專利名稱：等離子體輔助消除結晶的制作方法
技術領域：
本發明涉及使物體消除結晶的方法和裝置，尤其涉及使用等離子體來使物體消除結晶。
背景技術：
常規的消除結晶一般包括在一段時間內對給定材料施加足夠的熱量。通常，所施加的熱量用來在給定材料和材料化合物中，至少在其表面退火、熔化或產生相變。這種熱處理一般熔化物體表面或使其不結晶。
這種消除結晶方法受到限制，部分原因在于費時和耗能，部分原因在于這種復雜的相變需要產生關鍵的陶瓷，例如BaTiO3。為了產生BaTiO3，例如混合并加熱BaCO3和TiO2，需要在1000攝氏度或更高的溫度下加熱數十小時。甚至在這樣長的熱處理之后，只能觀測到BaTiO3一種相，并且這種相既不是玻璃也不是非晶。
另一項已公布的消除結晶技術是用微波能在約700攝氏度下大概幾分鐘內產生多相BaTiO3。然而，這項技術需要大量的連續微波能并且將樣本置于特殊的微波熱點處(即高磁場強度區域)。
發明內容
本發明提供了等離子體輔助消除結晶的裝置和方法。在一個實施例中，通過把物體表面暴露在等離子體中一段足夠長的時間以使表面至少部分消除結晶而使物體表面消除結晶。例如，可以通過在等離子體催化劑存在的情況下使氣體受到一定的電磁輻射而在腔中形成消除結晶等離子體。
在根據本發明的一個實施例中，消除結晶的方法包括使氣體流入處理腔(例如多模式腔)并使腔中的氣體受到頻率低于約333GHz電磁輻射而激發等離子體，可選擇地在等離子體催化劑存在的情況下。在等離子體激發期間或之后，可以使物體表面暴露在等離子體中。
本發明還提供了等離子體輔助消除結晶的系統。該系統包括在其中形成有腔的容器，與所述腔相連的電磁輻射源以便在消除結晶過程中將電磁輻射引入所述腔，與所述腔相連的氣源以便在消除結晶過程中氣體可以流入所述腔，以及等離子體控制器，按程序控制所述輻射和所述氣體中的至少一個來產生足量等離子體以使所述表面消除結晶。該系統還包括位于輻射中(例如位于腔中或附近)的至少一種等離子體催化劑。
本發明還提供了一種用于激發、調節和維持等離子體的等離子體催化劑。等離子體催化劑可以是惰性或活性的。根據本發明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發等離子體的任何物體，而元需施加附加的能量。活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能向氣態原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或高能波包。在惰性和活性這兩種情況下，等離子體催化劑可以改善或放寬激發用于進行各種消除結晶處理的等離子體所需的環境條件。
本發明還提供了用于使物體消除結晶的用于激發、調節和維持等離子體的其它等離子體催化劑、方法和裝置。
本發明的其它特征將通過下面結合附圖的詳細描述變得明顯，其中相同的標號表示相同的部件，其中
圖1表示根據本發明的等離子體輔助消除結晶系統的示意圖；圖1A表示根據本發明的部分等離子體輔助消除結晶系統的實施例，該系統通過向等離子體腔加入粉末等離子體催化劑來激發、調節或維持腔中的等離子體；圖2表示根據本發明的等離子體催化劑纖維，該纖維的至少一種成分沿其長度方向具有濃度梯度；圖3表示根據本發明的等離子體催化劑纖維，該纖維的多種成分沿其長度按比率變化；圖4表示根據本發明的另一個等離子體催化劑纖維，該纖維包括內層核芯和涂層；圖5表示根據本發明的圖4所示的等離子體催化劑纖維沿圖4的線5-5的截面圖；圖6表示根據本發明的等離子體系統的另一個部分的實施例，該等離子體系統包括延伸通過激發口的伸長型等離子體催化劑；圖7表示根據本發明在圖6的系統中使用的伸長型等離子體催化劑的
具體實施例方式
本發明涉及用于激發、調節和維持等離子體的方法和裝置，用于各種消除結晶應用，包括例如增強汽車工業使用的金屬合金的抗蝕性。本發明可以用于可控等離子體輔助消除結晶，其能夠降低能耗并提高合金壽命和生產靈活性。
根據本發明的一種消除結晶方法可以包括向腔內加入氣體、等離子體催化劑和電磁輻射，用于催化的消除結晶等離子體。在此所用的用于將一個或多個物體消除結晶的具有等離子體催化劑的等離子體是一種“催化的消除結晶等離子體”或者簡稱“消除結晶等離子體”。催化劑可以是惰性或者活性的。根據本發明的惰性等離子體催化劑可以包括通過使局部電場(例如電磁場)變形而誘發等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，如施加電壓引起瞬間放電。另一方面，活性等離子體催化劑可以是任何粒子或高能波包，其能夠在電磁輻射存在的情況下向氣態原子或分子傳遞足夠能量以使該氣態原子或分子失去至少一個電子。
在此引入下列共同擁有并同時申請的美國專利申請的全部內容作為參考美國專利申請No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0008)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0011)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0012)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0013)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0015)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0016)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0018)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0020)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0021)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0023)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0024)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0025)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0026)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0027)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0028)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0029)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0030)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0032)，No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0033)。
