專(zhuān)利名稱(chēng)：大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于氣體放電和等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置。
背景技術(shù)：
在醫(yī)學(xué)和食品領(lǐng)域，滅菌消毒方法及裝置應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)滅菌消毒方法及裝置已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代醫(yī)學(xué)和食品領(lǐng)域的需求，大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置應(yīng)運(yùn)而生。與常規(guī)的滅菌裝置相比，因?yàn)樵撗b置可在大氣壓、低電壓條件下產(chǎn)生低溫等離子體，對(duì)細(xì)菌進(jìn)行滅除，而不需要在復(fù)雜的且昂貴的真空或低壓密閉容器進(jìn)行滅菌和產(chǎn)生高溫對(duì)細(xì)菌進(jìn)行滅除，所以大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置的應(yīng)用前景廣闊。等離子體作為物質(zhì)的第四態(tài)，廣泛地存在于宇宙中，如遠(yuǎn)離地球表面的電離層，各種星體等。然而在地球上等離子體必需通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段來(lái)獲得。等離子體還可以通過(guò)對(duì)氣體加熱、外加電場(chǎng)或輻射的方法來(lái)獲得，其中通過(guò)外加電場(chǎng)放電是獲得等離子體的主要途徑。通過(guò)電場(chǎng)產(chǎn)生等離子體的方法有直流放電、工頻放電、射頻放電、微波放電等。直流放電和工頻放電產(chǎn)生等離子體需要施加極高的電壓，而微波放電產(chǎn)生的等離子體具有過(guò)高能量密度和過(guò)高的宏觀(guān)溫度。射頻放電產(chǎn)生等離子體所需施加的電壓較低，且射頻放電能產(chǎn)生能量密度適中和溫度較低的等離子體，此外射頻電流較直流電流和工頻電流對(duì)人體產(chǎn)生電學(xué)傷害的電流閾值大，因此射頻放電產(chǎn)生的等離子體能滿(mǎn)足醫(yī)學(xué)和食品領(lǐng)域上對(duì)等離子體的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠在大氣壓、低電壓，產(chǎn)生宏觀(guān)溫度低、粒子能量密度適中的等離子體的大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括依次相連的用于提供射頻功率輸出的射頻電源、測(cè)量并顯示前向和反射功率的雙向功率表、實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)阻抗匹配的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和電極接頭，金屬電極安裝在電極接頭上，金屬電極采用單放電端電極或者多放電端電極，且金屬電極為圓柱形電極，其直徑為0. 2mm 1.5mm，金屬電極分為絕緣部分和放電部分，在金屬電極的末端設(shè)置有氣體供給系統(tǒng)，放電部分絕緣部分外周涂有絕緣涂層，絕緣涂層的厚度為0.01mm 0. 1mm，放電部分裸漏在空氣中，發(fā)生放電產(chǎn)生等離子體，所產(chǎn)生等離子體圍繞著電極呈圓柱狀。所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)。所述的氣體供給系統(tǒng)提供的氣體為氦氣，氦氣在金屬電極的末端放電部分與空氣混合形成放電工作氣體。由于普通的等離子體放電采用的雙極放電機(jī)構(gòu)，其空間結(jié)構(gòu)固定，作用于待處理物時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)固定有一定的缺陷。而本發(fā)明采用的單極放電結(jié)構(gòu)能很好的規(guī)避這種缺陷，它是以周?chē)矬w作為對(duì)應(yīng)的電極，從而產(chǎn)生等離子體作用于待處理物。


圖1是本發(fā)明單極電容耦合放電簡(jiǎn)圖；圖2是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖2(a)是單放電端金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2(b)是多放電端金屬電極的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。參見(jiàn)圖1，2，本發(fā)明包括射頻電源1、雙向功率表2、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3、電極接頭4、金屬電極5和氣體供給系統(tǒng)。