專利名稱：自我平衡的離子化氣體流的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用電暈放電以產(chǎn)生氣體離子的靜電中和設(shè)備。更具體的，本發(fā)明針對生產(chǎn)用于電荷中和的電氣自我平衡、雙極性離子化氣體流。相應(yīng)地，本發(fā)明的總體目標(biāo)為提供新穎且具有此類特征的系統(tǒng)、方法、設(shè)備、與軟件。
背景技術(shù)：
在純凈環(huán)境中的過程和作業(yè)特別傾向于在所有電氣隔離表面上創(chuàng)造和堆積靜電電荷。這些電荷產(chǎn)生不良電場，電場會將大氣懸浮微粒吸引至表面、在電介質(zhì)中產(chǎn)生電應(yīng)カ(electrical stress)、在半導(dǎo)體材料與導(dǎo)體材料中誘發(fā)電流、以及在生產(chǎn)環(huán)境中引發(fā)電氣放電和電磁波干擾(EMI)。要解決這些靜電危害，最有效率的方法是將離子化氣體流供應(yīng)至帶電荷的表面。此類型的氣體離子化可有效的補償或中和不良電荷，從而減少關(guān)于不良電荷的污染物、電場以及電磁波干擾效應(yīng)。產(chǎn)生氣體離子化的一種常規(guī)方法被稱為電暈放電(corona discharge)。因為基于電暈的離子化裝置(例如，見已公開的專利申請說明書US20070006478與JP 2007048682)，在小空間內(nèi)其能量與離子化可為高效率而被需要。然而，此種電暈放電設(shè)備的一個已知缺點為，在其中使用的高電壓離子化電極/發(fā)射器(以尖端或細線的形式)，將與需要的氣體離子一同產(chǎn)生不良污染物。電暈放電也可在例如周圍空氣中激發(fā)微小液滴型式的水氣的形成。常規(guī)電暈放電設(shè)備的另ー個已知的缺點為，在其中使用的高電壓離子化電極/發(fā)射器有產(chǎn)生不相等數(shù)量的氣體正離子與氣體負離子的傾向，而非如同大部分應(yīng)用所需要的，產(chǎn)生濃度大致相等的正離子與負離子。因為高純度的正電性與惰性氣體具有高離子化能量與低負電性，在需要離子化正電性氣體(諸如氮氣與氬氣)的應(yīng)用中此問題特別嚴重。舉例來說，負電性02的離子化能量為12. 2電伏，與N2的15. 6電伏和氬氣的15. 8電伏相比。因此，這些氣體有產(chǎn)生大量自由電子，而非負離子的傾向。在此重申，雖然這些氣體會產(chǎn)生三種電荷載子(電子、正離子以及負離子)，但其主要是產(chǎn)生正極性離子與電子。因此，負離子發(fā)射相對稀有，且正離子與負離子的產(chǎn)生完全不相等(不平衡)。此外，離子不平衡也可產(chǎn)生來自事實離子產(chǎn)生速率與平衡依賴于ー些其他因素，其他因素為諸如離子化電極的狀態(tài)、氣體溫度和氣體流組成等等。舉例來說，以下事實在本發(fā)明領(lǐng)域中顯而易知電暈放電逐漸地侵蝕正離子電極與負離子電極兩者，且從這些電極中產(chǎn)生污染物粒子。然而，正電極通常以比負電極快速的速率被侵蝕，且這種現(xiàn)象加劇離子不平衡與離子電流不穩(wěn)定性。
傳統(tǒng)實踐中用于平衡離子流的已知作法，是使用浮接(與地電氣隔離)的高電壓直流電源供應(yīng)器。該電源供應(yīng)器的高電壓輸出被連接至正電極與負電極(如美國專利7，042，694中所示與描述)。然而，此方法需要使用具有被高電壓在其之間隔離的至少兩個離子電極。用于平衡離子流的一種可選的常規(guī)方法，是使用兩個(正與負)隔離的直流/脈沖直流電壓供應(yīng)器，且調(diào)整應(yīng)用至一個或兩個離子電極的電壓輸出和/或電壓持續(xù)期間(如已公開的美國專利申請2007/0279829與2009/0219663中所示與描述)。此種解決辦法具有其本身的缺點。第一個缺點為復(fù)雜度，其原因是需要控制每個高電壓電源供應(yīng)器。第ニ個缺點是從兩個分離的來源，在氣體流中達到正離子與負離子的優(yōu)良混合的困難度。在以上提到的關(guān)于在傳統(tǒng)離子化裝置中發(fā)射器侵蝕與粒子產(chǎn)生的問題，對于高純度氮氣、氬氣、與惰性氣體的電暈離子化特別地有挑戰(zhàn)性。在這些氣體中，正極電暈放電在正常的大氣狀態(tài)下產(chǎn)生具有低移動度(低能量)的正離子叢集。然而，由于在電子與中性分子間的非弾性碰撞，負極電暈放電產(chǎn)生高能量電子，非弾性碰撞的原因是發(fā)射器的場致發(fā)射(field emission),與在電極頂部周圍的電衆(zhòng)區(qū)域內(nèi)的光離子化(photo-ionization)。 這些在正電性氣體與惰性氣體中的自由電子具有對中性氣體原子或分子的低附著機率。此夕卜，自由電子的電氣移動度是由氣體生成的負離子的一百倍以上。這些事實所導(dǎo)致的結(jié)果包括-高能量電子與電極表面的沖撞加速侵蝕，其相應(yīng)地產(chǎn)生污染離子化氣體流的粒子;-高移動度電子在離子化氣體流中產(chǎn)生顯著的不平衡；-自由電子有能カ產(chǎn)生第二電子發(fā)射，引發(fā)電暈電流不穩(wěn)定性和(或)導(dǎo)致崩潰。對于上述問題的先前技術(shù)解決辦法被利用于MKS/離子系統(tǒng)，氮氣沿線離子化模型4210(u/un)中。圖I示出此設(shè)備的簡化結(jié)構(gòu)。如在此所示，此裝置的離子化單元(IC)具有遠遠地分開放置的正發(fā)射器(PE)與負發(fā)射器(NE)，并具有在兩者間流動的氣體3。每個發(fā)射器通過限流(current-limiting)電阻(CLR1與CLR2)連接至高電壓直流電源供應(yīng)器(DC-PS)的浮接輸出。在此設(shè)計中，如與此一般類型中的其他設(shè)計，正發(fā)射器侵蝕是污染粒子與離子不平衡的來源。同樣地，任何將通過兩電極間的氣體流離子化的系統(tǒng)的效率被限制。美國專利6，636，411披露對同樣問題的另ー種解決方法，其建議引入ー種特定百分比的電子附加(electron-attaching)氣體(諸如氧氣)至電衆(zhòng)區(qū)域中，以將自由電子轉(zhuǎn)換(附加)入負離子中，并穩(wěn)定電暈放電。然而，氧氣(或ー些其他的負電性氣體)的引入排除了此解決方法在純凈與超純凈環(huán)境和(或)任何需要非氧化性氣體流的環(huán)境中的使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對于電氣平衡的離子化氣體流的穩(wěn)定產(chǎn)生，提供自我平衡的電暈放電，以克服已知技術(shù)的上述與其他缺點。本發(fā)明通過促進使自由電子轉(zhuǎn)換成負離子的電子轉(zhuǎn)換，且不添加(摻雜)氧氣或其他負電性氣體至該離子化氣體流中，而達成此結(jié)果。本發(fā)明可被使用于負電性氣體流、正電性氣體流、及惰性氣體流的任ー個、多個、或這些氣體流的任意組合，且可包含使用閉環(huán)控制系統(tǒng)。與本發(fā)明以及在此所披露的一致，在電暈放電區(qū)域(也就是說，在離子化電極與非離子化參照電極之間的離子化単元的區(qū)域)內(nèi)具有兩個不同種類的區(qū)域(a)小型(直徑約I毫米)且一般為球形的白熱電漿區(qū)域，其以離子發(fā)射器尖端為中心或近于離子發(fā)射器尖端，在白色電漿區(qū)域中離子化電場提供充足的能量以產(chǎn)生新電子與光子，從而維持電暈放電；以及(b)離子漂移區(qū)域，其為在白熱電漿區(qū)域與非離子化參照電極之間的黑暗區(qū)間(dark space)。
