专利名称：等离子体针装置的制作方法
技术领域：
本发明属于等离子体发生装置，具体涉及一种气体放电等离子体针装置。
背景技术：
等离子体是由正离子、中性粒子和电子组成，一般等离子体可以分为两类热平衡 等离子体和非热平衡等离子体，热平衡等离子体中所有粒子的温度一样。 在非热平衡等离子体中，电子的温度可高达数万度，而离子和中性粒子的温度远 小于电子温度，这种"热的冷却物"优点众多，非热平衡等离子体可作为高活性反应物广泛 应用于多种领域，如等离子体沉积和镀膜、刻蚀、表面处理、化学净化，生物净化以及医学应用。 大气压下，由于工作气体击穿电压相对较高，通常放电间隙距离非常有限，一般为 数毫米至数厘米之间，这直接限制了被处理物品的形状和大小。假如采用等离子体间接处 理，由于其中许多活性成份，如氧原子和许多带电粒子寿命非常短暂，以至于还没到达被处 理物表面就消失，导致处理效率非常低。为了解决上述问题，最近大气压单电极非热平衡等 离子体装置备受关注，其可以直接在外界空间中产生等离子体，相对于狭窄间隙的放电等 离子体具有独特的优势，并可以直接处理物品，同时被处理物品的形状和大小不受任何限 制。
以下是几种现有的非热平衡等离子体装置 (1)直流电晕放电装置，见Dion S Antao etal. "Atmosphericpressure DC corona discharge :operating regimes and potential邻plications，，Plasma Sources Sci. Technol. 18 (2009)，其中描述了一种大气压下直流负极性电晕放电装置，该装置如图1所 示，包括电极3、正导电极板18、电阻9和电源1，工作气体可以是空气、氮气、氦气或者氢和 甲烷的混合气体；电源1为直流电源，电极3和电源负极性连接。工作时，可以调节与电源 阴极相连的针和正导电极板之间的距离，置于不同的气体中，在负极和正导电极板之间产 生圆锥形状的电晕放电区域。放电可以分为三个区域，负极针附近是电晕放电，正导电极板 表面是辉光放电，在电晕放电和辉光放电之间是一段暗区。而且，随着负电极和正导电极板 的距离增大，暗区也变大。该装置在阳导电极板附近产生的辉光放电的气体温度接近于室 温，但是，当电压达到加到一定值时，电晕放电容易转变为火花放电，对于生物医学应用不 安全。 (2)交流非热平衡等离子体射流装置，见Yong Cheol Hong etal. "Microplasma jet at atmospheric pressure"Appl Physics Letter 89， 221504 (2006)，其中描述了——禾中 大气压下以氮气为工作气体产生等离子射流的装置，该装置如图2所示，包括电极3、接地 电极11、介质圆片13、介质容器12和(交流)电源1，电极3和接地电极11由介质圆片13 隔开，并共同置于介质容器12中，(交流)电源l连接电极3和接地电极11 ;工作时，(交 流)电源1调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向介质容器12输入工作气体 6(氮气)，在电极3和接地电极11间进行放电产生等离子体，并从气体输出口 16以约255米/秒的速度喷射出等离子体射流5，等离子体射流5长度6. 5厘米，温度接近室温。电极 3和接地电极11都与等离子体射流5直接接触，易发生弧光放电，对于牙齿清洗、根管治疗 以及伤口辅助愈合等一些实际应用不安全。 (3)射频非热平衡等离子体射流装置，见E stoffels etal. "Plasmaneedle for in vivo medical treatment :recent developments and perpectives"Plasma Source Sci.Technol. 15 (2006)，其中描述了一种射频等离子体针装置，该装置如图3所示，包括电 极3、介质容器12、绝缘介质层17、电源(射频)1。绝缘介质层17为直径4毫米的陶瓷管。 电源1为10兆赫兹的射频电源，与电极3相连。电极3为直径0. 3毫米的钨丝，放置于绝 缘介质层17中央，顶端不包含于绝缘介质层17内，裸露于外部空间中，并与绝缘介质层17 一起由固定架14固定于介质容器12中央，工作气体6从气体输入口 7输入。操作时能产 生相应直径为2. 5毫米的等离子体射流5。该装置的电极3顶端部分暴露于外部空间中， 并与等离子体射流5直接接触，产生的等离子体射流5长度短、温度较高，距离电极3尖端 1. 5毫米和2. 5毫米处的等离子体射流5温度分别为90摄氏度和50摄氏度。