射頻電源1提供射頻功率輸出；雙向功率表2測(cè)量并顯示前向和反射功率；阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的阻抗匹配，采用了使用較少分立元件穩(wěn)定性較高的L型匹配網(wǎng)絡(luò)，匹配網(wǎng)絡(luò)由可調(diào)電容和電感構(gòu)成；電極接頭4用來(lái)連接金屬電極5，保證射頻功率傳輸?shù)浇饘匐姌O5 ’金屬電極是整個(gè)等離子體發(fā)生裝置中的核心部件，是等離子體的載體，采用了單極放電結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，另一方面因其開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，使得容易作用于待處理物；氣體供給系統(tǒng)為本發(fā)明提供一定流量的氦氣，氦氣在金屬電極5的末端放電部分與空氣混合形成放電工作氣體。本發(fā)明該通過(guò)電極接頭4連接金屬放電電極5，金屬電極5為單放電端電極(見(jiàn)圖2a)或者多放電端電極(見(jiàn)圖2b)，兩種形式都能放電產(chǎn)生等離子體，所采用的金屬電極為圓柱形電極，直徑為0. 2mm 1. 5mm。電極分為絕緣部分5_1和放電部分5_2，絕緣部分5-1外周涂有絕緣涂層，保證其不會(huì)發(fā)生放電，絕緣涂層的厚度為0. Olmm 0. 1mm，絕緣涂層的長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)；放電部分5-2沒(méi)有絕緣涂層，裸漏在空氣中，可以發(fā)生放電，產(chǎn)生等離子體，所產(chǎn)生等離子體圍繞著電極呈圓柱狀。在射頻功率的作用下，氦氣與空氣在金屬電極末端的混合氣體被激發(fā)產(chǎn)生放電，形成低溫等離子體。大氣壓下低溫微離子體可以廣泛應(yīng)用于牙科齲齒等復(fù)雜環(huán)境下的醫(yī)療滅菌消毒、皮膚表面等大面積滅菌消毒、美容微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療滅菌消毒和細(xì)胞級(jí)手術(shù)等醫(yī)療應(yīng)用，以及食品保鮮等領(lǐng)域。本發(fā)明采用開(kāi)放式單極放電結(jié)構(gòu)，使用氦氣與空氣混合氣體作為放電工作氣體，在射頻功率的作用下在金屬電極末端產(chǎn)生大氣壓下低溫等離子體。這種發(fā)生方法的原理是氦氣與空氣的混合氣體在外加低電壓、射頻電場(chǎng)作用下產(chǎn)生放電，混合氣體被電離成自由電子、離子、自由基和中性粒子構(gòu)成的氣體，這種宏觀(guān)上呈電中性且宏觀(guān)溫度較低的氣體就是低溫等離子體，因?yàn)槭窃诖髿鈮合掳l(fā)生的，所以又稱(chēng)為大氣壓下低溫等離子體。常規(guī)方法獲得的等離子體通常宏觀(guān)溫度較高，且是在真空或低氣壓下獲得的。因?yàn)橐谡婵栈虻蜌鈮合庐a(chǎn)生等離子體，所以就必須需要真空設(shè)備或獲得低氣壓的設(shè)備，而這些設(shè)備通常是昂貴的。此外在真空或低氣壓腔體中獲得的等離子體局限于腔體內(nèi)，而要發(fā)生等離子體腔體的結(jié)構(gòu)是限定的，所以不能處理體積大、外形復(fù)雜的對(duì)象。為獲得經(jīng)濟(jì)實(shí)用且應(yīng)用范圍廣的低溫等離子體，設(shè)計(jì)了大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置。這種裝置能在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體，而無(wú)需昂貴的真空設(shè)備或獲得低氣壓的設(shè)備，且產(chǎn)生的等離子體宏觀(guān)溫度較低，與室溫相當(dāng)。該裝置采用了開(kāi)放式單極放電結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能處理各種類(lèi)型的對(duì)象，應(yīng)用范圍廣，避免了已有結(jié)構(gòu)不能處理體積大、外形復(fù)雜對(duì)象的缺陷。該裝置不僅能實(shí)現(xiàn)大氣壓、低電壓、低溫條件下的滅菌，而且可以實(shí)現(xiàn)牙科齲齒等復(fù)雜環(huán)境下的醫(yī)療滅菌消毒、皮膚表面等大面積滅菌消毒、美容微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療滅菌消毒和細(xì)胞級(jí)手術(shù)等醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域以及食品保鮮等領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步拓展了大氣壓下低溫等離子體的應(yīng)用范圍，解決了醫(yī)學(xué)和食品領(lǐng)域?qū)嶋H當(dāng)中的難題。該裝置成本低廉、滅菌消毒效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便。該裝置可以采用單放電端金屬電極或者多放電端金屬電極，皆可產(chǎn)生低溫等離子。電極放電端數(shù)量的不同和電極表面絕緣涂層長(zhǎng)度的不同，使得所產(chǎn)生等離子體的多少和覆蓋面積大小也有所不同，具體為放電端數(shù)量少，等離子體量少，面積??；放電端數(shù)量多，等離子體量大，面積大；絕緣涂層長(zhǎng)度短，裸露電極長(zhǎng)，等離子體量大，面積大；絕緣涂層長(zhǎng)，裸露電極短，等離子體量少，面積小。這樣的特點(diǎn)使得該裝置能適用于各種不同應(yīng)用場(chǎng)合。采用單放電端電極時(shí)，結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，適用于口腔疾病的治療以及其他狹小空間的殺菌消毒工作；采用多放電端電極時(shí)，能夠產(chǎn)生大量的等離子體，且等離子體覆蓋面積明顯增大，因此能夠高效的作用于尺寸較大的被處理物。