CN113438791A - 一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，该等离子体振荡射流发生器内设置有流动通道，流动通道包括气体进口段、振荡射流发生段和射流出口段；振荡射流发生段包括主流通道和反馈通道，主流通道的出口端的宽度大于射流出口段的入口端的宽度；反馈通道由两个C型通道组成，且布设在主流通道的两侧。主要利用流体力学的康达效应，在传统直通道式等离子体射流发生器的基础上增加流体振荡器件，通过特殊的流道设计形成反馈通道，驱动等离子体射流在一定方向产生振荡效应，从而大幅度增加等离子体射流的处理面积，提高等离子体射流处理速度，解决了目前大气压非平衡态等离子体射流发生装置存在处理面积小、效率低、速度慢的问题。

Description

一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器
技术领域
本发明涉及等离子医学技术领域，具体涉及一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器。
背景技术
大气压下低温等离子体射流具有放电温度低、放电装置灵活、化学活性高、对人体伤害小等突出优点，能够产生紫外线、高能带电粒子、活性氧粒子、激发态和亚稳态粒子等活性成分。近年来研究发现，等离子体射流在灭菌消毒、材料表面改性、牙科治疗、美容、止血消炎、伤口愈合、皮肤病治疗、癌细胞杀灭以及肿瘤治疗等领域取得越来越多的研究成果。特别是在诱导癌细胞凋亡方面，适量的低温等离子体能够有效促进癌细胞凋亡，但不会对周围的正常细胞产生明显的伤害。
但是，大气压条件实现大尺度均匀的非平衡态等离子体放电非常困难。目前非平衡态等离子体多由等离子体射流管产生，射流管直径一般为毫米量级。这种发生装置产生的等离子体体积较小，导致处理面积一般不超过几平方毫米，严重影响了等离子体处理病灶的速度，限制了快速大规模杀菌消毒场景的应用。虽然，近年来提出来等离子体射流阵列的发生装置，将多个小尺度的等离子体射流发生装置按照一定布局形式排列组合为一个放电单元，能够在一定程度上增加单次等离子体处理的区域面积，但是近来研究也表明射流阵列中各个放电单元存在相互影响，在一定程度上影响了等离子体杀菌消毒的效果。
综上，目前大气压非平衡态等离子体射流发生装置存在处理面积小，效率低，处理速度慢等不足，影响了等离子体杀菌消毒的快速大范围应用。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种用于皮肤癌细胞处理的大气压非平衡态等离子体振荡射流发生器结构，主要利用流体力学的康达效应，在传统直通道式等离子体射流发生器的基础上增加流体振荡器件，通过特殊的流道设计形成反馈通道，驱动等离子体射流在一定方向产生振荡效应，从而大幅度增加等离子体射流的处理面积，提高等离子体射流处理速度，解决了目前大气压非平衡态等离子体射流发生装置存在处理面积小、效率低、速度慢等问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，该等离子体振荡射流发生器内设置有流动通道，所述流动通道包括依次连接的气体进口段、振荡射流发生段和射流出口段；
所述振荡射流发生段包括：
主流通道，所述主流通道的出口端的宽度大于所述射流出口段的入口端的宽度；
反馈通道，由两个C型通道组成，且布设在所述主流通道的两侧。
进一步，载气由所述气体进口段进入所述振荡射流发生段，并紧贴所述主流通道的一侧壁面流动，当载气在所述主流通道的出口端受到阻挡时，一部分载气进入与其相邻的反馈通道内，并由所述主流通道的入口端进入，然后紧贴所述主流通道的另一侧壁面流动；如此循环往复，载气在所述振荡射流发生段内往复摆动；通电后，载气在所述振荡射流发生段内放电形成等离子体，并在外部载气压力驱动下，放电形成的等离子体从所述射流出口段喷出，并形成扫掠式等离子体射流。
进一步，沿载气流动方向，所述主流通道呈扩张收敛形状。
