DE202021002118U1 - A device that generates a diffuse, low temperature, non-equilibrium plasma - Google Patents
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Abstract
die Vorrichtung zur Erzeugung eines diffusen Niedertemperatur-Nichtgleichgewichtsplasmas sich dadurch unterscheidet, dass der Erzeuger der Hochspannungsimpulse von Nanosekunden-Dauer im Handstück und in unmittelbarer Nähe des Ortes der Plasmaerzeugung platziert ist. the device for generating a diffuse low-temperature non-equilibrium plasma differs in that the generator of the high-voltage pulses of nanosecond duration is placed in the handpiece and in the immediate vicinity of the location of the plasma generation.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von biologischen Objekten. GrundlagenThe invention relates to a device for plasma treatment of biological objects. Basics
Wird zwischen zwei Elektroden eine ausreichend große Spannung angelegt, wird das Gas zwischen den Elektroden ionisiert und es entsteht ein Plasma.
Ein Plasma enthält zahlreiche reaktive Spezies wie Ionen und Elektronen, aber auch Moleküle bzw. Atome in unterschiedlichen Anregungszuständen und Radikale.If a sufficiently high voltage is applied between two electrodes, the gas between the electrodes is ionized and a plasma is created.
A plasma contains numerous reactive species such as ions and electrons, but also molecules or atoms in different excited states and radicals.
Die Elektronen werden im elektrischen Feld aufgrund ihrer geringeren Masse schneller beschleunigt als die schwereren Ionen. Durch Stöße mit den umliegenden Gasmolekülen geben die Elektronen ihre Energie wieder an den jeweiligen Stoßpartner ab.Due to their lower mass, the electrons are accelerated faster in the electric field than the heavier ions. By colliding with the surrounding gas molecules, the electrons give their energy back to the respective collision partner.
Ist die Energie des Elektrons dabei klein, kommt es zu einem elastischen Stoß. Der Energieaustausch ist hierbei wegen der geringen Masse des Elektrons sehr klein und das Elektron wird dabei lediglich abgelenkt. Ist die Energie eines Elektrons größer als die jeweilige Anregungs-,Dissoziations- oder Ionisierungsenergie, kann diese Energie durch einen unelastischen Stoß auf ein Gasmolekül übertragen werden.If the energy of the electron is small, an elastic collision occurs. The energy exchange is very small because of the low mass of the electron and the electron is only deflected. If the energy of an electron is greater than the respective excitation, dissociation or ionization energy, this energy can be transferred to a gas molecule through an inelastic collision.
Wenn die Teilchendichte niedrig oder das elektrische Feld groß genug ist, wird die kinetische Energie der Elektronen im Mittel größer sein als die kinetische Energie der Gasmoleküle. In diesem Fall spricht man von einem Nichtgleichgewichtsplasma.If the particle density is low or the electric field is large enough, the kinetic energy of the electrons will on average be greater than the kinetic energy of the gas molecules. In this case one speaks of a non-equilibrium plasma.
Das vorgeschlagene Gerät zur Erzeugung von diffusem Niedertemperatur Nichtgleichgewichtsplasma mit einer Temperatur, die mit der menschlichen Körpertemperatur vergleichbar ist, kann in der Medizin eine Verwendung finden.The proposed device for generating diffuse, low-temperature, non-equilibrium plasma with a temperature comparable to that of the human body can find use in medicine.
Kalte Nicht-Gleichgewichts-Plasmastrahlgeräte bei Atmosphärendruck in letzter Zeit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Plasmageräte erzeugen einen Strahl kalten Plasmas im freien Raum (Umgebungsluft), nicht nur in begrenzten Entladungsspalten. So können sie für die direkte Behandlung eingesetzt werden und es gibt keine Einschränkungen bei der Größe der zu behandelnden Objekte.Cold non-equilibrium plasma jets at atmospheric pressure have recently received a lot of attention. Plasma devices generate a jet of cold plasma in free space (ambient air), not only in limited discharge gaps. So they can be used for direct treatment and there are no restrictions on the size of the objects to be treated.
