CN101848595A - 大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置 - Google Patents

Abstract

大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置，使用惰性气体与空气混合气体作为放电工作气体，放电区域开放式结构使得产生的等离子体容易作用于被处理对象，可解决传统等离子体发生装置结构固定和等离子体宏观温度过高及等离子体内粒子能量密度过高所导致的应用范围局限问题，可解决复杂环境下的应用问题。本发明具有以下特点，在大气压、低电压、室温的条件下，产生宏观温度低、粒子能量密度适中的等离子体，适用医疗卫生和食品卫生等领域的应用，同时成本低、能耗小，开放式的等离子发生方式可用于牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、美容微创手术的医疗灭菌消毒和细胞级手术等医疗应用领域以及食品保鲜等领域。

Description

大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置

技术领域

本发明属于气体放电和等离子体应用技术领域，具体涉及一种大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置。

背景技术

在医学和食品领域，灭菌消毒方法及装置应用广泛，传统的真空或低压下的双极电容耦合低温等离子体发生方法及装置，因为需要使用昂贵的真空或低压设备、发生装置的结构固定不能处理不规则表面、产生的等离子体宏观温度过高、需要施加的电压过高，已经不能满足现代医学和食品领域的需求，大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置克服了传统的真空或低压下的双极电容耦合低温等离子体发生方法及装置的以上诸多缺点。大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置能在大气压下产生低温等离子体，不需要昂贵的真空或低压设备；因为采用的是单极电容耦合放电结构，可以处理不规则表面；射频激励下产生低温等离子体所需电压低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法及装置，不仅解决了医学和食品领域实际当中的难题，而且成本低廉、灭菌消毒效率高，结构紧凑、操作方便。

为达到上述目的，本发明的装置包括射频电源以及依次通过射频电缆与射频电源相连接的双向功率表、阻抗匹配网络、射频接头和等离子体发生器；

所说的等离子体发生器包括与射频接头相连接的金属支架以及与金属支架内圆柱体同心固定的金属棒，金属棒伸展在金属支架之外，且在该金属棒的外侧除金属棒末端外均设置有绝缘棒，在金属支架的下方开设气体入口，该气体入口将金属支架内圆柱腔体与气体流量控制器相连。

本发明的金属支架内圆柱腔体与绝缘棒之间还设置有可沿轴向伸缩移动的绝缘管；绝缘管通过固定在其一侧的带内螺纹的金属环与带外螺纹的金属支架螺纹连接；阻抗匹配网络采用L型匹配网络。

大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法包括以下步骤：

1)首先，打开射频电源，调节阻抗匹配网络中的可变参数，使得双向功率表中的功率反射率尽量小，从而使得整个装置的阻抗得到匹配，

2)其次，调节并输出射频功率，射频功率通过金属支架左侧的射频接头传输至金属棒末端；

3)然后，打开气体供给系统的阀门，调节气体流量控制器，获得所需流量的气体，惰性气体从金属支架下方的气体入口进入金属内圆柱腔体，经绝缘管在金属棒的末端与空气混合，惰性气体与空气的混合气体在射频功率的作用下，被激发产生放电，电离后形成包含有电子、离子、自由基和中性粒的低温等离子体。

本发明与常规的灭菌方法及装置相比，由于可在大气压、低电压条件下产生低温等离子体，对细菌进行灭除，而不需要在复杂的且昂贵的真空或低压密闭容器进行灭菌和产生高温对细菌进行灭除，使得等离子体灭菌技术不仅能实现大气压低温条件下的灭菌，而且可以实现了牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、美容微创手术的医疗灭菌消毒和细胞级手术等医疗应用领域以及食品保鲜等领域，进一步拓展了大气压下低温等离子体的应用范围，解决了医学和食品领域实际当中的难题。不仅在提高效率的同时还降低了成本，使得其性能价格比升高。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的装置及方法作进一步详细说明。

