CN111432543A - 一种产生大面积稳定可控等离子体的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种产生大面积稳定可控等离子体的装置和方法，所述装置包括金属栅电极和液体电极，所述液体电极为在有机玻璃管内注有液体，在有机玻璃管的两端各自密封连接有绝缘介质板；所述金属栅电极为规则排布有网孔的金属网板结构，所述金属栅电极为接地电极且牢固粘贴在绝缘介质板的外侧面。本发明通过沿面介质阻挡放电可产生大面积稳定可控的等离子体并进行控制，进而产生不同成分、不同浓度的活性物质。本发明液体电极和金属栅电极相配合，避免了因放电过热而导致的介质板变形等问题，能够产生长时间稳定的等离子体，满足了对放电等离子体进行双向实时探测和诊断的需求。此外，放电电压调节范围也大大扩展，适宜推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体应用技术领域，具体地说是涉及一种产生大面积稳定可控等离子体的装置和方法。
背景技术
等离子体处理在生物医学方面的应用越来越广泛，例如在灭菌消毒、止血凝血、皮肤再生、皮肤病治疗、肿瘤治疗等方面已经有了非常好的研究成果。近年来许多研究证明，等离子体内的活性粒子可以辅助药物甚至替代药物用于疾病治疗。
沿面介质阻挡放电是介质阻挡放电的一种形式，电极分布在介质板上下两侧，沿着介质表面产生气体放电，因此通常称为沿面放电。沿面介质阻挡放电等离子体产生技术由于放电空间受限制较小，结构简单，动态响应快，还会产生氧原子(O)、羟基(OH)、一氧化氮(NO)、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3) 以及它们的激发态粒子等种类繁多的活性粒子，在生物医学等应用领域起到关键作用。
通常沿面介质阻挡放电产生等离子体的方法是将加有高压的金属平板电极直接固定在聚四氟乙烯、石英片、陶瓷等绝缘介质板上，但由于放电将产生大量的热量，使介质板不能承载高温而出现变形、破碎甚至软化等问题，不能实现长时间稳定放电，或者大范围的调整电压的目的。这些问题局限了等离子体处理在生物医学方面的应用和调节范围。
能够长时间的产生稳定可控的等离子体是等离子体更广泛的应用在生物医学领域的前提。如何利用沿面介质阻挡放电装置实现产生大面积稳定可控的等离子体，实现等离子体治疗的稳定可控性是人们所期待的，具有重要的研究意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生大面积稳定可控等离子体的装置和方法，以解决现有装置不能实现长时间稳定放电，以及大范围调整电压的问题，同时满足了对放电等离子体双向进行实时探测和诊断的需求。
本发明采用的技术方案是：一种产生大面积稳定可控等离子体的装置，所述装置包括金属栅电极和液体电极，所述液体电极为在有机玻璃管内注有液体，在有机玻璃管的两端各自密封连接有透明绝缘介质板，在有机玻璃管的一端管壁上开有连接孔，连接孔内放置有金属引线，所述液体通过金属引线与高压电源相连，在有机玻璃管的另一端管壁上开有注水孔；
所述金属栅电极为规则排布有网孔的金属网板结构，金属网板结构的厚度为0.5-2mm，所述金属栅电极为接地电极且牢固固定在靠近注水孔一端的绝缘介质板的外侧面。
所述金属栅电极的材料为不锈钢、铝或铁，金属栅电极的网孔呈对称性排布，网孔形状为六边形、四边形、三角形或布拉维格子。网孔边长可以是mm到cm量级。金属栅电极的整体大小同样是mm到cm量级。
所述液体为自来水、去离子水、NaCl溶液或不同配比的水溶液。
