CN101076221A - 多个辐射源的等离子体产生和处理 - Google Patents

Abstract

本发明提供了使用多个辐射源的等离子体辅助方法和装置。在一个实施例中，在惰性或活性等离子体催化剂存在的情况下，通过使处理腔中的气体受到频率低于约333GHz的电磁辐射来激发等离子体。使用控制器来延迟一个辐射源相对于另一个辐射源的激活。

Description

多个辐射源的等离子体产生和处理

相关申请的交叉引用

本申请要求以下美国临时专利申请的优先权：2002年5月8日申请的No.60/378,693，2002年12月4日申请的No.60/430,677，2002年12月23日申请的No.60/435,278，在此引入其整个内容作为参考。

技术领域

本发明涉及等离子体辅助处理的方法和装置，尤其涉及结合使用多个电磁辐射源。

背景技术

已知通过使气体受到足量的微波辐射，单个微波辐射源可以用来产生等离子体。但是，当一个源把微波能引入会向同一个源反射能量的等离子体腔时，单个微波能量源就被损坏。当腔中没有很强的微波吸收器时，例如当等离子体还没有形成时，这个问题尤其难以解决。并且，当多个微波能量源组合在一起以激发或维持等离子体时更易受到破坏。例如，当第一辐射源把微波能引入腔时由于辐射能可以被引入另一个同时相连的辐射源，第一辐射源可能被损坏。

还知道，在气体压力基本上低于大气压时等离子体一般更容易激发。但是，用于降低气体压力的真空装置价格昂贵且效率低下、浪费能源。并且，使用这样的装置会限制制造的灵活性。

发明内容

根据本发明，提供了使用多个辐射源(例如微波辐射源)的装置和方法。在大约一个大气压或更高的压力下的气体产生的等离子体会强烈吸收微波辐射。强吸收可以用来降低被反射回来的自身辐射或来自其它辐射源的辐射对特定源损坏的可能性。因此，采用耦合到同一等离子体的多个(例如低能量)辐射源可以实现高能等离子体辅助处理。

在一个实施例中，辐射装置可以包括一个腔。辐射装置还可包括一个第一高频辐射源和一个第二高频辐射源，用于将辐射引入腔中。辐射装置可以包括一个控制器，用于在激活第一辐射源之后顺序激活第二辐射源。

根据本发明的另一个实施例，等离子体熔炉可以包括一个腔，一个用来向腔供气的管道，设置成向腔发射辐射的多个辐射源，和一个控制器，用于延迟除了多个辐射源的第一个以外的所有辐射源的激活直到第一辐射源被激活。根据本发明的辐射装置和等离子体熔炉可包括位于腔附近的等离子体催化剂。在气体存在的情况下与微波辐射结合使用等离子体催化剂来形成等离子体。催化剂可以是惰性或活性的。根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括能够通过使局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，不需要增加额外的能量。另一方面，活性等离子体催化剂可以包括在电磁辐射存在的情况下能够向气态原子或分子输送大量能量以从气态原子或分子激发出至少一个电子的任何粒子或高能波包。在这两种情况中，等离子体催化剂可以改善或放松激发等离子体所需的环境条件。

根据本发明的另一个实施例，提供了形成等离子体的方法。该方法可以包括采用设置成将辐射引入处理或加热区域的至少第一和第二辐射源。该方法可以包括将气体引入所述区域，激活第一辐射源以促进在加热区域的等离子体形成，并在等离子体形成之后激活第二辐射源。

根据本发明的另一个实施例，提供了使用双腔系统形成等离子体的其他方法和装置。所述系统可以包括相互流体连通的第一激发腔和第二腔。所述方法包括：(i)使第一激发腔中的气体受到频率低于大约333GHz的电磁辐射，从而第一激发腔中的等离子体引起在第二腔中形成第二等离子体，以及(ii)通过使其受到附加电磁辐射而维持第二腔中的第二等离子体。

本发明还提供了用于激发、调节和维持等离子体的其它等离子体催化剂、方法和装置。

附图说明

本发明的其它特征将通过下面结合附图的详细描述变得明显，其中相同的标号表示相同的部件，其中：

图1A表示根据本发明的包括多个辐射源的示例性装置的示意图；

图1B表示根据本发明的示例性方法的流程图；

图2表示根据本发明的部分等离子体系统的简化实施例，用于向等离子体腔加入粉末等离子体催化剂来激发、调节或维持腔中的等离子体；

图3表示根据本发明的等离子体催化剂纤维，该纤维的至少一种成分沿其长度方向具有浓度梯度；

图4表示根据本发明的等离子体催化剂纤维，该纤维的多种成分沿其长度按比率变化；

图5A表示根据本发明的另一个等离子体催化剂纤维，该纤维包括内层核芯和涂层；

图5B表示表示根据本发明的图5A所示的等离子体催化剂纤维沿图5A的线5B-5B的截面图；

图6表示根据本发明的等离子体系统的另一个部分的实施例，该等离子体系统包括延伸通过激发口的伸长型等离子体催化剂；

图7表示根据本发明在图6的系统中使用的伸长型等离子体催化剂的实施例；

图8表示根据本发明在图6的系统中使用的伸长型等离子体催化剂的另一个实施例；以及

图9表示根据本发明的部分等离子体系统的实施例，用于将电离辐射引入辐射腔。

具体实施方式

根据本发明，提供了使用多个辐射源的等离子体装置和方法。在一个实施例中，如图1A所示，辐射装置可包括腔12。此外，在一个实施例中，辐射装置还包括位于腔附近的等离子体催化剂，该等离子体催化剂可以与辐射一起使气体变成等离子体。

本发明还涉及用于激发、调节和维持等离子体的方法和装置，用于各种应用，包括：热处理，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其它材料的合成与沉积，掺杂，渗碳，氮化，和碳氮化，烧结，多部件处理，连接，消除结晶，制造和操作熔炉，废气处理，废物处理，焚化，净化，灰化，碳结构生长，制氢或其它气体，制造无电极等离子体喷嘴，装配线等离子体处理，消毒等。

在另一个实施例中，等离子体熔炉可以包括一个腔，一个向腔供气的管道，设置向腔发射辐射的多个辐射源，以及一个控制器，用于延迟除了多个辐射源的第一个以外的所有辐射源的激活直到第一辐射源被激活。下文将详细阐述这些部件的每一个。