更进一步，所述主流通道的入口端的宽度为5～10mm；所述主流通道的出口端的宽度为6～11mm；所述主流通道的入口端与其出口端之间的最大宽度为8～15mm。
进一步，所述气体进口段包括依次连接的直流段和收缩段，所述收缩段的出口端与所述振荡射流发生段连接；且沿载气流动方向，所述收缩段的尺寸逐渐减小。
更进一步，所述收缩段的出口端的尺寸小于所述主流通道的入口端的尺寸。
更进一步，所述收缩段的收缩角为20°～45°。
更进一步，所述直流段的宽度为6～12mm；所述收缩段的出口端的宽度为3～8mm。
进一步，沿载气流动方向，所述射流出口段呈扩张形状；所述射流出口段的扩张角为30°～70°；所述射流出口段的入口端的宽度为2～6mm。
进一步，该等离子体振荡射流发生器包括上壁面阴极和下壁面阳极，且相互组合形成流动通道；所述下壁面阳极包括下壁面和阳极，所述阳极嵌入设置在所述下壁面内。
本发明的有益效果：
1、本发明利用流体力学的康达效应，在传统直通道式等离子体射流发生器的基础上增加流体振荡器件，通过特殊的流道设计形成反馈通道，驱动等离子体射流在一定方向产生振荡效应，从而大幅度增加等离子体射流的处理面积，提高等离子体射流处理速度，解决了目前大气压非平衡态等离子体射流发生装置存在处理面积小、效率低、速度慢等问题。
2、相比于传统的等离子体射流发生器结构，本发明提出的基于射流振荡器的扫掠式等离子体射流发生器，它以原有等离子体射流中载气的机械能作为能量来源，仅仅通过流动的特殊设计产生反馈通道，实现等离子体射流的振荡扫掠式输出。没有任何活动部件，结构可靠，寿命长，能够适应强电磁干扰、强辐射、高温、强振动和强腐蚀等恶劣环境，具有安全可靠、体积小、质量轻和经济耐用等优点，能够有效提高等离子体射流的作用面积，提高处理速度。
附图说明
图1为本发明实施例的等离子体振荡射流发生器的结构示意图。
图2为图1的A-A’剖切示意图。
图3为本发明实施例的下壁面阳极电极的布置图。
图4为本发明实施例的流动通道的内部流道结构示意图。
图5为本发明实施例的等离子体振荡射流发生器的工作原理图。其中图 5(a)示出等离子体射流紧贴左侧壁面流动的情形；图5(b)示出等离子体射流紧贴右侧壁面流动的情形。
图中：1、流动通道；
11、气体进口段；111、直流段；112、收缩段；
12、振荡射流发生段；121、主流通道；122、反馈通道；123、主流通道的入口端；124、主流通道的出口端；
13、射流出口段；131、射流出口段的入口端；
2、上壁面阴极；
3、下壁面阳极；31、下壁面；32、阳极。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，为本发明实施例所提供的一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器的结构示意图。该等离子体振荡射流发生器的整体外形呈长方体，包括上壁面阴极2和下壁面阳极3，且相互组合形成流动通道 1；下壁面阳极3包括下壁面31和阳极32，阳极32嵌入设置在下壁面31内。
上壁面阴极2为导电金属板，可用不锈钢、铜等金属材料加工而成，厚度为2～5mm，优选3mm；长度为60～150mm，优选100mm；宽度为 10～30mm，优选20mm。
下壁面31为绝缘材料加工而成，可选用亚克力玻璃、聚四氟乙烯、陶瓷等绝缘材料，下壁面31的长宽与上壁面阴极一致；厚度为2～10mm，优选 8mm；内部挖槽嵌入阳极32，如图2和图3所示。
阳极32为导电金属板，可用不锈钢、铜等金属材料加工而成，厚度为 0.5～2mm，优选1mm；阳极32的长宽需小于下壁面31，且与下壁面31的四周边缘的间距为2～10mm，优选5mm。
阳极32与流动通道1之间的载气由下壁面31的绝缘材料隔开，间距为0.2～1mm，优选0.3mm。
请参阅图4，该等离子体振荡射流发生器内设置有流动通道1，流动通道 1沿中轴线对称分布，高度为0.5～3mm，优选1mm。流动通道1主要包括依次连接的气体进口段11、振荡射流发生段12和射流出口段13。