根據(jù)本發(fā)明，具有正部分與負部分的周期T的交替的離子化信號，被應(yīng)用至離子化電極，以在定義下游方向的非離子化氣體流中產(chǎn)生電荷載子，從而形成離子化氣體流。電荷載子包括電子、正離子、與負離子的云。有利地，在離子化信號的負部分中的Tnc部分期間產(chǎn)生的電子云中的電子，被誘發(fā)以在離子漂移區(qū)域中振蕩。此電子云振蕩提高了在振蕩電子與在氣體流(例如高純度氮氣)中的中性分子之間的彈性碰撞/附加的機率。因為當(dāng)此種彈性碰撞/附加發(fā)生時自由電子與中性分子轉(zhuǎn)換成負離子，所以本發(fā)明的使用提高了離子化氣體流中負離子的數(shù)量。選擇性地，在至少ー個參照電極與離子漂移區(qū)域之間提供介電質(zhì)屏障(dielectric barrier)(也就是說，電氣隔離)，更進ー步促進將多數(shù)電子轉(zhuǎn)換成低移動度負離子。此種效應(yīng)提供穩(wěn)定的電暈放電，幫助平衡正離子與負離子的數(shù)量，并增進從流過離子化裝置的氣體流采收的正離子與負離子。本發(fā)明的特定的選擇性具體實施例使用雙重解決辦法以在離子化氣體流中平衡離子流(I)將離子化電暈電極電容性地耦合至各射頻頻率(RF)高電壓電源供應(yīng)器(HVPS)，以及(2)將參照電極與離子化氣體流電氣隔離(例如，以介電材料使參照電極與氣體流絕緣)。本發(fā)明的特定的選擇性具體實施例也展望使用(有能力以在正電性氣體與負電性氣體中工作的)控制系統(tǒng)，其中將増加的電壓脈沖重復(fù)地應(yīng)用至離子化電極，直至電暈放電發(fā)生，從而決定電極的電暈閾值電壓。接著控制系統(tǒng)可減少作業(yè)電壓至一般等于電暈閾值電壓的靜態(tài)水平，以最小化電暈電流、發(fā)射器融合、與粒子產(chǎn)生。以這種方式，本發(fā)明的特定的具體實施例可保護離子化電極，以避免在正電性氣體與惰性氣體中的RF電暈電流所造成的傷害(諸如侵蝕)。因此，使用此種控制系統(tǒng)的本發(fā)明的具體實施例，不僅可更好地平衡離子化氣體流，而且可自動地、優(yōu)化地平衡離子化氣體流(也就是說，此種具體實施例可為自我平衡)。理所當(dāng)然地，前述的本發(fā)明所披露的方法很好地特定適應(yīng)于前述本發(fā)明所描述的設(shè)備。類似地，本發(fā)明的設(shè)備很好地適合執(zhí)行前述有進步性的方法。通過以下優(yōu)選的具體實施例的詳盡描述、權(quán)利要求與相關(guān)附圖，諸多本發(fā)明的其他優(yōu)點與特點對于在本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員將是顯然的。


本發(fā)明的優(yōu)選具體實施例將于以下參照附圖進行描述，其中相同的數(shù)字代表相同的步驟和/或結(jié)構(gòu)，其中
圖I是在先技術(shù)的氮氣沿線離子化設(shè)備；圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個優(yōu)選具體實施例的離子化単元的簡要代表圖；圖3a示出應(yīng)用至根據(jù)圖2的優(yōu)選具體實施例而作業(yè)的離子化電極的電壓波形；圖3b示出根據(jù)圖2與圖3a的優(yōu)選具體實施例而作業(yè)的離子化電極放電的電暈電流波形；圖3c示出根據(jù)圖2、圖3a、與圖3b的優(yōu)選具體實施例而作業(yè)的發(fā)射器產(chǎn)生的正電荷載子與負電荷載子；圖4是根據(jù)本發(fā)明的自我平衡具體實施例、使用模擬控制系統(tǒng)的具有RF HVPS的 氣體離子化設(shè)備的簡要代表圖；圖5a是根據(jù)本發(fā)明，比較應(yīng)用至離子發(fā)射器的代表性高電壓信號，與在空氣中的代表性電暈誘發(fā)位移電流的示波器縮略圖；圖5b是比較應(yīng)用至離子發(fā)射器的代表性高電壓信號，與在氮氣中的代表性電暈誘發(fā)位移電流的示波器縮略圖；圖5c為圖5b的電暈誘發(fā)電流信號的示波器縮略圖，其中水平(時間)軸被擴大以更詳細地示出被應(yīng)用的電壓信號；圖6a是根據(jù)本發(fā)明的自我平衡優(yōu)選具體實施例、具有HVPS與以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的氣體離子化設(shè)備的簡要代表圖；圖6b是根據(jù)本發(fā)明的自我平衡優(yōu)選具體實施例、具有HVPS與以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)的另一個氣體離子化設(shè)備簡要代表圖；圖7a是根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選具體實施例、示出控制系統(tǒng)的代表性“開啟”模式作業(yè)的流程圖；圖7b是根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選具體實施例、示出控制系統(tǒng)的代表性“啟動”模式作業(yè)的流程圖；圖7c是根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選具體實施例、示出氣體離子化設(shè)備的控制系統(tǒng)的代表性“正常作業(yè)”模式作業(yè)的流程圖；圖7d是根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選具體實施例、示出控制系統(tǒng)的代表性“待機”模式作業(yè)的流程圖；圖7e是根據(jù)本發(fā)明的一些優(yōu)選具體實施例、示出控制系統(tǒng)的代表性“學(xué)習(xí)”模式作業(yè)的流程圖；圖8是在學(xué)習(xí)作業(yè)模式(左側(cè))與正常作業(yè)模式(右側(cè))期間，在使用氮氣流的有進步性的離子化裝置內(nèi)，比較代表性電暈位移電流信號與代表性高電壓波形的示波器縮略圖；圖9為在基頻為45kHz、工作因子為約49%、與脈沖重復(fù)速率為99Hz下，比較代表性電暈位移電流信號S4(見屏幕上較高的波形)與射頻高電壓波形S4，的示波器縮略圖。
具體實施例方式圖2是示出用于在寬范圍的氣體流動速率中、至少實質(zhì)上濃度是電氣平衡的電荷載子，產(chǎn)生離子化氣體流10/11 (例如使用負電性/正電性/惰性氣體)的優(yōu)選方法與設(shè)備的簡要代表圖。此目標(biāo)通過離子化単元100’可達到，離子化単元100’包含絕緣參照電極6以及電容性地I禹合(capacitively-coupled)至高電壓電源供應(yīng)器(HVPS)9的離子化電極5，高電壓電源供應(yīng)器(HVPS) 9優(yōu)選在射頻頻率范圍內(nèi)作業(yè)。
如圖2所示，優(yōu)選具有進步性的離子化裝置100包含至少ー個設(shè)置在穿越通道2內(nèi)的發(fā)射器(離子化電暈電極)5，穿越通道2接納定義下游方向的氣體流3。電極5可由導(dǎo)體材料諸如鎢、基于金屬的合金、復(fù)合材料(陶瓷/金屬)，或半導(dǎo)體材料(諸如硅)制成，及/或可由任何材料制成及/或具有任何并入此的應(yīng)用中描述的結(jié)構(gòu)。電極5可以沖壓、從線切割加工成型、或根據(jù)其他已知的本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)來制成。電極5的離子發(fā)射末端可具有錐形尖端5’，錐形尖端5’具有約70 80微米的小半徑。電極另一末端可固定在插座8中且可連接至高電壓電容Cl，高電壓電容Cl可連接至通篇描述的類型的高電壓交流電源供應(yīng)器9的輸出。在此優(yōu)選具體實施例中，電源供應(yīng)器9優(yōu)選地為可變量值的交流電壓發(fā)生器，交流電壓的量值可自約I千伏特(kV)至約20kV(優(yōu)選為IOkV)，且交流電壓的頻率可在約50赫茲(Hz)至約200千赫茲(kHz)(最優(yōu)選為38kHz)之間。不導(dǎo)電外殼可被放置在電極周圍，不導(dǎo)電外殼具有靠近電極尖端的流孔，以及用于移除電暈副產(chǎn)品的疏散孔(見示出在圖4中的外殼4)。