Stand der TechnikState of the art
Beispiele für gängige Geräte mit Nichtgleichgewichts-Plasmastrahlen bei Atmosphärendruck sind: Geräte mit Nichtgleichgewichts-Plasmastrahlen mit Wechselstrom, Hochfrequenz, Mikrowelle und gepulstem Gleichstrom.Examples of common devices with non-equilibrium plasma jets at atmospheric pressure are: devices with non-equilibrium plasma jets with alternating current, radio frequency, microwave and pulsed direct current.
Das gepulste Gleichstromnetzteil liefert einen Strom mit einer einzigen Polarität und variabler Spannung. Diese gleichgerichtete Wellenform wird entweder mit einem Halbwellen- oder einem Vollwellengleichrichter erzeugt.The pulsed DC power supply provides a current with a single polarity and variable voltage. This rectified waveform is generated with either a half-wave or a full-wave rectifier.
Bekannte tragbare Handgeräte, die Niedertemperaturplasma bei Atmosphärendruck erzeugen (
Es ist ein Gerät bekannt (
Bekannt ist auch ein Gerät (
Es wurden Materialien zur Erstellung eines kompakten Geräts zur Erzeugung von kaltem Plasma unter Verwendung eines Piezotransformators mit geringer Leistungsaufnahme veröffentlicht.Materials for making a compact device for generating cold plasma using a piezo transformer with low power consumption have been published.
Bekannt ist ein Gerät zur Erzeugung eines kalten Nichtgleichgewichtsplasmas, dass das Arbeitsgas Helium oder Argon durch hochfrequente Hochspannungsimpulse ionisiert, die in der Basiseinheit erzeugt werden und über ein Koaxialkabel in das Handgerät gelangen.A device is known for generating a cold non-equilibrium plasma that ionizes the working gas helium or argon by high-frequency high-voltage pulses that are generated in the base unit and enter the hand-held device via a coaxial cable.
Prototypen des vorgeschlagenen Gerätes können die in und beschriebenen Geräte übernehmen. Nachteilig an den beschriebenen Geräten ist, dass ein Hochspannungs-Nanosekunden-Impuls über ein externes spezielles Koaxialkabel in das Gerät eingespeist wird und bei dem in beschriebenen Gerät die direkt in einem Handgerät empfangene Hochspannung die Form einer Sinuswelle mit einer steigenden Anstieg in der Größenordnung von zehn Mikrosekunden hat.Prototypes of the proposed device can adopt the devices described in and. The disadvantage of the devices described is that a high-voltage nanosecond pulse is fed into the device via a special external coaxial cable and, in the device described in, the high voltage received directly in a hand-held device takes the form of a sine wave with a rising increase in the order of ten Has microseconds.
Bei der beschriebenen Methode ist es nicht möglich, kurze Hochspannungs-Nanosekunden-Spannungspulse in diesem Gerät zu erhalten.With the method described, it is not possible to get short high voltage nanosecond voltage pulses in this device.
Die Verwendung von unipolaren Hochspannungs-Nanosekunden-Impulsen mit einer Amplitude von etwa 6-10 kV und einer Anstiegszeit in der Größenordnung von 2-5 Nanosekunden und einer Dauer von 50-70 Nanosekunden ermöglicht es, ein vollständig diffuses (homogenes) kaltes Plasma zu erhalten.The use of unipolar high voltage nanosecond pulses with an amplitude of about 6-10 kV and a rise time in the The order of magnitude of 2-5 nanoseconds and a duration of 50-70 nanoseconds makes it possible to obtain a completely diffuse (homogeneous) cold plasma.
Aufgrund der kurzen Anstiegszeit des Hochspannungspulses haben die Elektronen und Ionen im Plasma keine Zeit, sich zu erwärmen, aber die Elektronen bekommen mehr Geschwindigkeit, was zur weiteren Ionisierung des Gases beiträgt.Due to the short rise time of the high voltage pulse, the electrons and ions in the plasma do not have time to warm up, but the electrons gain more speed, which contributes to the further ionization of the gas.
Das Hauptproblem bei der Konstruktion von handgeführten Kaltplasma-Werkzeugen besteht darin, dass die für die Ionisation erforderliche Hochspannung von externen Geräten entweder durch spezielle Hochspannungsleitungen oder ein spezielles Kabel im Falle von gepulsten Signalen zugeführt werden muss.The main problem with the design of hand-held cold plasma tools is that the high voltage required for ionization must be supplied from external devices either through special high voltage lines or a special cable in the case of pulsed signals.
