JP5231221B2 - プラズマ発生装置、及びプラズマ手術装置 - Google Patents

プラズマ発生装置、及びプラズマ手術装置 Download PDF

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Description

本出願は、２００５年７月８日に出願されたスウェーデン特許出願第０５０１６０４−３号の優先権を主張する。
本発明は、アノード、カソード、及び、その長手方向において、カソードとアノードとの間に少なくとも部分的に延在するプラズマ・チャネルを備えるプラズマ発生装置に関する。本発明はまた、プラズマ手術装置、及び、手術分野におけるプラズマ手術装置の使用法に関する。
プラズマ装置は、ガス・プラズマを発生するように構成された装置に関する。こうしたガス・プラズマは、たとえば、生物学的組織の破壊（解離）及び／又は凝固を引き起こすために手術時に使用することができる。
一般に、こうしたプラズマ装置は、出血組織などの処置されるべき所望のエリアに対して容易に当てることができる長くかつ狭い端部などで形成される。装置の先端では、ガス・プラズマが存在し、ガス・プラズマの高温によって、先端に隣接する組織の処置が可能になる。
国際公開第２００４／０３０５５１号パンフレット（Ｓｕｓｌｏｖ）は、従来技術によるプラズマ手術装置を開示する。この装置は、アノードと、カソードと、プラズマ発生システムにガスを供給するためのガス供給チャネルとを有するプラズマ発生システムを備える。さらに、プラズマ発生システムは、カソードとアノードとの間に配置される複数の電極を備える。アノードに接続される導電性材料のハウジングは、プラズマ発生システムを閉囲し、ガス供給チャネルを形成する。
腹腔鏡（鍵穴）手術と呼ばれる手術技術における最近の開発により、プラズマ手術装置が、よりしばしば使用されている。このことは、たとえば、広範囲手術をしないで、アクセス性を確保するための、寸法が小さい装置についての必要性が大きいことを意味する。小型の機器はまた、良好な精度を達成する手術において有利である。
寸法が小さいプラズマ装置を製作するときに、カソードに隣接する材料が、カソードの温度によって、場合によっては、３０００℃を超える場合がある高温に加熱されるというリスクが存在することが多い。こうした温度では、カソードに隣接する材料が、劣化し、ガス・プラズマを汚染するというリスクが存在する。汚染されたガス・プラズマは、たとえば、好ましくない粒子を手術エリア内に導入し、処置される患者に有害になる可能性がある。
したがって、改良されたプラズマ装置、特に、高温プラズマを生成することができる、寸法が小さいプラズマ装置についての必要性が存在する。
本発明の目的は、請求項１の前提部分による改良されたプラズマ発生装置を提供することである。
本発明のさらなる目的は、プラズマ手術装置、及び、手術分野におけるこうしたプラズマ手術装置の使用法を提供することである。
本発明の一態様によれば、アノードと、カソードと、その長手方向において、カソードとアノードとの間に少なくとも部分的に延在するプラズマ・チャネルとを備えるプラズマ発生装置が提供される。本発明によれば、アノードに向けられるカソードの端部は、アノードに向かってテーパが付けられたカソード先端を有し、カソード先端の一部は、プラズマ・チャネルに接続されるプラズマ・チャンバの部分的長さにわたって延在し、また、プラズマ・チャンバは、プラズマ・チャネルの長手方向を横切る断面を有し、その断面は、プラズマ・チャネルの、カソードの最も近くに位置決めされた、開口の、プラズマ・チャネルの長手方向を横切る断面を上回る。プラズマ・チャンバは、カソードに最も近いプラズマ・チャネル開口の断面を上回る断面を適度に有する。
プラズマ・チャネルによって、プラズマ・チャンバに流体連通する細長いチャネルが意味される。プラズマ・チャネルは、カソードからアノードの方向において、プラズマ・チャンバを超えて位置決めされ、カソードから離れてアノードに向かって延在する。一実施例では、プラズマ・チャネルは、プラズマ・チャンバから、アノードに向かってかつアノードを通って延在する。プラズマ・チャネルは、アノード内に出口を適切に有し、装置の動作時に、その出口を通して、発生したプラズマが放出されることができる。遷移部分が、プラズマ・チャネルとプラズマ・チャンバとの間に配置されることができる。或いは、プラズマ・チャンバ及びプラズマ・チャネルは、互いに直接接触状態であることができる。
プラズマ・チャンバによって、プラズマ発生装置に供給されるプラズマ生成ガスが、プラズマに主に変換されるエリアが意味される。本発明による装置を用いると、こうしたプラズマを発生するための全く新しい状況が提供される。
従来技術のプラズマ発生装置では、カソードの高温による材料の損傷及び劣化は、カソードに隣接する材料をカソードからかなり遠い距離に設置することによって防止されることが多い。さらに、カソードは、間違って生成される電気アークの発生を防止するために、プラズマ・チャネルに直接接触した状態で設置されることが多く、この場合、カソードの高温のために、プラズマ・チャネルは、動作時に高温によって損傷を受けないように、通常、カソードの寸法に対してかなり大きな寸法を与えられる。こうした従来技術の装置は、しばしば、１０ｍｍより通常大きい外部寸法を与えられることになり、従来技術の装置は、所定の適用において、たとえば、腹腔鏡手術（鍵穴手術）と呼ばれるもの及び他の空間制限された適用において、扱いにくく、かつ、操作するのが難しい可能性がある。
プラズマ・チャンバが、アノードに向けられたカソード端とカソードに最も近いプラズマ・チャネルの開口との間に少なくとも部分的に延在することによって、従来技術の装置より外部寸法が小さいプラズマ発生装置を提供することが可能である。
