等离子气体发生器

关联申请的引用

本申请基于2021年1月23日提交的美国临时申请号63/140,852和2021年1月25日提交的美国临时申请号63/141,416(两者均通过引用整体并入本文)。本申请还通过引用并入了2019年2月11日提交的美国申请16/272,416。

技术领域

本发明一般涉及使用等离子体定向电子束生产有用的气体，更具体地说，涉及使用等离子体定向电子束生产氮氧化物的方法和装置。

背景技术

氮氧化物(NxOx)是已知的抗菌剂和灭菌剂，在生命科学中有许多应用。然而，由于它们通常具有毒性以及保存期短，因此其可用性有限。需要一种根据需求生产NxOx的方法，以避免它们有限的保存期限所带来的问题，并避免/减少库存/储存有毒气体的需求。本发明尤其满足了这一需求。

发明内容

为了提供对本发明某些方面的基本理解，下文给出了本发明的简要概述。本概述并不是对本发明的全面概述。其不旨在标识本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

美国专利申请号9,993,282中描述的同轴能量输送系统(其全部内容在此引入作为参考)利用等离子体的绝缘特性作为波导来限制和引导射频(RF)电能的相干电磁波。换言之，系统使用等离子体来提供将电磁波传送到目标材料的路径。这可以被描述为外部的等离子体“鞘”和内部的束，等离子体和电磁波从发射点同轴传播到目标材料，并因此定义等离子体定向电子束(PDEB)。

通过操纵电磁波的磁分量，将来自电源的电子加速，直到电子作为压缩波，从由管状或柱状的气体流包围的金属导体自发地发射出来，所述气体例如氦、氩和其它惰性气体和/或大气空气。将电子加速到足够的速度，以将管状或柱状的气体流激发到等离子体状态，所述等离子体状态利用等离子体的射频绝缘特性，将电磁波作为可见束同轴地限制和引导到离发射器一定距离的目标材料。无论是波的发射还是波与目标材料的耦合，都不需要实际的路面路径返回。

电磁波的同轴流和被激发成等离子体状态的管状或柱状的气体流之间的关系是共生的。气体流依赖于作为其能量源的电磁波来达到等离子体状态，并且电磁波依赖于等离子体来引导其行进以到达目标。因此，当电磁波能量在沿其轴线与等离子体柱同轴传播时，会形成自己的导管或波导。

等离子体柱的外部用作绝缘体，以限制和压缩射频电磁波，但矛盾的是，在内部，等离子体柱用作超导体，以将电磁波引导到目标材料。因此，与RF能量以不断膨胀的球体形式发出的常规的无线电台广播天线不同，PDEB用气体柱包围RF能量并形成波导，以防止射频以球体形式扩展。压缩的射频可以以高能量密度从RF发射器指向目标材料，所述目标材料可以是液体、固体或气体。

在这种同轴系统中，传送到目标的电磁波处于特定频率，可以使材料在其主频率或谐波频率上共振，从而将这种材料的电子提升到更高的能量状态，这尤其导致光子的发射。这使得目标材料更容易和有效地熔化、蒸发、离解或以其他方式发生变化，具体取决于期望的结果。这种同轴能量传输系统提供了一种可靠的装置来电化学地操纵和改变物质。

申请人已经发现，PDEB不仅能熔化、蒸发或离解目标材料，而且还可以以选择性和可预测的方式来离解用于形成等离子体的气体分子。不受特定理论的束缚，申请人相信，当PDEB从电极传播时，PDEB通过等离子体鞘可提供一致且可预测的径向功率密度。换言之，由于等离子体鞘具有薄的环形轮廓，因此束内的电子束能够均匀地径向对束进行激发。这意味着，不仅通过电极尖端附近的等离子体鞘的功率密度是一致的(使得确保等离子体中原子的离解/电离)，而且当RF功率波从电极尖端向远处传播并损失能量时，等离子体鞘的功率密度的降低也是一致的，从而选择性地允许原子结合。例如，如果使用空气作为等离子体气体，则PDEB可以被激发以将空气中发现的双原子分子N2和O2离解为它们的单原子单元，即N和O。然后，当等离子体鞘层从电极的端部向远处传播、以及等离子体鞘层中的径向功率密度下降时，原子(例如，氮和氧)将基于一致的无线电功率密度以可预测的方式结合。更具体地说，在这个特定的实例中，由于氮丰富而氧稀少，并且由于氮的eV远高于氧的eV，因此当穿过等离子体鞘的径向功率密度下降时，丰富的氮将更有可能与稀少的氧结合以形成NO，而不是形成其他结合物，例如二氧化氮(NO2)。

