LTE)等离子体和非LTE等离子体，这种划分通常与等离子体的压力有关。术语“局部热平衡(LTE)”是指这样一种热力学状态，其中所有等离子体物质(plasma species)的温度在等离子体的局部区域中是相同的。
高的等离子体压力在等离子体中引发单位时间间隔内的大量碰撞，从而导致在包括等离子体的物质之间的充分能量交换，这也就导致等离子体物质的温度相同。另一方面，低的等离子体压力可能由于在等离子体物质之间的不充分碰撞而导致等离子体物质的一个或多个温度。
在非LTE等离子体或仅仅在非热平衡等离子体中，所述离子和中性物质的温度通常小于100℃，而电子的温度可能最高达几万摄氏度。因此，非LTE等离子体可以在不消耗大量能量的情况下作为用于强应用还有弱应用的高反应性工具。这种“热冷性(hot coolness)”对于各种应用而言允许多种加工可能性和经济机会。强应用包括金属沉积系统和等离子体切割器，弱应用包括等离子体表面清洁系统和等离子体显示器。
这些应用中的一种应用为等离子体消毒，其利用等离子体来毁灭包括高抵抗性细菌内生孢子的微生物生命。消毒是确保最终使用的医疗和牙科装置、材料以及织物的安全性的关键步骤。在医院和工业中使用的现有消毒方法包括高压灭菌、环氧乙烷气体(EtO)、干燥加热以及用伽马射线或电子束照射。这些技术存在许多必须应对和克服的缺点，这些缺点包括热敏感性和受热损坏、形成有毒副产品、高操作成本以及整个循环期间内的低效率。因此，卫生保健部门和工业上一直需要这样一种消毒技术，该消毒技术能够在室温附近并且以更短的时间起作用，同时不会对包括各种热敏电子元件和设备的大多数医疗材料造成结构损坏。
就材料处理而言，用于消毒的大气压等离子体为使用者带来了许多明显的优点。其紧凑的组装使得易于成形，其无需使用昂贵的真空腔室和泵运系统，其无需附加的设施就能安装在各种环境中，并且，其操作成本和维护要求最低。实际上，大气压等离子体消毒的基本重要性在于，其具有以简便使用的方式并以更快的周转周期对热敏物体进行消毒的能力。大气压等离子体消毒可通过包括原子氧、羟基基团的反应性中性物质和产生等离子体的紫外线的直接效应来实现，所有这些均能攻击细菌细胞膜并且对它造成破坏。因此，就有了将能够产生大气压等离子体的装置作为有效且低成本的消毒源的需求。
如其它的等离子体发生系统一样，影响大气压等离子体消毒系统的效率的一个关键性因素在于由该系统产生的等离子体的可调性(scalability)。目前存在几种在全世界的工业和教育机构中广泛使用的、基于微波喷嘴的大气压等离子体系统。这些设计中的大部分均是基于单一喷嘴作出的，而且它们缺乏医疗装置应用方面的消毒所需的大容积可调性。另外，这些等离子体系统会产生不适于消毒应用的高温等离子体。
一种用于提供均匀等离子体的解决方案使用了与微波空腔结合的喷嘴阵列。这种系统的一个挑战性问题为必须控制微波空腔内的微波分布，以使微波能量(或者等同地说是微波)分布在该空腔内的静止不动的预期区域(下面，将其称为“高能量域”)中。在这类系统中，等离子体均匀性和可调性可通过使喷嘴与被控制的高能部位相结合而获得，该结合也能够提高所述系统的工作效率。
具有微波空腔的大多数常规系统被设计为能够在微波空腔中提供均匀的微波能量分布。例如，2000年由Gerling Applied Engineering Inc.公司在www.2450mhz.com上发表的Gerling，“WAVEGUIDECOMPONENTS AND CONFIGURATIONS FOR OPTIMALPERFORMANCE IN MICROWAVE HEATING SYSTEMS”披露了一种具有两个转动式移相器的系统。在这种系统中，两个转动式移相器产生在微波空腔内连续运动的高能量域以确保在微波空腔内的均匀热量分布。
与这种常规系统相反的是，具有一个等离子体喷嘴阵列的等离子体发生系统应当能确定性地控制其微波空腔中的微波并产生与喷嘴阵列结合的高能量域。因此，迫切需要一种等离子体发生系统，其能确定性地产生并控制微波空腔内的高能量域而且设有等离子体喷嘴阵列以从高能量域接收微波能量。
发明内容
本发明提供了具有微波等离子体喷嘴阵列的各种系统以及用于设置等离子体喷嘴阵列的方法。
根据本发明的一个方面，设置微波等离子体喷嘴阵列的方法包括以下步骤沿相反的方向将微波引入微波空腔内，使所述微波发生干涉并在微波空腔内形成静态的稳定微波图；调节所述微波中至少一个微波的相位以控制由稳定微波图产生的高能量域；将喷嘴阵列至少部分地设置在微波空腔内，使喷嘴阵列中的一个或多个喷嘴部件从对应的一个高能量域中接收微波能量。
根据本发明的另一个方面，设置微波等离子体喷嘴阵列的方法包括以下步骤沿第一轴线、以相反的方向将第一对微波引入微波空腔内；沿第二轴线、以相反的方向将第二对微波引入微波空腔内，其中的第一轴线垂直于第二轴线，使得第一对和第二对微波发生干涉并在微波空腔内形成静态的高能量域；调节所述微波中至少一个微波的相位以控制高能量域；将喷嘴阵列至少部分地设置在微波空腔内，使喷嘴阵列中的一个或多个喷嘴部件从对应的一个高能量域中接收微波能量。
根据本发明的另一个方面，微波等离子体喷嘴阵列单元包括微波空腔和喷嘴阵列，每个喷嘴均包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；以及沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
根据本发明的另一个方面，微波等离子体系统包括微波源；与所述微波源操作性连接的一对隔离件；具有一对入口的微波空腔；一对波导，每个波导与至少一个所述隔离件操作性连接并与所述微波空腔的至少一个入口操作性连接；一对非转动式移相器，每个非转动式移相器与至少一个所述波导操作性连接并与至少一个所述隔离件操作性连接；以及喷嘴阵列，所述阵列的每个喷嘴包括气流管和沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述气流管适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
根据本发明的另一个方面，微波等离子体系统包括微波源；与所述微波源操作性连接的隔离件；具有入口的微波空腔；与所述隔离件和所述微波空腔的入口操作性连接的波导；与所述波导和所述隔离件操作性连接的非转动式移相器；循环器，其与所述波导操作性连接且用于将微波引向所述非转动式移相器；与所述微波空腔操作性连接的滑动式短路；以及喷嘴阵列，所述阵列的每个喷嘴包括气流管和沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述气流管适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
根据本发明的另一个方面，微波等离子体系统包括微波源；与所述微波源操作性连接的一对隔离件；具有一对入口的微波空腔；一对波导，每个波导与对应的一个所述隔离件操作性连接并与所述微波空腔的一个对应入口操作性连接；一对非转动式移相器，每个非转动式移相器与对应的一个所述波导操作性连接并与对应的一个所述隔离件操作性连接；一对滑动式短路，每个滑动式短路与所述微波空腔操作性连接；以及喷嘴阵列，所述阵列的每个喷嘴包括气流管和沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述气流管适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