該裝置因?yàn)槭褂幂^小的射頻功率、較少的氦氣，所以能耗少、成本低廉；該裝置因?yàn)椴捎蒙漕l放電，所以產(chǎn)生等離子體所需電壓低、功率小，且射頻電流較直流電流和工頻電流對(duì)人體產(chǎn)生電學(xué)傷害的電流閾值大，因此該裝置電學(xué)上對(duì)人體等是安全的；該裝置因?yàn)椴捎昧碎_(kāi)放式單極放電結(jié)構(gòu)，所以能在大氣壓下產(chǎn)生低溫等離子體，且開(kāi)放式結(jié)構(gòu)使得容易作用于待處理表面。該等離子體發(fā)生裝置運(yùn)行的具體步驟通過(guò)電路通路和氣體通路將射頻電源、雙向功率表、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、電極接頭、金屬電極、氣體供給系統(tǒng)連通起來(lái)，完成裝置的內(nèi)部連通；打開(kāi)射頻電源，為射頻功率輸出作準(zhǔn)備；打開(kāi)雙向功率表，為射頻前向和反射功率測(cè)量和顯示作好準(zhǔn)備；打開(kāi)氣體供給系統(tǒng)的閥門(mén)，提供一定流量的氦氣輸出，傳向金屬電極末端與空氣混合；調(diào)節(jié)并輸出射頻功率，射頻功率通過(guò)射頻電纜及電極接頭傳輸至金屬電極的放電端；調(diào)節(jié)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的可變參數(shù)，使得雙向功率表中的功率反射率盡量小，從而使得整個(gè)裝置的阻抗在一定程度上得到匹配；在整個(gè)裝置的阻抗得到一定程度匹配的情況下，射頻電源的輸出功率幾乎完全傳輸至放電端，氦氣與空氣的混合氣體于放電端在射頻功率的作用下，被激發(fā)產(chǎn)生放電，電離后形成包含有電子、離子、自由基和中性粒的氣體，這種宏觀(guān)上呈電中性且宏觀(guān)溫度較低的氣體就是低溫等離子體，因?yàn)槭窃诖髿鈮合掳l(fā)生的，所以又成為大氣壓下低溫等離子體。大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置所產(chǎn)生的低溫等離子體作用于待處理物，實(shí)現(xiàn)了牙科齲齒等復(fù)雜環(huán)境下的醫(yī)療滅菌消毒、皮膚表面等大面積滅菌消毒、美容微創(chuàng)手術(shù)的醫(yī)療滅菌消毒和細(xì)胞級(jí)手術(shù)等醫(yī)療應(yīng)用，以及食品保鮮等領(lǐng)域的應(yīng)用。
權(quán)利要求
1.大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置，其特征在于包括依次相連的用于提供射頻功率輸出的射頻電源(1)、測(cè)量并顯示前向和反射功率的雙向功率表O)、實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)阻抗匹配的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)⑶和電極接頭G)，金屬電極(5)安裝在電極接頭⑷上，金屬電極( 采用單放電端電極或者多放電端電極，且金屬電極為圓柱形電極，其直徑為0. 2mm 1. 5mm，金屬電極分為絕緣部分(5-1)和放電部分(5-2)，在金屬電極(5)的末端設(shè)置有氣體供給系統(tǒng)，放電部分絕緣部分(5-1)外周涂有絕緣涂層，絕緣涂層的厚度為0.01mm 0. 1mm，放電部分(5_2)裸漏在空氣中，發(fā)生放電產(chǎn)生等離子體，所產(chǎn)生等離子體圍繞著電極呈圓柱狀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置，其特征在于所述的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(3)采用L型匹配網(wǎng)絡(luò)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置，其特征在于所述的氣體供給系統(tǒng)提供的氣體為氦氣，氦氣在金屬電極的末端放電部分與空氣混合形成放電工作氣體。
全文摘要
大氣壓下開(kāi)放式單極射頻低溫等離子體發(fā)生裝置，包括依次相連的射頻電源、雙向功率表、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和電極接頭，金屬電極安裝在電極接頭上，金屬電極采用單放電端電極或者多放電端電極，且金屬電極為圓柱形電極，金屬電極分為絕緣部分和放電部分，在金屬電極的末端設(shè)置有氣體供給系統(tǒng)。由于普通的等離子體放電采用的雙極放電機(jī)構(gòu)，其空間結(jié)構(gòu)固定，作用于待處理物時(shí)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)固定有一定的缺陷。而本發(fā)明采用的單極放電結(jié)構(gòu)能很好的規(guī)避這種缺陷，它是以周?chē)矬w作為對(duì)應(yīng)的電極，從而產(chǎn)生等離子體作用于待處理物。
文檔編號(hào)H05H1/46GK102573264SQ20111039375
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月1日
發(fā)明者姜濤, 李兵, 王超, 蔣勛, 趙會(huì)娜 申請(qǐng)人:西安交通大學(xué)