DE60308341T2

DE60308341T2 - Verfahren zur oberflächenbehandlung durch atmosphärisches plasma und vorrichtung zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE60308341T2
Application number: DE60308341T
Authority: DE
Inventors: Pavel Koulik; Anatolii Saitchenko; Svetlana Krapivina; Nail Musin; Jacques Cinqualbre
Original assignee: APIT Corp SA
Current assignee: APIT Corp SA
Priority date: 2002-03-28
Filing date: 2003-03-28
Publication date: 2007-05-03
Anticipated expiration: 2023-03-29
Also published as: US20050118350A1; EP1488669A1; EP1488669B1; JP2005528737A; AU2003221300A1; ATE339871T1; WO2003084294A1; DE60308341D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren der Oberflächenbehandlung leitender, schlecht leitender oder dielektrischer Materialien durch ein atmosphärisches Plasma, insbesondere durch eine Aktivierung der Oberflächen, sowie eine Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens. Die Erfindung eignet sich besonders gut für die Behandlung biologischer Materialien wie die Kauterisation von Blut in chirurgischen Eingriffen.
Die Oberflächenbehandlung eines Materials kann eine oder mehrere der folgenden Operationen umfassen:

– eine oberflächliche Aktivierung, insbesondere zur Verbesserung der Adhäsions- oder Benetzungseigenschaften;
– Desinfektion, Sterilisation;
– Beizen;
– Abscheidung von Schichten;
– Kauterisation.

Verfahren und Vorrichtungen für die Oberflächenbehandlung durch Plasmastrahlen bei Atmosphärendruck sind bekannt (siehe zum Beispiel die Veröffentlichung: P. Koulik, Dynamical Plasma Operating (DPO) of Solid Surfaces [Dynamische Plasmabehandlung fester Oberflächen], in: Plasma Jets [Plasmastrahlen], Solonenko und Fedorchenko, Hrsg., VSP, 1990, Seiten 639 bis 653).
Ein Nachteil dieser Verfahren besteht darin, dass sich das Plasma des Strahls bei sehr hohen Temperaturen befindet (10 – 15 × 10³ K), weil die Wechselwirkung des Plasmas mit der zu behandelnden Oberfläche vermittels von Teilchen (Atomen, Molekülen, Radikalen) erfolgt, die im Strahl aktiviert werden, wobei diese Teilchen auf thermischem Wege erzeugt werden. Die aktivierten Teilchen diffundieren durch die Grenzschicht in der Weise, dass sie vor dem Auftreffen auf die behandelte Oberfläche ihre Aktivierungsenergie nicht verlieren. Daraus ergeben sich hohe Energie- und insbesondere Wärmeverluste, oft unerwünschte Überhitzungseffekte der behandelten Oberfläche sowie eine schwache Verfahrensausbeute. Biologische Gewebe (Wunden, Brandwunden, Organschnittzonen bei chirur gischen Eingriffen usw.) können mit Hilfe eines Plasmastrahles nicht behandelt werden, da dieser Verbrennungen und weitere beträchtliche Schädigungen hervorrufen würde.
Geräte existieren für die Behandlung lebender Gewebe und insbesondere für die Kauterisation von Blutungszonen bei chirurgischen Eingriffen (zum Beispiel das Gerät Erbotom 12C350, in Serienfertigung bei ERBE medical SARL, Parc d'Affaires, 11 chemin de l'Industrie, 69570 Dardilly, Frankreich) mit Hilfe eines Hochfrequenz-Lichtbogens, der in einem Argonstrom zwischen einer durch den Chirurgen gehandhabten Elektrode und den Geweben des Patienten betrieben wird, wobei der Körper des Patienten notwendigerweise an Erde gelegt ist (unipolare Bedingungen).
Die Kauterisation, die einzig durch Wärmewirkungen zustande kommt, d.h. durch eine Erhitzung durch Joulesche Wärme, hat den Nachteil, dass ein beträchtliches Volumen des Gewebes, durch das ein elektrischer Strom hoher Dichte fliesst, bei dieser Behandlung geschädigt wird. Ein solches Verfahren kann nicht für die Behandlung von Bereichen intensiver nervlicher Aktivität wie dem Gehirn, dem Rückenmark und anderen bestimmenden Nervenzentren eingesetzt werden.
Ein weiteres Problem, dem man begegnet, ist die häufige Unterbrechung des Lichtbogens durch Kontaktunterbrechungen, so dass dieser jedesmal neu gezündet werden muss, um die Behandlung fortzusetzen, da der elektrische Strom durch Gewebe fliesst, die mehr oder weniger Flüssigkeit (zum Beispiel Blut) absondern.
Da die Berührungsfläche des Lichtbogens mit dem behandelten Gewebe durch den sehr geringen Durchmesser der Elektrodenflecken an der Plasma/Gewebe-Grenzfläche bestimmt wird, besteht ein weiterer Nachteil darin, dass die Behandlung grosser Oberflächen schwierig, mühsam und langwierig ist.
Das Gerät Erbotom ICC350 gestattet eine Koagulationsbehandlung unter bipolaren Bedingungen, wobei der zwischen zwei Elektroden brennende Lichtbogen durch einen Argonstrahl senkrecht zu den Stromlinien zu dem behandelten biologischen Gewebe hin geblasen wird. Ein Nachteil besteht darin, dass der durch den Argonstrahl umgeleitete Lichtbogen geometrisch instabil ist und dazu neigt, sich von dem zu behandelnden Bereich zu entfernen, da der Argonstrom die Konfiguration des Lichtbogens nicht bestimmt und den Lichtbogen nicht zwingt, mit dem Profil der behandelten Oberfläche in Berührung zu treten, weshalb die Wirksamkeit schwach ist. In diesem Verfahren ist es nicht möglich, die Intensität der Wärmewirkung des Lichtbogens durch eine Veränderung des Abstandes der Elektrode von der zu behandelnden Oberfläche zu regulieren.
Aus offensichtlichen physikalischen Gründen könnte ein solches Verfahren nicht eingesetzt werden, um dielektrische Körper zu behandeln.
Andererseits wäre ein solches Verfahren nicht dafür geeignet, für die Behandlung metallischer Oberflächen eingesetzt zu werden, da sich eine solche Oberfläche, an Erde gelegt, wie eine zweite Elektrode verhalten würde. Die Wirkung des fraglichen Lichtbogens auf das Metall wäre dann von allen für Elektroden typischen Degradationserscheinungen begleitet (Bildung von Elektrodenflecken, Erosion, Schmelzen, Erhitzen, Zerstörung der Atomstruktur usw.).
In der Internationalen Patentanmeldung WO 97/22369 wird eine Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung und insbesondere für die Sterilisation durch Plasma beschrieben. Die Vorrichtung aus 1 dieser Veröffentlichung umfasst drahtförmige Metallelektroden, die unter einem gegebenen Winkel zueinander im Inneren isolierender Röhren (aus Quarz) angeordnet sind, durch die ein Gas strömt. Die Röhren sind auf der Seite des zwischen den Spitzen der drahtförmigen Elektroden erzeugten Lichtbogens offen.
Die Nachteile dieser Vorrichtung sind unter anderem die folgenden:

– Die erzeugte Wärme und der mit den Lichtbögen verbundene elektrische Strom sind für viele Anwendungen wie die Oberflächenbehandlung biologischer Gewebe wegen der Schädigungen durch Verbrennungen und wegen des durch den zu behandelnden Körper fliessenden elektrischen Strom nachteilig. Andererseits ist das Verfahren nicht sparsam im Energieverbrauch.
– Die Vorrichtung stellt eine Gefahr von Verbrennungen für seinen Benutzer dar.
– Wegen der Notwendigkeit, die Vorrichtung unter Bedingungen schwacher Temperaturgradienten zu kühlen, ist der Gasverbrauch sehr hoch.
– Die Quarzröhren werden nach einer Berührung mit den von den Elektroden ausgehenden Lichtbögen zerstört.
– Es ist schwierig, diese Vorrichtung unter Bedingungen einzusetzen, unter denen das behandelte Material auf Grund seiner Natur die Öffnungen der Rohre (zum Beispiel durch verspritztes Blut) verstopfen kann.
– Die Vorrichtung ist schwer zu miniaturisieren.

In der europäischen Patentanmeldung EP 0 279 745 wird eine Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung durch Plasma beschrieben, die der vorangehenden ähnelt, aber in der die bipolaren drahtförmigen Elektroden in rohrförmigen metallischen Elektrodenhaltern untergebracht sind, die als Kanäle dienen, in denen ein Fluidstrom transportiert wird, der die Zone quert, wo ein Lichtbogen gezündet wird. Der Lichtbogen bewirkt, dass das Fluid, das ihn quert, vor seiner Einwirkung auf die zu behandelnde Oberfläche aufgeheizt wird. Der Fluidstrom lenkt den Plasmastrahl, kühlt die Elektroden und ist an der Plasmabildung beteiligt. Die Nachteile der in dieser Veröffentlichung beschriebenen Vorrichtung sind unter anderem:

