專利名稱：等離子體針裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于等離子體發(fā)生裝置，具體涉及一種氣體放電等離子體針裝置。
背景技術(shù)：
等離子體是由正離子、中性粒子和電子組成，一般等離子體可以分為兩類熱平衡等離子體和非熱平衡等離子體，熱平衡等離子體中所有粒子的溫度一樣。 在非熱平衡等離子體中，電子的溫度可高達(dá)數(shù)萬度，而離子和中性粒子的溫度遠(yuǎn)小于電子溫度，這種"熱的冷卻物"優(yōu)點(diǎn)眾多，非熱平衡等離子體可作為高活性反應(yīng)物廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，如等離子體沉積和鍍膜、刻蝕、表面處理、化學(xué)凈化，生物凈化以及醫(yī)學(xué)應(yīng)用。 大氣壓下，由于工作氣體擊穿電壓相對較高，通常放電間隙距離非常有限，一般為數(shù)毫米至數(shù)厘米之間，這直接限制了被處理物品的形狀和大小。假如采用等離子體間接處理，由于其中許多活性成份，如氧原子和許多帶電粒子壽命非常短暫，以至于還沒到達(dá)被處理物表面就消失，導(dǎo)致處理效率非常低。為了解決上述問題，最近大氣壓單電極非熱平衡等離子體裝置備受關(guān)注，其可以直接在外界空間中產(chǎn)生等離子體，相對于狹窄間隙的放電等離子體具有獨(dú)特的優(yōu)勢，并可以直接處理物品，同時被處理物品的形狀和大小不受任何限制。
以下是幾種現(xiàn)有的非熱平衡等離子體裝置 (1)直流電暈放電裝置，見Dion S Antao etal. "Atmosphericpressure DC coronadischarge :operating regimes and potential鄰plications，，Plasma Sources Sci.Technol. 18 (2009)，其中描述了一種大氣壓下直流負(fù)極性電暈放電裝置，該裝置如圖1所示，包括電極3、正導(dǎo)電極板18、電阻9和電源1，工作氣體可以是空氣、氮?dú)狻⒑饣蛘邭浜图淄榈幕旌蠚怏w；電源1為直流電源，電極3和電源負(fù)極性連接。工作時，可以調(diào)節(jié)與電源陰極相連的針和正導(dǎo)電極板之間的距離，置于不同的氣體中，在負(fù)極和正導(dǎo)電極板之間產(chǎn)生圓錐形狀的電暈放電區(qū)域。放電可以分為三個區(qū)域，負(fù)極針附近是電暈放電，正導(dǎo)電極板表面是輝光放電，在電暈放電和輝光放電之間是一段暗區(qū)。而且，隨著負(fù)電極和正導(dǎo)電極板的距離增大，暗區(qū)也變大。該裝置在陽導(dǎo)電極板附近產(chǎn)生的輝光放電的氣體溫度接近于室溫，但是，當(dāng)電壓達(dá)到加到一定值時，電暈放電容易轉(zhuǎn)變?yōu)榛鸹ǚ烹姡瑢τ谏镝t(yī)學(xué)應(yīng)用不安全。 (2)交流非熱平衡等離子體射流裝置，見Yong Cheol Hong etal. "Microplasmajet at atmospheric pressure"Appl Physics Letter 89， 221504 (2006)，其中描述了——禾中大氣壓下以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w產(chǎn)生等離子射流的裝置，該裝置如圖2所示，包括電極3、接地電極11、介質(zhì)圓片13、介質(zhì)容器12和(交流)電源1，電極3和接地電極11由介質(zhì)圓片13隔開，并共同置于介質(zhì)容器12中，(交流)電源l連接電極3和接地電極11 ;工作時，(交流)電源1調(diào)至高壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的流量速度向介質(zhì)容器12輸入工作氣體6(氮?dú)?，在電極3和接地電極11間進(jìn)行放電產(chǎn)生等離子體，并從氣體輸出口 16以約255米/秒的速度噴射出等離子體射流5，等離子體射流5長度6. 5厘米，溫度接近室溫。