(4)脉冲直流非热平衡等离子体射流装置，见Xinpei Lu etal. "Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecondvoltage pulses，，J Appl. Phys 100. 063302 (2006)，其中描述了一种等离子体笔装置，该装置如图4所示，包括电极 3、接地电极11、介质容器12、介质圆片13、介质圆环15、电源1。电极3和接地电极11均为 相同尺寸的金属圆环，分别粘贴于两块介质圆片13上，之间隔有介质圆环15，并一起位于 介质容器12前端。工作气体6为氦气，电源1为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的 等离子体射流5，等离子体射流5温度接近室温。 采用脉冲直流电源进行介质阻挡放电产生等离子体是最近比较热门的研究方向。 该装置不足之处在于一定条件下，比如电压脉宽高于10us时电极3和接地电极11间可能 发生电弧放电。 如上所述，现有装置都各自存在类似的不足。类似的缺陷也同样存在于最近的一 些等离子体射流产生方法、装置和系统中，例如美国专利号为5369336"Plasma Generating Device"Hideomi Koi皿ma et al，专利号6， 262， 523 "Large area atmospheric-Pressure Plasma Jet，，by Gary S. Selwynet al，禾口专利号7271363 "Portanle microwave plasma systems including asupply line for gas and microwaves"by Lee et al.这些因素都 大大的限制了现有等离子体射流技术及装置的广泛应用。
发明内容
本发明提供一种可用于生物医学应用的等离子体针装置，解决现有电晕放电装置 存在的人体不能直接触摸的问题和等离子体射流装置存在的电极不安全或电极和接地之 间可能发生电弧放电的问题。
本发明的一种等离子体针装置，包括脉冲电源、电极，其特征在于
电极通过串联的电阻和电容与脉冲电源连接； 所述电极径向截面形状为圆形、圆环形或多边形中的一种；电极端部、外表面或内
表面具有针形或尖片形的凸起。
所述的等离子体针装置，其特征在于
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所述电极为多个，在导电极板上呈线形排列或者阵列排列，导电极板再连接串联 的电阻和电容。
所述的等离子体针装置，其特征在于 所述电极置于介质容器中，介质容器内充有下述气体中的一种氦气、氩气、氦气 与氮气混合气体、氦气与氧气混合气体、甲烷。
本发明工作时，电阻和电容主要起控制施加在电极上的电压以及放电电流的作
用，电阻主要起限流的作用，电容在每次脉冲放电时通过等离子体针放电，同时电容和等离
子体针等效电容一起承担电压，起到分压的作用。选择不同阻值的电阻和不同电容值的电
容，电极前端空间场强以及放电电流可以不同，产生的等离子体针温度可接近室温或高于
室温；采用不同构造和形状的电极，产生的的等离子体针可以具有多种形状，同时可以向各
个方向扩散，产生的等离子体针长度可变，等离子体针的径向截面可大可小。产生的等离子
体针温度接近室温时，人体可以安全的与之接触。而且电极可以置于介质容器中，介质容器
内充有工作气体，工作气体可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混合气体，也可以是
气态化合物，例如甲烷(CH4)等，有利于增加等离子体针中活性成份的种类和数量。 本发明易制作、易维护、使用方便、成本低、易于携带，具有多种实际应用，比如刻
蚀、沉积、表面处理、表面清洗、净化、食物处理、牙齿清洗以及根管治疗等。根据不同的具体
应用，选择不同阻值的电阻和不同电容值的电容，以及不同的驱动电源和工作气体，产生的
等离子体针温度可以不同，等离子体针温度接近室温时，人体可以与之安全的接触。其中含
有的活性物质成份的种类及数量也可以根据具体应用进行选择，并可以实现常温常压下空
气中大规模大面积的具体应用。
