專利名稱：含有特別調(diào)諧射頻電磁場(chǎng)發(fā)生器的等離子切割物質(zhì)的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用和諧等離子云來(lái)切割物質(zhì)的等離子發(fā)生裝置，更具體地說(shuō)是涉及一種利用由一射頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)所發(fā)射的電磁波來(lái)激勵(lì)和維持的和諧等離子云來(lái)切割物質(zhì)的裝置。所述系統(tǒng)與本發(fā)明中所述裝置所激勵(lì)、維持和控制的且在切割過(guò)程中包圍在受激勵(lì)的發(fā)射切割探頭周圍的和諧等離子云相阻抗匹配、頻率匹配和輸出功率匹配。
也利用激光來(lái)進(jìn)行切割，但激光器械比較昂貴且需要大量的輸入能量來(lái)產(chǎn)生具有足夠切割能力的激光束。激光已用于產(chǎn)生等離子，也用于例如微電子學(xué)領(lǐng)域中的蝕刻等過(guò)程中。
在例如焊弧、火花弧、閃電放電弧、氖燈、熒光燈及電外科手術(shù)弧等許多領(lǐng)域都可發(fā)現(xiàn)等離子弧。不可控的電弧作用本質(zhì)上是一種形式的不和諧等離子流，等離子中不可控的離子化原子顆粒所形成的紊亂流是由等離子中的原子顆?；煦绯潭却笤斐傻?。等離子弧中的原子顆粒的紊亂度代表著一種形式的原子顆粒的混沌狀態(tài)，原子顆?；煦缍鹊牟豢煽匦栽斐闪舜罅康哪芰恳绯龅搅饲锌诼窂街獾奈镔|(zhì)中，從而會(huì)產(chǎn)生過(guò)量的熱。當(dāng)?shù)湫偷碾娗懈罨螂娡饪剖中g(shù)器械產(chǎn)生了不需要的弧光時(shí)就會(huì)生成大量的熱。溢出到切口路徑周圍的物質(zhì)中的能量會(huì)造成能量泄露，還會(huì)對(duì)周圍物質(zhì)造成傷害。僅僅降低切割端功率本身由于不會(huì)大大減小包括等離子弧的離子化原子顆粒流的紊亂程度，所以也不會(huì)顯著降低等離子原子顆?；煦缍人健６诒景l(fā)明中利用了一系列的物理化學(xué)原理來(lái)使典型不和諧等離子弧中的原子顆粒的混沌度最小化，還能控制所產(chǎn)生的等離子的物理特性。本發(fā)明中還通過(guò)減小等離子云中的原子顆粒的紊亂度來(lái)使不和諧等離子弧最小化，由此大大降低等離子云原子顆粒的混沌度同時(shí)生成和諧的等離子云。和諧等離子可以一種更可控、更有效和更安全的方式來(lái)進(jìn)行切割，這是由于和諧等離子云中的原子顆粒以比不和諧等離子中的原子顆粒更有序和紊亂度更低的一種更穩(wěn)定、更平衡、更可控的狀態(tài)存在著。而且還可通過(guò)利用物理學(xué)中的收聚效應(yīng)來(lái)對(duì)本發(fā)明中所述的和諧等離子云進(jìn)行壓縮、控制、和整形。還利用在例如核物理等領(lǐng)域采用的為物理學(xué)家所公知的磁瓶現(xiàn)象來(lái)捕集和容納本發(fā)明中所述的經(jīng)壓縮的等離子云。與典型的電切割或電外科手術(shù)器械不同，本發(fā)明中所述裝置是利用和諧的可控等離子云而不是利用典型的電阻透熱法來(lái)進(jìn)行切割的。
發(fā)明目的及其優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明包含如下幾個(gè)發(fā)明目及優(yōu)點(diǎn)(a)提供一種利用不昂貴的電子射頻信號(hào)發(fā)生器、放大器、阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)、和發(fā)射探頭來(lái)產(chǎn)生、放大、調(diào)節(jié)和發(fā)射電磁波的切割裝置。
(b)利用一個(gè)實(shí)心、非中空的導(dǎo)電射頻發(fā)射探頭來(lái)產(chǎn)生、維持和控制等離子。但在設(shè)計(jì)中發(fā)射探頭也可以是完全中空或部分中空的。
(c)利用一種需要相對(duì)于目前使用中的其他電切割方法更低的系統(tǒng)輸入能量的電子電磁場(chǎng)發(fā)生器系統(tǒng)來(lái)產(chǎn)生等離子切割刀片，所述系統(tǒng)的平均輸入功率甚至可以低至2瓦特。同時(shí)所述系統(tǒng)所需的系統(tǒng)輸出能量也比目前使用中的其他電切割方法所需的輸出能量低，所述系統(tǒng)的平均輸出功率甚至可低至1瓦特。
(d)無(wú)需采用如等離子腔中等離子吹焰器和刻蝕系統(tǒng)的等離子發(fā)生裝置中所采用的將一種可離子化的氣體注入切割區(qū)域中方法就可形成切割等離子云。
