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CN1302843C - 等离子体辅助渗碳 - Google Patents

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CN1302843C
CN1302843C CNB038102684A CN03810268A CN1302843C CN 1302843 C CN1302843 C CN 1302843C CN B038102684 A CNB038102684 A CN B038102684A CN 03810268 A CN03810268 A CN 03810268A CN 1302843 C CN1302843 C CN 1302843C
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CN
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carbon
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catalyst
radiation
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S·库马尔
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Abstract

本发明提供了一种渗碳物体表面区域的系统和方法，其包括：使气体受到产生于辐射源(52)的电磁辐射，在等离子体催化剂(70)存在的情况下来激发含碳等离子体。该方法还包括将该物体的表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以从等离子体将至少一部分碳通过第一表面区域转移到该物体。

Description

等离子体辅助渗碳
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
本发明涉及渗碳的系统和方法。更具体地说，本发明涉及用等离子体催化剂激发、调节以及维持气体中的等离子体的系统和方法，以及将等离子体用于渗碳过程。
背景技术
渗碳是一种广泛公知的表面硬化过程。该过程包括将碳扩散到低碳钢合金中以形成高碳钢表面。扩散的碳通常与钢的合金反应来加强钢表面的硬度。渗碳可导致一种具有高表面硬度和柔软内核的部件。因此，渗碳可以在处理高磨损部件如齿轮和轴方面特别有用。加强的表面硬度可以提供对摩擦和碰撞磨损的适当抵抗而无需牺牲体材料的理想特性。
碳扩散进入钢的深度可以通过部件的温度和暴露于含碳环境的时间控制。最通常，把要渗碳的部件在包含碳的环境中在熔炉中加热至理想的渗碳温度。渗碳之后，要么慢慢冷却以便后续的淬火硬化，要么直接放入各种气态或液态淬火器中淬火。
虽然已知的渗碳方法可以获得可接受的表面硬度水平，但这些方法包括了几个缺点。例如，部件可以在一种空气渗碳炉中被渗碳，然而，该部件的小或者薄的部分的加热通常快于该部件表面的其余部分。结果是，这些部分会表现出比部件其他部分更高的硬度。此外，空气渗碳炉通常慢且缺乏精确控制部件温度的能力。
渗碳也可在真空炉中进行。在该系统中，部件可被放置于真空室中，然后该真空室被抽真空。该部件被加热至一个理想的温度并且一种渗碳气体可被补充进该真空室中。虽然这种方法可产生具有均匀硬度值的表面，但是要建立并维持在渗碳过程中所需的真空环境仍然是费用昂贵且耗时的。
也可以通过将部件暴露于一种含碳的等离子体进行渗碳。虽然等离子渗碳方法可以提供比传统熔炉渗碳方法潜在提高的加热效率，但是这些等离子体渗碳方法包括了使用昂贵的真空装置来提供所需的真空环境。另外，渗碳等离子体的产生通常需要在工件与阴极(例如，室)之间施加几百伏的DC。
本发明解决了与已知的渗碳系统和/或方法相关的一个或多个问题。
发明内容
本发明的一个方面包括一种用于渗碳物体第一表面区域的等离子体辅助方法。该方法包括在等离子体催化剂存在的情况下通过使气体受到微波辐射来激发渗碳等离子体，其中等离子体包含碳，以及将物体第一表面区域暴露于该等离子体中一段足够长的时间，以从等离子体中将至少一部分碳通过第一表面区域转移到该物体。
本发明的第二个方面包括一种用于等离子体辅助渗碳物体的系统。该系统包括等离子体催化剂，其中形成有腔的容器，并且其中在腔中存在等离子体催化剂的情况下通过使气体受到电磁辐射(例如，微波辐射)来激发等离子体，以及连接到腔的电磁辐射源以将辐射引入腔。
本发明还提供了用于根据本发明的等离子体辅助渗碳过程的多种等离子体催化剂。
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1表示根据本发明的渗碳等离子体系统的示意图；
图1A表示根据本发明的部分渗碳等离子体系统的实施例，该系统通过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2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3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4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5表示根据本发明的图4所示的等离子体催化剂纤维沿图4的线5-5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，用于将辐射引入等离子体腔。