根据本发明的另一个方面，微波等离子体系统包括微波源；具有四个入口的微波空腔；四个波导，每个波导与所述微波空腔的至少一个入口操作性连接并与所述微波源操作性连接；四个非转动式移相器，每个非转动式移相器与至少一个所述波导操作性连接并与所述微波源操作性连接；四个循环器，每个循环器与至少一个所述波导操作性连接且用于将由所述微波源产生的微波引向至少一个所述非转动式移相器；以及喷嘴阵列，所述阵列的每个喷嘴包括气流管和沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述气流管适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
本领域技术人员通过阅读以下更充分描述的本发明的详细内容，将会清楚地理解本发明的这些和其它优点及特点。
图1为根据本发明一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统的示意图。
图2A示意性地显示了图1所示系统的微波空腔内两个微波的干涉，其中所述两个微波是沿相反方向传播的。
图2B示意性地显示了图1所示系统的微波空腔内的高能量域的分布。
图3为根据本发明另一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统的示意图。
图4A为图1所示的微波空腔和等离子体喷嘴阵列的顶视图。
图4B为图4A所示的微波空腔和喷嘴阵列沿线IV-IV的剖视图。
图4C为图4B所示的微波空腔和喷嘴阵列的一个替换实施方案的剖视图。
图4D为图4B所示的微波空腔和喷嘴阵列的另一个替换实施方案的剖视图。
图5A为图4A所示的等离子体喷嘴的一个替换实施方案的顶视图。
图5B为图5A所示的微波空腔和喷嘴阵列沿线IV′-IV′的剖视图。
图5C为图5B所示的微波空腔和喷嘴阵列的一个替换实施方案的剖视图。
图5D为图5B所示的微波空腔和喷嘴阵列的另一个替换实施方案的剖视图。
图6A-图6F显示了图4C所示的微波等离子体喷嘴的替换实施方案的剖面图，它们示出了用于提高喷嘴效率的附加部件。
图7为根据本发明另一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统的示意图。
图8显示了在图7所示系统的微波空腔内出现的高能量域的干涉图，其示出了喷嘴阵列在高能量域中的一种布置。
图9为根据本发明另一个实施方案、用于产生二维矩阵形式的高能量域的微波空腔和波导的示意图。
图10显示了在图7和图9所示系统的微波空腔内出现的高能量域的另一种干涉图，其示出了喷嘴阵列在高能量域中的另一种布置。
图11为根据本发明另一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统的示意图。
图12显示了图11所示的微波空腔和喷嘴阵列沿垂直于z轴的方向的剖视图。
图13为图12所示的喷嘴的分解透视图。
图14A-图14I显示了图13所示的棒状导体的各种替换实施方案的剖面图。
图15为流程图，说明了根据本发明的至少一个实施方案、用于设置微波等离子体喷嘴阵列的示例性步骤。
具体实施例方式
下面，对目前实现本发明的最佳预期形式进行详细说明。由于本发明的范围是由权利要求书最佳限定的，因此，说明书仅用于说明本发明的一般性原理而非用于限定本发明的保护范围。
必须注意的是，除非在文中另作其它的明确说明，否则此处以及权利要求书中所使用的单数形式“一”、“该”和“所述”包括复数个对象。因此，例如，“一喷嘴”包括一个或多个喷嘴以及本领域技术人员已知的等同物，等等。
如前所述，常规的微波等离子体系统通过控制传播至微波空腔的两个微波之间的相位差，在微波空腔内产生均匀的能量分布。与现有系统不同的是，本发明提供了用于控制微波的相位以使微波在微波空腔内产生静态高能量域的方法和系统。本发明还披露了用于设置等离子体喷嘴阵列以便使用来自高能量域的能量的方法。
图1为根据本发明一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统10的示意图。如图所示，系统10包括微波源13，其具有用于产生微波的微波能量头12和功率分流器14，所述功率分流器具有用于使微波能量头12所产生的微波分流的两个出口；用于耗散朝微波能量头12传播的反向微波的一对隔离件17a和17b，每个隔离件均包括用于耗散反向微波的虚载荷18a，18b和用于使反向微波转向至对应虚载荷18a，18b的循环器16；用于移动微波相位的一对非转动式移相器24a和24b；用于分别将微波从功率分流器14引向非转动式移相器24a和24b的一对循环器22a和22b；用于传输微波的波导20a和20b；以及微波空腔32。在一个替换实施方案中，系统10还可以包括与用于测量微波通量的功率表28a和28b连接的耦合器26a和26b；以及用于匹配微波阻抗的调谐器30a和30b。通常，微波能量头12包括为了简化起见而未在图1中示出的微波发生器和电源。在另一个替换实施方案中，可以在微波能量头12与双出口功率分流器14之间设置隔离件，从而取代成对的隔离件17a和17b。
包括一个或多个喷嘴36的喷嘴阵列37与微波空腔32连接并从气体产生等离子体羽流38a～38n，所述气体是通过质量流量控制(MFC)阀35由气体容器34提供的。在2005年7月5日提交的、名称为“MicrowavePlasma Nozzle with Enhanced Plume Stability and Heating Efficiency”的同时待审PCT申请中披露了可用于系统10的喷嘴36和微波空腔32的几种实施方案，将该PCT申请的全文并入本申请中作为参考。
从功率分流器14传输的微波40a和40b在微波空腔32内沿x轴以相反的方向传播并产生干涉图，如图2A所示。图2A为曲线图50，显示了相互干涉从而在微波空腔32内产生稳定微波54的微波52a和52b。曲线图50的横坐标和纵坐标分别表示微波的传播方向和微波的振幅。由于稳定微波54的强度与振幅的平方成正比，因此，对于每一周期而言，稳定微波54均具有峰值位置64，在这些峰值位置处，振幅达到其最大值58。(为了简化起见，在下文中，振幅是指振幅的绝对值。)高能量域69可以指稳定微波54的振幅超过可由使用者设定的阈值60的那些位置。如可以结合图5A和图10进行解释的那样，在每个高能量域69中，沿x方向可以设置有一个以上的喷嘴。在这些情况下，可以根据喷嘴的尺寸、两个相邻喷嘴之间的间隔以及最大振幅58的值来确定高能量域69的宽度62。例如，使用者可以将阈值60设定为最大振幅58的75％，以将微波能量提供给高能量域69中的全部喷嘴。
可通过非转动式移相器24a和24b控制峰值位置64和峰值处的最大振幅58以及高能量域69的宽度62，同时，通过微波52a和52b的波长确定波距56。如果微波52a和52b之间的相位差减小，则最大振幅58以及高能量域69的宽度62会增大。如果两个微波52a和52b的相位沿x轴在一个方向上移动，则峰值位置64可以在该方向上移动。