本发明可以用于可控生成热和等离子体辅助处理，以降低能耗并提高热处理效率和等离子辅助制造的灵活性。

因此，提供了一种用于激发、调节和维持等离子体的等离子体催化剂。催化剂可以是惰性或活性的。根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括通过使局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，而无需对催化剂施加附加的能量，如施加电压引起瞬间放电。另一方面，活性等离子体催化剂可以是任何粒子或高能波包，其能够在电磁辐射存在的情况下向气态原子或分子传递足够能量以使该气态原子或分子失去至少一个电子。

在此引入下列共同拥有并同时申请的美国专利申请的全部内容作为参考：美国专利申请

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.1837.0017)，

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)。

等离子体系统的说明

图1A表示根据本发明的一个方面的示例性辐射装置的示意图。该示例性辐射装置包括在设置于微波腔(也称为辐射器(applicator))14内的容器中形成的腔12。在另一个实施例(未示出)中，容器12和微波腔14是同一个，从而不需要两个独立的部件。在其中形成有腔12的容器可包括一个或多个辐射透射隔板，以改善其热绝缘性能使腔12无需显著地屏蔽辐射。

在一个实施例中，辐射装置可以构造为一个等离子体熔炉。本领域技术人员可知辐射装置还可用于激发、调节和维持等离子体，用于各种应用，包括例如：热处理，碳化物、氮化物、硼化物、氧化物和其它材料的合成和沉积，掺杂，渗碳，氮化，和碳氮化，烧结，多部件处理，连接，消除结晶，制造和操作熔炉，废气处理，废物处理，焚化，净化，灰化，碳结构生长，制氢或其它气体，制造无电极等离子体喷嘴，装配线等离子体处理，消毒，清洁等。

在一个实施例中，腔12在由陶瓷制成的容器内形成。由于根据本发明的等离子体可以达到非常高的温度，可以使用能够在大约3000华氏度下工作的陶瓷。例如，陶瓷材料可以包括重量百分比为29.8％的硅，68.2％的铝，0.4％的氧化铁，1％的钛，0.1％的氧化钙，0.1％的氧化镁，0.4％的碱金属，该陶瓷材料为Model No.LW-30，由Pennsylvania，New Castle的New Castle Refractories公司出售。然而本领域的普通技术人员可知，根据本发明也可以使用其它材料，例如石英以及那些与上述陶瓷材料不同的材料。

等离子体形成在部分开口的腔中，该腔在第一砖状物内并以第二砖状物封顶。腔的尺寸为约2英寸×约2英寸×约1.5英寸。在砖状物中至少具有两个与腔连通的孔：一个用来观察等离子体，并且至少一个用来供给气体。腔的尺寸取决于需要进行的等离子体处理。此外，腔至少应该设置成能够防止等离子体上升/漂移从而离开主要处理区。

腔12可以通过管线20和控制阀22与一个或多个气体源24(例如氩气、氮气、氢气、氙气、氪气等气体源)相连，由电源28提供能量。管线20可以是管状(例如在大约1/16英寸和大约1/4英寸之间，如大约1/8英寸)。而且，如果需要，真空泵可以与腔相连来抽走在等离子体处理中产生的任何酸性气体。并且，多余气体可以通过气体口13或相似的附加气体口从腔中逸出。

一个辐射泄漏探测器(未示出)安装在源26和波导管30附近，并与安全联锁系统相连，如果检测到泄漏量超过预定安全值时，例如由FCC和/或OSHA(例如5mW/cm²)规定的值，就自动关闭幅射(如微波)电源。

在一个实施例中，辐射装置可包括把辐射引入腔的辐射源26。辐射装置还可包括把辐射引入腔的辐射源27。尽管图1A描述了两个辐射源，应该意识到辐射装置可以采用两个或更多个辐射源。

在一个实施例中，辐射源26可设置成产生与由源27和/或其它任何附加源产生的微波辐射相比正交极化的辐射。

每一个辐射源26和27可以是磁电管、调速管、振动陀螺仪、行波管放大器/振荡器或其它能够产生辐射例如微波辐射的装置。而且，在许多应用中辐射频率被认为是不重要的。因此，例如，根据本发明可以使用任何频率低于约333GHz的辐射。例如，如功率线频率(大约50到60Hz)的频率也能使用，尽管形成等离子体的气体的压力可以降低以帮助等离子体的激发。并且，根据本发明可采用任何射频或微波频率，包括大于约100kHz的频率。在多数情况下，这些相对高频的气体压力不需要为了激发、调节或维持等离子体而降低，从而可在包括在大气压和以上压力的宽的压力范围下实现多种等离子体处理。

由电源28提供能量的辐射源26通过一个或多个波导管30将辐射能引入腔14。本领域的普通技术人员应该理解源26可以直接连到腔12或腔14，从而取消波导管30。进入腔12的辐射能可以用来激发腔内的等离子体。通过将附加的电磁辐射与催化剂相结合可以充分维持该等离子体并将其限制在腔内。其它辐射源(例如27)可相类似的与腔12或腔14直接或通过一个或多个导波管相连。另外，通过电源28或者采用其它任何电源的组合为这些部分的每一个提供电源。

通过循环器32和调谐器34(例如，3通短线(3-stub)调谐器)提供辐射源26的辐射能。调谐器34用来使作为改变激发或处理条件的函数的反射能减至最少，特别是在等离子体形成之后，因为微波能例如将被等离子体强烈吸收。相似地，通过循环器31和调节器33可提供辐射源27的辐射能，尽管循环器和调谐器是可选的。

在一个实施例中，可用隔离体(未示出)来保护性地把辐射源和腔隔开。隔离体使辐射只通过一个方向，因而保护辐射源不仅免受反射辐射而且免受其它辐射源的辐射。然而，根据本发明，反射的辐射可以被最小化，特别是在激发等离子体的早期阶段。

检测器42能够产生作为腔12中相关工件(未示出)的温度或者任意其它可监测的条件的函数的输出信号，并将该信号供给控制器44。也可采用双重温度感应和加热，以及自动冷却和气流控制。而且，控制器44是可编程的以在源26激活之后依次激活源27。在另一个实施例中，控制器44可在源26激活之后延迟一段预定时间后激活源27。如果需要，源26和27可以相同的方式延迟，并被任何可测量信号来触发。