電極3和接地電極11都與等離子體射流5直接接觸，易發(fā)生弧光放電，對于牙齒清洗、根管治療以及傷口輔助愈合等一些實(shí)際應(yīng)用不安全。 (3)射頻非熱平衡等離子體射流裝置，見E stoffels etal. "Plasmaneedle forin vivo medical treatment :recent developments and perpectives"Plasma SourceSci.Technol. 15 (2006)，其中描述了一種射頻等離子體針裝置，該裝置如圖3所示，包括電極3、介質(zhì)容器12、絕緣介質(zhì)層17、電源(射頻)1。絕緣介質(zhì)層17為直徑4毫米的陶瓷管。電源1為10兆赫茲的射頻電源，與電極3相連。電極3為直徑0. 3毫米的鎢絲，放置于絕緣介質(zhì)層17中央，頂端不包含于絕緣介質(zhì)層17內(nèi)，裸露于外部空間中，并與絕緣介質(zhì)層17一起由固定架14固定于介質(zhì)容器12中央，工作氣體6從氣體輸入口 7輸入。操作時能產(chǎn)生相應(yīng)直徑為2. 5毫米的等離子體射流5。該裝置的電極3頂端部分暴露于外部空間中，并與等離子體射流5直接接觸，產(chǎn)生的等離子體射流5長度短、溫度較高，距離電極3尖端1. 5毫米和2. 5毫米處的等離子體射流5溫度分別為90攝氏度和50攝氏度。[0009] (4)脈沖直流非熱平衡等離子體射流裝置，見Xinpei Lu etal. "Dynamics of anatmopheric pressure plasma generated by submicrosecondvoltage pulses，，J Appl.Phys 100. 063302 (2006)，其中描述了一種等離子體筆裝置，該裝置如圖4所示，包括電極3、接地電極11、介質(zhì)容器12、介質(zhì)圓片13、介質(zhì)圓環(huán)15、電源1。電極3和接地電極11均為相同尺寸的金屬圓環(huán)，分別粘貼于兩塊介質(zhì)圓片13上，之間隔有介質(zhì)圓環(huán)15，并一起位于介質(zhì)容器12前端。工作氣體6為氦氣，電源1為脈沖直流電源。操作時能產(chǎn)生5厘米長的等離子體射流5，等離子體射流5溫度接近室溫。 采用脈沖直流電源進(jìn)行介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生等離子體是最近比較熱門的研究方向。該裝置不足之處在于一定條件下，比如電壓脈寬高于10us時電極3和接地電極11間可能發(fā)生電弧放電。 如上所述，現(xiàn)有裝置都各自存在類似的不足。類似的缺陷也同樣存在于最近的一些等離子體射流產(chǎn)生方法、裝置和系統(tǒng)中，例如美國專利號為5369336"Plasma GeneratingDevice"Hideomi Koi皿ma et al，專利號6， 262， 523 "Large area atmospheric-PressurePlasma Jet，，by Gary S. Selwynet al，禾口專利號7271363 "Portanle microwave plasmasystems including asupply line for gas and microwaves"by Lee et al.這些因素都大大的限制了現(xiàn)有等離子體射流技術(shù)及裝置的廣泛應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種可用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的等離子體針裝置，解決現(xiàn)有電暈放電裝置存在的人體不能直接觸摸的問題和等離子體射流裝置存在的電極不安全或電極和接地之間可能發(fā)生電弧放電的問題。
本實(shí)用新型的一種等離子體針裝置，包括脈沖電源、電極，其特征在于[0014] 電極通過串聯(lián)的電阻和電容與脈沖電源連接； 所述電極徑向截面形狀為圓形、圓環(huán)形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內(nèi)
