具有特殊调谐射频电磁场发生器的等离子体切割物质的装置制造方法及图纸

一种利用协调等离子体云对物质进行切割的方法。射频发生器系统（１０）生成脉冲或者连续的电磁波形，该电磁波由一有源发射器切割电极端头（２６）发射。利用该电磁波通过例如热离子化以及光电效应等过程，激发一等离子体云（３２）。将此电磁波调节为与该等离子体云阻抗匹配、频率匹配、功率匹配且与后者相调谐，从而维持并控制一个具有降低的原子粒子湍流及扰动的协调等离子体云。此协调等离子体云形成覆盖有源发生器电极端头表面的覆盖层，并且起到降低对本发明专利技术的等离子体切割装置的功率放大器（２２）的输出能量的要求的作用。本发明专利技术是一种有效的、整齐的以及廉价的可用于切割物质的装置。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本申请是序列号为09/112,471的美国专利申请的部分延续申请(CIP)。本专利技术涉及用于使用协调等离子体云切割物质的等离子体发生装置，更具体地说是涉及一种利用由一射频信号发生器系统所发射的电磁波能来激发和维持的调谐等离子体云。所述系统与该切割协调等离子体云阻抗匹配、频率匹配和输出功率匹配，其中，所述切割协调等离子体云由所述装置激发、维持和控制且在切割过程中包围本专利技术的受激发的发射器切割探头。
技术介绍
例如金属刀片、蓝宝石刀片、或钻石刀片等坚硬的物理刀片是最常用的切割装置。这些切割都是基于硬质物质的光滑锐利的棱缘与要切割物质表面之间的物理学的磨擦作用而进行的。这种试图利用将一种坚硬的物质切入另一坚硬物质中的纯粹的物理方法效率不高，特别当被切割的物质是例如生物组织、木制品或甚至是金属之类的坚实致密物质时会遇到大的磨擦阻力，因而这种方法效率低下。为此，人们已经借助于例如电子切割、电切割或者外科透热来对物质进行切割。当利用所述切割装置切割物质时，由于存在例如介质滞后和涡流等现象，被切割物质内的电阻会产生热效应，不受控制的等离子体电弧会引起物质的燃烧或挥发。最后这两种现象就会引发一种可造成能够切割物质的已知为透热效应的物理反应，所以该方法的使用受到了一定的限制，这是由于其具有以下缺点由于所发生的燃烧和炭化作用而对切割路径之外的物质会造成损害，还常常引起难闻的烟气。典型的电切割装置的低效率性表现为在切割端头产生切割效应需要通常大于50瓦特的功率。典型电切割或外科透热所需的相对高的输出功率是这些装置的低效率的辅助原因，因为它们是在传统的电阻透热法和不稳定、不可控制的、散焦的等离子体电弧放电结合的基础上进行操作的，而这种散焦的等离子体电弧是一种不协调的等离子体的形式。也可以利用激光来切割，但是，激光切割价格不菲而且需要很大的系统输入能以产生足够功率的激光束以切割物体。激光已应用于发生等离子体以及用于诸如微电子领域的蚀刻等方面。等离子体电弧放电可以在诸如焊接电弧、火花塞电弧、闪电电弧、氖光灯、荧光灯以及外科透热电弧等领域中出现。无控的电弧放电本身是不协调的等离子体流的一种形式，表现为无控制的等离子体内的电离原子粒子的湍流以及相当级别的等离子体内的原子粒子扰动。等离子体电弧内的原子粒子湍流代表一种类型的原子粒子扰动，而且原子粒子扰动的无控制性造成大量的能量泄露至预定切割路径之外的物体中，从而产生过热。当利用经典的电切割或者外科透热而出现意外的电弧放电时会产生这种巨大程度的过热。这种能量泄漏入围绕预定切割物体的路径的物质中会引起能量暴露，并对周围的物质构成损害。仅仅降低切割尖端功率，因为不能大大地减少构成等离子体电弧的电离原子粒子湍流，所以其本身不能显著地改善等离子体原子粒子的扰动。此外，本专利技术利用一系列物理化学原理以最小化经典不协调等离子体电弧放电的原子粒子扰动，并且控制由本装置所产生的等离子体的物理特性。本专利技术通过减少等离子体云内的原子粒子的湍流而使不协调等离子体电弧放电最小化，由此大大减小等离子体云中的原子粒子扰动，从而产生协调等离子体云。协调等离子体以更有控制、有效和安全的方式进行切割，因为协调等离子体云中的原子粒子成分以更稳定、平衡和受控制的状态存在，比不协调等离子体更加有序而且原子粒子湍流更少。通过利用物理学的收聚效应，根据本专利技术的协调等离子体云进一步被压缩、控制、构形并整形。然后本专利技术的压缩等离子体云因磁瓶现象和向心电场作用而被俘获和控制，所述向心电场力作用以将等离子体粒子向内推向激发的发生器切割端头；这两个原理对于物理学界是公知的并且应用于例如核物理等领域。