このタイプのプラズマ発生装置の場合、動作時のカソード先端が、２５００℃より高い、場合によっては、３０００℃より高い温度を有することは珍しいことではない。
プラズマ・チャンバを使用することによって、有利には、カソード、特に、アノードに最も近いカソードの先端の周りに空間を形成する可能性が提供されることができる。その結果、プラズマ・チャンバは、プラズマ発生装置の外部寸法が比較的小さくなることを可能にする。カソード先端の周りの空間は、動作時のカソードの高温が、カソードに隣接する装置の材料に損傷を与える、かつ／又は、劣化させるリスクを低減するのに好都合である。特に、これは、劣化した材料が、プラズマを汚染し、そのプラズマを手術エリア内に伴い、プラズマが、患者に有害な作用を引き起こす可能性があるリスクが存在する手術適用のために意図された装置について重要である。本発明によるプラズマ・チャンバは、特に長い連続動作時間に関して有利である。
プラズマ・チャンバを配置することによって達成されるさらなる利点は、カソードの高温のために、隣接する材料が損傷を受ける、かつ／又は、劣化することなく、プラズマ・チャネルによって、カソードの先端が、カソードに最も近いプラズマ・チャネル開口の近くに位置決めされることが可能になるため、カソードとアノードとの間で発生することを意図される電気アークが、安全に得られることである。カソードの先端が、プラズマ・チャネルの開口から遠過ぎる距離のところに位置決めされる場合、カソードと隣接する構造との間の電気アークは、しばしば、好ましくない方法で発生し、そのため、装置の間違った動作を引き起こし、場合によっては、装置に損傷も与える。
本発明によるプラズマ発生装置は、１０ｍｍ未満、特に、５ｍｍ未満の外部寸法などの小さな外部寸法を有するプラズマ発生装置を提供することが望ましいときに、特に適する可能性がある。さらに、本発明は、装置の端のプラズマ・チャネルの出口を通してプラズマが放出されるときに、１０，０００℃より高い温度を有することが多いプラズマを発生することができるプラズマ発生装置を提供するのに適する。たとえば、プラズマ・チャネルの出口を通して放出されるプラズマは、１０，０００℃〜１５，０００℃の温度を有することができる。こうした高温は、たとえば、本発明によるプラズマ・チャンバを使用するときに、プラズマ・チャネルの断面を小さくするオプションによって可能になるであろう。プラズマ・チャネルの断面の小さな寸法はまた、従来技術の装置と比較して精度が改善されたプラズマ発生装置を可能にする。
意外にも、プラズマ発生装置の特性が、カソード先端の形状、及び、カソードに沿って、かつ、カソードの周りに配置された絶縁体要素に対するカソード先端の位置の変動によって影響を受ける可能性があることがわかった。たとえば、カソード先端全体が、絶縁体要素内に位置決めされる場合に、カソード先端の高温によって絶縁体要素が損傷を受けることが多いことがわかった。カソード先端全体が、絶縁体要素の、アノードに最も近い、端面の外側に位置決めされる場合に、カソードと絶縁体要素との間で、動作時にスパークが発生する場合があり、その場合、このようなスパークは絶縁体要素に損傷を与え得ることもわかった。
一実施例では、絶縁体要素が、カソードの一部に沿って、かつ、カソードの一部の周りに延在し、カソードの部分長が、絶縁体要素の境界表面を越えて突出する状態で、プラズマ発生装置を構成することが好都合であることがわかった。絶縁体要素の境界表面は、適切に、アノードの最も近くに位置決めされた端面からなる。絶縁体要素は、カソードの近くに配置されるプラズマ発生装置の一部を、動作時のカソードの高温から保護することを意図する。絶縁体要素は、スルーホールを有する細長いスリーブとして適切に形成される。
プラズマ発生装置の適切な動作のために、カソード先端において発生したスパークが、プラズマ・チャネル内のある点に達することがきわめて重要である。これは、（ｉ）アノードに最も近いカソード先端の端と（ｉｉ）カソードに最も近いプラズマ・チャネルの端（「プラズマ・チャネルのカソード端」）との距離が、（ａ）アノードに最も近いカソード先端の端と（ｂ）任意の他の表面との距離以下であるように、カソードを位置決めすることによって達成される。好ましくは、アノードに最も近いカソード先端の端は、プラズマ・チャンバ又は絶縁体要素の表面上の任意の他の点と比べて、プラズマ・チャネルのカソード端に近い。
絶縁体要素の境界表面を超えてテーパ付き先端が突出するように、カソードを配置することによって、半径方向のある距離が、カソード先端と、境界表面に隣接する絶縁体要素部分との間に確立されることができる。こうした距離は、動作時に熱いカソード先端によって、絶縁体要素が損傷を受けるリスクの低減を可能にする。こうして、カソード先端のテーパ付き形状のために、カソードと絶縁体要素との距離は、徐々に減少し、一方、カソードの温度は、アノードに最も近い端部の最も熱い先端から離れるにつれて減少する。カソードのこうした配置構成によって達成することができる利点は、カソード先端のベースのカソードと、絶縁体要素の内部寸法との間の断面差が、比較的小さく維持されることができることである。その結果、プラズマ発生装置の外部寸法は、たとえば、鍵穴手術及び他の空間制限された適用のために、望ましい方法で構成されることができる。
代替の実施例では、カソード先端の長さの実質的に半分が、絶縁体要素の境界表面を越えて突出する。カソード先端の位置と絶縁体要素の位置との間のこうした関係は、絶縁体要素が、動作時に損傷を受けるリスクを低減するのに、また、カソードとアノード間に電気アークを発生するときに、カソードと絶縁体スリーブとの間でスパークが生じるリスクを低減するのに特に有利であることがわかった。