等離子體輔助消除結晶系統的說明圖1表示根據本發明的一個方面的等離子體輔助消除結晶系統10。在該實施例中，在位于電磁輻射腔(即輻射器(applicator))14內部的容器中形成腔12。在另一個實施例中(未示出)，容器12和電磁輻射腔14是同一個，從而不需要兩個獨立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一個或多個電磁輻射透射隔板，以改善其熱絕緣性能使腔12無需顯著地屏蔽電磁輻射。
在一個實施例中，腔12在由陶瓷制成的容器內形成。由于根據本發明的等離子體可以達到非常高的溫度，處理的溫度上限只受用來制造容器的陶瓷的熔點限制。例如在一個實驗中，所用的陶瓷能夠承受大約3000華氏度。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比為29.8％的硅，68.2％的鋁，0.4％的氧化鐵，1％的鈦，0.1％的氧化鈣，0.1％的氧化鎂，0.4％的堿金屬，該陶瓷材料為Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New CastleRefractories公司出售。然而本領域的普通技術人員可知，根據本發明也可以使用其它材料，例如石英以及那些與上述陶瓷材料不同的材料(如那些具有較高或較低熔化溫度的材料)。
在一個成功的實驗中，等離子體形成在部分開口的腔中，該腔在第一磚狀物內并以第二磚狀物封頂。腔的尺寸為約2英寸×約2英寸×約1.5英寸。在磚狀物中至少具有兩個與腔連通的孔一個用來觀察等離子體，并且至少一個用來供給氣體。腔的尺寸取決于需要進行的等離子體處理。此外，腔至少應該設置成能夠防止等離子體上升/漂移從而離開主要處理區，即使等離子體可能沒有接觸到襯底。
腔12可以通過管線20和控制閥22與一個或多個氣體源24(例如氬氣、氮氣、氫氣、氙氣、氪氣等氣體源)相連，由電源28提供能量。管線20可以是管狀(例如在大約1/16英寸和大約1/4英寸之間，如大約1/8英寸)，但也可以是能夠供氣的任何裝置。而且，如果需要，真空泵可以與腔相連來抽走在等離子體處理中產生的任何不需要的氣體。
一個輻射泄漏探測器(未示出)安裝在源26和波導管30附近，并與安全聯鎖系統相連，如果檢測到泄漏量超過預定安全值時，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm2)規定的值，就自動關閉電磁幅射電源。
由電源28提供能量的電磁輻射源26通過一個或多個波導管30將電磁輻射引入腔14。本領域的普通技術人員應該理解電磁輻射源26可以直接連到腔14或腔12，從而取消波導管30。進入腔14或腔12的電磁輻射可以用來激發腔內的等離子體。通過對催化劑施加附加的電磁輻射可以充分調節或維持該催化的等離子體并將其限制在腔內。
通過循環器32和調諧器34(例如，3通短線(3-stub)調諧器)提供電磁輻射。調諧器34用來使作為改變激發或處理條件的函數的反射能減至最少，特別是在催化的等離子體形成之前，因為電磁輻射將在等離子體形成之后被等離子體強烈吸收。
如下面更詳細的說明，如果腔14支持多模，尤其當這些模可持續或周期性地混合時，腔14內的電磁輻射透射腔12的位置并不重要。并如下面更詳細的說明，馬達36可以與模混合器38相連，使時間平均的電磁輻射能量分布在腔14內大致均勻。而且，窗口40(例如石英窗)可以設置在鄰近腔12的腔14的一個壁上，使能用溫度傳感器42(例如光學高溫計)來觀察腔12內的處理。在一個實施例中，光學高溫計輸出值可以在溫度升高時從0伏增加到追蹤范圍值之內。高溫計可以用于探測兩個或多個波長的輻射強度，并使用普朗克定律擬合這些強度值來測定工件溫度。高溫計也能通過監測在兩個不連續躍遷中輻射強度激發態數量分布來建立存在于等離子體中物體的溫度。
傳感器42能夠產生作為腔12中相關工件(未示出)的溫度或者任意其它可監測的條件的函數的輸出信號，并將該信號供給控制器44。也可采用雙重溫度感應和加熱，以及自動冷卻速度和氣流控制。該控制器44又用來控制電源28的運行，其具有一個與上述電磁輻射源26相連的輸出端和另一個與控制氣流進入腔12的閥22相連的輸出端。
盡管可以使用任何小于約333GHz頻率的輻射，本發明采用由通訊和能源工業(CPI)提供的915MHz和2.45GHz電磁輻射源取得了同樣的成功。2.45GHz系統持續提供從大約0.5千瓦到大約5.0千瓦的可變電磁輻射能。根據本發明的一個實施例，在消除結晶期間的電磁輻射能量密度可以在大約0.05W/cm3和大約100W/cm3之間，例如，大約2.5W/cm3。3通短線調諧器使得阻抗與最大能量傳遞相匹配，并且采用了測量入射和反射能量的雙向連接器。還采用了光學高溫計來遙感襯底溫度。
如上所述，根據本發明可以使用任何小于大約333GHz頻率的輻射。例如，可采用諸如能量線頻率(大約50Hz至60Hz)這樣的頻率，盡管形成等離子體的氣體壓力可能降低以便有助于等離子體激發。此外，根據本發明，任何無線電頻率或微波頻率可以使用包括大于約100kHz的頻率。在大多數情況下，用于這些相對高頻的氣體壓力不需要為了激發、調節或維持等離子體而降低，因而在大氣壓和大氣壓之上能夠實現多種等離子體處理。
該裝置用采用LabVIEW6i軟件的計算機控制，它能提供實時溫度監測和電磁輻射能量控制。LabVIEW圖形開發環境用于自動獲取數據、儀器控制、測量分析和數據顯示。LabVIEW來自于Austin，Texas的國家儀器公司(National Instruments Corporation)。
