自我平衡的离子化气体流相关申请的交叉引用
本申请根据35U.S.C.第119(e)款要求2009年10月23日提交的、申
请号为No.61/279,610的、题目为“自我平衡的离子化气体流”
(Self-Balancing Ionized Gas Streams)的美国临时申请的优先权，前述临
时申请的所有内容在此全部并入本申请中。
技术领域
本发明涉及使用电晕放电以产生气体离子的静电中和设备。更具体的，
本发明针对生产用于电荷中和的电气自我平衡、双极性离子化气体流。相应地，
本发明的总体目标为提供新颖且具有此类特征的系统、方法、设备、与软件。
背景技术
在纯净环境中的过程和作业特别倾向于在所有电气隔离表面上创造和堆
积静电电荷。这些电荷产生不良电场，电场会将大气悬浮微粒吸引至表面、在
电介质中产生电应力(electrical stress)、在半导体材料与导体材料中诱发
电流、以及在生产环境中引发电气放电和电磁波干扰(EMI)。
要解决这些静电危害，最有效率的方法是将离子化气体流供应至带电荷
的表面。此类型的气体离子化可有效的补偿或中和不良电荷，从而减少关于不
良电荷的污染物、电场以及电磁波干扰效应。产生气体离子化的一种常规方法
被称为电晕放电(corona discharge)。因为基于电晕的离子化装置(例如，见
已公开的专利申请说明书US 20070006478与JP 2007048682)，在小空间内其
能量与离子化可为高效率而被需要。然而，此种电晕放电设备的一个已知缺点
为，在其中使用的高电压离子化电极/发射器(以尖端或细线的形式)，将与需
要的气体离子一同产生不良污染物。电晕放电也可在例如周围空气中激发微小
液滴型式的水气的形成。
常规电晕放电设备的另一个已知的缺点为，在其中使用的高电压离子化
电极/发射器有产生不相等数量的气体正离子与气体负离子的倾向，而非如同
大部分应用所需要的，产生浓度大致相等的正离子与负离子。因为高纯度的正
电性与惰性气体具有高离子化能量与低负电性，在需要离子化正电性气体(诸
如氮气与氩气)的应用中此问题特别严重。举例来说，负电性O2的离子化能量
为12.2电伏，与N2的15.6电伏和氩气的15.8电伏相比。因此，这些气体
有产生大量自由电子，而非负离子的倾向。在此重申，虽然这些气体会产生三
种电荷载子(电子、正离子以及负离子)，但其主要是产生正极性离子与电子。
因此，负离子发射相对稀有，且正离子与负离子的产生完全不相等(不平衡)。
此外，离子不平衡也可产生来自事实：离子产生速率与平衡依赖于一些
其他因素，其他因素为诸如离子化电极的状态、气体温度和气体流组成等等。
举例来说，以下事实在本发明领域中显而易知：电晕放电逐渐地侵蚀正离子电
极与负离子电极两者，且从这些电极中产生污染物粒子。然而，正电极通常以
比负电极快速的速率被侵蚀，且这种现象加剧离子不平衡与离子电流不稳定
性。
传统实践中用于平衡离子流的已知作法，是使用浮接(与地电气隔离)的
高电压直流电源供应器。该电源供应器的高电压输出被连接至正电极与负电极
(如美国专利7,042,694中所示与描述)。然而，此方法需要使用具有被高电压
在其之间隔离的至少两个离子电极。
用于平衡离子流的一种可选的常规方法，是使用两个(正与负)隔离的
直流/脉冲直流电压供应器，且调整应用至一个或两个离子电极的电压输出和/
或电压持续期间(如已公开的美国专利申请2007/0279829与2009/0219663
中所示与描述)。此种解决办法具有其本身的缺点。第一个缺点为复杂度，其
原因是需要控制每个高电压电源供应器。第二个缺点是从两个分离的来源，在
气体流中达到正离子与负离子的优良混合的困难度。
在以上提到的关于在传统离子化装置中发射器侵蚀与粒子产生的问题，
对于高纯度氮气、氩气、与惰性气体的电晕离子化特别地有挑战性。在这些气
体中，正极电晕放电在正常的大气状态下产生具有低移动度(低能量)的正离子
丛集。然而，由于在电子与中性分子间的非弹性碰撞，负极电晕放电产生高能
量电子，非弹性碰撞的原因是发射器的场致发射(field emission)，与在电
极顶部周围的电浆区域内的光离子化(photo-ionization)。这些在正电性气体
与惰性气体中的自由电子具有对中性气体原子或分子的低附着机率。此外，自
由电子的电气移动度是由气体生成的负离子的一百倍以上。这些事实所导致的
结果包括：
-高能量电子与电极表面的冲撞加速侵蚀，其相应地产生污染离子化气
体流的粒子；
-高移动度电子在离子化气体流中产生显著的不平衡；
-自由电子有能力产生第二电子发射，引发电晕电流不稳定性和(或)导
致崩溃。
对于上述问题的先前技术解决办法被利用于MKS/离子系统，氮气沿线离
子化模型4210(u/un)中。图1示出此设备的简化结构。如在此所示，此装置
的离子化单元(IC)具有远远地分开放置的正发射器(PE)与负发射器(NE)，并具