具体实施方式
本发明提供了用于等离子体辅助渗碳的方法和系统。使用根据本发明的等离子体催化剂可激发、调节和维持渗碳等离子体。
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.1837.0008)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0009)，
No.10/＿，＿(Atty.Docket No.1837.0010)，
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1表示根据本发明的一个方面的渗碳系统10。在该实施例中，在位于辐射腔(即辐射器(applicator))14内部的容器中形成腔12。在另一个实施例中(未示出)，腔12和辐射腔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(例如，微波透射)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，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，因此可以使用能工作于超过2000华氏度，例如约3000华氏度的陶瓷。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，NewCastle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不同的材料。
在一个成功的实验中，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形成等离子体的气体。腔的尺寸和形状取决于想要进行的等离子体过程。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可以是任何能够运送气体但又足够狭窄以阻止相当数量微波辐射泄漏的管道。例如，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不需要的气体。在一个实施例中，通过多部件容器中的一个或多个缝隙气体可以流入和/或流出腔12。因此，本发明的气口不需要特别的孔，也可以为其他形式，如许多小的分布式孔。
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，就自动关闭幅射电源(例如微波)。
由电源28提供能量的辐射源26通过一个或多个波导管30将辐射引入腔14。本领域的普通技术人员应该理解辐射源26可以直接连到腔14或腔12，从而取消波导管30。进入腔12的辐射可以用来激发腔内的等离子体。通过将附加的辐射例如微波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。
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。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前，因为微波能例如将被等离子体强烈吸收。
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。例如，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，使能用温度传感器42(例如光学高温计)来观察腔12内的处理。在一个实施例中，光学高温计具有一个输出电压，其在某一个追踪范围内能随温度的变化而变化。
传感器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，其具有一个与上述辐射源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。
尽管可以使用任何小于约333GHz频率的辐射，本发明采用由通讯和能源工业(CPI)提供的915MHz和2.45GHz微波源取得了同样的成功。2.45GHz系统持续提供从大约0.5千瓦到大约5.0千瓦的可变微波能。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(图1中未示出)。
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LabVIEW6i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。通过利用移位寄存器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，在缓冲区阵列中储存的数据点数目用移位寄存器和缓存区大小调整来限制。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 DorketNo.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具有几个具有微波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。
系统10还包括一个带有用自来水冷却的外部热交换器的可选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辐射腔。