通過利用適當數量數據點的平均值平滑處理來降低噪音。并且，為了提高速度和計算效率，在緩沖區陣列中儲存的數據點數目用移位寄存器和緩存區大小調整來限制。高溫計測量大約1cm2的敏感區域溫度，用于計算平均溫度。高溫計用于探測兩個波長的輻射強度，并利用普朗克定律擬合這些強度值以測定溫度。然而，應知道也存在并可使用符合本發明的用于監測和控制溫度的其它裝置和方法。例如，在共有并同時提出申請的美國專利申請No.10/＿，＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中說明了根據本發明可以使用的控制軟件，在此引入其整個內容作為參考。
腔14具有幾個具有電磁輻射屏蔽的玻璃蓋觀察口和一個用于插入高溫計的石英窗。盡管不是必須使用，還具有幾個與真空泵和氣體源相連的口。
系統10還包括一個帶有用自來水冷卻的外部熱交換器的封閉循環去離子水冷卻系統(未示出)。在操作中，去離子水先冷卻磁電管，接著冷卻循環器(用于保護磁電管)中的裝卸處，最后流過焊接在腔的外表面上的水通道冷卻電磁輻射腔。
等離子體催化劑如前面所述，根據本發明的等離子體催化劑可包括一種或多種不同的物質并且可以是惰性或者活性的。在氣體壓力低于、等于或大于大氣壓力的情況下，等離子體催化劑可以在其它物質中激發、調節和/或維持消除結晶等離子體。
根據本發明的一種形成等離子體的方法可包括使腔內氣體在惰性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射。根據本發明的惰性等離子體催化劑包括通過使根據本發明的局部電場(例如電磁場)變形而誘發等離子體的任何物體，而無需對催化劑施加附加的能量，例如通過施加電壓引起瞬間放電。
本發明的惰性等離子體催化劑也可以是納米粒子或納米管。這里所使用的術語“納米粒子”包括最大物理尺寸小于約100nm的至少是半導電的任何粒子。并且，摻雜和不摻雜的、單層壁和多層壁的碳納米管由于它們異常的導電性和伸長形狀對本發明的激發等離子體尤其有效。該納米管可以有任意合適的長度并且能夠以粉末狀固定在基板上。如果固定的話，當等離子體激發或維持時，該納米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些預定方向)。
本發明的惰性等離子體也可以是粉末，而不必制成納米粒子或納米管。例如它可以形成為纖維、粉塵粒子、薄片、薄板等。在粉末態時，催化劑可以至少暫時地懸浮于氣體中。如果需要的話，通過將粉末懸浮于氣體中，粉末就可以迅速分散到整個腔并且更容易被消耗。
在一個實施例中，粉末催化劑可以加載到腔內并至少暫時地懸浮于載氣中。載氣可以與形成消除結晶等離子體的氣體相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入氣體中。例如，如圖1A所示，電磁輻射源52可以對設置有等離子體腔60的電磁輻射腔55施加輻射。粉末源65將催化劑粉末70供給氣流75。在一個可選實施例中，粉末70可以先以大塊(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意種方式分布在腔內，包括氣體流動穿過或越過該塊狀粉末。此外，可以通過移動、搬運、撒下、噴灑、吹或以其它方式將粉末送入或分布于腔內，將粉末加到氣體中用來激發、調節或維持消除結晶等離子體。
在一個實驗中，通過在伸入腔的銅管中設置一堆碳纖維粉末來使消除結晶等離子體在腔內激發。盡管有足夠的電磁(微波)輻射被引入腔內，銅管屏蔽粉末受到的輻射而不發生等離子體激發。然而，一旦載氣開始流入銅管，促使粉末流出銅管并進入腔內，從而使粉末受到電磁輻射，腔內等離子體幾乎瞬間激發。
根據本發明的粉末催化劑基本上是不燃的，這樣它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情況下燃燒。如上所述，該催化劑可以包括金屬、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合物、導電硅橡膠彈性體、聚合物納米復合物、有機無機復合物和其任意組合。
而且，粉末催化劑可以在等離子體腔內基本均勻的分布(例如懸浮于氣體中)，并且等離子體激發可以在腔內精確地控制。均勻激發在一些應用中是很重要的，包括在要求等離子體暴露時間短暫的應用中，例如以一個或多個爆發(burst)的形式。還需要有一定的時間來使粉末催化劑本身均勻分布在整個腔內，尤其在復雜的多腔的腔內。因而，根據本發明的另一個方面，粉末等離子體可以通過多個激發口引入腔內以便在其中更快地形成更均勻的催化劑分布(如下)。
除了粉末，根據本發明的惰性等離子體催化劑還可包括，例如，一個或多個微觀或宏觀的纖維、薄片、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶、須或其任意混合物。在這些情況下，等離子體催化劑可以至少具有一部分，該部分的一個物理尺寸基本上大于另一個物理尺寸。例如，在至少兩個垂直尺寸之間的比率至少為約1∶2，也可大于約1∶5或者甚至大于約1∶10。
因此，惰性等離子體催化劑可以包括至少一部分與其長度相比相對細的材料。也可以使用催化劑束(例如纖維)，其包括例如一段石墨帶。在一個實驗中，成功使用了一段具有大約三萬股石墨纖維的、每股直徑約為2-3微米的帶。內部纖維數量和束長對激發、調節或維持等離子體來說并不重要。例如，用大約1/4英寸長的一段石墨帶得到滿意的結果。根據本發明成功使用了一種碳纖維是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商標為Magnamite的Model No.AS4C-GP3K。此外，還成功地使用了碳化硅纖維。
根據本發明另一個方面的惰性等離子體催化劑可以包括一個或多個如基本為球形、環形、錐形、立方體、平面體、圓柱形、矩形或伸長形的部分。
上述惰性等離子體催化劑包括至少一種至少是半導電的材料。在一個實施例中，該材料具有強導電性。例如，根據本發明的惰性等離子體催化劑可以包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物、有機無機復合物或其任意組合。可以包括在等離子體催化劑中的一些可能的無機材料包括碳、碳化硅、鉬、鉑、鉭、鎢、氮化碳和鋁，雖然相信也可以使用其它導電無機材料。
除了一種或多種導電材料以外，本發明的惰性等離子體催化劑還可包括一種或多種添加劑(不要求導電性)。如這里所用的，該添加劑可以包括使用者想要加入等離子體的任何材料。例如，如下詳細描述，可以通過催化劑將一種或多種材料加入等離子體，用于使至少物體的表面消除結晶。因此，根據最終期望的等離子體復合物和使用等離子體的消除結晶處理，等離子體催化劑可以以任意期望的比率包括一種或多種添加劑和一種或多種導電材料。