有在两者间流动的气体3。每个发射器通过限流(current-limiting)电阻
(CLR1与CLR2)连接至高电压直流电源供应器(DC-PS)的浮接输出。在此设计
中，如与此一般类型中的其他设计，正发射器侵蚀是污染粒子与离子不平衡的
来源。同样地，任何将通过两电极间的气体流离子化的系统的效率被限制。
美国专利6,636,411披露对同样问题的另一种解决方法，其建议引入一
种特定百分比的电子附加(electron-attaching)气体(诸如氧气)至电浆区域
中，以将自由电子转换(附加)入负离子中，并稳定电晕放电。然而，氧气(或
一些其他的负电性气体)的引入排除了此解决方法在纯净与超纯净环境和(或)
任何需要非氧化性气体流的环境中的使用。
发明内容
本发明对于电气平衡的离子化气体流的稳定产生，提供自我平衡的电晕
放电，以克服已知技术的上述与其他缺点。本发明通过促进使自由电子转换成
负离子的电子转换，且不添加(掺杂)氧气或其他负电性气体至该离子化气体
流中，而达成此结果。本发明可被使用于负电性气体流、正电性气体流、及惰
性气体流的任一个、多个、或这些气体流的任意组合，且可包含使用闭环控制
系统。
与本发明以及在此所披露的一致，在电晕放电区域(也就是说，在离子化
电极与非离子化参照电极之间的离子化单元的区域)内具有两个不同种类的区
域：
(a)小型(直径约1毫米)且一般为球形的白热电浆区域，其以离子发射
器尖端为中心或近于离子发射器尖端，在白色电浆区域中离子化电场提供充足
的能量以产生新电子与光子，从而维持电晕放电；以及
(b)离子漂移区域，其为在白热电浆区域与非离子化参照电极之间的黑
暗区间(dark space)。
根据本发明，具有正部分与负部分的周期T的交替的离子化信号，被应
用至离子化电极，以在定义下游方向的非离子化气体流中产生电荷载子，从而
形成离子化气体流。电荷载子包括电子、正离子、与负离子的云。有利地，在
离子化信号的负部分中的Tnc部分期间产生的电子云中的电子，被诱发以在离
子漂移区域中振荡。此电子云振荡提高了在振荡电子与在气体流(例如高纯度
氮气)中的中性分子之间的弹性碰撞/附加的机率。因为当此种弹性碰撞/附加
发生时自由电子与中性分子转换成负离子，所以本发明的使用提高了离子化气
体流中负离子的数量。
选择性地，在至少一个参照电极与离子漂移区域之间提供介电质屏障
(dielectric barrier)(也就是说，电气隔离)，更进一步促进将多数电子转换
成低移动度负离子。此种效应提供稳定的电晕放电，帮助平衡正离子与负离子
的数量，并增进从流过离子化装置的气体流采收的正离子与负离子。
本发明的特定的选择性具体实施例使用双重解决办法以在离子化气体流
中平衡离子流：(1)将离子化电晕电极电容性地耦合至各射频频率(RF)高电压
电源供应器(HVPS)，以及(2)将参照电极与离子化气体流电气隔离(例如，以
介电材料使参照电极与气体流绝缘)。
本发明的特定的选择性具体实施例也展望使用(有能力以在正电性气体
与负电性气体中工作的)控制系统，其中将增加的电压脉冲重复地应用至离子
化电极，直至电晕放电发生，从而决定电极的电晕阈值电压。接着控制系统可
减少作业电压至一般等于电晕阈值电压的静态水平，以最小化电晕电流、发射
器融合、与粒子产生。以这种方式，本发明的特定的具体实施例可保护离子化
电极，以避免在正电性气体与惰性气体中的RF电晕电流所造成的伤害(诸如侵
蚀)。因此，使用此种控制系统的本发明的具体实施例，不仅可更好地平衡离
子化气体流，而且可自动地、优化地平衡离子化气体流(也就是说，此种具体
实施例可为自我平衡)。
理所当然地，前述的本发明所披露的方法很好地特定适应于前述本发明
所描述的设备。类似地，本发明的设备很好地适合执行前述有进步性的方法。
通过以下优选的具体实施例的详尽描述、权利要求与相关附图，诸多本
发明的其他优点与特点对于在本发明相关领域中普通技术人员将是显然的。
附图说明
本发明的优选具体实施例将于以下参照附图进行描述，其中相同的数字
代表相同的步骤和/或结构，其中：
图1是在先技术的氮气沿线离子化设备；
图2是根据本发明的一个优选具体实施例的离子化单元的简要代表图；
图3a示出应用至根据图2的优选具体实施例而作业的离子化电极的电
压波形；
图3b示出根据图2与图3a的优选具体实施例而作业的离子化电极放电
的电晕电流波形；
图3c示出根据图2、图3a、与图3b的优选具体实施例而作业的发射器
产生的正电荷载子与负电荷载子；
图4是根据本发明的自我平衡具体实施例、使用模拟控制系统的具有
RF HVPS的气体离子化设备的简要代表图；
图5a是根据本发明，比较应用至离子发射器的代表性高电压信号，与
在空气中的代表性电晕诱发位移电流的示波器缩略图；
图5b是比较应用至离子发射器的代表性高电压信号，与在氮气中的代
表性电晕诱发位移电流的示波器缩略图；