動作中、アノードから最も遠いカソード先端の端に位置する、カソード先端のベースのカソードの縁から、並びに、アノードに最も近いカソード先端の端からスパークが発生する場合がある。カソード先端のベースからのスパーク発生を防止するために、カソードは、好ましくは、カソード先端のベースの縁が絶縁体要素の境界表面に対する近さに比べて、アノードに最も近いカソード先端の端がプラズマ・チャネルのカソード端により近くなるように、位置決めされる。
なお別の代替の実施例では、カソードのカソード先端は、カソード先端のベースの直径に実質的に相当する長さだけ、絶縁体要素の前記境界表面を越えて突出する。
カソード先端の長さによって、アノードに向けられたカソード端のテーパ付き部分の長さが意味される。テーパ付きカソード先端は、実質的に均一な直径を有するカソードの不完全な部分内に適切に入る。一実施例では、カソードのテーパ付きカソード先端は、形状が円錐である。カソード先端は、たとえば、円錐全体又は円錐の一部の形状を有することができる。さらに、カソード先端のベースは、実質的に均一な直径を有するカソードの不完全部分内にカソード先端が入る位置における、カソードの長手方向を横切る断面として定義される。
プラズマ生成ガスは、好都合には、動作時に、絶縁体要素とカソードとの間に流れる。
一実施例では、カソード先端のベースに沿う平面を通る、方向が共通の断面に沿って、絶縁体要素内に構成されるチャネルとカソードとの断面の差が、プラズマ・チャネルの最小断面以上である。プラズマ・チャネルの最小断面は、プラズマ・チャネルの範囲に沿う任意のところに位置決めされることができる。カソードの断面と絶縁体要素の断面との間にこうした関係を構成することによって、プラズマ発生装置を始動するときに、カソードと絶縁体要素との間の空間が、プラズマ生成ガスの流路の実質的にサージを制限する部分を構成することが回避されることができる。その結果、これは、プラズマ発生装置の動作圧力が、比較的迅速に確立されることができることを可能にし、短い始動時間が可能になる。短い始動時間は、１つの又は同じ利用シーケンス中にオペレータが何回もプラズマ発生装置を始動／停止する場合に特に都合がよい。一実施例では、絶縁体要素内に構成されたチャネルの断面は、共通断面内において、適切にカソードの断面の１．５〜２．５倍である。
本発明の一実施例では、絶縁体要素は、カソード先端のベースの近くで０．３５ｍｍ〜０．８０ｍｍ、好ましくは、０．５０ｍｍ〜０．６０ｍｍの内部直径を有する。しかし、絶縁体要素の内部直径は、共通断面に関して、カソードの直径より大きく、そのため、両者の間に空間が形成されることが理解されるであろう。
カソードのカソード先端は、カソード先端のベースの直径より大きい長さを適切に有する。一実施例では、長さは、カソード先端のベースの直径の１．５倍以上である。ベース直径と長さとの間にこうした関係を持った状態でカソード先端を形成することによって、カソード先端の形状が、プラズマ発生装置の動作時における絶縁体スリーブへの損傷を防止するのに適した距離を、カソード先端と絶縁体スリーブとの間に確立する可能性を提供することがわかった。代替の実施例では、カソード先端の長さは、カソード先端のベースの直径の２〜３倍である。
先に述べたように、プラズマ発生装置の少なくとも１つの実施例は、カソードの所定部分に沿ってかつ所定部分の周りに延在する絶縁体要素を備える。プラズマ・チャンバは、絶縁体要素の境界面とプラズマ・チャネルのカソード端の開口との間に適切に延在する。こうして、プラズマ・チャンバ、又は、プラズマの主要な部分が発生するプラズマ・チャンバの部分は、絶縁体要素を越えてカソード先端が突出する位置から、プラズマ・チャネルのカソード端の開口まで適切に延在する。
一実施例では、アノードに向かってテーパが付いた部分は、プラズマ・チャンバとプラズマ・チャネルを接続する。このテーパ付き部分は、プラズマ・チャンバの断面とプラズマ・チャネルの断面との差をアノードに向かって適切に橋渡しする。こうしたテーパ付き部分は、プラズマ・チャンバ及びプラズマ・チャネルに隣接する構造の冷却のための好ましい熱抽出を可能にする。
プラズマ・チャネルの断面より約４〜１６倍大きい、プラズマ・チャネルの長手方向を横切る、プラズマ・チャンバの断面を形成することが好都合であることがわかった。適切には、プラズマ・チャンバの断面は、プラズマ・チャネルのカソード端の開口の断面より４〜１６倍大きい。プラズマ・チャンバの断面とプラズマ・チャネルの断面との関係は、カソード先端の周りに有利な空間を提供し、その空間により、プラズマ発生装置が、動作時に起こる場合がある高温によって損傷を受けるリスクが減少する。
好ましくは、プラズマ・チャネルの長手方向を横切るプラズマ・チャンバの断面は、円形である。プラズマ・チャネルの長手方向において、プラズマ・チャンバの長さに実質的に相当する、プラズマ・チャネルの長手方向を横切る直径を有するプラズマ・チャンバを形成することが有利であることがわかった。プラズマ・チャンバの直径と長さとの関係は、たとえば、動作時に生じる場合がある高温による損傷のリスクを低減し、一方、同時に、間違った電気アークが発生するリスクを低減するのに好ましいことがわかった。
カソード先端のベースの直径の２〜２．５倍に相当する、プラズマ・チャンバの断面の直径を有するプラズマ・チャンバを形成することが有利であることがさらにわかった。
適切には、同様に、プラズマ・チャンバの長さは、カソード先端のベースの直径の２〜２．５倍に相当する。