在一个实施例中，检测器42可提供微波辐射吸收的信号，并且控制器44延迟激活多微波辐射源的一个或多个，直到控制器44接到检测器42发出的已经达到预定的吸收域值水平的信号之后。

检测器42可以是任何仪器，用于检测一种或多种热、辐射吸收、辐射反射、辐射渗透、等离子体的存在或者其它任何表示等离子体形成与否的现象。这类检测器的例子包括热传感器、高温计或其它任何传感器，其能检测热、温度、辐射吸收、辐射反射、辐射渗透、等离子体的存在或其它任何与辐射相关的现象。

检测器42能够产生作为腔12中相关工件(未示出)的温度或者任意其它可监测的条件的函数的输出信号，并将该信号供给控制器44。也可采用双重温度感应和加热，以及自动冷却速度和气流控制。该控制器44又用来控制电源28的运行，其具有一个与上述源26相连的输出端和另一个与控制气流进入腔12的阀22相连的输出端。尽管未示出，控制器44或者其它相似的控制器可用于为其它辐射源供电的任何其他电源的控制操作。

在另一个实施例中，检测器42可以提供例如被正在处理的物体辐射吸收的信号。在这种情况下，控制器44可以延迟后续源的激活直到控制器44接到检测器42发出的已经达到预定的吸收水平的信号。

控制器44还可被设置成在第一辐射源的激活之后延迟一段预定时间后激活多个辐射源中的至少一个。然后，如果需要，每一个剩余的多个辐射源可以以预定的间隔连续激活。控制器44还可被设置成只在至少一个第一和第二辐射源激活之后激活一个或多个附加辐射源。并且，控制器44可以被设置成只在每一个第一和第二辐射源激活之后激活多个附加辐射源中的每一个。

根据本发明，等离子体装置可包括布置在等离子体腔附近的等离子体催化剂。该催化剂可以与辐射协作使气体形成等离子体。而且，如这里所用，术语“腔附近”是指在腔内或者在离腔足够近以影响等离子体的形成。

如下面更详细的说明，如果腔14支持多模，尤其当这些模可持续或周期性地混合时，腔14内的辐射透射腔12的位置并不重要。并如下面更详细的说明，马达36可以与模混合器38相连，使时间平均的辐射能量分布在腔14内大致均匀。而且，窗口40(例如石英窗)可以设置在邻近腔12的腔14的一个壁上，使能用温度检测器42(例如光学高温计)来观察腔12内的处理。在一个实施例中，光学高温计输出值可以在温度升高时从0伏增加到追踪范围值之内。

例如，本发明可以通过采用由交通和能源工业(CPI)提供的915MHz和2.45GHz的微波源来实施，尽管可以使用任何频率小于大约333GHz的辐射。2.45GHz系统持续提供从大约0.5千瓦到大约5.0千瓦的可变辐射能。3通短线调谐器使得阻抗与最大能量传递相匹配，并且采用了测量入射和反射能量的双向连接器。还采用了光学高温计来遥感样品温度。

如上所述，根据本发明可以使用任何小于大约333GHz频率的辐射。例如，可采用诸如能量线频率(大约50Hz至60Hz)这样的频率，尽管形成等离子体的气体压力可能降低以便有助于等离子体激发。此外，根据本发明，任何无线电频率或微波频率可以使用包括大于约100kHz的频率。在大多数情况下，用于这些相对高频的气体压力不需要为了激发、调节或维持等离子体而降低，因而在大气压和大气压之上能够实现多种等离子体处理。

该装置用采用LabVIEW 6i软件的计算机控制，它能提供实时温度监测和微波能量控制。通过使用移位寄存器以产生适当数量数据点的平均值平滑处理来降低噪音。并且，为了提高速度和计算效率，在阵列中储存的数据点数目受到限制。高温计测量大约1cm²的敏感区域温度，用于计算平均温度。高温计用于探测两个波长的辐射强度，并利用普朗克定律拟合这些强度值以测定温度。然而，应知道也存在并可使用符合本发明的用于监测和控制温度的其它装置和方法。例如，在共有并同时提出申请的美国专利申请No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0033)中说明了根据本发明可以使用的控制软件，在此引入其整个内容作为参考。

腔14具有几个具有辐射屏蔽的玻璃盖观察口和一个用于插入高温计的石英窗。尽管不是必须使用，还具有几个与真空泵和气体源相连的口。

典型的辐射装置还包括一个带有用自来水冷却的外部热交换器的封闭循环去离子水冷却系统(未示出)。在操作中，去离子水先冷却磁电管，接着冷却循环器(用于保护磁电管)中的装卸处，最后流过焊接在腔的外表面上的水通道冷却微波腔。

使用多个辐射源的方法和装置

图1B表示的是采用至少一个第一和第二辐射源的方法，两个辐射源被安排成将辐射引入等离子体形成区域。该方法包括把气体引入(步骤45)等离子体形成区域。在一个实施例中，通过打开图1A中的阀门22来实现。本领域的普通技术人员应该意识到，等离子体形成区域可以是完全封闭或部分打开的腔。例如，在一些应用中，如等离子体辅助熔炉中腔可以完全封闭。例如，在共有并同时提出申请的美国专利申请No.10/＿,＿(AttorneyDorket No.1837.0033)，在此引入其整个内容作为参考。然而在另一种应用中，它可以要求将气体流经腔从而腔必须以某种程度打开。这样，流动气体的流速、类型和压力可以随时间改变。这是令人满意的，因为这些较低离子电位的气体如氩气更易激发，但在后续的等离子体处理中有其它不需要的特性。

该方法还包括激活第一辐射源以在步骤47中促进等离子体的形成。在一个实施例中，使用某些类型的等离子体催化剂可以促进等离子体的形成，例如切屑的金属尖端、火花产生器、碳、纤维材料、粉末材料或能够促进等离子体激发的任何其它催化剂。根据本发明的等离子体催化剂的其它例子及其应用在下文中将更详细的描述。

该方法还包括在等离子体形成后(步骤49)激活第二辐射源。在一个实施例中，在第一辐射源激活之后辐射源27可以被激活。该方法可以还包括在第一和第二辐射源的至少之一被激活之后激活至少一个附加辐射源。进一步，可以延迟对至少一个附加辐射源的激活直到第一和第二辐射源均被激活。