惰性等離子體催化劑中的導電成分與添加劑的比率隨著其被消耗的時間變化。例如，在激發期間，等離子體催化劑可以要求包括較大百分比的導電成分來改善激發條件。另一方面，如果在維持消除結晶等離子體時使用，催化劑可以包括較大百分比的添加劑。本領域普的通技術人員可知用于激發和維持等離子體的等離子體催化劑的成分比率可以是相同的，并且該比率可以被制定為沉積任意需要的消除結晶深度。
預定的比率分布可以用于簡化許多等離子體輔助消除結晶處理。在一些常規的等離子體輔助非消除結晶處理中，等離子體中的成分是根據需要來增加的，但是這樣的增加一般要求可編程裝置根據預定計劃來添加成分。然而，根據本發明，催化劑中的成分比率是可變的，因而等離子體本身的成分比率可以自動變化。這就是說，在任一特定時間等離子體的成分比率依賴于當前被等離子體消耗的催化劑部分。因此，在催化劑內的不同位置的催化劑成分比率可以不同。并且，當前等離子體的成分比率依賴于當前和/或在消耗前的催化劑部分，尤其在流過等離子體腔內的氣體流速較慢時。
根據本發明的惰性等離子體催化劑可以是均勻的、不均勻的或漸變的。而且，整個催化劑中等離子體催化劑成分比率可以連續或者不連續改變。例如在圖2中，比率可以平穩改變形成沿催化劑100長度方向的梯度。催化劑100可包括一股在段105含有較低濃度成分并向段110連續增大濃度的材料。
可選擇地，如圖3所示，在催化劑120的每一部分比率可以不連續變化，例如包括濃度不同的交替段125和130。應該知道催化劑120可以具有多于兩段的形式。因此，被等離子體消耗的催化劑成分比率可以以任意預定的形式改變。在一個實施例中，當等離子體被監測并且已檢測到特殊的添加劑時，可以自動開始或結束進一步的處理。
改變被維持的等離子體中的成分比率的另一種方法是通過在不同時間以不同速率引入具有不同成分比率的多種催化劑。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多種催化劑。在不同位置引入時，在腔內形成的等離子體會有由不同催化劑位置決定的成分濃度梯度。因此，自動化系統可包括用于在等離子體激發、調節和/或維持以前和/或期間機械插入可消耗等離子體催化劑的裝置。
根據本發明的惰性等離子體催化劑也可以被涂覆。在一個實施例中，催化劑可以包括沉積在基本導電材料表面的基本不導電涂層。或者，催化劑可包括沉積在基本不導電材料表面的基本導電涂層。例如圖4和5表示了包括內層145和涂層150的纖維140。在一個實施例中，為了防止碳的氧化，等離子體催化劑包括涂覆鎳的碳芯。
一種等離子體催化劑也可以包括多層涂層。如果涂層在接觸等離子體期間被消耗，該涂層可以從外涂層到最里面的涂層連續引入等離子體，從而形成限時釋放(time-release)機制。因此，涂覆等離子體催化劑可以包括任意數量的材料，只要部分催化劑至少是半導電的。
根據本發明的另一實施例，為了基本上減少或防止電磁輻射能泄漏，等離子體催化劑可以完全位于電磁輻射腔內。這樣，等離子體催化劑不會電或磁連接于輻射腔、包括腔的容器、或腔外的任何導電物體。這可以防止在激發口的瞬間放電，并防止在激發期間和如果等離子體被維持可能在隨后電磁輻射泄漏出腔。在一個實施例中，催化劑可以位于伸入激發口的基本不導電的延伸物末端。
例如，圖6表示在其中可以設置有等離子體腔165的電磁輻射腔160。等離子體催化劑170可以延長并伸入激發口175。如圖7所示，根據本發明的催化劑170可包括導電的末梢部分180(設置于腔160內)和不導電部分185(基本上設置于腔160外，但是可稍微伸入腔)。該結構防止了末梢部分180和腔160之間的電氣連接(例如瞬間放電)。
在如圖8所示的另一個實施例中，催化劑由多個導電片段190形成，所述多個導電片段190被多個不導電片段195隔開并與之機械相連。在這個實施例中，催化劑能延伸通過在腔中的一個點和腔外的另一個點之間的激發口，但是其電氣不連續的分布有效地防止了產生瞬間放電和能量泄漏。
根據本發明的形成消除結晶等離子體的另一種方法包括使腔內氣體在活性等離子體催化劑存在的情況下受到小于大約333GHz頻率的電磁輻射，產生或包括至少一個電離粒子。
根據本發明的活性等離子體催化劑可以是在電磁輻射存在的情況下能夠向氣態原子或分子傳遞足夠能量來使氣態原子或分子失去至少一個電子的任何粒子或者高能波包。利用源，電離粒子可以以聚焦或準直射束的形式直接引入腔，或者它們可以被噴射、噴出、濺射或者其它方式引入。
例如，圖9表示電磁輻射源200將輻射引入電磁輻射腔205。等離子體腔210可以設置于腔205內并允許氣體流過口215和216。源220可以將電離粒子225引入腔210。源220可以用電離粒子可以穿過的金屬屏蔽來保護，但也屏蔽了對源220的電磁輻射。如果需要，源220可以水冷。
根據本發明的電離粒子的實例可包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合。因此，電離粒子催化劑可以是帶電荷(例如來自離子源的離子)或者不帶電荷并且可以是放射性裂變過程的產物。在一個實施例中，在其中形成有等離子體腔的容器可以全部或部分地透過電離粒子催化劑。因此，當放射性裂變源位于腔外時，該源可以引導裂變產物穿過容器來激發等離子體。為了基本防止裂變產物(如電離粒子催化劑)引起安全危害，放射性裂變源可以位于電磁輻射腔內。
在另一個實施例中，電離粒子可以是自由電子，但它不必是在放射性衰變過程中發射。例如，電子可以通過激發電子源(如金屬)來引入腔內，這樣電子有足夠的能量從該源中逸出。電子源可以位于腔內、鄰近腔或者甚至在腔壁上。本領域的普通技術人員可知可用任意組合的電子源。產生電子的常用方法是加熱金屬，并且這些電子通過施加電場能進一步加速。
除電子以外，自由能質子也能用于催化等離子體。在一個實施例中，自由質子可通過電離氫產生，并且選擇性地由電場加速。
多模電磁輻射腔電磁輻射波導管、腔或室被設置成支持或便于至少一種電磁輻射模的傳播。如這里所使用，術語“模”表示滿足Maxwell方程和可應用的邊界條件(如腔的)的任何停滯或傳播的電磁波的特殊形式。在波導管或腔內，該模可以是傳播或停滯電磁場的各種可能形式中的任何一種。每種模由其電場和/或磁場矢量的頻率和極化表征。模的電磁場形式依賴于頻率、折射率或介電常數以及波導管或腔的幾何形狀。
橫電(TE)模是電場矢量垂直于傳播方向的模。類似地，橫磁(TM)模是磁場矢量垂直于傳播方向的模。橫電磁(TEM)模是電場和磁場矢量均垂直于傳播方向的模。中空金屬波導管一般不支持電磁輻射傳播的標準TEM模。盡管電磁輻射似乎沿著波導管的長度方向傳播，它之所以這樣只是通過波導管的內壁以某一角度反射。因此，根據傳播模，電磁輻射沿著波導管軸線(通常指z軸)具有一些電場成分或者一些磁場成分。