プラズマ発生装置の特性は、プラズマ・チャネルのカソード端の開口に対するカソード先端の位置の変動によって影響を受ける可能性があることが意外にもわかった。とりわけ、プラズマ発生装置を始動するときに、カソードとアノードとの間で発生することが望まれる電気アークが影響を受ける可能性があることがわかった。たとえば、カソード先端が、プラズマ・チャネルのカソード端の開口からあまりにも遠くに位置決めされる場合、カソードと、プラズマ発生装置の、カソードに隣接する部分との間で、好ましくない方法で電気アークが発生する可能性があることがわかった。さらに、カソード先端が、プラズマ・チャネルのカソード端の開口にあまりに近くに位置決めされる場合、動作時のカソード先端の高温が、プラズマ・チャネル及び／又はプラズマ・チャネルに隣接する材料に損傷を与え、劣化させる可能性があることがわかった。一実施例では、カソード先端が、プラズマ・チャンバの長さの半分以上にわたって延在することが好都合であることがわかった。代替の実施例では、プラズマ・チャンバの長さの１／２又は２／３にわたって延在するように、カソード先端を構成することが適切であることがわかった。別の代替の実施例では、カソード先端は、プラズマ・チャンバの長さのほぼ半分にわたって延在する。
プラズマ発生装置の一実施例では、アノードに最も近いカソード端は、プラズマ・チャネルのカソード端の開口からある距離に位置決めされ、その距離は、絶縁体要素の境界面を超えて突出するカソード先端の部分の長さに相当する。
さらに、一実施例では、プラズマ・チャネルの長手方向において、アノードの最も近くに位置決めされるプラズマ・チャンバ端から、カソード先端のベースの直径に実質的に相当する距離に、カソードの端が位置決めされるように、アノードに向けられるカソード端を構成することが好都合であることがわかった。
プラズマ・チャネルの長手方向において、プラズマ・チャンバの境界又は端からこの距離のところにカソード先端の位置を配置することによって、電気アークが、安全に発生されることができ、一方、同時に、プラズマ・チャネルに隣接する材料が、動作時の高温によって損傷を受けるリスクが減少することがわかった。
プラズマ・チャンバは、カソード先端の最も近くに位置決めされた中間電極によって適切に形成される。プラズマ・チャンバを中間電極の一部として一体化することによって、単純な構造が提供される。同様に、プラズマ・チャネルは、カソードとアノードとの間に少なくとも部分的に位置決めされる少なくとも１つの中間電極によって少なくとも部分的に形成されることが好都合である。
プラズマ発生装置の一実施例では、プラズマ・チャンバ及びプラズマ・チャンバの少なくとも一部は、カソード先端の最も近くに配置された中間電極によって形成される。別の実施例では、プラズマ・チャンバは、プラズマ・チャネルを形成する中間電極から絶縁された中間電極によって形成される。
プラズマ発生装置の実施例の例として、プラズマ・チャネルは、約０．２０〜０．５０ｍｍ、好ましくは、０．３０〜０．４０ｍｍである直径を有する。
一実施例では、プラズマ発生装置は、プラズマ・チャネルの少なくとも一部を形成するために、カソードとアノードとの間に配置された２つ以上の中間電極を備える。プラズマ発生装置の実施例の例によれば、中間電極は、プラズマ・チャネルの直径の約４〜１０倍の長さを有するプラズマ・チャネルの一部を共同で形成する。アノードを貫通して延在するプラズマ・チャネルの部分は、プラズマ・チャネルの直径の３〜４倍の長さを有する。さらに、絶縁体手段は、各中間電極と次の中間電極との間に適切に配置される。中間電極は、好ましくは、銅又は銅を含有する合金で作られる。
別の実施例の例として、カソードの直径は、０．３０〜０．６０ｍｍ、好ましくは、０．４０〜０．５０ｍｍである。
本発明の第２の態様によれば、上述したプラズマ発生装置を備えるプラズマ手術装置が提供される。本明細書で述べるタイプのプラズマ手術装置は、生物学的組織の破壊又は凝固のために適切に使用されることができる。さらに、こうしたプラズマ手術装置は、有利には、心臓又は脳手術で使用されることができる。或いは、こうしたプラズマ手術装置は、有利には、肝臓、すい臓又は腎臓手術で使用されることができる。
本発明は、ここで、現在のところ好ましい本発明の実施例を例として示す、添付概略図面を参照してより詳細に述べられるであろう。
図１ａは、本発明によるプラズマ発生装置１の実施例を断面図で示す。図１ａの断面図は、プラズマ発生装置１の中心を通って、その長手方向に切り取られる。装置は、端スリーブ３の端で放出されるプラズマを発生するためのプラズマ発生システムを収容する細長い端スリーブ３を備える。発生したプラズマは、たとえば、組織内の出血を止める、組織を蒸発させる、組織を切開するなどに使用することができる。
図１ａによるプラズマ発生装置１は、カソード５と、アノード７と、アノードとカソードとの間に配置された、本明細書では中間電極と称する、いくつかの電極９’、９’’、９’’’とを備える。中間電極９’、９’’、９’’’は、管状であり、カソード５の前面の位置から、さらに、アノード７に向かってかつアノードを貫通して延在するプラズマ・チャネル１１の一部を形成する。プラズマ・チャネル１１の入口端は、プラズマ・チャネルのカソード端に位置決めされる。プラズマ・チャネル１１は、その出口端が配置されるアノード７を貫通して延在する。プラズマ・チャネル１１内では、流れるプラズマは、アノード７内で、加熱され、最終的に、プラズマ・チャネル１１の端で流出することを意図される。中間電極９’、９’’、９’’’は、管状絶縁体手段１３’、１３’’、１３’’’によって、絶縁され、互いの直接接触から分離される。中間電極９’、９’’、９’’’の形状及びプラズマ・チャネル１１の寸法は、任意所望の目的に合うように調整されることができる。中間電極９’、９’’、９’’’の数もまた、任意選択の方法で変更することができる。図１ａに示す実施例は、３つの中間電極９’、９’’、９’’’を備える。
図１ａに示す実施例では、カソード５は、細長い円柱要素として形成される。好ましくは、カソード５は、任意選択で、ランタンなどの添加剤を用いて、タングステンで作られる。こうした添加剤は、たとえば、カソード５の端で発生する熱を下げるのに使用することができる。