图5c为图5b的电晕诱发电流信号的示波器缩略图，其中水平(时间)
轴被扩大以更详细地示出被应用的电压信号；
图6a是根据本发明的自我平衡优选具体实施例、具有HVPS与以微处理
器为基础的控制系统的气体离子化设备的简要代表图；
图6b是根据本发明的自我平衡优选具体实施例、具有HVPS与以微处理
器为基础的控制系统的另一个气体离子化设备简要代表图；
图7a是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“开
启”模式作业的流程图；
图7b是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“启
动”模式作业的流程图；
图7c是根据本发明的一些优选具体实施例、示出气体离子化设备的控
制系统的代表性“正常作业”模式作业的流程图；
图7d是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“待
机”模式作业的流程图；
图7e是根据本发明的一些优选具体实施例、示出控制系统的代表性“学
习”模式作业的流程图；
图8是在学习作业模式(左侧)与正常作业模式(右侧)期间，在使用氮气
流的有进步性的离子化装置内，比较代表性电晕位移电流信号与代表性高电压
波形的示波器缩略图；
图9为在基频为45kHz、工作因子为约49％、与脉冲重复速率为99Hz
下，比较代表性电晕位移电流信号S4(见屏幕上较高的波形)与射频高电压波
形S4’的示波器缩略图。
具体实施方式
图2是示出用于在宽范围的气体流动速率中、至少实质上浓度是电气平
衡的电荷载子，产生离子化气体流10/11(例如使用负电性/正电性/惰性气体)
的优选方法与设备的简要代表图。此目标通过离子化单元100’可达到，离子
化单元100’包含绝缘参照电极6以及电容性地耦合(capacitively-coupled)
至高电压电源供应器(HVPS)9的离子化电极5，高电压电源供应器(HVPS)9优
选在射频频率范围内作业。
如图2所示，优选具有进步性的离子化装置100包含至少一个设置在穿
越通道2内的发射器(离子化电晕电极)5，穿越通道2接纳定义下游方向的气
体流3。电极5可由导体材料诸如钨、基于金属的合金、复合材料(陶瓷/金属)，
或半导体材料(诸如硅)制成，及/或可由任何材料制成及/或具有任何并入此的
应用中描述的结构。电极5可以冲压、从线切割加工成型、或根据其他已知的
本发明相关领域中的技术来制成。
电极5的离子发射末端可具有锥形尖端5’，锥形尖端5’具有约70～80
微米的小半径。电极另一末端可固定在插座8中且可连接至高电压电容C1，
高电压电容C1可连接至通篇描述的类型的高电压交流电源供应器9的输出。
在此优选具体实施例中，电源供应器9优选地为可变量值的交流电压发生器，
交流电压的量值可自约1千伏特(kV)至约20kV(优选为10kV)，且交流电压的
频率可在约50赫兹(Hz)至约200千赫兹(kHz)(最优选为38kHz)之间。
不导电外壳可被放置在电极周围，不导电外壳具有靠近电极尖端的流孔，
以及用于移除电晕副产品的疏散孔(见示出在图4中的外壳4)。此可选的外壳
可以冲压、加工成型、或根据其他已知的本发明相关领域中的技术制成。此配
置的详情已于在以上参照并并入的专利申请中披露。
穿越通道2可由介电材料制成，且可以冲压、加工成型、或根据其他已
知于本发明相关领域中的技术以制成。高压气体的来源(未示出)可连接至穿越
通道的吸入口2以建立纯净气体流3，诸如包含氮气的正电性气体。优选的参
照电极6为导电环的形式。参照电极6优选的以相对为厚(1～3毫米)的介电
体壁从通道2的内侧空间绝缘，且电气耦合至控制系统36。
电极5与参照电极6形成可发生电晕放电的离子化单元100’的主要组
件。当电源供应器9的电压输出超过电晕起始电压Vco时气体离子化开始。电
晕熄灭(抑制)通常在低电压时发生。此效应已知为电晕迟滞(corona
hysteresis)，且在正电性气体在高频率时更为显著。
如本发明相关领域已知，对于正极性与负极性放电，电晕起始电压的值
与伏特-安培特征是不同的。此为电晕放电在气体中产生不相等数量的正电荷
载子与负电荷载子的原因之一。因此，离开电晕发射器的离子流在常规系统中
是不平衡的。然而，依照在此所描述的优选具体实施例，可校正此不平衡。如
所示的，电极5可通过电容器C1通信式地耦合(communicatively coupled)
至电源供应器9以达到两目标：首先，限制从电极5流出的离子电流，以及其
次，使离开电极5的正电荷载子与负电荷载子10/11/11’的数量均等。因为
根据电荷守恒定律，不相等的正电流与负电流在用以平衡来自电极5的正电流
与负电流的电容器C1上堆积电荷并产生电压，所以将电源供应器9电容性地
耦合至发射器5使来自发射器的电荷载子10/11/11’平衡。电容器C1的优选