(e)通過(guò)對(duì)來(lái)自本發(fā)明中所述電磁發(fā)生器系統(tǒng)的能量進(jìn)行調(diào)節(jié)而使之與包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的等離子云相阻抗匹配，來(lái)產(chǎn)生和諧等離子云使其中的原子顆?；煦缂拔蓙y度大大低于其他等離子切割裝置中的混沌及紊亂度。
(f)通過(guò)使來(lái)自本發(fā)明中所述電磁發(fā)生器系統(tǒng)的能量與包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的等離子云中的原子顆粒振蕩諧頻和旋進(jìn)頻率相頻率匹配而產(chǎn)生和諧等離子云使得其中的原子顆?；煦缂拔蓙y度大大低于其他等離子切割裝置中的混沌及紊亂度。
(g)通過(guò)對(duì)本發(fā)明中所述電磁發(fā)生器系統(tǒng)的輸出功率與激勵(lì)和維持和諧等離子云所需功率相功率匹配而產(chǎn)生和諧等離子云使得其中的原子顆?；煦缂拔蓙y度大大低于其他等離子切割裝置中的混沌及紊亂度。
(h)通過(guò)提供一種緊密耦合使電磁波發(fā)生器能量向包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的等離子云的轉(zhuǎn)換效率提高，以此來(lái)降低激勵(lì)和維持包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的和諧等離子云所需的射頻發(fā)生器/放大器的輸出功率。
(i)利用公知的箍縮效應(yīng)物理學(xué)原理來(lái)收聚、壓縮和成形包圍在受激勵(lì)的發(fā)射切割電極頭周圍的和諧等離子云。
(j)利用公知的磁瓶效應(yīng)物理學(xué)原理來(lái)捕集和容納和諧等離子云而不需要使用實(shí)心物質(zhì)限制容器來(lái)包住等離子云。這樣就可避免在受激勵(lì)的發(fā)射切割電極頭附近使用中空的等離子保持腔了。
(k)利用隧道物理化學(xué)原理使由受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭所發(fā)射的電磁波反射離開(kāi)和諧等離子云周圍的物質(zhì)，且使電磁波反射回到包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的和諧等離子云中去。以這種方式我們就可利用隧道效應(yīng)來(lái)產(chǎn)生電磁屏蔽，從而使所發(fā)射的來(lái)自反應(yīng)和隧穿進(jìn)入預(yù)期的切口路徑之外物質(zhì)的電磁輻射量最小。這一系統(tǒng)就可使電磁輻射泄露所造成的潛在的負(fù)作用最小化。而且反射回到等離子云中的電磁輻射將進(jìn)一步激勵(lì)和諧等離子云，這樣就可減少電磁波發(fā)生器系統(tǒng)為了維持等離子云的有效切割性而需要的輸出能量。
(l)通過(guò)使用收聚在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的和諧切割等離子云，使切割等離子的動(dòng)能聚集到更窄的切割路徑從而可以在物質(zhì)中產(chǎn)生不連續(xù)的、有規(guī)則的切口，同時(shí)還可使對(duì)預(yù)期的切口路徑之外的物質(zhì)造成的擠壓或負(fù)作用最小化。
(m)可提供例如小刀和金屬刀片等純物理能量切割技術(shù)之外的另一種可選技術(shù)，也能提供一種比目前可獲得的其他切割形式效率更高、效果更好、準(zhǔn)確性更高、更有規(guī)則的切割裝置。
(n)可提供一種比市售的諸如激光等高科技切割裝置更廉價(jià)的切割裝置。
附

圖1表示的是在切割發(fā)射探頭系統(tǒng)與要切入的物質(zhì)之間采用電容耦合的等離子切割裝置。
附圖2表示的是在切割發(fā)射探頭系統(tǒng)與要切入的物質(zhì)之間采用電阻耦合的等離子切割裝置。附圖標(biāo)記說(shuō)明10射頻信號(hào)發(fā)生器12射頻開(kāi)關(guān)14通-斷按鈕/通-斷開(kāi)關(guān)16脈沖串式工作循環(huán)發(fā)生器18連續(xù)式自激發(fā)生器20信號(hào)門22功率放大器24阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)26切割發(fā)射機(jī)頭28切割電極頭30電容耦合盤32要切入的物質(zhì)34電阻耦合電極本發(fā)明中所述系統(tǒng)類似于與大氣中空氣阻抗相匹配的標(biāo)準(zhǔn)的射頻發(fā)射系統(tǒng)，但是本發(fā)明中所述系統(tǒng)是與受激勵(lì)切割電極頭(28)周圍的和諧等離子云相阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配且相調(diào)諧的系統(tǒng)。盡管本發(fā)明中所述系統(tǒng)類似于其他的電磁波發(fā)射系統(tǒng)，但該系統(tǒng)中以某種形式合并采用了許多種物理及化學(xué)原理，這種形式允許我們創(chuàng)造出一種新的在物質(zhì)中可以獲得有規(guī)則有效的切口的裝置。