所述绝缘介质板的材质为玻璃、石英玻璃等透明介质板，绝缘介质板的厚度为1-5mm。由于水与介质板均为透明材质，对光吸收很小，实现在等离子体前后两个方向上全面、透彻的探测和诊断，包括：两个方向上对放电过程的全方位探测，以及两个方向上探测发光光谱信息，利用光谱法诊断等离子体活性物质的成分。
一种产生大面积稳定可控等离子体的方法，包括如下步骤：
（a）设置任一上述的装置；
（b）将液体电极与高压电源相连，高压电源的放电电压为0.5kV-10kV，频率为1kHz-100kHz；
（c）将金属栅电极接地；
（d）启动电源，在金属栅电极的网格内将产生大面积稳定可控的等离子体；
（e）通过调节金属栅电极的面积、网孔形状、网孔大小、放电电压、放电时长或者放电环境来调节所获得的等离子体。
在所述等离子体作用下可产生氧原子、羟基、一氧化氮、过氧化氢、二氧化氮、臭氧等活性物质，通过调节金属栅电极的面积、网孔形状、网孔大小、液体成分、液体pH值、放电电压、放电时长或者放电环境可对所产生活性物质的成分和浓度进行调节。
本发明可通过调节发明装置的放电条件、放电时长；金属栅电极的大小、网孔形状、网孔大小、金属材质；液体电极内导电液体的成分、pH值；绝缘介质层的材质、厚度以产生大面积稳定可控的等离子体并进行控制，进而产生不同成分、不同浓度的活性物质。
本发明液体电极和金属栅电极相配合，避免了因放电过热而导致的介质板变形等问题，能够产生长时间稳定的等离子体，同时，放电电压调节范围也大大扩展，可满足不同需求，适宜推广应用。
附图说明
图1 是本发明装置的结构示意图。其中，1为金属栅电极，2为注水孔，3为连接孔，4为有机玻璃管，5为绝缘介质板。
图2是金属栅电极的平面图。
图3是本发明装置产生的等离子体的照片。（a）为空气条件下，5.0kv，1atm时的等离子体照片；（b）为空气条件下，5.0kv，0.25atm时的等离子体照片；（c）为空气条件下，3.0kv，0.25atm时的等离子体照片；（d）为氩气条件下，5.0kv，0.25atm时的等离子体照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细阐述，下述实施例仅作为说明，并不以任何方式限制本发明。
如图1所示，本发明的装置结构包括具有不同对称性网孔排布的金属栅电极1和液体电极，液体电极接高压放电电源，液体电极与金属栅电极1用绝缘介质板5相隔，金属栅电极1为接地电极，牢固粘贴在绝缘介质板5外侧。
金属栅电极1可选择不同对称性网状构型，其网孔形状可以为六边形、四边形、三角形、布拉维格子等不同对称性，网孔边长可以选择为mm到cm量级。金属栅电极的整体大小可以选择mm到cm量级。金属栅电极的材料为不锈钢、铝或铁等导电金属。金属栅电极的厚度介于0.5-2mm之间。在图1中金属栅电极网孔形状为六边形，六边形边长为4mm，边宽为0.76mm，金属栅电极厚为0.5mm，材料为不锈钢。可以通过改变金属栅电极的网孔形状以及大小（如图2列举了部分形状）调节等离子体产生的位置，进而实现对活性离子分布的调节，达到在生物医学领域应用的灵活性。
液体电极接高压放电电源。液体电极为在一个柱形有机玻璃管4内注有液体，液体可选择为普通水、去离子水、NaCl溶液等不同液体成分，并且液体的pH值也可根据需要进行调控。液体电极的有机玻璃管4的两端各钻一个孔，其中，一个孔为连接孔3，孔内放置金属电极引线与高压电源相连，另一个为注水孔2。注水孔2有两方面的作用，一方面可以用来注入导电液体，另一方面可以使电介质外壳的内腔与外界相通，内外气压一致从而可以防止放电时因导电液体发热而导致内部压力增大。液体电极的有机玻璃管的两侧用绝缘介质板封装，介质板可选择为玻璃、石英玻璃等不同透明绝缘物质，介质板的厚度可以选择1-5mm。图1中绝缘介质板是玻璃板，玻璃板厚为3mm。由于有机玻璃和玻璃都是透明材质，对光吸收很少，可以实现对等离子体前后两个方向上全面、透彻的探测和诊断，包括：两个方向上对放电过程的全方位探测，以及两个方向上探测发光光谱信息，利用光谱法诊断等离子体活性物质的成分。
