CN113194594B - 一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波等离子体炬，具体涉及一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬。本发明结构为同轴结构，包括金属外导体，金属外导体内同轴套设有金属内导体；等离子管沿等离子喷出方向依次分为第一同轴段、第二同轴段以及第三同轴段；第三同轴段的金属外导体内壁上设置介质喷嘴，且与金属内导体不接触。由于在等离子管中增加了介质喷嘴，结合微波在介质喷嘴内壁和气流层界面形成的反射，使电极顶端的电场强度得到增强，以实现在瓦级功率下激发等离子体。与现有技术相比，本发明实现了低功率下等离子体射流的激发，具有效率高、稳定性强等优点。

Description

一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬
技术领域
本发明属于医疗器械领域，具体涉及一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬。
背景技术
等离子体是物质的第四种形态，在这种状态下物质被充分电离，主要由游离的电子、离子以及中性粒子等构成。等离子体具有高粒子动能，高化学活性等特点，被广泛用于材料制备、镀膜、切割、等离子体天线以及杀菌消毒等领域。等离子体不但可以消毒杀菌，还可以对组织粘膜等进行切割；很多研究表明其具有减小手术出血，降低感染风险，减小伤口愈合时间以及减小愈合疤痕的效果。
微波等离子体炬是一种使用微波能产生等离子体射流的装置，目前主要的结构是矩形波导开孔采用表面波激发等离子体或者直段式同轴等离子体炬。前者的设备往往体积庞大，需要的微波功率高，即通常为数十万到数千瓦级；而微波功率高会导致产生的等离子体射流温度很高，作为医用器件高温会灼伤健康组织，影响使用的方便性；后者通常需要增加额外的部件稳定射流，且同样存在需要微波功高的问题。因此有必要对微波等离子体炬进行研究，使其能更好的应用于医疗领域。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，以解决现有技术中等离子体炬效率低、体积大、射流不稳定的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，包括等离子管和介质喷嘴
所述等离子管为同轴结构，包括金属外导体，金属外导体内同轴套设有金属内导体；金属内导体作为放电电极，其半径小于金属外导体的内半径，长度与金属外导体相同或略短于金属外导体；同轴结构沿等离子喷出方向依次分为第一同轴段、第二同轴段以及第三同轴段；
第一同轴段金属外导体和金属内导体的空腔中填满介质材料；第二同轴段金属外导体上设进气口；第三同轴段金属外导体内壁设有介质喷嘴，介质喷嘴不接触金属内导体。
进一步的，所述介质喷嘴为沙漏形结构，介质喷嘴沿等离子喷出方向依次分为收缩段、均直段和扩张段；收缩段连接第二同轴段，其内半径沿等离子喷出方向逐渐减小；扩张段其内半径沿等离子喷出方向最逐渐增大。这样设置可以使微波在介质喷嘴内壁和气流层介面同时发生反射，实现最低功率下激发等离子体。
进一步的，介质喷嘴6的中均直段内半径为0.1mm～5mm。
进一步的，所述金属内导体作为放电电极在第三同轴段中也采用渐变结构，即沿等离子喷出方向半径逐渐减小，以减小气流的扰动和等离子体丝在尖端的稳定性。
进一步的，所述第三同轴段采用金属内导体渐变式结构配合介质喷嘴沙漏形结构的方式，以减小喷嘴出的气体湍流，提高射流稳定性。
本发明提供的介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，由于采用了三段式同轴线结构设置，因此，其电极准直性更强。在实际需求的电磁场内，三段同轴线长度以及半径的比例可调，通过对三段同轴线长度以及半径的比例调整优化可以减小微波反射，提高工作效率。通过在第三同轴段上设置介质喷嘴，使微波在介质喷嘴内壁和气流层界面均发生反射形成驻波，从而增强电极顶端的电场强度，实现低功率(瓦级功率)下激发等离子体。在本发明中，将介质喷嘴设置成沙漏形，进一步提升了反射强度，从而实现了最低功率5w下激发等离子体。通过第三同轴段中采用金属内导体渐变式结构配合介质喷嘴沙漏形结构的方式，在有效阻止了同轴线内外导体之间击穿的同时，减小了喷嘴处的气体湍流，进一步提高了射流的稳定性，使得医疗消毒及手术可以精准实施。与现有技术相比，本发明的等离子体炬实现了低功率下等离子体射流的激发，具有效率高、稳定性强等优点；其结构直接等比例缩小后仍能保持在瓦级功率下实现射流激发，在医疗用中可根据需求调整结构尺寸，以方便手持，扩展了微波等离子体炬在医疗中的使用场景。
附图说明
图1为本发明等离子体炬等离子管纵向剖面结构示意图；
图2为本发明等离子体炬等离子管的三维透视图；
图3为实施例喷嘴结构示意图；
附图标记：1、第一同轴段；2、第二同轴段；3、第三同轴段；5、进气口；6、介质喷嘴；7、金属内导体；8、介质材料；9、金属外导体；10、扩张段；11、均直段；12、收缩段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的说明。
