具有更高的羽流稳定性和加热效率的微波等离子体喷嘴

摘要

披露了用于产生微波等离子体的系统和方法。本发明提供了微波等离子体喷嘴(26)，它包括气流管(40)和棒状导体(34)，该棒状导体设置在气流管(40)中并具有位于气流管(40)的出口附近的尖端(33)。棒状导体(34)的一部分(35)延伸至微波空腔(34)中以接收在空腔(24)中穿过的微波。所接收到的这些微波聚集在尖端(33)处，将气体加热成等离子体。微波等离子体喷嘴(26)还包括位于棒状导体(34)与气流管(40)之间的涡流引导件(36)，用于使流经气流管(40)的气体具有螺旋形流动方向。微波等离子体喷嘴(26)还包括屏蔽机构(108)，用于降低穿过气流管(40)时的微波能量损失。

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体发生器，具体涉及具有将等离子体羽流排出的喷嘴的装置，所述等离子体羽流可以采用微波产生。

背景技术

近年来，在产生等离子体方面的方法不断取得进展。通常，等离子体由带正电离子、中性物质和电子构成。一般来说，等离子体可以划分成两类：热平衡等离子体和非热平衡等离子体。热平衡意味着包括带正电离子、中性物质和电子的所有物质的温度都是相同的。

等离子体也可以分成局部热平衡(LTE)等离子体和非LTE等离子体，这种划分通常与等离子体的压力有关。术语“局部热平衡(LTE)”指的是这样一种热力学状态，其中所有等离子体物质(plasma species)的温度在等离子体的局部区域中是相同的。

高的等离子体压力在等离子体中引起每单位时间间隔内的大量碰撞，从而导致在包括等离子体的物质之间的充分能量交换，这也就导致等离子体物质的温度相同。另一方面，低的等离子体压力可能由于在等离子体物质之间的不充分碰撞而导致等离子体物质的一个或多个温度。

在非LTE离子体中，或者仅仅在非热平衡等离子体中，所述离子和中性物质的温度通常小于100℃，而电子的温度可以高达几万摄氏度。因此，非LTE等离子体可以在不消耗大量能量的情况下作为用于强应用还有弱应用的高反应性工具。这种“热冷性(hot coolness)”对于各种应用而言能够具有多种加工可能性和经济机会。强应用包括金属沉积系统和等离子体切割机，弱应用包括等离子体表面清洁系统和等离子体显示器。

其中一种应用是等离子体消毒，它使用等离子体来毁灭微生物生命，包括高抵抗性细菌内生孢子。消毒是确保最终使用的医疗和牙科装置、材料以及织物的安全性的关键步骤。在医院和工业中所使用的现有消毒方法包括高压蒸煮、环氧乙烷气体(EtO)、干燥加热以及用伽马射线或电子束照射。这些技术存在许多必须要解决和克服的问题，这些问题包括热敏性和受热破坏、形成有毒副产物、高操作成本以及整个循环期间内的低效率。因此，卫生保健部门和工业上一直需要这样一种消毒技术，该技术能够在室温附近并且以更短的时间起作用，同时不会对包括各种热敏电子部件和设备的大多数医疗材料造成结构损坏。

新医疗材料和装置的这些变化已经使得采用传统消毒方法进行消毒存在非常大的挑战。已经提出一种采用由过氧化氢产生的低压等离子体(或者等同地，低于大气压的等离子体)的方案。但是，由于该方法所需的批处理单元的复杂性和高操作成本，这种技术的医学使用局限于非常特定的应用。还有，低压等离子体系统产生具有主要用于解毒和局部消毒的基团的等离子体，这在该方法的操作效率方面具有负面影响。

也可以产生用于处理表面例如预处理塑料表面等的大气等离子体。美国专利No.6677550(Frnsel等人)教导了一种产生大气等离子体的方法。Frnsel等人披露了图1中的等离子体喷嘴，其中高频发生器在针状电极18与管状导电外壳10之间施加高电压。因此，在它们之间形成放电以作为加热机构。Frnsel等人的以及其它的使用高电压AC或脉冲DC来诱发喷嘴内的电弧和/或放电从而形成等离子体的现有系统具有各种效率缺陷。这是因为初始等离子体在喷嘴内产生，并且它由狭窄狭缝引导。这种设置使得一些活性基团在喷嘴内损失掉。它还存在其它问题，即，这种喷嘴设计能耗较高并且产生高温等离子体。

