Conjunto de cátodo y método de generación de plasma pulsado.

Un conjunto de cátodo para generar plasma que comprende:

a.

un soporte (2) de cátodo; y

b. una pluralidad de cátodos (10, 20, 30) alineados longitudinalmente que están conectados como una agrupación al soporte (2) de cátodo, en el que cada cátodo (10, 20, 30) está en contacto físico con al menos otro cátodo (10, 20, 30).

Conjunto de cátodo y método de generación de plasma pulsado CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un conjunto de cátodo de dispositivos generadores de plasma y a un método de generación de plasma y, más particularmente, un plasma pulsado.

ANTECEDENTES La generación de plasma pulsado con impulsos y períodos inactivos de duración relativamente corta presenta una serie de desafíos únicos. Existen varias limitaciones de los dispositivos generadores de plasma conocidos actualmente que hacen que su uso para la generación de plasma pulsado sea poco práctico.

En general, un dispositivo generador de plasma comprende un cátodo y un ánodo. Un gas generador de plasma, que es típicamente un gas noble, fluye en un canal que se extiende longitudinalmente entre el cátodo y a través del ánodo. Conforme el gas generador de plasma atraviesa el canal de plasma, se calienta y se convierte en plasma mediante un arco eléctrico establecido entre el cátodo y el ánodo. Las partes del canal de plasma pueden estar formadas por uno o más electrodos intermedios.

La generación de plasma se produce en tres fases. La primera fase, denominada descarga de chispa, se produce cuando se establece una chispa eléctrica entre el cátodo y el ánodo. La segunda fase, denominada descarga luminiscente, se produce cuando los iones cargados positivamente, formados como resultado del movimiento de los electrones cargados negativamente en la chispa eléctrica, bombardean el cátodo. La tercera fase, denominada descarga de arco, se produce después de que una parte del cátodo es calentada suficientemente por el bombardeo de iones de manera que empieza a emitir un número suficiente de electrones para mantener la corriente entre el cátodo y el ánodo para calentar el gas generador de plasma. El arco eléctrico calienta el gas generador de plasma, que forma el plasma. Cada vez que se genera plasma de alta temperatura, el gas generador de plasma tiene que pasar por las tres fases.

En los dispositivos de la técnica anterior, en el arranque, la corriente que pasa entre el cátodo y el ánodo simplemente se aumenta al nivel operativo deseado. Este rápido aumento en la corriente, sin embargo, no puede mantenerse durante las fases de descarga de chispa y de descarga luminiscente. Sólo una vez que se ha alcanzado la fase de descarga de arco y que el cátodo comienza a emitir electrones termoiónicamente con una velocidad suficiente para mantener dicha una corriente, el nivel operativo aplicado de corriente comienza a fluir entre el cátodo y el ánodo. Al intentar hacer pasar un alto nivel operativo de corriente a través del cátodo antes de que comience a emitir electrones termoiónicamente con una velocidad suficientemente alta para mantener dicha corriente ejerce un estrés sobre el cátodo, el cual, finalmente, causa su destrucción después de un número relativamente bajo de arranques.

La generación de plasma pulsado requiere frecuentes arranques del dispositivo generador de plasma en rápida sucesión. Por ejemplo, en el tratamiento de la piel, una única sesión de tratamiento con plasma pulsado puede requerir miles de impulsos y, por consiguiente, miles de arranques. Los métodos de la técnica anterior de arranque de los dispositivos generadores de plasma no son adecuados para la generación de plasma pulsado ya que el cátodo puede resultar dañado durante la sesión.

