基于氩气和氦气混合气体的等离子体发生装置的制作方法

本实用新型属于等离子体发生装置领域，尤其涉及一种基于氩气和氦气混合气体的等离子体发生装置。
背景技术：
：20世纪90年代以来，随着放电技术的迅速发展，可以在常温常压下产生非热力学平衡等离子体，即大气压冷等离子体。大气压冷等离子体可直接与人体组织友好接触，使得等离子体在生物医学领域的应用得到快速发展，进而衍生出一门新兴交叉学科——“等离子体医学”。大气压冷等离子体射流装置是等离子体医学应用中最常用的一种等离子体发生装置，其能在开放空间中产生大气压冷等离子体，使得被处理对象不受等离子体放电间隙尺寸的限制，从而使许多应用的实现成为可能。近十几年的研究表明，大气压冷等离子体射流在慢性溃疡治疗、快速止血、牙齿根管治疗甚至癌症治疗等方面都具有巨大的应用潜力。大气压等离子体射流通常以氦气或者氩气这两种稀有气体之一作为工作气体。相比于空气等离子体，使用稀有气体作为工作气体能够有效降低等离子体激发电压，同时，为了增大所产生的活性粒子浓度与种类，通常在工作气体中掺杂一定量的其他气体如氧气或水蒸气等。其中，以氦气作为主要工作气体的等离子体射流主要优缺点如表1所示，以氩气作为主要工作气体的等离子体射流主要优缺点如表2所示。表1氦气射流主要优缺点优点缺点放电均匀性好氦气价格昂贵放电稳定性好等离子体化学活性低击穿电压低用于灭菌、材料表面改性效率低等离子体气体温度低有效作用面积较小表2氩气射流主要优缺点优点缺点氩气价格便宜放电均匀性差等离子体化学活性高放电稳定性差有效作用面积较大等离子体气体温度高处理均匀性好击穿电压较高此外，无论是氦气射流还是氩气射流，实际操作中改变处理角度时，放电产生的活性粒子作用范围均随之急剧变化，这使得在临床应用中难以精确控制等离子体射流有效作用范围。综上所述，目前的等离子体射流装置均因其各自缺陷而无法有效地满足实际医学应用需求，因此亟需对当前的等离子体射流装置进行改进。技术实现要素：发明人通过实验探索发现采用一定比例的氩气与氦气相互混合作为射流工作气体能够将氦气射流与氩气射流的优点有效结合，并减弱实际操作中处理角度变化对等离子体射流有效作用范围的影响，实现精准控制等离子体射流有效作用范围的效果。基于此，本实用新型提供了一种基于氩气和氦气混合气体的新型等离子体发生装置方案。本实用新型具体采用以下技术方案：一种基于氩气和氦气混合气体的等离子体发生装置，其特征在于，包括：等离子体发生装置、激励电源和气体混合装置；所述气体混合装置用于生成含有氩气、氦气和掺杂气体的混合气体；所述等离子体发生装置用于将所述混合气体施加电场，在竖直下方产生等离子体；所述激励电源用于为等离子体发生装置提供高电压激励。其中，所述混合气体包括体积分数为60%的氩气、38%的氦气和2%的掺杂气体；掺杂气体为氧气或空气或水蒸气。优选地，在具体的结构方面，所述等离子体发生装置包括：竖直设置的介质管、设置在介质管内侧上部的高压电极和设置在介质管周部的地电极；所述气体混合装置包括：连接氦气储存罐并带有第一转子流量计的氦气通道、连接氩气储存罐并带有第二转子流量计的氩气通道、掺杂气体通道、以及汇合氦气通道、氩气通道、掺杂气体通道的气体混合室；所述激励电源连接高压电极；所述气体混合室连接介质管的上端。优选地，所述激励电源可采用交流或脉冲电源，进一步地，采用纳秒脉冲电源更有利于获得较低的放电温度以及提高活性粒子浓度。优选地，所述等离子体发生装置为空心铁管-环电极结构，其中，空心铁管作为高压电极，地电极采用环电极结构。具体地，介质管采用喇叭状的石英介质管，地电极为包裹在介质管外部的铜箔地电极。优选地，所述等离子体发生装置为针-环电极结构，其中，高压电极采用针电极结构，地电极采用环电极结构。其中，高压针电极包裹有绝缘介质。优选地，多个所述等离子体发生装置共同构成阵列式蜂窝状结构，以增大等离子体射流的处理面积。优选地，所述掺杂气体通道连接氧气储存罐并带有第三转子流量计。优选地，所述掺杂气体通道的一端连接氩气储存罐，包括通过气流管道连接的第四转子流量计和水存储器，另一端连接气体混合室。该种方案在增大所产生的活性粒子浓度的同时可以省掉氧气的气路。优选地，所述介质管的下方设置有等离子体处理装置，包括相应的容器和其他常规医用设备，使等离子体可用于直接处理人体组织病灶区，起到灭菌、抗感染等作用。