CN201789680U - 一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，包括电源(1)、电阻(2)、电容(3)和高压电极(4)，所述高压电极(4)通过串联电阻(2)与电源(1)相连，并通过并联电容(3)接地，所述电阻(2)起限流作用，电源(1)通过电阻(2)对并联电容(3)充电，当高压电极(4)达到放电间隙处的工作气体的击穿电压时，工作气体电晕放电，即产生人体可直接触摸的低温等离子体。本实用新型易制作、好维护、使用方便、成本低、易于携带，具有多种实际应用，比如材料表面处理、食物处理、生物医学消毒杀菌、牙齿清洗以及根管治疗等。
Description
技术领域
本实用新型属于气体放电技术领域，具体涉及一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置。
背景技术
在目前气体放电技术中，等离子体可根据气体温度与电子温度的不同分为两类：热平衡等离子体与非热平衡等离子体。在非热平衡等离子体中，电子的温度可高达数万摄氏度，而离子和气体的温度远小于电子的温度甚至可保持在室温。这种非热平衡等离子体中富含活性粒子，这些活性粒子在杀菌消毒，废气处理，材料表面处理等诸多领域中起关键作用。
等离子体源可以根据气体放电原理的不同可分为电晕放电、辉光放电、电弧放电、介质阻挡放电。等离子体源还可以分为低气压等离子体源和高气压等离子体源。考虑到能直接在外界空气中产生等离子体的经济性和方便性，最近的关于低温大气压非热平衡等离子体研究备受关注。
以下是几种现有的产生低温大气压非热平衡等离子体的装置：
(1)交流非热平衡等离子体射流装置，见文献1(Yong Cheol Hongetal.“Microplasma jet at atmospheric pressure”Appl Physics Letter 89，221504(2006))，其中描述了一种大气压下以氮气为工作气体产生等离子射流的装置，该装置如图1所示，包括电极4、接地电极6、介质圆片14、介质容器10和(交流)电源1，电极4和接地电极6由介质圆片14隔开，并共同置于介质容器10中，(交流)电源1连接电极4和接地电极6；工作时，(交流)电源1调至高压，频率20千赫兹，以3升/秒的流量速度向介质容器10输入工作气体13(氮气)，在电极4和接地电极6间进行放电产生等离子体，并从气体输出口15以约255米/秒的速度喷射出等离子体射流5，等离子体射流5长度6.5厘米，温度接近室温。电极4和接地电极6都与等离子体射流5直接接触，易发生弧光放电，对于牙齿清洗、根管治疗以及伤口辅助愈合等一些实际应用不安全。
(2)射频非热平衡等离子体射流装置，见文献2(E stoffelsetal.“Plasma needle for in vivo medical treatment：recent developments andperpectives”Plasma Source Sci.Technol.15(2006))，其中描述了一种射频等离子体针装置，该装置如图2所示，包括电极4、介质容器10、绝缘介质层16、电源(射频)1。绝缘介质层16为直径4毫米的陶瓷管。电源1为10兆赫兹的射频电源，与电极4相连。电极4为直径0.3毫米的钨丝，放置于绝缘介质层16中央，顶端不包含于绝缘介质层16内，裸露于外部空间中，并与绝缘介质层16一起由固定架17固定于介质容器10中央，工作气体13从气体输入口18输入。操作时能产生相应直径为2.5毫米的等离子体射流5。该装置的电极4顶端部分暴露于外部空间中，并与等离子体射流5直接接触，产生的等离子体射流5长度短、温度较高，距离电极4尖端1.5毫米和2.5毫米处的等离子体射流5温度分别为90摄氏度和50摄氏度。
(3)脉冲直流非热平衡等离子体射流装置，见文献3(Xinpei Lu etal.“Dynamics of an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecondvoltage pulses”J Appl.Phys 100.063302(2006))，其中描述了一种等离子体笔装置，该装置如图3所示，包括电极4、接地电极6、介质容器10、介质圆片14、介质圆环19、电源1。电极4和接地电极6均为相同尺寸的金属圆环，分别粘贴于两块介质圆片14上，之间隔有介质圆环19，并一起位于介质容器10前端。工作气体13为氦气，电源1为脉冲直流电源。操作时能产生5厘米长的等离子体射流5，等离子体射流5温度接近室温。该装置不足之处在于一定条件下，比如电压脉宽高于10us时电极4和接地电极6间可能发生电弧放电。
发明内容
针对于直流空气电晕放电装置中出现的人体不能直接触摸等离子体、射流装置的高压电极不安全和高压电极与接地电极之间会发生弧光放电的问题，本实用新型提出了一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，该装置包括电源、电阻、电容和高压电极，所述高压电极通过串联电阻与电源相连，并通过并联电容接地，所述电阻起限流作用，电源通过电阻对并联电容充电，当高压电极达到放电间隙处的工作气体的击穿电压时，工作气体电晕放电，即产生人体可直接触摸的低温等离子体。