电容值取决于电容性地耦合至电容器C1的HVPS 9的作业频率。对于优选的
HVPS(具有约38kHz的作业频率)，C1的优化值优选地为在约20微微法拉
(picoFarads)至约30微微法拉的范围内。虽然相对于相关技术，以此方法平
衡来自电极的正离子与电子为值得关注的进展，在图2中示出的优选具体实施
例更进一步地展望在漂移区域(在离子化电极与下游参照电极之间)中，促进将
电子云的自由电子转换成负离子的改进，如以下立即讨论。
根据奥姆定律，由电荷载子位移所产生的电流密度J[A/m2]为：
J＝q x N x E xμ
其中q为离子或电子电荷；N为电荷载子浓度，μ为电荷载子的电移动
度，以及E为漂移区中电场强度。
本发明领域中已知，气体正离子的平均移动度(mean mobility)为(+)μ
＝1.36x10-4m2V-1s-1，负离子的平均移动度为(-)μ＝1.53x10-4m2V-1
s-1，而电子的平均移动度为(-)μ＝200x10-4m2V-1s-1(或为更高，取决
于气体的类型、压力、温度等等)。因此，移动进入离子化单元10的漂移区的
相等浓度的(+)N离子与(-)N电子，可产生非常不同的电流量值(+)J与(-)
J以及非常不平衡的气体流。
为了解决在漂移区中的不平衡问题，本发明促进将电子转换成低移动度
的负离子。转换速率受电子产生持续期间、离子化单元尺寸、应用至电极5
的电压的频率及量值、以及离子化单元10的材料特性影响。HVPS的作业频率
(F)范围从约50Hz至约200kHz，优选的射频频率范围从约10kHz至约100
kHz。高电压振幅应接近于负电晕临限值(-)Vco，以下详细讨论这些因子。
图3a示出在图2中示出的具体实施例中使用的一个优选波形，此波形可
由高电压电源供应9产生。在多数优选的约38kHz频率下，负电荷载子仅在
电压周期的负部分中的一段非常短的时间Tnc期间中产生。因此，典型的Tnc
等于电压周期的十分之一或更少。同时，电子云需要时间Te以从电极5移动
至参照电极6：
Te＝L/U＝L/(Edx(-)μ)
其中：U为电子速度；μ为电子移动度；Ed为漂移区中的平均电场强度；
以及L为漂移区的等效长度。
如果电子云行动时间Te等于或小于由负电晕的电子产生的持续期间(时
间期间)(Te≤Tnc)，那么多数在此周期间发射出的电子将不会有足够的时间逃
出离子漂移区。如以下所讨论的，在随后的/另一边的来自HVPS 9的波形的半
周期期间，这些电子将朝着发射器被拉回。
将更进一步被理解的是，发射器的电场与漂移区中的电子空间电荷导致
一些电子11’沉积在漂移区中通道2的内侧体壁上，如图2所示。这些负电
荷11’产生额外的斥力并减低电子移动至参照电极的速度。此效应更进一步
减少自由电子逃出离子漂移区域的能力。
此优选具体实施例降低自由电子速度的另一方式为，以具有长时间常数
的介电材料作为穿越通道2的体壁。该时间常数τ优选为≥100秒(或电荷弛
缓时间τ＝R x ε，其中R为电阻值，以及ε为通道材料的介电常数)。适合
的材料包含聚碳酸酯与铁氟龙，因为它们具有等于或大于100秒的时间常数。
由Quadrant EPP USA，Inc.(地址在2120 Fairmont Ave.，P.O.Box 1235
Reading，PA 19612)所制造的PC聚碳酸酯，以及由W.L.Gore & Associates
Inc.(地址在201 Airport Road P.O.Box 1488，Elkton，MD 21922)所制
造的(PTEF)铁氟龙800类型，被认为目前最有利的体壁材料。
在周期的正部分期间，正电压产生对于电子云的吸力。此为为何如果达
成以下两个优选条件：Te＜0.1-0.2/F与τ≥100s时，在漂移区域内每
个高电压周期将产生电子云的振荡。
振荡的电子云导致在漂移区域内电子与中性气体分子间较高的弹性碰撞
/附加机率，以及较高的大部分的自由电子转换成负气体离子11的机率。负氮
气离子具有接近于在空中传播的负离子的平均移动度(-)μ＝1.5x10-4m2V-1
s-1的移动度。此为值得关注的低于已知至少为100倍大的在氮气流中自由电
子的移动度。
此从电子至负离子的转换，由于消除了电子流(streamer)并降低了崩溃
的机率，改进了电晕放电稳定性，并导致在离子化气体流中的正离子与负离子
10/11的浓度实质上相等。
低移动度的正离子与负离子11可容易地由气体流采收(收集与移动)。在
每分钟60升的气体流在离子漂移区域中产生约67米/秒(m/s)的线性速度位
移。负离子与正离子在约2.3x105伏特/米(V/m)的电场中具有约35m/s的
线性速度(相比在相同电场中约4,600m/s的平均电子速度)。所以在高频/RF
电场内，电子11’主要地响应于电场而移动，而正离子与负离子10/11主要
地由漂移区间内的扩散与气体流速度而移动。
为了保护离子发射器避免高频电晕放电所造成的伤害，本发明的可选的