因此，PDEB的一个重要特征是其持续径向地激发等离子体束的能力。这意味着元素在径向穿过等离子体束的电极的尖端附近一致地被电离，然后，当电子束从电极尖端传播出去、电子束的功率减小时，由于等离子体束上一致的径向能量，电离的元素以可预测的方式与其它元素结合。

相反，传统的等离子体产生装置利用电弧、电感耦合、电容放电等方式，仅专注于产生等离子体，并仅依靠等离子体本身做功(仅利用等离子体的自由电子)。在这样的系统中，自由电子的数量是不一致的。在这些系统的每一个系统中，都引入作为等离子体原料的气体流，并垂直于能量源而流动。例如，在利用两个电极的电弧等离子体系统中，气体流通过电弧，使得电弧内的能量传递给气体，提供能量以在气体中形成等离子体状态。包含在等离子体中的能量密度与等离子体的横截面离开电弧的距离成比例地降低。此外，电弧是一种剧烈的电学现象，会导致电极材料的退化和磨损。这需要定期更换电极以及相关的维护。

应当理解，本文公开的系统和方法除了产生氮氧化物之外还具有各种应用。其他应用至少包括以下应用，仅举几个例子：

·例如，通过离解甲烷(CH4)和其他碳氢化合物材料，来生产游离的氢和游离的纳米级碳颗粒。

·对固体、液体和气体材料进行蒸发，以沉积涂层材料。

·通过提高表面能量来对材料的表面进行改性，以改善涂层在这些材料上的粘合，并改善这些材料之间的粘合。

·逆转碳颗粒上的电荷，以使碳纳米材料均匀分离，从而将这种颗粒均匀分配到基底材料上。

·逆转粉煤上的电荷，以在煤颗粒上提供更大的表面积，用于煤的完全燃烧。

·通过这种等离子体定向电子束，从而经济地利用电力对材料进行熔化和蒸发，例如，在3422℃(6192℉)下对钨进行升华仅使用400瓦的功率。

·对原核生物(病原体)进行破坏和干燥处理，以便对表面(包括手术部位的哺乳动物细胞)进行消毒，同时不对哺乳动物细胞造成伤害。

·通过刺激血液流向伤口部位，以及刺激成纤维细胞释放胶原蛋白等，从而加速伤口愈合。

·通过向伤口区域局部引入一氧化氮气体来加速肌腱、韧带和其他软组织的愈合。

·对人类口腔中导致牙周病和其他口腔疾病的病原微生物进行消灭，而不对哺乳动物细胞造成伤害。

·对大气空气进行加热，以干燥谷物。

·通过对病原体进行消灭以及对水中有害物质的毒性进行中和来净化水。

·在污水处理中消灭人畜污水中的病原体并减少人畜污水的体积。

·对医疗废弃物进行销毁。

·对城市垃圾进行热解以回收甲烷。

因此，在一个实施例中，本发明包括一种产生输出气体的方法，其包括：(a)用从电极尖端传播的RF功率对输入气体进行等离子体化，以形成由管约束的环形等离子体鞘，所述RF功率在环形等离子体鞘内传播；以及(b)当环形等离子体鞘从电极的尖端向远处传播时，形成输出气体。

在另一个实施例中，本发明包括气体发生器系统，其包括：(a)射频(RF)电源；(b)至少一个具有第一端和第二端的反应器，所述反应器至少包括：(i)在第一端的气体输入端，用于接收来自气体源的输入气体；(ii)具有轴的细长的管；(iii)设置在第一端的电极，所述电极的至少一部分轴向设置在管内，所述电极可操作地连接到RF电源，所述电极具有配置成发射RF功率的尖端，使得RF功率沿管轴向传播，所述电极限定用于从气体输入端接收输入气体并将输入气体排入管内的通道，使得输入气体沿管轴向且呈层状流动；以及(iv)与管流体连通以接收来自管的输出气体的气体输出端；其中来自电极的RF功率和输入气体沿管的流动足以使RF功率对输入气体进行等离子化，以形成由管约束的环形等离子鞘，RF功率在鞘内传播；其中当环形等离子体鞘从电极尖端向远处传播时，输出气体由环形等离子体鞘形成。