さらに、アノード７の方に向けられるカソード５の端は、テーパ付き端部分１５を有する。このテーパ付き部分１５は、図１ａに示すカソードの端に位置決めされる先端を適切に形成する。カソード先端１５は、適切には、形状が円錐である。カソード先端１５はまた、円錐の一部からなることができる、又は、アノード７に向かってテーパを付ける幾何形状を有する代替の形状を有することができる。
アノード７から遠い方に向くカソード５の他端は、電気エネルギー源に接続される電気導体に接続される。導体は、絶縁体によって適切に囲まれる。（導体は、図１では示されない）。
プラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャネル１１の入口端に接続され、プラズマ・チャネル１１の長手方向を横切る断面を有し、その断面は、入口端におけるプラズマ・チャネル１１の断面を上回る。
図１ａに示すプラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャネル１１の長手方向を横切って、断面が円形であり、プラズマ・チャンバ１７の直径にほぼ相当する、プラズマ・チャネル１１の長手方向の範囲を有する。プラズマ・チャンバ１７及びプラズマ・チャネル１１は、実質的に互いに対して同心に配置される。カソード５は、プラズマ・チャンバ１７の長さのほぼ半分にわたってプラズマ・チャンバ１７内に延在し、カソード５は、プラズマ・チャンバ１７に実質的に同心に配置される。プラズマ・チャンバ１７は、カソード５に隣接して位置決めされる第１中間電極９’内に一体化される凹所からなる。
図１ａはまた、カソード５の所定部分に沿って、かつ、所定部分の周りに延在する絶縁体要素１９を示す。絶縁体要素１９は、細長い円柱スリーブとして適切に形成され、カソード５は、管状絶縁体要素１９を貫通して延在する円形穴内に部分的に位置決めされる。カソード５は、絶縁体要素１９のスルーホールの実質的に中心に配置される。さらに、絶縁体要素１９の内部直径は、カソード５の外部直径より少し大きく、そのため、カソード５の外周表面と絶縁体要素１９の円形穴の内部表面との間にある距離が形成される。
好ましくは、絶縁体要素１９は、セラミック材料、耐熱性プラスチック材料などのような耐熱性材料で作られる。絶縁体要素１９は、たとえば、カソード５の周り、特に、カソードの先端１５の周りで生じる可能性がある高温から、プラズマ発生装置１の隣接部分を保護することを意図する。
絶縁体要素１９及びカソード５は、アノード７に向けられるカソード５の端が、絶縁体要素１９の、アノード７に向けられる端面２１を超えて突出するように、互いに対して配置される。図１ａに示す実施例では、カソード５のテーパ付き先端１５のほぼ半分が、絶縁体要素１９の端面２１を超えて延在する。
ガス供給部（図１には示さず）は、プラズマ発生部に接続される。プラズマ発生装置１に供給されるガスは、有利には、従来技術の機器のプラズマ生成ガスとして使用されるのと同じタイプのガス、たとえば、アルゴン、ネオン、キセノン、ヘリウムなどのような不活性ガスからなる。プラズマ生成ガスは、ガス供給部を通って、かつ、カソード５と絶縁体要素１９との間に配置される空間内に流れることが許容される。その結果、プラズマ生成ガスは、カソード５に沿って絶縁体要素１９内部をアノード７の方に流れる。プラズマ生成ガスが、アノード７の最も近くに位置決めされる絶縁体要素１９の端を流れるときに、ガスは、プラズマ・チャンバ１７内に流れる。
図１ａによるプラズマ発生装置１は、さらに、細長い端スリーブ３に連通する付加的なチャネル２３を備える。付加的なチャネル２３は、ハウジングが端スリーブ３に接続されることによって、一体部品内に適切に形成される。端スリーブ３及びハウジングは、たとえば、ねじ継手によって相互接続されることができるが、溶接、はんだ付けなどのような他の接続方法も考えられる。さらに、付加的なチャネル２３は、たとえば、ハウジングの押出し加工、又は、ハウジングの機械加工によって作ることができる。しかし、付加的なチャネル２３は、ハウジングから分離した１つ又は複数の部分によって形成され、ハウジング内部に配置されることもできることが理解されるであろう。
一実施例では、プラズマ発生装置１は、２つの付加的なチャネル２３を備え、一方は冷媒用の入口チャネルを構成し、他方は冷媒用の出口チャネルを構成する。入口チャネル及び出口チャネルは、互いに連通して、冷媒が、プラズマ発生装置１の端スリーブ３を通過することを可能にする。冷媒を供給するか、又は、放出するのに使用される、３つ以上の冷却チャネルを、プラズマ発生装置１に設けることも可能である。好ましくは、冷媒として水が使用されるが、他のタイプの流体が考えられる。冷媒が、端スリーブ３に供給され、中間電極９’、９’’、９’’’と端スリーブ３の内壁との間を流れるように、冷却チャネルは構成される。端スリーブ３の内部は、少なくとも２つの付加的なチャネルを互いに接続するエリアを構成する。
中間電極９’、９’’、９’’’は、プラズマ発生装置１の端スリーブ３の内側に配置され、端スリーブ３に実質的に同心に位置決めされる。中間電極９’、９’’、９’’’は、外部直径を有し、外部直径は、スリーブ３の内部直径と連携して、中間電極の外部表面と端スリーブ３の内壁との間に空間を形成する。付加的なチャネル２３から供給される冷媒が、中間電極９’、９’’、９’’’と端スリーブ３との間を流れることを許容されるのは、この空間内である。
付加的なチャネル２３は、数が異なり、また、異なる断面を与えられることができる。他の目的で、付加的なチャネル２３の全て又は一部を使用することも可能である。たとえば、３つの付加的なチャネル２３が、配置されることができ、たとえば、２つのチャネルは、冷媒の供給及び放出のために使用され、１つのチャネルは、手術エリアなどから、液体などを吸引するのに使用される。