优选具体实施例的特点为限制来自电极5的电流作准备。此由连续地使用参照
电极(作为监视的手段)以将监视信号(响应于在离子化气体流中的电荷载子)
反馈至控制系统以调整RF电源供应器9，以至应用至电极5的电压保持在(或
接近于)电晕阈值电压。
依照在图4示出的优选具体实施例，HVPS 9’包含建立在高电压变压器
TR四周的可调自振荡发生器。特别是，图4示出优选的具体实施例，其中参
照电极6通过电容器C2电容性地耦合至模拟控制系统36’。如所图示，环形
电极6以通过绝缘介电通道2与离子化气体流3隔离；因此，传导电流与离子
化气体被阻隔。
由L1/C2构成的具有约1兆赫(MHz)的截止频率的高通滤波器，被用以将
来自参照电极6的电晕信号反馈。此经滤波电晕信号可由二极管D1整流，并
以由R2/C6构成的低通滤波器滤波，传递至由T3/R1构成的电压比较器(其中
R1代表预定比较器电压水平)，且其后传递至n-通道功率MOSFET晶体管T2
的闸极。相应地，晶体管T2供应足够的电流，以驱动功率振荡器/高电压变压
电路9’。其他信号处理可包含高增益放大、减少噪声分量的集成、以及与参
照电晕信号水平的比较。以上所纪录的信号处理极大地减少电晕信号中固有的
噪声，且连同于特定优选的具体实施例此可特别重要，因为优选的高电压电源
供应器9’在射频频率范围内作业。
在使用上，当离子化开始时，因为反馈馈信号仅刚开始，电晕放电与电
晕信号(由参照电极6提出且反映位移电流)是高的。电晕信号保持为高的(典
型地为数毫秒)直到反馈电路开始调整此状态。控制电路快速地将应用至离子
化装置的高电压，减少至由预定参照电压所决定的较低的水平，且优选地，将
电晕放电在此水平保持恒定。通过监视(被通信式地耦合的参照电极的)电晕反
馈并调变高电压驱动器，控制系统36’与HVPS 9’具有将作业电压保持在(或
接近于)电晕阈值电压，并将发射器伤害最小化的能力。
在本领域的技术人员将会注意到，图4的电容器C2由位移电流充电，位
移电流具有两个主要分量：(1)来自发射器的高电压电场的具有基础频率F(优
选为约38kHz)的诱发信号，以及(2)由电晕放电本身产生的信号。图5a(S1’
与S1)与图5b(S2’与S2)示出说明这些分量的代表性示波器缩略图。在此图
中的纪录波形代表在相同时间框架内的两个讯号。如所示的，在空气中的参照
电极上产生的电晕信号S1(见图5a)不同于在氮气中的参照电极上产生的电晕
信号S2(见图5b与图5c)。在大部分情况下，在空气中的电晕放电产生振荡放
电的两个起始瞬变突波(transient spikes)(见图5a中的信号S1)。此可能和
氧气(一种显著的空气组成)与氮气的离子化能量不同有关。
图5b与图5c展示在纯净氮气内的负电晕诱发电流S2，在此，振荡电晕
放电信号S2具有一个最大值(在应用至电极的离子化电压S2’的最大值)。在
氮气与空气两者中，负电晕位移电流均比正电流高出许多。在高频率(诸如
40～50kHz)时，在电场影响下正离子的移动范围被限制。特别地，在高电压
周期的正部分期间，正离子10将仅能从电浆区域12移动一毫米的一小部分。
从而，正离子云的位移由相对地慢的过程控制-气体流的扩散与位移。因此
正离子10的位移对参照电极6的影响将仅为可忽略的数量。
现参阅图6a与图6b，其中依照两个自我平衡的本发明的优选具体实施
例，展示两个可选的气体离子化设备的简要代表图，每一个具有通信式地耦合
至以微处理器为基础的控制系统36”与36”’的HVPS 9”。
在图6a与图6b的具体实施例的两者中，微处理器(控制器)190的主要
工作是提供对驱动离子化电极5的高电压电源供应器9”的闭环伺服控制。
优选的微处理器为型号ATMEGA 8μP，由Atmel，Orchard Pkwy，San Jose，CA
95131所制造。在此使用的优选的变压器为变压器型号CH-990702，由晶勇
实业股份有限公司，现地址为330桃园县桃园市永安路964巷22弄10号所制
造(www.chirkindustry.com)。如图6a与图6b所示，从参照电极6的电晕位
移电流监视信号可由滤波器180滤波并缓冲，并供应至微处理器190的模拟输
入。微处理器190可比较电晕信号与预定参照水平(见TP2)，且随后产生一连
串的PWM(脉波宽度调变)脉冲输出电压。一连串的脉冲输出电压随后被滤波电
路200滤波且处理，以发展用于可调自振荡高电压电源供应器9”(类似图4
所示的替代性HVPS设计9’)的驱动电压。
为了最小化与电晕放电相关的伤害，与来自离子化电极5的粒子产生，
微处理器190可对高电压电源供应器的变压器TR提供具有不同工作因子(duty
factor)(在约1～100％的范围内，且优选地约为5～100％)的脉冲(见TP1)。脉
冲重复频率可设为约0.1～200Hz的范围内，且优选地约为30～100Hz。尽