在本發(fā)明所述裝置的受激勵(lì)切割電極頭(28)周圍所產(chǎn)生的和諧等離子體形成了可見(jiàn)的有序的等離子云，該等離子云可以由本發(fā)明中所述的切割系統(tǒng)所激發(fā)、維持和改變。與其他等離子切割系統(tǒng)相比，本發(fā)明中所述裝置中的包圍在受激勵(lì)的切割電極頭(28)周圍的和諧等離子還呈現(xiàn)出減弱的原子顆?；煦缧约拔蓙y性，因此本裝置具有明顯不同的電子特性。
本裝置中的等離子云所具有的和諧特性使得能量可以更好地聚集在要切入的路徑上，而避免較少的能量溢出到要切入的路徑之外。因此與典型的電切割系統(tǒng)相比，本裝置可以在對(duì)預(yù)期的切口路徑之外的物質(zhì)形成更少擠壓的情況下獲得一種更有規(guī)則、更準(zhǔn)確、更有效的切口。
盡管等離子體是宇宙中最普通的物質(zhì)形式，但它是在地球上發(fā)現(xiàn)的四種類型的物質(zhì)中最少見(jiàn)的一種。地球上存在的等離子體的例子有焊弧、火花弧、氖光電弧、閃電放電所形成的不受控制的弧光、在電切割或電外科手術(shù)中見(jiàn)到的腐蝕性的等離子弧。等離子體也用于例如半導(dǎo)體刻蝕等領(lǐng)域中，但所利用的等離子體是由例如激光或精致的等離子刻蝕腔等昂貴的高能量消耗系統(tǒng)所產(chǎn)生的。我們利用典型的電切割或電手術(shù)外科器械所表現(xiàn)出的原子顆?；煦缂拔蓙y水平來(lái)作為定義等離子體中的原子顆粒紊流或混沌度增加或減小的一個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)。
本發(fā)明中所述系統(tǒng)是采用一種不昂貴的電子射頻發(fā)生器/放大器系統(tǒng)來(lái)生、調(diào)節(jié)以及從一個(gè)切割電極頭(28)發(fā)射出連續(xù)式或脈沖式的電磁場(chǎng)。脈沖式電磁場(chǎng)的周期時(shí)間可以變化，脈沖式的每個(gè)完整的通斷周期可以小到0.000001秒。這種電磁場(chǎng)發(fā)生器系統(tǒng)的具體參數(shù)大體上是由沿著切割電極頭(28)和要切入的物質(zhì)間界面上的原子顆粒組成所確定的。本系統(tǒng)是利用沿著切割電極頭(28)和要切入的物質(zhì)(32)之間的界面上的原子來(lái)產(chǎn)生等離子云的，這完全不同于那種需要將一種可離子化的氣體注入到要切口區(qū)域中然后再給注入的氣體賦能而轉(zhuǎn)化成等離子體。但是本發(fā)明中所述等離子切割系統(tǒng)可以在切割電極頭(28)的范圍內(nèi)注入一些補(bǔ)充性的可離子化氣體，以便于加速切割過(guò)程。本發(fā)明并不需要用于發(fā)射切割電極頭的復(fù)雜的設(shè)計(jì)，也不需要例如托卡馬克或回旋加速器等精細(xì)的等離子控制裝置。
由本系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁波是一種輻射形式的電磁能量且可從本系統(tǒng)的受激勵(lì)切割電極頭(28)發(fā)射出去。還特別將輻射電磁能量調(diào)節(jié)得可與受激勵(lì)切割電極頭(28)表面上的原子和分子發(fā)生作用。由等離子切割電極頭(28)處的原子顆粒作用及動(dòng)力作用所間接產(chǎn)生的電磁頻率在實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能及效果方面起到了重要作用。所產(chǎn)生的基本電磁波的諧頻常常在實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能、動(dòng)力學(xué)效果方面起到重要作用。輻射電磁能量與原子和分子間的作用包括熱離子化和光電作用，這些作用使得處在要切入的物質(zhì)(32)和切割電極頭(28)之間界面處原子中的電子脫離了其所處的原子軌道。這一過(guò)程就使得原子和分子轉(zhuǎn)變成離子和自由電子。自由的帶電原子顆粒在空間中移動(dòng)，直至與其他的電極表面原子發(fā)生碰撞，由此會(huì)將更多的電子撞出其原子軌道。重復(fù)這一過(guò)程，便形成了被稱為雪崩效應(yīng)的帶電原子顆粒撞擊的連鎖反應(yīng)，這種雪崩效應(yīng)參與了受激勵(lì)切割電極頭(28)表面的等離子云的形成過(guò)程。