表面具有針形或尖片形的凸起。
所述的等離子體針裝置，其特征在于[0017] 所述電極為多個，在導(dǎo)電極板上呈線形排列或者陣列排列，導(dǎo)電極板再連接串聯(lián)的電阻和電容。
所述的等離子體針裝置，其特征在于 所述電極置于介質(zhì)容器中，介質(zhì)容器內(nèi)充有下述氣體中的一種氦氣、氬氣、氦氣與氮?dú)饣旌蠚怏w、氦氣與氧氣混合氣體、甲烷。 本實(shí)用新型工作時，電阻和電容主要起控制施加在電極上的電壓以及放電電流的
作用，電阻主要起限流的作用，電容在每次脈沖放電時通過等離子體針放電，同時電容和等
離子體針等效電容一起承擔(dān)電壓，起到分壓的作用。選擇不同阻值的電阻和不同電容值的
電容，電極前端空間場強(qiáng)以及放電電流可以不同，產(chǎn)生的等離子體針溫度可接近室溫或高
于室溫；采用不同構(gòu)造和形狀的電極，產(chǎn)生的的等離子體針可以具有多種形狀，同時可以向
各個方向擴(kuò)散，產(chǎn)生的等離子體針長度可變，等離子體針的徑向截面可大可小。產(chǎn)生的等離
子體針溫度接近室溫時，人體可以安全的與之接觸。而且電極可以置于介質(zhì)容器中，介質(zhì)容
器內(nèi)充有工作氣體，工作氣體可以是氦氣、氬氣、氮?dú)?、氧氣等單質(zhì)氣體或混合氣體，也可以
是氣態(tài)化合物，例如甲烷(CH4)等，有利于增加等離子體針中活性成份的種類和數(shù)量。 本實(shí)用新型易制作、易維護(hù)、使用方便、成本低、易于攜帶，具有多種實(shí)際應(yīng)用，比
如刻蝕、沉積、表面處理、表面清洗、凈化、食物處理、牙齒清洗以及根管治療等。根據(jù)不同的
具體應(yīng)用，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及不同的驅(qū)動電源和工作氣體，產(chǎn)
生的等離子體針溫度可以不同，等離子體針溫度接近室溫時，人體可以與之安全的接觸。其
中含有的活性物質(zhì)成份的種類及數(shù)量也可以根據(jù)具體應(yīng)用進(jìn)行選擇，并可以實(shí)現(xiàn)常溫常壓
下空氣中大規(guī)模大面積的具體應(yīng)用。

圖1為現(xiàn)有直流電暈放電裝置示意圖；圖2為現(xiàn)有交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖；圖3為現(xiàn)有射頻等離子體針示意圖；圖4為現(xiàn)有脈沖直流等離子體射流裝置示意圖；圖5為本實(shí)用新型第一個實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型第二個實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為本實(shí)用新型第三個實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖8(a)、圖8(b)分別為針狀電極的徑向截面圖和側(cè)視圖圖9為刀片狀電極截面示意圖；圖10為套接在球面導(dǎo)體上的針電極徑向截面圖；圖ll為刷子狀針電極側(cè)視圖；圖12(a)、圖12(b)分別為多電極的側(cè)視圖和徑向截面圖圖13為多電極的徑向截面圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)一步說明。 如圖5所示，本實(shí)用新型的第一個實(shí)施例，包括電源1、電阻9、電容10、導(dǎo)電極板18和電極3，電極3通過電阻9和電容IO與電源1相連；電極3為針灸針，呈針尖狀，在針灸針的前端產(chǎn)生的等離子體針5的形狀也是細(xì)長的針的形狀。 電阻9為8千歐，電容10為36皮法；電源1為脈沖電源，電壓幅值為6千伏，頻率4千赫茲；由于電極3的前端的外部空間場強(qiáng)高，發(fā)生氣體放電，產(chǎn)生針狀等離子體針5，其溫度接近室溫，人的手可以直接與之接觸。 如圖6所示，本實(shí)用新型第二個實(shí)施例，包括電源1、電阻9、電容10、導(dǎo)電極板18