图2B显示了从垂直于x-z平面的方向上观察的、微波空腔32内的高能量域69的分布66。如图2B所示，高能量域69是由在微波空腔32内分别沿方向68a和68b传播的微波52a和52b的干涉产生的。由于微波52a和52b可以是一维波，因此，每个高能量域69均可以呈矩形带状并彼此相隔波距56的一半。在图2A和图2B中，出于说明的目的，假定微波空腔为长方体。但是，本领域技术人员应理解在不脱离本发明思想的情况下，微波空腔可采用任意其它形状。
在一个替换实施方案中，微波源13可由两个独立的微波能量头和两个分别连接于其上的隔离件代替，其中每个微波能量头均可以将微波传输至微波空腔32。在该方案中，两个微波52a和52b可具有不同的波长和振幅。此外，通过采用与上述相同的原理，可使用非转动式移相器24a和24b来控制峰值位置64、最大振幅58以及高能量域69的宽度62。
图3为根据本发明另一个实施方案的、用于在微波空腔内确定性地产生高能量域的系统70的示意图。如图所示，系统70可以包括用于产生微波的微波能量头72；具有虚载荷76和循环器78的隔离件74，所述虚载荷用于耗散朝微波能量头72传播的反向微波，所述循环器用于使反向微波转向虚载荷76；用于控制微波相位的非转动式移相器82；循环器80；微波空腔92；用于将微波从微波能量头72传输至微波空腔92的波导90；以及用于控制反射微波的相位的滑动式短路94。在一个替换实施方案中，系统70还可以包括与用于测量微波通量的功率表84连接的耦合器86；以及用于匹配微波阻抗的调谐器88。在另一个替换实施方案中，滑动式短路94可由一壁代替，此时，微波空腔92沿微波传播方向的尺寸为微波的半波长的倍数。包括喷嘴98的喷嘴阵列99可以与微波空腔92连接并从气体容器96提供的气体产生等离子体羽流100。下面对喷嘴98的具体细节进行说明。
在图3中，插图102显示了微波从微波能量头72向微波空腔92的传播。如箭头104所示，被传输的微波由滑动式短路94反射回来，它们与进入的微波发生干涉从而在微波空腔92内产生稳定微波。滑动式短路94可以控制反射微波的相位，而且，如果将其与非转动式移相器82结合使用，则还能控制稳定微波的位置和最大振幅以及与图2B所示的高能量域69相似的高能量域的宽度。
图4A为图1所示的等离子体喷嘴阵列37的顶视图，其说明了位于高能量域69内的喷嘴36，所述高能量域是由沿相反方向68a和68b传播的微波在微波空腔32内形成的。如图所示，将附图标记37所示的喷嘴阵列描述为二维阵列。但是，本领域技术人员应理解，可以使用喷嘴的其它布置结构。例如，喷嘴阵列37可以仅具有沿z方向或x方向布置的喷嘴36的一维喷嘴阵列。应注意的是，图3中的喷嘴阵列99可具有与图4A所示相同的布置。
图4B显示了图4A所示的微波空腔和喷嘴阵列沿方向IV-IV的剖视图110。如图所示，微波空腔32包括壁111，其形成有用于接收来自气体容器34的气体的气流通道112；以及空腔113，其用于接收从微波源13传输的微波并产生高能量域69。每个喷嘴36可以包括气流管120，其与空腔壁111连接以从气流通道112接收气体；棒状导体114，其具有用于从空腔113中的高能量域69收集微波的一部分116；以及设置在棒状导体114与气流管120之间的涡流引导件118。涡流引导件118具有至少一个孔119，所述孔用于形成绕棒状导体114的螺旋形涡流路径。由棒状导体的部分116接收的微波聚集在棒状导体的锥形尖端117处，从而利用气体产生等离子体羽流38。气流管120可以由微波基本上可透过的材料制成。例如，气流管120可以由诸如石英等介电材料制成。
通过控制非转动式移相器24a和24b，可以使高能量域69的宽度62达到最佳。通常，较小的高能量域69宽度可以产生较高的喷嘴36的工作效率。但是，考虑到高能量域69在系统10工作期间的能势变化，高能量域69的宽度62可略大于棒状导体114的直径。
图4C为图4B所示的微波空腔和喷嘴阵列的一个替换实施方案122的剖视图。如图所示，喷嘴128具有与图4B所示相似的部件。图4C包括气流管134，其与壁126密封连接以从气流通道127接收气体；棒状导体130，其用于从空腔133中的高能量域69收集微波；以及涡流引导件132。气流管134可由微波基本上可透过的任意材料制成(即，微波能够以非常小的能量损失通过气流管134)，结果，在流经气流管134的气体到达棒状导体130的锥形尖端区域之前，可以在空腔133中被预热。
图4D为图4A所示的微波空腔和喷嘴阵列的另一个替换实施方案140的剖视图。如图所示，喷嘴144具有与图4B所示相似的部件，即气流管148，其与微波空腔142的壁143密封连接以接收气体；用于从高能量域69收集微波的棒状导体152；以及涡流引导件146。微波空腔142可以形成与气体容器34连接的气流通道。棒状导体152可以与图4B所示的导体114相似，其中棒状导体114的部分116插入空腔113中以接收微波。随后，所接收的微波沿棒状导体表面传输并聚集在锥形尖端上。
如前所述，通过控制非转动式移相器24a和24b，可以使高能量域69的宽度62(图2)达到最佳。通常，较小的高能量域69宽度可以产生较高的喷嘴36的工作效率。因此，在图4A-图4D中，高能量域69的宽度62可略大于棒状导体114的直径。在这些应用中，沿x方向的两个相邻喷嘴之间的间隔可以是沿相反方向68a和68b传播的微波的半波长。但是，在某些应用中，这种半波长间隔可能会引起沿x方向的等离子体特性波动，因此，可能要求喷嘴之间具有较小的间隔。图5A-图5D显示了在x方向上的两个相邻喷嘴之间具有不同间隔的喷嘴阵列。
图5A为图4A所示的等离子体喷嘴阵列的一个替换实施方案37′的顶视图，其显示了位于高能量域69′内的喷嘴36′，所述高能量域是由沿相反方向68a′和68b′传播的微波形成的。如图所示，即使波距54′等于微波的波长，高能量域69′的宽度62′也可足以在x方向上容纳一个或多个喷嘴36′。结合图2A可以说明的是，可通过改变微波68a′和68b′之间的相位差来控制宽度62′。应注意的是，图3中的喷嘴阵列99可具有与图5A所示相同的布置。
图5B-图5D为图5A所示的微波空腔和喷嘴阵列的各种实施方案沿线IV′-IV′的剖视图。如图所示，以附图标记110′(图5B)，122′(图5C)和140′(图5D)表示的三个实施方案分别与附图标记110，122和140表示的对应部分相似，不同之处在于宽度62′可足以在x方向上容纳一个以上的喷嘴。
图4B-图4D和图5B-图5D所示的每个喷嘴均包括一部分插在空腔中以接收微波的棒状导体。随后，所接收的微波沿棒状导体表面传输并聚集在锥形尖端上。由于一部分传输微波可能会在经过气流管时损失掉，因此，可利用屏蔽机构来提高喷嘴的效率，如图6A-图6B所示。