等离子体作为物质的第四态，广泛地存在于宇宙中，如远离地球表面的电离层，各种星体等。然而在地球上等离子体必需通过实验手段来获得。等离子体还可以通过对气体加热、外加电场或辐射的方法来获得，其中通过外加电场放电是获得等离子体的主要途径。通过电场产生等离子体的方法有直流放电、工频放电、射频放电、微波放电等。直流放电和工频放电产生等离子体需要施加极高的电压，而微波放电产生的等离子体具有过高能量密度和过高的宏观温度。射频放电产生等离子体所需施加的电压较低，且射频放电能产生能量密度适中和温度较低的等离子体，此外射频电流较直流电流和工频电流对人体产生电学伤害的电流阈值大，因此射频放电产生的等离子体能满足医学和食品领域上对等离子体的需求。射频放电又能分为电感耦合放电和电容耦合放电。普通的电容耦合放电采用的双极电容耦合放电机构，其空间结构固定，作用于待处理物时因为结构固定有一定的缺陷，而本发明采用单极电容耦合放电能很好的规避这种缺陷，它是以周围物体作为对应的电极，从而产生等离子体作用于待处理物。

本发明利用单极电容耦合放电结构，使用惰性气体与空气混合气体作为放电工作气体，在射频功率的作用下产生大气压下低温等离子体的方法。其方法是将混合气体在外加低电压、射频电场作用下产生放电，混合气体被电离成由电子、离子、自由基和中性粒子构成的气体，这种宏观上呈电中性且宏观温度较低的气体就是低温等离子体，因为是在大气压下发生的，所以又称为大气压下低温等离子体。

参见图1，本发明的装置包括射频电源1以及依次通过射频电缆2与射频电源1相连接的双向功率表3、阻抗匹配网络4、射频接头5和等离子体发生器；

所说的等离子体发生器包括与射频接头5相连接的金属支架6以及与金属支架6内圆柱体同心固定的金属棒9，金属棒9伸展在金属支架6之外，且在该金属棒9的外侧除金属棒9末端外均设置有绝缘棒8，在金属支架6的下方开设气体入口10，该气体入口10将金属支架6内圆柱腔体与气体流量控制器相连，金属支架6内圆柱腔体与绝缘棒8之间还设置有可沿轴向伸缩移动的绝缘管7，绝缘管7通过固定在其一侧的带内螺纹的金属环与带外螺纹的金属支架6螺纹连接。

本发明的射频电源提供射频功率输出；双向功率表测量并显示前向和反射功率；阻抗匹配网络实现整个系统的阻抗匹配，采用了使用较少分立元件稳定性较高的L型匹配网络，匹配网络由可调电容和电感构成；等离子体发生器是整个新型发生装置中的核心部件，是等离子体的载体，采用了单极电容耦合放电结构，这种新型的结构一方面结构紧凑、方便操作，另一方面因其开放式结构可以容易作用于待处理物；气体流量控制器和气体供给系统为装置提供一定流量的惰性气体，惰性气体在等离子体发生器的放电端与空气混合形成放电工作气体；相应的电路通路和气体通路是为了实现装置内部的连通。

金属棒电极与金属支架内圆柱体同心固定，为避免金属棒在除末端以外的地方放电，金属棒其余部分经绝缘棒作了绝缘处理。金属棒末端伸展在金属支架之外，绝缘管通过固定在其一侧的带内螺纹的金属环与一侧带外螺纹的金属支架进行螺纹传动连接，通过螺纹连接绝缘管可以轴向伸缩移动。金属支架的另一侧固定着射频接头，惰性气体由气体流量控制器、金属支架下方的气体入口进入金属内圆柱腔体，经绝缘管在放电端与空气混合，在射频功率的作用下惰性气体与空气在金属棒末端的混合气体被激发产生放电，形成低温等离子体。大气压下低温微离子体可以可广泛应用于牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、美容微创手术的医疗灭菌消毒和细胞级手术等医疗应用，以及食品保鲜等领域。

