[发明专利]感应等离子体焰炬和管状焰炬体

说明书

本发明公开了感应等离子体焰炬和管状焰炬体。感应等离子体焰炬包括：管状焰炬体，具有内表面；等离子体限制管，布置在所述管状焰炬体中，与所述管状焰炬体同轴；气体分配器头，布置在所述等离子体限制管的一端，并构造成将至少一种气体物质供应进所述等离子体限制管中；感应耦合构件，嵌入所述管状焰炬体内，用于对气体物质施加能量，以在所述等离子体限制管中产生并维持等离子体；以及导电的电容屏蔽层，位于所述管状焰炬体的内表面上，其中，所述电容屏蔽层被分割为轴向条，并且这些轴向条在一端互相连接。

本申请是发明名称为“高性能感应等离子体焰炬”、申请日为2012年2月2日、申请号为201280015875.8、申请人为泰克纳等离子系统公司的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本公开总体上涉及感应等离子体焰炬。更确切地但并不排他地，本公开涉及一种等离子体限制管、一种包括电容屏蔽层的管状焰炬体和一种包括这种等离子体限制管和管状焰炬体的感应等离子体焰炬，该感应等离子体焰炬用于在实验室和工业规模生产条件下在超高纯度和高功率密度条件下操作。

背景技术

作为一种用于在高温等离子体条件下进行材料合成和处理的有价值的工具，感应等离子体焰炬受到持续的关注。已知该基本概念有60多年，并且该基本概念从实验室工具向工业上有价值的高功率器件稳定发展。感应等离子体焰炬的操作包括使用感应耦合构件(例如4-6匝感应线圈)将能量电磁耦合进等离子体中。气体分配器头用于在产生等离子体的放电(discharge)区中生成恰当的气体流型。该气体流型不仅使位于由例如石英制成的等离子体限制管中心的等离子体稳定，而且将等离子体维持在感应线圈中心，并防止等离子体限制管受到由来自等离子体的高热负荷引起的损害。在比较高的功率水平下(高于5-10kW)，需要额外的冷却来保护等离子体限制管。这通常使用冷却流体来实现，例如在等离子体限制管的外表面上流动的去离子冷却水。

图1示出感应等离子体焰炬的标准设计。图1的等离子体焰炬包括由供应有高频电流的水冷感应铜线圈围绕的柱形外壳。等离子气体沿轴向被引入柱形外壳的内部空间。当电流流过感应线圈时，其产生用于在放电腔中电击穿等离子气体的轴向交变磁场。一旦实现了电击穿，则在感应线圈区域内的等离子气体中产生切向感应电流。该切向感应电流在放电腔中加热等离子气体，以点火、产生和维持等离子体。

基本上基于相同原理，已开发并实验了许多设计来构造感应等离子体焰炬。于1993年4月6日授权的发明名称为High Performance Induction Plasma Torch with aWater-Cooled ceramic Confinement Tube的美国专利5200595、发明名称为IgnitionDevice and Method for Igniting a Plasma Discharge in an Induction PlasmaTorch的美国专利申请08/693513(1995年8月4日)、于1996年10月1日授权的发明名称为Liquid Film Stabilized Induction Plasma Torch的美国专利5560844、于2004年2月17日授权的发明名称为Multi-coil induction plasma torch for solid state powersupply的美国专利6693253和于2005年7月19日授权的发明名称为Multi-coil inductionplasma torch for solid state power supply的美国专利6919527还教导了对感应等离子体焰炬的各种改进，这些专利的主题作为引用并入本文。

已进行了尝试来改进对等离子体限制管的保护。例如，分段的金属壁插件已用于改进对等离子体限制管的保护，但是具有明显降低等离子体焰炬的总能量效率的缺点。此外，由多孔陶瓷材料制成的等离子体限制管仅提供有限的保护。关于由辐射冷却的限制管，它们的陶瓷材料必须经得住比较高的操作温度，具有极好的抗热冲击性能，并且必须不会吸收RF(无线电频率)磁场。大部分陶瓷材料不能满足这些严格要求中的一个或多个。