在腔或者波導管中的實際場分布是其中模的疊加。每種模可以用一個或多個下標(如TE10(“Tee ee one zero”))表示。下標一般說明在x和y方向上含有多少在導管波長的“半波”。本領域的普通技術人員可知波導管波長與自由空間的波長不同，因為波導管內的電磁輻射傳播是通過波導管的內壁以某一角度反射。在一些情況下，可以增加第三下標來定義沿著z軸在駐波形式中的半波數量。
對于給定的電磁輻射頻率，波導管的尺寸可選擇得足夠小以便它能支持一種傳播模。在這種情況下，系統被稱為單模系統(如單模輻射器)。在矩形單模波導管中TE10模通常占主導。
隨著波導管(或波導管所連接的腔)的尺寸增加，波導管或輻射器有時能支持附加的高階模，形成多模系統。當能夠同時支持多個模時，系統往往表示為被高度模化(highly moded)。
一個簡單的單模系統具有包括至少一個最大和/或最小的場分布。最大的量級很大程度上依賴于施加于系統的電磁輻射的量。因此，單模系統的場分布是劇烈變化和基本上不均勻的。
與單模腔不同，多模腔可以同時支持幾個傳播模，在疊加時其形成混合場分布形式。在這種形式中，場在空間上變得模糊，并因此場分布通常不顯示出腔內最小和最大場值的相同強度類型。此外，如下的詳細說明，可以用一個模混合器來“混合”或“重新分布”模(如利用電磁輻射反射器的機械運動)。這種重新分布有望提供腔內更均勻的時間平均場(并因此等離子體)分布。
根據本發明的多模消除結晶腔可以支持至少兩個模，并且可以支持多于兩個的多個模。每個模有最大電場矢量。雖然可以有兩個或多個模，但是只有一個模占主導并具有比其它模大的最大電場矢量量級。如這里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量級之間的比率小于約1∶10，或者小于約1∶5，或者甚至小于約1∶2。本領域的普通技術人員可知比率越小，模之間的電場能量越分散，從而使腔內的電磁輻射能越分散。
腔內消除結晶等離子體的分布非常依賴于所施加的電磁輻射的分布。例如，在一個純單模系統中只可以有一個電場最大值的位置。因此，強等離子體只能在這一個位置產生。在許多應用中，這樣一個強局部化的等離子體會不合需要的引起不均勻等離子體處理或加熱(即局部過熱和加熱不足)。
根據本發明無論使用單或多模腔來消除結晶，本領域的普通技術人員可知在其中形成等離子體的腔可以完全封閉或者半封閉。然而，在其它應用中，可能需要將氣體流過腔，從而腔必須一定程度地打開。這樣，流動氣體的流量、類型和壓力可以隨時間而改變。這是令人滿意的，因為便于形成等離子體的如氬氣的特定氣體更容易激發，但在隨后的等離子體處理中不需要。
模混合在許多消除結晶應用中，需要腔內包括均勻的等離子體。然而，由于電磁輻射可以有較長波長(如在微波輻射下有幾十厘米)，很難獲得均勻分布。結果，根據本發明的一個方面，多模腔內的輻射模在在一段時間內可以混合或重新分布。因為腔內的場分布必須滿足由腔的內表面設定的所有邊界條件，可以通過改變內表面的任一部分的位置來改變這些場分布。
根據本發明的一個實施例中，可移動的反射表面位于電磁輻射腔內。反射表面的形狀和移動在移動期間將聯合改變腔的內表面。例如，一個“L”型金屬物體(即“模混合器”)在圍繞任意軸旋轉時將改變腔內的反射表面的位置或方向，從而改變其中的電磁輻射分布。任何其它不對稱形狀的物體也可使用(在旋轉時)，但是對稱形狀的物體也能工作，只要相對移動(如旋轉、平移或兩者結合)引起反射表面的位置和方向上的一些變化。在一個實施例中，模混合器可以是圍繞非圓柱體縱軸的軸旋轉的圓柱體。
多模腔中的每個模都具有至少一個最大電場矢量，但是每個矢量會周期性出現在腔內。通常，假設電磁輻射的頻率不變，該最大值是固定的。然而，通過移動模混合器使它與電磁輻射相作用，就可能移動最大值的位置。例如，模混合器38可用于優化腔12內的場分布以便于優化等離子體激發條件和/或等離子體維持條件。因此，一旦激活等離子體，為了均勻的時間平均等離子體處理(如加熱)，可以改變模混合器的位置來移動最大值的位置。
因此根據本發明，在消除結晶等離子體激發期間可以使用模混合。例如，當把導電纖維用作等離子體催化劑時，已經知道纖維的方向能夠強烈影響最小等離子體激發條件。例如據報道說，當這樣的纖維取向于與電場成大于60°的角度時，催化劑很少能改善或放松這些條件。然而通過移動反射表面進入或接近腔，電場分布能顯著地改變。
通過例如安裝在輻射器腔內的旋轉波導管接頭將輻射射入輻射器腔，也能實現模混合。為了在輻射腔內在不同方向上有效地發射輻射，該旋轉接頭可以機械地運動(如旋轉)。結果，在輻射器腔內可產生變化的場形式。
通過柔性波導管將輻射射入輻射腔，也能實現模混合。在一個實施例中，波導管可固定在腔內。在另一個實施例中，波導管可伸入腔中。為了在不同方向和/或位置將輻射(如微波輻射)射入腔，該柔性波導管末端的位置可以以任何合適的方式連續或周期性移動(如彎曲)。這種移動也能引起模混合并有助于在時間平均基礎上更均勻的等離子體處理(如加熱)。可選擇地，這種移動可用于優化激發的等離子體的位置或者任何其它隨后的等離子體輔助消除結晶處理。
如果柔性波導管是矩形的，例如，波導管的開口末端的簡單扭曲將使輻射器腔內的輻射的電場和磁場矢量的方向旋轉。因而，波導管周期性的扭曲可引起模混合以及電場的旋轉，這可用于輔助激發、調節或維持等離子體。
因此，即使催化劑的初始方向垂直于電場，電場矢量的重新定向能將無效方向變為更有效的方向。本領域的技術人員可知模混合可以是連續的、周期性的或預編程的。
除了等離子體激發以外，在后面的等離子體處理期間，例如在消除結晶期間，模混合可用來減少或產生(如調整)腔內的“熱點”。當電磁輻射腔只支持少數模時(如少于5)，一個或多個局部電場最大值可產生“熱點”(如在腔12內)。在一個實施例中，這些熱點可設置成與一個或多個分開但同時的等離子體激發或消除結晶處理相一致。因此，在一個實施例中，等離子體催化劑可放在一個或多個這些激發或涂覆位置上。
多位置等離子體激發可使用不同位置的多種等離子體催化劑來激發消除結晶等離子體。在一個實施例中，可用多纖維在腔內的不同點處激發等離子體。這種多點激發在要求均勻等離子體激發時尤其有益。例如，當消除結晶等離子體在高頻(即數十赫茲或更高)下調節，或在較大空間中激發，或兩者都有時，可以改善等離子體的基本均勻的瞬態撞擊和再撞擊。可選地，當在多個點使用等離子體催化劑時，可以通過將催化劑選擇性引入這些不同位置，使用等離子體催化劑在等離子體腔內的不同位置連續激發等離子體。這樣，如果需要，在腔內可以可控地形成等離子體激發梯度。
而且，在多模腔中，腔中多個位置的催化劑的隨機分布增加了如下可能性根據本發明的至少一種纖維或任何其它惰性等離子體催化劑優化沿電力線取向。但是，即使催化劑沒有優化取向(基本上沒有與電力線對準)，也改善了激發條件。