本發(fā)明中所述裝置與切割電極頭(28)周圍的等離子云相阻抗匹配、頻率匹配、能量匹配、相調(diào)諧。本裝置對(duì)發(fā)射的電磁波形進(jìn)行調(diào)節(jié)以能夠以高耦合度、高效率將能量轉(zhuǎn)換成等離子云，以便于使來(lái)自切割電極頭(28)的能量最大程度地轉(zhuǎn)換成等離子云，而使進(jìn)入預(yù)期的切口路徑周圍物質(zhì)內(nèi)的電磁輻射能量損失最小。利用物理化學(xué)原理來(lái)控制等離子云的形狀和特性，包括調(diào)整等離子云中的原子顆粒紊亂度。本發(fā)明中所述裝置以這種方式產(chǎn)生了可將能量聚集在預(yù)期的切口路徑上的和諧的可控等離子體，這完全不同于在典型電切割或電子外科手術(shù)器械中所見(jiàn)到的腐蝕性的不和諧等離子弧。這種和諧等離子云具有比典型的電切割或電子外科手術(shù)系統(tǒng)更低的原子顆粒紊亂度，因此本發(fā)明中所述系統(tǒng)可以完成比典型的產(chǎn)生不和諧等離子弧的電切割或電子外科手術(shù)系統(tǒng)效率更高的切割作用。
利用電磁場(chǎng)來(lái)調(diào)整原子顆粒的順序擴(kuò)展到了電子、物理和化學(xué)領(lǐng)域。在現(xiàn)代科技甚至包括用于發(fā)電的渦輪發(fā)電機(jī)中都經(jīng)常利用電磁場(chǎng)來(lái)使原子顆粒更有序。同樣核磁共振(NMR)裝置也利用了磁場(chǎng)來(lái)使隨機(jī)排列的原子顆粒(原子顆粒的混沌或無(wú)序度較高)變成定位在磁場(chǎng)平面內(nèi)的原子顆粒(原子顆粒的混沌或無(wú)序度較低)。與此類似，本發(fā)明中所述裝置也是利用具有阻抗匹配、頻率匹配、能量匹配及相調(diào)諧的電磁波來(lái)激勵(lì)、維持和調(diào)節(jié)切割電極頭(28)周圍的等離子云同時(shí)降低等離子云中原子顆粒的解體及混沌度。以這種方式對(duì)包圍在本發(fā)明的切割電極頭(28)周圍的等離子云中的原子顆粒進(jìn)行調(diào)節(jié)，以便具有比典型電切割系統(tǒng)中的等離子弧更低的原子顆?；煦缍群透叱潭鹊念w粒有序性，因此本發(fā)明中所述裝置可以形成和諧的等離子云。
我們可以把典型電切割或電子外科手術(shù)器械所具有的原子顆粒紊亂及混沌水平作為一個(gè)用來(lái)確定和表示等離子云中的原子顆粒紊亂或混沌度是增大還是減小的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)或基點(diǎn)。
電磁波頻率效應(yīng)與電磁波功率或場(chǎng)強(qiáng)是彼此相關(guān)的且呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)的變化。核磁共振教導(dǎo)我們當(dāng)原子顆粒的進(jìn)動(dòng)頻率和輻射電磁能量的頻率發(fā)生共振時(shí)，進(jìn)動(dòng)的原子顆?？梢晕蛰椛涞碾姶拍芰?。換句話說(shuō)，核磁共振表明當(dāng)原子顆粒與輻射電磁波頻率相匹配時(shí)就會(huì)發(fā)生對(duì)電磁能量的充分吸收。本發(fā)明中所述裝置也表明關(guān)于本發(fā)明的發(fā)射電磁波與組成切割電極頭(28)周圍等離子云的原子顆粒特性之間頻率匹配重要性的一種類似的關(guān)系。
核磁共振還教導(dǎo)我們?cè)宇w粒進(jìn)動(dòng)頻率可能與原子顆粒所處磁場(chǎng)強(qiáng)度直接相關(guān)。因此所采用的磁場(chǎng)越強(qiáng)則達(dá)到能量充分吸收所需的共振所需要的電磁場(chǎng)頻率就越高。同樣地當(dāng)我們從赤道向北極或南極的任一個(gè)地球磁極移動(dòng)時(shí)，地球電離層的“D”和“E”層中的電子回轉(zhuǎn)頻率就會(huì)增加。這一原理與本發(fā)明中所述裝置所表現(xiàn)的場(chǎng)強(qiáng)和電磁頻率之間的關(guān)系進(jìn)而就是其所發(fā)射的電磁波與組成切割電極頭(28)周圍等離子云的原子顆粒間的功率匹配和頻率匹配中所包含的科學(xué)原理相同。但是，本發(fā)明中所述電磁場(chǎng)發(fā)生器系統(tǒng)所具有的各個(gè)參數(shù)大體上可隨要切入的不同類型的具體物質(zhì)而變化，主要取決于沿切割電極頭(28)和要切入的物質(zhì)(32)間界面中的原子顆粒組成情況。