此可選的外殼可以沖壓、加工成型、或根據(jù)其他已知的本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)制成。此配置的詳情已于在以上參照并并入的專利申請中披露。穿越通道2可由介電材料制成，且可以沖壓、加工成型、或根據(jù)其他已知于本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域中的技術(shù)以制成。高壓氣體的來源(未示出)可連接至穿越通道的吸入ロ 2以建立純凈氣體流3，諸如包含氮氣的正電性氣體。優(yōu)選的參照電極6為導(dǎo)電環(huán)的形式。參照電極6優(yōu)選的以相對為厚(I 3毫米)的介電體壁從通道2的內(nèi)側(cè)空間絕緣，且電氣耦合至控制系統(tǒng)36。電極5與參照電極6形成可發(fā)生電暈放電的離子化單元100’的主要組件。當(dāng)電源供應(yīng)器9的電壓輸出超過電暈起始電壓V。。時氣體離子化開始。電暈熄滅(抑制)通常在低電壓時發(fā)生。此效應(yīng)已知為電暈遲滯(corona hysteresis),且在正電性氣體在高頻率時更為顯著。如本發(fā)明相關(guān)領(lǐng)域已知，對于正極性與負極性放電，電暈起始電壓的值與伏持-安培特征是不同的。此為電暈放電在氣體中產(chǎn)生不相等數(shù)量的正電荷載子與負電荷載子的原因之一。因此，離開電暈發(fā)射器的離子流在常規(guī)系統(tǒng)中是不平衡的。然而，依照在此所描述的優(yōu)選具體實施例，可校正此不平衡。如所示的，電極5可通過電容器Cl通信式地率禹合(communicatively coupled)至電源供應(yīng)器9以達到兩目標(biāo)首先，限制從電極5流出的離子電流，以及其次，使離開電極5的正電荷載子與負電荷載子10/11/11’的數(shù)量均等。因為根據(jù)電荷守恒定律，不相等的正電流與負電流在用以平衡來自電極5的正電流與負電流的電容器Cl上堆積電荷并產(chǎn)生電壓，所以將電源供應(yīng)器9電容性地耦合至發(fā)射器5使來自發(fā)射器的電荷載子10/11/11’平衡。電容器Cl的優(yōu)選電容值取決于電容性地耦合至電容器Cl的HVPS 9的作業(yè)頻率。對于優(yōu)選的HVPS (具有約38kHz的作業(yè)頻率)，Cl的優(yōu)化值優(yōu)選地為在約20微微法拉(picoFarads)至約30微微法拉的范圍內(nèi)。雖然相對于相關(guān)技術(shù)，以此方法平衡來自電極的正離子與電子為值得關(guān)注的進展，在圖2中示出的優(yōu)選具體實施例更進一歩地展望在漂移區(qū)域(在離子化電極與下游參照電極之間)中，促進將電子云的自由電子轉(zhuǎn)換成負離子的改進，如以下立即討論。根據(jù)奧姆定律，由電荷載子位移所產(chǎn)生的電流密度J[A/m2]為J = qxNxExy其中q為離子或電子電荷；N為電荷載子濃度，μ為電荷載子的電移動度，以及E為漂移區(qū)中電場強度。本發(fā)明領(lǐng)域中已知，氣體正離子的平均移動度(mean mobility)為(+) μ =I. 負離子的平均移動度為㈠μ = I. SSxKT4m2V-1S'而電子的平均移動度為(-)μ =或為更高，取決于氣體的類型、壓カ、溫度等等)。因此，移動進入離子化単元10的漂移區(qū)的相等濃度的(+)N離子與(-)N電子，可產(chǎn)生非常不同的電流量值(+)J與(_)J以及非常不平衡的氣體流。為了解決在漂移區(qū)中的不平衡問題，本發(fā)明促進將電子轉(zhuǎn)換成低移動度的負離子。轉(zhuǎn)換速率受電子產(chǎn)生持續(xù)期間、離子化単元尺寸、應(yīng)用至電極5的電壓的頻率及量值、以及離子化單元10的材料特性影響。HVPS的作業(yè)頻率(F)范圍從約50Hz至約200kHz，優(yōu)·選的射頻頻率范圍從約IOkHz至約100kHz。高電壓振幅應(yīng)接近于負電暈臨限值(-)V。。，以下詳細討論這些因子。圖3a示出在圖2中示出的具體實施例中使用的一個優(yōu)選波形，此波形可由高電壓電源供應(yīng)9產(chǎn)生。在多數(shù)優(yōu)選的約38kHz頻率下，負電荷載子僅在電壓周期的負部分中的一段非常短的時間Tnc期間中產(chǎn)生。因此，典型的Tnc等于電壓周期的十分之一或更少。同時，電子云需要時間T6以從電極5移動至參照電極6 Te = L/U = L/ (EdX (-) μ )其中U為電子速度；μ為電子移動度；Ed為漂移區(qū)中的平均電場強度；以及L為漂移區(qū)的等效長度。如果電子云行動時間Te等于或小于由負電暈的電子產(chǎn)生的持續(xù)期間(時間期間)(K TJ，那么多數(shù)在此周期間發(fā)射出的電子將不會有足夠的時間逃出離子漂移區(qū)。如以下所討論的，在隨后的/另ー邊的來自HVPS 9的波形的半周期期間，這些電子將朝著發(fā)射器被拉回。將更進一歩被理解的是，發(fā)射器的電場與漂移區(qū)中的電子空間電荷導(dǎo)致ー些電子11’沉積在漂移區(qū)中通道2的內(nèi)側(cè)體壁上，如圖2所示。這些負電荷11’產(chǎn)生額外的斥力并減低電子移動至參照電極的速度。此效應(yīng)更進ー步減少自由電子逃出離子漂移區(qū)域的能力。此優(yōu)選具體實施例降低自由電子速度的另一方式為，以具有長時間常數(shù)的介電材料作為穿越通道2的體壁。該時間常數(shù)τ優(yōu)選為>100秒(或電荷弛緩時間T=Rxε，其中R為電阻值，以及ε為通道材料的介電常數(shù))。適合的材料包含聚碳酸酷與鐵氟龍，因為它們具有等于或大于100秒的時間常數(shù)。由Quadrant EPP USA, Inc.(地址在2120Fairmont Ave.,P. O. Box 1235 Reading, PA 19612)所制造的PC 聚碳酸酷，以及由 W. L. Gore& Associates Inc.(地址在 201 Airport Road P.O.Box 1488,Elkton,MD 21922)所制造的(PTEF)鐵氟龍800類型，被認為目前最有利的體壁材料。在周期的正部分期間，正電壓產(chǎn)生對于電子云的吸力。此為為何如果達成以下兩個優(yōu)選條件！； <0. 1-0. 2/F與τ彡100s時，在漂移區(qū)域內(nèi)每個高電壓周期將產(chǎn)生電子云的振蕩。振蕩的電子云導(dǎo)致在漂移區(qū)域內(nèi)電子與中性氣體分子間較高的彈性碰撞/附加機率，以及較高的大部分的自由電子轉(zhuǎn)換成負氣體離子11的機率。負氮氣離子具有接近于在空中傳播的負離子的平均移動度㈠μ = I. SxIO-4Hi2V-1S-1的移動度。此為值得關(guān)注的低于已知至少為100倍大的在氮氣流中自由電子的移動度。此從電子至負離子的轉(zhuǎn)換，由于消除了電子流(streamer)并降低了崩潰的機率，改進了電暈放電穩(wěn)定性，并導(dǎo)致在離子化氣體流中的正離子與負離子10/11的濃度實質(zhì)上相等。低移動度的正離子與負離子11可容易地由氣體流采收(收集與移動)。在每分鐘60升的氣體流在離子漂移區(qū)域中產(chǎn)生約67米/秒(m/s)的線性速度位移。負離子與正離 子在約2. 3x105伏持/米(V/m)的電場中具有約35m/s的線性速度(相比在相同電場中約 4，600m/s的平均電子速度)。所以在高頻/RF電場內(nèi)，電子11’主要地響應(yīng)于電場而移動，而正離子與負離子10/11主要地由漂移區(qū)間內(nèi)的擴散與氣體流速度而移動。為了保護離子發(fā)射器避免高頻電暈放電所造成的傷害，本發(fā)明的可選的優(yōu)選具體實施例的特點為限制來自電極5的電流作準(zhǔn)備。此由連續(xù)地使用參照電極(作為監(jiān)視的手段)以將監(jiān)視信號(響應(yīng)于在離子化氣體流中的電荷載子)反饋至控制系統(tǒng)以調(diào)整RF電源供應(yīng)器9，以至應(yīng)用至電極5的電壓保持在(或接近干)電暈閾值電壓。