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的物质并且可以是惰性或者活性的。在气体压力低于、等于或大于大气压力的情况下，等离子体催化剂可以在其它物质中激发、调节和/或维持涂覆等离子体。
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例如纳米粒子或纳米管。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例如粉末，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渗碳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可以对设置有等离子体腔60(在其中进行渗碳)的电磁辐射腔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、调节或维持涂覆等离子体。
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。
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，可通过催化剂向等离子体加入一种或多种掺杂剂。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是相同的。
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2中，成分比率可以平稳改变形成沿催化剂100长度方向的比率梯度。催化剂100可包括一股在段105含有较低浓度的一种或多种成分并向段110连续增大浓度的材料。
可选择地，如图3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/或维持等离子体以前和/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4和5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，为了通过催化剂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电磁辐射泄漏出腔。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，但是可伸入腔)。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。
作为对上述惰性等离子体催化剂的一种替换，根据本发明可使用活性等离子体催化剂。使用根据本发明的活性催化剂形成渗碳等离子体的方法包括，在活性等离子体催化剂存在的情况下，使腔中的气体受到频率小于约333GHz的电磁辐射，该方法产生或包括至少一种电离粒子或电离辐射。可以理解，惰性和活性等离子体催化剂都可用于同一渗碳过程。
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，电离辐射和/或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将辐射引入腔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可以将电离辐射和/或粒子225引入腔210。源220可以用电离粒子可以穿过的金属屏蔽来保护，但也屏蔽了对源220的辐射。如果需要，源220可以水冷。
根据本发明的电离辐射和/或粒子的实例可包括x射线粒子、γ射线粒子、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、腔或室被设置成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(例如微波辐射)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，从而使腔内的电磁辐射能越分散。
处理腔内等离子体的分布非常依赖于所施加的辐射的分布。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，因为便于形成等离子体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
在许多渗碳应用中，需要腔内包括基本均匀的等离子体。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渗碳腔内。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。
多模渗碳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可用于优化渗碳腔12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(如加热和/或渗碳)，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渗碳腔，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，在随后的渗碳和其他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渗碳处理相一致。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渗碳(例如等离子体处理)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渗碳等离子体。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渗碳等离子体。这样，如果需要，在腔内可以可控地形成渗碳等离子体激发梯度。