– Die Behandlung ist einzig und allein eine thermische Behandlung (zum Beispiel das Zerschneiden eines biologischen Gewebes). Das Ergebnis der Behandlung ist eine mehr oder weniger tiefe Verbrennung.
– Die elektrische Entladung ist ein Lichtbogen, der durch die Spitzenwirkungen der drahtförmigen Elektroden und den Gasstrom beeinflusst wird, die die Stromlinien zwischen den Elektrodenenden krümmen. Die Lokalisierung der Behandlung ist daher sehr relativ und schwierig zu lenken.
– Das eingesetzte Fluid, hauptsächlich Luft und Wasser, hat eine hohe Ionisierungsenthalpie, deren physikalische Wirkung auf die Entladung hauptsächlich in einer Erhitzung besteht, die ihrerseits die Entladung abschwächt. Die Arbeit des Geräts läuft daher auf eine Konkurrenz zwischen der Erwärmung des zugeführten Fluids, das die Entladung kühlt, und der Aufrechterhaltung der elektrischen Entladung hinaus, die eine hohe Temperatur verlangt.
– Das Zünden einer solchen Entladung ist folglich schwierig, weshalb spezielle Massnahmen für die Zündung erforderlich sind. Eine dieser Massnahmen besteht darin, die Elektroden hohl zu machen, um zum Beispiel einen Wasserstrahl oder einen Aerosolspray einführen zu können.
– Die Elektrodenspitzen sind extrem heiss und stellen eine Gefahr der Verbrennung sowohl für das behandelte Material als auch für den Benutzer dar.
– Die fragliche Vorrichtung verlangt eine dauernde Regelung und Kontrolle der Strömungsgeschwindigkeit und der elektrischen Leistung, was den Betrieb für den Benutzer erschwert.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Umsetzung des Verfahrens für die Behandlung einer zu behandelnden Oberfläche durch ein atmosphärisches Plasma zu liefern, die wirksam sind und Schädigungen an dem zu behandelnden Körper vermeiden oder minimieren, insbesondere Schädigungen infolge übermässiger Erhitzung oder infolge des elektrischen Stromdurchgangs durch den zu behandelnden Körper.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für die Umsetzung des Verfahrens für die Oberflächenbehandlung von biologischen Geweben durch ein atmosphärisches Plasma zu liefern, die eine wirksame und genaue Behandlung ermöglichen, während eine Verbrennung oder Schädigung des Gewebes vermieden oder minimiert wird.
Es ist von Vorteil, ein Plasmabehandlungsverfahren zu liefern, das energiesparend ist.
Es ist von Vorteil, ein Verfahren der Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma zu liefern, das zuverlässig ist und das Problem einer unzeitigen Löschung des Plasmas mildert oder vermeidet.
Es ist von Vorteil, eine Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung durch Plasma zu liefern, die einen einfachen, kompakten (insbesondere für den medizinischen Bereich) und selbsttätig regelnden Aufbau besitzt.
Es ist von Vorteil, ein Verfahren der Plasmabehandlung sowie eine Vorrichtung für seine Umsetzung zu realisieren, die in der Lage sind, grosse Oberflächen von Materialien zu behandeln, insbesondere bei der Behandlung von Verbrennungen.
Es ist ebenfalls von Vorteil, ein Verfahren der Plasmabehandlung sowie eine Vorrichtung für seine Umsetzung zu realisieren, die in der Lage sind, sehr kleine Oberflächen von Materialien zu behandeln, insbesondere für ihren Einsatz in der Laparoskopie und Endoskopie.
Es ist ausserdem von Vorteil, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung für seine Umsetzung zu realisieren, die eine Operation oder eine Kombination von Operationen wie das Beizen, die Schichtenabscheidung, die Sterilisation, die Oberflächenaktivierung sowie physikochemische und thermische Behandlungen wie die chirurgische Kauterisation insbesondere bei sehr empfindlichen Organen wie der Milz, der Leber, den Nieren, den inneren Geschlechtsorganen, dem Herzen und der Lunge auszuführen gestatten.
Ziele der Erfindung werden durch ein Verfahren nach Anspruch 1 und durch eine Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12 für die Umsetzung des Verfahrens realisiert.
Erstens wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren der Oberflächenbehandlung von leitenden, schlecht leitenden oder dielektrischen Gegenständen oder Materialien durch ein atmosphärisches Plasma in der Weise organisiert, dass ein Gas oder ein Gasgemisch (ein Zusatzgas) in die Entladungszone gebracht wird, dessen Ionisierungsenthalpie geringer als die des Umgebungsgases (zum Beispiel der Luft) ist. Das bedeutet, dass die Erzeugung einer elektrischen Entladung im Zusatzgas (oder -gasgemisch) eine geringere Energiemenge verlangt, als eine elektrische Entladung im Umgebungsgas verlangen würde. Diese erste Bedingung bestimmt also das Auftreten und die Aufrechterhaltung der Entladung und somit des Plasmas im Zusatzgasstrom. Die Konfiguratiaon dieses Stromes bestimmt in diesem Fall die Konfiguration des Plasmas, d.h. des ionisierten Zustands des Zusatzgases und somit die geometrische Form der Entladung. Dies ist eine Bedingung für die Stabilisierung der elektrischen Entladung. Sie ermöglicht es, das Plasma im Zusatzgasstrom zu lokalisieren und zu zwingen, der Bahn des Stromes und nicht dem kürzesten Weg zwischen den Elektroden zu folgen, geringfügig modifiziert durch hydrodynamische Effekte, insbesondere aus den rohrförmigen Elektroden herauszutreten, das behandelte Material zu erreichen und dessen Gestalt ebenso zu umfangen wie der Zusatzgasstrom. Das Plasma wird aber durch den elektrischen Strom der Entladung versorgt, daher werden sich die Elektronen früher oder später einen Weg bahnen, um die Elektroden wieder zu erreichen. Zu diesem Zeitpunkt besteht daher eine Konkurrenz zwischen dem Strom des Zusatzgases und den elektrodynamischen Kräften. Das Ergebnis dieser Konkurrenz ist für die schlussendliche Konfiguration des Plasmas bestimmend.
Zweitens besitzt das Zusatzgas einen kleineren Wirkungsquerschnitt für elastische Elektronen-Atom-Wechselwirkungen als das Umgebungsgas (die Luft zum Beispiel). Diese zweite Bedingung bedeutet, dass die Elektronen des Plasmas (für die Entladung genügt es, wenn das Plasma schwach ionisiert ist) relativ zu den Atomen eine ziemlich grosse mittlere Weglänge besitzen, so dass sie eine bedeutende kinetische Energie im elektrischen Feld der Entladung ansammeln. Diese Energie kann den Wert der Aktivierungsenergie der Atome des Zusatzgases oder von Teilchen erreichen, die stromab von den Elektroden in das Plasma eingeführt werden, und daher diese Teilchen chemisch aktivieren, wodurch das Plasma aus dem thermodynamischen Gleichgewicht gebracht wird. Von diesem Zeitpunkt an wird jede Wechselwirkung der Plasmateilchen mit den Teilchen der behandelten Materialien und insbesondere ihre Aktivierung zu einer als plasmachemisch bezeichneten Wechselwirkung und ist viel wirksamer und schneller als die gewöhnlichen, hauptsächlich chemischen oder thermischen Wechselwirkungen, die dem Stande der Technik entsprechen.
Drittens ist eine Bedingung, die notwendig ist, damit das Plasma den nicht thermischen Erregungszustand erreichen kann, gegeben durch E > J n Q/e,wo

E: die Intensität des elektrischen Feldes ist, das die elektrische Entladung hervorbringt,
J: die Aktivierungsenergie der Gasteilchen ist,
n: die Dichte der Gasteilchen ist,
Q: der Wirkungsquerschnitt der elastischen Zusammenstösse zwischen Elektronen und den Teilchen des Gases ist und
e: die Elektronenladung ist.