In der Regel liegt die für die Ionisation benötigte Hochspannung im Bereich von 5kV bis 30kV (abhängig von der Ausführung der Entladungselektroden).As a rule, the high voltage required for ionization is in the range of 5kV to 30kV (depending on the design of the discharge electrodes).
Zur Erzeugung eines vollständig homogenen (diffusen) kalten Plasmas sollte die Hochspannungsionisationsspannung in Form eines Gleichstromimpulses mit einer Anstiegszeit bis zur Amplitude von 6-10kV nicht mehr als 10ns betragen. Es ist ein Problem, Nanosekunden-Impulse mit solch deklarierten Eigenschaften durch Kabel zu leiten. Es liegt vor allem an der Eigenkapazität des Koaxialkabels.To generate a completely homogeneous (diffuse) cold plasma, the high-voltage ionization voltage in the form of a direct current pulse with a rise time up to an amplitude of 6-10 kV should not be more than 10 ns. It is a problem to pass nanosecond pulses with such declared properties through cables. It is mainly due to the inherent capacitance of the coaxial cable.
Vorhandene Hochspannungskoaxialkabel haben eine Eigenkapazität von etwa 100pF pro Meter. Wenn man davon ausgeht, dass das Arbeitsgerät mit einem mindestens 1,8-2 Meter langen Kabel an die Basiseinheit angeschlossen werden soll (wegen der Bequemlichkeit der Behandlung von biologischen Oberflächen), dann beträgt die Kapazität auf dieser Länge etwa 150-200pF, was den Hochspannungs-Nanosekunden-Impuls vollständig auslöschen würde.Existing high-voltage coaxial cables have an inherent capacitance of around 100 pF per meter. Assuming that the working device is to be connected to the base unit with a cable at least 1.8-2 meters long (for the convenience of treating biological surfaces), then the capacitance over this length is about 150-200pF, which is the High voltage nanosecond pulse would completely extinguish.
Es gibt zwar spezielle Schaltungseinrichtungen und auch spezielle Koaxialkabel, aber das sind exotische und recht komplizierte technische Lösungen, die selbst für eine Kleinserienfertigung nicht gerechtfertigt sind.There are special circuit devices and also special coaxial cables, but these are exotic and quite complicated technical solutions that are not justified even for small series production.
ProblemlösungTroubleshooting
In der vorgestellten Erfindung ist es erstmals gelungen, einen Hochspannungs-Nanosekunden-Pulsgenerator direkt in das Gehäuse eines tragbaren Kaltplasma-Handstück einzubauen.In the presented invention it was possible for the first time to build a high-voltage nanosecond pulse generator directly into the housing of a portable cold plasma handpiece.
Dadurch konnten aufwändige Lösungen für die Übertragung des Nanosekundenpulses von der Formgebungseinheit über Kabel vermieden werden.
Der Nanosekunden-Hochspannungspuls wird direkt am lonisationspunkt des Gases gebildet, wodurch ein homogener diffuser Kaltplasmastrahl entsteht. Der Nanosekundenformer basiert auf einem Energiespeicher (induktiv) und einem Silizium- Hochspannungs-Trennschalter.This made it possible to avoid complex solutions for the transmission of the nanosecond pulse from the shaping unit via cables.
The nanosecond high-voltage pulse is generated directly at the ionization point of the gas, creating a homogeneous, diffuse cold plasma beam. The nanosecond shaper is based on an energy storage device (inductive) and a silicon high-voltage disconnector.
Als Hochspannungs-Trennschalter werden DSRD (drift step recovery diodes) eingesetzt. Im Gegensatz zu den üblichen Schaltungslösungen für Hochspannungs-Nanosekunden-Pulsformer auf DSRD-Elementen wird bei der vorgestellten Erfindung die Belastung für DSRD-Elemente in die Steuereinheit verlagert, und im Handstück des Gerätes verbleiben nur die Speichereinheit und ein Silizium-Hochspannungs-Trennschalter.DSRD (drift step recovery diodes) are used as high-voltage disconnectors. In contrast to the usual circuit solutions for high-voltage nanosecond pulse formers on DSRD elements, the load for DSRD elements is shifted to the control unit in the present invention, and only the memory unit and a silicon high-voltage disconnector remain in the handpiece of the device.