依照在圖4示出的優(yōu)選具體實施例，HVPS 9’包含建立在高電壓變壓器TR四周的可調(diào)自振蕩發(fā)生器。特別是，圖4示出優(yōu)選的具體實施例，其中參照電極6通過電容器C2電容性地耦合至模擬控制系統(tǒng)36’。如所圖示，環(huán)形電極6以通過絕緣介電通道2與離子化氣體流3隔離；因此，傳導(dǎo)電流與離子化氣體被阻隔。由L1/C2構(gòu)成的具有約I兆赫(MHz)的截止頻率的高通濾波器，被用以將來自參照電極6的電暈信號反饋。此經(jīng)濾波電暈信號可由ニ極管Dl整流，并以由R2/C6構(gòu)成的低通濾波器濾波，傳遞至由T3/R1構(gòu)成的電壓比較器(其中Rl代表預(yù)定比較器電壓水平)，且其后傳遞至η-通道功率MOSFET晶體管Τ2的閘極。相應(yīng)地，晶體管Τ2供應(yīng)足夠的電流，以驅(qū)動功率振蕩器/高電壓變壓電路9’。其他信號處理可包含高増益放大、減少噪聲分量的集成、以及與參照電暈信號水平的比較。以上所紀錄的信號處理極大地減少電暈信號中固有的噪聲，且連同于特定優(yōu)選的具體實施例此可特別重要，因為優(yōu)選的高電壓電源供應(yīng)器9’在射頻頻率范圍內(nèi)作業(yè)。在使用上，當(dāng)離子化開始吋，因為反饋饋信號僅剛開始，電暈放電與電暈信號(由參照電極6提出且反映位移電流)是高的。電暈信號保持為高的(典型地為數(shù)毫秒)直到反饋電路開始調(diào)整此狀態(tài)?？刂齐娐房焖俚貙?yīng)用至離子化裝置的高電壓，減少至由預(yù)定參照電壓所決定的較低的水平，且優(yōu)選地，將電暈放電在此水平保持恒定。通過監(jiān)視(被通信式地耦合的參照電極的)電暈反饋并調(diào)變高電壓驅(qū)動器，控制系統(tǒng)36’與HVPS 9’具有將作業(yè)電壓保持在(或接近干)電暈閾值電壓，并將發(fā)射器傷害最小化的能力。在本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會注意到，圖4的電容器C2由位移電流充電，位移電流具有兩個主要分量(I)來自發(fā)射器的高電壓電場的具有基礎(chǔ)頻率F(優(yōu)選為約38kHz)的誘發(fā)信號，以及⑵由電暈放電本身產(chǎn)生的信號。圖5a(SI’與SI)與圖5b(S2’與S2)示出說明這些分量的代表性示波器縮略圖。在此圖中的紀錄波形代表在相同時間框架內(nèi)的兩個訊號。如所不的，在空氣中的參照電極上產(chǎn)生的電暈信號SI (見圖5a)不同于在氮氣中的參照電極上產(chǎn)生的電暈信號S2(見圖5b與圖5c)。在大部分情況下,在空氣中的電暈放電產(chǎn)生振蕩放電的兩個起始瞬變突波(transient spikes)(見圖5a中的信號SI)。此可能和氧氣(一種顯著的空氣組成)與氮氣的離子化能量不同有夫。圖5b與圖5c展不在純凈氮氣內(nèi)的負電暈誘發(fā)電流S2,在此,振蕩電暈放電信號S2具有ー個最大值(在應(yīng)用至電極的離子化電壓S2’的最大值)。在氮氣與空氣兩者中，負電暈位移電流均比正電流高出許多。在高頻率(諸如40 50kHz)時，在電場影響下正離子的移動范圍被限制。特別地，在高電壓周期的正部分期間，正離子10將僅能從電漿區(qū)域12移動一毫米的一小部分。從而，正離子云的位移由相對地慢的過程控制-氣體流的擴散與位移。因此正離子10的位移對參照電極6的影響將僅為可忽略的數(shù)量。現(xiàn)參閱圖6a與圖6b，其中依照兩個自我平衡的本發(fā)明的優(yōu)選具體實施例，展示兩個可選的氣體離子化設(shè)備的簡要代表圖，每ー個具有通信式地耦合至以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)36”與36”，的HVPS 9”。 在圖6a與圖6b的具體實施例的兩者中，微處理器(控制器)190的主要工作是提供對驅(qū)動離子化電極5的高電壓電源供應(yīng)器9”的閉環(huán)伺服控制。優(yōu)選的微處理器為型號ATMEGA 8 μ P,由 Atmel, Orchard Pkwy, San Jose, CA 95131 所制造。在此使用的優(yōu)選的變壓器為變壓器型號CH-990702，由晶勇實業(yè)股份有限公司，現(xiàn)地址為330桃園縣桃園市永安路964巷22弄10號所制造(www. chirkindustry. com)。如圖6a與圖6b所不,從參照電極6的電暈位移電流監(jiān)視信號可由濾波器180濾波并緩沖，并供應(yīng)至微處理器190的模擬輸入。微處理器190可比較電暈信號與預(yù)定參照水平(見TP2)，且隨后產(chǎn)生ー連串的PWM(脈波寬度調(diào)變)脈沖輸出電壓。一連串的脈沖輸出電壓隨后被濾波電路200濾波且處理，以發(fā)展用于可調(diào)自振蕩高電壓電源供應(yīng)器9” (類似圖4所示的替代性HVPS設(shè)計9’)的驅(qū)動電壓。為了最小化與電暈放電相關(guān)的傷害，與來自離子化電極5的粒子產(chǎn)生，微處理器190可對高電壓電源供應(yīng)器的變壓器TR提供具有不同工作因子(duty factor)(在約I 100%的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地約為5 100% )的脈沖(見TP1)。脈沖重復(fù)頻率可設(shè)為約O. I 200Hz的范圍內(nèi)，且優(yōu)選地約為30 IOOHz。盡管微處理器190也可響應(yīng)于壓カ傳感器33’ (見圖6a)，在其他具體實施例中微處理器190可選地響應(yīng)于真空傳感器33” (見圖 6b)。在高氣體流動速率(例如每分鐘90 150升)吋，正離子與負離子可能發(fā)生重組的時間期間很短，且來自離子化裝置的離子電流很大。在此情況下，應(yīng)用至發(fā)射器的高電壓的工作因子可較低些(例如50%或更少)。圖9展示供應(yīng)至發(fā)射器5的高電壓波形S4’的示范例(優(yōu)選的基頻約為38kHz、優(yōu)選的工作因子約為49%、且優(yōu)選的脈沖重復(fù)速率約為99Hz)。將可認識到工作因子越低，電子/離子可能轟擊(bombard)發(fā)射器5的時間越短，便將會發(fā)生較少的發(fā)射器侵蝕(從而延伸發(fā)射器壽命)。工作因子可由使用連接至微處理器的模擬輸入的微調(diào)電阻(trim pot)TPl(エ作周期)來手動調(diào)整，或可由基于適當(dāng)?shù)臍怏w傳感器33’(例如TSI Series 4000 HighPerformance Linear OEM Mass Flowmeter,由 TSI Incorporated,地址在 500 CardiganRoad, Shoreview,麗55126所制造)測量到的氣體壓力或氣體流的測量結(jié)果來自動調(diào)整(見圖6a)。微處理器190基于反饋信號自動地建立驅(qū)動電壓。如果需要，可使用微調(diào)電阻TP2將自動地被決定的驅(qū)動電壓調(diào)整高些或低些。具有此設(shè)置，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)可用以響應(yīng)于來自傳感器33’的信號而采取各種動作。例如，如果氣體流水平在預(yù)定閾值水平之下，則控制系統(tǒng)可將高電壓電源供應(yīng)器9”關(guān)閉。同時微處理器190可觸發(fā)警示信號“低氣體流”(警示/LED顯示系統(tǒng)202)。在圖6b的具體實施例中，當(dāng)抽射器(eductor)26”被用于在離子化殼體中以提供吸力吋，如在并入的專利申請中所描述的，且如圖6b所示，來自于信道2內(nèi)的氣體流3的真空壓カ可被用以探測流動速率。