図１ａに示す実施例では、３つの中間電極９’、９’’、９’’’は、カソード５とアノード７との間に配置される絶縁体手段１３’、１３’’、１３’’’によって離して配置される。第１中間電極９’、第１絶縁体１３’、及び第２中間電極９’’は、互いに圧入される。同様に、第２中間電極９’’、第２絶縁体１３’’、及び第３中間電極９’’’は、互いに圧入される。しかし、電極９’、９’’、９’’’の数は、オプションに従って選択されることができることが理解されるであろう。
カソード５から最も離れて位置決めされた電極９’’’は、管状絶縁体手段１３’’’に接触し、管状絶縁体手段１３’’’は、次に、アノード７に対して配置される。
アノード７は、細長い端スリーブ３に接続される。図１ａに示す実施例では、アノード７及び端スリーブ３は、互いに一体に形成される。代替の実施例では、アノード７は、アノード７と端スリーブ３との間のねじ継手によって、溶接によって、又ははんだ付けによって端スリーブ３に接合される別個の要素として形成されることができる。アノード７と端スリーブ３との接続は、適切に、両者間に電気接触を提供するようなものである。
図１ｂを参照すると、プラズマ発生装置１に含まれる部品間の適切な幾何学的関係が、以下で述べられるであろう。以下で述べる寸法は、プラズマ発生装置１の例示的な実施例を構成するだけであり、適用分野及び所望の特性に応じて変わることができることが留意されるであろう。
絶縁体要素１９の内部直径ｄｉは、カソード５の外部直径ｄｃよりわずかだけ大きい。図１ｂに示す実施例では、カソード５の外部直径ｄｃは、約０．５０ｍｍであり、絶縁体要素１９の内部直径ｄｉは、約０．８０ｍｍである。
図１ｂによれば、カソード５の先端１５は、先端１５の長さＬｃの約半分が、絶縁体要素１９の境界面２１を超えて突出するように位置決めされる。図１ｂに示す実施例では、この突出部Ｉｃは、カソード５の直径ｄｃにほぼ相当する。
カソード先端１５の全長Ｌｃは、カソード先端のベース３１におけるカソード５の直径ｄｃの約１．５〜３倍に適切に相当する。図１ｂに示す実施例では、カソード先端１５の全長Ｌｃは、カソード先端のベース３１におけるカソード５の直径ｄｃの約２倍に適切に相当する。一実施例では、アノードに最も近いカソード先端の端３３とプラズマ・チャネルのカソード端３５との距離が、カソード先端の端３３と、プラズマ・チャンバ１７の任意の表面及び絶縁体要素の境界面２１を含む任意の他の表面との距離以下であるように、カソード５が位置決めされる。さらに、一実施例では、カソード先端の端３３とプラズマ・チャネルのカソード端３５との距離が、カソード先端のベース３１の縁部と絶縁体要素の境界面２１との距離以下であるように、カソードが位置決めされる。
一実施例では、カソード５の直径ｄｃは、カソード先端のベース３１において約０．３〜０．６ｍｍである。図１ｂに示す実施例では、カソード５の直径ｄｃは、カソード先端のベース３１において約０．５０ｍｍである。好ましくは、カソード５は、カソード先端のベース３１と、カソード５の、カソード先端１５に対向する端との間で実質的に同じ直径ｄｃを有する。しかし、カソード５の範囲に沿ってこの直径を変えることが可能であることが理解されるであろう。
一実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、カソード先端のベース３１におけるカソード５の直径ｄｃの約２〜２．５倍に相当する直径Ｄｃｈを有する。図１ｂに示す実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、カソード５の直径ｄｃの約２倍に相当する直径Ｄｃｈを有する。
プラズマ発生装置１の長手方向のプラズマ・チャンバ１７の範囲は、カソード先端のベース３１におけるカソード５の直径ｄｃの約２〜２．５倍に相当する。図１ｂに示す実施例では、プラズマ・チャンバ１７の長さＬｃｈは、ほぼプラズマ・チャンバ１７の直径Ｄｃｈに相当する。
図１ｂに示す実施例では、プラズマ・チャンバ１７内に延在するカソード５は、ほぼカソード先端のベース３１におけるカソード５の直径ｄｃに相当する、アノード７に最も近いプラズマ・チャンバ１７の端からの距離に位置決めされる。
図１ｂに示す実施例では、プラズマ・チャンバ１７は、プラズマ・チャネル１１に流体連通する。プラズマ・チャネル１１は、約０．２〜０．５ｍｍである直径ｄｃｈを適切に有する。図１ｂに示す実施例では、プラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈは、約０．４０ｍｍである。しかし、プラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈは、プラズマ発生装置１の異なる所望の特性を提供するために、プラズマ・チャネル１１の範囲に沿って異なる方法で変えられることができることが理解されるであろう。
プラズマ・チャンバ１７とプラズマ・チャネル１１との間には、プラズマ・チャンバ１７の遷移部分２５が配置され、プラズマ・チャンバ１７の直径Ｄｃｈとプラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈとの間で、カソード５からアノード７へのテーパ付き遷移を構成する。遷移部分２５は、いくつかの代替の方法で形成されることができる。図１ｂに示す実施例では、遷移部分２５は、プラズマ・チャンバ１７の内部直径Ｄｃｈとプラズマ・チャネル１１の内部直径ｄｃｈとの間の遷移を形成する開先として形成される。しかし、プラズマ・チャンバ１７及びプラズマ・チャネル１１は、遷移部分２５が無い状態で、互いに直接接触して配置することができることが留意されるべきである。