在所發(fā)射的電磁波與發(fā)射元件周圍的分子組成之間存在著很強(qiáng)的相關(guān)性。無(wú)線電報(bào)員Ham利用了一個(gè)被稱為駐波比的度量單位來(lái)表征發(fā)射入大氣中的電磁波功率的百分比。Ham無(wú)線電單元可以對(duì)其所發(fā)射的電磁波進(jìn)行調(diào)節(jié)，以使發(fā)射到大氣中的電磁能量的百分比最大化。本發(fā)明中所述裝置與此相類似，這是由于該裝置通過(guò)阻抗匹配與輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)來(lái)使所發(fā)射的電磁輻射最大化，其中所述的阻抗匹配與輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)可提供緊密耦合以高效率地將電磁波能量轉(zhuǎn)換成包圍在切割電極頭(28)周圍的等離子云。以這種方式，本發(fā)明中所述裝置就可有效地將輻射電磁能量轉(zhuǎn)換成切割電極頭(28)周圍的等離子云。
弧光是不和諧等離子流的一種形式，表示著在等離子中存在著不受控制的紊亂的離子化原子顆粒流，由此便增加了等離子中原子顆粒的混沌及紊亂程度。由例如核磁共振(NMR)等其他領(lǐng)域中可看出僅僅通過(guò)減小切割端功率本身是不可能大大改進(jìn)等離子的和諧性的，這是因?yàn)閮H僅通過(guò)這種方法是不會(huì)大大降低組成等離子弧的離子化原子顆粒流的紊亂或混沌度的。與物質(zhì)的其他形式相同，等離子具有包含大范圍的溫度、密度、流動(dòng)性、原子顆粒成份等各種物理特性。在地球上的例如焊弧、火花弧、氖光電弧、閃電弧光、電切割或電外科手術(shù)弧光等很多領(lǐng)域中都會(huì)發(fā)現(xiàn)等離子弧。典型電切割等離子弧中的原子顆粒紊亂的大體強(qiáng)度就代表著一種形式的高品質(zhì)原子顆?；煦缍龋渲性宇w?；煦缢哂械牟皇芸刂频奶匦允怯傻入x子云中紊亂的原子顆粒流所造成的。這種形式的等離子就是不和諧的等離子，當(dāng)利用它來(lái)切割時(shí)就會(huì)造成大量發(fā)熱或出現(xiàn)大量能量溢出到預(yù)期的切口路徑之外的物質(zhì)中去。溢出到預(yù)期的切口路徑之外物質(zhì)中的能量會(huì)造成能量泄露、熱泄露，還會(huì)損傷周圍物質(zhì)。本發(fā)明中所述裝置通過(guò)大大降低等離子云中的原子顆粒紊亂度而使典型等離子弧最小化，并由此產(chǎn)生出和諧的等離子云。
隨著電磁場(chǎng)穿過(guò)受激勵(lì)的切割電極頭(28)周圍的和諧等離子的薄層，電磁場(chǎng)會(huì)緩慢地降低其幅度。最后，電磁場(chǎng)將完全穿過(guò)等離子云而接觸到預(yù)期的切口路徑之外的物質(zhì)，也就是在切割等離子云周圍的物質(zhì)。按照隧道的物理化學(xué)原理，所產(chǎn)生的電磁波會(huì)遇到與其頻率及阻抗不匹配的壁壘，電磁波的大部分剩余能量就會(huì)反射回到和諧的等離子云中。反射回去的電磁能量將進(jìn)一步激勵(lì)等離子云中的分子顆粒，這樣就可減少必須由電磁波發(fā)生器系統(tǒng)所發(fā)射的輸出能量。這一過(guò)程也會(huì)使總的電磁輻射量透射到切口路徑之外的物質(zhì)，與之反應(yīng)并存在對(duì)其造成損傷的潛在輻射泄露的百分比達(dá)到最小化。
可利用本裝置中所產(chǎn)生磁場(chǎng)的向心力來(lái)控制和諧等離子云與受激的切割電極頭(28)表面內(nèi)的原子顆粒之間的距離。當(dāng)單個(gè)的離子化的顆?？梢酝瑫r(shí)振蕩、振動(dòng)、自旋和/或旋進(jìn)時(shí)，離子化顆粒就可在磁場(chǎng)中以螺旋軌跡行進(jìn)。另外，在本發(fā)明所述裝置中還用到了在例如等離子物理等領(lǐng)域中已采用了多年的收聚效應(yīng)。我們就可以此方式通過(guò)利用實(shí)心的或中空的發(fā)射切割電極頭(28)來(lái)對(duì)和諧等離子云進(jìn)行壓縮、定形、整形和控制。我們還可利用在例如核物理中已采用了的磁瓶效應(yīng)來(lái)捕集和容納經(jīng)壓縮的等離子云，而不需要實(shí)心物質(zhì)容器了，這樣就可避免使用中空或帶有空腔的切割端探頭來(lái)捕集和控制等離子云了。通過(guò)增加和諧等離子云中的原子顆粒的密度就可大大增加等離子云功率密度，進(jìn)而就可以改進(jìn)等離子云的切割效率及其功率。