如图1、图2所示，一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，其从左到右依次设有：微波馈入端4、等离子管和介质喷嘴6。
金属外导体9和金属内导体7材料可以为铜、铁、铝、钛或其合金。本实施例均采用材料黄铜，金属内导体7作为放电电极，其半径小于金属外导体9的内半径，长度与金属外导体9相同或略短于金属外导体9。同轴结构沿等离子喷出方向依次分为第一同轴段1、第二同轴段2以及第三同轴段3。第一同轴段1其金属外导体9和金属内导体7的空腔中填满介质材料聚四氟乙烯8；第二同轴段金属外导体上设进气口5；第三同轴段金属外导体内壁设有介质喷嘴6，介质喷嘴6不接触金属内导体。由于聚四氟乙烯制耐热性能好，且易于加工，因此介质喷嘴6同样采用聚四氟乙烯制成。使用时，微波从第一同轴1段馈入，气流从进气孔5输入后将在介质喷嘴6内进行压缩，与此同时微波也会在介质喷嘴内与制作介质喷嘴的聚四氟乙烯进行互作用并产生电场反射，对放电电极顶端进行局部增强，实现低功率下气体电离并产生等离子体射流。
介质喷嘴6作为核心部件，同轴套设在金属外导体内。为了获取最优效果，介质喷嘴6制作成沙漏形。如图3所示，介质喷嘴6沿等离子喷出方向依次分为收缩段12、均直段11以及扩张段10。具体设置时，均直段内半径为2mm，收缩段12内半径沿等离子喷出方逐渐减小至2mm，经过均直段11后逐渐扩大形成沙漏形，微波功率经微波馈入端馈入后在等离子体管内、外金属导体之间进行传输，当其传输至第三同轴段时，与介质喷嘴发生开路反射形成驻波。同时介质喷嘴6的三段式设置结构，使电磁场处于非连续界面形成反射，通过两路反射的叠加增强了介质喷嘴6内部电场强度。当工作气体氩气从进气口输入后，氩气在介质喷嘴6内由于锥形孔的收缩而被压缩，最后在内导体电极顶端处被强电场击穿，形成等离子体种子，随后等离子体迅速吸收微波能量，形成等离子体射流，随着气流的喷射和微波在等离子体丝周围的进一步传输，最终形成稳定的圆柱状等离子体射流。
此外，本实施例还对第三同轴段的结构进行了优化。具体为：所述第三同轴段的金属内导体分为了三部分，三部分半径沿等离子喷出方向逐渐较小形成渐变结构；这样设置可以有效避免等离子体与等离子体管的接触以及等离子射流与喷嘴的接触，减小了喷嘴处的气体湍流，抑制了等离子体管内外导体间的击穿，进一步提高了射流的稳定性。
实施例1
为更好的说明本发明的优点，依照上述内容，制作出本实施例的介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，并对其进行验证。
设定工作频率为2.45Ghz，主传输线特性阻抗50Ω。制作尺寸如下：在等离子管中，为便于加工，第一、二同轴段金属内导体直径为2mm；选择第一同轴段特性阻抗为50Ω，填充介质材料为聚四氟乙烯，由介质介电常数与外导体内半径，通过同轴线特性阻抗公式确定第一同轴段金属外导体内直径为6.7mm，第一同轴段远离第二同轴段的端部连接微波馈入端。第二同轴段金属外导体内直径稍小于第一段通轴段为6mm；第二同轴段中间位置设有进气口，且进气口垂直于金属内导体长度方向，进气口连接标准气动接头，其为直径5mm。第三同轴段的金属内导体为渐变结构，其直径沿喷嘴方向逐渐收缩至1mm；介质喷嘴设置在第三同轴段的金属外导体内壁，最后进行电磁场仿真建模，设置三段的长度为变量，最终仿真得到反射系数最小是的长度组合，选定1传输线长度55.6mm，2传输线长度23.5mm，3传输线长度30mm。选择输入气体为氩气，气流速度1-10L/min,输入微波功率10W，最终可以在顶部产生等离子体射流。
综上所述，本发明提供的介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，由于在等离子管中增加了介质喷嘴，结合微波在介质层和气流层界面的反射，增强了电极顶端的电场强度，进而使得可以在低功率下激发等离子体。与现有技术相比，本发明实现了低功率下等离子体射流的激发，具有效率高、稳定性强等优点。

Claims (2)

1.一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，其特征在于：包括等离子管和介质喷嘴；
所述等离子管为同轴结构，包括金属外导体，金属外导体内同轴套设有金属内导体；金属内导体作为放电电极，其半径小于金属外导体的内半径，长度与金属外导体相同或略短于金属外导体；同轴结构沿等离子喷出方向依次分为第一同轴段、第二同轴段以及第三同轴段；
所述第一同轴段金属外导体和金属内导体的空腔中填满介质材料；第二同轴段金属外导体上设进气口；第三同轴段金属外导体内壁设有介质喷嘴，介质喷嘴不接触金属内导体；所述介质喷嘴为沙漏形结构，即沿等离子喷出方向依次分为收缩段、均直段和扩张段；收缩段连接第二同轴段，其内半径沿等离子喷出方向逐渐减小；扩张段其内半径沿等离子喷出方向逐渐增大；所述金属内导体作为放电电极在第三同轴段中也采用渐变结构，即沿等离子喷出方向半径逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的一种介质喷嘴增强的手持医疗用低功率微波等离子体炬，其特征在于：所述第三同轴段采用了金属内导体渐变式结构配合介质喷嘴沙漏形结构的方式。
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