在美国专利No.3353060(Yamamoto等人)中描述了另一种产生大气等离子体的方法。Yamamoto等人披露了一种高频放电等离子体发生器，其中将高频能量提供到适当的排出气流中以在该气流内产生高频放电。这在非常高的温度下产生离子化气体的等离子体焰。Yamamoto等人使用了在图3中所示的可伸缩导电棒30和相关的部件，采用复杂的机构激发出等离子体。Yamamoto等人的装置中还包括共轴波导3，它是导体并且形成高频能量传输路径。这种设计的另一个缺点在于，等离子体中的离子和中性物质的温度为5000至10000℃，这无法用于消毒，因为这些温度会很容易损坏所要消毒的物品。

使用微波是产生等离子体的传统方法中的一种。但是，现有微波技术产生的等离子体是不适用的或者不是最有效的，这些等离子体由于下列中的一个或多个缺陷而消毒效率极低：它们的高的等离子体温度，等离子体的低能量域，高操作成本，消毒的周转时间太长，设备的初始成本较高，或者它们利用真空系统使用低压(通常低于大气压)。因此，需要这样一种消毒系统：1)比目前可用的消毒系统更便宜；2)使用产生相对较冷的等离子体的喷嘴；以及3)在大气压下操作，因此不需要任何真空设备。

发明内容

本发明提供了利用大气压产生相对较冷的微波等离子体的各种系统和方法。这些系统具有较低的单位成本，并且以更低的操作成本、更低的能耗和较短的消毒周转时间在大气压下操作。相对较冷的微波等离子体由喷嘴产生，与现有的等离子体产生系统不同的是，所述喷嘴以更高的操作效率在大气压下进行操作。

与涉及了真空腔室的低压等离子体相反，大气压等离子体给用户带来许多明显的优点。大气压等离子体系统使用了紧凑的包装，这使得该系统更容易构造并且不再需要昂贵的真空腔室和泵运系统。还有，大气压等离子体系统能够安装在各种环境中而无需附加的设施，并且其操作成本和维护要求最低。实际上，大气压等离子体消毒系统的主要特征在于，其具有以方便使用的方式并以更快的周转周期对热敏物体进行消毒的能力。大气压等离子体消毒能够实现包括原子氧、羟基基团的反应性中性物质和产生离子体的UV光的直接效果，所有这些均能攻击细菌细胞膜并且对它造成破坏。因此，申请人认识到了将产生大气压等离子体的装置作为有效的、低成本的消毒装置的需求。

根据本发明的一个方面，披露了一种从微波和气体产生等离子体的微波等离子体喷嘴。该微波等离子体喷嘴包括用于让气流从其中穿过的气流管，其中该气流管具有包括微波基本上可透过的材料的出口部。该出口部指的是包括边缘和在该边缘附近的一部分气流管的那一段。喷嘴还包括设置在气流管中的棒状导体。该棒状导体可以包括设置在气流管的出口部附近的尖端。喷嘴还可以包括设置在棒状导体与气流管之间的涡流引导件。涡流引导件具有至少一个相对于棒状导体的纵向轴线成一角度的通道，用于使沿着该通道通过的气体具有围绕着棒状导体的螺旋形流动方向。可以在涡流引导件内设置通道或多个通道，和/或该(这些)通道可以是设置在涡流引导件的外表面上的渠道，因而它们位于涡流引导件与气流管之间。

根据本发明的另一个方面，用于从微波和气体产生等离子体的微波等离子体喷嘴包括让气流从其中穿过的气流管、设置在气流管中的棒状导体以及设置在棒状导体与气流管之间的涡流引导件。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端。涡流引导件具有至少一个相对于棒状导体的纵向轴线成一角度的通道，使沿着该通道通过的气体具有围绕着棒状导体的螺旋形流动方向。