本发明方法的具体步骤为：

通过电路通路和气体通路将射频电源、双向功率表、阻抗匹配网络、等离子体发生器、气体流量控制器和气体供给系统连通起来，完成装置的内部连通；

打开射频电源，为射频功率输出作准备；打开双向功率表，为射频前向和反射功率测量和显示作好准备；

打开气体供给系统的阀门，调节气体流量控制器，获得一定流量的气体输出，惰性气体由气体流量控制器、金属支架下方的气体入口进入金属内圆柱腔体，经绝缘管在放电端与空气混合；

调节并输出射频功率，射频功率通过金属支架左侧的射频接头传输至金属棒电极的放电端；

调节阻抗匹配网络中的可变参数，使得双向功率表中的功率反射率尽量小，从而使得整个装置的阻抗在一定程度上得到匹配；

在整个装置的阻抗得到一定程度匹配的情况下，射频电源的输出功率几乎完全传输至放电端，惰性气体与空气的混合气体于放电端在射频功率的作用下，被激发产生放电，电离后形成包含有电子、离子、自由基和中性粒的气体，这种宏观上呈电中性且宏观温度较低的气体就是低温等离子体，因为是在大气压下发生的，所以又称为大气压下低温等离子体。

本发明因为使用较小的射频功率、较少的惰性气体，所以能耗少、成本低廉；新型发生方法及装置因为采用射频放电，所以产生等离子体所需电压低、功率小，且射频电流较直流电流和工频电流对人体产生电学伤害的电流阈值大，因此新型发生方法及装置电学上对人体等是安全的；新型发生方法及装置因为采用了新型的单极电容耦合放电结构，所以能在大气压下产生低温等离子体，且开放式结构使得容易作用于待处理表面。新型发生方法及装置因其经济性、安全性、高效性、灵活性等特性而具有广泛的应用价值。

Claims (5)

1.大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生装置，其特征在于：包括射频电源(1)以及依次通过射频电缆(2)与射频电源(1)相连接的双向功率表(3)、阻抗匹配网络(4)、射频接头(5)和等离子体发生器；

所说的等离子体发生器包括与射频接头(5)相连接的金属支架(6)以及与金属支架(6)内圆柱体同心固定的金属棒(9)，金属棒(9)伸展在金属支架(6)之外，且在该金属棒(9)的外侧除金属棒(9)末端外均设置有绝缘棒(8)，在金属支架(6)的下方开设气体入口(10)，该气体入口(10)将金属支架(6)内圆柱腔体与气体流量控制器相连。

2.根据权利要求1所述的大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生装置，其特征在于：所说的金属支架(6)内圆柱腔体与绝缘棒(8)之间还设置有可沿轴向伸缩移动的绝缘管(7)。

3.根据权利要求2所述的大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生装置，其特征在于：所说的绝缘管(7)通过固定在其一侧的带内螺纹的金属环与带外螺纹的金属支架(6)螺纹连接。

4.根据权利要求1所述的大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生装置，其特征在于：所说的阻抗匹配网络采用L型匹配网络。

5.一种根据权利要求1所述的装置的大气压下单极射频电容耦合低温等离子体发生方法，其特征在于：

1)首先，打开射频电源(1)，调节阻抗匹配网络(4)中的可变参数，使得双向功率表(3)中的功率反射率尽量小，从而使得整个装置的阻抗得到匹配；

2)其次，调节并输出射频功率，射频功率通过金属支架(6)左侧的射频接头(5)传输至金属棒(9)的末端；

3)然后，打开气体供给系统的阀门，调节气体流量控制器，获得所需流量的气体，惰性气体从金属支架(6)下方的气体入口(10)进入金属内圆柱腔体，经绝缘管在金属棒(9)的末端与空气混合，惰性气体与空气的混合气体在射频功率的作用下，被激发产生放电，电离后形成包含有电子、离子、自由基和中性粒子的低温等离子体。

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