在此情況下，監(jiān)視疏散孔內(nèi)真空水平的真空傳感器33”也將 關(guān)于氣體流的信息提供至微處理器190。微處理器190有能力以自動地調(diào)整至高電壓電源供應(yīng)器9”的驅(qū)動電壓，以在不同的流動速率下將離子電流保持在規(guī)格(specifications)中。在此本發(fā)明的優(yōu)選具體實施例中使用的抽射器可為由Anver Corporation located,地址在 36 Parmenter Road, Hudson, MA 01749 USA 所制造并銷售的 ANVER JV-09 SeriesMini Vacuum Generator ;及由 Fox Valve Development Corp.地址在 Hamilton BusinessPark, Dover, New Jersey 07801 USA 所制造并銷售的 Fox Mini-Eductor ;或其他已見于此技術(shù)領(lǐng)域的等同裝置。在典型的エ業(yè)應(yīng)用中，離子化裝置經(jīng)常在高電壓“開啟-關(guān)閉”模式中作業(yè)。在長時間的“關(guān)閉-周期”(一般為ー個小時以上)之后，離子化裝置在每個“開啟-周期”中開始電暈放電。在正電性氣體(如氮氣)中的電暈啟動程序，相對于已被“調(diào)節(jié)(conditioned)”的離子化裝置，通常需要較高的初始起始電壓(initial onset voltage)及電流。為了克服此問題，該有進步性的離子化裝置可由以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)來操作于下列各別的模式中“待機(standby) ”、“開啟(power on)，，、“啟動(start up)” “學(xué)習(xí)(learning)”與“作業(yè)(operating) ”模式。圖7a、圖7b、圖7c、圖7d與圖7e示出本發(fā)明的一些優(yōu)選離子化裝置具體實施例的功能性流程圖。特別地，這些圖示出微處理器用以進行以下作業(yè)的程序(I)起始電暈放電(圖7a-開啟模式)；(2)調(diào)節(jié)用于電暈放電的離子化電極(圖7b-啟動模式)，學(xué)習(xí)且精細調(diào)節(jié)保持電暈放電所需的離子化信號(圖7e-學(xué)習(xí)模式)；以及(3)隨后，調(diào)節(jié)離子化信號以保持所需的電暈放電水平(圖7c-正常作業(yè)模式)。在各種在此描述的狀態(tài)下，微處理器也可進入待機模式(圖7d)。在開啟之后，過程控制轉(zhuǎn)移至待機或啟動例行程序的其中之一。未能成功地啟動將使控制返回到開啟例行程序。在高電壓警示狀態(tài)被設(shè)定，即如由可視化顯示器所指示(諸如紅光LED持續(xù)發(fā)光)之前，回路可不斷重復(fù)(例如多達30次)。如果離子化裝置成功地啟動，如同(例如)由可被接受的電暈反饋信號所決定的，控制轉(zhuǎn)移至學(xué)習(xí)與正常作業(yè)例行程序?，F(xiàn)在注意到圖7a，當(dāng)程序傳至方塊212時開啟模式210開始發(fā)生，在方塊212處微處理器將輸出設(shè)定為正常、已知的狀態(tài)。隨后程序傳至決策方塊214，在決策方塊214處決定由適當(dāng)?shù)哪M輸入所指示的氣體流壓カ是否充足以繼續(xù)。如果不是這樣，則程序傳至方塊216，在方塊216處使黃光與藍光LED指示器發(fā)光，且程序傳回至決策方塊214。當(dāng)壓カ夠充足以繼續(xù)進行時，程序210傳至代表圖7b的啟動例行程序的方塊230。
啟動例行程序230開始于方塊232處且使閃爍藍光LED發(fā)光，且傳至方塊234，在方塊234處高電壓被應(yīng)用至離子化裝置，直至充足的電暈反饋信號存在于預(yù)設(shè)電壓水平。如果為如此，則程序傳至方塊242，在方塊242處程序回到圖7a的開啟例行程序210。否貝IJ，程序230傳至決策方塊236，在決策方塊236處如果啟動模式230結(jié)束則將回到開啟模式210。否則程序在方塊238決定是否發(fā)生少于29次的重試。如果為如此，則程序傳過方塊240且回到方塊234。若非如此，則程序230傳至如圖7d示出的待機模式280。當(dāng)存在充足的離子化裝置反饋信號，或當(dāng)啟動模式結(jié)束時，程序230傳至方塊242且重新進入開啟例行程序210的方塊220。例行程序210隨后通過監(jiān)視突然的電暈反饋信號提升，決定離子化是否已開始。如果不是如此，則程序傳至決策方塊224，在決策方塊224處ー定數(shù)量的重試被測試，如果已發(fā)生多于30次的重試，則程序朝向待機模式280。否則，程序傳過方塊226，且啟動例行程序再一次地被呼叫，在方塊226處程序(通過典型被選定為2-10秒間的值)被延遲。在從啟動例行程序230返回時，如果離子化調(diào)節(jié)已發(fā)生，則程序傳過決策方塊220至圖7e的學(xué)習(xí)模式300。如果探測到電暈反饋，則微處理器將繼續(xù)進行至學(xué)習(xí)模式300(見圖7e)。在此離子化信號將從零點被提升302至再一次探測到電暈 反饋304的點。接著，當(dāng)監(jiān)視反饋水平時，離子化信號被略微減少306至所需的靜態(tài)電壓水平，且程序傳至正常作業(yè)模式250 (如圖7c與圖8所示)。正常作業(yè)250開始于決策方塊252，在決策方塊252處決定是否存在待機命令。如果存在，則程序傳至待機模式280并繼續(xù)進行如有關(guān)在圖7d中的描述。否則，程序250傳至決策方塊256，在決策方塊256處測試高電壓警示狀態(tài)。如果硬件甚至通過100%電壓輸出和工作因子驅(qū)動，均無法建立并保持電暈反饋信號在所需的水平，則設(shè)定高電壓警示狀態(tài)，且程序250傳至方塊258，在方塊258處警示LED發(fā)光且關(guān)閉高電壓電源供應(yīng)器。隨后程序250傳回決策方塊252并繼續(xù)進行。如果還未達到警示狀態(tài)則程序傳至方塊260，在方塊260處如果高電壓驅(qū)動超過其最大值的95%，則設(shè)定低離子輸出警示狀態(tài)。如果已達到低離子輸出警示狀態(tài)，則正常作業(yè)傳至方塊262，且黃光LED發(fā)光。隨后程序傳回決策方塊252并繼續(xù)進行，如在此所描述的。如果未達到低離子警示狀態(tài)，則程序傳至方塊264，在方塊264處如果真空傳感器電壓在極限之上，則設(shè)定氣體流警示限制狀態(tài)(flow alarmlimit condition),指示氣體流不足。如果達到警示狀態(tài),則程序250傳至方塊266,在方塊266處黃光與藍光LED發(fā)光，且關(guān)閉高電壓電源供應(yīng)器。程序再次傳至決策方塊252，并如在此所描述繼續(xù)進行。如果未達到氣體流警示狀態(tài)，則程序250傳至方塊268，且應(yīng)用至離子化電極的高電壓如閉環(huán)伺服控制所需被調(diào)整。接著，程序傳至方塊270，在方塊270處所有藍光、黃光、與紅光LED被關(guān)閉。隨后程序250傳回至決策方塊252并如在此所描述繼續(xù)進行。當(dāng)在方塊252接收到并探測到待機指令，則程序傳至待機模式280并繼續(xù)進行如關(guān)于圖7d所描述的。當(dāng)程序傳至方塊282時待機模式280開始，且藍光LED發(fā)光。如果為第一次通過方塊284，或從上一次通過方塊284的周期已經(jīng)過一分鐘，則程序傳至方塊230，在方塊230處啟動模式例行程序如關(guān)于圖7b所描述的繼續(xù)進行。在從啟動模式230返回時，待機程序280傳至方塊288，在方塊288處開始(典型被選定為2_10秒間的值的)延遲，且程序移至方塊290，在方塊290處設(shè)定啟動模式終止旗標(biāo)。最后，待機程序280傳至方塊292，在方塊292處例行程序返回至呼叫此例行程序的位置(在圖7a、圖7b、與圖7c之一中)。