根据本发明的另一个方面，用于从微波和气体产生等离子体的微波等离子体喷嘴包括用于让气流从其中穿过的气流管、设置在气流管中的棒状导体、用于降低穿过气流管时的微波能量损失的接地屏蔽件以及设置在棒状导体与接地屏蔽件之间使棒状导体相对于接地屏蔽件牢固地固定的位置保持器。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端。接地屏蔽件具有用于接收从其中穿过的气流的孔，且接地屏蔽件装配在气流管的外表面中。

根据本发明的另一个方面，提供了用于产生等离子体的设备。该设备包括：微波空腔，它具有形成一部分气流通道的壁；用于让气流从其中穿过的气流管，该气流管具有与微波空腔连接的入口部，且该气流管具有包括介电材料的出口部。喷嘴还包括设置在气流管中的棒状导体。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端。棒状导体的一部分设置在微波空腔中，能够接收从微波空腔中穿过的微波。微波等离子体喷嘴还可以包括用于降低穿过气流管时的微波能量损失的部件。用于降低微波能量损失的部件可以包括相邻于气流管的一部分设置的屏蔽件。该屏蔽件可以设在气流管的外部和/或内部。喷嘴还可以设有相邻于气流管的一部分设置的接地屏蔽件。也可以设有用于降低穿过气流管时的微波损失的屏蔽机构。该屏蔽机构可以是设置在气流管之内的内部屏蔽管或者覆盖着一部分气流管的接地屏蔽件。

根据本发明的另一个方面，等离子体产生系统包括微波空腔和与微波空腔操作性连接的喷嘴。喷嘴包括：具有由介电材料制成的出口部的气流管、设置在气流管中的棒状导体、与微波空腔连接并设置在气流管外表面上的接地屏蔽件以及设置在棒状导体与接地屏蔽件之间使棒状导体相对于接地屏蔽件牢固地固定的位置保持器。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端和设置在微波空腔中用于收集微波的一部分。接地屏蔽件降低了穿过气流管时的微波能量损失，并且具有用于接收从其中穿过的气流的孔。

根据本发明的另一个方面，披露了一种等离子体产生系统。等离子体产生系统包括：用于产生微波的微波发生器；电源，它与微波发生器连接以向微波发生器供电；微波空腔，它具有形成一部分气流通道的壁；波导，它与微波空腔操作性连接，用于将微波输送给微波空腔；绝缘件，用于使从微波空腔反射的微波耗散；用于让气流从其中穿过的气流管，该气流管具有包括介电材料的出口部，该气流管还具有与微波空腔连接的入口部；以及设置在气流管中的棒状导体。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端。棒状导体的一部分设置在微波空腔中，用于接收或收集微波。在棒状导体与气流管之间还可以设有涡流引导件。涡流引导件具有至少一个相对于棒状导体的纵向轴线成一角度的通道，使得沿着该通道通过的气体具有围绕着棒状导体的螺旋形流动方向。

根据本发明的另一个方面，披露了一种等离子体产生系统。等离子体产生系统包括：用于产生微波的微波发生器；电源，它与微波发生器连接以向微波发生器供电；微波空腔；波导，它与微波空腔操作性连接以将微波输送给微波空腔；绝缘件，用于使从微波空腔反射的微波耗散；用于让气流从其中穿过的气流管，该气流管具有包括介电材料的出口部；设置在气流管中的棒状导体；接地屏蔽件，它与微波空腔连接并被构造成用于降低穿过气流管时的微波能量损失；以及位置保持器，它设置在棒状导体与接地屏蔽件之间，用于使棒状导体相对于接地屏蔽件牢固地固定。棒状导体具有设置在气流管的出口部附近的尖端。棒状导体的一部分设置在微波空腔中，用于接收或收集微波。接地屏蔽件具有用于接收从其中穿过的气流的孔，且该接地屏蔽件设置在气流管的外表面上。