プラズマ・チャネル１１は、アノード７、及び、カソード５とアノード７との間に配置された中間電極９’、９’’、９’’’で形成される。プラズマ・チャネルのカソード端の開口とアノードとの間のプラズマ・チャネル１１の長さは、プラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈの約４〜１０倍に適切に相当する。図１ａに示す実施例では、プラズマ・チャネルのカソード端の開口とアノードとの間のプラズマ・チャネル１１の長さは、約２．８ｍｍである。
アノードを貫通して延在するプラズマ・チャネルの部分は、プラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈの約３〜４倍である。図１ａに示す実施例の場合、アノードを貫通して延在するプラズマ・チャネルの部分は、約２ｍｍの長さを有する。
プラズマ発生装置１は、有利には、使い捨て機器の一部として設けることができる。たとえば、プラズマ発生装置１、外部シェル、管、結合端子などを有する完全な装置は、使い捨て機器として販売されることができる。或いは、プラズマ発生装置だけが、使い捨てであり、多用途装置に接続されることができる。
他の実施例及び変形が可能である。たとえば、中間電極９’、９’’、９’’’の数及び形状は、どのタイプのプラズマ生成ガスが使用されるか、また、生成されるプラズマの所望の特性に応じて、変えることができる。
使用時、ガス供給部を通して供給される、アルゴンなどのプラズマ生成ガスは、上述したカソード５と絶縁体要素１９との間の空間に供給される。供給されるプラズマ生成ガスは、プラズマ・チャンバ１７及びプラズマ・チャネル１１を通して流されて、アノード７内のプラズマ・チャネル１１の開口を通して放出される。ガス供給を確立すると、電圧システムがスイッチオンされ、プラズマ・チャネル１１内で放出プロセスを始動し、カソード５とアノード７との間で電気アークを点火する。電気アークを確立する前に、上述した付加的なチャネル２３を通してプラズマ発生装置１に冷媒を供給することが好都合である。電気アークを確立すると、ガス・プラズマが、プラズマ・チャンバ１７内で発生し、加熱中に、プラズマ・チャネル１１を通ってアノード７内のプラズマ・チャネル１１の開口に向かって流れる。
図１ａ及び図１ｂによるプラズマ発生装置１についての適切な動作電流Ｉは、適切に、１０アンペア未満、好ましくは、４〜６アンペアである。プラズマ発生装置１の動作電圧は、とりわけ、中間電極９’、９’’、９’’’の数及びその長さによる。プラズマ・チャネル１１の比較的小さな直径ｄｃｈは、プラズマ発生装置１を使用するときに、比較的低いエネルギー消費及び比較的低い動作電流Ｉを可能にする。
カソード５とアノード７との間で確立される電気アークにおいて、温度Ｔは、アノード７の中心においてプラズマ・チャネル１１の中心軸に沿って行き渡り、放電電流Ｉとプラズマ・チャネル１１の直径ｄｃｈとの関係（Ｔ＝Ｋ＊Ｉ／ｄｃｈ）に比例する。比較的低い電流レベルＩで、アノード７内のプラズマ・チャネル１１の出口において、高温、たとえば、１００００〜１５０００℃のプラズマを提供するために、プラズマ・チャネル１１の断面、したがって、ガスを加熱する電気アークの断面は、小さい、たとえば、０．２〜０．５ｍｍであるべきである。電気アークの断面が小さい場合、プラズマ・チャネル１１の電界強度が高い値を有する。
本発明のプラズマ発生装置の実施例の断面図である。 図１ａによる実施例の部分拡大図である。

Claims (29)

  1. プラズマ発生装置であって、
    アノードと、
    カソードとを備え、前記カソードが、先端を有し、前記先端が、前記アノードに最も近いカソードの一部分であり、かつ、前記アノードに向かってテーパが付けられ、前記先端が、前記アノードから最も遠い端にベースを有し、
    前記カソードと前記アノードとの間でかつ、前記アノードを貫通して長手方向に延在し、かつ、前記カソードから最も遠い端に出口開口を有するプラズマ・チャネルを備え、前記プラズマ・チャネルの一部が、互いから又は前記アノードから絶縁された１つ又は複数の中間電極によって形成され、
    前記プラズマ・チャネルのカソード端において前記プラズマ・チャネルに接続されるプラズマ・チャンバを備え、
    前記カソード先端の一部が、前記プラズマ・チャンバの部分的長さに沿って長手方向に延在し、
    前記アノードに最も近い前記カソード先端の端と前記プラズマ・チャネルの前記カソード端との間の距離が、前記アノードに最も近い前記カソード先端の端と任意の他の表面との間の距離以下であり、
    前記カソードの一部分に沿ってかつ一部分の周りに延在し、かつ、前記アノードに最も近い端において境界表面を有する管状絶縁体要素をさらに備え、前記カソード先端の部分長が、前記管状絶縁体要素の前記境界表面を越えて突出するように前記カソード先端が位置決めされるプラズマ発生装置。
  2. 前記カソード先端の長さの実質的に半分が、前記絶縁体要素の前記境界表面を越えて突出する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  3. 前記カソード先端が、前記カソード先端のベースの直径に実質的に相当する長さだけ、前記絶縁体要素の前記境界表面を越えて突出する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  4. 前記カソード先端の前記ベースに沿う平面を通る、方向が共通の断面に沿って、前記絶縁体要素によって形成されるチャネルの断面と前記カソードの断面との差が、前記プラズマ・チャネルの最小断面以上である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  5. 前記絶縁体要素が、前記カソード先端の前記ベースの付近で０．３５ｍｍ〜０．８０ｍｍの内部直径を有する管である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  6. プラズマ生成ガスが、動作時に、前記絶縁体要素と前記カソードとの間に流れる請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  7. 前記カソード先端の長さが、前記カソード先端の前記ベースの直径より大きい請求項２に記載のプラズマ発生装置。
