氣體等離子體消毒及滅菌設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種滅菌或消毒系統(tǒng)，其中在脈沖中產(chǎn)生非熱等離子體，其中微波頻率能量的脈沖用于維持各等離子體脈沖，并且微波能量的各脈沖的可檢測特性用于觸發(fā)碰撞等離子體的射頻碰撞脈沖。該系統(tǒng)包括碰撞信號產(chǎn)生電路，被布置為條件化和/或處理來自微波信號耦合器的信號，以形成可以作為脈沖的上升沿或振幅的基于可檢測特性的控制信號。
【專利說明】氣體等離子體消毒及滅菌設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及適用于臨床應用，例如人類或動物體表或體內(nèi)的滅菌和/或消毒系 統(tǒng)。例如，本發(fā)明可以提供一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠用于破壞或治療與人類或動物的生物系統(tǒng) 和/或周圍環(huán)境相關(guān)的某種細菌和/或病毒。具體而言，本發(fā)明可以適用于令使用者的手 部滅菌和/或消毒，例如在臨床環(huán)境如醫(yī)院、醫(yī)生的手部術(shù)室等中。還可以在用于使工人的 手部或食物或包裝消毒或滅菌的食品工業(yè)中使用該設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002] 滅菌是破壞或消滅微觀形式的生命，例如，微生物、細菌等的行為或過程。在等離 子體滅菌的過程期間，制備活性劑。這些活性劑可以包括高強度紫外光子和自由基，它們是 原子或原子與化學不成對電子的集合。等離子體滅菌的引人注目的特征在于它能夠在相對 低的溫度如體溫下實現(xiàn)滅菌。等離子體滅菌還具有對操作者和患者安全的益處。在手部消 毒的情況下，可以使用冷等離子體代替酒精凝膠，重復使用酒精凝膠可能引起許多皮膚相 關(guān)問題。
[0003] 低溫大氣壓等離子體可以用于替換傳統(tǒng)的滅菌方法并且依據(jù)它們的無毒性質(zhì)、瞬 間處理效應、以及產(chǎn)生一系列能級的和一系列不同形式的等離子體的能力針對滅菌的現(xiàn)有 方式提供明顯優(yōu)勢。在室溫環(huán)境下，等離子體通常由電磁（EM)場來支持。電子從電場吸收 能量并將部分該能量傳輸至等離子體中的重粒子。如果電子未給出足夠的機會以傳輸該能 量，那么較重的等離子體成分比電子保持于更低的溫度下。這種等離子體被稱作非熱等離 子體并且它們的氣體溫度可以如室溫一樣低。
[0004] 非熱等離子體可以用于產(chǎn)生高反應性等離子體粒子（包括例如電子、離子、自由 基、和其它化學活性物質(zhì)）和紫外線（UV)輻射，它反過來還可以用于使生物組織、外部工作 表面或外科器械消毒和滅菌。例如等離子體中的UV光子可以通過誘導它們的DNA中胸腺 嘧啶二聚體的形成來影響細菌細胞。這抑制了細菌適當復制的能力。若降低細菌的等級、 但是并非完全破壞它，即，以免破壞本體的菌群，是合意的，則該效果特別有益。
[0005] 使等離子體源相對于生物組織（或其它表面）越近，等離子體中的電場越高，非熱 等離子體滅菌處理工藝的強度和效力越高。
[0006] W02009/060213披露了一種滅菌系統(tǒng)，其具有用于為了與氣體（例如，惰性氣體或 惰性氣體的混合物）結(jié)合而提供微波能量以產(chǎn)生常壓等離子體的可控制的（例如，能夠調(diào) 整可調(diào)節(jié)方式）非電離微波輻射源。其中所述系統(tǒng)的一個實例包括電力分離單元，被布置 為在多個等離子體產(chǎn)生區(qū)之間分離微波能量（例如，從微波饋電結(jié)構(gòu)如同軸電纜），其中連 接氣體供給裝置以將氣體傳送至各等離子體產(chǎn)生區(qū)，并且在其中空間布置多個等離子體產(chǎn) 生區(qū)的出口以傳送來自在各自等離子體產(chǎn)生區(qū)中產(chǎn)生的多個等離子體的等離子體的基本 均勻的覆蓋層或線?？紤]提供十個以上封裝于限定孔穴的框架中的等離子體產(chǎn)生區(qū)，其中 從該框架向內(nèi)管理來自等離子體產(chǎn)生區(qū)的等離子體，從而為經(jīng)過框架的項目提供等離子體 的覆蓋層。具體而言，該申請描述了一種用于使手部滅菌的設(shè)備，其中在手部可以插入的盒 子中配置可移動的等離子射流。
[0007] 為了碰撞等離子體而具有高電場（例如，高電壓或高阻抗條件）是合意的。因此， 有必要建立高阻抗狀態(tài)，以便使必要的高電壓（高電場）能夠分解即將產(chǎn)生的氣體。在 W02009/060213中所討論的一個實施方式中，利用回掃電路建立高電壓（高阻抗）條件，該 回掃電路使用低頻率（例如，射頻）振蕩器電路和變壓器，利用合適的驅(qū)動和交換設(shè)備（例 如，柵極驅(qū)動芯片和功率M0SFET或BJT)使其一次繞組連接至低電壓振蕩器電路。該布置 產(chǎn)生了碰撞或另外引發(fā)等離子體的高電壓脈沖或峰電位。
[0008] 在碰撞等離子體之后，由微波功率饋電結(jié)構(gòu)所見的阻抗由于非導電氣體至導電等 離子體的變化而變化。在此，合意的是，有效地將微波能量傳送至等離子體，以便維持它。這 對于所有（或多數(shù)）待耦合至等離子體的微波能量而言是合意的。因此，合意的是，使發(fā)生 器阻抗（即，微波功率饋電結(jié)構(gòu)的阻抗）匹配等離子體的阻抗。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明基于W02009/060213的披露內(nèi)容，以提供氣體等離子體滅菌設(shè)備，依據(jù)對 于結(jié)合至大量生產(chǎn)的使手部滅菌或消毒的器械的成本效益和使用者安全的視點，該設(shè)備可 以是特別合適的。
[0010] 最普通地，本發(fā)明提出了一種滅菌或消毒系統(tǒng)，其中使非熱等離子體產(chǎn)生于脈沖 中，其中用于維持各等離子體脈沖的各微波頻率能量的脈沖用來觸發(fā)碰撞等離子體的射頻 碰撞脈沖（strike pulse)。通過以此方式使碰撞脈沖和維持脈沖同步，本發(fā)明可以增強各 等離子體碰撞的確定性并且可以使有效能量傳送至等離子體，這反過來為滅菌或消毒提供 了能量。
[0011] 根據(jù)本發(fā)明，可以提供等離子體滅菌設(shè)備（即，用于使表面滅菌或消毒的非熱等 離子體產(chǎn)生設(shè)備），包括：微波腔體，可連接以從微波源接收微波頻率輻射的脈沖；多個微 波耦合器，各微波耦合器被布置為將微波腔體之外的微波能量耦合至各自的等離子體碰撞 帶，各等離子體碰撞帶具有通過其的氣體流動路徑；氣體供給裝置，可連接以將可電離的氣 體供應至各氣體流動路徑；以及碰撞信號產(chǎn)生電路，被布置為將射頻（RF)能量的脈沖傳送 至各等離子體碰撞帶，從而在其中產(chǎn)生高電場來碰撞存在于氣體流動路徑上的可電離的氣 體中的非熱等離子體，其中，碰撞信號產(chǎn)生電路包括控制電路，控制電路被布置為利用在微 波腔體中接收的微波頻率輻射的脈沖的可檢測特性來觸發(fā)RF能量的脈沖的產(chǎn)生。多個等 離子體碰撞帶的存在使該設(shè)備能夠發(fā)出比可能具有單等離子體射流的等離子體區(qū)域覆蓋 更寬面積的等離子體區(qū)域。
[0012] 因此，本發(fā)明提出使用不同信號（例如，來自不同的源）來碰撞等離子體并維持 它，但是使這些源同步以增強僅當?shù)入x子體存在時將微波能量傳送至腔體的確定性。