根据本发明的另一个方面，提供了一种使用微波产生等离子体的方法。该方法包括以下步骤：提供微波空腔；提供气流管和沿着气流管的轴向方向设置的棒状导体；使棒状导体的第一部分与气流管的出口部相邻，并将棒状导体的第二部分设置在微波空腔中；将气体提供给气流管；将微波输送给微波空腔；用棒状导体的至少第二部分接收所输送的微波；以及使用在将气体提供给气流管的步骤中提供的气体并通过使用在接收步骤中接收到的微波来产生等离子体。

通过阅读下面更全面描述的本发明细节，本领域技术人员将会了解本发明的这些和其它优点及特征。

附图说明

图1为根据本发明第一实施方案的具有微波空腔和喷嘴的等离子体产生系统的示意图。

图2为沿着在图1中所示的A-A线剖开的微波空腔和喷嘴的局部剖视图。

图3为包括在图2所示喷嘴中的气流管、棒状导体和涡流引导件的分解视图。

图4A-图4C为沿着在图1中所示的A-A线剖开的微波空腔和喷嘴的替换实施方案的局部剖视图。

图5A-图5F为在图2中所示的气流管、棒状导体和涡流引导件的替换实施方案的剖视图，它们包括用于提高喷嘴效率的附加部件。

图6A-图6D显示了在图2中所示的气流管的替换实施方案的剖视图，它们包括气流管的外部的四种不同几何形状。

图6E和6F分别为在图6D中所示的气流管的透视图和顶视图。

图6G显示了在图2中所示的气流管的另一个替换实施方案的剖视图。

图6H和6I分别为在图6G中所示的气流管的透视图和顶视图。

图7A-图7I为在图2中所示的棒状导体的替换实施方案。

图8为根据本发明第二实施方案的具有微波空腔和喷嘴的等离子体产生系统的示意图。

图9为沿着在图8中所示的B-B线剖开的微波空腔和喷嘴的局部剖视图。

图10为在图9中所示的喷嘴的分解透视图。

图11A-图11E为在图9中所示的喷嘴的替换实施方案的剖视图，它们包括喷嘴中的气流管和棒状导体的各种结构。

图12为一流程图，说明了根据本发明、使用在图1和图8中所示的系统产生微波等离子体的示例性步骤。

具体实施方式

图1为根据本发明一个实施方案的具有微波空腔和喷嘴的微波等离子体产生系统的示意图。如图所示，由附图标记10表示的系统可以包括：微波空腔24；微波供给单元11，用于将微波提供给微波空腔24；波导13，用于将微波从微波供给单元11输送到微波空腔24；以及与微波空腔24连接的喷嘴26，用于从微波空腔24接收微波，并使用从气体容器30接收到的气体和/或气体混合物产生大气等离子体28。可以将市售的滑动式短路32连接在微波空腔24上，以通过调节微波相位来控制微波空腔24内的微波能量分布。

微波供给单元11将微波提供给微波空腔24，并且可以包括：用于产生微波的微波发生器12；用于向微波发生器供电的电源14；以及具有虚载荷16和循环器18的绝缘件15，所述虚载荷用于使朝着微波发生器12传播的反射微波耗散，所述循环器用于将反射微波引向虚载荷16。

在替换实施方案中，微波供给单元11还可以包括：用于测量微波通量的耦合器20；以及用于减少从微波空腔24反射的微波的调谐器22。图1中所示的微波供给单元11的各部件都是公知的，在这里只是示例性地列出。还有，在不脱离本发明的情况下，可以用能够将微波提供给微波空腔24的系统代替微波供给单元11。同样，可以用移相器代替滑动式短路32，所述移相器可以设置在微波供给单元11中。通常，移相器安装在绝缘件15与耦合器20之间。

图2为沿着在图1中的A-A线剖开的微波空腔24和喷嘴26的局部剖视图。如图所示，微波空腔24包括：壁41，它形成用于允许来自气体容器30的气体进入的气体通道42；以及空腔43，用于容纳从微波发生器12输送的微波。喷嘴26包括：气流管40，它与上述空腔壁或用于形成气体通道42的结构密封在一起并从那里接收气体；棒状导体34，它的一部分35设置在微波空腔24中以从微波空腔24内接收微波；以及涡流引导件36，它设置在棒状导体34与气流管40之间。涡流引导件36可以设计成将各个部件牢固地固定在适当位置上。