附图说明

图1示出了本发明用于产生氮氧化物的系统的一个实施例。

图2示出了图1的实施例的俯视图。

图3示出了具有出口歧管的图1的系统的多个反应器的横截面图。

图4示出了其中一个反应器与RF线圈之间的连接技术。

图5示出了一个实施例，其中示出了用于点燃环形等离子体鞘的多个点火器501。

图6示出了图5的实施例，反应器的第一端和第二端盖上了盖子。

图7示出了反应器的俯视图。

具体实施方式

在下文的段落中，将参照附图以实例的方式详细描述本发明。在整个说明书中，应将所示的优选实施例和实例视为范例，而非视为对本发明的限制。如本文所用，“本发明”指的是本文描述的本发明的任何一个实施例以及任何等同物。此外，在本申请中对“本发明”的各种特征的引用并不意味着所有要求保护的实施例或方法都必须包括所引用的特征。

参考图1至图7，示出了气体生产系统100的一个实施例。系统可用于对一种气体的元素或多种气体组合的元素进行电离，然后促进它们的受控组合以形成新的气体。在一个实施例中，系统生产氮氧化物(NxOx)和其他气体。在一个实施例中，输出气体包括以下一种或多种：NO、NO2、NO3、N2O、N2O2、N2O3、N2O4、N2O5、N4O、N4O6、HNO3、H2O2和O3。

系统100以透视图示出。在此实施方案中，系统100具有多个反应器101，每个反应器101都具有第一端101a和第二端101b。应该理解，在这些图中，为了简单/清楚起见，省略了连接输入和输出的各种软管和导体。

参考图3，系统100的反应器101以横截面示出。在一个实施例中，每个反应器都至少包括在第一端用于接收来自气体源的输入气体的气体输入端102、具有轴103a的细长的管103、电极104。电极可操作地连接至RF电源，并且设置在第一端，电极的至少一部分轴向设置在管内。电极具有尖端104a，其配置为发射RF功率，使得RF功率沿着管轴向传播。电极限定了通道104b，用于接收来自气体输入端的输入气体，并将输入气体排放到管中，使得输入气体沿管轴向且呈层状流动。气体输出端105与管流体连通，以接收来自管的输出气体。

根据期望的输出气体，输入气体包括电离气体，以及可选的反应气体。例如，在一个实施例中，生产NO，空气不仅用作电离气体，还用作主要的反应气体。在一个实施例中，将额外的反应气体添加到输入气体中，以提高产量和/或改变输出气体。(在此方面，应该理解，输入气体和输出气体可以是单一组分气体，也可以是气体混合物。)例如，在一个实施例中，可以向氧气流中添加惰性气体(例如氦气和氩气)，以确保电离几乎100％生产NO而非生产NOx。其他反应气体可以包括例如氧气、氮气、二氧化碳、氢气、氩气、甲烷、氦气、氪气、氖气以及包括水蒸气在内的其他气体，仅举几例。

在一个实施例中，使用真空泵将包括电离气体和额外的反应气体(如有)的输入气体吸入系统，并且通过流量计来控制气体流。在另一个实施例中，可以使用正压泵而非使用真空泵，来基本上将气体泵送到系统中。根据本公开，将气体引入系统的其他方式对于本领域技术人员来说是显而易见的。此外，本领域技术人员可根据本公开即可对输入气体的流量进行优化，而无需过多的实验。例如，在一个实施例中，其中已经示出了当输入气体是空气，输出气体是一氧化氮(NO)，空气的流速在32磅/平方英寸(psi)的压力下为30立方英尺(ft.3)/小时的时候，可以得到合适的结果。

在图3的实施例中，存在五个反应器。在此特定实施例中，五个反应器中的每一个反应器的气体输出端都连接至公共的输出歧管301。由本发明的系统生产的氮氧化物或其它气体都可以在其离开反应室时使用，或者可以储存/压缩以备后用。

电极可以以不同的方式配置，并且可以包括不同的材料。在一个实施例中，电极是钨，但也可以使用其他材料，例如银或铱。管也可以以不同的方式构造，并且可以包括不同的材料。在一个实施例中，管包括化学非反应性的耐热材料，例如玻璃、石英、熔融石英和莫来石，尽管其他更耐用/更坚韧的材料如耐热聚合物可能是优选的。

在一个实施例中，系统100配置为生产氮氧化物。在这样的实施例中，申请人发现，当使用外径(OD)为0.25英寸、内径(ID)为0.17英寸的6英寸长的石英管，以及使用外径为0.17英寸、内径为0.05英寸的2英寸长的钨电极时，可以取得合适的结果。应该理解的是，提供这些尺寸仅仅是为了说明，并且本领域技术人员将能够根据本公开针对给定的应用对电极中的管进行优化。

图2示出了系统100的顶部透视图。在此视图中，示出了RF调谐系统110，在此特定实施例中，所述RF调谐系统110包括线圈和电容器，所述线圈和电容器用于增加从RF功率发生器(未示出)接收的RF功率(例如电压)。RF功率发生器在上文提及的申请人的美国专利申请号9,993,82中有所描述。如图4所示，RF功率在RF连接器401处连接至电极。