而且，在多模渗碳腔中，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粒子具有位于腔内不同物理位置的效果，从而改善了渗碳腔内的激发均匀性。
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激发腔流体连通的第二渗碳腔。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渗碳腔中的渗碳等离子体，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，第二渗碳腔是多模腔。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。
渗碳过程
根据本发明，提供一种渗碳物体的方法，以使来自碳源的碳原子扩散到该物体中，并提高该物体的平均碳浓度。碳可以均匀地扩散到物体的全部表面，或者可以扩散到物体的一个或多个表面区域。
在本发明的一个实施例中，如上所述，在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体(例如，来自气体源24)受到辐射(如，微波辐射)，来激发等离子体。如图1所示，等离子体激发可发生在腔12内，该腔12可形成于位于微波腔(如，辐射器)14内的容器里。例如，通过提供碳源给等离子体来将碳提供给被激发的等离子体。在一个实施例中，碳源可以是等离子体催化剂。也就是说，等离子体催化剂可包括通过与等离子体接触而被等离子体消耗的碳。
此外，在本发明的一个特定实施例中有用的等离子体催化剂可包括选择用于特定渗碳过程的根据预定比率分布的两种或多种不同材料。例如，在一个实施例中，第一种材料非常适合促进等离子体激发，而第二种材料可作为等离子体的碳(如，已被等离子体消耗并结合到等离子体中的自由碳)的主要来源。这些材料可被包括在图2-5，7，8及其任意组合中所示的那些结构中的等离子体催化剂中。
另外，渗碳等离子体中的碳可由不同于或除了等离子体催化剂的碳源提供。这样的碳源可通过接触等离子体而提供碳给等离子体。能提供给等离子体的碳源的例子包括含碳气体、烃类气体(如，甲烷或其它)、粉末碳、碳纳米管、碳纳米粒子、碳纤维、石墨、固体碳、汽化碳(如，通过包括，例如，激光消融方法从碳源分离的碳粒子)、木炭、焦炭、无定形碳、铸铁及其任意组合中的至少一种。这些碳源可在等离子体激发时存在于腔12中，或者在等离子体被激发之后，被提供给腔12来接触等离子体。如果碳源是气态的，那么气源24可以设置成不仅提供等离子体源气体，而且提供碳源气体(如，气源24可以设置成多个气体容器和多个阀22)。
在渗碳过程期间，存在于等离子体中的碳扩散到物体中。例如，可将该物体的至少一个表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间，以从等离子体中将至少一部分等离子体的碳通过第一表面区域转移到该物体。通过暴露于等离子体，热从等离子体有效地转移到要被渗碳的物体，以至于该物体的温度可以每分钟大约400℃的比率增长。渗碳可发生在一个宽的温度范围内。然而，更高的温度可促进和/或加速扩散过程。在本发明的一个实施例中，渗碳过程的一部分可在大约600℃和大约1100℃之间的温度内进行，或在大约850℃和大约975℃之间。可选择地，全部过程都可在这些温度之间进行。
根据本发明的一个方面，来自等离子体的碳可扩散到物体中，其扩散深度为大约0.003英寸到大约0.250英寸。结果，该物体在扩散区域的碳含量有所提高。更进一步地，可使用根据本发明的渗碳过程来提高包括多级别钢的任何含铁物体的碳含量。根据本发明也可渗碳不含铁的材料。在一个实施例中，具有初始碳含量小于0.25％的钢可以被有效地渗碳。
然而，渗碳等离子体也可在没有使用等离子体催化剂的情况下被激发，在某些实施例中，等离子体催化剂被用于激发、调节和维持等离子体。例如，根据本发明的惰性或活性等离子体催化剂的存在能够降低激发渗碳等离子体所需的辐射能量密度。这种降低允许以一种相对低辐射能量的控制的方式产生等离子体，该低辐射能量在当物体的敏感部分暴露于渗碳等离子体时是有用的。在一个控制的实施例中，使用低于大约10W/cm3的时间平均辐射能量(如微波能量)密度可激发等离子体。另外，使用低于大约5W/cm3的时间平均辐射能量密度也可激发渗碳等离子体。有利地是，这些相对低的能量密度无需真空装置就可获得。
因此，等离子体催化剂的使用可促进控制渗碳等离子体以及使用该等离子体的过程。特别地，由于等离子体可以是电磁辐射包括微波辐射的有效吸收者，因此任何用于激发渗碳等离子体的辐射都能被渗碳等离子体大部分并立即吸收。所以，引入渗碳腔内的辐射能量在产生渗碳等离子体的早期阶段较少被反射。结果，等离子体催化剂的使用能提高对如下的控制：暴露于渗碳等离子体的物体的热率，该物体的温度，和使用该等离子体的特殊过程(如，渗碳和其它过程)的比率，以及降低渗碳过程早期阶段的强辐射反射的可能性。