[0013] 在本說明書中，"微波頻率"可以寬泛地用于表明400MHz至100GH的頻率范圍， 但是優(yōu)選1GHz至60GHz的范圍。已考慮的具體頻率為：915MHz、2. 45GHz、3. 3GHz、5. 8GHz、 10GHz、14. 5GHz和24GHz。對比而言，本說明書使用"射頻"或"RF"來表明至少為低三個數(shù) 量級的，例如100kHz至500kHz的頻率范圍。
[0014] 微波腔體可以是用于支持對應于微波頻率輻射的接收脈沖的電磁場的任何合適 的殼體（enclosure)。微波腔體可以包括具有一定尺寸的一段波導，以支持TE 1(I模式的接 收微波頻率輻射的傳播。例如，對于約2. 45GHz的微波頻率而言，可以使用WR340波導。腔 體的長度可以相當于待支持的微波頻率輻射的半波長的整數(shù)。例如，腔體可以具有用于約 2. 45GHz的微波頻率的約250mm的操作長度。
[0015] 微波腔體可以具有輸入端（輸入，input)，定位于與由其支持的電磁場的場最大 值相應。例如，輸入可以位于相當于與腔體的閉合（或較短）端相距波長的四分之一的奇 數(shù)倍的距離處。輸入端可以包括合適的SMA或N-型連接器，例如，用于連接至承載來自源 的微波頻率輻射的脈沖的微波饋電電纜（例如，柔性同軸線或波導）。輸入端還可以包括來 自磁電管（或其它，即，行波管）源的直接發(fā)射，即，直接耦接（或連接）至波導部分的四分 之一波長單極天線（或環(huán)形天線）。例如可以從波導腔體的短壁的四分之一波長（或其奇 數(shù)倍）的距離將四分之一波長單極天線連接至波導腔體。
[0016] 微波源可以具有能夠?qū)⒕哂?0W以上平均功率的微波頻率輻射傳送至微波腔體 內(nèi)的輸出功率。由于微波饋電電纜和輸入連接器等中的損耗而使傳送的功率級可以小于輸 出功率級。例如，如果微波源和微波腔體之間的總損耗為3dB，則微波源的輸出功率將為至 少100W，以便實現(xiàn)腔體中的50W的平均功率。微波源可以是磁控管，其可以被直接耦接至 腔體內(nèi)以便克服不必要的電纜損耗，即，電纜的插入損耗?？赡芫哂杏糜诟髑惑w的多于一個 源，例如，微波腔體可以包括多個輸入端，各輸入提供來自各自源（例如，磁控管、行波管、 速調(diào)管或固態(tài)源）的微波頻率輻射。
[0017] 微波源可以包括用于使微波頻率輻射發(fā)生脈沖的開關(guān)裝置。在一個實施方式中， 開關(guān)裝置可以被布置為傳送微波頻率輻射，該微波頻率輻射具有40ms持續(xù)時間和2/7的工 作循環(huán)，g卩，包括40ms閉合周期接著是100ms斷開周期的循環(huán)。在該實施方式中，可以利用 100kHz RF能量的lms突發(fā)來碰撞等離子體，振幅為約400V峰值，其中使RF能量的突發(fā)同 步于微波脈沖的前沿（leading edge)。利用約50W的峰值功率，在處理孢子和植物狀態(tài)的 難辨梭菌時該處理簡況是有效的。
[0018] 本文中，"RF能量的脈沖"意指針對時間的離散周期，例如10ms以下、優(yōu)選lms的 RF能量的傳遞。RF能量傳遞的該離散周期也可以被稱作RF能量的突發(fā)。RF能量的每個脈 沖都可以包括多個RF能量的突發(fā)。為了觸發(fā)RF能量的脈沖（本文中也被稱作RF碰撞脈 沖），設(shè)備可以包括在微波信號輸入處連接至微波腔體（例如，上文所討論的輸入端）的微 波信號耦合器，以使在腔體（即，微波頻率輻射的脈沖的部分）處接收的一部分微波頻率輻 射奉禹合至碰撞信號產(chǎn)生電路的控制電路。微波信號f禹合器可以是定向f禹合器，例如l〇dB正 向的定向f禹合器。
[0019] 可以布置碰撞信號產(chǎn)生電路以條件化和/或處理來自微波信號耦合器的信號，從 而形成基于微波頻率輻射的脈沖的可檢測特性的控制信號（選通信號）。通過碰撞信號產(chǎn) 生電路來使用控制信號，以產(chǎn)生RF碰撞脈沖或RF碰撞脈沖的突發(fā)?？蓹z測特性可以是微 波輻射的脈沖的上升沿（rising edge)?？商鎿Q地，它可以是脈沖的振幅或脈沖的下降沿 (falling edge)〇
[0020] 控制電路可以包括閾值比較器和微分器，被布置為將來自微波信號耦合器的信號 轉(zhuǎn)換成脈沖?？梢酝ㄟ^模擬電路布置來執(zhí)行控制電路，其中所述脈沖的寬度與單極微分器 電路的C-R時間常數(shù)和跟隨微分器的閾值比較器的反相銷（inverting pin)上的參考電壓 相關(guān)。通過微波信號耦合器從微波腔體耦合的微波能量可以在發(fā)送至閾值比較器之前利用 微波檢測器進行條件化。微波檢測器可以是具有100ns以下，例如10ns至100ns的響應時 間的肖特基或隧道二極管，該響應時間可以足夠快以使剩余的電路能夠恰當?shù)仄鹱饔谩?br> [0021] 為了由控制信號產(chǎn)生RF碰撞脈沖，碰撞信號產(chǎn)生電路可以包括連續(xù)RF源（例如， 門控自激振蕩器）、M0SFET柵極驅(qū)動器、功率M0SFET和具有大于單一的匝數(shù)比的變壓器。 例如1:100的匝數(shù)比能夠使一次繞組上為10V以在碰撞等離子體中使用的二次繞組上提供 1000V。所使用的特定的功率M0SFET可以依據(jù)其最大電壓、額定電流和打開/關(guān)閉次數(shù)來 選擇。
[0022] 控制信號可以與來自連續(xù)RF源的輸出進行邏輯組合（例如，使用與門）以產(chǎn)生用 作柵極驅(qū)動器電路的輸入的脈沖RF信號，這反過來用于轉(zhuǎn)換功率M0SFET以產(chǎn)生穿過變壓 器的一次繞組的電壓?？梢圆贾每刂齐娐芬詫⒖刂菩盘柕某掷m(xù)時間設(shè)定為l〇ms以下。因 此，RF能量的突發(fā)的持續(xù)時間可以為10ms以下，例如，lms。
[0023] 如果該控制的持續(xù)時間為10ms且振蕩器在100kHz的頻率下是自激的，并且占空 比為50%，那么RF碰撞脈沖將包括具有10ms的周期所產(chǎn)生的5μ s的閉合時間和5ps的 斷開時間的脈沖的突發(fā)。換言之，將遵循微波能量的各突發(fā)的前沿產(chǎn)生一千個5ys RF脈 沖。用于開啟一千個RF脈沖的觸發(fā)將來自脈沖的前沿，該脈沖源自已耦合且調(diào)整過的微波 能量的突發(fā)。
[0024] 在其它實施方式中，脈沖RF信號可以由來自微處理器等的控制信號觸發(fā)，可以布 置該微處理器以檢測從腔體耦合的部分微波頻率輻射（例如，經(jīng)由二極管檢測器或外差/ 零差檢測器等）?？梢栽谟布蜍浖袑崿F(xiàn)上文所討論的微分器。
[0025] 碰撞信號產(chǎn)生電路可以包括多個RF碰撞電路，其中各RF碰撞電路包括柵極驅(qū)動 器、功率M0SFET和變壓器，并且被布置為將RF碰撞脈沖傳送至各自的等離子體碰撞帶。多 個RF碰撞電路可以分享相同的連續(xù)RF源（例如，低壓振蕩器）或者可以各自具有它們自 己的RF源。然而，多個RF碰撞電路可以接收共同輸入，S卩，上文所討論的控制信號。例如 控制電路可以包括布置的RF信號分離器以分離控制信號，從而產(chǎn)生用于各RF碰撞電路的 單獨輸入信號。
[0026] 可以在微波腔體中沿一排或多排（例如，沿矩形陣列）布置多個微波耦合器。在一 個實施方式中，各排均具有七個微波耦合器?？梢园创朔绞绞垢髋诺腞F碰撞脈沖按順序排 列，在該方式中等離子體似乎是連續(xù)的，即，可以利用碰撞脈沖單獨引發(fā)等離子體的排。在 第一排和第二排、以及第二排和第三排等的引發(fā)之間可能存在延遲。連貫的碰撞脈沖之間 的延遲可以為，例如1〇〇μ s或lms。采用該方案，如果陣列包括十排，那么整個排將分別按 lms或10ms的時幀（即，類似連續(xù)操作）發(fā)出等離子體。該布置的優(yōu)點在于它降低了微波 源所需的功率。