管微处理器190也可响应于压力传感器33’(见图6a)，在其他具体实施例中
微处理器190可选地响应于真空传感器33”(见图6b)。
在高气体流动速率(例如每分钟90～150升)时，正离子与负离子可能发
生重组的时间期间很短，且来自离子化装置的离子电流很大。在此情况下，应
用至发射器的高电压的工作因子可较低些(例如50％或更少)。图9展示供应至
发射器5的高电压波形S4’的示范例(优选的基频约为38kHz、优选的工作因
子约为49％、且优选的脉冲重复速率约为99Hz)。将可认识到工作因子越低，
电子/离子可能轰击(bombard)发射器5的时间越短，便将会发生较少的发射器
侵蚀(从而延伸发射器寿命)。
工作因子可由使用连接至微处理器的模拟输入的微调电阻(trim
pot)TP1(工作周期)来手动调整，或可由基于适当的气体传感器33’(例如TSI
Series 4000 High Performance Linear OEM Mass Flowmeter，由TSI
Incorporated，地址在500 Cardigan Road，Shoreview，MN 55126所制造)测
量到的气体压力或气体流的测量结果来自动调整(见图6a)。
微处理器190基于反馈信号自动地建立驱动电压。如果需要，可使用微
调电阻TP2将自动地被决定的驱动电压调整高些或低些。
具有此设置，以微处理器为基础的控制系统可用以响应于来自传感器
33’的信号而采取各种动作。例如，如果气体流水平在预定阈值水平之下，则
控制系统可将高电压电源供应器9”关闭。同时微处理器190可触发警示信号
“低气体流”(警示/LED显示系统202)。
在图6b的具体实施例中，当抽射器(eductor)26”被用于在离子化壳体
中以提供吸力时，如在并入的专利申请中所描述的，且如图6b所示，来自于
信道2内的气体流3的真空压力可被用以探测流动速率。在此情况下，监视疏
散孔内真空水平的真空传感器33”也将关于气体流的信息提供至微处理器
190。微处理器190有能力以自动地调整至高电压电源供应器9”的驱动电压，
以在不同的流动速率下将离子电流保持在规格(specifications)中。在此本
发明的优选具体实施例中使用的抽射器可为由Anver Corporation located，
地址在36 Parmenter Road，Hudson，MA 01749 USA所制造并销售的ANVER
JV-09 Series Mini Vacuum Generator；及由Fox Valve Development Corp.
地址在Hamilton Business Park，Dover，New Jersey 07801 USA所制造并
销售的Fox Mini-Eductor；或其他已见于此技术领域的等同装置。
在典型的工业应用中，离子化装置经常在高电压“开启-关闭”模式中作
业。在长时间的“关闭-周期”(一般为一个小时以上)之后，离子化装置在每
个“开启-周期”中开始电晕放电。在正电性气体(如氮气)中的电晕启动程序，
相对于已被“调节(conditioned)”的离子化装置，通常需要较高的初始起始
电压(initial onset voltage)及电流。为了克服此问题，该有进步性的离
子化装置可由以微处理器为基础的控制系统来操作于下列各别的模式中：“待
机(standby)”、“开启(power on)”、“启动(start up)”“学习(learning)”与
“作业(operating)”模式。
图7a、图7b、图7c、图7d与图7e示出本发明的一些优选离子化装置
具体实施例的功能性流程图。特别地，这些图示出微处理器用以进行以下作业
的程序：(1)起始电晕放电(图7a-开启模式)；(2)调节用于电晕放电的离
子化电极(图7b-启动模式)，学习且精细调节保持电晕放电所需的离子化
信号(图7e-学习模式)；以及(3)随后，调节离子化信号以保持所需的电晕
放电水平(图7c-正常作业模式)。在各种在此描述的状态下，微处理器也
可进入待机模式(图7d)。在开启之后，过程控制转移至待机或启动例行程序
的其中之一。未能成功地启动将使控制返回到开启例行程序。在高电压警示状
态被设定，即如由可视化显示器所指示(诸如红光LED持续发光)之前，回路可
不断重复(例如多达30次)。如果离子化装置成功地启动，如同(例如)由可被
接受的电晕反馈信号所决定的，控制转移至学习与正常作业例行程序。
现在注意到图7a，当程序传至方块212时开启模式210开始发生，在方
块212处微处理器将输出设定为正常、已知的状态。随后程序传至决策方块
214，在决策方块214处决定由适当的模拟输入所指示的气体流压力是否充足
以继续。如果不是这样，则程序传至方块216，在方块216处使黄光与蓝光LED
指示器发光，且程序传回至决策方块214。当压力够充足以继续进行时，程序
210传至代表图7b的启动例行程序的方块230。