類似地，在方塊284處如果經(jīng)過的時間少于一分鐘，則待機程序280傳至方塊292，在方塊292處例行程序返回至呼叫此例行程序的位置(在圖7a、圖7b、與圖7c之一中)。如 果離子化裝置通過外部輸入或由于警示狀態(tài)被安置于待機狀態(tài)，則離子化裝置將優(yōu)選地保持在該狀態(tài)，直至警示解除或外部輸入改變狀態(tài)。待機模式可由不同的視覺顯示器(諸如持續(xù)發(fā)光的藍光LED)指示。圖8是示波器屏幕縮略圖，其示出在學(xué)習(xí)模式300開始處，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)36”/36”’控制電源供應(yīng)器9”，而實質(zhì)上實時地(2. 5kV/ms)從零點提升應(yīng)用至離子化電極的離子化電壓S3’，至低于電暈起始電壓V。。的電壓振幅Vs。此電壓水平可在從約IkV至約3. 5kV的范圍內(nèi)。在此時間期間內(nèi)電暈位移電流S3接近于零。在此之后，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)將優(yōu)選地控制電源供應(yīng)器9”，以將電壓提升速率降低至約5kV/ms，并逐漸地提升離子化電壓S3’至高于電暈閾值電壓V。。。在電暈信號到達默認水平吋，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)36”/36”’將控制功率放大器，以將離子電壓S3’在預(yù)設(shè)時間期間內(nèi)(優(yōu)選地為約3秒)保持恒定。此學(xué)習(xí)程序在控制系統(tǒng)36”/36”’可計算且紀錄平均電暈起始電壓值的時間期間內(nèi)可被重復(fù)數(shù)次(可多達30次)。如果系統(tǒng)未能完成此學(xué)習(xí)程序，則可觸發(fā)高電壓警示并關(guān)閉高電壓電源供應(yīng)器19”。如果學(xué)習(xí)模式成功執(zhí)行，則微處理器可開始正常作業(yè)例行程序(也示出在圖8中)。在此正常模式250中，功率放大器9”將接近于電暈起始電壓的離子化電壓S3’應(yīng)用至離子化電極5，且電暈位移電流S3的改變處于最小值。此種用于管理在流動的氣體流(特別在正電性/惰性氣體)中的電暈放電的方法，提供穩(wěn)定的電暈電流并將發(fā)射器傷害以及粒子產(chǎn)生最小化。類似的學(xué)習(xí)模式與作業(yè)模式的周期將優(yōu)選地，在毎次優(yōu)選離子化裝置從待機模式切換至正常作業(yè)模式時發(fā)生。因為已知由于侵蝕、碎屑累積、與其他關(guān)于電暈的程序，離子化電極的特性將改變(且從而需要維護或替換)，優(yōu)選的具體實施例可選擇性地使得以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)36”/36”’能夠監(jiān)視離子化電極5的狀況。根據(jù)此可選的特征，以微處理器為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)36”/36”’可在每個學(xué)習(xí)周期期間監(jiān)視電暈起始/閾值電壓V。。，且可將此值與默認最大閾值電壓V。。_比較。當(dāng)V。。變得接近或等于V。。_吋，微處理器36’ /36”可起始維護警示信號(見圖7c)?？蛇x地，也可能在發(fā)射器安裝吋，即將起初的發(fā)射器電暈起始/閾值電壓記錄在微處理器內(nèi)存中。通過比較起初與當(dāng)前的電暈起始/閾值電壓，可定義電極5對特定的離子化裝置、特定的氣體、及/或特定的環(huán)境的降解率。為了完整性，圖9示出示波器縮略圖，其顯示在執(zhí)行50%工作周期的正常作業(yè)模式期間離子化裝置作業(yè)的幾個周期。在此模式中，應(yīng)用至離子化電極5的離子化電壓S4’被開啟與關(guān)閉。接著電暈位移電流相應(yīng)地遵循。正當(dāng)本發(fā)明以相關(guān)于在目前被認為是最實際且最優(yōu)選的具體實施例而描述，必須了解本發(fā)明并不限制于所披露的具體實施例，而意為包含在附加權(quán)利要求的精神與范圍內(nèi)的各種修改與等同的配置。例如關(guān)于上文的描述，必須理解到本發(fā)明的部件的最優(yōu)尺寸關(guān)系，包含大小、材料、形狀、形式、功能、與作業(yè)、組合及使用方式的變化，被視為對一個在本發(fā)明技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員是顯而易見的，且附加的權(quán)利要求意為包含所有等于在圖中示出、以及在說明書中說明的內(nèi)容。因此，上文所述被視為對本發(fā)明原理的說明性描述并非為窮舉。在作業(yè)實施例中，或其他所指示的以外，將認識到由于用詞“約”，所有參照于成分數(shù)量、反應(yīng)狀態(tài)等等的在說明書與申請專利范圍內(nèi)被使用的數(shù)字或表達，將可在所有實例中被修改。相應(yīng)地，除非有相反指示，記載于說明書與附加權(quán)利要求范圍內(nèi)的數(shù)值性參數(shù)為近似值，且可根據(jù)本發(fā)明所需獲得的特性而變化。每個數(shù)值性參數(shù)必須至少被解釋為根據(jù)報告的有效位，以及應(yīng)用普通的四舍五入技術(shù)的數(shù)字，并非意圖為對于權(quán)利要求范圍的等同原則應(yīng)用的限制。盡管記載在本發(fā)明的寬范圍的數(shù)值范圍與參數(shù)為近似值，記載在特定實施例的數(shù)值已被盡可能精準(zhǔn)地報告。然而由于在各別的測試測量中的標(biāo)準(zhǔn)偏差，任何數(shù)值固有地包含必然的錯誤。 此外,必須理解任何在此記載的數(shù)值范圍，_在包含所有在其中包含的子范圍。例如，范圍“I 10” g在包含在其間的所有子范圍，且包含記載的最小值I與最大值10 ;換句話說，具有等于或大于I的最小值與等于或小于10的最大值。因為所披露的數(shù)值范圍為連續(xù)的，其包含在最小值與最大值之間的每個值。除非有明確的其他指示，各種詳述于本案的數(shù)值范圍為近似值。為了下文描述的目的，術(shù)語“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“頂部”、“底部”
與上等用詞的變化型應(yīng)該與于本發(fā)明相關(guān)，因為其在圖中是定向的。然而，比須理解到可假設(shè)各種可選的改變與步驟序列，除非明確地指示相反。也須理解在附圖中的圖示，和在說明書中描述的特定的裝置與程序，為本發(fā)明的簡單的示例性具體實施例。因此，相關(guān)在此披露的具體實施例的特定的尺寸與其他物理特性，不視為限制。各種離子化裝置以及技術(shù)被描述在接下來的美國專利以及已公開專利申請中，其全部內(nèi)容在此被納入?yún)⒖己税l(fā)予Suzuki的美國專利第5，847，917號，相關(guān)申請?zhí)?8/539，321，申請日為1995年10月4日，
公開日為1998年12月8日，名稱為“氣體離子化設(shè)備與方法”;Leri的美國專利第6，563，110號，相關(guān)申請?zhí)?9/563，776，申請日為2000年5月2日，
公開日為2003年5月13日，名稱為“沿線氣體離子化裝置與方法”;以及Kotsuji的美國專利早期公開號US 2007/0006478，相關(guān)申請?zhí)?0/570,085，申請日為2004年8月24日，
公開日為2007年I月11日，名稱為“離子化裝置”。
權(quán)利要求