而且，由于催化劑粉末可以懸浮在氣體中，可認為具有每個粉末顆粒具有位于腔內不同物理位置的效果，從而改善了腔內的激發均勻性。
雙腔等離子體激發/維持根據本發明的雙腔排列可用于激發和維持等離子體。在一個實施例中，如圖1B所示，系統包括至少互相流體連通的激發腔280和等離子體處理(例如消除結晶)腔285。如圖1所示，腔280和285可設置在，例如電磁輻射腔(即輻射器)14內。
為了形成激發等離子體，第一激發腔280中的氣體選擇性地在等離子體催化劑存在的情況下受到頻率小于大約333GHz的電磁輻射。這樣，接近的第一和第二腔可使腔280中形成的等離子體600激發腔285中的等離子體610，其可用附加的電磁輻射來維持。例如，附加的腔290和295是可選擇的，并可以與腔285通過通道605保持流體連通。要被消除結晶的物體比如物體250，可以放在腔285、290或295的任意一個中，并且能被任意類型的支撐裝置比如支撐物260支撐，其在消除結晶過程中選擇性地移動或旋轉物體250。
在本發明的一個實施例中，腔280可以非常小并主要或只設置用于等離子體激發。這樣，只需很少的電磁輻射能來激發等離子體600，使激發更容易，尤其在使用根據本發明的等離子體催化劑時。還應知道用于本發明的等離子體系統的腔可以具有不定的尺寸，并且可使用控制器來控制腔的尺寸。
在一個實施例中，腔280基本上是單模腔，腔285是多模腔。當腔280只支持單模時腔內的電場分布會劇烈變化，形成一個或多個精確定位的電場最大值。該最大值一般是等離子體激發的第一位置，將其作為安放等離子體催化劑的理想點。然而應該知道，當等離子體催化劑用于激發等離子體600時，催化劑不需要設置在電場最大值之處，而且在大多數情況下，不需要取向于特定的方向。
消除結晶圖11-15表示根據本發明的用于使物體的至少一部分消除結晶的方法和裝置的其它實施例。如上文所述，圖10表示雙腔系統如何在一個腔中激發等離子體并在另一個腔中形成消除結晶等離子體。圖10還表示如果需要其余的腔如何順序添加。
圖11表示等離子體輔助消除結晶方法645的流程圖。根據本發明，該方法至少包括在步驟655中使物體表面暴露在等離子體中一段足夠的時間以使表面至少部分消除結晶。在步驟650中采用任何簡便的方法可以形成等離子體，例如使氣體受到電磁輻射。可選擇地，形成等離子體的方法包括使氣體受到足量的電場或磁場或者使氣體上升到足夠高的溫度。任何情況下，一旦形成等離子體，可以將要進行消除結晶的物體暴露于其中。
應該意識到，形成等離子體和使物體暴露在等離子體中基本上同時發生。在一個實施例中，物體可設置在等離子體腔中(例如參見圖12和14)。在另一個實施例中，物體可以設置在等離子體腔附近，例如腔的開口附近。這樣，腔中形成的等離子體可以溢出或經過開口從而形成等離子體噴射，這可以用來使物體(例如參見圖13)暴露。
可以調節或維持等離子體以形成任何隨時間變化的暴露分布。例如，為了連續或周期性的形成消除結晶等離子體，可以通過連續或周期性的把電磁輻射引入等離子體腔來暴露物體。可選擇地，等離子體的形成和暴露可以安排在消除結晶之前。例如，根據本發明的等離子體輔助消除結晶裝置可進一步包括控制等離子體形成和/或暴露的控制器(例如參見圖1中控制器44)。
如前文所述，根據本發明可以在等離子體催化劑存在的情況下使氣體受到輻射而產生等離子體。等離子體催化劑可以是惰性或活性的。可以選擇地，等離子體可以通過其它方式例如包括瞬間放電激發。任何情況下，根據本發明的等離子體催化劑的使用可以減輕激發等離子體所需要的電能并改善等離子體調節中的觸發和再觸發周期。這樣，可以提供有效的節省能量的消除結晶方法。等離子體催化劑可以設置在電磁輻射中任何合適的位置和方位。例如，等離子體催化劑可以設置在等離子體腔內部或外部。
在一個實施例中，激光束(例如，連續波或脈沖，未示出)在等離子體暴露期間被引到將要消除結晶的物體表面。激光束可以校準或聚焦以在物體表面產生非常強的激光輻射能量強度。如果該強度足夠高，單憑激光束就可用來在物體表面形成等離子體。不同地，根據本發明激光束只能用來增強之前形成的等離子體消除結晶處理的效果。
可以通過改變流過等離子體腔的氣體流量、腔中電磁輻射的密度等來根據任何預定的溫度分布控制消除結晶處理的溫度。在一個實施例中，輻射強度可以在消除結晶的物體表面附近進行控制。輻射可以引入腔中，但模混合器可用于連續或周期性的重新設置場分布，并因此重新設置等離子體分布。例如，通過周期性的移動模混合器(例如，搖動、振動等)，可以在物體表面形成等離子體，然后使等離子體周期性的離開物體表面，以及反過來進行。可選擇地，引入腔的輻射量是可以改變的。當消除結晶涉及多個等離子體噴發暴露時這些方法尤其有用。
在一個實施例中，如上所述，可把偏壓施加在物體上以產生更均勻和快捷的消除結晶。例如，如圖12所示，通過電源275可以將電壓差施加在電極270和物體250之間。例如，施加的電壓可以是連續的或脈沖的直流或交流偏壓。電壓可以施加在輻射器14外部，并與微波過濾器結合來防止例如微波能泄漏。施加的電壓可以吸引帶電離子，活化帶電離子，并促進消除結晶的速度和均勻性。應該意識到可通過使用支撐物260(例如轉臺)移動(例如旋轉)物體250來增強消除結晶層251的均勻性。偏壓的施加還可降低激發，調節或維持消除結晶等離子體所需要的電磁輻射量。
消除結晶層251不限于正好是物體250的上面和側面，而是可位于暴露在等離子體中的物體250的任何表面。例如，這一點顯示于物體250的三個表面上。消除結晶還可發生在物體250的前面和后面，但消除結晶的程度取決于等離子體的強度、遠近和暴露時間。應該意識到，例如，有些消除結晶甚至發生在沒有直接暴露于等離子體的情況下。
盡管沒有示出，應該意識到為了在支撐任何形狀的物體250，底座260可以特定設計將消除結晶限制在特定位置上。例如，如果要基本上只對物體250的上平面進行消除結晶，則底座260可以設計成杯子狀(例如，帶凹槽)以支撐物體250從而使得只有物體的上平面暴露在等離子體615中。
因此，底座260可以設計成使金屬部件的一個或多個表面消除結晶(例如為了防腐)，同時保持其它結晶區域(例如在焊接或銅焊中增強粘度)。
在另一個實施例中，在腔開口內或開口處的等離子體分布可保持相對穩定，但物體可以移進或移出(連續、周期性或根據任何預定的順序)等離子體。在一個例子中，可以在等離子體腔的開口處形成等離子體噴射并且物體可以穿過噴射移動。例如，圖13表示等離子體噴射裝置300如何用來使物體表面消除結晶的簡化示意圖。裝置300可包括在腔壁312上形成至少一個開口310的腔305、等離子體催化劑315(例如設置在腔305的內部或附近)、用于把電磁輻射引入腔305的電磁輻射源320、以及把氣體通過氣體口330引入腔305的氣源325。
