JP6304645B2 - プラズマ発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関する。さらに詳細には、大気圧非平衡プラズマを発生させるプラズマ発生装置に関するものである。

プラズマ技術は、電気、化学、材料の各分野に応用されている。そして、近年においては、医療への応用が活発に研究されるようになってきた。プラズマの内部では、電子やイオン等の荷電粒子の他に、紫外線やラジカルが発生する。これらには、生体組織の殺菌をはじめとして、生体組織に対する種々の効果があることが分かってきている。

例えば、特許文献１には、プラズマの照射により、血液凝固（特許文献１の実施例４、段落［００６３］−［００６８］参照）と、組織滅菌（特許文献１の実施例５、段落［００６９］−［００７４］参照）と、リーシュマニア症（特許文献１の実施例６、段落［００７５］−［００７７］参照）といった、効果があることが記載されている。そして、メラノーマ細胞（悪性黒色腫細胞）を死滅させる効果があると記載されている（特許文献１の実施例７、段落［００７８］参照）。

また、特許文献２には、プラズマを照射することにより、卵巣癌細胞を死滅させることができる旨が記載されている（特許文献２の段落［００３２］−［００４２］等参照）。

特表２００８−５３９００７号公報 特開２０１３−１５３９９５号公報

ところで、プラズマを患部に照射するためには、プラズマ発生装置を小型化することが望ましい。医者がプラズマ発生装置を持ちやすいからである。また、患者の身体の一部を開腹して、体内の組織にプラズマを照射する場合には、開腹する領域の大きさが小さくてよいからである。開腹領域の大きさが小さいほど、患者にかかる負担は小さい。

小型化するためには、プラズマ発生装置の各部材も小さいものを用いることとなる。また、絶縁体も薄いものを用いることとなる。しかし、厚みの薄い絶縁体を用いると、絶縁破壊が生じやすい。また、治療に使用できる程度に高いプラズマ密度のプラズマを発生させる必要もある。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、プラズマ密度の高いプラズマを発生させることができるとともに、装置の小型化を図ったプラズマ発生装置を提供することである。

第１の態様におけるプラズマ発生装置は、筒状の第１の電極と、第２の電極と、絶縁管と、を有する。そして、第１の電極の第１の先端部は、絶縁管の内部に配置されている。第２の電極は、絶縁管の外部に配置されている。第１の電極の第１の先端部は、突出部を有している。突出部には、マイクロホローが形成されている。

このプラズマ発生装置では、第１の電極の先端部に、マイクロホローを有する突出部が形成されている。マイクロホローが形成されているため、高密度のプラズマを発生させることができる。また、プラズマ発生装置を小型化できる。そのため、プラズマ発生装置の使用者が、装置を持つのに好適である。

第２の態様におけるプラズマ発生装置は、さらに、絶縁管の外側に配置された第３の電極を有する。そして、第３の電極は、絶縁管からみて第２の電極よりも遠い位置に配置されている。絶縁管の外部に、第２の電極と第３の電極とから成る二重電極構造を有している。そのため、絶縁管の絶縁破壊が抑制される。

第３の態様におけるプラズマ発生装置では、第２の電極および第３の電極は、いずれも筒状の電極である。そして、第３の電極の筒の内側に第２の電極が配置されている。

第４の態様におけるプラズマ発生装置では、第１の電極の第２の先端部の側には、放電ガスを供給するガス供給部が配置されている。そして、ガス供給部は、第１の電極の筒状の内部と連通している。

本発明では、プラズマ密度の高いプラズマを発生させることができるとともに、装置の小型化を図ったプラズマ発生装置が提供されている。

実施形態に係るプラズマ発生装置の概略構成を示す図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の第１の電極を示す斜視図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の第１の電極を示す断面図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置の内部電極の変形例を示す断面図である。 実施形態に係るプラズマ発生装置においてＨｅを放電ガスとしてプラズマを発生させた場合を示す写真である。 実施形態に係るプラズマ発生装置においてＡｒを放電ガスとしてプラズマを発生させた場合を示す写真である。

以下、具体的な実施形態について、プラズマ発生装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。本実施形態のプラズマ発生装置の各構成の大きさは、あくまで目安である。必ずしも、記載の数値範囲に限らない。

１．プラズマ発生装置
図１は、本実施形態のプラズマ発生装置１００の概略構成を示す図である。プラズマ発生装置１００は、第１の電極１０と、第２の電極２０と、第３の電極３０と、絶縁管４０と、第１の絶縁部材５０と、第２の絶縁部材６０と、第３の絶縁部材７０と、封止部材８０と、第１の電位付与部１１０と、第２の電位付与部１２０と、を有している。

