專利名稱：等離子體針裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于等離子體發生裝置，具體涉及一種氣體放電等離子體針裝置。
背景技術：
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，電子的溫度可高達數萬度，而離子和中性粒子的溫度遠 小于電子溫度，這種"熱的冷卻物"優點眾多，非熱平衡等離子體可作為高活性反應物廣泛 應用于多種領域，如等離子體沉積和鍍膜、刻蝕、表面處理、化學凈化，生物凈化以及醫學應用。 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 數毫米至數厘米之間，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，以至于還沒到達被處 理物表面就消失，導致處理效率非常低。為了解決上述問題，最近大氣壓單電極非熱平衡等 離子體裝置備受關注，其可以直接在外界空間中產生等離子體，相對于狹窄間隙的放電等 離子體具有獨特的優勢，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 corona discharge :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極性電暈放電裝置，該裝置如圖1所 示，包括電極3、正導電極板18、電阻9和電源1，工作氣體可以是空氣、氮氣、氦氣或者氫和 甲烷的混合氣體；電源1為直流電源，電極3和電源負極性連接。工作時，可以調節與電源 陰極相連的針和正導電極板之間的距離，置于不同的氣體中，在負極和正導電極板之間產 生圓錐形狀的電暈放電區域。放電可以分為三個區域，負極針附近是電暈放電，正導電極板 表面是輝光放電，在電暈放電和輝光放電之間是一段暗區。而且，隨著負電極和正導電極板 的距離增大，暗區也變大。該裝置在陽導電極板附近產生的輝光放電的氣體溫度接近于室 溫，但是，當電壓達到加到一定值時，電暈放電容易轉變為火花放電，對于生物醫學應用不 安全。 (2)交流非熱平衡等離子體射流裝置，見Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure"Appl Physics Letter 89， 221504 (2006)，其中描述了——禾中 大氣壓下以氮氣為工作氣體產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、介質圓片13、介質容器12和(交流)電源1，電極3和接地電極11由介質圓片13 隔開，并共同置于介質容器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調至高壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的流量速度向介質容器12輸入工作氣體 6(氮氣)，在電極3和接地電極11間進行放電產生等離子體，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際應用不安全。 (3)射頻非熱平衡等離子體射流裝置，見E stoffels etal. "Plasmaneedle for in vivo medical treatment :recent developments and perpectives"Plasma Source Sci.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、介質容器12、絕緣介質層17、電源(射頻)1。絕緣介質層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 緣介質層17中央，頂端不包含于絕緣介質層17內，裸露于外部空間中，并與絕緣介質層17 一起由固定架14固定于介質容器12中央，工作氣體6從氣體輸入口 7輸入。操作時能產 生相應直徑為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。
(4)脈沖直流非熱平衡等離子體射流裝置，見Xinpei Lu etal. "Dynamics of an atmopheric 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、介質容器12、介質圓片13、介質圓環15、電源1。電極3和接地電極11均為 相同尺寸的金屬圓環，分別粘貼于兩塊介質圓片13上，之間隔有介質圓環15，并一起位于 介質容器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行介質阻擋放電產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 發生電弧放電。 如上所述，現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 些等離子體射流產生方法、裝置和系統中，例如美國專利號為5369336"Plasma Generating Device"Hideomi Koi皿ma et al，專利號6， 262， 523 "Large area atmospheric-Pressure Plasma Jet，，by Gary S. Selwynet al，禾口專利號7271363 "Portanle microwave plasma systems including asupply line for gas and microwaves"by Lee et al.這些因素都 大大的限制了現有等離子體射流技術及裝置的廣泛應用。
發明內容
本發明提供一種可用于生物醫學應用的等離子體針裝置，解決現有電暈放電裝置 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 間可能發生電弧放電的問題。
本發明的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、圓環形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內
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