  8. 前記カソード先端の前記長さが、前記カソード先端の前記ベースの直径の１．５倍以上である長さを有する請求項７に記載のプラズマ発生装置。
  9. 前記カソード先端の長さの半分が、前記プラズマ・チャンバ内に延在する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  10. 前記プラズマ・チャンバが、前記絶縁体要素の前記境界表面と前記プラズマ・チャネルの前記カソード端との間に延在する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  11. 前記プラズマ・チャンバの断面が、前記プラズマ・チャネルの前記カソード端における前記プラズマ・チャネルの前記開口の断面より大きい請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  12. 前記プラズマ・チャンバの断面が、前記プラズマ・チャネルの前記カソード端における前記プラズマ・チャネルの前記開口の断面より大きい４〜１６倍である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  13. 前記プラズマ・チャネルの長手方向を横切る前記プラズマ・チャンバの直径が、前記プラズマ・チャネルの前記長手方向の、前記プラズマ・チャンバの長さに実質的に相当する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  14. 前記プラズマ・チャンバの断面の直径が、前記カソード先端の前記ベースの直径の２〜２．５倍に相当する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  15. 前記プラズマ・チャンバの長さが、前記カソード先端の前記ベースの直径の２〜２．５倍に相当する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  16. 前記プラズマ・チャンバが、前記プラズマ・チャネルに接続されたテーパ付き部分を有する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  17. 前記カソード先端の前記ベースから前記絶縁体要素の前記境界表面までの距離が、前記アノードに最も近い前記カソード先端の端部から前記プラズマ・チャネルの前記カソード端までの距離より大きい請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  18. 前記カソードが、長さが前記カソード先端の前記ベースの直径に相当した状態で、前記プラズマ・チャンバ内に延在する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  19. 前記アノードに最も近い前記カソード先端の端と前記プラズマ・チャネルの前記カソード端との距離が、前記カソード先端の前記ベースの直径に実質的に相当する請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  20. 前記カソード先端が円錐形である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  21. 前記プラズマ・チャンバが、１つ又は複数の中間電極のうちの１つの中間電極によって形成され、前記１つの中間電極が、前記カソードに最も近い請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  22. 前記プラズマ・チャンバ及び前記プラズマ・チャネルの少なくとも一部が、１つ又は複数の中間電極のうちの１つの中間電極によって形成され、前記１つの中間電極が、前記カソードに最も近い中間電極である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  23. 前記プラズマ・チャンバが、前記プラズマ・チャネルを形成する中間電極から絶縁された中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  24. プラズマ・チャネルの直径が、０．２０〜０．５０ｍｍである請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  25. プラズマ・チャネルの直径が、０．３０〜０．４０ｍｍである請求項２４に記載のプラズマ発生装置。
  26. １つ又は複数の中間電極によって形成される前記プラズマ・チャネルの一部が、２つ以上の中間電極によって形成される請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  27. 前記１つ又は複数の中間電極によって形成される前記プラズマ・チャネルの一部の長さが、前記プラズマ・チャネルの直径の約４〜１０倍である請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  28. 前記カソードの前記ベースの直径が、０．３〜０．６ｍｍである請求項１に記載のプラズマ発生装置。
  29. 請求項１に記載のプラズマ発生装置を備えるプラズマ手術装置。
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