Erfindungsgemäss wird die elektrische Feldintensität E so geregelt, dass die folgende Bedingung erfüllt ist: (J n Q/e)Zusatzgas < E < (J n Q/e)Umgebungsgas.
Das Verhalten der Entladung wird ebenfalls durch den Plasmadurchsatz in den beiden Säulen bestimmt. Es gibt zwei Grenzwerte. Der erste, G₁, ist ein schwacher Durchsatz, wobei die Entladung die Gestalt eines Lichtbogens zwischen den beiden Zusatzgasrohren be sitzt. Dieses Regime kann leicht visualisiert werden, da ein Lichtbogen tatsächlich zwischen den beiden Elektroden (Rohren) gebildet wird. Die Temperatur erreicht dort etwa 6000 bis 7000 °C. Dieses Regime entspricht dem Stande der Technik.
Wenn der Durchsatz des die Entladung versorgenden Gases vergrössert wird, dehnt sich der Lichtbogen und verschwindet dann. Es verbleiben zwei Säulen oder Strahlen, zwischen denen eine unselbständige Entladung stattfindet. Sie ist unselbständig, weil sie nicht existieren kann, ohne dass die Zone zwischen den Säulen mit von diesen Säulen kommenden Ionen und Elektronen (Plasma) versorgt wird. Diese beiden Plasmasäulen übernehmen die Rolle von Elektroden. Sie sind aber spezielle Elektroden, denn eine zum Beispiel als Spitze ausgebildete Metallelektrode emittiert nur Elektronen. Die in Gestalt einer Plasmasäule ausgebildete Elektrode emittiert Elektronen, aber auch Ionen (des Plasmas) durch Konvektion und durch Photoionisation. Diese Plasmaelektrode ist daher sehr speziell und unterscheidet sich von einer Metallelektrode, wie sie aus dem Stande der Technik bekannt ist. Der in der vorliegenden Erfindung genutzte hauptsächliche Effekt ist der Effekt der Konvektion auf Grund des Plasmadurchsatzes in den Plasmaelektroden (Plasmastrahlen oder -säulen). Je höher der Durchsatz der Gase in den Plasmastrahlen, desto höher muss die Spannung zwischen den Plasmaelektroden sein, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Bei einen bestimmten Durchsatz treten zwischen den Elektroden Durchschlagsentladungen auf (siehe insbesondere 16b – man sieht die Durchschlagsfäden).
Es existiert ein maximaler Durchsatz G₂, bei dem die Plasmasäulen nicht mehr in der Lage sind, durch Konvektion ein ionisiertes Medium (Plasma) zu erzeugen, das genügend leitfähig ist, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Der Strom wird unterbrochen, die Entladung verschwindet (die Elektroden in Gestalt von Plasmastrahlen verschwinden ebenfalls). Diese Grenze des Durchsatzes lässt sich offensichtlich erkennen. Daher muss der Durchsatz G des Gases (meistens der gleiche in den beiden Plasmaelektroden), der es gestattet, das beanspruchte Entladungsregime zu etablieren, notwendigerweise zwischen zwei Grenzwerten liegen: G1 ≤ G ≤ G2.
Diese Situation lässt sich besser nutzen, indem zwischen die Plasmaelektroden noch ein zusätzliches Gas durch eine Düse oder Düsen (oder Röhren) eingeführt wird, deren Achse symmetrisch zu den Plasmaelektroden in der Ebene der Achsen dieser Elektroden liegt.
Wenn G* der Durchsatz des zusätzlichen Gases ist, so hat man in diesem Falle, um die Bedingungen der vorliegenden Erfindung zu realisieren, wiederum die Ungleichung: G1* ≤ G* ≤ G2*,wo G₁* der Wert von G ist, unterhalb dessen man einen klassischen Lichtbogen zwischen den rohrförmigen Elektroden hat, während G₂* der maximale Durchsatz ist, oberhalb dessen die Entladung weggeblasen wird, d.h. zu existieren aufhört.
Das zusätzliche Gas kann sich in seiner chemischen Natur vom Zusatzgas der Elektroden und vom Umgebungsgas unterscheiden (zum Beispiel CO₂, N₂, O₂, NH₃, metallorganische und sonstige Dämpfe oder deren Gemische).
Die unselbständige Entladung ermöglicht es, der zu behandelnden Oberfläche stark aktivierte Teilchen (Atome, Moleküle, Radikale) zu liefern, die Oberflächenbehandlungen wie die Kauterisation von Wunden, die Desinfektion, die Oberflächenaktivierung vor einer Beschichtung oder einem Färben, das Beizen der Oberfläche, die Beschichtung und die Bildung oberflächlicher Legierungen bedingen.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass dieses Verfahren und die entsprechende Vorrichtung bei niedriger Temperatur (T von etwa 30 bis 40 °C) der zu behandelnden Oberfläche Oberflächenbehandlungen mit Hilfe des Strahles aktivierter Teilchen ermöglichen, der von der erfindungsgemässen Vorrichtung ausgeht. Daher können wärmeempfindliche Materialien behandelt werden. Die Behandlung wird durch die plasmachemische Reaktion auf der Oberfläche, nicht aber durch einen thermischen Effekt am Ort der Berührung des Lichtbogens mit der Oberfläche wie im bekannten Stand der Technik hervorgebracht. Das zwischen den Elektroden geschaffene Plasma weicht deutlich vom thermodynamischen Gleichgewicht ab, wobei die Konzentration der aktivierten Teilchen (Atome, Moleküle, Radikale) besonders hoch ist, ohne dass dabei auch die Plasmatemperatur hoch wäre, und dies zudem bei Atmosphärendruck.
Zusammengefasst wird durch die oben beschriebenen Massnahmen die Bildung eines thermischen Plasmas, wie es durch selbständige Lichtbögen erzeugt wird, vermieden oder stark verringert, und die Bildung von aktivierten Atomen oder Molekülen im Behandlungsbereich wird optimiert. Dadurch werden plasmachemische Behandlungen auf der zu behandelnden Oberfläche (zum Beispiel eine Oberflächenaktivierung, ein plasmachemi sches Beizen, eine Beschichtung im chemischen Ungleichgewicht usw.) mit einem Plasma von niedriger Temperatur möglich, das energiesparend ist und einen verhältnismässig schwachen elektrischen Strom braucht, aber sehr reich an aktivierten Atomen, Molekülen und Radikalen ist, um die gewünschten plasmachemischen Reaktionen zu optimieren.
Die Vorrichtung kann zwei oder mehr als zwei Elektroden in der Gestalt von Metallrohren geringen Durchmessers umfassen, durch die das Zusatzgas in die Entladungszone eingeführt wird. Die Elektroden sind unter einem Winkel zwischen 0 und 180° zueinander ausgerichtet und in einen isolierenden Körper eingesetzt, der sie gegeneinander fixiert.
Der isolierende Körper der rohrförmigen Elektroden kann eine zusätzliche Düse umfassen, durch die das Zusatzgas strömt, dessen Zusammensetzung durch die Anforderungen der Behandlung bestimmt wird. Die Vorrichtung kann in ein Gehäuse aus Metall oder Kunststoff eingesetzt werden, in dessen Inneren die elektrischen Drähte und die Rohre für die Gasversorgung verlaufen. Das arbeitende Ende der Vorrichtung kann durch eine Hülle aus Kunststoff oder Keramik geschützt werden. Die Elektroden werden mit einer Gleich-, Wechsel-, Hochfrequenz- oder Dreiphasenstromquelle oder mit einer Quelle elektrischer Impulse verbunden.
Der von der einen zur anderen Elektrode fliessende Strom folgt zuerst dem Gaskanal, der durch die Gase gebildet wird, die aus den rohrförmigen Elektroden austreten und deren Potential und Ionisierungsenergie kleiner als das Potential und die Ionisierungsenergie (bzw. -enthalpie) des Umgebungsgases (typischerweise Luft) sind. Er verteilt sich dann zwischen den beiden gebildeten Plasmastrahlen (siehe 16a bis 16d). Mit steigender elektrischer Potentialdifferenz zwischen den Elektroden können Durchschlagskanäle zwischen den beiden Plasmastrahlen, die als Elektroden wirken, erscheinen.
Je nach den Anforderungen der Behandlung kann die Konfiguration der Elektroden so ausgelegt werden, dass eine mehr oder weniger grosse Zone entsteht, die von dem Plasmastrom überstrichen wird, der durch das stabilisierende Gas gegen die Oberfläche des behandelten Materials gedrückt wird. In einer Ausführungsform des Verfahrens können zum Beispiel auch sehr lokalisierte Behandlungen ausgeführt werden, wenn sich der zu behandelnde Bereich in der Nähe des Schnittpunktes A der Achsen der beiden Elektroden befindet (siehe 1a).
In einer anderen Ausführungsform können sehr lokalisierte Behandlungen durch sehr enge Öffnungen hindurch ausgeführt werden, wie bei einer Zölioskopie oder Endoskopie, wo die rohrförmigen Elektroden zueinander parallel sind, während das stabilisierende Gas und die Amperekräfte einen Kurzschluss des Stromes zwischen den Elektroden verhindern und ihn dazu zwingen, bis zum Berührungspunkt mit dem zu behandelnden Material weiterzufliessen (siehe 1b).
In einer weiteren Ausführungsform können dagegen Behandlungen auf einem grossen Bereich ausgeführt werden, indem dieser durch die Säule des stabilisierten Lichtbogens überstrichen wird, der zugleich durch die hydrodynamischen Kräfte (F_H) und die Amperekräfte (F_A) gegen die zu behandelnde Oberfläche gedrückt wird, wobei die rohrförmigen Elektroden in diesem Falle weit voneinander entfernt sind und der Schnittpunkt A ihrer Achsen sich geometrisch gesehen unter der zu behandelnden Oberfläche befindet (siehe 1c).
Um den behandelten Bereich noch stärker zu vergrössern, kann man in einer weiteren Ausführungsform die rohrförmigen Elektroden gegenüber dem vorangehenden Fall noch weiter voneinander entfernen, während in der Ebene der rohrförmigen Elektroden Zwischenrohre hinzugefügt und im Wesentlichen parallel zu der zu behandelnden Oberfläche durch diese Zwischenrohre zusätzliche Gasstrahlen herangeführt werden, wobei das Potential und die Ionisierungsenergie (oder -enthalpie) des zusätzlichen Gases kleiner als die des Umgebungsgases sind, um den Plasmakanal dort, wo die Amperekräfte in einem grossen Abstand von den Elektroden nicht genügen, durch hydrodynamische Kräfte mit der zu behandelnden Oberfläche in Berührung zu halten. Anstelle der Zwischenrohre kann in der Ebene der Elektroden ein abgeflachtes Rohr so angeordnet werden, dass das Plasma gleichförmig entlang der zu behandelnden Oberfläche zusammengedrückt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht es, dielektrische Materialien zu behandeln. Der elektrische Strom dringt praktisch nicht ins Innere von schlecht leitenden Materialien wie zum Beispiel den biologischen Geweben bei chirurgischen Eingriffen ein. Eine Behandlung metallischer Materialien ist ebenfalls möglich. In diesem Falle fliesst ein Teil des Stromes oberflächlich durch das Metall. Die Erfahrung zeigt, dass bei einem gekühlten Metall diese Strommenge tatsächlich gering ist, da die Metalloberfläche von einer dünnen Schicht kalten Gases bedeckt ist, das nichtleitend ist und den Kurzschluss über das Metall hinweg verhindert.
Eine Plasmakonfiguration in der Gestalt von konvergierenden Strahlen ermöglicht es, die Hilfsgase in wirksamer Weise in das Plasma einzuführen, indem die Bereiche der Grenzschichten, die das Plasma umgeben, genutzt und hydrodynamische Strömungen geschaffen werden, die meistens turbulenter Natur sind. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine leichte Regulierung entweder über die Stromquelle, über den Strom der Trägergase und/oder über eine Variation der geometrischen Abmessungen und des Abstandes zwischen den Elektroden und dem behandelten Material.
In einer Ausführungsform für die Behandlung ausgedehnter Oberflächen wie zum Beispiel bei Verbrennungen biologischer Gewebe ist es möglich, mehrere Elektrodensätze zu nutzen, die kammartig angeordnet sind, um bei einer überstreichenden Bewegung gleichzeitig eine grosse Fläche des behandelten Körpers zu erfassen.