启动例行程序230开始于方块232处且使闪烁蓝光LED发光，且传至方
块234，在方块234处高电压被应用至离子化装置，直至充足的电晕反馈信号
存在于预设电压水平。如果为如此，则程序传至方块242，在方块242处程序
回到图7a的开启例行程序210。否则，程序230传至决策方块236，在决策方
块236处如果启动模式230结束则将回到开启模式210。否则程序在方块238
决定是否发生少于29次的重试。如果为如此，则程序传过方块240且回到方
块234。若非如此，则程序230传至如图7d示出的待机模式280。
当存在充足的离子化装置反馈信号，或当启动模式结束时，程序230传
至方块242且重新进入开启例行程序210的方块220。例行程序210随后通过
监视突然的电晕反馈信号提升，决定离子化是否已开始。如果不是如此，则程
序传至决策方块224，在决策方块224处一定数量的重试被测试，如果已发生
多于30次的重试，则程序朝向待机模式280。否则，程序传过方块226，且启
动例行程序再一次地被呼叫，在方块226处程序(通过典型被选定为2-10秒间
的值)被延迟。在从启动例行程序230返回时，如果离子化调节已发生，则程
序传过决策方块220至图7e的学习模式300。如果探测到电晕反馈，则微处
理器将继续进行至学习模式300(见图7e)。在此离子化信号将从零点被提升
302至再一次探测到电晕反馈304的点。接着，当监视反馈水平时，离子化信
号被略微减少306至所需的静态电压水平，且程序传至正常作业模式250(如
图7c与图8所示)。
正常作业250开始于决策方块252，在决策方块252处决定是否存在待
机命令。如果存在，则程序传至待机模式280并继续进行如有关在图7d中的
描述。否则，程序250传至决策方块256，在决策方块256处测试高电压警示
状态。如果硬件甚至通过100％电压输出和工作因子驱动，均无法建立并保持
电晕反馈信号在所需的水平，则设定高电压警示状态，且程序250传至方块
258，在方块258处警示LED发光且关闭高电压电源供应器。随后程序250传
回决策方块252并继续进行。如果还未达到警示状态则程序传至方块260，在
方块260处如果高电压驱动超过其最大值的95％，则设定低离子输出警示状态。
如果已达到低离子输出警示状态，则正常作业传至方块262，且黄光LED发光。
随后程序传回决策方块252并继续进行，如在此所描述的。如果未达到低离子
警示状态，则程序传至方块264，在方块264处如果真空传感器电压在极限之
上，则设定气体流警示限制状态(flow alarm limit condition)，指示气体流
不足。如果达到警示状态，则程序250传至方块266，在方块266处黄光与蓝
光LED发光，且关闭高电压电源供应器。程序再次传至决策方块252，并如在
此所描述继续进行。如果未达到气体流警示状态，则程序250传至方块268，
且应用至离子化电极的高电压如闭环伺服控制所需被调整。接着，程序传至方
块270，在方块270处所有蓝光、黄光、与红光LED被关闭。随后程序250传
回至决策方块252并如在此所描述继续进行。当在方块252接收到并探测到待
机指令，则程序传至待机模式280并继续进行如关于图7d所描述的。
当程序传至方块282时待机模式280开始，且蓝光LED发光。如果为第
一次通过方块284，或从上一次通过方块284的周期已经过一分钟，则程序传
至方块230，在方块230处启动模式例行程序如关于图7b所描述的继续进行。
在从启动模式230返回时，待机程序280传至方块288，在方块288处开始(典
型被选定为2-10秒间的值的)延迟，且程序移至方块290，在方块290处设定
启动模式终止旗标。最后，待机程序280传至方块292，在方块292处例行程
序返回至呼叫此例行程序的位置(在图7a、图7b、与图7c之一中)。类似地，
在方块284处如果经过的时间少于一分钟，则待机程序280传至方块292，在
方块292处例行程序返回至呼叫此例行程序的位置(在图7a、图7b、与图7c
之一中)。
如果离子化装置通过外部输入或由于警示状态被安置于待机状态，则离
子化装置将优选地保持在该状态，直至警示解除或外部输入改变状态。待机模
式可由不同的视觉显示器(诸如持续发光的蓝光LED)指示。
图8是示波器屏幕缩略图，其示出在学习模式300开始处，以微处理器
为基础的控制系统36”/36”’控制电源供应器9”，而实质上实时地(2.5kV/ms)
从零点提升应用至离子化电极的离子化电压S3’，至低于电晕起始电压Vco的
电压振幅Vs。此电压水平可在从约1kV至约3.5kV的范围内。在此时间期
间内电晕位移电流S3接近于零。在此之后，以微处理器为基础的控制系统将
优选地控制电源供应器9”，以将电压提升速率降低至约5kV/ms，并逐渐地提
升离子化电压S3’至高于电晕阈值电压Vco。在电晕信号到达默认水平时，以