例如，辐射源可以是磁电管、调速管、振动陀螺仪、行波管放大器/振荡器或其它辐射源。进一步，在一个实施例中，各辐射源可以被正交极化。

此外，在一个实施例中，该方法可包括激活多个辐射源，其中每一个多个辐射源以预定间隔连续激活。

在另一个实施例中，等离子体区域包含等离子体催化剂。根据本发明的等离子体催化剂可包括一种或多种不同材料并且可以是惰性或活性的。尤其，等离子体催化剂可在气体压力低于、等于或高于大气压的情况下来激发、调节和/或维持等离子体。

等离子体催化剂

根据本发明的一种形成等离子体的方法可包括使腔内气体在惰性等离子体催化剂存在的情况下受到小于大约333GHz频率的电磁辐射。根据本发明的惰性等离子体催化剂包括通过使根据本发明的局部电场(例如电磁场)变形而诱发等离子体的任何物体，而无需对催化剂施加附加的能量，例如通过施加电压引起瞬间放电。

本发明的惰性等离子体催化剂也可以是纳米粒子或纳米管。这里所使用的术语“纳米粒子”包括最大物理尺寸小于约100nm的至少是半导电的任何粒子。并且，掺杂和不掺杂的、单层壁和多层壁的碳纳米管由于它们异常的导电性和伸长形状对本发明的激发等离子体尤其有效。该纳米管可以有任意合适的长度并且能够以粉末状固定在基板上。如果固定的话，当等离子体激发或维持时，该纳米管可以在基板的表面上任意取向或者固定到基板上(例如以一些预定方向)。

本发明的惰性等离子体也可以是粉末，而不必包括纳米粒子或纳米管。例如它可以形成为纤维、粉尘粒子、薄片、薄板等。在粉末态时，催化剂可以至少暂时地悬浮于气体中。如果需要的话，通过将粉末悬浮于气体中，粉末就可以迅速分散到整个腔并且更容易被消耗。

在一个实施例中，粉末催化剂可以加载到腔内并至少暂时地悬浮于载气中。载气可以与形成等离子体的气体相同或者不同。而且，粉末可以在引入腔前加入气体中。例如，如图1A所示，辐射源52和辐射源54可以对设置有等离子体腔60的辐射腔55施加辐射。粉末源65将催化剂粉末70供给气流75。在一个可选实施例中，粉末70可以先以大块(例如一堆)方式加入腔60，然后以任意种方式分布在腔内，包括气体流动穿过或越过该块状粉末。此外，可以通过移动、搬运、撒下、喷洒、吹或以其它方式将粉末送入或分布于腔内，将粉末加到气体中用来激发、调节或维持涂层等离子体。尽管图2中只示出了两个辐射源，但可以采用附加辐射源。在根据本发明的一个实施例中，微波源54可以被激活并且接着在形成等离子体之后，激活微波源55。

在一个实验中，通过在伸入腔的铜管中设置一堆碳纤维粉末来使等离子体在腔内激发。尽管有足够的辐射被引入腔内，铜管屏蔽粉末受到的辐射而不发生等离子体激发。然而，一旦载气开始流入铜管，促使粉末流出铜管并进入腔内，从而使粉末受到辐射，腔内等离子体几乎瞬间激发。这就使得后续的辐射源被激活，减少了例如获得极高温等离子体所需的上升时间。

根据本发明的粉末催化剂基本上是不燃的，这样它就不需要包括氧或者不需要在氧存在的情况下燃烧。如上所述，该催化剂可以包括金属、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合物、导电硅橡胶弹性体、聚合物纳米复合物、有机无机复合物和其任意组合。

而且，粉末催化剂可以在等离子体腔内基本均匀的分布(例如悬浮于气体中)，并且等离子体激发可以在腔内精确地控制。均匀激发在一些应用中是很重要的，包括在要求等离子体暴露时间短暂的应用中，例如以一个或多个爆发的形式。还需要有一定的时间来使粉末催化剂本身均匀分布在整个腔内，尤其在复杂的多腔的腔内。因而，根据本发明的另一个方面，粉末等离子体可以通过多个激发口引入腔内以便在其中更快地形成更均匀的催化剂分布(如下)。

除了粉末，根据本发明的惰性等离子体催化剂还可包括，例如，一个或多个微观或宏观的纤维、薄片、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、带、须或其任意混合物。在这些情况下，等离子体催化剂可以至少具有一部分，该部分的一个物理尺寸基本上大于另一个物理尺寸。例如，在至少两个垂直尺寸之间的比率至少为约1∶2，也可大于约1∶5或者甚至大于约1∶10。

因此，惰性等离子体催化剂可以包括至少一部分与其长度相比相对细的材料。也可以使用催化剂束(例如纤维)，其包括例如一段石墨带。在一个实验中，成功使用了一段具有大约三万股石墨纤维的、每股直径约为2-3微米的带。内部纤维数量和束长对激发、调节或维持等离子体来说并不重要。例如，用大约1/4英寸长的一段石墨带得到满意的结果。根据本发明成功使用了一种碳纤维是由Salt Lake City，Utah的Hexcel公司出售的商标为Magnamite^的Model No.AS4C-GP3K。此外，还成功地使用了碳化硅纤维。

根据本发明另一个方面的惰性等离子体催化剂可以包括一个或多个如基本为球形、环形、锥形、立方体、平面体、圆柱形、矩形或伸长形的部分。

上述惰性等离子体催化剂包括至少一种至少是半导电的材料。在一个实施例中，该材料具有强导电性。例如，根据本发明的惰性等离子体催化剂可以包括金属、无机材料、碳、碳基合金、碳基复合物、导电聚合体、导电硅橡胶弹性体、聚合纳米复合物、有机无机复合物或其任意组合。可以包括在等离子体催化剂中的一些可能的无机材料包括碳、碳化硅、钼、铂、钽、钨、氮化碳和铝，虽然相信也可以使用其它导电无机材料。