比如结合用于处理液体状的明胶或去离子水，等离子体处理后可将活化明胶或活化水涂抹于生物组织或医疗器械表面，从而起到灭菌、抗感染等作用。与现有技术相比，本实用新型及其优选方案在装置上实现了氩气、氦气和掺杂气体的混合并产生等离子体，使得氦气和氩气的化学特性互补，有助于提升活性粒子的产生效率，增强等离子体射流的化学活性，从而提高应用效果。另一方面，其设计的等离子体发生装置使得等离子体产生的活性粒子对被处理物的注入部位处于射流正下方，不随射流处理角度的变化而改变，从而实现精确控制等离子体射流的处理范围。通过该装置生成的等离子体，相比于氦气等离子体射流，氩气的使用降低了应用成本，增大了射流垂直处理下活性粒子作用范围，同时降低了射流矩阵相互干扰，有助于实现等离子体射流的大面积化。相比于氩气等离子体射流，氦气的使用降低了放电电压和气体温度，增加了等离子体射流的长度，使等离子体处于弥散状态，防止局部灼伤的风险。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步详细的说明：图1是本实用新型装置基本结构示意图；图2是本实用新型第一个实施例中气体混合装置的结构示意图；图3是本实用新型第二个实施例中气体混合装置的结构示意图；图4是本实用新型第三个实施例中等离子体发生装置的结构示意图；图5是本实用新型第四个实施例中等离子体发生装置的结构示意图；图6是本实用新型第五个实施例中等离子体发生装置的结构示意图；图7是本实用新型第六个实施例的整体结构示意图；图8是本实用新型实施例产生的活性粒子有效作用范围实验结果示意图（射流头竖直处理以及平行处理）。具体实施方式为让本专利的特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，作详细说明如下：如图1所示，本实用新型实施例提供一种基于氩气和氦气混合气体的新型等离子体装置，包括气体控制模块、等离子体发生模块和电源激励模块。其中气体控制模块用于产生固定浓度的氩气、氦气和氧气（可替换为空气或水蒸气）的混合气体；等离子体发生模块对气体控制模块产生的混合气体施加强电场，产生高活性的冷等离子体；电源激励模块用于为等离子体发生模块提供高电压激励。如图2所示，在第一个实施例中，气体控制模块包括氦气储存罐21、置于氦气存储罐一侧的固定流速氦气转子流量计24、氩气储存罐22、置于氩气储存罐22一侧的固定流速氩气转子流量计25、氧气储存罐23、置于氧气储存罐23一侧的固定流速氧气转子流量计26、气体混合室27。通过对氦气储存罐21加压，氦气通入氦气转子流量计24，产生占总气体体积分数38%的氦气；通过对氩气储存罐22加压，氩气通入氩气转子流量计25，产生占总气体体积分数60%的氩气；通过对氧气储存罐23加压，氧气通入氧气转子流量计26，产生占总气体体积分数2%的氧气；将所产生的氦气、氩气和氧气通入气体混合室27，最终生成均匀混合的氦气、氩气和氧气气体。在第二个实施例中，如图3所示，气体控制模块包括氦气储存罐21、置于氦气存储罐一侧的固定流速氦气转子流量计24、氩气储存罐22、置于氩气储存罐22一侧的固定流速氩气转子流量计25和31、水溶液储存器32、气体混合室27。通过对氦气储存罐21加压，氦气通入氦气转子流量计24，产生占总气体体积分数38%的氦气；通过对氩气储存罐22加压，一部分氩气通入水溶液储存器32中，另一部分氩气直接通入氩气质量流量计25，产生占总气体体积分数60%的氩气和占总气体体积分数2%的水蒸气；将所产生的氦气、氩气和水蒸气通入气体混合室27，最终生成氦气、氩气和水蒸气均匀混合的气体。通过如图2所示的第一个实施例的装置，氩气储存罐22当中的气体可选用不纯的氩气，里面含有空气，并取消氧气储存罐23及一侧的氧气质量流量计26的使用。这样可以减少氧气的使用和相应的气路，且掺杂空气之后产生的氮氧化合物有助于细胞再生，促进伤口愈合。在第三个实施例中，参见图4，等离子体发生模块采用铁管-环电极-结构，包括高压电源接头41、高压电极42、地电极43和竖直设置的介质管44。高压电极42通过高压电源接头41连接高压激励电源，地电极43通过导线连接大地。