图6A显示了喷嘴160的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的一个替换实施方案。如图所示，喷嘴160包括棒状导体162；气流管164；涡流引导件166；以及用于减小穿过气流管164时的微波损失的内部屏蔽件168。内部屏蔽件168具有管状形状并与沿涡流引导件166外表面形成的凹槽配合。内部屏蔽件168可以提供对绕着棒状导体162的螺旋形涡流的辅助控制，并可以通过改变气流管164与棒状导体162之间的间隙来增强等离子体的稳定性。
图6B为另一种喷嘴170的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的另一个替换实施方案。如图所示，喷嘴170包括棒状导体172；气流管174；涡流引导件176；以及用于减小穿过气流管174时的微波能量损失的接地屏蔽件178。接地屏蔽件178可覆盖气流管174在微波空腔外侧的那一部分。与内部屏蔽件168相类似，接地屏蔽件178可以提供对绕着棒状导体172的螺旋形涡流的辅助控制，并可以通过改变气流管174与棒状导体172之间的间隙来增强等离子体的稳定性。
如上所述，应用于图4B-图4D和图5B-图5D所示喷嘴的主加热机构是在棒状导体的锥形尖端附近聚集并放电的微波，其中，喷嘴可产生用于消毒的非LTE等离子体。在非LTE等离子体中，离子和中性物质的温度可小于100℃，而电子的温度则最高可达到几万摄氏度。因此，这些等离子体被高度地电子激发。为了提高电子温度并提高喷嘴效率，如图6C-图6F所示，喷嘴可包括附加机构，其用来在气体位于气流管内的同时电子激发所述气体。
图6C为喷嘴180的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的另一个替换实施方案。如图所示，喷嘴180包括棒状导体182；气流管184；涡流引导件186；以及用于对气流管184中的涡流气体进行电子激发的一对外部磁体188。每个外部磁体188均可以具有圆柱形壳体，该壳体具有绕气流管184的外表面设置的半圆形横截面。
图6D为喷嘴190的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的另一个替换实施方案。如图所示，喷嘴190包括棒状导体192；气流管194；涡流引导件196；以及通过涡流引导件196固定在气流管194内的一对内部磁体198，用于对气流管194中的螺旋形涡流进行电子激发。每个内部磁体198均可以具有半圆形横截面的圆柱形壳体。
图6E为喷嘴200的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的另一个替换实施方案。如图所示，喷嘴200包括棒状导体202；气流管204；涡流引导件206；一对外部磁体208；以及内部屏蔽件210。每个外部磁体208均可以具有半圆形横截面的圆柱形壳体。在一个替换实施方案中，内部屏蔽件210可具有管状形状。
图6F为喷嘴212的剖面图，该喷嘴为图4C所示喷嘴36的另一个替换实施方案。如图所示，喷嘴212包括棒状导体214；气流管216；涡流引导件218；阳极220；以及阴极222。与电源(为了简化起见，未在图5F中示出)连接的阳极220和阴极222可电子激发气流管216中的涡流气体。
如上所述，图6A-图6F显示了图4B所示喷嘴36的各种实施方案的剖面图。但是，本领域技术人员应理解，图6A-图6F所示的实施方案可应用于图4C-图4D和图5B-图5D所示的喷嘴。另外，本领域技术人员应认识到在图4A-图6F中的说明内容可同样适用于图3的系统70中。
再次参照图2B，喷嘴36可设置在高能量域69内以最大程度地利用微波空腔32内的微波能量。通常，如果将高能量域69仅限制在喷嘴36周围，则微波空腔32的工作效率会提高。当典型喷嘴的横截面为具有近似均一的纵横比的矩形或圆形时，如图7-图9所示，如果在矩形区域内形成二维矩阵形式的高能量域，则可以使微波空腔的工作效率达到最大。
图7为根据本发明一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列的系统的示意图，该系统用附图标记230表示。系统230的部件与它们在图1中的对应部分相似，而不同之处在于微波在微波空腔250中彼此垂直地传播。如图所示，系统230包括微波源233，其具有微波能量头232和有两个出口的功率分流器234；一对非转动式移相器244a和244b；一对隔离件237a和237b，这对隔离件包括一对循环器236a，236b和一对虚载荷238a，238b；一对循环器242a和242b；波导240a和240b；微波空腔250；优选形成二维阵列的一个或多个喷嘴256；以及一对滑动式短路254a和254b。插图260a和260b表示向微波空腔250传播的微波。系统230还可以包括一对耦合器246a和246b；一对调谐器248a和248b；以及分别与一对耦合器246a和246b连接的一对功率表247a和247b。可以使气体容器34与微波空腔250连接以将气体提供给与微波空腔250结合的喷嘴256。在一个替换实施方案中，可以在微波能量头232与功率分流器234之间设置隔离件，以代替隔离件237a和237b。
图8显示了从垂直于两个干涉微波传播方向所限定平面的方向上观察的、微波空腔250内的高能量域的分布，其中，两个微波由波形260a和260b表示。如图8所示，由波形260a和260b表示的两个微波以及由波形261a和261b表示的两个反射微波产生二维矩阵形式的高能量域268，其中，间隔264a和264b分别对应于微波260a和260b的半波长。按照与应用于图2B所示的干涉图相同的原理，微波260a和261a以及微波260b和261b分别产生两个稳定微波，这两个稳定微波分别产生带状的高能量域262a和262b。随后，这两个稳定微波可以进一步干涉从而产生图8所示的矩阵形式的高能量域268。高能量域258的位置以及宽度266a和266b可由非转动式移相器244a和244b和/或滑动式短路254a和254b控制。每个喷嘴256的棒状导体的一部分可设置在高能量域内以收集微波能量，如图8所示。
在一个替换实施方案中，两个独立的微波能量头可代替微波源233，其中，每个微波能量头均可以将微波传输至微波空腔250。在这个方案中，两个微波可具有不同的波长和振幅，因此，间隔264a和264b可以彼此不同。同样，高能量域的宽度266a和266b可以彼此不同。
图9为根据本发明另一个实施方案用于产生二维矩阵形式的高能量域的微波空腔和波导的示意图，该微波空腔和波导总体上以附图标记270表示。如图所示，微波空腔276可接收分别经由四个波导272a～272d传播的四个微波274a～274d。这些微波的相位可分别由与波导272a～272d相结合的四个非转动式移相器(未在图9中示出)中的一个对应移相器来控制。可通过一个或多个微波能量头产生四个微波274a～274d。四个微波274a～274d中的每一个微波可以分别由四个微波能量头中的一个对应微波能量头产生。在一个替换实施方案中，两个微波能量头产生微波，其中将每一个微波分为两个微波。在另一个替换实施方案中，可以利用有四个出口的功率分流器将一个微波能量头的微波分为四个微波。应注意的是，这三个实施方案仅是为示例性说明而提供的。因此，本领域技术人员应理解在不脱离本发明的情况下，能够提供四个微波的任意合适的系统均可与微波波导272a～272d一起使用。