除了一种或多种导电材料以外，本发明的惰性等离子体催化剂还可包括一种或多种添加剂(不要求导电性)。如这里所用的，该添加剂可以包括使用者想要加入等离子体的任何材料。例如在半导体和其他材料的掺杂过程中，可通过催化剂将一种或多种掺杂剂加入等离子体。参见，例如，共有并同时提出申请的美国专利申请No.10/＿,＿(Attorney DorketNo.1837.0026)，在此引入其整个内容作为参考。催化剂可以包括掺杂剂本身或者，它可以包括分解后能产生掺杂剂的前体材料。因此，根据最终期望的等离子体复合物和使用等离子体处理，等离子体催化剂可以以任意期望的比率包括一种或多种添加剂和一种或多种导电材料。

惰性等离子体催化剂中的导电成分与添加剂的比率随着其被消耗的时间变化。例如，在激发期间，等离子体催化剂可以要求包括较大百分比的导电成分来改善激发条件。另一方面，如果在维持等离子体时使用，催化剂可以包括较大百分比的添加剂。本领域普的通技术人员可知用于激发和维持等离子体的等离子体催化剂的成分比率可以相同。

预定的比率分布可以用于简化许多等离子体处理。在许多常规的等离子体处理中，等离子体中的成分是根据需要来增加的，但是这样的增加一般要求可编程装置根据预定计划来添加成分。然而，根据本发明，催化剂中的成分比率是可变的，因而等离子体本身的成分比率可以自动变化。这就是说，在任一特定时间等离子体的成分比率依赖于当前被等离子体消耗的催化剂部分。因此，在催化剂内的不同位置的催化剂成分比率可以不同。并且，当前等离子体的成分比率依赖于当前和/或在消耗前的催化剂部分，尤其在流过等离子体腔内的气体流速较慢时。

根据本发明的惰性等离子体催化剂可以是均匀的、不均匀的或渐变的。而且，整个催化剂中等离子体催化剂成分比率可以连续或者不连续改变。例如在图3中，比率可以平稳改变形成沿催化剂100长度方向的梯度。催化剂100可包括一股在段105含有较低浓度成分并向段110连续增大浓度的材料。

可选择地，如图4所示，在催化剂120的每一部分比率可以不连续变化，例如包括浓度不同的交替段125和130。应该知道催化剂120可以具有多于两段的形式。因此，被等离子体消耗的催化剂成分比率可以以任意预定的形式改变。在一个实施例中，当等离子体被监测并且已检测到特殊的添加剂时，可以自动开始或结束进一步的处理。

改变被维持的等离子体中的成分比率的另一种方法是通过在不同时间以不同速率引入具有不同成分比率的多种催化剂。例如，可以在腔中以大致相同位置或者不同位置引入多种催化剂。在不同位置引入时，在腔内形成的等离子体会有由不同催化剂位置决定的成分浓度梯度。因此，自动化系统可包括用于在等离子体激发、调节和/或维持以前和/或期间机械插入可消耗等离子体催化剂的装置。

根据本发明的惰性等离子体催化剂也可以被涂覆。在一个实施例中，催化剂可以包括沉积在基本导电材料表面的基本不导电涂层。或者，催化剂可包括沉积在基本不导电材料表面的基本导电涂层。例如图5A和5B表示了包括内层145和涂层150的纤维140。在一个实施例中，为了防止碳的氧化，等离子体催化剂包括涂覆镍的碳芯。

一种等离子体催化剂也可以包括多层涂层。如果涂层在接触等离子体期间被消耗，该涂层可以从外涂层到最里面的涂层连续引入等离子体，从而形成限时释放(time-release)机制。因此，涂覆等离子体催化剂可以包括任意数量的材料，只要部分催化剂至少是半导电的。

根据本发明的另一实施例，为了基本上减少或防止辐射能泄漏，等离子体催化剂可以完全位于辐射腔内。这样，等离子体催化剂不会电或磁连接于包括腔的容器、或腔外的任何导电物体。这可以防止在激发口的瞬间放电，并防止在激发期间和如果等离子体被维持可能在随后辐射泄漏出腔。在一个实施例中，催化剂可以位于伸入激发口的基本不导电的延伸物末端。

例如，图6表示在其中可以设置有等离子体腔165的辐射腔160。等离子体催化剂170可以延长并伸入激发口175。如图7所示，根据本发明的催化剂170可包括导电的末梢部分180(设置于腔160内)和不导电部分185(基本上设置于腔160外)。该结构防止了末梢部分180和腔160之间的电气连接(例如瞬间放电)。

在如图8所示的另一个实施例中，催化剂由多个导电片段190形成，所述多个导电片段190被多个不导电片段195隔开并与之机械相连。在这个实施例中，催化剂能延伸通过在腔中的一个点和腔外的另一个点之间的激发口，但是其电气不连续的分布有效地防止了产生瞬间放电和能量泄漏。

活性等离子体催化剂

根据本发明的形成等离子体的另一种方法包括使腔内气体在活性等离子体催化剂存在的情况下受到小于大约333GHz频率的电磁辐射，产生或包括至少一个电离粒子。

根据本发明的活性等离子体催化剂可以是在电磁辐射存在的情况下能够向气态原子或分子传递足够能量来使气态原子或分子失去至少一个电子的任何粒子或者高能波包。利用源，电离粒子可以以聚焦或准直射束的形式直接引入腔，或者它们可以被喷射、喷出、溅射或者其它方式引入。

例如，图9表示辐射源200辐射源202将辐射引入辐射腔205。等离子体腔210可以设置于腔205内并允许气体流过口215和216。源220可以将电离粒子225引入腔210。源220可以用例如电离粒子可以穿过的金属屏蔽来保护，但也屏蔽了对源220的电磁辐射。如果需要，源220可以水冷。在一个实施例中，激活辐射源200，接着在形成等离子体之后，激活辐射源202。可选择地，辐射源202可在预定的间隔之后激活。

根据本发明的电离粒子的实例可包括x射线粒子、γ射线线粒子、α粒子、β粒子、中子、质子及其任意组合。因此，电离粒子催化剂可以是带电荷(例如来自离子源的离子)或者不带电荷并且可以是放射性裂变过程的产物。在一个实施例中，在其中形成有等离子体腔的容器可以全部或部分地透过电离粒子催化剂。因此，当放射性裂变源位于腔外时，该源可以引导裂变产物穿过容器来激发等离子体。为了基本防止裂变产物(如电离粒子催化剂)引起安全危害，放射性裂变源可以位于辐射腔内。