另外，通過(guò)壓縮等離子云就可大大減小等離子云的橫截面直徑，進(jìn)而就可減小預(yù)期的切口路徑的寬度，同時(shí)還可使對(duì)預(yù)期的切口路徑之外的物質(zhì)造成的負(fù)作用或潛在反向擠壓最小化。一旦切斷電磁波發(fā)生器系統(tǒng)的電源，和諧等離子云的能量水平就可迅速衰減到使組成等離子云的原子顆粒無(wú)法維持在公知的等離子云物質(zhì)狀態(tài)的一點(diǎn)。結(jié)論、衍生結(jié)果及范圍因此讀者會(huì)看到采用這種特別調(diào)諧電磁波來(lái)產(chǎn)生形狀、輪廓、功率密度及物理特性都是可控的和諧的等離子云，將使我們獲得一種效率更高、控制性更強(qiáng)、傷害更小、成本效果更好的切割物質(zhì)的方法。
典型的電切割或電子外科手術(shù)器械是利用非充分的傳統(tǒng)電阻性透熱法來(lái)切割物質(zhì)的，而本發(fā)明所述射頻發(fā)生器系統(tǒng)是利用其經(jīng)發(fā)射調(diào)節(jié)的功率來(lái)產(chǎn)生和維持一薄層包圍在切割電極頭周圍的和諧等離子云來(lái)切割物質(zhì)的。因此本發(fā)明中所述裝置工作所需能量低于典型電阻性電切割或電子外科手術(shù)系統(tǒng)所需能量。本發(fā)明中所述裝置是通過(guò)利用切割電極頭周圍的和諧等離子云與要切入物質(zhì)間的相互作用來(lái)切割物質(zhì)的。也就是利用一個(gè)受激勵(lì)切割電極頭周圍的可控和諧等離子原子顆粒來(lái)切入物質(zhì)的。另外，本發(fā)明中所述的等離子切割裝置還具有以下優(yōu)點(diǎn)產(chǎn)生等離子成本低；產(chǎn)生等離子的效率高；產(chǎn)生的等離子是可控的；所產(chǎn)生的等離子可切入實(shí)心物質(zhì)；利用了公知的物理原理來(lái)使輻射電磁能量向所產(chǎn)生等離子云的轉(zhuǎn)換效率最大化；利用了公知的科學(xué)原理來(lái)使輻射電磁能量可與正在振蕩、振動(dòng)、自旋和/或旋進(jìn)的原子顆粒相作用并激勵(lì)、供給原子顆粒能量；可使所產(chǎn)生等離子云的原子顆粒混沌及紊亂度低于典型等離子切割器械中所產(chǎn)生的原子顆?；煦缂拔蓙y度，所以可以形成和諧的等離子云；切入物質(zhì)時(shí)可使切口路徑中所涉及的物質(zhì)層更薄；可利用物理化學(xué)中的隧道效應(yīng)來(lái)使切口路徑之外的物質(zhì)免受電磁輻射即可切入物質(zhì)，而不需要使用由各種形式的物質(zhì)所制成的防護(hù)物；利用了磁瓶效應(yīng)來(lái)捕集在切割電極頭周圍所形成的等離子云；
利用了收聚效應(yīng)來(lái)對(duì)等離子云的形狀及密度進(jìn)行收聚、定形和控制，而不需要使用大的容器腔來(lái)包裹所產(chǎn)生的等離子云；不需要復(fù)雜的發(fā)射切割電極頭的設(shè)計(jì)；不需要例如托卡馬克或回旋加速器等精細(xì)的等離子控制裝置；在物質(zhì)中獲得的切口是不昂貴、有規(guī)則、有效率、安全且可控的。
盡管以上描述包含了許多詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容不應(yīng)解釋為對(duì)本發(fā)明范圍的限制而僅僅是對(duì)本發(fā)明的一些優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行闡明。因此本發(fā)明范圍應(yīng)由所附權(quán)利要求及其合法等同物而不是由所給出的實(shí)施例來(lái)確定。
權(quán)利要求
1.一種利用等離子進(jìn)行切割的裝置，包含以下步驟利用一套包含有射頻信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、和阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的電子系統(tǒng)；產(chǎn)生射頻能量；對(duì)所述射頻能量進(jìn)行調(diào)節(jié)；將所述射頻能量輸入到一個(gè)發(fā)射切割電極頭中；從所述受激勵(lì)的發(fā)射切割電極頭的表面向外形成一個(gè)電磁場(chǎng)；利用對(duì)沿所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭和所述要切入物質(zhì)之間界面的原子顆粒進(jìn)行激勵(lì)的裝置來(lái)形成包圍在所述受激勵(lì)切割電極頭周圍的等離子云，而并不需要向所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍空間注入可離子化的氣體，但通過(guò)向所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍空間注入可離子化的氣體可能會(huì)增強(qiáng)所述等離子云；通過(guò)使所述電磁場(chǎng)中的能量高效率地傳遞到沿所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭和所述要切入物質(zhì)之間界面的所述原子顆粒中去的方式來(lái)維持所述等離子云；以及通過(guò)利用包圍在所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的等離子云來(lái)切割所述物質(zhì)，便可形成比目前可獲得的等離子切割裝置更安全、更有規(guī)則、效率更高、效果更好的切割。