微处理器为基础的控制系统36”/36”’将控制功率放大器，以将离子电压S3’
在预设时间期间内(优选地为约3秒)保持恒定。此学习程序在控制系统36”
/36”’可计算且纪录平均电晕起始电压值的时间期间内可被重复数次(可多达
30次)。如果系统未能完成此学习程序，则可触发高电压警示并关闭高电压电
源供应器19”。
如果学习模式成功执行，则微处理器可开始正常作业例行程序(也示出在
图8中)。在此正常模式250中，功率放大器9”将接近于电晕起始电压的离
子化电压S3’应用至离子化电极5，且电晕位移电流S3的改变处于最小值。
此种用于管理在流动的气体流(特别在正电性/惰性气体)中的电晕放电的方
法，提供稳定的电晕电流并将发射器伤害以及粒子产生最小化。类似的学习模
式与作业模式的周期将优选地，在每次优选离子化装置从待机模式切换至正常
作业模式时发生。
因为已知由于侵蚀、碎屑累积、与其他关于电晕的程序，离子化电极的
特性将改变(且从而需要维护或替换)，优选的具体实施例可选择性地使得以
微处理器为基础的控制系统36”/36”’能够监视离子化电极5的状况。根据
此可选的特征，以微处理器为基础的控制系统36”/36”’可在每个学习周期
期间监视电晕起始/阈值电压Vco，且可将此值与默认最大阈值电压Vco max比较。
当Vco变得接近或等于Vco max时，微处理器36’/36”可起始维护警示信号(见图
7c)。
可选地，也可能在发射器安装时，即将起初的发射器电晕起始/阈值电压
记录在微处理器内存中。通过比较起初与当前的电晕起始/阈值电压，可定义
电极5对特定的离子化装置、特定的气体、及/或特定的环境的降解率。
为了完整性，图9示出示波器缩略图，其显示在执行50％工作周期的正
常作业模式期间离子化装置作业的几个周期。在此模式中，应用至离子化电极
5的离子化电压S4’被开启与关闭。接着电晕位移电流相应地遵循。
正当本发明以相关于在目前被认为是最实际且最优选的具体实施例而描
述，必须了解本发明并不限制于所披露的具体实施例，而意为包含在附加权利
要求的精神与范围内的各种修改与等同的配置。例如关于上文的描述，必须理
解到本发明的部件的最优尺寸关系，包含大小、材料、形状、形式、功能、与
作业、组合及使用方式的变化，被视为对一个在本发明技术领域中普通技术人
员是显而易见的，且附加的权利要求意为包含所有等于在图中示出、以及在说
明书中说明的内容。因此，上文所述被视为对本发明原理的说明性描述并非为
穷举。
在作业实施例中，或其他所指示的以外，将认识到由于用词“约”，所有
参照于成分数量、反应状态等等的在说明书与申请专利范围内被使用的数字或
表达，将可在所有实例中被修改。相应地，除非有相反指示，记载于说明书与
附加权利要求范围内的数值性参数为近似值，且可根据本发明所需获得的特性
而变化。每个数值性参数必须至少被解释为根据报告的有效位，以及应用普通
的四舍五入技术的数字，并非意图为对于权利要求范围的等同原则应用的限
制。
尽管记载在本发明的宽范围的数值范围与参数为近似值，记载在特定实
施例的数值已被尽可能精准地报告。然而由于在各别的测试测量中的标准偏
差，任何数值固有地包含必然的错误。
此外，必须理解任何在此记载的数值范围，旨在包含所有在其中包含的
子范围。例如，范围“1～10”旨在包含在其间的所有子范围，且包含记载的
最小值1与最大值10；换句话说，具有等于或大于1的最小值与等于或小于
10的最大值。因为所披露的数值范围为连续的，其包含在最小值与最大值之
间的每个值。除非有明确的其他指示，各种详述于本案的数值范围为近似值。
为了下文描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、
“水平”、“顶部”、“底部”与上等用词的变化型应该与于本发明相关，因为
其在图中是定向的。然而，比须理解到可假设各种可选的改变与步骤序列，除
非明确地指示相反。也须理解在附图中的图示，和在说明书中描述的特定的装
置与程序，为本发明的简单的示例性具体实施例。因此，相关在此披露的具体
实施例的特定的尺寸与其他物理特性，不视为限制。
各种离子化装置以及技术被描述在接下来的美国专利以及已公开专利申
请中，其全部内容在此被纳入参考：核发予Suzuki的美国专利第5,847,917
号，相关申请号08/539,321，申请日为1995年10月4日，公开日为1998年
12月8日，名称为“气体离子化设备与方法”；Leri的美国专利第6,563,110
号，相关申请号09/563,776，申请日为2000年5月2日，公开日为2003年5
月13日，名称为“沿线气体离子化装置与方法”；以及Kotsuji的美国专利早
期公开号US 2007/0006478，相关申请号10/570,085，申请日为2004年8月
24日，公开日为2007年1月11日，名称为“离子化装置”。