[0027] 利用合適的繼電器或0SFET/BJT布置可以使碰撞脈沖進行多路復用?？商鎿Q地， 可以使單獨的RF碰撞脈沖電路連接至各排的等離子體，并且可以通過在鄰近的驅(qū)動信號 之間引入時間延遲來使各等離子體碰撞電路的驅(qū)動信號按順序排列，即，可以使低功率RF 振蕩器在被施加至第二RF碰撞電路之前l(fā)ms施加至第一 RF碰撞電路，因此，第二排等離子 體在第一排之后lms被引發(fā)。
[0028] 各等離子體碰撞帶可以位于微波腔體外部。各等離子體碰撞帶可以由能夠形成高 電壓的一對導體來限定，從而產(chǎn)生高電場?？梢詫⒏鞯入x子體碰撞帶的導體連接至其各自 的RF碰撞電路。如上所討論的，各RF碰撞電路的輸出可以是RF能量的門控突發(fā)，例如，持 續(xù)lms的正弦曲線的高電壓RF脈沖或峰電位。RF碰撞脈沖的峰值電壓可以是lkV以上。
[0029] 在此所公開的RF碰撞電路不限于使用M0SFET柵極驅(qū)動器、功率M0SFET和變壓 器的布置?？梢允褂卯a(chǎn)生能夠在所需時幀內(nèi)碰撞等離子體的高電壓RF能量的突發(fā)或脈 沖的其它器件和電路配置，例如，功率雙極結(jié)型晶體管（BJT)、功率絕緣柵雙極型晶體管 ( IGBT)、半導體閘流管、自耦變壓器、倍壓電路的布置（Cockcroft堆棧）等。
[0030] 在一個實施方式中，各等離子體碰撞帶包括從微波腔體延伸出且限定氣體流動路 徑的介電導管。該導管可以由合適的低損耗電介質(zhì)如石英制成。利用低損耗電介質(zhì)確保了 使RF碰撞脈沖產(chǎn)生的熱量保持盡可能的低。各碰撞帶可以包括同軸布置，該同軸布置包括 位于介電導管內(nèi)部的內(nèi)導體和通過介電導管與內(nèi)導體分離的外導體，其中將碰撞信號產(chǎn)生 電路連接至同軸布置以當傳送射頻（RF)能量的脈沖（即，RF碰撞脈沖）時，在介電導管內(nèi) 產(chǎn)生高電場。因此，在內(nèi)和外導體之間會產(chǎn)生高電場。若存在介電導管，則其可以抑制電弧 作用并且可以限制高電場內(nèi)的可電離的氣體流動?？梢圆贾脷怏w供給裝置以在該區(qū)域中將 氣體引入等離子體碰撞帶。對氣體流動路徑而言合意的是，經(jīng)過由RF碰撞脈沖產(chǎn)生的E場 最大值的位置。
[0031] 可以經(jīng)由同軸饋電將RF碰撞電路連接至同軸布置。同軸饋電可以包括電氣性連 接至同軸布置的外導體的接地外導體和電氣性連接至同軸布置的內(nèi)導體的活性內(nèi)導體?；?性內(nèi)導體可以穿過介電導管中的孔。
[0032] 同軸饋電可以包括微波阻擋元件，被布置為保護來自等離子體碰撞帶中微波能量 的碰撞信號產(chǎn)生電路。換言之，微波阻擋元件可以防止微波能量通過同軸饋電的內(nèi)導體從 等離子體碰撞帶被耦合。該阻擋元件還可以起到防止RF能量從電路輻射出來的作用。
[0033] 在一個實施方式中，同軸饋電可以包括具有連接至同軸布置的內(nèi)導體的內(nèi)導體和 連接至同軸布置的外導體的外導體的同軸輸出線，其中微波阻擋元件包括一個或多個四分 之一波長短截線和/或在同軸輸出線的內(nèi)導體上或連接至同軸輸出線的內(nèi)導體的電感器。 對小型器件而言，可以優(yōu)選使用電感器，因為給各等離子體碰撞帶提供四分之一波長短截 線可能需要太多的空間。為了說明，在空氣中以2.45GHz的微波頻率能量的四分之一波長 短截線具有超過3cm的長度。如果使用電感器，則優(yōu)選的是，線繞式電感器由低損耗導體如 銀制成，并且優(yōu)選具有磁芯。
[0034] 在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，同軸布置的內(nèi)導體是針對其各自等離子體碰撞帶的 微波耦合器的至少一部分。該布置減少了等離子體碰撞帶中組件的數(shù)量。下面更詳細地討 論微波稱合器。
[0035] 各微波f禹合器可以包括導電構(gòu)件，該導電構(gòu)件具有伸入微波腔體內(nèi)的第一部分， 艮P，由低損耗導體（或波導）制成的中空矩形或圓柱形部分，以及從微波腔體向外延伸至其 各自等離子體碰撞帶的第二部分，其中基于微波腔體中微波能量的場強來確定暴露于微波 腔體中的第一部分的長度。在該布置的情況下，能夠確保從腔體耦合所需量的能量（例如， 各耦合器處的相等量的能量）。在一個簡單的實施方式中，微波耦合器可以與微波腔體中的 場強最大值匹配。在此布置中，它們將被半個負載波長（即，由微波腔體導向的微波頻率輻 射的長度）間隔開。然而，微波功率從微波腔體耦合，同樣地微波頻率輻射沿著遠離輸入的 腔體傳播，場強減小。因此，相對于較接近輸入定位的微波耦合器，對于于離輸入更遠定位 的微波耦合器而言，可能合意的是增大暴露微波腔體中的第一部分的量。利用此配置，可以 使由微波耦合器提取的微波功率的份額均衡，這促進了均勻等離子體覆蓋層的產(chǎn)生。
[0036] 另外地或可替換地，為了使可用于各等離子體碰撞帶的微波功率均衡，可以必要 的是，在微波腔體內(nèi)部包括調(diào)諧短截線的布置，以便改變波導腔體內(nèi)部建立的場或場分布。 調(diào)諧短截線可以在與微波耦合器相同的側(cè)/面上、在依據(jù)微波耦合器的相對側(cè)/面、或者在 正交于定位微波耦合器的面/側(cè)的一個或兩個側(cè)/面上。調(diào)諧短截線可以是可調(diào)整的。例 如它們可以包括金屬或介電螺絲，該螺絲在腔體內(nèi)突出并且其長度可以從波導腔體外部在 外型上利用機械裝置進行調(diào)整。然而，對于已經(jīng)測定調(diào)諧短截線的位置和長度的大量生產(chǎn) 的設(shè)備而言，調(diào)諧短截線可以是靜電調(diào)諧棒或桿。
[0037] 在其它實施方案中，對于微波耦合器而言可能合意地具有較近的間隔，例如，以允 許等離子體碰撞帶（和最終從等離子體碰撞帶發(fā)射的等離子體射流）彼此極為接近。利用 小于半個負載波長間隔鄰近的微波耦合器可以促進等離子體的"覆蓋層"（blanket)的產(chǎn) 生，因為可以使個體的等離子體射流更近的在一起。此較近間隔必然意指微波耦合器將不 與全部的場最大值匹配。在該布置中，因此它可以有必要地進一步適應暴露于微波腔體中 的微波耦合器的量，從而場強越低，暴露的第一部分的量越大。
[0038] 可以布置微波腔體以基本上支持所有以單波導模式（例如，TE1Q模式）接收的微 波能量。在這種布置的情況下，可能存在管理暴露的第一部分的量的兩個因素：（i)距最近 的場最大值的微波耦合器的距離，和（ii)從微波頻率輻射的輸入至微波腔體的微波耦合 器的距離。當這些距離增大時，需要暴露的第一部分的量也增大，以便實現(xiàn)耦合功率的相等 份額。換言之，針對波導模式的場分布和微波耦合器與在腔體中接收微波能量的位置之間 的距離，暴露于微波腔體中的各導電構(gòu)件的第一部分的量基于其各自微波耦合器的位置來 確定。所述耦合器可以是E-場探針或H-場環(huán)形布置。
[0039] 可電離的氣體可以是空氣或者合適的惰性氣體，例如，氬氣。優(yōu)選地，氣體供給裝 置包括用于將氣體傳送至微波腔體外部位置處的各等離子體碰撞帶的氣體流動路徑的進 氣口。可以利用單獨的氣體供給裝置隧道，用管道將氣體輸送至各獨立等離子體碰撞帶內(nèi)。 可替換地，可以使各進口相互連接（串聯(lián)或并聯(lián)）以饋電至多個等離子體碰撞帶，例如，至 等離子體碰撞帶的排。在此布置中，氣體供給裝置系統(tǒng)和微波能量饋電系統(tǒng)直至等離子體 碰撞帶自身為止是彼此分離的。在其它實施方式中，然而，對于氣體供給裝置而言，可以能 夠包括深入微波腔體內(nèi)的一個進口和來自微波腔體的多個出口，各出口通向各自的等離子 體碰撞帶，從而使可電離的氣體經(jīng)過微波腔體到達等離子體碰撞帶。例如，可以通過可透氣 性連接器來確保各微波耦合器在其等離子體碰撞帶的各自出口中。