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所述電極為多個，在導電極板上呈線形排列或者陣列排列，導電極板再連接串聯 的電阻和電容。
所述的等離子體針裝置，其特征在于 所述電極置于介質容器中，介質容器內充有下述氣體中的一種氦氣、氬氣、氦氣 與氮氣混合氣體、氦氣與氧氣混合氣體、甲烷。
本發明工作時，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，電極前端空間場強以及放電電流可以不同，產生的等離子體針溫度可接近室溫或高于
室溫；采用不同構造和形狀的電極，產生的的等離子體針可以具有多種形狀，同時可以向各
個方向擴散，產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容器中，介質容器
內充有工作氣體，工作氣體可以是氦氣、氬氣、氮氣、氧氣等單質氣體或混合氣體，也可以是
氣態化合物，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量。 本發明易制作、易維護、使用方便、成本低、易于攜帶，具有多種實際應用，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。根據不同的具體
應用，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及不同的驅動電源和工作氣體，產生的
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
有的活性物質成份的種類及數量也可以根據具體應用進行選擇，并可以實現常溫常壓下空
氣中大規模大面積的具體應用。
圖1為現有直流電暈放電裝置示意圖；圖2為現有交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖；圖3為現有射頻等離子體針示意圖；圖4為現有脈沖直流等離子體射流裝置示意圖；圖5為本發明第一個實施例結構示意圖；圖6為本發明第二個實施例結構示意圖；圖7為本發明第三個實施例結構示意圖；圖8(a)、圖8(b)分別為針狀電極的徑向截面圖和側視9為刀片狀電極截面示意圖；圖10為套接在球面導體上的針電極徑向截面圖；圖11為刷子狀針電極側視圖；圖12(a)、圖12(b)分別為多電極的側視圖和徑向截面13為多電極的徑向截面圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明進一步說明。 如圖5所示，本發明的第一個實施例，包括電源1、電阻9、電容10、導電極板18和電極3，電極3通過電阻9和電容10與電源1相連；電極3為針灸針，呈針尖狀，在針灸針 的前端產生的等離子體針5的形狀也是細長的針的形狀。 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高，發生氣體放電，產生針狀等離子體針5，其 溫度接近室溫，人的手可以直接與之接觸。 如圖6所示，本發明第二個實施例，包括電源1 、電阻9、電容10、導電極板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
一個銅制成的導電極板上；在每根針灸針的前端均產生針狀等離子體針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，本發明第三個實施案例，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、介質容器12、氣體輸出口 6、導電極板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)分別為以上實施例中均可采用的針狀電極的徑向截面圖和側視 圖，電極徑向截面為圓形，側視圖為針形。 圖9為各實施例均可采用的刀片狀電極的截面示意圖。 圖10為各實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為各實施案例均可采用的刷子狀針電極側視圖。 圖12(a)、圖12(b)分別為一種針灸針電極的側視圖和徑向截面圖，電極徑向截面 為圓形，導電極板上共有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，導電極板上共有15個針電極，排列成圓形 形狀。 以上實施例中，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、圓環形、鋸齒形、 或多邊形中的一種，根據具體實際應用確定。 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、圓環形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內表面具有針形或尖片形的凸起。
2. 如權利要求1所述的等離子體針裝置，其特征在于所述電極為多個，在導電極板上呈線形排列或者陣列排列，導電極板再連接串聯的電 阻和電容。
3. 如權利要求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容器中，介質容器內充有下述氣體中的一種氦氣、氬氣、氦氣與氮 氣混合氣體、氦氣與氧氣混合氣體、甲烷。
全文摘要
等離子體針裝置，屬于等離子體發生裝置，解決現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生電弧放電的問題。本發明包括脈沖電源、電極，電極通過串聯的電阻和電容與脈沖電源連接；電極徑向截面形狀為圓形、圓環形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內表面具有針形或尖片形的凸起。本發明易制作、易維護、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，以及不同的驅動電源和工作氣體，產生的等離子體針溫度可以不同，可應用于刻蝕、沉積、表面處理、表面清洗、凈化、食物處理、生物醫學消毒、牙齒清洗以及根管治療等。
文檔編號H05H1/24GK101702865SQ200910221138
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者劉金輝, 盧新培, 潘垣, 熊紫蘭 申請人:華中科技大學