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述產(chǎn)生電磁波的步驟以能產(chǎn)生其頻率在電磁頻譜中被稱為射頻頻譜的電磁波的射頻信號(hào)發(fā)生器開(kāi)始。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述調(diào)節(jié)電磁波的步驟包含通過(guò)一個(gè)信號(hào)門將射頻波的傳播連接到一個(gè)脈沖串式工作循環(huán)發(fā)生器或一個(gè)連續(xù)式自激發(fā)生器，采用一個(gè)連接到所述控制射頻開(kāi)關(guān)器械上的通斷按鈕或通斷開(kāi)關(guān)來(lái)對(duì)所述裝置的傳輸路徑實(shí)施激勵(lì)或去激勵(lì)。
4.如權(quán)利要求3所述裝置，還包含產(chǎn)生所述電磁場(chǎng)的步驟，該步驟包含產(chǎn)生連續(xù)電磁波或脈沖電磁波的步驟。
5.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述放大通過(guò)信號(hào)門引導(dǎo)的射頻波形的步驟中包括一個(gè)具有固定或變化增益的功率放大器。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述調(diào)節(jié)射頻波形的步驟還包括使被放大的電磁波通過(guò)所述阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)來(lái)引導(dǎo)和放大電磁波的步驟，所述阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)用來(lái)調(diào)節(jié)和調(diào)整例如阻抗等被發(fā)射信號(hào)特性，以使從所述發(fā)射切割電極頭發(fā)射出去的信號(hào)最大化同時(shí)使反射回到所述裝置的信號(hào)最小化。
7.如權(quán)利要求1所述裝置，其中，使來(lái)自所述切割電極頭的電磁波信號(hào)發(fā)射出去的步驟中還包括使所述阻抗匹配及輸出調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)引導(dǎo)通過(guò)一個(gè)波導(dǎo)且使之在到達(dá)所述切割電極頭之前進(jìn)入一個(gè)切割發(fā)射機(jī)頭。
8.如權(quán)利要求1所述裝置，其中，所述建立受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭的步驟包含建立一個(gè)最好是實(shí)心端但也可以是中空或半中空的導(dǎo)電的或半導(dǎo)電的物體。
9.如權(quán)利要求8所述裝置，還包含建立具有最好為線型或大體為曲線型設(shè)計(jì)的受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭的步驟，但所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭也可以為非具體的形狀甚至可以為環(huán)形。
10.如權(quán)利要求1所述裝置，其中，所述在切割電極頭的表面周圍形成等離子的步驟還包括使所述輻射電磁場(chǎng)與所述包圍在受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭周圍的等離子相阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配和相調(diào)諧的步驟。
11.如權(quán)利要求10所述裝置，還包含使來(lái)自所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭的射頻能量轉(zhuǎn)換到沿所述發(fā)射切割電極頭表面的等離子云中原子顆粒中去的效率高、耦合緊密。