气体进口段11由直流段111和收缩段112组成，且依次连接。收缩段112 的出口端与振荡射流发生段12连接；且沿载气流动方向，收缩段112的尺寸逐渐减小。收缩段112的出口端的尺寸小于主流通道121的入口端123的尺寸。例如，直流段111的宽度为6～12mm，优选10mm；收缩段112的收缩角为 20°～45°，优选30°；收缩段112的出口端的宽度为3～8mm，优选5mm。
振荡射流发生段12包括：主流通道121和反馈通道122。主流通道121的出口端124的宽度大于射流出口段13的入口端131的宽度；反馈通道122由两个C型通道组成，且布设在主流通道121的两侧。
主流通道121呈扩张收敛形状，沿载体流动方向，其宽度呈先增加后减小的趋势，也即，其中间段的宽度大于其入口端的宽度，同时，其中间段的宽度大于其出口端的宽度。例如，主流通道121的入口端123的宽度为5～10mm，优选7mm；中间段的最大宽度为8～15mm，优选10mm；主流通道121的出口端的宽度为6～11mm，优选8mm；主流通道121的长度为20～40mm，优选 30mm。
反馈通道122由两个“C”形通道组成，分布在主流通道121两侧，反馈通道122的宽度为1～4mm，优选3mm。
沿载气流动方向，射流出口段13呈扩张形状；射流出口段13的扩张角为 30°～70°，优选60°；射流出口段13的入口端的宽度为2～6mm，优选4mm。射流出口段13的长度6～20mm，优选15mm。
该发生器的工作原理如下：请参阅图5，外部载气从气体进口段11进入振荡射流发生段12。初始时刻，受到流体康达效应的影响，载气将紧贴主流通道 121的一侧壁面流动，如图5(a)所示，载气紧贴主流通道121的左侧壁面流动。由于主流通道121的出口端124的宽度大于射流出口段13的入口端131的宽度，左侧的贴壁流体流出主流通道121的出口端124时，将受到阻挡，一部分流体将进入左侧“C形”反馈通道122，并从主流通道121的入口端123位置处流向振荡射流发生段12的中轴处。此时主流通道121的入口端123的左右压力不再相同，左侧压力增加，导致射流进入主流通道121时，将改变附壁方向，形成如图5(b)所示的流动状态，即载气从紧贴左侧壁面转向右侧壁面流动。同理，此时右侧贴壁射流将有部分流体从主流通道121的出口端124的位置进入右侧“C形”反馈通道122，并从主流通道121的入口端123的位置处流向振荡射流发生段12的中轴处。这样，主流通道121的入口端123右侧压力增加，进入右侧的流体将射流逐步恢复成左侧贴壁状态。周而复始，射流将在振荡射流发生段12内左右摆动，进而改变等离子体射流在射流出口段13的贴壁方向，形成扫掠式射流。
此时，当阳极与阴极之间施加正弦波/脉冲双极性高电压时，中间的流动通道1内的载气将被击穿，形成单介质阻挡放电。在外部载气压力驱动下，放电形成的等离子体将从射流出口段13喷出，且喷射方向随时间变化，从而形成扫掠式等离子体射流。
下面对本发明的等离子体振荡射流发生器做出具体说明。
实施例1
参见图1～4，本发明的等离子体振荡射流发生器由上壁面阴极2、流动通道1、下壁面阳极3组成。下壁面阳极3包括下壁面31和阳极32，阳极32嵌入设置在下壁面31内。
上壁面阴极2为铜板加工而成，厚度为3mm，长度为100mm，宽度为 20mm。下壁面31由聚四氟乙烯板加工而成，长宽与上壁面一致，厚度为 8mm，内部挖槽嵌入阳极32。阳极32同样由铜板加工而成，厚度为1mm，与下壁面31的四周边缘的间距为5mm，居中放置。阳极32与流动通道1之间的空气由聚四氟乙烯板隔开，间距为0.3mm。流动通道1结构见图4，沿中轴线对称分布，由亚克力板加工而成，高度为1mm，主要包含气体进口段11、振荡射流发生段12和射流出口段13；