一種形成等離子體噴射350的方法包括使氣體從氣源325流入腔305中，通過使氣體在等離子體催化劑存在的情況下受到由輻射源320提供的電磁輻射而在腔305中形成等離子體340，并且使得至少一部分等離子體340經開口310流出腔305從而在腔305外在開口310附近形成等離子體噴射350。輻射可具有小于大約333GHz的任何頻率。應該意識到根據本發明通過使用等離子體催化劑，等離子體可以在例如大氣壓或更高的壓力下形成。
腔305、氣源325、輻射源320和等離子體催化劑315可以和上面在圖1-9中已經描述的任何腔、源和催化劑相似。并且，等離子體形成，包括使用等離子體催化劑在腔中激發、調節和維持這樣的等離子體，在前文已經說明。因此，根據本發明前文描述的任何部件和操作均可用來產生等離子體噴射，在此不再贅述。
如圖13所示，為了在腔305內的任何位置和/或方位安置催化劑315，等離子體催化劑315可以固定到支架335。如果需要，支架335可以是可移動的、一次性的和/或可代替的。因此，支架335可以是容納或支撐等離子體催化劑315的可替換筒的形式。支架335由可以承受等離子體340產生的熱的任何材料制成。如果需要，支架335還可被冷卻。
本領域普通技術人員會意識到支架335不必包括圖13所示的伸長部分，并且可以是任何合適的形狀(例如，具備催化面的塞子，容納催化劑的筒，等等)。當支架335延伸通過腔壁312時，在壁312上的這部分支架335可以基本上不透輻射以防止輻射源320引入腔305的輻射漏到腔305的外面。
在操作中，物體360(例如，一個管子或桿)可以帶到等離子體噴射350的附近并且移動(例如，轉動，平移，或兩者都有)經過等離子體射流350，以進行部分所有物體360的消除結晶。應該意識到物體360不一定是管子或桿，也可以是任何需要進行消除結晶的物體。
圖14表示根據本發明通過使物體經過等離子體輔助消除結晶腔而使物體暴露在等離子體中的另一個實施例。在這種情況中，腔292具有附加的開口(例如口)以使物體365通過。一旦暴露在等離子體620中，物體365可以部分或全部被消除結晶。應該意識到通過改變等離子體強度和暴露可以實現任何需要的消除結晶。其中改變暴露的一個方法是當物體365經過腔292時改變它的速度或位置。
因此，物體可以從擠壓或其它連續的或批量生產中直接或間接拉長和供給。例如對于金屬桿、線或管來說，它可以沿基本上平行于縱軸的方向移動經過腔并且暴露可以由桿移動的速度調節。應該意識到，輻射強度和氣體流量是也可以被調節以獲得希望的暴露分布的至少兩個其它參數。
在一個實施例中，采用共軸型腔或輻射器來使物體消除結晶。管狀腔可以在第一基本圓柱狀物體的內表面和位于第一物體內部的第二基本圓柱狀物體的外表面之間形成。因此，第一物體的內表面，第二物體的外表面，或二者可被這些表面之間形成的等離子體消除結晶。
在另一個實施例中，就在等離子體輔助消除結晶之前成形或切割金屬物體。在一些成形或切割的操作中，物體會相對變熱。因此，在物體冷卻之前通過使其表面消除結晶，只需更少的輻射(例如微波)能或時間來達到希望的消除結晶水平。
完成希望的消除結晶水平所需的等離子體暴露量取決于許多因素，包括材料成分和溫度，等離子體強度，等離子體溫度等。而且，對根據本發明的鋼體的等離子體輔助消除結晶在少于大約25分鐘的時間內完成。通過改變這些因素，時間期限可小于約120秒、甚至小于約10秒。在一個實施例中，電磁輻射在等離子體中的時間平均能量密度為大于約1W/cm3，也可以為例如大于約10W/cm3。
盡管不必要，等離子體暴露可如此發生，即將要進行消除結晶的物體表面設置在磁場矢量最大值附近。在一個實施例中，該矢量的方向基本上與該表面垂直。例如，這樣的暴露可在基本上單模或多模腔中發生。
可選擇地，所述物體可以是需要消除結晶的任何部件，例如金屬或金屬合金部件。例如，物體可以是汽車部件，例如制動閘塊、凸輪凸部、齒輪、座椅部件、鋼軌撬杠、套筒固定器或停車制動部件。應該意識到，所述物體不限于成形的汽車部件。
圖15表示根據本發明的一次成功的等離子體輔助消除結晶實驗的x射線衍射數據。這種情況中，放置在石英板上的壓縮的鎢碳粉末的上表面暴露在消除結晶等離子體中。該實驗中使用的等離子體腔的容積為大約205立方厘米，并且施加500W的微波輻射大約25分鐘(等離子體中的時間平均微波能量密度大約為2.5W/cm3)。溫度維持在大約1300攝氏度并且等離子體由氬氣和氫氣形成。樣品的上表面的一部分被熔化，產生了至少大約2-3mm厚的無定型鎢碳層。盡管上表面(暴露在等離子體中的)被熔化，下表面(沒有暴露在等離子體中的)沒有被熔化。
來自未暴露的部分(例如“下表面”)的x射線衍射數據505顯示出表示結晶表面的大量峰。而從等離子體暴露部分(例如“上表面”)收集的x射線衍射數據510顯示出表示基本上使表面消除結晶的極少數峰。
本領域普通技術人員會意識到，產生消除結晶可不需要表面的熔化。即，只要物體充分暴露在等離子體中即可。而且，如圖12所示，當施加電壓時可以加強等離子體暴露的有效性。
根據本發明盡管激發、調節或維持消除結晶等離子體可在大氣壓下發生(例如使用等離子體催化劑)，物體250的消除結晶可在任何需要的壓力包括低于、處于或高于大氣壓下發生。而且，如果需要，等離子體的壓力和溫度均可改變。例如，采用一個系統(例如圖10所示的系統)使得可在腔285中在大氣壓下調節或維持消除結晶等離子體610，而在另一個腔(例如，腔285，290或295)中在高于或低于大氣壓的壓力下使物體250的表面消除結晶。例如，在復雜形狀和材料的大規模制造過程中，這樣的靈活性顯得非常有意義。
在前述的實施例中，為了簡化說明，各種特征被集合在單個實施例中。這種公開方法不意味著本發明權利要求書要求了比每個權利要求中明確敘述的特征更多的特征。而是，如下列權利要求所述，創造性方面要比前述公開的單個實施例的全部特征少。因此，下列權利要求被加入到該具體實施方式
中，每個權利要求本身作為本發明的一個單獨的優選實施例。
權利要求
1.一種使物體表面消除結晶的方法，該方法包括將所述表面暴露在等離子體中一段足夠長的時間以使所述表面至少部分消除結晶。
2.如權利要求1所述的方法，還包括通過使氣體受到頻率低于約333GHz的電磁輻射而形成等離子體。
3.如權利要求2所述的方法，其中所述形成步驟包括使所述氣體在等離子體催化劑存在的情況下受到輻射。
4.如權利要求3所述的方法，其中所述等離子體催化劑是惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