气流管40的出口部的至少某些部分可以由导电材料制成。用作气流管的外部部分的导电材料将起到屏蔽件的作用，并将改善等离子体效率。采用导电材料的出口部的那个部分可以位于例如气流管的出口边缘处。

图3为在图2中所示的喷嘴26的分解透视图。如图3所示，棒状导体34和气流管40可以分别与涡流引导件36的内、外周边接合。棒状导体34作为从微波空腔24收集微波的天线，并将所收集的微波聚集在锥形尖端33上，使用流经气流管40的气体产生等离子体28。棒状导体34可以由能够传导微波的任意材料制成。棒状导体34可以由铜、铝、铂、金、银和其它导电材料制成。术语“棒状导体”应涵盖具有各种横截面例如圆形、卵形、椭圆形或长圆形横截面等或其组合的导体。优选的是，棒状导体不应具有会使其两个部分相交而形成一夹角(或者尖锐点)的横截面，因为微波将集中在这个区域中并会降低该装置的效率。

气流管40为整个喷嘴26提供机械支撑，并且可以由能够让微波以非常低的能量损失穿过的任意材料(微波基本上可透过的材料)制成。该材料可以优选为石英或其它传统的介电材料，但是不限于此。

涡流引导件36具有至少一个通道或渠道38。如图2所示，通道38(或者多个通道)使流经气流管的气体具有围绕着棒状导体34的螺旋形流动方向。气体涡流通道37能够增大等离子体28的长度和稳定性。它还使得导体在长度方面比采用其它方式产生等离子体所需的长度更短。优选的是，涡流引导件36可以由陶瓷材料制成。涡流引导件36可以由任意其它的能够承受暴露于高温的非导电材料制成。例如，涡流引导件36可采用也是微波可透过材料的高温塑料。

在图3中，每个贯通孔或通道38示意性地显示为相对于棒状导体的纵向轴线成一角度，并且其形状可以使流经通道或多个通道的气体呈螺旋式或盘旋式流动。但是，所述通道或多个通道可以具有其它的几何流动通道形状，只要该流动通道可以导致围绕着棒状导体的涡流即可。

回到图2，微波空腔壁41形成用于让来自气体容器30的气体进入的气体通道。气流管40的入口部与壁41的一部分连接。图4A-图4C显示出在图2中所示的供气系统的各种实施方案，它们具有与图2中的对应部分类似的部件。

图4A为在图2中所示的微波空腔和喷嘴布置方式的替换实施方案的局部剖视图。在该实施方案中，微波空腔44具有壁47，该壁形成与气体容器30连接的气流通道46。喷嘴48包括棒状导体50、与微波空腔壁46连接的气流管54以及涡流引导件52。在该实施方案中，气流管54可以由允许微波以非常低的能量损失穿过的任意材料制成。因此，流经气流管54的气体可以在到达棒状导体50的锥形尖端之前在微波空腔44内被预热。在第一替换实施方案中，气流管54的上部53可以由微波基本上可透过的材料例如介电材料制成，而其它部分55可以由导电材料制成，并且出口部具有微波基本上可透过的材料。

在第二替换实施方案中，气流管54的上部53可以由介电材料制成，其它部分55可以包括两个子部分：位于气流管54出口部附近且由介电材料制成的子部分以及由导电材料制成的子部分。在第三替换实施方案中，气流管54的上部53可以由介电材料制成，其它部分55可以包括两个子部分：位于气流管54出口部附近且由导电材料制成的子部分以及由介电材料制成的子部分。如在图2中所示的情况一样，由棒状导体50的一部分接收的微波聚集在锥形尖端上，将气体加热成等离子体56。

图4B为在图2中所示的微波空腔和喷嘴的另一个实施方案的局部剖视图。在图4B中，整个微波空腔58形成与气体容器30连接的气流通道。喷嘴60包括棒状导体62、与微波空腔58连接的气流管66以及涡流引导件64。如在图2中所示的情况一样，由棒状导体62的一部分收集的微波聚集在锥形尖端上，将气体加热成等离子体68。