[0040] 上文所討論的等離子體滅菌設(shè)備可以結(jié)合至滅菌/消毒施放器，以用于適合使人 體部件特別是手部滅菌/消毒的器械中。器械可以包括在其中具有凹槽的外殼，用于接收 使用者的手部。可以在外殼中安裝一個或多個滅菌/消毒施放器，以致可以使用所產(chǎn)生的 等離子體生成用于令使用者的手部滅菌的活性劑（例如，離子化粒子或其它自由基）。在一 個實施方式中，在器械中有四個施放器；使用者的每只手的每側(cè)有一個施放器。
[0041] 由等離子體制成的活性劑可以通過利用遍布于單波導腔體的面上的等離子體碰 撞帶的陣列來分配。在具有四個施放器的器械中，可以有100以上的等離子體碰撞帶（例 如，25以上每施放器）以提供合意的分配。可替換地，從單等離子體碰撞帶制成的活性劑可 以通過將等離子體碰撞帶的輸出連接至擴散裝置來分配。擴散裝置可以是在其表面具有孔 陣列的密閉室或箱以允許活性物質(zhì)涌出，例如，深入器械的凹槽而遍布使用者的手部的表 面。例如擴散裝置可以是矩形箱，等離子體源進入頂面和底面的四個孔以發(fā)射或傳送物質(zhì)。 該布置可以使裝置能夠給較少的等離子體碰撞帶提供活性劑的覆蓋層。
[0042]為了促使活性劑向外流動，吹掃氣體供給裝置（其可以使用來自等離子體氣體供 給裝置的相同或不同氣體）可以連接至擴散裝置。還可以提供風扇以從擴散裝置收回活性 劑。
[0043] 在另一個實施方式中，氣體可以在單一入口處進入波導腔體并且填滿波導腔體。 然后可以使用波導腔體內(nèi)的氣體在與等離子體產(chǎn)生區(qū)相同的位置處經(jīng)由波導腔體的狹槽 或出口進入等離子體產(chǎn)生區(qū)。在該布置中，可以部分地密封波導腔體以允許氣體僅在等離 子體產(chǎn)生區(qū)逸出，即，氣體不應該在波導腔體和磁控管之間的過渡區(qū)或界面處逸出。在該布 置中，在波導自身的內(nèi)部無等離子體產(chǎn)生，即，僅在等離子體碰撞帶產(chǎn)生等離子體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0044] 下面參照附圖詳細地描述了本發(fā)明的實施方式，其中：
[0045] 圖1是結(jié)合根據(jù)本發(fā)明一個實施方式的等離子體滅菌或消毒設(shè)備的器械的示意 性透視圖；
[0046] 圖2是通過本發(fā)明一個實施方式的等離子體滅菌設(shè)備的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；
[0047] 圖3是示出本發(fā)明一個實施方式的等離子體滅菌設(shè)備的系統(tǒng)組件的框圖；
[0048] 圖4是適合在本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備中使用的碰撞信號產(chǎn)生電路；
[0049] 圖5是通過本發(fā)明另一個實施方式的等離子體滅菌設(shè)備的示意性橫截面?zhèn)纫晥D；
[0050] 圖6是本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備中所使用的等離子體碰撞帶的示意性橫截面 視圖；以及
[0051] 圖7是適合在本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備中使用的另一個等離子體碰撞帶的示 意圖；以及
[0052] 圖8A和圖8B分別是連接至適用于本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備的等離子體碰撞帶 的擴散裝置的示意性橫截面?zhèn)纫晥D和俯視圖。

【具體實施方式】
[0053] 詳細說明；進一步選擇和優(yōu)選
[0054] 圖1示出結(jié)合本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備的手部滅菌器械10。器械10包括外殼 12,外殼12限定用于接收使用者的手部（未示出）的凹槽14。在該實施方式中，外殼12包 括U-形本體，凹槽14為U的臂之間的空間。外殼12是中空殼體，可以在其內(nèi)含有系統(tǒng)的 組件。例如外殼12可以含有供應并控制用于碰撞和維持用于滅菌的等離子體的能量的控 制模塊16。控制模塊16可以包括用于產(chǎn)生微波頻率輻射的微波功率源（例如，包括一個 或多個磁控管）、用于產(chǎn)生射頻輻射（例如，用于碰撞等離子體）的脈沖的碰撞信號產(chǎn)生電 路和用于控制如下討論的器械的操作的控制電路。外殼12還可以含有用于供應惰性氣體 (例如，氬氣等）的氣體供應（氣體源，gas supply) 18。外殼12可以是可打開的以允許替 換可以作為單個或多個氣瓶的氣體供應18?？梢院弦獾卦谙到y(tǒng)中使用多于一個氣瓶以便確 保在裝置應用中無停機時間，即，當一個氣瓶變空時，消息被發(fā)送至氣瓶的供應方，從而將 新瓶連接至裝置。
[0055] 外殼12還含有用于產(chǎn)生用于滅菌的等離子體并將其發(fā)射至凹槽14的等離子體滅 菌設(shè)備。在該實施方式中，等離子體滅菌設(shè)備包括四個等離子體施放器（applicator) 20。 在U-形本體的各臂中彼此鄰近地定位一對施放器。各施放器20包括具有從其一個面伸出 的多個（該實施方式中為六個）石英管24的立方形微波波導腔體22。施放器20被設(shè)置為 使導管24指向凹槽14?？梢酝ㄟ^外殼12的面朝內(nèi)的壁中的網(wǎng)狀窗口 26而使凹槽14暴露 于施放器20。可以選定網(wǎng)眼的尺寸以防止微波能量免于從施放器20進入凹槽14。
[0056] 在圖1所示的布置中，連接各微波腔體22以經(jīng)由合適的饋電結(jié)構(gòu)32接收來自控 制模塊16的微波源的微波頻率輻射。各腔體可以具有其自身專用的微波源，例如，包括一 個或多個磁控管?？商鎿Q地，單微波源（包括一個或多個磁控管）可以將微波頻率輻射供 應至所有微波腔體22?？梢圆贾梦⒉ㄔ匆怨⒉芰康拿}沖。若施放器共享微波源，則 可以例如利用多路復用技術(shù)依次向每個供應微波能量。
[0057] 如下面更詳細地討論的，石英管24可以圍繞等離子體碰撞帶?？梢赃B接各等離子 體碰撞帶以經(jīng)由合適的饋電結(jié)構(gòu)34接收來自控制模塊16的碰撞信號產(chǎn)生電路的RF輻射 的脈沖。
[0058] 在該實施方式中，氣體供應18表現(xiàn)為具有四個輸出端28。通過氣體供給裝置導管 (未不出）將各輸出端連接至用于各施放器的各自輸入端30。在該實施方式中，輸入端30 與各微波腔體22的內(nèi)部連通，從而氣體沿著穿過腔體并通過石英管24離開腔體的氣體流 動路徑行進。然而，在其它實施方式中，（例如，下面參照圖5所討論的）氣體流動路徑不 流過微波腔體22。代替地，用于各施放器的輸入端30可以包括直接進入石英管24內(nèi)的多 個輸入端。