12.如權(quán)利要求10所述裝置，還包含調(diào)節(jié)電磁波的步驟，其中所述裝置在使系統(tǒng)輸出功率匹配、電磁波頻率匹配和阻抗匹配的條件下工作，以使所述等離子切割裝置大體上與沿切割電極頭表面的原子顆粒相調(diào)諧，所述等離子切割裝置與切口路徑中原子顆粒的振蕩、振動(dòng)、自旋和進(jìn)動(dòng)等特性相和諧，以產(chǎn)生和維持和諧等離子云。
13.如權(quán)利要求10所述裝置，還包含降低沿所述發(fā)射切割電極頭表面的等離子云中的原子顆粒的紊亂及混沌度的步驟。
14.如權(quán)利要求13所述裝置，還包含發(fā)展包圍在所述發(fā)射切割電極頭表面的和諧等離子云的步驟，由此等離子云中的原子顆粒組份就可大大降低其原子顆粒的紊亂及混沌度。
15.如權(quán)利要求10所述裝置，還包含可發(fā)射由所述等離子切割裝置所產(chǎn)生的電磁波總能量的大部分且能將其轉(zhuǎn)換成所述等離子云的步驟，而且根據(jù)物理化學(xué)的隧道效應(yīng)，當(dāng)所述電磁波到達(dá)預(yù)期的切割路徑之外及超出所述包圍在切割電極頭周圍的等離子云的物質(zhì)時(shí)，可使所述電磁場(chǎng)殘余能量的大部分反射回到所述等離子云中。
16.如權(quán)利要求15所述裝置，還包含可使從預(yù)期的切割路徑之外物質(zhì)反射回去的電磁波能量進(jìn)一步激勵(lì)所述等離子云的步驟，由此可進(jìn)一步降低為了產(chǎn)生和維持所述等離子云而需由所述切割電極頭所發(fā)射的總輸出功率。
17.如權(quán)利要求15所述裝置，還包含使所述預(yù)期的切口路徑周圍物質(zhì)屏蔽所述等離子切割裝置的電磁場(chǎng)的射頻能量的步驟，由此可保護(hù)切口路徑周圍物質(zhì)免受電磁輻射泄露。
18.如權(quán)利要求1所述裝置，其中，所述控制等離子的步驟還包含利用由切割電極頭所發(fā)射的電磁場(chǎng)來(lái)控制所述等離子云中原子顆粒與所述受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭表面之間的距離。
19.如權(quán)利要求18所述裝置，還包含按照物理學(xué)中磁瓶效應(yīng)無(wú)需使用實(shí)心物質(zhì)限制或控制容器而通過(guò)利用所述電磁場(chǎng)來(lái)捕集和限制所述切割電極頭周圍的等離子云的步驟。
20.如權(quán)利要求18所述裝置，還包含按照物理學(xué)中箍縮效應(yīng)，通過(guò)利用所述電磁場(chǎng)來(lái)對(duì)切割電極頭周圍的等離子云的形狀和密度進(jìn)行捕集、壓縮、成形和控制的步驟。
21.如權(quán)利要求20所述裝置，還包含對(duì)所述在減小等離子云的橫截面直徑和減小等離子切割裝置切入物質(zhì)中的預(yù)期的路徑寬度的同時(shí)增加包圍在切割電極頭周圍的等離子云能量密度的裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)的步驟。
22.如權(quán)利要求1所述裝置，其中，所述從切割電極頭發(fā)射電磁場(chǎng)的步驟，包含基于例如原子顆粒進(jìn)動(dòng)、振動(dòng)、自旋、振蕩等組成等離子云的原子顆粒特性的不同，以及基于組成等離子云的原子顆粒的不同類型和原子顆粒的不同組成比率，根據(jù)適應(yīng)于原子顆?？勺兊奈锢韰?shù)及其特性所需要的可變的系統(tǒng)條件，根據(jù)系統(tǒng)規(guī)格來(lái)選擇改變例如阻抗、波形頻率、系統(tǒng)輸出功率等電磁波的特性。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用和諧等離子云來(lái)切割物質(zhì)(32)的裝置。利用頻率發(fā)生器系統(tǒng)(10)產(chǎn)生電磁波,所述電磁波由一個(gè)受激勵(lì)發(fā)射切割電極頭(28)發(fā)射出去。利用電磁波根據(jù)可引發(fā)發(fā)射切割電極頭(28)表面原子顆粒形成雪崩效應(yīng)的例如熱離子化和光電效應(yīng)等過(guò)程來(lái)激勵(lì)形成等離子云。為了維持、控制在發(fā)射切割電極頭(28)周圍形成的原子顆粒紊亂及混沌度降低的和諧等離子云,電磁波需與等離子云相阻抗匹配、頻率匹配、功率匹配及相調(diào)諧。利用磁瓶效應(yīng)、箍聚效應(yīng)、和隧道效應(yīng)來(lái)捕集、容納、壓縮、成形、聚集、和放大切割等離子云的能量。
文檔編號(hào)B23K9/00GK1322122SQ98814210
公開(kāi)日2001年11月14日 申請(qǐng)日期1998年10月2日 優(yōu)先權(quán)日1998年7月9日
發(fā)明者理查德·J·富高, 達(dá)美恩·科西歐 申請(qǐng)人:理查德·J·富高