Weitere Ziele und vorteilhafte Merkmale der Erfindung werden aus den Ansprüchen, der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung sowie den beigefügten Zeichnungen hervorgehen, in denen:
1a bis 1d vereinfachte Schnittansichten sind, die die Konfiguration der rohrförmigen Elektroden gemäss verschiedener Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen;
2 eine vereinfachte Schnittansicht ist, die die rohrförmigen Elektroden in einem hydrodynamischen Filter zur Laminarisierung des Gasstromes gemäss einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht;
3a eine geschnittene Ansicht eines Teiles einer Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung gemäss einer Form der Erfindung ist, die zwei rohrförmige Elektroden umfasst;
3b eine detaillierte Schnittansicht eines Teiles der Vorrichtung von 3a ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform mit drei rohrförmigen Elektroden für eine Entladung mit drei Strahlen und mit einem zentralen Zwischenrohr für die Einspeisung eines zusätzlichen Gases ist;
5 eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform in Gestalt eines Kammes für die Behandlung grosser Oberflächen ist;
6 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer Vorrichtung ist, die die Verteilung der Stromlinien im Falle einer durch die Wirkung eines zusätzlichen magnetischen Feldes abgeflachten Entladung veranschaulicht;
7a bis 7e Schemata verschiedener Varianten der Stromversorgung von erfindungsgemässen Vorrichtungen für die Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma darstellen;
8 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform ist;
9 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist, die den Fall einer Versorgung der Vorrichtung mit hochfrequenten Strompulsen veranschaulicht, während die Entladungsparameter regulierbar sind;
10 eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform ist, wo die rohrförmigen Elektroden mit Ringen hoher Wärmeleitfähigkeit versehen sind;
11a und 11b geschnittene vereinfachte Detailansichten von Teilen der Wandung von Elektroden mit bzw. ohne Ring sind;
12 eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform ist, wo die rohrförmigen Elektroden einen Austrittskanal in Gestalt einer Lavaldüse besitzen;
13 eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform ist, die insbesondere für die Koagulation von Blut und für die Sterilisation geeignet ist und eine innere sowie eine äussere Elektrode in Gestalt von Kegeln aufweist, wobei die beiden Elektroden koaxial sind;
14 eine geschnittene Ansicht einer Vorrichtung gemäss einer weiteren Ausführungsform mit einer monolithischen Elektrode und einer rohrförmigen Elektrode ist;
15 eine Photographie einer erfindungsgemässen Vorrichtung ist, die die Bildung eines Plasmas zeigt;
16a bis 16d Photographien einer erfindungsgemässen Vorrichtung sind, die verschiedene Möglichkeiten der Organisation der Entladung zwischen rohrförmigen Elektroden veranschaulichen, insbesondere die Bildung eines unselbständigen Plasmas zwischen zwei Plasmastrahlen, die die Rolle von Plasmaelektroden spielen;
17a bis 17f graphische Darstellungen sind, die die die Ergebnisse der Tabellen 1 bis 6 für die hierunter folgenden Beispiele 1 bis 6 darstellen, während 17g und 17h graphische Darstellungen sind, die die Ergebnisse der Tabelle 8 des nachfolgenden Beispiels 7 darstellen.
1a bis 1d zeigen in vereinfachter Art die hauptsächlichen Elemente einer erfindungsgemässen Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma. Die Vorrichtung umfasst ein System von rohrförmigen Elektroden 2 aus zumindest zwei rohrförmigen Elektroden 4a, 4b, die mit einem Zusatzgas Q₁ versorgt werden, das in zentralen Kanälen 6 der Elektroden fliesst. In den Ausführungsformen der 1a, 1c, 1d sind die Achsen A₁, A₂ der Elektroden in einem Winkel α zueinander ausgelegt und schneiden sich im Punkt A. Die Enden 8a, 8b der Elektroden sind in einem Abstand d von einer zu behandelnden Oberfläche 10 beliebigen Profils angeordnet. Die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b sind mit einem Stromversorgungskreis 12 verbunden, der ein Schaltschema wie das in einer der 7a bis 7e veranschaulichte besitzen kann.
Von jeder der rohrförmigen Elektroden ausgehend erzeugt die elektrische Entladung einen Plasmastrahl 14a, 14b, der als Verlängerung der rohrförmigen Elektrode wirkt, d.h. die Strahlen wirken als Elektroden. Die Parameter der den Elektroden gelieferten elektrischen Energie werden in Abhängigkeit von den Strömungsparametern des Zusatzgases Q₁ (Eigenschaften, Durchsatz) geregelt, um in einem Behandlungsbereich 16 ein unselbständiges Plasma zu erhalten, das hauptsächlich aus aktiviertem Gas besteht. Durch die Wahl des Zusatzgases und die Steuerung der Parameter des Durchsatzes des Zusatzgases und der Intensität des elektrischen Feldes kann man unter Berücksichtigung der Eigenschaften des Umgebungsgases, das im allgemeinen Fall Luft ist (aber im Falle der Koloskopie CO₂ sein kann) die Entstehung eines thermischen Plasmas im Behandlungsbereich zwischen den Elektroden vermeiden oder stark reduzieren und die Nutzung der Energie für die Erzeugung aktivierten Gases für die plasmachemischen Reaktionen auf der zu behandelnden Oberfläche optimieren. Dadurch kann auch der elektrische Strom verringert werden, was dann die mit dem Durchgang des elektrischen Stromes durch den zu behandelnden Gegenstand verbundenen Probleme mindert. Das Zusatzgas hat eine geringere Ionisierungsenergie als das umgebende Gasmedium, das im allgemeinen Falle Luft wäre. Das Zusatzgas kann je nach den gewünschten plasmachemischen Reaktionen und dem Typ der auszuführenden Behandlung (Sterilisierung, Abscheidung usw.) ein Edelgas (wie Argon) oder ein Gasgemisch (zum Beispiel mit NH₃, O₂, N₂, CO₂, metallorganischen Dämpfen, Freonen usw. sowie ihren Gemischen) sein.
Die Plasmaentladung bei Atmosphärendruck, die zwischen den Enden der Elektroden erzeugt wird, wird unter der Einwirkung der hydrodynamischen Kräfte F_H und der Amperekräfte, die sich aus dem Stromdurchgang durch die koaxialen Bereiche an den Elektroden und aus dem durch diesen Strom erzeugten Magnetfeld ergeben, mit der zu behandelnden Oberfläche in Berührung gebracht, und zwar in einer Richtung senkrecht zur Stromrichtung im Bereich 20 der Berührung der Plasmasäule mit der zu behandelnden Oberfläche.
Die mit einem Stromwender 22 ausgerüstete Stromquelle 12 kann je nach den Anwendungen eine Quelle von Gleichstrom, Wechselstrom, unipolarem oder bipolarem Strom, Stromimpulsen, Hochfrequenzstrom, niedriger oder hoher Spannung sein.
1a veranschaulicht den Fall, wo eine lokale Behandlung ausgeführt wird, indem der Abstand d zwischen den Enden der Elektroden und der zu behandelnden Oberfläche so geregelt wird, dass sich der Schnittpunkt A der Achsen A₁, A₂ der rohrförmigen Elektroden auf der zu behandelnden Oberfläche 10 befindet. Diese Behandlung entspricht einer maximalen Konzentration der Energie auf einen minimalen Bereich der Oberflächenbehandlung, d.h. einer maximalen Energiedichte.
Mit der Vorrichtung nach 1b kann eine Energiedichte erreicht werden, die lokal geringfügig kleiner als im Falle der 1a ist. Tatsächlich sind die rohrförmigen Elektroden parallel zueinander angeordnet. Das Verhalten der aus den Elektroden tretenden Plasmaströme beruht hauptsächlich auf der Konkurrenz zwischen den Amperekräften F_A zwischen den beiden Plasmasäulen, in denen die elektrischen Ströme antiparallel sind, wobei die beiden Plasmastrahlen durch diese Kräfte voneinander abgestossen werden, und den hydrodynamischen Kräften F_H, die dieser Abstossung entgegenwirken. Die Zusammenführung der Stromlinien erfolgt entlang der zu behandelnden Oberfläche. Der Vorteil dieser Variante besteht darin, dass die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b einen sehr kleinen Durchmesser haben können. Man kann sie folglich in medizinischen Anwendungen wie der Blutkoagulation bei der Zölioskopie und Endoskopie einsetzen.
Die Anordnung der Elektroden nach 1c entspricht dem Fall, wo ein grosser Behandlungsbereich verlangt wird. Die Elektroden sind voneinander beabstandet, während sich der Schnittpunkt A ihrer Achsen unter der zu behandelnden Oberfläche befindet. Die Zone 16 der Plasmabehandlung wird durch das Zusammenwirken der hydrodynamischen Kräfte F_H und der Amperekräfte F_A gegen die zu behandelnde Oberfläche 10 gedrückt. Diese Anordnung kann zum Beispiel für die Behandlung von Verbrennungen eingesetzt werden.
Wenn es erforderlich wird, noch grössere Bereiche zu behandeln, kann die in 1d veranschaulichte Konfiguration benutzt werden. Sie unterscheidet sich vom Fall der 1c dadurch, dass zur Erleichterung des Stromflusses entlang der zu behandelnden Oberfläche 10 und um das Plasma 16 im ganzen Bereich der zu behandelnden Zone gegen die zu behandelnde Oberfläche 10 zu drücken, Hilfsgasströme Q₂ hinzugefügt werden, und zwar entweder mit Hilfe von Hilfsversorgungsrohren oder -kanälen 24, die zum Beispiel senkrecht zur Oberfläche verlaufen, oder durch eine abgeflachte Hilfsdüse, die einen Hilfsgasstrom Q₂ in Gestalt eines Vorhangs im Wesentlichen senkrecht zu der zu behandelnden Oberfläche 10 bläst. Das Hilfsgas Q₂ kann je nach den auszuführenden Behandlungen mit dem Zusatzgas Q₁ identisch sein oder sich von ihm unterscheiden.
Im Falle der 1c und 1d wird die Behandlung einer ausgedehnten Oberfläche erreicht, indem die zu behandelnde Oberfläche in einer Richtung senkrecht zu dem das Plasma entlang der Oberfläche hervorrufenden Strom I überstrichen wird.
Eine weitere Art der Realisierung des beanspruchten Verfahrens besteht darin, die rohrförmigen Elektroden in eine laminarisierende Vorrichtung einzusetzen, zum Beispiel in ein hydrodynamisches Filter 26 mit einer Vielzahl kleiner Längskanäle 27 in Wabenform (honeycomb), um so die Zone der Ausbildung des Plasmastromes in einen laminarisierenden Gasstrom einzuhüllen (wie in den 2a und 2b gezeigt). Dazu werden die Bedingungen für die charakteristischen Abmessungen der Vorrichtungen wie folgt gewählt: Reloxal = ρlamvδ/μlam ∼ ρlamvγ/μlam ∼ ρsupvγ/μsup < 103,wo ρ und v die Dichte und Geschwindigkeit des Gases, δ und γ die charakteristischen Abmessungen (siehe 2a und 2b) und μ die Viskosität der Gase sind, während Re die Reynoldszahl ist. Die Indizes lam und sup stellen die Beziehung dieser Parameter mit dem laminarisierenden Gas (lam) und dem Hilfsgas (sup = support) her. In dieser Ausführungsform werden die lokalen Instabilitäten (Turbulenzen) durch das Medium absorbiert und entwickeln sich nicht, wodurch der Strom laminar bleibt.
Das hydrodynamische Filter 26 kann einer Mehrzahl von Rohren 27 von geringem Durchmesser d entsprechen, deren Wandstärke δ sehr gering ist (δ << d), während die Länge L dieser Rohre so variiert, dass der Geschwindigkeitsgradient v des Gases im Bereich der Grenzfläche 30 zwischen den rohrförmigen Elektroden und der Umgebungsluft minimiert oder unterdrückt wird. Ein zusätzliches Gas Q₃, das sich von dem die Elektroden 4a, 4b versorgenden Zusatzgas Q₁ unterscheidet (zum Beispiel Argon), kann dafür eingesetzt werden.
Die Vorteile dieser Variante liegen unter anderem darin, dass:

– der Austausch (thermisch, hydrodynamisch, Zusammensetzung) keinen konvektiven, sondern molekularen Charakter und daher eine viel kleinere Amplitude besitzt, da selbst bei Reynoldszahlen von über 10³ der Plasmastrom laminarisiert ist. Die entsprechenden Verluste sind stark verringert;
– es durch die Laminarisierung der Strömung möglich ist, das Plasma ohne Verluste an Aktivierungsenergie über eine grössere Strecke zu transportieren. In anderen Worten kann die Länge des Plasmastrahles viel grösser sein als die eines Plasmastrahles ohne laminarisierende Vorrichtung;
– der das Plasma einhüllende Strom des laminarisierenden Gases das Plasma gleichzeitig vor allen Verunreinigungen, die von der Umgebungsluft stammen, vor dem Luftsauerstoff, dem Staub oder verschiedenen Mikroorganismen schützen kann. Eine Vorrichtung dieser Art kann daher nicht nur zur Kauterisation blutender Wunden, chirurgischer Schnitte und Verbrennungen eingesetzt werden, sondern auch zur Sterilisation von lokaler oder ausgedehnter Oberflächenwirkung.

Eine weitere Ausführungsform des beanspruchten Verfahrens besteht darin, die rohrförmigen Elektroden mit einer hochfrequenten Stromquelle zu verbinden und das Plasma im Inneren von Rohren aus dielektrischem Material zu erzeugen, die koaxial zu den Elektroden angeordnet sind, wie in den 3a und 3b gezeigt. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass das Plasma gleichförmig im Inneren der dielektrischen Rohre erzeugt wird. Es wird nicht infolge einer lokalen Erhitzung in den Zonen der Berührung der Entladung mit den Elektroden durch das Material der Elektroden verunreinigt, wie es der Fall ist, wenn eine unipolare Versorgung eingesetzt wird. Ausserdem ist das Plasma weit vom thermodynamischen Gleichgewicht entfernt, wodurch Behandlungen zur Oberflächenaktivierung ausgeführt werden können.
3 zeigt eine Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Plasma, die zwei rohrförmige Elektroden 4a, 4b umfasst, die in einen dielektrischen Körper 32 eingebaut sind. Die Enden 8a, 8b der Elektroden sind so gekrümmt, dass sie einen Winkel α zueinander bilden, wobei dieser Winkel α zwischen 0° und 180° variieren kann, aber vorteilhafterweise zwischen 20° und 40° und bevorzugt bei etwa 30° liegt. Die Elektroden sind in der Gestalt dünner Rohre mit einem Durchmesser von zum Beispiel 1 bis 3 mm und mit dünnen Wänden (in der Grössenordnung eines Zehntels des Rohrdurchmessers) aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit und chemischer Beständigkeit (zum Beispiel Kupfer, Silber, Messing) gearbeitet. Ein Zusatzgas Q₁ geringer Ionisierungsenergie (zum Beispiel Argon) wird in die zentralen Kanäle 6 der rohrförmigen Elektroden eingeführt. Die durch den Stromversorgungskreis 12 gespeiste elektrische Entladung wird im Strom des Zusatzgases Q₁ erzeugt und bildet zwei Plasmastrahlen 14, 14b, die von den rohrförmigen Elek troden ausgehen. Ein zusätzliches Gas Q₃, das sich vom Zusatzgas unterscheidet, kann durch eine zwischen den Elektroden 4a, 4b befindliche Düse 24 in die Entladungszone eingeführt werden. Dieses zusätzliche Gas ist eventuell Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid oder ein sonstiges Gas oder deren Gemische. Die Zusammensetzung und der Durchsatz dieses Gases werden in Abhängigkeit von den Erfordernissen der Anwendung gewählt. Die zentrale Düse kann radiale Bohrungen 37 haben, um zu gewährleisten, dass sich der Strom des zusätzlichen Gases zwischen den Elektroden radial und in der Richtung der Plasmaströme ausbildet.
Eine Schutzwand 34, die die Elektroden umgibt und sich über die Enden 8a, 8b der Elektroden hinaus erstreckt, verhindert jede zufällige Verbrennung durch Berührung der zu behandelnden Oberfläche oder des zu behandelnden Körpers mit den erhitzten rohrförmigen Elektroden.
Die Handhabung der Vorrichtung erfolgt durch Bewegung des Gehäuses 36 der Vorrichtung, in die über flexible Rohre die Gase und der Strom zugeführt werden (in der Figur nicht gezeigt).
Elektroden in Gestalt von Rohren geringen Durchmessers, durch die das Zusatzgas fliesst, führen unter anderem zu den folgenden Vorteilen:

• Die Elektroden können einander maximal genähert und dadurch die Vorrichtung miniaturisiert werden.
• Dank des kleinen Querschnitts der rohrförmigen Elektroden ist der Wärmestrom zum dielektrischen Körper hin gering. Die Teile der Vorrichtung bleiben während ihrer Arbeit selbst unter stationären Bedingungen kalt.
• Der Zusatzgasstrom genügt, um die Elektrodenenden abzukühlen. Eine Kühlung mit Wasser ist nicht erforderlich. Die Vorrichtung arbeitet unter selbstkühlenden Bedingungen, was zu ihrer hohen Energieausbeute führt.
• Die Erfahrung hat gezeigt, dass die Vorrichtung bei geringem Gasdurchsatz zuverlässig funktioniert und eine praktisch unbegrenzte Nutzungsdauer besitzt.