[0059] 在應用中，當使用者的手部插入凹槽14內(nèi)時，布置控制模塊16以開始將來自氣體 供應18的氣體供應至石英管24中的等離子體碰撞帶并將來自一個或多個微波源的微波頻 率輻射的脈沖發(fā)射至微波腔體22。器械10可以包括運動檢測器或接近檢測器（未示出） 以檢測凹槽中目標物的存在，從而觸發(fā)操作。該類型的技術(shù)在手部干燥器械的領(lǐng)域中是常 見的，因此在本文中不進行詳細討論。根據(jù)本發(fā)明，傳送至微波腔體的微波能量的各脈沖觸 發(fā)了碰撞信號產(chǎn)生電路，從而將RF碰撞脈沖供應至各等離子體碰撞帶。如下面更詳細解釋 的，相對于氣體和微波脈沖的供應來控制RF碰撞脈沖的定時（timing)，以致RF脈沖，例如， 通過在石英管內(nèi)創(chuàng)造高電場，來碰撞存在于等離子體碰撞帶中的使得氣體中的非熱氣體等 離子體。微波脈沖維持等離子體，即，將其能量傳送至等離子體內(nèi)以支持活性劑的產(chǎn)生，通 過氣體流動而將該活性劑導出外殼12。等離子體中所產(chǎn)生的活性劑充當滅菌劑或消毒劑以 殺死存在于凹槽14中目標物（例如，手部）表面上的微生物。
[0060] 圖2示出了通過圖1中示出的等離子體施放器20之一的示意圖的橫截面?zhèn)纫晥D。 等離子體施放器20包括具有由導電材料（例如，金屬化表面）制成的內(nèi)表面36的波導腔 體22。如圖2所示，波導腔體22可以在兩端閉合，或者可以具有連接至假負載（未示出） 的一端以吸收未傳遞至氣體等離子體的任何微波能量。在該實施方式中，微波腔體在其底 面具有微波輸入端32和進氣口 30。通過合適的饋電結(jié)構(gòu)（例如，柔性波導、同軸饋電等） 來連接微波輸入端32以接收來自微波源（例如，磁控管、行波管、速調(diào)管或固態(tài)源）的微波 頻率輻射。通過微波輸入32使脈沖微波頻率輻射進入微波腔體22。微波輸入端32可以包 括任何合適的連接器，例如，SMA或N-型連接器等。在其它實施方式中，可以將微波源直接 連接至波導腔體以避免對額外連接器的需要。進氣口 30為在操作頻率下具有小于八分之 一波長的簡單導管以防止微波輻射被自由空間輻射。
[0061] 微波腔體22優(yōu)選是立方形空間維度的以按基本模式支持微波頻率輻射的脈沖， 例如，作為TE 1(I模式中的駐波。選定微波腔體22的長度等于整數(shù)個導向的波長（在該實施 方式中，腔體的長度為3 λ，其中λ為由腔體導向的微波頻率輻射的長度）。將微波入口 32 定位在距腔體的一端的λ /4處，以致發(fā)起微波頻率輻射，其中導向的Ε-場具有最大強度。 在圖2中通過虛線38示意性地示出場強（Ε-場）的大小。該場為由腔體端部限定的邊界 處的最小值。在該實施方式中有三個場最大值。
[0062] 多個石英管24從施放器20的頂面突出出來。通過附接部分40將每個石英管24 緊固于微波腔體22,附接部分40可以是螺紋壁或不被微波能量吸收的合適粘合劑、或金屬 套管和緊的推入配合（push fit)。石英管可以延伸通過波導腔體的表面，但是必須利用延伸 自波導腔體的導體屏蔽各等離子體產(chǎn)生區(qū)域中所使用的中心導體，以防止來自中心導體的 輻射。在該實施方式中有七個石英管；在其它實施方式中可以有十個以上。在該實施方式 中，使石英管在施放器頂面上沿單排對齊。在其它實施方式中，這些管可以穿過施放器的頂 面按例如包括多個排的陣列進行分配。例如可以布置各波導施放器以傳送七個排的等離子 體，其中各排均含有七個等離子體石英管。此系統(tǒng)將產(chǎn)生49注等離子體射流。
[0063] 由如下所解釋的，各石英管24限定所布置的內(nèi)部容積以經(jīng)歷RF碰撞脈沖引起的 高RF電場（例如，包括150V以上的峰值電壓，SMkV)。該內(nèi)部容積還被布置為接收來自 氣體供應的氣體，據(jù)此高RF電場能夠碰撞氣體等離子體。因此，在本文中內(nèi)部容積被稱作 等離子體碰撞帶。在該實施方式中，等離子體碰撞帶為圓柱形區(qū)域的空間，但是它可以是適 用于支持高RF電場的任何形狀，S卩，它可以是由石英玻璃片分開的兩個平行板，而不是具 有在里面的第一導體和在外面的第二導體的中空圓柱形石英管。
[0064] 在該實施方式中，將氣體供應連接至進口 30以將氣體提供至微波腔體22的內(nèi)部。 這可以負載微波腔體22,以致導向波長小于自由空間中的波長?？梢砸虼诵枰獙怏w的相 對電容率（介電常數(shù)）考慮在內(nèi)，以便確保標出波導尺寸以支持基本模式，但是只要在該區(qū) 域中無等離子體產(chǎn)生，那么在該區(qū)域內(nèi)由氣體引起的效應可以是可忽略的，因此阻抗的改 變也是可忽略的。波導的長度優(yōu)選為整數(shù)個波長；可以根據(jù)下式來計算負載波長λ ( g卩，當 存在氣體或其它材料即介電或磁負載材料時的波長）， 3 C
[0065] ' = 77^， J
[0066] 其中c為真空中的光速，f為輸入至腔體的微波輻射的頻率，和~為氣體或其它 材料的相對電容率（介電常數(shù)）。可以優(yōu)選利用介電或磁性材料裝載或充滿波導腔體（或 一部分波導腔體），以便減小穿過波導和縱向（沿著波導或波導向下），即，穿過并沿著矩形 波導部分的頂面放置的鄰近等離子體產(chǎn)生區(qū)域之間的間隔。利用裝載材料可以使鄰近的等 離子體產(chǎn)生帶或區(qū)域能夠更近的在一起。例如通過利用具有16的相對電容率或相對磁導 率的低損耗材料裝載腔體而可以將鄰近探針之間的間距從16_減小至4_。
[0067] 經(jīng)由在施放器20的頂面中所形成的出口 42使氣體從微波腔體22逸出至各等離 子體碰撞帶內(nèi)。在相應石英管24的基底處定位各出口 42。出口 42可以包括可滲透的PTFE 環(huán)，其允許氣體借此流過，但是由于出口的尺寸即，圓形耦接布置的直徑或狹槽的寬度，而 阻止微波輻射逸出。在壓力下將氣體供應至腔體，這使它流過出口 42并且沿著流動路徑通 過等離子體碰撞帶并從石英管的端部流出。該氣流從施放器（即，石英管）運輸出在此可 以用作滅菌劑的活性劑（即，高能量粒子、自由基等）。利用由微波頻率輻射的各脈沖產(chǎn)生 的等離子體在等離子體碰撞帶內(nèi)產(chǎn)生活性劑。下面參照圖5討論其中氣體未流過微波腔體 22的實施方式。
[0068] 利用可以包括RF能量的一個或多個離散脈沖的RF能量的高電壓突發(fā)來碰撞各等 離子體碰撞帶中的氣體等離子體。將RF碰撞脈沖供應至包括例如石英管24的外表面上的 外導體（圖6中所示的）和安裝在等離子體碰撞帶內(nèi)部且利用石英管自身與外導體分離的 內(nèi)導體的同軸布置。在該實施方式中，內(nèi)導體為下面更詳細地討論的微波耦合器44。將RF 饋電46 (參照下面圖6更詳細地討論的）連接至各同軸布置。RF饋電46將RF碰撞脈沖從 碰撞信號產(chǎn)生電路（下面參照圖3所討論的）傳輸至等離子體碰撞帶。
[0069] 如下所解釋的，通過將微波頻率輻射的脈沖發(fā)送至微波腔體來觸發(fā)各RF碰撞脈 沖。在利用RF碰撞脈沖碰撞等離子體之后，布置施放器以耦合來自腔體中微波頻率輻射的 脈沖的功率，從而維持等離子體，這反而導致即將產(chǎn)生的活性劑可用于滅菌。各RF碰撞脈 沖自身還可以負責產(chǎn)生一些活性劑。利用相應的微波耦合器44將微波功率從微波腔體22 提取至各等離子體碰撞帶。各微波耦合器44為細長的電學導電構(gòu)件，其通過出口 42延伸自 各自石英管24的內(nèi)部并深入微波腔體22。各出口處的彈性環(huán)可以確保各微波耦合器在適 當位置。彈性環(huán)可以由介電材料制成，介電材料以感興趣的頻率表現(xiàn)出對微波能量的低損 耗，S卩，PTFE、聚醚醚酮（PEEK)、尼龍、陶瓷等。在該實施方式中，微波耦合器為細長的E-場 探針。其它實施方式可以使用環(huán)形耦合器等。
[0070] 為了最大化來自腔體的微波功率的耦合，一般合意地在腔體中場強最大值的對面 定位微波耦合器。然而，按此方式布置的微波耦合器將會被沿著施放器的最小值λ g/2間 隔開。以感興趣的微波頻率，該間隔距離可能太遠以致不能從石英管產(chǎn)生均勻的活性劑"覆 蓋層"。例如以2. 45GHz，在裝載的腔體中間隔距離為約6cm。因此，在該實施方式中，微波 耦合器由小于λ g/2的距離間隔開。這意味著它們與具有不同場強的導向波部分匹配。為 了使由各微波耦合器耦合出的功率的量均衡，借此深入腔體的耦合器的量取決于場強平方 的量級。這在圖2中根據(jù)線48示意性地示出。耦合器越深入腔體，可用的功率越低。