Dies ermöglichte ein drastisch vereinfachtes Design des Nanosekunden-Impulsformers und eine kostengünstigere Anwendung des durch Nanosekunden-Hochspannungsimpulse erzeugten Plasmas. Dieser Aufbau ermöglicht die Bildung von einzelnen und von Paketen von Nanosekunden-Impulsen, mit einer Frequenz von 1Hz bis 50kHz.This enabled a drastically simplified design of the nanosecond pulse shaper and a more cost-effective application of the plasma generated by high-voltage nanosecond pulses. This structure enables the formation of individual and packets of nanosecond pulses with a frequency of 1Hz to 50kHz.
Das Gerät entsteht aus 3 Haupteinheiten:
- - Kaltplasma-Handstück (ist in
1 dargestellt) - - Das Steuereinheit ist schematisch in
2 . dargestellt - - Einheit zur Bildung des Gasgemisches
- - Das Steuereinheit enthält:
- - externes Bedienfeld
13 (2 ), einschließlich einer Betriebsanzeige und Bedienelementen zur Steuerung der Modi der Bildung des kalten Plasmastrahls - - Mikroprozessorsteuerung
14 (2 ), - - Nanosekunden-Impulsgeber
15 (2 ), - - Spannungsversorgung
16 (2 ), - - dreipolige Elektromagnet-Steuereinheit
17 (2 ) ,.
- - Cold plasma handpiece (is in
1 shown) - - The control unit is schematically in
2 . shown - - Unit for forming the gas mixture
- - The control unit contains:
- - external control panel
13th (2 ), including an operating display and controls for controlling the modes of formation of the cold plasma jet - - microprocessor control
14th (2 ), - - Nanosecond pulse generator
15th (2 ), - - power supply
16 (2 ), - - three-pole solenoid control unit
17th (2 ),.
Die Einheit zur Bildung des Gasgemisches enthält:
- - Arbeitsgasflasche (He, Ar) 18 (
2 ), - - Gasmischer
19 (2 ), - - Drossel
20 (2 ), - - Verdichter
21 (2 ),
- - Working gas cylinder (He, Ar) 18 (
2 ), - - gas mixer
19th (2 ), - - throttle
20th (2 ), - - Compressor
21 (2 ),
Das Handstück hat
- - ein dielektrisches Gehäuse 1(
1 ) in dessen Innerem sich befinden: - - Energiespeicher 2(
1 ,2 ) - - dielektrische Ringe
3 (1 ,2 ) mit Bohrungen für den Arbeitsgasdurchlass - - gemeinsame Masseklemme 4(
1 ,2 ) und Triggerimpuls-Versorgungsklemme 11(1 ,2 ) vom Nanosekunden-Impulsgeber15 (2 ) der externen elektronischen Steuereinheit - - Silizium-Hochspannungsschalter 5(
1 ,2 ) - - Hochspannungselektrode 6((
1 ,2 )) - - zentrierender dielektrischer Ring 7((
1 ,2 )) mit Kanälen für den Gasdurchgang - - Hochspannungsionisationselektrode
8 ((1 ,2 )) aus Edelstahl, in der ein Keramikeinsatz mit einer Spitze aus Titandioxid zur Erhöhung der Produktion von OH-Radikalen montiert ist - - Quarzrohr 9((
1 ,2 )) (Düse) für kalte Plasmastrombildung - - Ionisationskammer 10(
1 ,2 ), in der das einströmende Gas (Helium, Argon, Stickstoff, Luft oder Mischungen dieser Gase), das aus dem Gasmischer 19(2 ) der Einheit zur Bildung des Gasgemisches kommt, durch einen Hochspannungs-Nanosekundenimpuls ionisiert wird, der an der lonisationselektrode 8 (1 ,2 ) gebildet wird - - einem dreipoligen Elektromagneten 12(
2 ) der um die Düse9 herum angeordnet ist, um die Rotation des Plasmastrahls zu realisieren, der einen vollen Kegel bildet, um einen breiteren Bereich des Plasmastrahleffekts zu schaffen. Die Elektromagnetspitzen bilden ein magnetisches Wechselfeld quer zum Plasmastrahl.