En la actualidad, pueden usarse dos tipos de dispositivos para la generación de impulsos de gas ionizado. El dispositivo descrito en la patente US Nº 6.629.974 es un ejemplo del primer tipo. En los dispositivos de este tipo, se genera una descarga de corona haciendo pasar gas generador de plasma, tal como nitrógeno, a través de un campo eléctrico alterno. El campo eléctrico alterno crea un movimiento rápido de los electrones libres en el gas. Los electrones que se mueven rápidamente chocan con otros electrones de los átomos del gas, formando lo que se conoce como una avalancha de electrones, la cual, a su vez, crea una descarga de corona. Mediante la aplicación del campo eléctrico en impulsos, se genera una descarga de corona pulsada. Entre las ventajas de este método de generación de descarga de corona pulsada es (1) la ausencia de impurezas en el flujo y (2) tiempos de arranque cortos que permiten la generación de un flujo realmente pulsado. Para los propósitos de la presente descripción, un flujo realmente pulsado se refiere a un flujo que se detiene completamente durante el período inactivo del impulso.

Un inconveniente de los dispositivos y métodos del primer tipo es que la descarga de corona generada tiene una temperatura máxima fija de aproximadamente 2, 000º C. La descarga de corona formada en el dispositivo nunca se convierte en plasma de alta temperatura ya que no es calentada por un arco eléctrico. Por lo tanto, los dispositivos que generan la descarga de corona pulsada no pueden ser usados para algunas aplicaciones que requieren una

temperatura superior a 2.000º C. En consecuencia, las aplicaciones de los dispositivos del primer tipo están limitadas por la naturaleza del método de descarga eléctrica, que es capaz de producir una descarga de corona, pero no de plasma de alta temperatura.

Los dispositivos del segundo tipo generan plasma mediante el calentamiento del flujo de gas generador de plasma que pasa a través de un canal de plasma por un arco eléctrico que se establece entre un cátodo y un ánodo que forman el canal de plasma. Un ejemplo de un dispositivo del segundo tipo se describe en la patente US Nº

6.475.215. Según la descripción de la patente US Nº 6.475.215, conforme el gas generador de plasma, preferiblemente argón, atraviesa el canal de plasma, se aplica un voltaje pulsado de corriente continua entre el ánodo y el cátodo. Un voltaje de polarización constante predeterminado puede añadirse o no al voltaje pulsado de CC. Durante un impulso de voltaje, el número de electrones libres en el gas generador de plasma aumenta, resultando en una reducción en la resistencia del plasma y un aumento exponencial de la corriente eléctrica que fluye a través del plasma. Durante el período inactivo, el número de electrones libres en el gas generador de plasma disminuye, resultando en un aumento de la resistencia del plasma y una disminución exponencial en la corriente que fluye a través del plasma. Aunque la corriente es relativamente baja durante el período inactivo, nunca desaparece completamente. Esta corriente baja, denominada corriente en reposo, no es deseable ya que no se genera realmente un flujo de plasma pulsado. Durante el período inactivo, se mantiene un flujo continuo de plasma de baja potencia. En esencia, el dispositivo no genera plasma pulsado, sino más bien un flujo de plasma continuo con picos de energía, denominados impulsos, que simula, de esta manera, un plasma pulsado. Debido a que el período inactivo es sustancialmente más largo que un impulso, el dispositivo emite una cantidad considerable de energía durante el período inactivo y, por lo tanto, no puede ser usado efectivamente para aplicaciones que requieren un flujo de plasma realmente pulsado. Por ejemplo, si el dispositivo se usa para el tratamiento de la piel, es posible que tenga que ser retirado de la superficie de la piel después de cada impulso, de manera que la piel no esté expuesta al plasma de baja energía durante el período inactivo. Esto perjudica a la facilidad de uso y a la seguridad del dispositivo.

La reducción del flujo de corriente a través del plasma hasta el valor cero entre impulsos y la re-inicialización del dispositivo para cada impulso de plasma no es práctico cuando se usa el dispositivo descrito en la patente US Nº

6.475.215. El reinicio del dispositivo para cada impulso resultaría en la rápida destrucción del cátodo, como resultado del paso de una corriente alta a través del cátodo sin garantizar que emite suficientes electrones para que el flujo de plasma mantenga esta corriente. El intento de hacer pasar una corriente alta a través del cátodo antes de que comience a emitir electrones con velocidad suficientemente alta para mantener dicha corriente ejerce un estrés sobre el cátodo, el cual, finalmente, causa su destrucción. De manera alternativa, es posible aumentar lentamente tanto el voltaje entre el cátodo y el ánodo como la corriente que pasa a través del plasma. Esta alternativa tampoco es práctica ya que el arranque del dispositivo para cada impulso sería inadmisiblemente largo.