气体控制模块生成的氦气、氩气和氧气的混合气体通入介质管44进行放电，产生高活性的冷等离子体45。在第四个实施例中，参见图5，等离子体发生模块采用针-环电极结构，包括高压电源接头41、高压针电极52、包裹于高压针电极52上的绝缘介质层53、地电极43和竖直设置的介质管54。高压针电极52通过高压电源接头41连接高压电源，地电极43通过导线连接大地，介质管外的地电极43平行于介质管轴心处的高压针电极52排列。气体控制模块生成的氦气、氩气和氧气的混合气体通入介质管54进行放电，产生高活性的低温等离子体45。在第五个实施例中，等离子体发生模块的铁管-环或针-环电极，可进一步选用阵列式蜂窝状结构，参见图6，以增大等离子体射流的处理面积。在第六个具体实施例中，参见图7，结合第一个实施例提供的如图2所示气体控制模块和第三个实施例提供的如图4所示铁管-环电极结构的实施例，对本实用新型的具体实施过程进行描述。通过对氦气储存罐21加压，氦气通入固定流速的氦气转子流量计24，产生占总气体体积分数38%的氦气；通过对氩气储存罐22加压，氩气通入固定流速的氩气转子流量计25，产生占总气体体积分数60%的氩气；通过对氧气储存罐23加压，氧气通入固定流速的氧气转子流量计26，产生占总气体体积分数2%的氧气；将所产生的的氦气、氩气和氧气通入气体混合室27，生成一定浓度的均匀混合气体。将气体控制模块20产生的混合气体通入等离子体发生模块40中，在电源激励模块30（高压脉冲激励，本实施例可以采用的现有常规的等离子体高压激励方案，如中国专利200810224784.0、201811637496.8等提供的方案）作用下，等离子体发生模块40对气体控制模块20产生的混合气体施加强电场，产生高活性的冷等离子体，并输入等离子体处理模块70的容器当中。在等离子体处理模块70中，对生成的等离子体对被处理物71进行医疗使用之前的进一步处理。在等离子体处理模块70中，除了可以用等离子体发生模块生成的冷离子体直接处理人体组织病灶区实现灭菌或抗感染效果；也可用等离子体处理液体状明胶或水溶液，并将其涂抹于生物组织或医疗器械表面用于实现灭菌或抗感染效果。在第七个具体实施例中，将图7中图4所示实施例替换为图5所示实施例，可以达到同样的效果。在第八个实施例中，将图7中图4和图5所示实施例改进为图6所示实施例的阵列式蜂窝状结构，可以增大等离子体射流的处理面积，有利于实现大规模灭菌或抗感染处理。本实施例通过采用在明胶水凝胶中掺杂淀粉-碘化钾显色剂（主要检测o3、o、oh等粒子）的实验手段，对本实用新型实施例产生的活性粒子有效作用范围进行验证，其中淀粉浓度为0.5%，碘化钾为0.5%。当射流放电时，产生的活性粒子与显色剂反应使得明胶显色，通过观测显色情况可获知活性粒子的分布情况。实验控制总气流量为1l/min，氧气体积分数保持2%，氩气所占比例从0%变化到98%，处理时间为3min。处理过程中射流头竖直向下或与水平面平行，射流头与明胶水凝胶表面保持竖直状态。实验结果示意图如图8所示：（1）射流头竖直向下时，在相同功率1w条件下，采用氦气和氧气混合的工作气体（he+o2）时，活性粒子在明胶水凝胶表面的分布斑图为外径约1.625cm的圆环，随着工作气体中氩气含量的增大，活性粒子分布面积随之增大，当氩气含量达到60%时，活性粒子分布斑图覆盖整个明胶水凝胶表面，即活性粒子作用面积相比he+o2射流作用面积增大至少5-6倍；（2）射流头与水平面平行时，在相同功率1w条件下，采用he+o2射流处理时，活性粒子分布斑图显著向上倾斜，随着工作气体中氩气含量的增大，活性粒子分布斑图倾斜程度减小，当氩气含量达到60%时，分布斑图不再倾斜，当氩气含量继续增大，分布斑图则开始向下倾斜。综合以上实验结果，当采用he+ar+o2射流处理时，当（氦气含量/氩气含量）%接近于66%时，可以产生大处理面积的活性粒子，并且活性粒子分布不受处理角度的影响，从而实现精准控制等离子体射流有效作用范围的目的。本专利不局限于上述最佳实施方式，任何人在本专利的启示下都可以得出其它各种形式的基于氩气和氦气混合气体的等离子体发生装置，凡依本实用新型申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本专利的涵盖范围。当前第1页12