图6A-图6F中的喷嘴以及图4B-图4D中形成气流通道的微波空腔壁的各种实施方案也可应用于图9所示的系统。为了简化，不再详述这些实施方案。
参照图8，沿X方向和z方向的两个相邻喷嘴之间的间隔264a和264b可以是分别由波形260a和260b表示的微波的半波长。在某些应用中，这种半波长间隔可能会引起沿x方向和z方向的等离子体特性波动，因此，可能要求具有更小的间隔。例如，图10示意性地显示了在图7和图9所示系统的微波空腔内出现的高能量域的另一种干涉图。如图所示，每个高能量域268′均可包含一个以上的喷嘴256′，相邻喷嘴之间的间隔较小。通过减小间隔，与微波空腔250′相结合的喷嘴阵列能够产生在x方向和z方向上的均匀性都增强的等离子体。在图8的情况下，每个高能量域268′的宽度266a′均可通过调节两个微波260a′和261a′之间的相位差来控制，而宽度266b′则可通过调节两个微波260b′和261b′之间的相位差来控制。
图11为根据本发明另一个实施方案的具有等离子体喷嘴阵列337的系统的示意图，该系统以附图标记310表示。如图所示，系统310与系统10(图1)非常相似，而不同之处在于喷嘴阵列337中的各个喷嘴336可以直接从气体容器334接收气体。从气体容器334伸出的气体管线370可具有多个分支371，其中每个分支均可与一个喷嘴336相结合并由一根常规气体管道形成。
图12显示了图11中的微波空腔332和喷嘴阵列337沿垂直于z轴的方向的剖视图。如图所示，喷嘴336可包括气流管358；接地屏蔽件360，其用于减小穿过气流管358时的微波损失并与空腔壁332密封连接，气流管358紧密配合在接地屏蔽件360内；棒状导体352，其具有设置在微波空腔332中以从微波空腔332内接收微波的一部分354；位置保持器356，其设置在棒状导体352与接地屏蔽件360之间并且用于使棒状导体352相对于接地屏蔽件360牢固地固定；以及用于使分支371与接地屏蔽件360相结合的供气机构362。位置保持器356、接地屏蔽件360和棒状导体352可分别由与涡流引导件146(图4D)、接地屏蔽件178(图6B)和棒状导体152(图4D)相同的材料制成。例如，接地屏蔽件360可以由金属制成，优选由铜制成。
如图12所示，喷嘴336可通过供气机构362接收气体。供气机构362可以是由美国印第安那州的SMC公司制造的气动单触式连接头(型号No.KQ2H05-32)。供气机构362的一端具有螺栓，该螺栓与在接地屏蔽件360中的孔364边缘处形成的内螺纹相配合，如图13所示。本领域技术人员应理解本发明可以利用其它合适类型的供气机构来实现。在前面提及过的申请日为2005年7月7日、名称为“Microwave PlasmaNozzle with Enchanced Plume Stability and Heating Efficieny”的PCT申请中披露了可用于系统310的喷嘴336和微波空腔332的几种实施方案。
图13为图12所示的喷嘴336的分解透视图。如图所示，棒状导体352和接地屏蔽件360可分别与位置保持器356的内、外周边配合。棒状导体352可具有一部分354作为从微波空腔332收集微波的天线。所收集的微波可以沿棒状导体352传输并利用流经气流管358的气体产生等离子体338。术语“棒状导体”应包括具有各种横截面例如圆形、卵形、椭圆形或长圆形横截面或其任何组合的导体。
微波可由棒状导体352伸入微波空腔332内的那一部分354收集。这些微波沿棒状导体向下朝着锥形尖端传输。更具体地说，微波由棒状导体352的表面接收并沿该表面传输。与微波穿透和迁移有关的趋肤深度是微波频率和导体材料的函数。微波穿透距离可小于一毫米。因此，图14A所示的具有中空部分401的棒状导体400为棒状导体352的一个替换实施方案。
众所周知，一些贵金属是良好的微波导体。因此，为了减小装置的单位价格同时又不影响棒状导体的性能，可以用作为良好微波导体的贵金属制成棒状导体的表层，而将更便宜的导体材料用于芯体的内部。图14B为棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中，棒状导体402包括由贵金属制成的表层406以及由较便宜的导体材料制成的芯层404。
图14C为棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中，棒状导体408包括圆锥形尖端410。也可以使用其它的横截面变形方案。例如，相对于棒状导体408的其它部分而言，圆锥形尖端410会更快地被等离子体侵蚀，因此可能需要周期性地更换。
图14D显示了棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中，棒状导体412具有代替尖头尖端的钝头尖端414以延长其使用寿命。
图14E显示了棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中，棒状导体416具有通过适当的紧固机构422固定在圆柱形部分420上的锥形部分418(在这种情况下，可利用螺纹端422将锥形部分418拧入圆柱形部分420中)，以方便、快速地对其进行更换。
图14F-图14I显示了棒状导体的另一些替换实施方案的剖面图。如图所示，棒状导体421，424，428和434分别与它们的对应物352(图13)，400(图14A)，402(图14B)和416(图14E)相似，不同之处在于它们具有钝头尖端，以降低由等离子体造成的侵蚀速率。应注意的是，图14A-图14I所示的棒状导体的各种实施方案可用于图1和图3-图13所示喷嘴的任意实施方案中。
图15为流程图500，说明了根据本发明的至少一个实施方案、用于设置微波等离子体喷嘴阵列的示例性步骤。在步骤502中，沿第一轴线、以相反的方向将第一对微波引入微波空腔内。接着，在步骤504中，沿第二轴线、以相反的方向将第二对微波引入微波空腔内，其中所述第一轴线垂直于所述第二轴线，使第一对和第二对微波发生干涉，从而在微波空腔内产生静态的高能量域。随后，在步骤506中，调节从第一对和第二对微波中选择的至少一个微波的相位以控制高能量域。最后，在步骤508中，使喷嘴阵列与微波空腔相结合，其中所述喷嘴阵列的一个或者多个喷嘴部件被构造成从对应的一个高能量域中收集微波能量。
虽然已参照具体实施方案对本发明进行了说明，但是应该理解的是，上面的内容涉及的是本发明的优选实施方案，在不脱离所附权利要求限定的本发明精神和范围的情况下可作出各种改进。
另外，可以进行许多改进以使特定的情况、系统、工艺、处理步骤适用于本发明的目的、精神和范围。所有这些改进均应落入所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种设置微波等离子体喷嘴阵列的方法，包括以下步骤沿相反的方向将微波引入微波空腔内，使微波发生干涉并在微波空腔内形成静态的稳定微波图；调节所述微波中至少一个微波的相位以控制由稳定微波图产生的高能量域；以及将喷嘴阵列至少部分地设置在微波空腔内，使喷嘴阵列中的一个或多个喷嘴部件从对应的一个高能量域中接收微波能量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述引入微波的步骤包括以下步骤将微波传输至微波空腔；以及利用与微波空腔操作性连接的滑动式短路来反射微波。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述引入微波的步骤包括以下步骤将由两个微波能量头产生的微波传输至微波空腔。