Der Gasdurchsatz durch die Düse 24 zwischen den Plasmastrahlen 14a, 14b, die sich unter einem spitzen Winkel α treffen, gewährleistet ein natürliches Ansaugen von Gas in den Behandlungsbereich 16, seine wirksame Erwärmung μ, die Aktivierung, Dissoziation und Ionisierung seiner Teilchen.
Je nach der Zusammensetzung des Plasmas und den unterschiedlichen Graden der Plasmaaufheizung und Aktivierung ist ein grosses Spektrum von Behandlungen möglich. Die Regulierung der Arbeits- und Behandlungsbedingungen erfolgt über den Gasdurchsatz, die Art der Entladung, den Strom und die Spannung sowie über die Geometrie der Anordnung. Eine zusätzliche Kühlung der Elektroden durch das Zusatzgas kann eventuell erfolgen.
4 veranschaulicht eine Vorrichtung zur Umsetzung der Erfindung, in der drei rohrförmige Elektroden 4a, 4b, 4c vorhanden sind, die symmetrisch um eine Zwischendüse 24 herum angeordnet sind, die ein Zwischengas Q₃ liefert. Diese Vorrichtung erlaubt es, ein Plasma zu realisieren, das durch Dreiphasenstrom gespeist wird. Die rohrförmigen Elektroden sind nach innen, d.h. zur Mittelachse der Vorrichtung hin geneigt. Das Plasma hat die Gestalt dreier Strahlen 14a, 14b, 14c, die zu einem Behandlungsbereich 16 der Entladung hin konvergieren. Eine solche Entladung ermöglicht es, eine gegenüber dem Falle einer einphasigen Versorgung grosse elektrische Leistung auf eine begrenzte Geometrie zu konzentrieren, und neigt weniger dazu, bei der Berührung mit der zu behandelnden Oberfläche zu löschen. Der Durchsatz des Zusatzgases Q₁ kann hoch sein.
5 zeigt eine Ausführungsform der Vorrichtung in Gestalt eines Kammes oder einer Bürste mit mehr als zwei rohrförmigen Elektroden 4a, 4b, 4c, 4d, 4e, 4f, die mit dem Zusatzgas Q₁ versorgt werden, sowie mit Zwischendüsen 24a, 24b, 24c, 24d, 24e, 24f, die mit einem zusätzlichen Gas Q₃ versorgt werden und parallel zueinander angeordnet sind, um grosse Oberflächen wie zum Beispiel biologische Gewebe zu behandeln, zum Beispiel Oberflächen mit Verbrennungen. In letzterem Falle ist es dank dieser Vorrichtung möglich, die Behandlung in zwei Schritten auszuführen, wobei der erste einem Stopp des Nässens (des Ausschwitzens) und einem Trocknen der zu behandelnden Oberfläche entspricht, während im zweiten Schritt eine Schicht neutraler Zusammensetzung wie ein Oxid oder konkreter ein Siliciumoxid oder eine organische Schicht wie Polyethylen abgeschieden wird, die als eine Kruste wirkt, die die mikroskopischen Lymphkanäle verschliesst und die geschädigte Oberfläche vor Infektionen und Verschmutzung schützt. Das zusätzliche Gas Q₃ kann sich vom Zusatzgas Q₁ unterscheiden und je nach der auszuführenden Behandlung ein Gemisch von Gasen für die erwünschten plasmachemischen Reaktionen umfassen (wie Hexamethyldisilazan für die Abscheidung eines Siliciumoxids, usw.).
In der Ausführungsform von 5 ist es Dank des geringen Durchmessers der rohrförmigen Elektroden (vorzugsweise von weniger als 3 mm) möglich, eine elektrische Entladung mit Winkeln von α = 0 zu gewährleisten, die Elektroden einander maximal zu nähern und auch eine gleichförmige Oberflächenbehandlung durchzuführen.
6 zeigt eine Vorrichtung, wo die Entladung durch einen Wechselstrom gespeist wird, der durch einen Versorgungskreis nach 7b erzeugt wird, und mit Hilfe eines konstanten Magnetfeldes gegen die zu behandelnde Oberfläche gedrückt wird. In der Ebene der zu behandelnden Oberfläche 19 gesehen ähnelt die Entladung einem Schmetterling mit gespreizten Flügeln. Die in der Entladung freigesetzte elektrische Leistung wird über die ganze Oberfläche des Flecks verteilt. Dadurch kann eine Behandlung von empfindlichen Oberflächen unter Bedingungen eines Überstreichens erfolgen, wodurch gewährleistet wird, dass lokal verbrannte Bereiche abwesend sind. Eine gleiche Art von überstreichender Entladung kann unter Einsatz eines Gleichstromes und eines magnetischen Wechselfeldes erreicht werden.
7a bis 7e veranschaulichen verschiedene Stromversorgungskreise 12 von verschiedenen Vorrichtungen, die die vorliegende Erfindung umsetzen, sowie oszillographische Aufnahmen des Entladungsstromes I als Funktion der Zeit t. Der Kreis 12a in 7a entspricht einer Versorgung mit Gleichstrom hoher Spannung. Die Entladung bildet sich mit hochgespanntem Gleichstrom aus. Die Entladung wird zu einem Durchschlag über den Zwischenraum zwischen den Elektroden, wenn die Spannung an den Klemmen des Kondensators C genügend hoch ist, aber der Strom stabilisiert sich nach einer gewissen Relaxationszeit. Dieser Versorgungskreis kann im Falle der Vorrichtungen aus 3, 13 und 14 eingesetzt werden.
Der Kreis 12b in 7b gewährleistet eine Versorgung mit Wechselstrom hoher Spannung. Die Entladung zündet periodisch und löscht in jeder Versorgungshalbperiode. Die Frequenz des Prozesses kann mit Hilfe der Vorrichtung F variiert und gesteuert werden. Die periodischen Stromveränderungen werden von Schwingungen bei Schall- oder Überschallfrequenz im Plasma begleitet. Dies beeinflusst den Charakter der Behandlung zum Beispiel von biologischem Gewebe. Dieser Versorgungskreis kann in den in 3, 7, 13 und 14 veranschaulichten Vorrichtungen eingesetzt werden und ist der einzig mögliche für die Vorrichtung gemäss 6.
Der Kreis 12c in 7c entspricht einer Versorgung mit Dreiphasenstrom hoher Spannung (der Fall der Ausführungsform von 4). In diesem Versorgungskreis wird die Entladung im Zwischenraum zwischen den Elektroden niemals ganz gelöscht, obwohl sie periodisch zwischen den verschiedenen konkreten Elektrodenpaaren verschwindet. Dadurch wird die Stabilität der Entladung insbesondere dann gewährleistet, wenn der Durchsatz von Zusatzgas bedeutend ist. Dieser Kreis ermöglicht es, eine Entladung bei geringerer Spannung zu unterhalten als im Falle einer Einphasenversorgung.
Der Versorgungskreis 12d der 7d entspricht einer Versorgung der Vorrichtung durch einen Dreiphasenstrom mit elektrisch unabhängigen Spulen. Der Kreis kann für die Versorgung einer Vorrichtung mit einer grossen Anzahl von Elektroden (einem Vielfachen von drei) eingesetzt werden, wie zum Beispiel der Ausführungsform in 5.
Der Versorgungskreis 12e ermöglicht eine Versorgung der Vorrichtung mit Stromimpulsen. Dieser Kreis ermöglicht es, eine intensive Behandlung zum Beispiel auf einem biologischen Gewebe zu gewährleisten, und zwar während kurzer Zeitabschnitte, die durch lang andauernde Pausen voneinander getrennt sind. Dadurch wird es unter anderem ermöglicht, Oberflächenbehandlungen auszuführen, ohne die Oberfläche grossen (mittleren) Wärmeflüssen auszusetzen. Entladungsparameter wie die Länge der Zeit zwischen den Impulsen, ihre Intensität sowie die Steigung der ansteigenden Pulsflanke lassen sich regeln.
Die Dauer wird durch die Grösse des Widerstandes Ra geregelt, der die Ladezeit des Kondensators C bis zur Durchschlagspannung bestimmt. Die Intensität der Impulse wird durch die Kapazität C des Kondensators bestimmt. Die Impulsenergie w ist durch w = CU2/2gegeben, wo U die Spannung zwischen den Kondensatorklemmen ist. Die Flankensteigung wird durch die Induktivität L bestimmt, die mit der Entladung in Reihe geschaltet ist.
In den Versorgungskreisen 12a, 12b, 12c und 12d werden induktive Grundwiderstände eingesetzt, die zur Folge haben, dass der Wirkleistungsfluss begrenzt und die Stabilisierung der Entladung erleichtert ist.
8 veranschaulicht eine Ausführungsform, bei der die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b aus dielektrischen Materialien bestehen und von koaxialen Rohren 35 (aus einem leitenden Material, zum Beispiel Metall) umgeben sind. Sie werden durch eine hochfrequenten Wechselstromquelle versorgt und durch ein Gas Q₃ gekühlt, das in einen Raum zwischen den koaxialen Rohren zur Plasmazone hin injiziert wird.
9 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b in Gestalt von einander zulaufenden Kegeln ausgeführt sind, wodurch die Strömungsgeschwindigkeit der Plasmastrahlen 14a, 14b erhöht und die Entladung 16 für die Behandlung auf der zu behandelnden Oberfläche besser lokalisiert werden kann.
10 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b mit Ringen 38 aus einem Metall hoher Wärmeleitfähigkeit (zum Beispiel Cu) versehen sind, wodurch es möglich wird, wie durch die Isothermen 39a im Wandungsquerschnitt der Elektrode in 11a gezeigt, die Kühlzone 40 der Elektroden gegenüber einer Elektrodenwandung 41 ohne Ring, wie durch die Isothermen 39b in 11b gezeigt, zu vergrössern. Der Ring 38 gewährleistet eine bessere Kühlung, wobei aber das Material hoher Schmelztemperatur (zum Beispiel Wolfram W) beibehalten wird, um ein Funktionieren der Elektroden unter Bedingungen einer thermischen Emission zu gewährleisten.
12 veranschaulicht eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die rohrförmigen Elektroden 4a, 4b einen Strömungskanal für das Zusatzgas Q₁ in Gestalt von Überschalldüsen (Lavaldüsen) besitzen. Diese Form ist vorteilhaft, denn sie gestattet es, das Plasma mit einer grossen hydrodynamischen Kraft auf die Oberfläche zu richten und die Schockwelle 43 zu nutzen, die über der zu behandelnden Oberfläche 10 entsteht, weil sie das Plasma 16 direkt bei seiner Berührung mit der zu behandelnden Oberfläche regeneriert.
15 ist eine Photographie der Entladung, die durch eine Vorrichtung, die der in 3a gezeigten ähnelt, zwischen zwei rohrförmigen Elektroden erzeugt wird. Diese Photographie veranschaulicht die zugespitzte Gestalt des Plasmakanals, die durch die Konkurrenz zwischen den hydrodynamischen Kräften und den Amperekräften einerseits und den die Entladung gewährleistenden elektrodynamischen Kräften andererseits erzeugt wird.
16a bis 16d sind Photographien von Entladungen, die denen der 15 ähneln und verschiedene Möglichkeiten der Organisation der Entladung zwischen den rohrfömigen Elektroden veranschaulichen. Je nach der Grösse des Gasflusses, mit dem die rohrförmigen Elektroden versorgt werden, und je nach der Stromstärke und der Höhe der elektrischen Spannung kann man eine diffuse Entladung zwischen den beiden Kanälen, die von den rohrförmigen Elektroden ausgehen, wobei diese Kanäle als die Elektroden für diese diffuse Entladung dienen, wie in 16a gezeigt, eine Durchschlagsentladung zwischen diesen Kanälen, wie in 16b gezeigt, oder aber Kombinationen dieser beiden Fälle, wie in 16c und 16d gezeigt, realisieren.
Eine weitere Variante der Umsetzung der vorliegenden Erfindung wird mit der in 13 veranschaulichten Vorrichtung realisiert. In diesem Falle sind die innere Elektrode 4, die als ein dünnes Rohr ausgeführt ist, und die äussere Elektrode 104, die als ein hohler Kegelstumpf ausgeführt ist, koaxial angeordnet. Das Zusatzgas Q₁ wird durch einen Kanal 6 in die innere Elektrode eingeführt, aber kann gleichermassen als ein zusätzliches Gas Q₃ durch Kanäle 24 zugeführt werden, die symmetrisch um die zentrale Elektrode herum angeordnet sind. In einem solchen Aufbau hat das Plasma die Gestalt einer schmalen Zunge, die es ermöglicht, eine lokale punktuelle Behandlung zum Beispiel an einem biologischen Gewebe auszuführen.
14 stellt eine Vorrichtung für die Umsetzung der vorliegenden Erfindung vor, in der eine der Elektroden 204 in Gestalt eines monolithischen Stabes aus hochschmelzendem Material (zum Beispiel Wolfram) ausgeführt ist, dessen Ende auf der Tangente zum Zusatzgasstrom liegt, der aus einer rohrförmigen Elektrode 4 hervortritt. Mit einer solchen Konfiguration kann eine Entladung mit einer Vorrichtung von minimalem Aussendurchmesser erzeugt werden, die zum Beispiel für die Zölioskopie von Nutzen ist.
Beispiel 1
Aktivierung eines Kunststoffmaterials

Behandelte Stoffe: Polyethylen Polypropylen Polyethylenterephthalat
Stromquelle: U = 1000 V, I = 100 mA
Zusatzgas: Kr (20 %) + O₂ (80 %)
Behandlung in Umgebungsluft
Berechnung der Oberflächenenergie W_oberfl
W_oberfl = C_wasser (1 + COS θ)
C_wasser = 71,2 mJ/m²
θ = Kontaktwinkel (Grad)

Die Kontaktwinkel θ werden mit einem Apparat des Typs Digidrop Modell CA-S-150 gemessen.
Tabelle 1: Einfluss der Behandlungsdauer auf die Oberflächenenergie verschiedener Kunststoffmaterialien:
Den oben angeführten Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass die Aktivierung des Kunststoffmaterials nach einer Behandlung von etwa 5 s bei allen Kunststoffmaterialien, die verwendet wurden, ein hohes Niveau erreicht. Die Ergebnisse von Tabelle 1 sind in 17a graphisch veranschaulicht.
Beispiel 2
Aktivierung von Kunststoffmaterial vor einem Anstrich

Behandelter Stoff: Polypropylen
Stromquelle: U = 100 V, I = 100 mA
Zusatzgas: Xe (10 %) + O₂ (90 %)
Behandlung in Umgebungsluft
Farbe: glänzendes Aerosol