1.ー種用于將定義下游方向的非離子化氣體流轉(zhuǎn)換為離子化氣體流的氣體離子化設(shè)備，該氣體尚子化設(shè)備包含 接收構(gòu)件，其用于接收該非離子化氣體流，且將該離子化氣體流傳遞至該目標(biāo)； 產(chǎn)生構(gòu)件，其響應(yīng)于具有周期T的離子化信號的供給，以用于在該非離子化氣體流中產(chǎn)生電荷載子，該周期T具有正部分與負部分，其中該電荷載子包含將該非離子化氣體流轉(zhuǎn)換為該離子化氣體流的電子云、正離子、與負離子，且其中該電子云是在該離子化信號的該負部分的時間Tnc期間產(chǎn)生； 監(jiān)視構(gòu)件，其用于監(jiān)視該離子化氣體流中的該電荷載子，至少一部份的該監(jiān)視構(gòu)件位于該產(chǎn)生電荷載子的構(gòu)件的下游，并與該產(chǎn)生電荷載子的構(gòu)件相隔距離L，且該時間Tnc小于或等于在該時間Tnc期間產(chǎn)生的該電子云往下游移動距離L的時間Te ;以及控制構(gòu)件，其響應(yīng)于該監(jiān)視構(gòu)件以用于控制該離子化信號。
2.如權(quán)利要求I所述的氣體離子化設(shè)備，其中， 該監(jiān)視構(gòu)件包含通過介電材料與該離子化氣體流絕緣的非離子化參照電扱； 該非離子化氣體流為正電性氣體流； 在該時間Tnc期間產(chǎn)生的該電子云中的該電子具有移動度μ ； 在該離子化電極與該參照電極之間，在該時間Tnc期間存在平均電場強度為Ed的電場；以及 該時間Te小于或等于L/ (Edx (- μ ))。
3.如權(quán)利要求2所述的氣體離子化設(shè)備，其中該介電材料具有至少約100秒的弛緩時間，且時間Tnc小于或等于周期T的十分之一(1/10)。
4.如權(quán)利要求2所述的氣體離子化設(shè)備，其中 該非離子化氣體流包含選自由下列氣體所組成的群組的氣體正電性氣體、負電性氣體、惰性氣體、以及由正電性氣體、負電性氣體和惰性氣體所混合的混合氣體； 該接收非離子化氣體流的接收構(gòu)件包含具有體壁的穿越通道，至少該體壁的一部分由絕緣介電材料制成；以及 該參照電極位于該體壁的該絕緣部分的外側(cè)，以至該體壁使該參照電極與該離子化氣體流絕緣。
5.如權(quán)利要求I所述的氣體離子化設(shè)備，其中該產(chǎn)生電荷載子的產(chǎn)生構(gòu)件包含至少ー個離子化電極，且該設(shè)備進一歩包含離子化電源供應(yīng)器，該離子化電源供應(yīng)器電容性地耦合至該控制構(gòu)件與該至少一個離子化電極，從而使該離子化氣體流中的該電荷載子的該濃度至少實質(zhì)上平衡。
6.如權(quán)利要求5所述的氣體離子化設(shè)備，其中 該監(jiān)視電荷載子的監(jiān)視構(gòu)件包含通過介電材料與該離子化氣體流絕緣的至少ー個非離子化參照電扱；以及 該控制構(gòu)件通信式地耦合至該監(jiān)視構(gòu)件與該電源供應(yīng)器，且該控制構(gòu)件包含具有至少為I兆赫茲的截止頻率的高通濾波器。
7.如權(quán)利要求6所述的氣體離子化設(shè)備，其中該電源供應(yīng)器將離子化信號提供至該離子化電極，且響應(yīng)于該控制構(gòu)件，該離子化信號的振幅在約O與約20千伏之間變化，而該離子化信號的頻率在約10千赫茲與100千赫茲之間變化。
8.如權(quán)利要求6所述的氣體離子化設(shè)備，其中該電源供應(yīng)器將離子化信號提供至該離子化電極，且響應(yīng)于該控制構(gòu)件，該離子化信號的工作因子在約1%與100%之間變化，而該離子化信號的重復(fù)速率在約O. I赫茲與約1000赫茲之間變化。
9.如權(quán)利要求6所述的氣體離子化設(shè)備，其中 該設(shè)備進ー步包含監(jiān)視流動速率構(gòu)件，該監(jiān)視流動速率構(gòu)件用于監(jiān)視該離子化氣體流的該流動速率； 該控制構(gòu)件響應(yīng)于該監(jiān)視流動速率構(gòu)件；以及 該電源供應(yīng)器提供具有變化工作因子的離子化信號至該離子化電極，該變化工作因子響應(yīng)于該控制構(gòu)件而變化。
10.如權(quán)利要求6所述的氣體離子化設(shè)備，其中該離子化信號具有 在約O. 05千赫茲與約200千赫茲之間的頻率； 在約I %或約等于100%之間的工作周期； 在約O. I赫茲與約1000赫茲之間的脈沖重復(fù)速率以及 在約1000伏與約20千伏之間的電壓量值；以及 該非離子化氣體流具有在約每分鐘5升與約每分鐘150升之間的流動速率的正電性氣體流。
11.一種用以將離子化氣體流傳遞至電荷中和目標(biāo)的氣體離子化設(shè)備，該氣體離子化設(shè)備接收定義下游方向的非離子化氣體流，且包含 至少ー個穿越通道，其用于接收該非離子化氣體流，并將該離子化氣體流傳遞至該目標(biāo); 至少ー個離子化電極，其響應(yīng)于具有周期T的離子化信號的供給，以用于在該非離子化氣體流中產(chǎn)生電荷載子，該周期T具有正部分與負部分，其中該電荷載子包含進入該非離子化氣體流以形成該離子化氣體流的電子云、正離子與負離子； 電源供應(yīng)器，其用于將該離子化信號提供至該離子化電極，其中該電子云是由該離子化電極在該離子化信號的該負部分的時間Tnc期間產(chǎn)生； 至少ー個非離子化參照電極，其位于該離子化電極的下游，該參照電極產(chǎn)生響應(yīng)于在該離子化氣體流內(nèi)的該電荷載子的監(jiān)視信號，其中由該離子化電極產(chǎn)生的該電子云在該離子化電極與該參照電極之間振蕩，從而將該電子轉(zhuǎn)換為負離子；以及 控制系統(tǒng)，其通信式地耦合至該電源供應(yīng)器與該參照電極，以控制提供至該離子化電極的該離子化信號，該離子化信號至少部分地響應(yīng)于該監(jiān)視信號。
12.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中在時間Tnc期間產(chǎn)生的該電子云朝下游往該參照電極移動，該時間Tnc小于或等于該電子云從該離子化電極移動至該參照電極的時間Te，且該參照電極通過具有至少約100秒的弛緩時間的介電材料與該離子化氣體流絕緣。
13.如權(quán)利要求11項所述的氣體離子化設(shè)備，其中該電源供應(yīng)器包含射頻離子化電源供應(yīng)器，該射頻離子化電源供應(yīng)器電容性地耦合至該離子化電極，從而使傳遞至該目標(biāo)的該離子化氣體流內(nèi)的負離子與正離子的濃度至少實質(zhì)上地平衡。
14.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中 該非離子化氣體流包含由下列氣體所組成的群組的氣體正電性氣體、負電性氣體、惰性氣體、以及由正電性氣體、負電性氣體和惰性氣體所混合的混合氣體； 該控制系統(tǒng)通信式地耦合至該參照電極與該電源供應(yīng)器；且該控制系統(tǒng)包含具有至少為I兆赫的截止頻率的高通濾波器。
15.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中該電源供應(yīng)器提供離子化信號至該離子化電極，且至少部分地響應(yīng)于該監(jiān)視信號，該離子化信號的振幅在約O與約20千伏之間變化，而該離子化信號的頻率在約50赫茲與約200千赫茲之間變化。
16.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中該電源供應(yīng)器提供離子化信號至該離子化電極，且至少部分地響應(yīng)于該控制信號，該離子化信號的工作因子在約1%與約100%之間變化，且該離子化信號的重復(fù)速率在約O. I赫茲與約1000赫茲之間變化。
17.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中 該設(shè)備進ー步包含用于監(jiān)視該非離子化氣體流的該流動速率的監(jiān)視構(gòu)件； 該控制系統(tǒng)響應(yīng)于監(jiān)視該流動速率的監(jiān)視構(gòu)件；以及 該電源供應(yīng)器將離子化信號提供至該離子化電極，該離子化信號具有隨響應(yīng)于該監(jiān)視到的流動速率而變化的工作因子。