和多個電極3，電極3通過電阻9和電容10與電源1相連；由多根針灸針組成的電極3套
接在一個銅制成的導(dǎo)電極板上；在每根針灸針的前端均產(chǎn)生針狀等離子體針5。 電阻9為8千歐，電容10為36皮法；電源1為脈沖電源，電壓幅值為6千伏，頻率
4千赫茲。 如圖7所示，本實(shí)用新型第三個實(shí)施案例，包括電源1、電阻9、電容10、工作氣體6、氣體流量控制閥門8、氣體輸入口 7、介質(zhì)容器12、氣體輸出口 6、導(dǎo)電極板18和多個電極3，電極3為針灸針，呈針尖狀，在針灸針的前端產(chǎn)生的等離子體針5。 電阻9為8千歐，電容10為36皮法；電源1為脈沖電源，電壓幅值為6千伏，頻率4千赫茲。 圖8(a)、圖8(b)分別為以上實(shí)施例中均可采用的針狀電極的徑向截面圖和側(cè)視圖，電極徑向截面為圓形，側(cè)視圖為針形。 圖9為各實(shí)施例均可采用的刀片狀電極的截面示意圖。 圖10為各實(shí)施案例均可采用的套接在球面上的針電極徑向截面圖。 圖11為各實(shí)施案例均可采用的刷子狀針電極側(cè)視圖。 圖12(a)、圖12(b)分別為一種針灸針電極的側(cè)視圖和徑向截面圖，電極徑向截面為圓形，導(dǎo)電極板上共有6個針電極，分兩排平行排列。 圖13為一種針灸針電極的徑向截面圖，導(dǎo)電極板上共有15個針電極，排列成圓形形狀。 以上實(shí)施例中，電極呈尖端針狀或很薄的片狀，或者是在其它形狀的電極的表面(內(nèi)表面或外表面)的針狀或片狀的凸起；電極徑向截面形狀可以為圓形、圓環(huán)形、鋸齒形、或多邊形中的一種，根據(jù)具體實(shí)際應(yīng)用確定。 電源1為脈沖直流電源時，施加脈沖直流電壓幅值范圍可以為220伏 10千伏，頻率50赫茲 100兆赫茲，脈寬大于或等于1納秒。產(chǎn)生的等離子體射流長度大于0. 1毫米，溫度可接近室溫或高于室溫。
權(quán)利要求一種等離子體針裝置，包括脈沖電源、電極，其特征在于電極通過串聯(lián)的電阻和電容與脈沖電源連接；所述電極徑向截面形狀為圓形、圓環(huán)形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內(nèi)表面具有針形或尖片形的凸起。
2. 如權(quán)利要求1所述的等離子體針裝置，其特征在于所述電極為多個，在導(dǎo)電極板上呈線形排列或者陣列排列，導(dǎo)電極板再連接串聯(lián)的電阻和電容。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的等離子體針裝置，其特征在于所述電極置于介質(zhì)容器中，介質(zhì)容器內(nèi)充有下述氣體中的一種氦氣、氬氣、氦氣與氮?dú)饣旌蠚怏w、氦氣與氧氣混合氣體、甲烷。
專利摘要等離子體針裝置，屬于等離子體發(fā)生裝置，解決現(xiàn)有電暈放電裝置存在的人體不能直接觸摸的問題和等離子體射流裝置存在的電極不安全或電極和接地之間可能發(fā)生電弧放電的問題。本實(shí)用新型包括脈沖電源、電極，電極通過串聯(lián)的電阻和電容與脈沖電源連接；電極徑向截面形狀為圓形、圓環(huán)形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內(nèi)表面具有針形或尖片形的凸起。本實(shí)用新型易制作、易維護(hù)、使用方便、成本低、易于攜帶，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及不同的驅(qū)動電源和工作氣體，產(chǎn)生的等離子體針溫度可以不同，可應(yīng)用于刻蝕、沉積、表面處理、表面清洗、凈化、食物處理、生物醫(yī)學(xué)消毒、牙齒清洗以及根管治療等。
文檔編號A61N5/10GK201518555SQ20092026859
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者劉金輝, 盧新培, 潘垣, 熊紫蘭 申請人:華中科技大學(xué)