- - a dielectric housing 1 (
1 ) inside of which are: - - Energy storage 2 (
1 ,2 ) - - dielectric rings
3 (1 ,2 ) with holes for the working gas passage - - common earth terminal 4 (
1 ,2 ) and trigger pulse supply terminal 11 (1 ,2 ) from the nanosecond pulse generator15th (2 ) the external electronic control unit - - Silicon high-voltage switch 5 (
1 ,2 ) - - high voltage electrode 6 ((
1 ,2 )) - - centering dielectric ring 7 ((
1 ,2 )) with channels for gas passage - - high voltage ionization electrode
8th ((1 ,2 )) made of stainless steel, in which a ceramic insert with a tip made of titanium dioxide is mounted to increase the production of OH radicals - - quartz tube 9 ((
1 ,2 )) (Nozzle) for cold plasma flow generation - - ionization chamber 10 (
1 ,2 ), in which the inflowing gas (helium, argon, nitrogen, air or mixtures of these gases) coming out of the gas mixer 19 (2 ) the unit for the formation of the gas mixture comes, is ionized by a high-voltage nanosecond pulse, which is applied to the ionization electrode 8 (1 ,2 ) is formed - - a three-pole electromagnet 12 (
2 ) around the nozzle9 arranged around to realize the rotation of the plasma jet forming a full cone to create a wider area of the plasma jet effect. The electromagnetic tips form an alternating magnetic field across the plasma jet.
Beschreibung des Gerätes.Description of the device.
Das Handstück des Gerätes besteht aus einem dielektrischen Gehäuse
Bei Empfang eines Auslöseimpulses an der Elektrode 1l(
Die im Speicher
Zur Vorbereitung des Gerätes für den Betrieb erfolgt die Bildung eines Arbeitsgasgemisches aus Helium (oder Argon) mit Luft, um die Produktion von aktiven OH-Radikalen zu erhöhen. Dazu wird ein dosiertes Luftgemisch im Arbeitsgas-Kompressor
Das Gasgemisch wird im Gasmischer
Beim Anschluss des Gerätes an das Stromnetz (220-V-Netz) erzeugt das Netzteil 16(
einschließlich:
- - Plasmaleistung
- - Temperatur des Plasmastrahls
- - Behandlungszeit
- - Arbeitsgasstand im Ballon
- - Durchflussmenge des Gasgemisches, etc.
including:
- - plasma power
- - temperature of the plasma jet
- - treatment time
- - Working gas level in the balloon
- - Flow rate of the gas mixture, etc.
Die Mikroprozessorsteuerung
Wenn der Triggerimpuls vom Nanosekunden-Impulsgeber
Nach Abschluss der Triggerimpulsaktion schaltet der Silizium-DSRD-Schalter den Speicher innerhalb von 2-5 Nanosekunden auf die lonisationselektrode. Die im Speicher 2(
Die Verwendung eines eingebauten Nanosekunden-Formers von Hochspannungsimpulsen in einem tragbaren Plasmastrahler ermöglichte es, einen Durchmesser des Plasmaspots von bis zu 10 mm zu erreichen, wodurch die meisten Einschränkungen bei der Behandlung von großen beschädigten Bereichen des biologischen Gewebes beseitigt wurden.The use of a built-in nanosecond shaper of high voltage pulses in a portable plasma emitter made it possible to achieve a plasma spot diameter of up to 10 mm, thereby removing most of the limitations in treating large damaged areas of biological tissue.
Durch die Erzeugung von Impulsen im Nanosekundenbereich direkt in der Ionisationskammer gelang es, die Ausbeute an reaktiven Teilchen, die durch das Plasma erzeugt werden (RNS, RONS), zu erhöhen, um im Gegensatz zu den oben genannten Methoden ein kaltes Nicht-Gleichgewichts-Plasma und dessen Verwendung in der Medizin zu erhalten.By generating pulses in the nanosecond range directly in the ionization chamber, it was possible to increase the yield of reactive particles generated by the plasma (RNS, RONS) to create a cold non-equilibrium plasma in contrast to the methods mentioned above and to maintain its use in medicine.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- EP 0837622 [0010]EP 0837622 [0010]
- US 2013/0072861 [0011]US 2013/0072861 [0011]
- US 9999452 [0012]US 9999452 [0012]
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DE202021002118U1 true DE202021002118U1 (en) | 2021-08-02 |
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2021
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
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