图4C为在图2中所示的微波空腔和喷嘴的另一个实施方案的局部剖视图。在图4C中，喷嘴72包括棒状导体74、与气体容器30连接的气流管78和涡流引导件76。在该实施方案中，与图4A-图4B的系统不同的是，微波空腔70没有与气体容器30直接连接。气流管78可以由微波基本上可透过的材料制成，因此，气体可以在到达棒状导体74的锥形尖端之前在微波空腔70内被预热。如在图2的情况中一样，由棒状导体74的一部分收集的微波聚集在锥形尖端上，将气体加热成等离子体80。在该实施方案中，来自容器30的气流从延伸通过微波空腔的气流管78中穿过。然后，气体流过涡流引导件76，并在锥形尖端附近被加热成等离子体80。

如图2所示，棒状导体34的一部分35插入到空腔43中以接收和收集微波。然后，这些微波沿着导体34的表面传播，并聚集在锥形尖端处。由于一部分传播的微波会在穿过气流管40时损失掉，所以，如图5A-图5B所示，可以使用屏蔽机构来提高喷嘴的效率和安全。

图5A为在图2中所示的喷嘴的替换实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴90包括棒状导体92、气流管94、涡流引导件96以及用于降低穿过气流管94时的微波能量损失的内部屏蔽件98。内部屏蔽件98可以具有管状形状，并且可以设置在沿着涡流引导件96外周边形成的凹槽中。内部屏蔽件98提供了对围绕着棒状导体92的螺旋流动方向的额外控制，并通过改变气流管94与棒状导体92之间的间隙来提高等离子体的稳定性。

图5B为在图2中所示的喷嘴的另一个实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴100包括棒状导体102、气流管104、涡流引导件106以及用于降低穿过气流管104时的微波能量损失的接地屏蔽件108。接地屏蔽件108能够覆盖气流管104的一部分并由铜等金属制成。与内部屏蔽件98相同，接地屏蔽件108能够提供对围绕着棒状导体102的螺旋流动方向的额外控制，并能够通过改变气流管104与棒状导体102之间的间隙来提高等离子体稳定性。

应用在图2和4A-图4C中所示的喷嘴上的主加热机构是在棒状导体尖端处聚集并放电的微波，其中喷嘴能够产生用于消毒的非LTE等离子体。非LTE等离子体中的离子和中性物质的温度可以小于100℃，而电子的温度可以高达几万摄氏度。为了提高电子温度并且提高喷嘴效率，如图5C-图5F所示，喷嘴可以包括附加机构，其用来在气体位于气流管内的同时电子激发所述气体。

图5C为在图2中所示的喷嘴的另一个实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴110包括棒状导体112、气流管114、涡流引导件116以及用于电子激发在气流管114中流动的气体的一对外部磁体118。这对外部磁体118中的每一个可以形成为圆柱体的一部分，所述圆柱体具有例如围绕着气流管114的外表面设置的半圆形横截面。

图5D为在图2中所示的喷嘴的另一个实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴120包括棒状导体122、气流管124、涡流引导件126以及用于电子激发在气流管124中流动的气体的一对内部磁体128，这对内部磁体由涡流引导件126固定在气流管124中。这对外部磁体128中的每一个可以形成为具有例如半圆形横截面的圆柱体的一部分。

图5E为在图2中所示的喷嘴的另一个实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴130包括棒状导体132、气流管134、涡流引导件136、一对外部磁体138以及内部屏蔽件140。外部磁体118中的每一个可以形成为具有例如半圆形横截面的圆柱体的一部分。在替换实施方案中，内部屏蔽件140可以具有大体上的管状形状。

图5F为在图2中所示的喷嘴的另一个实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴142包括棒状导体144、气流管146、涡流引导件148、阳极150以及阴极152。阳极150和阴极152连接在电源(为了简化起见未示出)上。该布置使得阳极150和阴极152能够电子激发在气流管146中流动的气体。阳极和阴极产生电磁场，该电磁场在气体通过该磁场时使气体带电。这使得等离子体具有更高的能势，并提高了等离子体的平均寿命。