作为本实用新型的进一步改进，所述的高压电极为单个呈针形、棒状或片状的导体。
作为本实用新型的进一步改进，所述的高压电极由多个呈针形、棒状或片状的导体组成，设置在导电极板上，呈线形排列或者阵列排列。
作为本实用新型的进一步改进，所述的高压电极为空心或实心，径向截面形状为圆形、圆环形或多边形。
作为本实用新型的进一步改进，所述高压电极的材料可为铜、铝、不锈钢及其他导电材料。
作为本实用新型的进一步改进，所述的工作气体为单质气体或其混合物，或者为空气、气态化合物或气态有机物。
作为本实用新型的进一步改进，所述的低温等离子体的长度、粗细和温度可通过调节电阻的阻值、电容的电容值和/或高压直流电源的电压值而调整。
作为本实用新型的进一步改进，所述的电源可以为直流电源、脉冲直流电源或交流电源。
本实用新型高压电极可以裸露在空气中，高压电极安全，手指可以安全接触，无电击的感觉；同时在放电过程中，不会出现弧光放电；产生的低温等离子体温度接近室温，人体可以安全的与之接触；工作的气体可以是氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物，有利于增加等离子体中活性成分的种类和数量；
本实用新型易制作、好维护、使用方便、成本低、易于携带，具有多种实际应用，比如刻蚀、沉积、材料表面处理、表面清洗、净化、食物处理、生物医学消毒杀菌、牙齿清洗以及根管治疗等。根据不同的具体应用，选择不同阻值的电阻和不同电容值的电容，以及工作气体，调节高压直流电源的电压，产生的等离子体长度、粗细、温度可以不同；等离子体温度接近室温时，人体可以与之安全接触；等离子体中含有的活性成分的种类和数量可以根据不同的应用进行选择。
附图说明
图1为现有交流非热平衡等离子体射流装置示意图；
图2为现有射频等离子体针示意图；
图3为现有脉冲直流等离子体射流装置示意图；
图4为本实用新型第一个实施例结构示意图；
图5为本实用新型第二个实施例结构示意图；
图6为本实用新型第三个实施例结构示意图；
图7(a)、图7(b)分别为注射针头状电极的径向截面图和侧视图；
图8(a)、图8(b)分别为绝缘介质容器径向截面图和侧视图；
图9(a)、图9(b)分别为导电极板的径向截面图和六根不锈钢针与导电极板相连的侧视图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型的人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置进行详细说明。
如图4所示，作为第一个实施例，本实用新型的人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置包括高压直流电源1、电阻2、电容3和高压电极4。高压电极4通过串联电阻2与高压直流电源1相连，并通过并联电容3接地。高压电极4为单根不锈钢针，在不锈钢针的前端与要处理的人体或动物的部位或要处理的物品之间产生的等离子体5的形状为细长的针形状。
电阻2为100兆欧，电容3为3皮法，高压正极性直流电源电压为9千伏。由于高压电极4的尖端场强很高，会发生气体电晕放电，产生等离子体5，其温度接近室温，人体可以直接与之安全接触，并且也可以触摸针头，不会有电击的疼痛感。
如图5所示，本实用新型的第二个实施例，包括高压直流电源1，电阻2、杂散电容3、高压电极4、工作气体源8、气体调控开关9、介质容器10、三通11、介质容器10、绝缘堵头12。高压电极4通过串联电阻2与高压直流电源1相连，通过杂散电容3接地。介质容器10呈空心圆管状，其径向截面和侧视图见附图8，内置电阻2，介质容器10的一端套接注射针头状的高压电极4。注射针头状的高压电极4呈空心圆管状，其径向截面和侧视图见附图7。电阻2与注射针头状的高压电极4的一端紧密相连。通过套于介质容器10的三通11和绝缘堵头12，电阻2与高压直流电源1相连，气体调控开关9将工作气体源8的工作气体13输入介质容器10中。
电阻2为100兆欧，电容3为杂散电容，高压直流电源1电压为9千伏。介质容器10具有单独的工作气体输入口18，三通11与介质容器10紧密相连，高压电极4紧套于介质容器10的另一端，在高压电极4与要处理的人体或动物的部位或要处理的物品之间产生等离子体5，产生的等离子体5可以与人体直接安全接触。
工作气体13可以是下述工作气体中的一种：氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物。
介质容器10可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化铝陶瓷等，形状及尺寸根据实际情况而定。
图7(a)、图7(b)分别为以上第二个实施例中的注射针头状的高压电极4径向截面图和侧视图。
图8(a)、图8(b)分别为以上第二个实施例中的介质容器10径向截面图和侧视图。