5.如權利要求5所述的方法，其中所述催化劑包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物和有機無機復合物中的至少一種。
6.如權利要求5所述的方法，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
7.如權利要求6所述的方法，其中所述催化劑包括碳纖維。
8.如權利要求4所述的方法，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
9.如權利要求4所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
10.如權利要求4所述的方法，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
11.如權利要求3所述的方法，其中所述暴露步驟包括將電磁輻射引入所述腔，其中所述引入步驟選自連續引入、周期性引入、程序化引入及其任意組合。
12.如權利要求2所述的方法，其中所述引入步驟包括維持所述等離子體和調節所述等離子體中的至少一種。
13.如權利要求11所述的方法，其中所述引入步驟包括沿一路徑引入所述電磁輻射，從而等離子體催化劑位于所述路徑中的某些點。
14.如權利要求11所述的方法，還包括通過改變流過所述腔的氣體流量和所述物體表面附近的電磁輻射密度中的至少一個來根據預定的溫度分布控制與所述等離子體相關的溫度。
15.如權利要求1所述的方法，還包括在所述暴露期間將激光束引到所述表面。
16.如權利要求1所述的方法，其中在一個位置進行所述暴露步驟，所述方法還包括通過選自如下的移動方法相對所述位置移動所述表面連續移動、周期性移動、程序化移動及其任意組合。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述物體是金屬，所述方法還包括在所述暴露步驟之前使金屬成形。
18.如權利要求1所述的方法，其中所述一段時間少于約5分鐘。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述一段時間少于約120秒。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述一段時間少于約10秒。
21.如權利要求1所述的方法，其中在所述暴露期間，所述等離子體中的所述電磁輻射的時間平均能量密度大于約1W/cm3。
22.如權利要求21所述的方法，其中所述時間平均能量密度大于約10W/cm3。
23.如權利要求1所述的方法，其中在所述物體的表面設置在磁場矢量最大值附近的情況下進行所述暴露步驟。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述矢量最大值的方向與所述表面基本上垂直。
25.如權利要求1所述的方法，其中所述暴露步驟包括使所述表面暴露在多個等離子體爆發中。
26.如權利要求1所述的方法，其中在基本上單模腔中進行所述暴露步驟。
27.一種用等離子體使物體消除結晶的系統，該系統包括容器，在其中形成有腔；電磁輻射源，與所述腔相連，用于向所述腔提供頻率低于約333GHz的電磁輻射；氣源，與所述腔相連，用于向所述腔提供氣體；以及等離子體控制器，按程序控制所述輻射和所述氣體中的至少一個來產生足量等離子體以使所述物體的表面在暴露下消除結晶但沒有明顯熔化所述物體。
28.如權利要求27所述的系統，還包括位于所述輻射中的等離子體催化劑。
29.如權利要求28所述的系統，其中所述等離子體催化劑是惰性等離子體催化劑和活性等離子體催化劑中的至少一種。
30.如權利要求29所述的系統，其中所述催化劑包括金屬、無機材料、碳、碳基合金、碳基復合物、導電聚合體、導電硅橡膠彈性體、聚合納米復合物和有機無機復合物中的至少一種。
31.如權利要求30所述的系統，其中所述催化劑的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
32.如權利要求31所述的系統，其中所述催化劑包括碳纖維。
33.如權利要求28所述的系統，其中所述材料的形式為納米粒子、納米管、粉末、粉塵、薄片、纖維、薄板、針、線、繩、細絲、紗、細繩、刨花、裂片、碎片、編織線、帶和須中的至少一種。
34.如權利要求28所述的系統，其中所述等離子體催化劑包括x射線粒子、γ射線粒子、α粒子、β粒子、中子、質子及其任意組合中的至少一種。
35.如權利要求28所述的系統，其中所述等離子體催化劑包括電子和離子中的至少一種。
36.如權利要求27所述的系統，其中所述容器基本上可透射電磁輻射。
37.如權利要求27所述的系統，其中所述容器具有一個入口、一個出口以及從所述入口到所述出口的腔長度，并且其中所述物體的表面可以通過所述入口進入所述容器并通過所述出口離開所述容器，從而使所述物體表面的尺寸大于所述腔長度。
38.如權利要求37所述的系統，還包括用于移動所述物體表面經過所述容器的輸送器。
39.如權利要求27所述的系統，還包括一個監測器，用于監控所述物體表面的狀態和產生表示所述狀態的信號，其中所述控制器利用所述狀態來調節所述暴露。
40.如權利要求27所述的系統，其中所述物體在處理期間相對于所述容器移動。
41.如權利要求27所述的系統，其中所述物體在消除結晶期間移進或移出所述容器。
42.如權利要求27所述的系統，其中所述容器包括基本上可透射電磁輻射并基本上不透氣的材料。
43.如權利要求27所述的系統，還包括在其中放置有所述容器的輻射器，其中所述輻射器包括基本上不透射電磁輻射的材料。
44.如權利要求27所述的系統，其中所述腔具有可以防止所述等離子體從所述物體表面逸出的頂部。
45.如權利要求27所述的系統，其中所述輻射的波長為λ，并且所述腔的內表面設置成在所述腔和所述物體之間形成厚度小于約λ/4的間隙。
46.如權利要求27所述的系統，還包括連接到所述物體的電壓源以在所述暴露期間施加電壓。
全文摘要
本發明提供了用于使物體表面至少部分消除結晶而激發、調節和維持等離子體的方法和裝置。在一個實施例中，提供了通過形成等離子體(例如使氣體受到一定的電磁輻射，可選擇在等離子體催化劑存在的情況下)并將物體表面暴露在等離子體中來使物體表面消除結晶的方法。
文檔編號B01J37/34GK1653869SQ03810276
公開日2005年8月10日 申請日期2003年5月7日 優先權日2002年5月8日
發明者S·庫馬爾, D·庫馬爾 申請人:達納公司