等离子体催化剂的使用也可在一个较宽范围的压力下激发渗碳等离子体。例如，根据本发明的渗碳等离子体不仅可以在真空环境下产生，其中总压力小于大气压力，而且等离子体催化剂的存在能帮助等离子体在大气压或高于大气压的压力下产生。在一个实施例中，渗透等离子体能在具有初始压力水平为至少大约760Torr的气体环境下在腔中被激发。更进一步地，根据本发明的渗透过程可在具有至少大约760Torr压力的环境中通过将物体暴露于等离子体来进行。
除了等离子体辅助渗碳物体的一个表面区域之外，也可对该物体的全部表面区域进行渗碳。另外，可选择性地对该物体的一个或多个分离的表面区域进行渗碳。该物体的某些表面区域可被有效地掩蔽与渗碳等离子体隔开，以充分防止这些区域暴露于等离子体。在这些区域里，基本上没有渗碳发生。
例如，腔12可以这种方式被设置以防止该物体的某些表面区域暴露于等离子体。如前所述，腔12内辐射模式的数量或级别可取决于该腔的尺寸和构造。腔12内要被渗碳的物体的存在也可能影响该腔内辐射模式的场分布。金属物体上电磁辐射垂直入设的边界条件要求表面电场是零，以及在距离该物体表面四分之一波长处出现第一极大值。因此，如果该金属物体表面和该腔内壁之间的空隙小于辐射的大约四分之一波长，那么，在这些区域就有很少或没有等离子体可被维持，从而符合此条件的该物体的表面区域可能经历很少或没有渗碳。通过设置腔12的壁，或者通过任何其它合适的用于控制该物体表面与腔壁之间的距离的方法，并通过定位该物体于腔12内来提供这些“被掩蔽”的表面区域。
用于充分防止在该物体的特定表面区域渗碳的第二种方法可包括根据腔12定位该物体以使该物体的至少一部分位于腔内部且该物体的另一部分位于腔外部。位于腔内部的部分可被渗碳，并位于腔外部的部分基本上不被渗碳。
本领域的普通技术人员可以理解，根据本发明的等离子体辅助渗碳根本无需在腔内发生。更合适地，形成于腔内的渗碳等离子体可以通过开口，并在腔外被用于渗碳物体。
为了产生或维持腔12内充分均匀的时间平均辐射场分布，可提供模混合器38，如图1所示。可选择或另外地，当被暴露于等离子体时，该物体可相对于等离子体而移动。这样的移动可使该物体的所有表面更均匀的暴露于等离子体，该等离子体能够根据充分均匀的分布使碳扩散进入该物体的表面。更进一步地，这种移动也能帮助控制物体的加热(如，使该物体的某些区域比其它区域加热更快，或者充分均匀地加热该部分的全部表面)。
在根据本发明的等离子体辅助渗碳过程中，可施加电势偏压。这种电势偏压可通过将渗碳等离子体中带电的碳原子吸引到物体来促进该物体的加热，这能促进等离子体均匀覆盖在该物体上。更进一步地，电势偏压可将带电碳原子加速到该物体，这也能提高碳扩散速度。施加到该物体的电势偏压可以是例如，AC偏压，DC偏压，或者脉冲DC偏压。偏压的大小可根据特定的应用来选择。例如，电压大小的范围可从0.1伏特到100伏特，或者根据吸引离子物质所希望的速度，甚至为几百伏特。更进一步地，偏压可是正的也可是负的。
在根据本发明的另一个实施例中，提供了等离子体辅助渗碳物体的第一表面区域的方法，其使用等离子体加热该物体和碳源，但该等离子体不必转移碳。在该实施例中，该方法包括：(1)在等离子体催化剂存在的情况下，通过使腔内的气体受到频率为大约333GHz的电磁辐射来激发等离子体，(2)将该物体的第一表面区域暴露于等离子体一段足够长的时间以加热该表面，(3)将碳源暴露于等离子体一段足够长的时间以加热该碳源，其中碳源是固体碳源，选自木炭、焦炭、碳纤维、石墨、无定形碳、铸铁及其任意组合，以及(4)从碳源将至少一部分碳通过第一表面区域转移到该物体。因此，碳可以蒸气的形式被转移，而无需使用等离子体。
在前述的实施例中，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 (48)

1.一种等离子体辅助渗碳物体的第一表面区域的方法，该方法包括：
在等离子体催化剂存在的情况下，通过使气体受到频率小于大约333GHz的电磁辐射来激发等离子体，其中所述等离子体包括碳；以及
将所述物体的第一表面区域暴露于所述等离子体一段足够长的时间，以从所述等离子体中将至少一部分所述碳通过所述第一表面区域转移到所述物体。
2.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括惰性催化剂和活性催化剂中的至少一种。
3.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包含碳，并且其中所述方法还包括通过允许所述等离子体消耗所述等离子体催化剂将碳加入所述等离子体。
4.根据权利要求3的方法，其中所述等离子体催化剂包括粉末碳、碳纳米管、碳纳米粒子、碳纤维、石墨及其任意组合中的至少一种。
5.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括通过预定的比率分布确定总量的至少两种不同材料。
6.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括x射线、γ辐射、α粒子、β粒子、中子、质子及其任意组合中的至少一种。
7.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括电子和离子中的至少一种。
8.根据权利要求1的方法，其中所述等离子体催化剂包括金属、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、有机无机复合物及其任意组合中的至少一种。