4.一种设置微波等离子体喷嘴阵列的方法，包括以下步骤沿第一轴线、以相反的方向将第一对微波引入微波空腔内；沿第二轴线、以相反的方向将第二对微波引入微波空腔内，所述第一轴线垂直于所述第二轴线，使得第一对和第二对微波发生干涉并在微波空腔内形成静态的高能量域；调节所述微波中至少一个微波的相位以控制高能量域；将喷嘴阵列至少部分地设置在微波空腔内，使喷嘴阵列中的一个或多个喷嘴部件从对应的一个高能量域中接收微波能量。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述引入第一对微波的步骤包括以下步骤将微波传输至微波空腔；以及利用与微波空腔操作性连接的滑动式短路来反射微波。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述引入第一对微波的步骤包括以下步骤将由两个微波能量头产生的微波传输至微波空腔。
7.根据权利要求4所述的方法，还包括以下步骤通过微波能量头产生微波；以及设置与微波能量头连接的功率分流器。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述调节至少一个微波的相位的步骤包括调节第一对微波的相位。
9.根据权利要求4所述的方法，其中，所述调节至少一个微波的相位的步骤包括调节第二对微波的相位。
10.根据权利要求4所述的方法，其中，所述调节至少一个微波的相位的步骤包括调节第一对微波和第二对微波的相位。
11.一种微波等离子体喷嘴阵列单元，包括微波空腔；以及喷嘴阵列，每个所述喷嘴包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
12.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述气流管之间的涡流引导件，所述涡流引导件具有至少一个通道，使沿着所述至少一个通道通过的气体具有绕所述棒状导体的螺旋形流动方向。
13.根据权利要求12所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔包括壁，所述微波空腔的壁形成与所述气流管的入口部操作性连接的一部分气流通道。
14.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述屏蔽件由导体材料制成。
15.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述气流管的外表面上的接地屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述接地屏蔽件具有用于接收从其中经过的气流的孔。
16.根据权利要求15所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述接地屏蔽件之间的位置保持器，用于使所述棒状导体相对于所述接地屏蔽件牢固地固定。
17.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述气流管由石英制成。
18.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管设置的一对磁体，所述一对磁体的形状近似于圆柱体的一部分。
19.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的阳极；以及相邻于所述气流管的另一部分设置的阴极。
20.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔包括微波入口；以及滑动式短路，其用于反射经由所述微波入口传输的微波。
21.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔包括设置在所述微波空腔的相对侧的两个微波入口。
22.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔包括设置在所述微波空腔的彼此垂直的侧面处的两个微波入口；以及用于反射由所述入口接收的微波的两个滑动式短路。
23.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔包括第一对微波入口，它们沿第一轴线设置在所述微波空腔的相对侧；第二对微波入口，它们沿第二轴线设置在所述微波空腔的相对侧，所述第二轴线基本上垂直于所述第一轴线。
24.根据权利要求11所述的微波等离子体喷嘴阵列单元，其中，所述微波空腔被构造成利用引导至其内的微波产生多个静态高能量域，且所述棒状导体的一部分设置在由所述静态高能量域占据的空间内。
25.一种微波等离子体系统，包括微波源；与所述微波源操作性连接的一对隔离件；具有一对入口的微波空腔；一对波导，每个所述波导与对应的一个所述隔离件操作性连接并与所述微波空腔的一个对应入口操作性连接；一对非转动式移相器，每个所述非转动式移相器与对应的一个所述波导操作性连接并与对应的一个所述隔离件操作性连接；以及喷嘴阵列，每个所述喷嘴包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
26.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述气流管之间的涡流引导件，所述涡流引导件具有至少一个通道，使沿着所述至少一个通道通过的气体具有绕所述棒状导体的螺旋形流动方向。
27.根据权利要求26所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔包括壁，所述微波空腔的壁形成与所述气流管的入口部操作性连接的一部分气流通道。
28.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述屏蔽件由导体材料制成。
29.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述气流管的外表面上的接地屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述接地屏蔽件具有用于接收从其中经过的气流的孔。
30.根据权利要求29所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述接地屏蔽件之间的位置保持器，用于使所述棒状导体相对于所述接地屏蔽件牢固地固定。
31.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，所述气流管由石英制成。