Die Messung der Adhäsion der Farbe auf dem Kunststoff wurde nach einem genormten Verfahren ausgeführt (Norm 50488/01).
Tabelle 2: Einfluss der Behandlungsdauer auf den Kontaktwinkel, die Oberflächenenergie und die Adhäsion am Kunststoff
Den oben aufgeführten Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass die Aktivierung eine bedeutende Adhäsion hervorruft. Die Ergebnisse der Tabelle 2 sind in 17b graphisch veranschaulicht.
Beispiel 3
Aktivierung eines Kunststoffmaterials unter Verwendung verschiedener Zusatzgase Behandelter Stoff: Polyethylen

Gas: Ar (20 %) + (Ar, N₂, O₂, CO₂ oder Luft) (80 %)
Stromquelle: U = 100 V, I = 100 mA
Behandlung in Umgebungsluft

Tabelle 3: Einfluss der Behandlungsdauer auf die Oberflächenenergie von Kunststoff, mit verschiedenen Zusatzgasen
Die Ergebnisse von Tabelle 3 sind in 17c graphisch veranschaulicht.
Tabelle 4: Einfluss des Gasdurchsatzes auf die Oberflächenenergie des behandelten Kunststoffmaterials, mit verschiedenen Zusatzgasen
Den oben angeführten Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass verschiedene Zusatzgase für eine Oberflächenaktivierung verwendet werden können. Die besten Ergebnisse werden mit Sauerstoff erhalten. Die Ergebnisse der Tabelle 4 sind in 17d graphisch veranschaulicht.
Beispiel 4: Modifizierung einer Gewebeoberfläche

Behandelter Stoff: Gewebe (Polyester) einer Dichte von 820 g/m²
Stromquelle: U = 1000 V, I = 100 mA
Zusatzgas: Ar (10 %) + Sauerstoff (90 %)
Aktivierung zu gewinnen durch Messung der Steiggeschwindigkeit von Wasser (Verhältnis der Höhe zur Dauer des Anstiegs) an senkrecht ausgerichteten Mustern.

Tabelle 5: Einfluss der Behandlungsdauer auf die Steiggeschwindigkeit von Wasser
Man stellt fest, dass die Oberflächenmodifizierung die Anstiegsgeschwindigkeit merklich erhöht. Die Verstärkung der hydrophilen Eigenschaften trägt zu einer Verbesserung der Imprägnierung bei. Die Ergebnisse von Tabelle 5 sind in 17e graphisch veranschaulicht.
Beispiel 5: Sterilisation von mit verschiedenen Arten von Mikroorganismen verunreinigten Mustern

Behälter: Kunststoff – Polypropylen
Stromquelle: U = 1000 V, I = 100 mA
Gas: Ar (10 %) + Luft (90 %)
Mikroorganismen: Aspergillus niger ATCC 16404 Byssochlamys nivea 1910-90

Die Zählung der überlebenden Mikroorganismen erfolgte gemäss den normierten Verfahren, die auf dem Gebiet der Mikrobiologie eingesetzt werden.
Tabelle 6: Einfluss des Gasdurchsatzes auf die Anzahl überlebender Mikroorganismen
Man stellt fest, dass die Oberfläche des Musters bei Gasdurchsätzen zwischen 5 und 7,5 1/min vollständig sterilisiert wird. Dieser Durchsatz hängt von Typ der Mikroorganismen ab. Die Ergebnisse der Tabelle 6 sind in 17f graphisch veranschaulicht.
Beispiel 6: Modifizierung eines keramischen Materials und Schichtpolymerisation auf der Musteroberfläche

Behandelter Stoff: Keramikmaterial (zum Beispiel Ziegel)
Stromquelle: U = 1000 V, I = 100 mA
Gas für die Modifizierung: Ar (20 %) + (O₂, O₂ + CFa, Luft) (80 %)
Gas für die Polymerisation: Ar (30 %) + C₃F₆ (70 %)
Flüssigkeit zur Messung des Kontaktwinkels: Wasser, Öl, Petroleum

Die Kontaktwinkel wurden mit einem Gerät des Typs Digidrop Modell CA-S-150 gemessen.
Tabelle 7: Einfluss der Aktivierung und der Polymerisation auf den Kontaktwinkel
Den oben angeführten Ergebnissen zufolge stellt man fest, dass die Polymerisation eine hydrophobe Schicht auf der keramischen Oberfläche der Muster zu gewinnen erlaubt. Eine Modifizierung der Oberfläche vor der Polymerisation verbessert die Ergebnisse der Polymerisation.
Beispiel 7: Modifizierung der Oberfläche und Schichtpolymerisation auf der Oberfläche von Mustern

Behandelter Stoff: Polyestergewebe (Dichte 450 g/m²)
Stromquelle: U = 1000 V, I = 100 mA
Gas für die Modifizierung: Ar(10 %) + O₂(90 %)
Gas für die Polymerisation: Ar(30 %) + C₃-F₆(70 %)
Flüssigkeit für die Messung des Kontaktwinkels: Wasser

Die Kontaktwinkel wurden nach dem Verfahren (Digidrop Modell CA-S-150) gemessen.
Tabelle 8: Einfluss der Aktivierung und der Polymerisation auf den Kontaktwinkel
Die oben angeführten Ergebnisse zeigen, dass die Polymerisation ein Gewebe mit hydrophoben Eigenschaften zu erhalten erlaubt. Eine vor der Polymerisation ausgeführte Aktivierung verbessert die hydrophoben Eigenschaften. Die Ergebnisse von Tabelle 8 sind in 17g und 17h graphisch veranschaulicht.
In allen angeführten Beispielen ist ein Plasmagenerator eingesetzt worden, dessen hauptsächliche Elemente rohrförmige Elektroden sind, die mit einem Zusatzgasgemisch versorgt werden, dessen Ionisierungspotential und Ionisierungsenthalpie kleiner als die des Umgebungsgases (der Umgebungsluft) sind.
Beispiel 8:
Die in diesem Beispiel eingesetzte Vorrichtung entspricht der in den Photographien der 15 und 16 gezeigten Vorrichtung, die im Wesentlichen der Ausführungsform von 3a entspricht, aber parallele rohrförmige Elektroden aufweist.
In diesem besonderen Fall ist Krypton das Zusatzgas. Die Plasmavorrichtung arbeitet in Umgebungsluft. In den Photographien der 15 und 16 kann man deutlich die beiden rohrförmigen Elektroden unterscheiden, die hier parallel zueinander sind. Von diesen Elektroden gehen zwei leuchtende parallele Plasmastrahlen aus. Der deutlich dunklere Raum zwischen diesen Strahlen entspricht der von Elektronen durchlaufenen Zone, wo das Plasma sich thermodynamisch und chemisch nicht im Gleichgewicht befindet. Die Elektronen besitzen eine hohe Energie, und ihre mittlere Weglänge ist gross, sie erreicht mehrere Millimeter. Erst in den Zonen der Strahlen verlieren sie ihre kinetische Energie als Anregungsenergie des aus den Strahlen hervorgehenden Gases. Die beiden sichtbaren Plasmakanäle werden durch den Strom der Elektronen gebildet, die das von den rohrförmigen Elektroden ausgestossene Zusatzgas ionisieren, wobei dieses Gas eine niedrigere Ionisierungsenergie als das Umgebungsgas (in diesem Falle die Luft) besitzt.
Im Ergebnis bilden die beiden Plasmastrahlen zwei Plasmaelektroden, zwischen denen die elektrische Entladung stattfindet. Je nach dem Durchsatz des Zusatzgases durch die rohrförmigen Elektroden und der Spannung zwischen diesen Elektroden kann diese Entladung die Gestalt einer unselbständigen diffusen Entladung oder eines Durchschlags mit Bildung von lokalisierten Plasmafäden besitzen.
Beispiel 9:
Einsatz der erfindungsgemässen Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung bei chirurgischen Eingriffen:

1. Kauterisation von Blutergüssen
2. Anhalten der Blutplasmaaussonderung in Verbrennungen

1. Kauterisation von Blutergüssen
Chirurgische Eingriffe wurden an Schweinen ausgeführt. Die eingesetzte Vorrichtung umfasst wie im oben angeführten Beispiel 8 einen Plasmagenerator mit zwei rohrförmigen Elektroden, durch die die Gase (Ar, Kr, Xe) eingeführt wurden, deren Ionisierungsenergie (Ionisierungsenthalpie) geringer als die der Umgebungsluft ist. In den Behandlungsbereich wurden Gase wie O₂, CO₂, N₂ durch eine Zwischendüse eingeführt. Die Erzeugungsfrequenz betrug 300 kHz. Die Amplitude der elektrischen Spannung betrug 300 V. Der Durchsatz des durch die rohrförmigen Elektroden eingeführten Gases variierte zwischen 0,1 und 2 l/min. Der Durchsatz der zusätzlichen Gase variierte zwischen 0,2 und 3 l/min.
Die Arbeitsschritte wurden offen bzw. als Zölioskopie ausgeführt. In letzterem Fall war das Gerät, das den Plasmagenerator enthielt, mit einem Rohrleitungssystem ausgerüstet, in dem der Druck selbsttätig reguliert wurde, um zu verhindern, dass der Druck im Inneren des Operationsvolumens bei Einsatz des Plasmagenerators ansteigt. Die Arbeit hatte zum Ziel, die Leistungsfähigkeit einer Kauterisation mit Hilfe des erwähnten Geräts zu prüfen. Reichliche Blutungen wurden zu diesem Zweck an der Haut, dem Muskel, dem Zwerch-fell, der Leber, der Milz, dem Darm, der Gallenblase, der Harnblase, den inneren Geschlechtsorganen und den Gefässen (Venen und sogar kleinen Arterien, Lunge, Herz) verursacht. In allen Fällen ermöglichte das Gerät eine rasche und wirksame Kauterisation der Blutungen.
Postoperative histologische Untersuchungen haben gezeigt, dass die Schäden am behandelten Gewebe viel weniger bedeutend waren als beim Einsatz eines Kauterisators mit einer Elektrode (vom Typ Erbotom 12C350, der zum Vergleich parallel zur vorliegenden Vorrichtung eingesetzt wurde), was auf die Abwesenheit eines destruktiven elektrischen Stromdurchgangs über die Wunde durch den Patienten zurückzuführen ist.
2. Anhalten der Blutplasmaaussonderung nach Verbrennungen
Die Arbeit wurde an Schweinen ausgeführt, deren Rückenoberfläche Verbrennungen dritten Grades aufwies. Mit Hilfe des oben erwähnten Geräts und unter den gleichen Bedingungen war es möglich, die für diese Art von Verbrennungen typischen Infiltrationen (Aussonderungen) von Blutplasma zu kauterisieren.
Die verbrannten Bereiche trockneten und heilten schnell. Keinerlei Infektion wurde festgestellt, obwohl die behandelte Brandwunde nicht speziell vor Verunreinigungen geschützt worden war. Dies bedeutet, dass die Behandlung einer Brandwunde mit einem Plasmagenerator mit zwei rohrförmigen Elektroden nicht nur eine kauterisierende, sondern auch eine sterilisierende Behandlung darstellt.
Eine „karamelisierende" Behandlung ist ebenfalls an den Verbrennungen dritten Grades ausgeführt worden. In diesem Falle ist als ein zusätzliches Gas ein Gemisch aus Argon, Hexamethyldisilazan und Sauerstoff eingesetzt worden. Der Bereich der Brandwunde wurde im Voraus durch ein Argon-Sauerstoff-Plasma getrocknet, dann mit einer dünnen Kruste (etwa 0,1 μm) von Siliciumoxid überdeckt, die als ein gegenüber äusseren verunreinigenden Elementen undurchdringlicher Schutz wirkte. Angesichts ihrer geringen Dicke hat diese Schicht keinerlei spätere Verletzung verursacht und verschwand spurlos, aber eine saubere Narbe hinterlassend, die ebenfalls rasch verschwand.