图5A-图5F为在图2中所示的喷嘴的各个实施方案的剖视图。应该理解的是，在图5A-图5F中所示的各个替换实施方案也可以代替在图4A-图4C中所示的喷嘴使用。

回到图2-图3，气流管40被描述成直管。但是，气流管40的横截面可以沿着其将螺旋流动方向37引向尖端33的长度发生改变，如图6A-图6B所示。例如，图6A为喷嘴26(图2)的替换实施方案的局部剖视图。如图所示，喷嘴160可以具有棒状导体166以及包括笔直部分163和截头圆锥部分164的气流管162。图6B为喷嘴26的另一个替换实施方案的剖视图，其中气流管170具有笔直部分173和弯曲部分，该弯曲部分例如是钟形部分172。

图6C为喷嘴26(图2)的另一个替换实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴176可以具有棒状导体182和气流管178，其中气流管178具有笔直部分180和用于拉伸等离子体羽流长度并增强羽流稳定性的延伸引导部分181。图6D为喷嘴26的另一个替换实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴184可以具有棒状导体188和气流管186，其中气流管186具有笔直部分187和用于改变等离子体羽流几何形状的羽流改变部分183。

图6E和6F分别为在图6D中所示的气流管186的透视图和顶视图。气流管186的入口192可以具有大体上的圆形形状，而出口180可以具有大体上的细长狭缝形状。羽流改变部分183可以改变等离子体羽流的横截面几何形状，使其从锥形尖端处的大体上的圆形改变为出口190处的大体上的窄条形。

图6G为喷嘴26的另一个替换实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴193可以具有棒状导体194和气流管195，其中气流管195具有笔直部分196和用于扩展等离子体羽流直径的羽流扩展部分197。

图6H和6I分别为在图6G中所示的气流管195的透视图和顶视图。羽流扩展部分197可以具有大体上的钟形形状，其中羽流扩展部分197的出口199的直径大于入口198的直径。在等离子体从棒状导体的尖端向出口199传播时，等离子体羽流直径会增大。

如图2所示，微波由延伸至微波空腔24中的棒状导体34的收集部分35接收。这些微波沿着棒状导体向下朝着锥形尖端33传播。更具体地说，微波由棒状导体34的表面接收并且沿着它传播。与微波穿透和迁移有关的趋肤深度是微波频率和导体材料的函数。微波穿透距离可以小于一毫米。因此，图7A所示的具有中空部分201的棒状导体200是棒状导体的替换实施方案。

已经知道，一些贵金属是良好的微波导体。因此，为了减少该装置的单位价格而不影响棒状导体的性能，可以由作为良好微波导体的贵金属来制成棒状导体的表层，而将更便宜的导电材料用作芯的内部。图7B是棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中棒状导体202包括由贵金属制成的表层206和由较便宜的导电材料制成的芯层204。

图7C是棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中棒状导体208包括圆锥形的尖端210。也可以使用其它的剖面变形方案。例如，圆锥形尖端210可能相对于棒状导体208的其它部分被等离子体侵蚀得更快，因此可能需要周期性地更换。

图7D是棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中棒状导体212具有代替尖头尖端的钝头尖端，以延长其使用寿命。

图7E是棒状导体的另一个替换实施方案的剖面图，其中棒状导体216具有通过适当的紧固机构222固定在圆柱形部分220上的锥形部分218(在这种情况下，锥形部分218可以利用螺纹端222螺纹连接在圆柱形部分220中)，以方便和快速地对其进行更换。

图7F-图7I显示了棒状导体的另一些替换实施方案的剖面图。如图所示，棒状导体221、224、228和234分别与它们的对应物34(图2)、200(图7A)、202(图7B)和216(图7E)类似，不同之处在于它们具有钝头尖端，以降低由等离子体造成的侵蚀速率。

图8是根据本发明另一个实施方案的用于产生微波等离子体且具有微波空腔和喷嘴的系统的示意图。如图所示，该系统可以包括：微波空腔324；微波供给单元311，用于将微波提供给微波空腔324；波导313，用于将微波从微波供给单元311输送到微波空腔324；以及与微波空腔324连接的喷嘴326，用于从微波空腔324接收微波，并使用从气体容器330接收到的气体和/或气体混合物产生大气等离子体328。系统310可以类似于系统10(图1)，而区别在于，喷嘴326可以通过气体管线或者管道343直接从气体容器330接收气体。