La incapacidad del dispositivo descrito en la patente US Nº 6.475.215 y otros dispositivos de este tipo conocidos actualmente en la técnica, para generar un flujo de plasma realmente pulsado es debida a la estructura del dispositivo. Cuando los dispositivos de este tipo... [Seguir leyendo]

1. Un conjunto de cátodo para generar plasma que comprende:

a. un soporte (2) de cátodo; y

b. una pluralidad de cátodos (10, 20, 30) alineados longitudinalmente que están conectados como una agrupación al soporte (2) de cátodo, en el que cada cátodo (10, 20, 30) está en contacto físico con al menos otro cátodo (10, 20, 30) .

2. Conjunto de cátodo según la reivindicación 1, en el que los cátodos (10, 20, 30) están conectados eléctricamente entre sí.

3. Conjunto de cátodo según la reivindicación 1, en el que al menos uno de los cátodos (10, 20, 30) tiene una longitud que difiere de la longitud de al menos otro cátodo (10, 20, 30) . 15

4. Conjunto de cátodo según la reivindicación 3, en el que todos los cátodos (10, 20, 30) tienen longitudes diferentes.

5. Conjunto de cátodo según la reivindicación 4, en el que el diámetro de cada uno de entre la pluralidad de 20 cátodos (10, 20, 30) es sustancialmente idéntico.

6. Conjunto de cátodo según la reivindicación 5, en el que la diferencia más pequeña en longitud entre un par de cátodos (10, 20, 30) es igual al diámetro de un cátodo (10, 20, 30) .

7. Conjunto de cátodo según la reivindicación 5, en el que el diámetro del cátodo (10, 20, 30) es de 0, 5 mm.

8. Un método para generar un impulso de plasma en un dispositivo que comprende un ánodo (4) y un conjunto de cátodo que comprende un soporte (2) de cátodo conectado a una pluralidad de cátodos (10, 20, 30) , en el que cada cátodo está en contacto físico directo con al menos otro cátodo, en el que el método comprende:

a. hacer pasar una primera corriente a través de los uno o más de entre la pluralidad de cátodos (10, 20, 30) y el ánodo (4) ;

b. hacer pasar una segunda corriente a través de uno o más de entre la pluralidad de cátodos (10, 20, 30) y

el ánodo (4) , en el que la magnitud de la segunda corriente es menor que la magnitud de la primera 35 corriente;

c. hacer pasar una tercera corriente a través de uno o más de entre la pluralidad de cátodos (10, 20, 30) y el ánodo (4) , en el que la magnitud de la tercera corriente es mayor que la magnitud de la primera corriente; y

d. cesar la tercera corriente que pasa a través de uno o más de entre la pluralidad de cátodos (10, 20, 30) y

el ánodo (4) . 40

9. Método según la reivindicación 8, en el que la segunda corriente se hace pasar a través de un cátodo (10, 20, 30) y la tercera corriente se hace pasar a través del mismo cátodo (10, 20, 30) .

10. Método según la reivindicación 9, que comprende además la aplicación de un voltaje alterno entre el ánodo (4) 45 y uno o más de entre la pluralidad de cátodos (10, 20, 30) antes de hacer pasar la primera corriente.

11. Método según la reivindicación 10, en el que la magnitud de la segunda corriente está comprendida entre una y tres veces la corriente mínima necesaria para mantener un arco eléctrico entre el cátodo (10, 20, 30) y el ánodo (4) .

12. Método según la reivindicación 11, en el que la magnitud de la segunda corriente es de 0, 33 - 1, 0 A.

13. Método según la reivindicación 12, en el que la magnitud de la primera corriente es de 4, 0 - 6, 0 A.

14. Método según la reivindicación 13, en el que la magnitud de la tercera corriente es d.

10. 80 A.