32.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管设置的一对磁体，所述一对磁体的形状近似于圆柱体的一部分。
33.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的阳极；以及相邻于所述气流管的另一部分设置的阴极。
34.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔被构造成利用引导至其内的微波产生多个静态高能量域，且所述棒状导体的一部分设置在由所述静态高能量域占据的空间内。
35.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，每个所述隔离件包括与至少一个所述波导操作性连接的循环器；以及与所述循环器操作性连接的虚载荷。
36.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，还包括一对调谐器，每个所述调谐器与对应的一个所述波导操作性连接并与所述微波空腔操作性连接。
37.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，还包括一对循环器，每个所述循环器与对应的一个所述波导操作性连接且用于将微波引向对应的一个所述非转动式移相器。
38.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，还包括一对耦合器，每个所述耦合器与对应的一个所述波导操作性连接并与用于测量微波通量的功率表操作性连接。
39.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，所述微波源包括一对微波能量头，每个所述微波能量头与对应的一个所述隔离件操作性连接。
40.根据权利要求25所述的微波等离子体系统，其中，所述微波源包括用于产生微波的微波能量头；以及用于接收微波、使微波分流并将微波引向所述隔离件的功率分流器。
41.一种微波等离子体系统，包括微波源；与所述微波源操作性连接的隔离件；具有入口的微波空腔；与所述隔离件和所述微波空腔的入口操作性连接的波导；与所述波导和所述隔离件操作性连接的非转动式移相器；循环器，其与所述波导操作性连接且用于将微波引向所述非转动式移相器；与所述微波空腔操作性连接的滑动式短路；以及喷嘴阵列，每个所述喷嘴包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
42.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述气流管之间的涡流引导件，所述涡流引导件具有至少一个通道，使沿着所述至少一个通道通过的气体具有绕所述棒状导体的螺旋形流动方向。
43.根据权利要求42所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔包括壁，所述微波空腔的壁形成与所述气流管的入口部操作性连接的一部分气流通道。
44.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述屏蔽件由导体材料制成。
45.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述气流管的外表面上的接地屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述接地屏蔽件具有用于接收从其中经过的气流的孔。
46.根据权利要求45所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述接地屏蔽件之间的位置保持器，用于使所述棒状导体相对于所述接地屏蔽件牢固地固定。
47.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，所述气流管由石英制成。
48.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管设置的一对磁体，所述一对磁体的形状近似于圆柱体的一部分。
49.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的阳极；以及相邻于所述气流管的另一部分设置的阴极。
50.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔被构造成利用引导至其内的微波产生多个静态高能量域，且所述棒状导体的一部分设置在由所述静态高能量域占据的空间内。
51.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，其中，所述隔离件包括与所述波导操作性连接的循环器；以及与所述循环器操作性连接的虚载荷。
52.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，还包括与所述波导和所述微波空腔操作性连接的调谐器。
53.根据权利要求41所述的微波等离子体系统，还包括耦合器，其与所述波导和用于测量微波通量的功率表操作性连接。
54.一种微波等离子体系统，包括微波源；与所述微波源操作性连接的一对隔离件；具有一对入口的微波空腔；一对波导，每个所述波导与对应的一个所述隔离件操作性连接并与所述微波空腔的一个对应入口操作性连接；一对非转动式移相器，每个所述非转动式移相器与对应的一个所述波导操作性连接并与对应的一个所述隔离件操作性连接；一对滑动式短路，每个所述滑动式短路与所述微波空腔操作性连接；以及喷嘴阵列，每个所述喷嘴包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
55.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述气流管之间的涡流引导件，所述涡流引导件具有至少一个通道，使沿着所述至少一个通道通过的气体具有绕所述棒状导体的螺旋形流动方向。
56.根据权利要求55所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔包括壁，所述微波空腔的壁形成与所述气流管的入口部操作性连接的一部分气流通道。
57.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述屏蔽件由导体材料制成。
58.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述气流管的外表面上的接地屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述接地屏蔽件具有用于接收从其中经过的气流的孔。
59.根据权利要求58所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述接地屏蔽件之间的位置保持器，用于使所述棒状导体相对于所述接地屏蔽件牢固地固定。
60.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，所述气流管由石英制成。