[0071] 另外，盡管在線48中未示出，但腔體中可用的功率通常隨著遠離輸入端32的距離 而降低。因此，深入長度除了取決于關(guān)于功率最大值的位置之外，深入長度還取決于關(guān)于輸 入端32的腔體內(nèi)的位置。對關(guān)于最近的場最大值的等效位置而言，可能需要深入長度隨著 遠離輸入的距離而增大，以便提取相同量的功率。利用高級EM場工具如安軟HFSS或CST 微波工作室的電磁場建模可以用于測定深入長度。這些EM建模工具還可以用于（橫穿和 縱向地）測定鄰近耦合器之間的空間并且可以用于測定嘗試布置耦合器之間間隔所需的 短截線的位置和類型，耦合器為縱向等距的或同樣穿過波導腔體。深入長度還可以通過經(jīng) 驗來測定。
[0072] 如上所看到的，還可以將調(diào)諧短截線（tuning stub)引入波導腔體內(nèi)以調(diào)整按此 方式在腔體內(nèi)部建立的場，從腔體耦合的或饋電至各等離子體產(chǎn)生區(qū)域的微波功率基本上 相同。調(diào)諧短截線可以被引入至與耦合探針相同的壁內(nèi)，和/或可以被引入至對面的壁，和 /或可以被引入至一側(cè)或兩側(cè)壁。調(diào)諧短截線可以是由合適材料制成的金屬棒（螺絲或銷 釘）或介電桿，該材料在選擇的微波頻率處表現(xiàn)出低損耗特性?？梢岳肊M場建模工具或 通過經(jīng)驗來測定這些調(diào)諧短截線/桿的位置。
[0073] 圖3示出本發(fā)明的等離子體滅菌設(shè)備的控制組件的高等級系統(tǒng)圖，其將RF能量、 微波頻率能量和氣體提供至等離子體碰撞帶。等離子體滅菌設(shè)備包括用于產(chǎn)生微波頻率輻 射的微波源52。微波源可以為一個或多個磁控管，例如，來自Goldstar的2M213磁控管或 由Panasonic、Sony等制造的其他標準微波爐磁控管。各磁控管均可以以700W(連續(xù)波） 或3kW(脈沖的）以上的功率產(chǎn)生微波頻率輻射。
[0074] 經(jīng)由合適的低損耗連接器（例如，柔性波導等）將調(diào)制器54連接至微波源52的 輸出。將調(diào)制器54的輸出連接至微波腔體22的輸入。調(diào)制器54轉(zhuǎn)換微波源52的輸出以 使脈沖微波信號被發(fā)射至微波腔體22內(nèi)。利用來自系統(tǒng)控制器56的控制信號q來控制調(diào) 制器54,系統(tǒng)控制器56可以是微處理器、微控制器等。系統(tǒng)控制器56可以設(shè)置脈沖微波信 號的脈沖持續(xù)時間和占空比。例如，脈沖持續(xù)時間可以為40ms，脈沖之間存在100ms間隙， 艮P，具有29%的占空比。如果由源產(chǎn)生的功率為50W，則這意指傳送至腔體的各脈沖的平均 功率級為14. 3W。如果覆蓋一只手部的一側(cè)的波導施放器需要49個等離子體產(chǎn)生區(qū)或帶， 那么該系統(tǒng)將需要能夠傳送來自各波導施放器的2450W的峰值功率或700的平均功率。假 定將需要四個此施放器以便能夠覆蓋雙手部的兩側(cè)，那么即將傳送至等離子體內(nèi)所需要的 峰值微波功率將為12. 25kW和平均功率為2. 8kW (假定100 %源和功率供應效率）?？刂破?56可以包括用于檢測傳送至微波腔體的微波輻射的功率級的微波饋電監(jiān)視器（未示出）。 來自微波源52的任何脈沖持續(xù)時間、占空比和功率級輸出可以是（例如，動態(tài)地）可調(diào)整 的以確保將所需功率級傳送至微波腔體52內(nèi)。設(shè)備操作員可以例如，經(jīng)由連接至系統(tǒng)控制 器56的用戶界面58來選擇功率級。
[0075] 在調(diào)制器54和微波腔體22之間連接定向耦合器60。耦合器60轉(zhuǎn)移一部分（例 如，1%以下）在觸發(fā)RF碰撞脈沖時使用的前向微波功率。利用控制器56處理耦合信號以 將RF碰撞窗口信號供應至與門62的一個輸入。例如控制器56可以提供模擬比較器，當參 考信號過度時，可以將模擬比較器的輸出信號制成接近功率供應導軌。RF碰撞窗口信號本 質(zhì)上為設(shè)定RF碰撞脈沖（其可以包括RF能量的突發(fā)（即，離散周期））的持續(xù)時間的矩形 脈沖。將與門62的其它輸入連接至RF源64。因此與門62的輸出為具有RF源的頻率和相 應于RF碰撞窗口信號的持續(xù)時間的RF能量的突發(fā)。下面參照圖4討論了用于產(chǎn)生RF碰 撞窗口信號的模擬解決方案。
[0076] 將與門62的輸出連接至多個柵極驅(qū)動器電路66。使各柵極驅(qū)動器電路66連接以 驅(qū)動功率M0SFET和變壓器電路68,其中速動開關(guān)70,例如，功率M0SFET器件，以RF頻率穿 過晶體管72的初級線圈來轉(zhuǎn)換電壓。因此變壓器72的次級線圈產(chǎn)生作為RF碰撞脈沖被 供應至各自等離子體碰撞帶的高電壓RF信號。在該實施方式中，為各等離子體碰撞帶提供 柵極驅(qū)動器電路66和功率M0SFET和變壓器電路68以確保在每個等離子體碰撞帶中產(chǎn)生 足夠高的電壓?？梢詢?yōu)選使用一個RF碰撞脈沖電路來產(chǎn)生用于多個等離子體產(chǎn)生區(qū)或帶 的RF碰撞脈沖，S卩，可以使等離子體產(chǎn)生區(qū)的5、10或更多的RF耦合輸入平行連接，但是使 用電感器隔離開。在該布置中，可以通過電容器和串聯(lián)電感器利用單獨饋電將RF碰撞脈沖 耦合至等離子體產(chǎn)生區(qū)或帶。
[0077] 在該實施方式中，經(jīng)由控制閥71將氣體供應18連接至微波腔體22的內(nèi)部，經(jīng)由 控制信號C 2通過系統(tǒng)控制器56來控制控制閥71?？梢允箍刂菩盘杚和C2同步以確保當 供應RF碰撞脈沖和微波能量時在等離子體碰撞帶中建立氣體的流動。
[0078] 圖4不出碰撞信號產(chǎn)生電路的一個實施方式的詳細配置。使與非門62、在該實施 方式中作為不穩(wěn)電路的RF源64、和反相柵極驅(qū)動器電路66為與圖3的相同參考數(shù)值。在 圖4所示的布置中，通過利用閾值比較器74連同微分器76來產(chǎn)生RF碰撞窗口信號。用于 碰撞信號產(chǎn)生電路的輸入信號S1源自來自定向稱合器60的部分微波能量。將輸入信號Si 連接至單位增益緩沖器73以確保不裝載比較器74的信號輸入。得到的信號S2是有條件 的，從而一旦運算放大器的非反相輸入處所見的電壓大于閾值電壓V th就提供具有接近于 或與運算放大器的功率供應導軌電壓V2相同水平的恒定電壓。該電路為微分器電路提供恒 定初始電壓水平。觸發(fā)脈沖本質(zhì)上為具有與發(fā)送至微波腔體的微波脈沖相同持續(xù)時間的方 形波脈沖。出于碰撞信號產(chǎn)生電路的目的，它是感興趣的該信號的上升沿，因為這樣會觸發(fā) 閾值比較器74的狀態(tài)的改變。將緩沖器73的輸出信號S 2輸入至閾值比較器74,如果信號 s2的電壓大于閾值電壓Vth則它會產(chǎn)生輸出信號S3。將輸出信號S 3輸入至微分器76,它的 輸出信號S4具有相應于信號S3的電壓的時間導數(shù)的電壓。然而，信號S 4的持續(xù)時間受到 輸入至微分器電路中第二比較器的參考電壓t的限制。該結(jié)果為輸出信號S4具有有限的 持續(xù)時間?？梢栽O(shè)定參考電壓t以建立碰撞脈沖的持續(xù)時間。