9.根据权利要求1的方法，其中所述激发步骤包括从具有至少大约760Torr的初始压力水平的气体环境中在所述腔内激发所述等离子体。
10.根据权利要求1的方法，其中在至少大约760Torr的压力下进行所述暴露步骤。
11.根据权利要求1的方法，其中在低于大约10W/cm3的时间平均微波辐射能量密度下进行所述激发步骤。
12.根据权利要求1的方法，其中所述暴露步骤包括当所述第一表面区域与所述等离子体接触时，将所述碳扩散到所述第一表面区域以下进入所述物体。
13.根据权利要求12的方法，其中所述扩散步骤发生在多达大约0.003英寸和大约0.250英寸之间的深度。
14.根据权利要求1的方法，其中所述物体具有第二表面区域，并且其中所述暴露步骤还包括基本上防止将所述第二表面区域暴露于所述等离子体。
15.根据权利要求14的方法，还包括将所述物体设置在腔内以通过所述微波辐射波长的小于大约25％的距离将所述第二表面区域与所述腔的内壁分开。
16.根据权利要求14的方法，还包括根据腔设置所述物体以将所述第一表面区域设置在所述腔内并将所述第二表面区域设置在所述腔外部。
17.根据权利要求1的方法，还包括模混合所述电磁辐射。
18.根据权利要求1的方法，其中所述暴露步骤包括：
提供所述电磁辐射到腔；以及
提供所述气体到所述腔。
19.根据权利要求1的方法，还包括施加DC偏压到所述物体。
20.根据权利要求19的方法，其中所述DC偏压是脉冲DC偏压。
21.根据权利要求1的方法，还包括通过提供含碳气体到所述等离子体将所述碳引入所述等离子体。
22.根据权利要求1的方法，还包括从碳源将碳加入所述等离子体，其中所述碳源选自如下的固体源：木炭、焦炭、碳纤维、石墨、无定形碳、铸铁及其任意组合。
23.根据权利要求1的方法，还包括通过提供汽化碳到所述等离子体将所述碳引入所述等离子体。
24.根据权利要求1的方法，其中所述物体包括钢。
25.根据权利要求24的方法，其中所述钢的初始碳含量小于大约0.25％。
26.根据权利要求1的方法，还包括通过所述等离子体将所述物体的至少一部分初始加热到大约600℃和大约1100℃之间。
27.根据权利要求1的方法，还包括以每分钟至少400℃的速率加热所述物体的至少一部分直到该至少一部分的温度达到大约600℃和大约1100℃之间。
28.根据权利要求1的方法，还包括在所述暴露期间，相对于所述等离子体移动所述物体。
29.一种用于等离子体辅助渗碳物体的系统，该系统包括：
等离子体催化剂；
容器，在其中形成有腔，以及其中在所述腔内存在所述等离子体催化剂的情况下通过使气体受到频率小于大约333GHz的电磁辐射来激发等离子体；以及
电磁辐射源，连接到所述腔，用于将辐射引入所述腔。
30.根据权利要求29的系统，其中所述等离子体催化剂包括惰性催化剂和活性催化剂中的至少一种。
31.根据权利要求29的系统，还包括在其中设置有所述容器的辐射器，其中所述辐射器包括基本上不透射辐射的材料。
32.根据权利要求31的系统，其中所述微波辐射在所述辐射器内具有能量分布，该系统还包括能相对于所述辐射器移动以改变所述能量分布的微波模混合器。
33.根据权利要求31的系统，其中所述辐射器是多模微波辐射器。
34.根据权利要求29的系统，其中所述等离子体催化剂包括粉末碳、碳纳米管、碳纳米粒子、碳纤维、石墨、金属、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、有机无机复合物及其任意组合中的至少一种。
35.根据权利要求34的系统，其中所述等离子体催化剂包括至少一种碳纤维。
36.根据权利要求29的系统，其中所述等离子体催化剂包括通过预定的比率分布确定总量的至少两种不同材料。
37.根据权利要求29的系统，其中所述等离子体催化剂包括x射线、γ辐射、α粒子、β粒子、中子、质子及其任意组合中的至少一种。
38.根据权利要求29的系统，其中所述等离子催化剂包括电子和离子中的至少一种。
39.根据权利要求31的系统，还包括设置在所述辐射器中的碳源。
40.根据权利要求29的系统，其中所述容器包括能透射所述辐射的材料。
41.根据权利要求31的系统，其中所述辐射器和所述腔相同。
42.一种等离子体辅助渗碳物体第一表面区域的方法，该方法包括：
在等离子体催化剂存在的情况下，通过使腔中的气体受到频率小于大约333GHz的电磁辐射来激发等离子体；
将所述物体的第一表面区域暴露于所述等离子体一段足够长的时间以加热所述表面；
将碳源暴露于所述等离子体一段足够长的时间以加热所述碳源，其中所述碳源是选自如下的固体源：木炭、焦炭、碳纤维、石墨、无定形碳、铸铁及其任意组合；以及
从所述碳源将至少一部分所述碳通过所述第一表面区域转移到所述物体。
43.根据权利要求42的方法，其中所述等离子体催化剂包括粉末碳、碳纳米管、碳纳米粒子、碳纤维、石墨、金属、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、有机无机复合物及其任意组合中的至少一种。
44.根据权利要求43的方法，其中所述等离子催化剂包括至少一种碳纤维。
45.根据权利要求42的方法，其中所述等离子体催化剂包括x射线、γ辐射、α粒子、β粒子、中子、质子及其任意组合中的至少一种。
46.根据权利要求42的方法，其中所述等离子体催化剂包括电子和离子中的至少一种。
47.根据权利要求42的方法，其中所述转移步骤无需包括所述等离子体。
48.根据权利要求47的方法，还包括将所述碳源设置在所述第一表面附近的位置。
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