如图6所示，本实用新型第三个实施案例，包括高压直流电源1、电阻2、电容3、导电极板6、高压电极4。高压电极4通过串联电阻2与高压直流电源1连接，通过并联电容3接地。由多根不锈钢针组成的高压电极4。
电阻2为100兆欧，电容3为3皮法，高压直流电源1的电压为9千伏。在高压电极4与要处理的人体或动物的部位或要处理的物品之间产生等离子体5，等离子体5可以与人体直接安全接触。
高压电极4与导电极板6紧密连接，导电极板6的径向截面图和六根不锈钢针与导电极板6相连的侧视图见图9。
图9(a)、图9(b)分别为以上第三个实施例中的导电极板6的径向截面图和六根不锈钢针4与导电极板6相连的侧视图。
高压电极4可以是钨、铜、铝或不锈钢等导电性材料，其结构和形状可以根据具体的应用而变化。
针形高压电极4可以为空心或实心的导体。空心或实心的针形导体电极径向截面形状为圆形、圆环形或多边形中的一种；电极端部、外表面或内表面具有针形或尖片形的凸起。
电源可以为直流电源、脉冲直流电源或交流电源。
本实用新型工作时，高压电极4通过串联电阻2与高压直流电源1相连，通过并联电容3接地。其中电阻2起主要的限流作用。高压直流电源1通过所串电阻2对并联电容3充电，高压电极4的电压不断增大，当高压电极4尖端的场强足够击穿周围的气体，并能使得流柱贯穿于高压电极4与手指或要处理的物品之间的整个放电间隙，这样就形成了一次击穿，这时的电压为击穿电压。但气体击穿后的场强降到很小，由于空间电荷的影响，放电通道将会被阻断，此时流过放电间隙的电流将会很快降到零，电容3上的电荷已经释放一部分，电压较低，这时高压直流电源1又一次通过串联电阻2对电容3进行充电。这样如此循环，就形成了周期的脉冲放电，实验测量到的电流为周期性的脉冲电流。通过选择不同的阻值2和不同电容值的电容3以及调节高压直流电源1的电压，气体放电产生等离子体5的长度、粗细、温度均可调整。
利用上述装置产生低温等离子体的方法具体包括如下步骤：
第一步：选择工作气体，所述工作气体可氦气、氩气、氮气、氧气等单质气体或混有其他气体的混合气体，也可以是空气、气态化合物或气态有机物。
第二步：调节电阻2的阻值，使其阻值在1兆欧到3000兆欧之间；并调节并联电容3的电容值，使其电容值在0到100皮法之间。
第三步：启动高压直流电源1，调节高压直流电源1电压，使电压的范围为0.2千伏到100千伏。
第四步：将要处理的人体或动物的部位或要处理的物品放在距高压电极4一定距离处，形成放电间隙，在该放电间隙中的气体发生电晕放电，即产生低温等离子体5，从而能够对要处理的人体或动物的部位或要处理的物品进行处理。
以上的实施例中，高压直流电源电压范围可在0.2千伏到100千伏之间，电阻范围可在1兆欧到3000兆欧之间，电容范围可在0到100皮法之间，产生的等离子体长度可在0.1毫米到100毫米之间变化，产生的等离子体可接近室温或高于室温，并且气体放电不会出现弧光放电。当产生的等离子体接近室温时，人体可以与之直接安全接触，人体手指可以直接触摸高压电极，而无电击的疼痛感。
Claims (8)
1.一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，该装置包括电源（1）、电阻（2）、电容（3）和高压电极（4），所述高压电极（4）通过串联电阻（2）与电源（1）相连，并通过并联电容（3）接地，所述电阻（2）起限流作用，电源（1）通过电阻（2）对并联电容（3）充电。
2.根据权利要求1所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的高压电极（4）为单个呈针形、棒状或片状的导体。
3.根据权利要求1所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的高压电极（4）由多个呈针形、棒状或片状的导体组成，设置在导电极板（6）上，呈线形排列或者阵列排列。
4.根据权利要求2或3所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的高压电极（4）为空心或实心，径向截面形状为圆形、圆环形或多边形。
5.根据权利要求1-3之一所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述高压电极（4）的材料可为铜、铝或不锈钢。
6.根据权利要求1-3之一所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的工作气体为单质气体或其混合物，或者为空气、气态化合物或气态有机物。
7.根据权利要求1-3之一所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的低温等离子体（5）的长度、粗细和温度可通过调节电阻（2）的阻值、电容（3）的电容值和/或高压直流电源（1）的电压值而调整。
8.根据权利要求1-3之一所述的一种人体可直接触摸的低温等离子体的产生装置，其特征在于，所述的电源可以为直流电源、脉冲直流电源或交流电源。
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