[0079] 如圖3所示，將與非門62的輸出連接至柵極驅(qū)動器電路66。將反相柵極驅(qū)動器電 路的輸入連接至功率M0SFET和變壓器電路，這在圖4中已示出，以包括連接的M0SFET78，從 而穿過變壓器80的初級線圈來轉(zhuǎn)換電壓+VDD。變壓器80的次級線圈產(chǎn)生RF碰撞信號，經(jīng) 由合適的饋電結(jié)構(gòu)例如同軸電纜等將RF碰撞信號供應至相應的等離子體碰撞帶。
[0080] 圖5示出了通過圖2所示的等離子體施放器120的備選表示的橫截面?zhèn)纫晥D。使 與圖2 -樣的特征為相同參考數(shù)值并且不再進行描述。按照將氣體供應至等離子體碰撞帶 的方式來從圖2所示的實施方式區(qū)分該實施方式中的等離子體施放器120。在該實施方式 中，閉合微波腔體；氣流不從其穿過。利用不可滲透的固定裝置142將微波耦合器44安裝 于施放器120的頂面，固定裝置142同時將施放器固定于適當位置并且密封微波腔體22。 固定裝置的下面可以是金屬化的以防止微波能量逸出。在該實施方式中，通過相應的石英 管24的壁中進口將氣體直接供應至各等離子體碰撞帶?？梢詫⒏鬟M口平行連接至氣體供 應，或者，如圖5所示，氣體流動通道130可以使各石英管24的內(nèi)部與其附近的石英管連 接。石英管之一，例如，末端管，包括用于連接至氣體供應（未示出）的進口 131。按此方式 將等離子體碰撞帶串聯(lián)連接至氣體供應。該布置的一個優(yōu)點在于，它可以確保穿過施放器 的氣流均衡。
[0081] 圖6示出在如上所討論的等離子體施放器頂面上安裝的石英管24內(nèi)部的等離子 體碰撞帶的更詳細視圖。使與上文所描述的布置一樣的特征為相同參考數(shù)值并且不再進行 描述。圖6示出用于將RF碰撞脈沖發(fā)射至等離子體碰撞帶內(nèi)的布置的詳細實施例。經(jīng)由 電纜90使RF碰撞脈沖從碰撞信號產(chǎn)生電路運送至等離子體碰撞帶，電纜90可以是同軸電 纜、電容性饋通、線接觸等。如果使用同軸電纜，則將經(jīng)由電感器96使中心導體連接至耦合 器44。在該布置中，經(jīng)由電感器96將同軸電纜90的內(nèi)導體電連接至石英管中的微波耦合 器44。
[0082] 將可以接地的同軸電纜90的外導體連接至圍繞石英管24的一部分外表面所形成 的導電套管92,石英管24圍繞微波耦合器44的端部。導電套筒92必須完全圍繞導體/耦 合器44并且被連接至波導部分/腔體22的外壁。導電套筒92或者圍繞石英管24的長度 必須是這樣的，微波能量不能從等離子體產(chǎn)生帶或區(qū)輻射或逸出至自由空間或者耦合至組 織內(nèi)。微波耦合器44、石英管24和套管92由此形成同軸結(jié)構(gòu)。氣體流過該同軸結(jié)構(gòu)的石 英管24的內(nèi)部區(qū)域為等離子體碰撞帶。因為在此出現(xiàn)了由RF碰撞脈沖引起的高電場。使 微波阻擋元件94連接于上述的同軸電纜90和同軸結(jié)構(gòu)之間。微波阻擋元件94的用于在 于防止來自微波稱合器44的腔體稱合的微波能量順著同軸電纜90朝向碰撞信號產(chǎn)生電路 向下行進。在該實施方式中，微波阻擋元件94包括連接至同軸電纜90的內(nèi)導體且利用絕 緣體98從同軸電纜90的外導體絕緣的線圈電感器96。電感器96可以由低損耗材料如銀 制成。電感器96在阻塞微波頻率能量例如1GHz以上時特別有效的。
[0083] 另外可替換地，可以將一個或多個四分之一波長短截線連接至外導體。該短截線 的長度為微波頻率輻射的四分之一波長。包括該短截線可以有助于防止微波能量從微波阻 擋元件94輻射。
[0084] 圖7示出可以用于將RF碰撞脈沖耦合至等離子體碰撞帶的可替換布置。在該布 置中，兩個非接觸導電針182、184用于將來自變壓器180的第二繞組的RF碰撞脈沖耦合至 微波耦合器44。將電壓Nx和N 2布置為異相以在等離子體產(chǎn)生帶處形成足夠大的電場，從 而使等離子體能夠被碰撞。四分之一波長圓柱形短截線186、188用于確保無微波功率從施 放器發(fā)出。布置短截線以將在其近端（針進入的地方）的短路轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體碰撞帶處的 開路。密封件200用于確保氣體不能從針進入等離子體碰撞帶的地方逸出。該布置還確保 了微波耦合器44處的E-場為最大。
[0085] 圖8A和圖8B示出擴散裝置190的應用，可以將擴散裝置190安裝于石英管24之 上以遍布較寬的處理區(qū)進行傳播由等離子體產(chǎn)生的活性劑。擴散裝置的優(yōu)點在于，需要較 小的等離子體碰撞帶獲得用于活性劑的相同覆蓋區(qū)。具有較小的等離子體碰撞帶可以降低 器械的功率需求。在圖8A中，如上所述示出從波導腔體22的壁伸出的石英管24。如上所 述地供應將氣體提供至由石英管24圍住的體積的單獨氣體供給裝置130 (為了清楚沒有示 出細節(jié)），其中通過耦合器44和RF碰撞脈沖從腔體22耦合微波能量。石英管24被外殼 192包圍，在擴散裝置190的后表面中所形成的相應形狀的孔中接納外殼192。利用緊鎖螺 釘194可以確保外殼192在擴散裝置190中?？梢杂纱烁淖儾迦霐U散裝置190內(nèi)的外殼的 長度。
[0086] 擴散裝置190自身為包圍在來自石英管的出口周圍的體積的室。圖8B示出室的 頂表面的平面圖，其配置四個洞196。因此由等離子體產(chǎn)生的活性劑通過洞離開擴散裝置 190,從而如圖8A中虛線箭頭所指示的傳播等離子體碰撞帶的影響。
【權(quán)利要求】
1. 一種等離子體滅菌設(shè)備，包括： 微波腔體，可連接以從微波源接收微波頻率輻射的脈沖； 微波耦合器，被布置為將所述微波腔體之外的微波能量耦合至等離子體碰撞帶，所述 等離子體碰撞帶具有通過其的氣體流動路徑； 氣體供給裝置，可連接以將可電離的氣體供應至所述氣體流動路徑；以及 碰撞信號產(chǎn)生電路，被布置為將射頻（RF)能量的脈沖傳送至所述等離子體碰撞帶，以 在其中產(chǎn)生高電場來碰撞存在于所述氣體流動路徑上的可電離的氣體中的非熱等離子體， 其中，所述碰撞信號產(chǎn)生電路包括控制電路，所述控制電路被布置為利用在所述微波 腔體中接收的微波頻率輻射的脈沖的可檢測特性來觸發(fā)所述RF能量的脈沖的產(chǎn)生。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的等離子體滅菌設(shè)備，包括多個微波耦合器，每個微波耦合器 安裝于所述微波腔體上以將所述微波腔體之外的微波能量耦合至各自的等離子體碰撞帶。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的等離子體滅菌設(shè)備，包括在輸入處連接至微波腔體的微 波信號探針，以將在所述腔體接收的一部分所述微波頻率輻射耦合至所述碰撞信號產(chǎn)生電 路的所述控制電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述微波信號探針為E-場耦合器 或H-場稱合器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述碰撞信號產(chǎn)生電路包括的RF 碰撞電路，所述RF碰撞電路被布置為利用來自所述腔體的耦合的一部分所述微波頻率輻 射來接收由所述控制電路產(chǎn)生的脈沖RF信號作為輸入。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述碰撞信號產(chǎn)生電路包括： 多個RF碰撞電路，每個RF碰撞電路被布置為利用來自所述腔體的稱合的一部分所述 微波頻率輻射來接收由所述控制電路產(chǎn)生的脈沖RF信號作為輸入，并且將RF能量的脈沖 輸出至各自的等離子體碰撞帶，以及 RF信號分離器，被布置為分離由所述控制電路產(chǎn)生的所述脈沖RF信號，以產(chǎn)生用于各 RF碰撞電路的單獨輸入信號。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，每個RF碰撞電路包括柵極驅(qū)動器、 功率MOSFET和變壓器。
8. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述控制電路被布 置為將RF能量的所述脈沖的持續(xù)時間設(shè)定為10ms以下。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，包括微波源，所述微波源 連接至所述微波腔體并被布置為傳送具有40ms的持續(xù)時間和29%的占空比的微波頻率輻 射的脈沖。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述微波源是磁控管。
11. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，各等離子體碰撞帶 包括： 介電導管，從所述微波腔體延伸出來并限定所述氣體流動路徑， 同軸布置，包括位于所述介電導管內(nèi)部的內(nèi)導體和通過所述介電導管從所述內(nèi)導體分 離的外導體， 其中，所述碰撞信號產(chǎn)生電路連接至所述同軸布置，以當傳送所述射頻（RF)能量的脈 沖時在所述介電導管內(nèi)產(chǎn)生高電場。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，經(jīng)由微波阻擋元件將所述碰撞 信號產(chǎn)生電路連接至所述同軸布置，所述微波阻擋元件被布置為保護所述碰撞信號產(chǎn)生電 路免受所述等離子體碰撞帶中的微波能量。
13. 根據(jù)權(quán)利要求12所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述碰撞信號產(chǎn)生電路包括同 軸輸出線，所述同軸輸出線具有連接至所述同軸布置的所述內(nèi)導體的內(nèi)導體和連接至所述 同軸布置的所述外導體的外導體，其中所述微波阻擋元件包括所述同軸輸出線的所述內(nèi)導 體上的電感器。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述同軸布置 的所述內(nèi)導體為用于所述各自的等離子體碰撞帶的所述微波耦合器的至少一部分。
15. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，每個微波耦合器包 括導電構(gòu)件，所述導電構(gòu)件具有伸入所述微波腔體的第一部分和從所述微波腔體向外延伸 至其各自的等離子體碰撞帶的第二部分，并且其中，基于所述微波腔體中所述微波能量的 場強來確定暴露于所述微波腔體中的所述第一部分的長度。
16. 根據(jù)權(quán)利要求15所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述微波腔體被布置為以單波 導模式支持基本上所有的所接收的所述微波能量，并且其中，暴露于所述微波腔體中的每 個導電構(gòu)件的所述第一部分的量是基于其各自的微波耦合器相對于所述波導模式的場的 位置以及所述微波耦合器與在所述腔體中接收微波能量的位置之間的距離來確定的。
17. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，包括安裝于波導腔體中 用于控制每個微波耦合器的輸出處所產(chǎn)生的功率水平的金屬調(diào)諧短截線或介電調(diào)諧短截 線。
18. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述波導腔體包含 裝載材料。
19. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述多個微波耦合器在所述波導 腔體的一個表面上以7X7陣列進行布置。
20. 根據(jù)前述權(quán)利要求任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述氣體供給裝置包括 進入所述微波腔體的進口和來自所述微波腔體的一個或多個出口，每個出口通向各自的等 離子體碰撞帶，從而使所述可電離的氣體經(jīng)過所述微波腔體到達所述等離子體碰撞帶。
21. 根據(jù)權(quán)利要求20所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，每個微波耦合器通過可透氣性 連接器緊固于其等離子體碰撞帶的各自的出口中。
22. 根據(jù)權(quán)利要求1至19中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，所述氣體供給裝 置包括進入每個等離子體產(chǎn)生帶的單獨進口。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的等離子體滅菌設(shè)備，其中，將所述等離子體碰撞帶的所述 氣體流動路徑串聯(lián)連接至所述氣體供給裝置。
24. 根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，包括在所述等離子體碰 撞帶之后的所述氣體流動路徑上的擴散裝置，所述擴散裝置包括具有用于傳播來自所述等 離子體碰撞帶的輸出的多個間隔開的出口孔的殼體。
25. -種用于手部滅菌的器械，所述器械包括： 外殼，限定上內(nèi)表面與下內(nèi)表面之間的接收手部的凹槽； 微波源，位于所述外殼中并被布置為產(chǎn)生微波頻率輻射的脈沖； 多個根據(jù)前述權(quán)利要求中的任一項所述的等離子體滅菌設(shè)備，位于所述外殼中并被連 接以接收來自所述微波源的微波頻率輻射的脈沖， 其中，使來自所述多個等離子體滅菌設(shè)備的所述等離子體碰撞帶的所述氣體流動路徑 在所述上內(nèi)表面或所述下內(nèi)表面終止，從而由所述多個等離子體滅菌設(shè)備產(chǎn)生的等離子體 被布置為當所述接收手部的凹槽中接收到使用者的一只手或雙手時沖擊使用者的一只手 或雙手。
26. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的器械，其中，所述微波源包括磁控管和功率分離器，被布置 為將來自所述磁控管的輸出分離成多個微波輸入信號，使每個微波輸入信號均用于各自的 等離子體滅菌設(shè)備。
27. 根據(jù)權(quán)利要求25所述的器械，其中，所述微波源包括磁控管和功率多路復用器，被 布置為在所述多個等離子體滅菌設(shè)備之間多路復用來自所述磁控管的輸出。
28. 根據(jù)權(quán)利要求25至27中的任一項所述的器械，具有被布置為在所述上內(nèi)表面處的 并排的上部對和在所述下內(nèi)表面處的并排的下部對的四個等離子體滅菌設(shè)備，從而每個等 離子體滅菌設(shè)備指向使用者雙手中的一只的一側(cè)。
【文檔編號】A61L2/14GK104066456SQ201280068004
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月24日
【發(fā)明者】克里斯托弗·保羅·漢考克, 史蒂文·莫里斯 申請人:克里奧醫(yī)藥有限公司