18.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中該離子化信號具有 在約O. 05千赫茲與約200千赫茲之間的頻率； 在約1%和約100%之間的工作周期； 在約O. I赫茲與約1000赫茲之間的脈沖重復(fù)速率；以及 在約1000伏與約20千伏之間的電壓量值；以及 該非離子化氣體流為具有約每分鐘5升與約每分鐘150升之間的流動速率的正電性氣體流。
19.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中該離子化信號具有作業(yè)量值，且該控制系統(tǒng)調(diào)整該離子化信號的該作業(yè)量值，以補償諸如氣體組成、氣體流、與溫度等狀態(tài)的改變。
20.如權(quán)利要求11所述的氣體離子化設(shè)備，其中 在該時間Tnc期間產(chǎn)生的該電子云中的該電子具有移動度μ ； 在該離子化電極與該參照電極之間，在該時間Tnc期間存在平均電場強度為Ed的電場；以及 該時間Te小于或等于L/ (Edx (- μ ))。
21.ー種用于產(chǎn)生往下游方向流動的自我平衡離子化氣體流的方法，包含以下步驟 建立步驟，建立往該下游方向流動的非離子化氣體流，該非離子化氣體流具有壓カ與流動速率； 產(chǎn)生步驟，在該非離子化氣體流內(nèi)產(chǎn)生電荷載子，從而形成具有壓カ與流動速率、且往該下游方向流動的離子化氣體流，該電荷載子包含電子云、正離子、與負離子； 轉(zhuǎn)換步驟，將該電子云的該電子轉(zhuǎn)換為負離子，從而產(chǎn)生具有實質(zhì)上平衡的正離子與負離子濃度的離子化氣體流； 監(jiān)視步驟，監(jiān)視該平衡離子化氣體流；以及 控制步驟，至少部分地響應(yīng)于該監(jiān)視步驟以控制電該荷載子的產(chǎn)生。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該監(jiān)視該平衡離子化氣體流的監(jiān)視步驟進一歩包含以下步驟監(jiān)視該離子化氣體流的該電荷載子；以及 該產(chǎn)生步驟包含以下步驟應(yīng)用具有周期T的射頻離子化信號在該非離子化氣體流中，該周期T具有正部分與負部分，該電子云在該離子化信號的該負部分中的時間Tnc期間被產(chǎn)生，且該時間Tnc小于或等于周期T的十分之一(1/10)。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該射頻離子化信號的振幅在約O與約20千伏之間變化，而該離子化信號的頻率在約50赫茲與約200千赫茲之間變化。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中該射頻離子化信號的工作因子在約O.1%與約100%之間變化，而該離子化信號的重復(fù)速率在約O. I赫茲與約1000赫茲之間變化。
25.如權(quán)利要求21所述的方法，其中 該監(jiān)視該離子化氣體流的監(jiān)視步驟進一歩包含以下步驟監(jiān)視該離子化氣體流的該流動速率；以及 該產(chǎn)生步驟進一歩包含以下步驟應(yīng)用射頻離子化信號于該非離子化氣體流中，從而通過電暈放電產(chǎn)生電荷載子，該離子化信號響應(yīng)于該監(jiān)視到的流動速率來改變工作因子。
26.如權(quán)利要求21所述的方法，其中該產(chǎn)生步驟進一歩包含以下步驟應(yīng)用在該非離子化氣體流中的射頻離子化信號，從而通過電暈放電產(chǎn)生電荷載子， 該離子化信號具有 在約5千赫茲與約50千赫茲之間的頻率； 在約O. I赫茲與約1000赫茲之間的脈沖重復(fù)速率；以及 在約I千伏與約20千伏之間的量值；以及 該非離子化氣體流為具有在約每分鐘5升與約每分鐘150升之間的流動速率的正電性氣體流。
27.一種用于在電暈放電離子化裝置內(nèi)、將自由電子云轉(zhuǎn)換為負離子的方法，該種電暈放電離子化裝置具有氣體流流動穿越的穿越通道、至少部分位于該氣體流內(nèi)的至少ー個離子化電極、與至少ー個在該離子化電極的下游并與該離子化電極相隔距離L的參照電極的類型，該方法包含以下步驟 應(yīng)用步驟，將具有周期T的離子化信號應(yīng)用至該離子化電極，該周期T具有正部分與負部分，從而在該尚子化信號的該負部分中的時間Tnc內(nèi)、在該非尚子化氣體流內(nèi)產(chǎn)生該電子云，其中該電子云往下游方向朝該參照電極移動，且其中該時間Tnc小于或等于該電子云從該離子化電極移動距離L至該參照電極的時間Te。
28.如權(quán)利要求27項所述的方法，其中 該氣體流包含選自下列氣體所組成的群組的氣體正電性氣體、負電性氣體、惰性氣體、以及由正電性氣體、負電性氣體和惰性氣體所混合的混合氣體； 該應(yīng)用步驟包含以下步驟應(yīng)用具有頻率在約5千赫茲與約100千赫茲之間的射頻離子化信號。
29.如權(quán)利要求27所述的方法，進ー步包含以下步驟 探測該氣體流的該負電暈起始電壓； 維持該應(yīng)用步驟中的該離子化信號的該振幅，使該振幅大體上等于該探測到的該負電暈起始電壓；以及誘發(fā)由該離子化電極產(chǎn)生的該電子云，使該電子云在該離子化電極與參照電極之間振蕩。
30.一種用于在此類型離子化裝置內(nèi)控制電暈放電的方法，該離子化裝置具有非離子化氣體流流動穿越的穿越通道、響應(yīng)于離子化信號的應(yīng)用以在該非離子化氣體流中產(chǎn)生電荷載子從而形成離子化氣體流的電極，該方法包含以下步驟 學(xué)習(xí)模式，包含以下步驟 探測步驟，將具有從非離子化水平提升、至少直到該電極產(chǎn)生負電荷載子的振幅的信號應(yīng)用至該電扱，以探測該離子化裝置的負電暈起始電壓； 重復(fù)該探測步驟數(shù)次，從而探測負電暈起始電壓范圍；以及 基于該負電暈起始電壓范圍，計算代表性起始電壓；以及 作業(yè)模式，包含以下步驟 應(yīng)用步驟，將離子化信號應(yīng)用至該離子化電極，該離子化信號具有與該代表性起始電壓成正比的振幅。
31.如權(quán)利要求30所述的控制電暈放電的方法，其中該應(yīng)用離子化信號的步驟進一歩包含以下步驟維持該信號的該振幅在至少實質(zhì)上等于該代表性起始電壓的水平。
32.如權(quán)利要求30所述的控制電暈放電的方法，進ー步包含以下步驟比較該代表性起始電壓與預(yù)定電壓，從而決定該離子化電極的狀態(tài)。
33.如權(quán)利要求30所述的控制電暈放電的方法，其中 在該探測步驟期間應(yīng)用至該離子化電極的該信號，其振幅以第一提升速率提升至第一電壓量值，并以第二提升速率提升至該第一電壓量值之上； 該第一提升速率大于該第二提升速率；以及 該第一電壓量值低于該代表性起始電壓。
34.如權(quán)利要求31所述的控制電暈放電的方法，其中該應(yīng)用步驟進一歩包含以下步驟將該信號的該振幅減少至低于該代表性起始電壓的靜態(tài)水平。
全文摘要
披露用于穩(wěn)定的產(chǎn)生電氣平衡且超純凈的離子化氣體流的自我平衡電暈放電。通過促進使自由電子轉(zhuǎn)換成負離子的電子轉(zhuǎn)換，且不添加氧氣或其他負電性氣體至氣體流中，而達到此效果。本發(fā)明可被使用于負電性和/或正電性或惰性氣體流，且可包含使用閉環(huán)電暈放電控制系統(tǒng)。
文檔編號H05F3/02GK102668720SQ201080059357
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月22日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者彼得·格夫特, 萊爾·德懷特·納爾森, 萊斯利·韋恩·帕奇吉 申請人:伊利諾斯工具制品有限公司