在另一个实施例中，电离粒子可以是自由电子，但它不必是在放射性衰变过程中发射。例如，电子可以通过激发电子源(如金属)来引入腔内，这样电子有足够的能量从该源中逸出。电子源可以位于腔内、邻近腔或者甚至在腔壁上。本领域的普通技术人员可知可用任意组合的电子源。产生电子的常用方法是加热金属，并且这些电子通过施加电场能进一步加速。

除电子以外，自由能质子也能用于催化等离子体。在一个实施例中，自由质子可通过电离氢产生，并且选择性地由电场加速。

多模辐射腔

辐射波导管、腔或室可以支持或便于至少一种电磁辐射模的传播。如这里所使用，术语“模”表示满足Maxwell方程和可应用的边界条件(如腔的)的任何停滞或传播的电磁波的特殊形式。在波导管或腔内，该模可以是传播或停滞电磁场的各种可能形式中的任何一种。每种模由其电场和/或磁场矢量的频率和极化表征。模的电磁场形式依赖于频率、折射率或介电常数以及波导管或腔的几何形状。

横电(TE)模是电场矢量垂直于传播方向的模。类似地，横磁(TM)模是磁场矢量垂直于传播方向的模。横电磁(TEM)模是电场和磁场矢量均垂直于传播方向的模。中空金属波导管一般不支持辐射传播的标准TEM模。尽管辐射似乎沿着波导管的长度方向传播，它之所以这样只是通过波导管的内壁以某一角度反射。因此，根据传播模，辐射(例如微波)沿着波导管轴线(通常指z轴)具有一些电场成分或者一些磁场成分。

在腔或者波导管中的实际场分布是其中模的叠加。每种模可以用一个或多个下标(如TE₁₀(“Tee ee one zero”))表示。下标一般说明在x和y方向上含有多少在导管波长的“半波”。本领域的普通技术人员可知波导管波长与自由空间的波长不同，因为波导管内的辐射传播是通过波导管的内壁以某一角度反射。在一些情况下，可以增加第三下标来定义沿着z轴在驻波形式中的半波数量。

对于给定的辐射频率，波导管的尺寸可选择得足够小以便它能支持一种传播模。在这种情况下，系统被称为单模系统(如单模辐射器)。在矩形单模波导管中TE₁₀模通常占主导。

随着波导管(或波导管所连接的腔)的尺寸增加，波导管或辐射器有时能支持附加的高阶模，形成多模系统。当能够同时支持多个模时，系统往往表示为被高度模化(highly moded)。

一个简单的单模系统具有包括至少一个最大和/或最小的场分布。最大的量级很大程度上依赖于施加于系统的辐射的量。因此，单模系统的场分布是剧烈变化和基本上不均匀的。

与单模腔不同，多模腔可以同时支持几个传播模，在叠加时其形成混合场分布形式。在这种形式中，场在空间上变得模糊，并因此场分布通常不显示出腔内最小和最大场值的相同强度类型。此外，如下的详细说明，可以用一个模混合器来“混合”或“重新分布”模(如利用辐射反射器的机械运动)。这种重新分布有望提供腔内更均匀的时间平均场分布。

根据本发明的多模腔可以支持至少两个模，并且可以支持多于两个的多个模。每个模有最大电场矢量。虽然可以有两个或多个模，但是只有一个模占主导并具有比其它模大的最大电场矢量量级。如这里所用的，多模腔可以是任意的腔，其中第一和第二模量级之间的比率小于约1∶10，或者小于约1∶5，或者甚至小于约1∶2。本领域的普通技术人员可知比率越小，模之间的电场能量越分散，从而使腔内的辐射能越分散。

腔内等离子体的分布非常依赖于所施加的电磁辐射的分布。例如，在一个纯单模系统中只可以有一个电场最大值的位置。因此，强等离子体只能在这一个位置产生。在许多应用中，这样一个强局部化的等离子体会不合需要的引起不均匀等离子体处理或加热(即局部过热和加热不足)。

根据本发明无论使用单或多模腔，本领域的普通技术人员可知在其中形成等离子体的腔可以完全封闭或者半封闭。例如，在特定的应用中，如在等离子体辅助熔炉中，腔可以全部密封。参见，例如，共有并同时提出申请的美国专利申请No.10/＿,＿(Attorney Dorket No.1837.0020)，在此引入其整个内容作为参考。然而在其它应用中，可能需要将气体流过腔，从而腔必须一定程度地打开。这样，流动气体的流量、类型和压力可以随时间而改变。这是令人满意的，因为具有较低电离势的如氩气的特定气体更容易激发，但在随后的等离子体处理中不需要。

模混合

在许多应用中，需要腔内包括均匀的等离子体。然而，由于微波辐射可以有较长波长(如几十厘米)，很难获得均匀分布。结果，根据本发明的一个方面，多模腔内的辐射模在在一段时间内可以混合或重新分布。因为腔内的场分布必须满足由腔的内表面设定的所有边界条件，可以通过改变内表面的任一部分的位置来改变这些场分布。

根据本发明的一个实施例中，可移动的反射表面位于辐射腔内。反射表面的形状和移动在移动期间将联合改变腔的内表面。例如，一个“L”型金属物体(即“模混合器”)在围绕任意轴旋转时将改变腔内的反射表面的位置或方向，从而改变其中的辐射分布。任何其它不对称形状的物体也可使用(在旋转时)，但是对称形状的物体也能工作，只要相对移动(如旋转、平移或两者结合)引起反射表面的位置和方向上的一些变化。在一个实施例中，模混合器可以是围绕非圆柱体纵轴的轴旋转的圆柱体。

多模腔中的每个模都具有至少一个最大电场矢量，但是每个矢量会周期性出现在腔内。通常，假设辐射的频率不变，该最大值是固定的。然而，通过移动模混合器使它与辐射相作用，就可能移动最大值的位置。例如，模混合器38可用于优化腔14内的场分布以便于优化等离子体激发条件和/或等离子体维持条件。因此，一旦激活等离子体，为了均匀的时间平均等离子体处理(如加热)，可以改变模混合器的位置来移动最大值的位置。