图9显示了沿着图8中的B-B线剖开的微波空腔324和喷嘴326的局部剖视图。如图所示，喷嘴500可以包括：气流管508；接地屏蔽件510，用于降低穿过气流管508时的微波损失并与空腔壁342密封在一起，气流管508紧密装配在接地屏蔽件510中；棒状导体502，其一个部分504设置在微波空腔324中用于从微波空腔324内接收微波；位置保持器506，它设置在棒状导体502与接地屏蔽件510之间，并被构造成用于使棒状导体502相对于接地屏蔽件510牢固地固定；以及供气机构512，用于将气体管线或管道343与接地屏蔽件510连接。位置保持器506、接地屏蔽件510、棒状导体502和气流管508的材料可以分别与涡流引导件36(图2)、接地屏蔽件108(图5B)、棒状导体34(图3)和气流管40(图3)的材料相同。例如，接地屏蔽件510可以由金属并且优选由铜制成。气流管508可以由传统的介电材料并且优选由石英制成。

如图9所示，喷嘴500可以通过供气机构512接收气体。供气机构512可以将气体管线343连接在接地屏蔽件510上，所述供气机构例如可以是由SMC Corporation of America，Indianapolis，IN制造的气动单触式连接头(型号No.KQ2H05-32)。供气机构512的一端可以有螺栓，该螺栓与在接地屏蔽件510中的穿孔或孔514边缘处形成的内螺纹配合(如图10所示)。要指出的是，本发明可以用其它的能将气体管线343连接在接地屏蔽件510上的合适装置来实施。

图10为在图9中所示的喷嘴的分解透视图。如图所示，棒状导体502和接地屏蔽件510可以分别与位置保持器506的内、外周边接合。棒状导体502可以具有一个部分504作为从微波空腔324收集微波的天线。所收集的微波可以沿着棒状导体502传播，并使用流经气流管508的气体产生等离子体505。如棒状导体34的情况(图3)一样，术语“棒状导体”应涵盖具有各种横截面例如圆形、卵形、椭圆形或长圆形横截面或其组合的导体。

要指出的是，棒状导体502可以是图7A-图7I中所示的各个实施方案中的一个。例如，图11A显示了喷嘴520的替换实施方案，其具有与图7F所示棒状导体221相同的棒状导体524。

图11B为在图9中所示的喷嘴的替换实施方案的剖视图。如图所示，喷嘴534可以包括棒状导体536、接地屏蔽件538、外表面紧密装配在接地屏蔽件538内表面上的气流管540、位置保持器542以及供气机构544。气流管540可以在其壁中设有孔以形成气体通道，并且可以固定在沿着位置保持器542外周边形成的凹槽中。

气流管508(图10)可以具有类似于图6A-图6I所示的替换实施方案。例如，图11C-图11E为喷嘴500的替换实施方案的剖视图，这些喷嘴分别具有羽流改变部分552、延伸引导部分564和羽流扩展部分580。

图12为用附图标记600表示的流程图，其显示了使用图1和图8所示系统产生微波等离子体的方案可以采取的示例性步骤。在步骤602中，提供微波空腔以及具有气流管和棒状导体的喷嘴，其中棒状导体沿着气流管的轴向方向设置。接下来，在步骤604中，将棒状导体的一部分设置在微波空腔中。还有，棒状导体的尖端位于气流的出口附近。然后，在步骤606中，将气体注入到气流管中，且在步骤608中将微波输送给微波空腔。接下来，在步骤610中，所输送的微波由前述设置的那部分棒状导体接收。因此，在步骤612中，所收集的微波聚集在棒状导体的尖端处，将气体加热成等离子体。

虽然已经参照其具体实施方案对本发明进行了说明，但是应该理解的是，前面涉及的是本发明的优选实施方案，在不脱离所附权利要求中提出的本发明精神和范围的情况下可以作出各种变化。