与经典的电子切割和外科透热切割装置相反，我们的装置利用协调受控的等离子体云而不是经典的电阻透热法来进行切割。因此，本专利技术的目的和优点为(a)提供一种切割装置，其利用廉价的电子射频信号发生器，放大器、阻抗匹配及输出调节网络、和发射探头来产生、放大、调节和发射电磁波。(b)利用一个实心、非中空的导电射频发射探头来产生、维持和控制等离子体。但在设计中发射探头也可以是完全中空或部分中空的。(c)利用一种相对于目前使用中的其他电切割方法需要更低的系统输入能量的电子电磁场发生器系统来产生等离子体切割刀片，所述系统的平均输入功率甚至可以低至2瓦特。所述系统所需的系统输出能量也比目前使用中的其他电切割方法所需的输出能量低，所述系统的平均输出功率甚至可低至1瓦特。(d)在不需要将如等离子体腔中等离子体吹焰器和刻蚀系统的等离子体发生装置中所采用的将一种可离子化的气体喷注入切割区域中的情况下就可形成切割等离子体云。(e)通过对来自本专利技术中所述电磁发生器系统的能量进行调节并使之与包围并覆盖在有源发射器切割电极端头的等离子体云阻抗匹配，来产生协调等离子体云，使其中的原子粒子扰动及湍流大大低于其他等离子体切割装置中的扰动及湍流。(f)通过使来自本专利技术中所述电磁发生器系统的能量与包围并覆盖有源切割电极端头的等离子体云中的原子粒子振荡谐频和频率达到频率匹配而产生协调等离子体云，使得其中的原子粒子扰动及湍流大大低于其他等离子体切割装置中的扰动及湍流。(g)通过使本专利技术中所述电磁发生器系统的输出功率与激发和维持协调等离子体云所需功率达到功率匹配而产生协调等离子体云，使得其中的原子粒子扰动及湍流大大低于其他等离子体切割装置中的扰动及湍流。(h)使该电磁波形发生器能量以紧密耦合且高效的方式转化为等离子体云，所述等离子体云包围并覆盖有源发射器切割电极端头，以此来降低激发和维持包围该有源发射器切割电极端头的协调等离子体云所需的射频发生器/放大器的输出功率。(i)利用公知的物理学的收聚效应原理来收聚、压缩和成形覆盖在有源发射器切割电极端头周围的协调等离子体云。(j)利用公知的物理学的磁瓶效应原理和向心电场力以将等离子体粒子向内推向激发的发生器端头，从而俘获和容纳协调等离子体云而不需要使用实心物质限制容器来包含等离子体云。这样就可避免在有源发射器切割电极端头附近使用中空的等离子体保持腔了。(k)利用物理化学的隧道效应原理使有源发射器切割电极端头所发射的电磁波反射离开协调等离子体云周围的物质，且由此使电磁波反射回到包围该受激发发射切割电极端头的协调等离子体云中。以这种方式，我们就可利用隧道效应来产生电磁屏蔽，从而使与预定的切口路径之外的物质进行反应并穿入其中的所发射的电磁辐射量最小。这一系统就可使电磁辐射泄露所造成的潜在的负作用最小化。而且反射回到等离子体云中的电磁辐射将进一步激发协调等离子体云，这样就可进一步减少电磁波发生器系统为了维持等离子体云进行有效切割而需要的输出能量。(l)通过使用密集收聚在有源发射器切割电极端头周围的协调等离子体云，使切割等离子体的动能集中到更窄的切割路径从而可以在物质中产生不连续的、整齐的切口，还可使对预定的切口路径之外的物质造成的挤压或负作用最小化。(m)提供例如小刀和金属刀片等纯物理能量切割技术之外的另一种可选技术，同时还能提供一种比目前可获得的其他切割形式效率更高、效果更好、准确性更高、更整齐的切割装置。(n)可提供一种比市售的诸如激光等高科技切割装置更廉价的切割装置。
技术实现思路
本专利技术所述装置是一种特别调谐射频发生器和功率放大器系统。本专利技术既不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用等离子体切割物质的装置，包括：产生射频能量的装置；调节上述射频能量的装置；将上述调整的射频能量馈入发射器切割电极端头；利用上述调节的射频能量从上述发射器切割电极端头的表面产生向外的电磁场的装置，从而产生 并维持一个围绕发射器切割电极端头的等离子体云，所述等离子体云是通过利用上述调节的射频能量激发沿上述有源发射器切割电极端头和要进行上述切割的物质之间界面处的原子粒子而产生和维持的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：理查德J福格，达米安珈克塞奥，
申请(专利权)人：理查德J福格，
类型：发明
国别省市：US[美国]