61.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管设置的一对磁体，所述一对磁体的形状近似于圆柱体的一部分。
62.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的阳极；以及相邻于所述气流管的另一部分设置的阴极。
63.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔被构造成利用引导至其内的微波产生多个静态高能量域，且所述棒状导体的一部分设置在由所述静态高能量域占据的空间内。
64.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，其中，每个所述隔离件包括与至少一个所述波导操作性连接的循环器；以及与所述循环器操作性连接的虚载荷。
65.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，还包括一对调谐器，每个所述调谐器与对应的一个所述波导操作性连接并与所述微波空腔操作性连接。
66.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，还包括一对耦合器，每个所述耦合器与对应的一个所述波导操作性连接并与用于测量微波通量的功率表操作性连接。
67.根据权利要求54所述的微波等离子体系统，还包括一对循环器，每个所述循环器与对应的一个所述波导操作性连接且用于将微波引向对应的一个所述非转动式移相器。
68.一种微波等离子体系统，包括微波源；具有四个入口的微波空腔；四个波导，每个波导与所述微波空腔的一个对应入口操作性连接并与所述微波源操作性连接；四个非转动式移相器，每个所述非转动式移相器与对应的一个所述波导操作性连接并与所述微波源操作性连接；四个循环器，每个所述循环器与对应的一个所述波导操作性连接且用于将由所述微波源产生的微波引向至少一个所述非转动式移相器；以及喷嘴阵列，每个所述喷嘴包括气流管，其适于引导从其中经过的气流并具有入口部和出口部；沿轴向设置在所述气流管中的棒状导体，所述棒状导体具有设置在所述微波空腔中以接收微波的一部分和相邻于所述出口部设置的尖端。
69.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述气流管之间的涡流引导件，所述涡流引导件具有至少一个通道，使沿着所述至少一个通道通过的气体具有绕所述棒状导体的螺旋形流动方向。
70.根据权利要求69所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔包括壁，所述微波空腔的壁形成与所述气流管的入口部操作性连接的一部分气流通道。
71.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述屏蔽件由导体材料制成。
72.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述气流管的外表面上的接地屏蔽件，用于减小穿过所述气流管时的微波能量损失，所述接地屏蔽件具有用于接收从其中经过的气流的孔。
73.根据权利要求72所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括设置在所述棒状导体与所述接地屏蔽件之间的位置保持器，用于使所述棒状导体相对于所述接地屏蔽件牢固地固定。
74.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，所述气流管由石英制成。
75.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管设置的一对磁体，所述一对磁体的形状近似于圆柱体的一部分。
76.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，每个所述喷嘴还包括相邻于所述气流管的一部分设置的阳极；以及相邻于所述气流管的另一部分设置的阴极。
77.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，所述微波空腔被构造成利用引导至其内的微波产生多个静态高能量域，且所述棒状导体的一部分设置在由所述静态高能量域占据的空间内。
78.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，所述微波源包括四个微波能量头；以及四个隔离件，每个所述隔离件与对应的一个所述微波能量头操作性连接并与至少一个所述波导操作性连接，每个所述隔离件包括与所述波导操作性连接的循环器；与所述循环器操作性连接的虚载荷。
79.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，所述微波源包括两个微波能量头；两个隔离件，每个所述隔离件与对应的一个所述微波能量头操作性连接，每个所述隔离件包括与所述波导操作性连接的循环器；与所述循环器操作性连接的虚载荷；以及两个功率分流器，每个所述功率分流器与对应的一个所述隔离件操作性连接，每个所述功率分流器被构造成用于接收微波、使微波分流并将微波引向对应的两个所述波导。
80.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，其中，所述微波源包括微波能量头；与所述微波能量头操作性连接的隔离件，所述隔离件包括与所述波导操作性连接的循环器；与所述循环器操作性连接的虚载荷；以及与所述隔离件连接的功率分流器，所述功率分流器被构造成用于接收微波、使微波分流并将微波引向对应的一个所述波导。
81.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，还包括四个调谐器，每个所述调谐器与对应的一个所述波导操作性连接并与所述微波空腔操作性连接。
82.根据权利要求68所述的微波等离子体系统，还包括四个耦合器，每个所述耦合器与对应的一个所述波导操作性连接并与用于测量微波通量的功率表操作性连接。
全文摘要
本发明提供了微波等离子体喷嘴阵列系统(10，70，230和310)和用于设置微波等离子体喷嘴阵列(37，99和337)的方法。以特定方式将微波传输至微波空腔(32)并且在微波空腔(32)内形成包括高能量域(69)的干涉图(66)。高能量域(69)由微波的相位和波长控制。在阵列(37)中设置有多个喷嘴部件(36)。每个喷嘴部件(36)均具有部分设置在微波空腔(32)内的一部分(116)并接收从其中经过的气体。各喷嘴部件(36)从这些高能量域(69)中的一个高能量域接收微波能量。每个喷嘴部件(36)包括具有尖端(117)的棒状导体(114)，将微波聚集在该尖端处并利用所接收的气体产生等离子体(38)。
文档编号H01J37/32GK101066000SQ200580025065
公开日2007年10月31日 申请日期2005年7月21日 优先权日2004年7月30日
发明者李相勋, 金重秀 申请人:阿玛仁特技术有限公司, 诺日士钢机株式会社