本实施例注入的导电液体为自来水，水的热容量较大，高电压放电产生的热量会使普通介质板温度升高，导致介质板碎裂或变形。但水的温度不会明显上升，放电装置不会破坏，可以长时间产生稳定的等离子体。水的温度不会发生明显改变，液体电极不会破坏，电压的调节范围相应变大，可以实现对等离子体的控制。
本发明的方法包括以下步骤：
a、设置上述装置；装置在使用时，通过注水孔2在液体电极内注满导电液体。将液体电极与放电电源相连。放电电源的电压为0.5kV-10kV，频率为1kHz-100kHz。
c、将金属栅电极接地。
d、启动电源，在金属栅电极网格内产生大面积稳定可控的等离子体，并产生氧原子(O)、羟基(OH)、一氧化氮(NO)、二氧化氮（NO2）、过氧化氢(H2O2)、臭氧(O3)等大量活性物质。
e、通过改变金属栅电极的大小、网孔形状以及网孔大小调节等离子体产生的面积及位置，进而实现对活性离子分布的调节，达到在生物医学领域应用的灵活性。
f、通过改变电源电压或者放电时长，获得不同浓度的等离子体活性物质。
g、该放电装置可直接放置于空气中产生放电，也可以放置于真空罐中，通过改变真空罐内的气压和气体成分，进而改变放电环境，获得不同等离子体活性物质成分。具体放电情况见图3所示。
本发明可通过调节发明装置的放电条件、放电时长；金属栅电极的大小、网孔形状、网孔大小、金属材质；液体电极内导电液体的成分、pH值；绝缘介质层的材质、厚度以产生大面积稳定可控的等离子体并进行控制，进而产生不同成分，不同浓度的活性物质。
Claims (6)
1.一种产生大面积稳定可控等离子体的装置，其特征是，所述装置包括金属栅电极和液体电极，所述液体电极为在有机玻璃管内注有液体，在有机玻璃管的两端各自密封连接有透明绝缘介质板，在有机玻璃管的一端管壁上开有连接孔，连接孔内放置有金属引线，所述液体通过金属引线与高压电源相连，在有机玻璃管的另一端管壁上开有注水孔；
所述金属栅电极为规则排布有网孔的金属网板结构，金属网板结构的厚度为0.5-2mm，所述金属栅电极为接地电极且固定在靠近注水孔一端的透明绝缘介质板的外侧面。
2.根据权利要求1所述的产生大面积稳定可控等离子体的装置，其特征是，所述金属栅电极的材料为不锈钢、铝或铁，金属栅电极的网孔呈对称性排布，网孔形状为六边形、四边形、三角形或布拉维格子。
3.根据权利要求1所述的产生大面积稳定可控等离子体的装置，其特征是，所述液体为自来水、去离子水或NaCl溶液。
4.根据权利要求1所述的产生大面积稳定可控等离子体的装置，其特征是，所述透明绝缘介质板的材质为玻璃，透明绝缘介质板的厚度为1-5mm。
5.一种产生大面积稳定可控等离子体的方法，其特征是，包括如下步骤：
（a）设置权利要求1-4任一所述的装置；
（b）将液体电极与高压电源相连，高压电源的放电电压为0.5kV-10kV，频率为1kHz-100kHz；
（c）将金属栅电极接地；
（d）启动电源，在金属栅电极的网格内将产生大面积稳定可控的等离子体；
（e）通过调节金属栅电极的面积、网孔形状、网孔大小、放电电压、放电时长或者放电环境来调节所获得的等离子体。
6.根据权利要求5所述的产生大面积稳定可控等离子体的方法，其特征是，在所述等离子体作用下可产生氧原子、羟基、一氧化氮、过氧化氢、二氧化氮、臭氧活性物质，通过调节金属栅电极的面积、网孔形状、网孔大小、液体成分、液体pH值、放电电压、放电时长或者放电环境可对所产生活性物质的成分和浓度进行调节。
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