图1为现有直流电晕放电装置示意图；图2为现有交流非热平衡等离子体射流装置示意图；图3为现有射频等离子体针示意图；图4为现有脉冲直流等离子体射流装置示意图；图5为本发明第一个实施例结构示意图；图6为本发明第二个实施例结构示意图；图7为本发明第三个实施例结构示意图；图8(a)、图8(b)分别为针状电极的径向截面图和侧视9为刀片状电极截面示意图；图10为套接在球面导体上的针电极径向截面图；图11为刷子状针电极侧视图；图12(a)、图12(b)分别为多电极的侧视图和径向截面13为多电极的径向截面图。
具体实施例方式
以下结合附图对本发明进一步说明。 如图5所示，本发明的第一个实施例，包括电源1、电阻9、电容10、导电极板18和电极3，电极3通过电阻9和电容10与电源1相连；电极3为针灸针，呈针尖状，在针灸针 的前端产生的等离子体针5的形状也是细长的针的形状。 电阻9为8千欧，电容10为36皮法；电源1为脉冲电源，电压幅值为6千伏，频率 4千赫兹；由于电极3的前端的外部空间场强高，发生气体放电，产生针状等离子体针5，其 温度接近室温，人的手可以直接与之接触。 如图6所示，本发明第二个实施例，包括电源1 、电阻9、电容10、导电极板18和多
个电极3，电极3通过电阻9和电容10与电源1相连；由多根针灸针组成的电极3套接在
一个铜制成的导电极板上；在每根针灸针的前端均产生针状等离子体针5。 电阻9为8千欧，电容10为36皮法；电源1为脉冲电源，电压幅值为6千伏，频率
4千赫兹。 如图7所示，本发明第三个实施案例，包括电源1、电阻9、电容10、工作气体6、气 体流量控制阀门8、气体输入口 7、介质容器12、气体输出口 6、导电极板18和多个电极3，电 极3为针灸针，呈针尖状，在针灸针的前端产生的等离子体针5。 电阻9为8千欧，电容10为36皮法；电源1为脉冲电源，电压幅值为6千伏，频率 4千赫兹。 图8(a)、图8(b)分别为以上实施例中均可采用的针状电极的径向截面图和侧视 图，电极径向截面为圆形，侧视图为针形。 图9为各实施例均可采用的刀片状电极的截面示意图。 图10为各实施案例均可采用的套接在球面上的针电极径向截面图。 图11为各实施案例均可采用的刷子状针电极侧视图。 图12(a)、图12(b)分别为一种针灸针电极的侧视图和径向截面图，电极径向截面 为圆形，导电极板上共有6个针电极，分两排平行排列。 图13为一种针灸针电极的径向截面图，导电极板上共有15个针电极，排列成圆形 形状。 以上实施例中，电极呈尖端针状或很薄的片状，或者是在其它形状的电极的表面 (内表面或外表面)的针状或片状的凸起；电极径向截面形状可以为圆形、圆环形、锯齿形、 或多边形中的一种，根据具体实际应用确定。 电源1为脉冲直流电源时，施加脉冲直流电压幅值范围可以为220伏 10千伏， 频率50赫兹 100兆赫兹，脉宽大于或等于1纳秒。产生的等离子体射流长度大于0. 1毫 米，温度可接近室温或高于室温。
权利要求
一种等离子体针装置，包括脉冲电源、电极，其特征在于电极通过串联的电阻和电容与脉冲电源连接；所述电极径向截面形状为圆形、圆环形或多边形中的一种；电极端部、外表面或内表面具有针形或尖片形的凸起。
2. 如权利要求1所述的等离子体针装置，其特征在于所述电极为多个，在导电极板上呈线形排列或者阵列排列，导电极板再连接串联的电 阻和电容。
3. 如权利要求1或2所述的等离子体针装置，其特征在于所述电极置于介质容器中，介质容器内充有下述气体中的一种氦气、氩气、氦气与氮 气混合气体、氦气与氧气混合气体、甲烷。
全文摘要
等离子体针装置，属于等离子体发生装置，解决现有电晕放电装置存在的人体不能直接触摸的问题和等离子体射流装置存在的电极不安全或电极和接地之间可能发生电弧放电的问题。本发明包括脉冲电源、电极，电极通过串联的电阻和电容与脉冲电源连接；电极径向截面形状为圆形、圆环形或多边形中的一种；电极端部、外表面或内表面具有针形或尖片形的凸起。本发明易制作、易维护、使用方便、成本低、易于携带，选择不同阻值的电阻和不同电容值的电容，以及不同的驱动电源和工作气体，产生的等离子体针温度可以不同，可应用于刻蚀、沉积、表面处理、表面清洗、净化、食物处理、生物医学消毒、牙齿清洗以及根管治疗等。
文档编号H05H1/24GK101702865SQ200910221138
公开日2010年5月5日 申请日期2009年10月27日 优先权日2009年10月27日
发明者刘金辉, 卢新培, 潘垣, 熊紫兰 申请人:华中科技大学