进气段11由直流段111和收缩段112组成，直流段111宽度为10mm，收缩段112收缩角为30°，收缩段112出口宽度5mm。振荡射流发生段12包括：主流通道121和反馈通道122。主流通道121的出口端124的宽度大于射流出口段13的入口端131的宽度；反馈通道122由两个C型通道组成，且布设在主流通道121的两侧。反馈通道122由两个“C”形通道组成，对称分布在主流通道 121两侧，反馈通道122宽度为3mm；主流通道121呈扩张收敛形状，入口宽度为7mm，中间最大宽度为10mm，出口宽度为8mm，长度为30mm。射流出口段13为扩张形状，扩张角为60°，最窄处宽度4mm，长度15mm。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，该等离子体振荡射流发生器内设置有流动通道(1)，所述流动通道(1)包括依次连接的气体进口段(11)、振荡射流发生段(12)和射流出口段(13)；
所述振荡射流发生段(12)包括：
主流通道(121)，所述主流通道(121)的出口端(124)的宽度大于所述射流出口段(13)的入口端(131)的宽度；
反馈通道(122)，由两个C型通道组成，且布设在所述主流通道(121)的两侧。
2.根据权利要求1所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，载气由所述气体进口段(11)进入所述振荡射流发生段(12)，并紧贴所述主流通道(121)的一侧壁面流动，当载气在所述主流通道(121)的出口端(124)受到阻挡时，一部分载气进入与其相邻的反馈通道(122)内，并由所述主流通道(121)的入口端(123)进入，然后紧贴所述主流通道(121)的另一侧壁面流动；如此循环往复，载气在所述振荡射流发生段(12)内往复摆动；通电后，载气在所述振荡射流发生段(12)内放电形成等离子体，并在外部载气压力驱动下，放电形成的等离子体从所述射流出口段(13)喷出，并形成扫掠式等离子体射流。
3.根据权利要求1所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，沿载气流动方向，所述主流通道(121)呈扩张收敛形状。
4.根据权利要求3所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，所述主流通道(121)的入口端(123)的宽度为5～10mm；所述主流通道(121)的出口端的宽度为6～11mm；所述主流通道(121)的入口端(123)与其出口端(124)之间的最大宽度为8～15mm。
5.根据权利要求1所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，所述气体进口段(11)包括依次连接的直流段(111)和收缩段(112)，所述收缩段(112)的出口端与所述振荡射流发生段(12)连接；且沿载气流动方向，所述收缩段(112)的尺寸逐渐减小。
6.根据权利要求5所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，所述收缩段(112)的出口端的尺寸小于所述主流通道(121)的入口端(123)的尺寸。
7.根据权利要求5所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，所述收缩段(112)的收缩角为20°～45°。
8.根据权利要求5所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，所述直流段(111)的宽度为6～12mm；所述收缩段(112)的出口端的宽度为3～8mm。
9.根据权利要求1所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，沿载气流动方向，所述射流出口段(13)呈扩张形状；所述射流出口段(13)的扩张角为30°～70°；所述射流出口段(13)的入口端的宽度为2～6mm。
10.根据权利要求1所述的用于皮肤癌细胞处理的等离子体振荡射流发生器，其特征在于，该等离子体振荡射流发生器包括上壁面阴极(2)和下壁面阳极(3)，且相互组合形成流动通道(1)；所述下壁面阳极(3)包括下壁面(31)和阳极(32)，所述阳极(32)嵌入设置在所述下壁面(31)内。
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