因此根据本发明，在等离子体激发期间可以使用模混合。例如，当把导电纤维用作等离子体催化剂时，已经知道纤维的方向能够强烈影响最小等离子体激发条件。例如据报道说，当这样的纤维取向于与电场成大于60°的角度时，催化剂很少能改善或放松这些条件。然而通过移动反射表面进入或接近腔，电场分布能显著地改变。

通过例如安装在辐射器腔内的旋转波导管接头将辐射射入辐射器腔，也能实现模混合。为了在辐射腔内在不同方向上有效地发射辐射，该旋转接头可以机械地运动(如旋转)。结果，在辐射器腔内可产生变化的场形式。

通过柔性波导管将辐射射入辐射腔，也能实现模混合。在一个实施例中，波导管可固定在腔内。在另一个实施例中，波导管可伸入腔中。为了在不同方向和/或位置将辐射(如微波辐射)射入腔，该柔性波导管末端的位置可以以任何合适的方式连续或周期性移动(如弯曲)。这种移动也能引起模混合并有助于在时间平均基础上更均匀的等离子体处理(如加热)。可选择地，这种移动可用于优化激发的等离子体的位置或者其它的等离子体辅助处理。

如果柔性波导管是矩形的，波导管的开口末端的简单扭曲将使辐射器腔内的辐射的电场和磁场矢量的方向旋转。因而，波导管周期性的扭曲可引起模混合以及电场的旋转，这可用于辅助激发、调节或维持等离子体。

因此，即使催化剂的初始方向垂直于电场，电场矢量的重新定向能将无效方向变为更有效的方向。本领域的技术人员可知模混合可以是连续的、周期性的或预编程的。

除了等离子体激发以外，在后面的等离子体处理期间模混合可用来减少或产生(如调整)腔内的“热点”。当微波腔只支持少数模时(如少于5)，一个或多个局部电场最大值可产生“热点”(如在腔12内)。在一个实施例中，这些热点可设置成与一个或多个分开但同时的等离子体激发或处理相一致。因此，等离子体催化剂可放在一个或多个这些激发或随后的处理位置上。

多位置激发

可使用不同位置的多种等离子体催化剂来激发等离子体。在一个实施例中，可用多纤维在腔内的不同点处激发等离子体。这种多点激发在要求均匀等离子体激发时尤其有益。例如，当等离子体在高频(即数十赫兹或更高)下调节，或在较大空间中激发，或两者都有时，可以改善等离子体的基本均匀的瞬态撞击和再撞击。可选地，当在多个点使用等离子体催化剂时，可以通过将催化剂选择性引入这些不同位置，使用等离子体催化剂在等离子体腔内的不同位置连续激发等离子体。这样，如果需要，在腔内可以可控地形成等离子体激发梯度。

而且，在多模腔中，腔中多个位置的催化剂的随机分布增加了如下可能性：根据本发明的至少一种纤维或任何其它惰性等离子体催化剂优化沿电力线取向。但是，即使催化剂没有优化取向(基本上没有与电力线对准)，也改善了激发条件。

而且，由于催化剂粉末可以悬浮在气体中，可认为具有每个粉末颗粒具有位于腔内不同物理位置的效果，从而改善了腔内的激发均匀性。

双腔等离子体激发/维持

根据本发明的双腔排列可用于激发和维持等离子体。在一个实施例中，系统至少包括第一激发腔和与第一腔流体连通的第二腔。为了激发等离子体，第一激发腔中的气体选择性地在等离子体催化剂存在的情况下受到频率小于大约333GHz的电磁辐射。这样，接近的第一和第二腔可使第一腔中形成的等离子体激发第二腔中的等离子体，其可用附加的电磁辐射来维持。

在本发明的一个实施例中，第一腔可以非常小并主要或只设置用于等离子体激发。这样，只需很少的微波能来激发等离子体，使激发更容易，尤其在使用根据本发明的等离子体催化剂时。

在一个实施例中，第一腔基本上是单模腔，第二腔是多模腔。当第一腔只支持单模时腔内的电场分布会剧烈变化，形成一个或多个精确定位的电场最大值。该最大值一般是等离子体激发的第一位置，将其作为安放等离子体催化剂的理想点。然而应该知道，当使用等离子体催化剂时，催化剂不需要设置在电场最大值之处，而且在大多数情况下，不需要取向于特定的方向。

在前述的实施例中，例如，为了简化说明，各种特征被集合在单个实施例中。这种公开方法不意味着本发明权利要求书要求了比每个权利要求中明确叙述的特征更多的特征。而是，如下列权利要求所述，创造性方面要比前述公开的单个实施例的全部特征少。因此，下列权利要求被加入到该具体实施方式中，每个权利要求本身作为本发明的一个单独的优选实施例。

Claims (57)

1.一种辐射装置，包括：

辐射腔；

第一辐射源，用于将频率低于大约333GHz的电磁辐射引入所述辐射腔，以促进所述辐射腔内的等离子体形成；

第二辐射源，用于将频率低于大约333GHz的电磁辐射引入所述辐射腔；以及

控制器，用于在激活所述第一辐射源之后顺序激活所述第二辐射源。

2.如权利要求1所述的装置，还包括提供电磁辐射吸收信号的检测器，并且其中所述控制器延迟所述第二辐射源的激活直到所述控制器收到所述检测器发出的已经达到预定吸收水平的信号。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述控制器在所述第一辐射源形成等离子体之后激活所述第二辐射源。

4.如权利要求1所述的装置，其中如果所述第一辐射源与所述第二辐射源相比是正交极化的则同时激活所述第一辐射源和所述第二辐射源。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述装置还包括催化剂。

6.如权利要求5所述的装置，其中存在所述催化剂以减少电磁辐射能量泄漏。

7.如权利要求5所述的装置，其中所述催化剂具有电气不连续的分布。

8.如权利要求5所述的装置，其中所述催化剂具有可变的成分。

9.如权利要求5所述的装置，其中所述催化剂为纳米结构。

10.如权利要求1所述的装置，还包括传送电磁辐射的循环器。

11.如权利要求1所述的装置，还包括处理反射功率的调谐器。

12.如权利要求1所述的装置，还包括电子源。

13.如权利要求1所述的装置，还包括模混合器。

14.如权利要求1所述的装置，还包括柔性波导管。

15.如权利要求1所述的装置，还包括第二辐射腔。

16.如权利要求15所述的装置，其中所述第二辐射腔基本上至少为单模。

17.一种等离子体装置，包括：

腔；

管道，用于向所述腔供气；

多个辐射源，设置成向所述腔传送频率低于大约333GHz的电磁辐射；以及

控制器，用于延迟除了所述多个辐射源的第一个以外的所有辐射源的激活直到所述多个辐射源的第一个被激活。

18.如权利要求17所述的装置，还包括提供辐射吸收信号的检测器，并且其中所述控制器延迟所述多个辐射源中的每一个的激活直到所述控制器收到所述检测器发出的已经达到预定吸收水平的信号。