通常，用于对气体进行电离的RF功率应该高于气体分子的电子伏特(eV)。例如，空气大约是1份氧气(O2)和4份氮气(N2)。离解N2需要9.76电子伏特，离解O2则需要5.11电子伏特。此技术提供了离解N2的一致的能级，所述能级高于离解O2所需的能级。在一个实施方案中，在NO的生产中，RF功率优选大于30W、或大于50W、或大于75W、或大于100W、或大于120W、或大于150W、或大于175W。在一个特定实施例中，耦合到电极的RF功率约为130W。在一个实施例中，RF功率的频率为13.56mHz，然而也可以使用其他频率。

作为本文的优选实施例，主频为射频，其可以用作载波，在所述载波可以添加一个或多个附加频率。这些附加频率将是目标材料的共振频率的主频或谐波。此外，同轴能量输送系统可以使用来自功率发生器的替代波形来操作，包括但不限于方波、正弦波、三角波、锯齿波、脉冲直流电、直流电或其他波形。

应当理解，根据本公开，本领域技术人员可以对RF频率和功率进行优化。例如，在一个实施例中，其中已经示出了当空气是输入气体，氮氧化物是输出气体时，在13.56mHz的频率下使用130W的RF功率可以得到合适的结果。

如上所述，来自电极的RF功率和输入气体沿管的流动足以使RF功率对输入气体进行等离子化，以形成由管约束的环形等离子鞘，RF功率在鞘内传播。当RF功率的能量随着其从电极尖端的传播而减少时，等离子体的离子化元素开始结合。在一个实施例中，当环形等离子体鞘从电极的尖端向远处传播时，输出气体由环形等离子体鞘形成。

同轴能量输送系统是可扩展的，并且不限于单个能量发射点。如在表示能量场的正弦波上所表示的，鉴于高势能是可利用的，高势能可以在大范围内分时共享(time-shared)。由正弦波表示的线性路径具有可测量的长度，沿着所述长度可以制造额外的能量发射器，以提供在放电点形成柱状等离子体所需的气体流，鉴于电磁波的线性传播，每个发射器都将产生可见束，每个可见束都由外部的等离子体和内部的束(电磁波)组成。创建每个附加的束的方法可以是简单地在一个传导管中钻孔，该传导管在一端密封，在另一端设置配件，以允许引入用于形成等离子体波导的气体流。传导管可以有几英尺的长度，或者可以是几个具有这种孔的较短长度的管，并且这些管可以放置成例如形成任何几何图案，以适应用于预期用途的同轴能量输送系统的覆盖范围。

在一个实施例中，电极具有轴向限定在尖端的孔口。申请人已经发现，层流排出来自电极的轴向设置的孔口中的气体有助于将气体等离子化成环形结构。

在一个实施例中，空气是原料。由于空气往往难以电离，因此在一个实施例中，使用的是等离子启动器。等离子体启动器可以根据应用而变化。在一个实施例中，将易电离气体(例如氦)短暂地引入到输入气体中，以开始空气的电离。本领域技术人员将理解对气体进行引发/等离子化的其他方法。在另一个实施例中，可以使用点火器对气体进行初始电离，而不是使用易电离的气体对等离子体束进行引燃。例如，参考图5至图7，示出了一个实施方案，其中每个反应器都包括点火器501。在此实施例中，点火器是已知的点火器，例如用于点燃电烤架的点火器。根据本公开，本领域技术人员将理解和认识到，可以使用其他点火器。

尽管如上所述，PDEB系统由于其受控的径向功率密度而提供高选择性，但是在某些应用中，优选使用额外的部件来净化输出气体。例如，在一个实施例中，洗涤器可用于从期望的NO产物流中去除不想要的杂质(例如NO2)。这种洗涤器是众所周知的，并且倾向于采用碱性溶液/碱性固体(例如，氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化钙)。可选地，或者除了洗涤器之外，还可以使用转换器将一种形式的NxOx转换成另一种所需的形式。例如，在一个实施例中，钼转化器或不锈钢转化器用于将NO2转化为NO。根据本公开，对输出流进行净化的其它方法对本领域技术人员来说是显而易见的。

已经描述了本发明的几个特定实施例，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。尽管本文没有明确说明，但通过本公开从而变得显而易见的改变、修改和改进旨在成为说明书的一部分，并且旨在处于本发明的精神和范围内。因此，前文的描述仅仅是示例性的，而非限制性的。本发明仅受以下权利要求及其等同物的限定。