Claims

Verfahren für die Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma, die Erzeugung zumindest eines Plasmastrahls durch einen Plasmagenerator umfassend, wobei der Plasmastrahl durch eine elektrische Entladung in einem Strom von Zusatzgas oder Zusatzgasgemisch erzeugt wird, die eine geringere Ionisierungsenthalpie als das umgebende Gasmedium besitzen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zone der elektrischen Entladung, die zwischen dem als Elektrode wirkenden Plasmastrahl und einer zweiten Elektrode bzw. einem als Elektrode wirkenden zweiten Plasmastrahl angeordnet ist, unselbständig ist und ein Plasma erzeugt, das hauptsächlich aus einem aktivierten Gas gebildet wird, das dazu dient, die Oberfläche zu behandeln, wobei die Intensität E des elektrischen Feldes, das die Entladung erzeugt, der Bedingung gehorcht: (J n Q/e)Zusatzgas ≤ E <≤ (J n Q/e)Umgebungsgas,wo J die Aktivierungsenergie der Gasteilchen, n die Dichte der Teilchen dieses Gases, Q der Wirkungsquerschnitt der elastischen Zusammenstösse zwischen Elektronen und den Teilchen dieses Gases und e die Elektronenladung ist
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Plasmageneratoren zumindest zwei Plasmastrahlen erzeugt werden, die als Elektroden wirken.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlen von rohrförmigen Elektroden ausgehend erzeugt werden, die Kanäle besitzen, in die das Zusatzgas injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Durchschläge zwischen den Plasmastrahlen erzeugt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Feld angelegt wird, das im Wesentlichen senkrecht auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet ist, um den Wirkungsbereich des Plasmas auf der zu behandelnden Oberfläche zu erweitern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmastrahlen in regelbarer Weise ausgerichtet werden, um einen Behandlungsbereich zu schaffen, der entweder lokalisiert oder breit ist, wobei dieser Bereich gleichzeitig durch die hydrodynamischen Trägheitskräfte und die Amperekräfte gegen die zu behandende Oberfläche gedrückt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Achsen der Elektroden zueinander parallel sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Plasmastrahl durch einen Plasmagenerator erzeugt wird, der eine rohrförmige Elektrode, die einen Kanal besitzt, in den ein Zusatzgas injiziert wird, sowie eine zweite Elektrode umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zur Behandlung der Oberfläche dienende Plasma in einem Gas oder einem Gasgemisch Q₂, Q₃ gebildet wird, das sich vom Zusatzgas bzw. Zusatzgasgemisch Q₁ unterscheidet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasma durch unipolare oder bipolare elektrische Impulse betrieben wird, deren Anstiegszeit, Impulsdauer und zeitlicher Abstand zwischen den Impulsen geregelt wird.
Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Elektroden umfasst, wobei eine der Elektroden in Gestalt eines Rohres vorliegt, das einen zentralen Kanal für den Durchfluss des Zusatzgases bildet, der durch ein Versorgungssystem mit Zusatzgas versorgt wird, und wobei die Elektroden mit einem Stromversorgungskreis, der in der Lage ist, eine elektrische Feldintensität E aufrechtzuerhalten, die eine Entladung erzeugt, die der Bedingung gehorcht: (J n Q/e)Zusatzgas ≤ E <≤ (J n Q/e)Umgebungsgas,wo J die Aktivierungsenergie der Gasteilchen, n die Dichte der Teilchen dieses Gases, Q der Wirkungsquerschnitt der elastischen Zusammenstösse zwischen Elektronen und den Teilchen dieses Gases und e die Elektronenladung ist, sowie mit einem Versorgungssystem für Zusatzgas verbunden sind und jede Elektrode in Gestalt eines Rohres einen zentralen Kanal für die Strömung des Zusatzgases bildet.
Vorrichtung für die Oberflächenbehandlung durch ein atmosphärisches Plasma nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zumindest zwei Elektroden in Gestalt von Rohren umfasst, deren Achsen sich unter einem Winkel schneiden, der zwischen 0° und 180° variieren kann, und die an einen Stromversorgungskreis angeschlossen sind, der in der Lage ist, eine elektrische Feldintensität E aufrechtzuerhalten, die eine Entladung erzeugt, die der Bedingung gehorcht: (J n Q/e)Zusatzagas ≤ E <≤ (J n Q/e)Umgebungsgas,wo J die Aktivierungsenergie der Gasteilchen, n die Dichte der Teilchen dieses Gases, Q der Wirkungsquerschnitt der elastischen Zusammenstösse zwischen Elektronen und den Teilchen dieses Gases und e die Elektronenladung ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schnittpunkt der Achsen der rohrförmigen Elektroden unter der zu behandelnden Oberfläche befindet, was die von den Elektroden ausgehenden Plasmaströme zwingt, der zu behandelnden Oberfläche entlang zu verlaufen.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass einer oder mehrere der Gasströme vermittels zylindrischer oder abgeflachter, zwischen den rohrförmigen Elektroden angeordneter Düsen so auf die zu behandelnde Oberfläche gerichtet werden, dass die Zusammensetzung des aktivierten Gases gegen die zu behandelnde Oberfläche modifiziert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Paaren von rohrförmigen Elektroden so hintereinander angeordnet sind, dass sie einen Kamm bilden, der es erlaubt, eine grosse Oberfläche des zu behandelnden Gegenstandes zu überstreichen.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, Mittel für die Einstellung der Winkel zwischen den Elektroden und des Abstandes zwischen den Elektroden umfassend.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, Mittel für die Regelung des Durchsatzes der durch die rohrförmigen Elektroden eingeführten Gase, des Durchsatzes der zwischen den Plasmastrahlen eingeführten Gase, des Stromes und der Spannung zwischen den Elektroden umfassend.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, Mittel für die Einstellung des Abstandes der Elektroden von der Oberfläche des zu behandelnden Materials umfassend.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmigen Elektroden so angeordnet sind, dass ihre Achsen parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 12, ein System von wabenartig längs angeordneten Rohren umfassend, wobei die Rohre eine variable Länge aufweisen und dafür bestimmt sind, die Geschwindigkeitsverteilung im Zusatzgasstrom auszurichten, um Turbulenzbildung in dem von den Elektroden ausgehenden Plasmastrom zu vermeiden.
Vorrichtung nach Anspruch 12, eine Düse mit radialen Bohrungen umfassend, die zwischen den Elektroden angeordnet ist, um zu gewährleisten, dass die Verteilung des zwischen die rohrförmigen Elektroden injizierten Gasstromes radial und in Richtung der Plasmastrahlen erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie drei rohrförmige Elektroden umfasst, die von einer Dreiphasenstromquelle versorgt werden, wobei das Zusatzgas vermittels eines Rohres zugeführt wird, das koaxial und abstandsgleich zu diesen Elektroden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein gekühlter Magnetfeldgenerator zwischen den Elektroden angeordnet ist, der ein Feld senkrecht zu der zu behandelnden Oberfläche erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle für die Versorgung der elektrischen Entladung eine Gleichstromquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle für die Versorgung der elektrischen Entladung eine Dreiphasen-Wechselstromquelle ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromquelle für die Versorgung der elektrischen Entladung eine Quelle von Impulsen ist, deren Vorderflanke, Dauer und Rückenflanke regelbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige(n) Elektrode(n) in Gestalt von Rohren aus dielektrischem Material gefertigt sind, die von koaxialen Metallrohren umgeben sind, von einer Hochfrequenz-Stromquelle versorgt und durch ein auf die Plasmazone gerichtetes Gas gekühlt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige(n) Elektrode(n) in Gestalt von konischen Rohren gefertigt sind, um die Ströme des Zusatzgases auf den zu behandelnden Bereich zu lokalisieren.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige(n) Elektrode(n) von aussen gekühlt und innen mit rohrförmigen Ringen ausgerüstet sind, um den von den Elektrodenflecken ausgehenden Wärmestrom zu 1 zerstreuen.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die rohrförmige(n) Elektrode(n) in Gestalt von Überschall- oder Lavaldüsen gefertigt sind, um die hydrodynamischen Kräfte für das Zusammendrücken des Plasmas auf der zu behandelnden Oberfläche zu vergrössern, indem über der zu behandelnden Oberfläche eine Schockwelle erzeugt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode die Gestalt eines hohlen Kegelstumpfes besitzt, der koaxial um die rohrförmige Elektrode herum angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode stabförmig ist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für die Behandlung textiler Materialien, um ihnen hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften zu verleihen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für die Behandlung keramischer Materialien, um deren hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften zu gewährleisten.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Kauterisation von Blut und medizinisch-biologischen Geweben bei chirurgischen Eingriffen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche zum Stoppen von Absonderungen von Lymphflüssigkeit bei Verbrennungen.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche für die Oberflächenaktivierung von metallischen, schlecht leitenden und dielektrischen Gegenständen, um ihre Adhäsion an Anstrichen, Leim oder anderen Substanzen zu erhöhen.