19.如权利要求18所述的装置，其中所述检测器被连接到所述控制器。

20.如权利要求17所述的装置，其中在所述多个辐射源的第一个形成等离子体之后所述控制器激活所述多个辐射源的第二辐射源。

21.如权利要求17所述的装置，其中如果在所述多个辐射源的至少两个源之间存在正交极化则同时激活所述多个辐射源的所述至少两个源。

22.如权利要求17所述的装置，其中所述装置还包括催化剂。

23.如权利要求22所述的装置，其中存在所述催化剂以减少电磁辐射能量泄漏。

24.如权利要求22所述的装置，其中所述催化剂具有电气不连续的分布。

25.如权利要求22所述的装置，其中所述催化剂具有可变的成分。

26.如权利要求17所述的装置，还包括第二辐射腔。

27.如权利要求26所述的装置，其中所述第二辐射腔基本上至少为单模。

28.如权利要求17所述的装置，其中所述催化剂为纳米结构。

29.如权利要求17所述的装置，还包括传送电磁辐射的循环器。

30.如权利要求17所述的装置，还包括处理反射功率的调谐器。

31.如权利要求17所述的装置，还包括辐射腔。

32.如权利要求17所述的装置，其中所述腔设置成支持至少一种电磁模。

33.如权利要求17所述的装置，还包括模混合器。

34.一种采用至少第一辐射源和第二辐射源的方法，所述至少第一辐射源和第二辐射源设置成将电磁辐射引入等离子体区域，所述方法包括：

将气体引入所述等离子体区域；

激活具有低于大约333GHz的频率的所述第一辐射源以促进所述等离子体区域中的等离子体形成；以及

在所述等离子体形成之后激活具有低于大约333GHz的频率的所述第二辐射源。

35.如权利要求34所述的方法，还包括如果所述第一辐射源与所述第二辐射源相比是正交极化的则同时启动所述第一辐射源和所述第二辐射源的步骤。

36.如权利要求34所述的方法，其中使用至少一种能够引起等离子体激发的催化剂来促进等离子体的形成。

37.如权利要求36所述的方法，其中所述至少一种催化剂包括至少一种掺杂剂。

38.如权利要求36所述的方法，还包括以变化的速度引入所述至少一种催化剂的步骤。

39.如权利要求34所述的方法，还包括在激活所述第一辐射源和所述第二辐射源中的一个之后激活至少第三辐射源的步骤。

40.如权利要求34所述的方法，还包括延迟所述至少第三辐射源的激活直到所述第一辐射源和所述第二辐射源被激活的步骤。

41.如权利要求34所述的方法，其中来自所述第一辐射源的电磁辐射与来自所述第二辐射源的电磁辐射相比正交极化。

42.如权利要求34所述的方法，还包括激活多个辐射源的步骤，其中所述多个辐射源中的每一个以预定的间隔连续激活。

43.如权利要求34所述的方法，其中所述等离子体区域包含等离子体催化剂。

44.如权利要求34所述的方法，其中所述激活所述第一辐射源的步骤还包括这样的步骤：

在至少一种包括至少是半导电的材料的惰性等离子体催化剂存在的情况下，通过使所述等离子体区域内的气体受到由所述第一辐射源产生的频率低于大约333GHz的电磁辐射，来激发所述等离子体。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述材料的形式为纳米粒子、纳米管、粉末、粉尘、薄片、纤维、薄板、针、线、绳、细丝、纱、细绳、刨花、裂片、碎片、编织线、带、须中的至少一种。

46.如权利要求45所述的方法，其中所述方法还包括调整所述纳米管的方向的步骤。

47.如权利要求44所述的方法，其中所述至少一种惰性等离子体催化剂包括多个分布在围绕所述等离子体区域的辐射腔中多个位置的伸长型导电条。

48.如权利要求44所述的方法，其中围绕所述等离子体区域的所述辐射腔设置成支持电磁辐射的至少第一模和第二模，在所述辐射腔中每一种模具有最大的电场矢量，每一个所述电场矢量具有一个量级，并且其中第一模量级和第二模量级之间的比率小于约1∶10。

49.如权利要求34所述的方法，其中激活所述第一辐射源的所述步骤还包括：

在包括至少一种电离粒子的活性等离子体催化剂存在的情况下，使所述等离子体区域中的气体受到频率小于约333GHz的电磁辐射。

50.如权利要求49所述的方法，其中所述至少一种电离粒子是带电粒子。

51.如权利要求49所述的方法，其中所述至少一种电离粒子包括放射性裂变产物。

52.如权利要求51所述的方法，其中在至少部分透射所述放射性裂变产物的容器中形成围绕所述等离子体区域的所述辐射腔，所述方法还包括在所述围绕所述等离子体区域的所述辐射腔外设置放射性裂变源，以便所述放射性裂变源将所述裂变产物通过所述容器引入围绕所述等离子体区域的所述辐射腔中的步骤。

53.如权利要求51所述的方法，其中所述容器和所述放射性裂变源在腔内，并且其中所述腔包括基本上防止所述放射性裂变产物从所述腔逃逸的材料。

54.如权利要求51所述的方法，还包括在围绕所述等离子体区域的所述辐射腔内设置放射性裂变源的步骤，其中所述放射性裂变源产生所述至少一种放射性裂变产物。

55.如权利要求34所述的方法，还包括从屏蔽所述碳纤维受到电磁辐射的结构中释放碳纤维进入所述等离子体区域的步骤。

56.如权利要求34所述的方法，还包括使用模混合器达到预定加热梯度的步骤。

57.如权利要求34所述的方法，还包括模混合的步骤。

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