CN102573264A

CN102573264A - 大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置

Info

Publication number: CN102573264A
Application number: CN2011103937525A
Authority: CN
Inventors: 李兵; 王超; 姜涛; 蒋勋; 赵会娜
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2011-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-07-11

Abstract

大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置，包括依次相连的射频电源、双向功率表、阻抗匹配网络和电极接头，金属电极安装在电极接头上，金属电极采用单放电端电极或者多放电端电极，且金属电极为圆柱形电极，金属电极分为绝缘部分和放电部分，在金属电极的末端设置有气体供给系统。由于普通的等离子体放电采用的双极放电机构，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。而本发明采用的单极放电结构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。

Description

大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置

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开放式单极射频低温等离子体发生装置。

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，传统灭菌消毒方法及装置已经不能满足现代医学和食品领域的需求，大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置应运而生。与常规的灭菌装置相比，因为该装置可在大气压、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，所以大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置的应用前景广阔。

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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够在大气压、低电压，产生宏观温度低、粒子能量密度适中的等离子体的大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：包括依次相连的用于提供射频功率输出的射频电源、测量并显示前向和反射功率的双向功率表、实现整个系统阻抗匹配的阻抗匹配网络和电极接头，金属电极安装在电极接头上，金属电极采用单放电端电极或者多放电端电极，且金属电极为圆柱形电极，其直径为0.2mm～1.5mm，金属电极分为绝缘部分和放电部分，在金属电极的末端设置有气体供给系统，放电部分绝缘部分外周涂有绝缘涂层，绝缘涂层的厚度为0.01mm～0.1mm，放电部分裸漏在空气中，发生放电产生等离子体，所产生等离子体围绕着电极呈圆柱状。

所述的阻抗匹配网络采用L型匹配网络。

所述的气体供给系统提供的气体为氦气，氦气在金属电极的末端放电部分与空气混合形成放电工作气体。

由于普通的等离子体放电采用的双极放电机构，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。而本发明采用的单极放电结构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。

附图说明

图1是本发明单极电容耦合放电简图；

图2是本发明的整体结构示意图，其中图2(a)是单放电端金属电极的结构示意图，图2(b)是多放电端金属电极的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，2，本发明包括射频电源1、双向功率表2、阻抗匹配网络3、电极接头4、金属电极5和气体供给系统。射频电源1提供射频功率输出；双向功率表2测量并显示前向和反射功率；阻抗匹配网络3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；电极接头4用来连接金属电极5，保证射频功率传输到金属电极5；金属电极是整个等离子体发生装置中的核心部件，是等离子体的载体，采用了单极放电结构，具有结构简单的优点，另一方面因其开放式结构，使得容易作用于待处理物；气体供给系统为本发明提供一定流量的氦气，氦气在金属电极5的末端放电部分与空气混合形成放电工作气体。

本发明该通过电极接头4连接金属放电电极5，金属电极5为单放电端电极(见图2a)或者多放电端电极(见图2b)，两种形式都能放电产生等离子体，所采用的金属电极为圆柱形电极，直径为0.2mm～1.5mm。电极分为绝缘部分5-1和放电部分5-2，绝缘部分5-1外周涂有绝缘涂层，保证其不会发生放电，绝缘涂层的厚度为0.01mm～0.1mm，绝缘涂层的长度可以根据实际应用的需要进行调节；放电部分5-2没有绝缘涂层，裸漏在空气中，可以发生放电，产生等离子体，所产生等离子体围绕着电极呈圆柱状。

在射频功率的作用下，氦气与空气在金属电极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广泛应用于牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、皮肤表面等大面积灭菌消毒、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。

本发明采用开放式单极放电结构，使用氦气与空气混合气体作为放电工作气体，在射频功率的作用下在金属电极末端产生大气压下低温等离子体。这种发生方法的原理是氦气与空气的混合气体在外加低电压、射频电场作用下产生放电，混合气体被电离成自由电子、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。

常规方法获得的等离子体通常宏观温度较高，且是在真空或低气压下获得的。因为要在真空或低气压下产生等离子体，所以就必须需要真空设备或获得低气压的设备，而这些设备通常是昂贵的。此外在真空或低气压腔体中获得的等离子体局限于腔体内，而要发生等离子体腔体的结构是限定的，所以不能处理体积大、外形复杂的对象。为获得经济实用且应用范围广的低温等离子体，设计了大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置。这种装置能在大气压下产生低温等离子体，而无需昂贵的真空设备或获得低气压的设备，且产生的等离子体宏观温度较低，与室温相当。该装置采用了开放式单极放电结构，结构简单，能处理各种类型的对象，应用范围广，避免了已有结构不能处理体积大、外形复杂对象的缺陷。该装置不仅能实现大气压、低电压、低温条件下的灭菌，而且可以实现牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、皮肤表面等大面积灭菌消毒、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的应用，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。该装置成本低廉、灭菌消毒效率高、结构紧凑、操作方便。

该装置可以采用单放电端金属电极或者多放电端金属电极，皆可产生低温等离子。电极放电端数量的不同和电极表面绝缘涂层长度的不同，使得所产生等离子体的多少和覆盖面积大小也有所不同，具体为：放电端数量少，等离子体量少，面积小；放电端数量多，等离子体量大，面积大；绝缘涂层长度短，裸露电极长，等离子体量大，面积大；绝缘涂层长，裸露电极短，等离子体量少，面积小。这样的特点使得该装置能适用于各种不同应用场合。采用单放电端电极时，结构最为简单，适用于口腔疾病的治疗以及其他狭小空间的杀菌消毒工作；采用多放电端电极时，能够产生大量的等离子体，且等离子体覆盖面积明显增大，因此能够高效的作用于尺寸较大的被处理物。

该装置因为使用较小的射频功率、较少的氦气，所以能耗少、成本低廉；该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，因此该装置电学上对人体等是安全的；该装置因为采用了开放式单极放电结构，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。

该等离子体发生装置运行的具体步骤

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、电极接头、金属电极、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，提供一定流量的氦气输出，传向金属电极末端与空气混合；

调节并输出射频功率，射频功率通过射频电缆及电极接头传输至金属电极的放电端；

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，氦气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，所以又成为大气压下低温等离子体。

大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置所产生的低温等离子体作用于待处理物，实现了牙科龋齿等复杂环境下的医疗灭菌消毒、皮肤表面等大面积灭菌消毒、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的应用。

Claims

1.大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置，其特征在于：包括依次相连的用于提供射频功率输出的射频电源(1)、测量并显示前向和反射功率的双向功率表(2)、实现整个系统阻抗匹配的阻抗匹配网络(3)和电极接头(4)，金属电极(5)安装在电极接头(4)上，金属电极(5)采用单放电端电极或者多放电端电极，且金属电极为圆柱形电极，其直径为0.2mm～1.5mm，金属电极分为绝缘部分(5-1)和放电部分(5-2)，在金属电极(5)的末端设置有气体供给系统，放电部分绝缘部分(5-1)外周涂有绝缘涂层，绝缘涂层的厚度为0.01mm～0.1mm，放电部分(5-2)裸漏在空气中，发生放电产生等离子体，所产生等离子体围绕着电极呈圆柱状。

2.根据权利要求1所述的大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置，其特征在于：所述的阻抗匹配网络(3)采用L型匹配网络。

3.根据权利要求1所述的大气压下开放式单极射频低温等离子体发生装置，其特征在于：所述的气体供给系统提供的气体为氦气，氦气在金属电极的末端放电部分与空气混合形成放电工作气体。