第１の電極１０は、放電電極である。また、第１の電極１０は、放電ガスを供給するためのガス供給管を兼ねている。そのため、第１の電極１０は、円筒形状の円筒電極である。第１の電極１０は、筒状であれば、多角形等その他の形状であってもよい。第１の電極１０の先端部分には、後述するようにマイクロホローＨ１が形成されている。第１の電極１０の一方の先端部分は、絶縁管４０の内部に配置されている。第１の電極１０の他方の先端部分は、絶縁管４０の外部に露出している。第１の電極１０の材質は、例えば、ステンレス（ＳＵＳ）である。もちろん、その他の金属もしくは合金を用いてもよい。第１の電極１０の外径は、例えば、１ｍｍ以上５ｍｍ以下の範囲内である。第１の電極１０の肉厚は、例えば、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内である。あくまで例示であり、これら以外の大きさのものを用いてもよい。

第２の電極２０は、円筒形状の電極である。第２の電極２０は、筒状であれば、多角形等その他の形状であってもよい。第２の電極２０は、第１の絶縁部材５０を覆うように形成されている。そのため、第２の電極２０の円筒内部には、絶縁管４０および第１の絶縁部材５０が配置されている。しかし、第２の電極２０の円筒内部には、第１の電極１０は、配置されていない。また、第２の電極２０は、第１の絶縁部材５０と第２の絶縁部材６０との間に挟まれている。そのため、第２の電極２０は、その周囲をすべて絶縁体で覆われている。第２の電極２０の材質は、例えば、アルミニウムである。もちろん、その他の金属（合金を含む）を用いてもよい。第２の電極２０の厚みは、１ｍｍ程度である。

第３の電極３０は、円筒形状の電極である。第３の電極３０は、筒状であれば、多角形等その他の形状であってもよい。第３の電極３０は、第２の絶縁部材６０を覆うように形成されている。そのため、第３の電極３０の円筒内部には、円筒の中心から絶縁管４０と、第１の絶縁部材５０と、第２の電極２０と、第２の絶縁部材６０と、がこの順序で配置されている。つまり、第３の電極３０は、絶縁管４０からみて第２の電極２０よりも遠い位置に配置されている。また、第３の電極３０は、第２の絶縁部材６０と第３の絶縁部材７０との間に挟まれている。そのため、第３の電極３０は、その周囲をすべて絶縁体で覆われている。第３の電極３０の材質は、例えば、アルミニウムである。もちろん、その他の金属（合金を含む）を用いてもよい。第３の電極３０の厚みは、１ｍｍ程度である。

絶縁管４０は、プラズマ発生装置１００の筐体である。絶縁管４０は、第１の電極１０と第２の電極２０との間に配置されている。絶縁管４０の内部には、第１の電極１０が配置されており、絶縁管４０の外部には、第２の電極２０と第３の電極３０とが配置されている。絶縁管４０の材質は、アルミナ、ジルコニア、マグネシア、ムライト、ガラス、その他の材質を用いることができる。絶縁管４０の内径は、１０ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲内の程度である。絶縁管４０の肉厚は、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下の範囲内の程度である。絶縁管４０の長さは、１０ｃｍ以上１５ｃｍ以下の範囲内の程度である。

絶縁管４０の一方の端部は、開口している開口部４１である。そして、図１に示すように、開口部４１は、プラズマを照射するプラズマ照射口である。絶縁管４０における開口部４１の反対側の端部４２には、第１の電極１０が突出している。そして、端部４２では、絶縁管４０と第１の電極１０との間の隙間は、封止部材８０により封止されている。第１の電極１０におけるマイクロホローＨ１の反対側には、ガス供給部（図示せず）が設けられている。ガス供給部は、チューブ等を介して第１の電極１０の円筒の内部と連通している。そのため、プラズマ発生装置１００は、図１の矢印Ｄ１の向きに放電ガスを供給することができる。

第１の絶縁部材５０は、絶縁管４０の絶縁耐性を向上させるためのものである。第１の絶縁部材５０は、絶縁管４０の外周部に沿って形成されている。第１の絶縁部材５０として、ポリイミド、テフロン（登録商標）等を用いることができる。その他の材料も用いることができる。ここで、テープ状のものを用いると、絶縁管４０の外周部に巻きつけることが容易である。

第２の絶縁部材６０は、第２の電極２０と第３の電極３０との間の位置に配置されている。そして、第２の絶縁部材６０の材質は、第１の絶縁部材５０と同様のものを用いてよい。

第３の絶縁部材７０は、第３の電極３０より外側の位置に配置されている。そして、第３の絶縁部材７０の材質は、第１の絶縁部材５０と同様のものを用いてよい。

図１に示すように、絶縁管４０の軸方向（図１の上下方向）でみると、第３の電極３０の両方の端部は、第２の電極２０の両方の端部よりも内側に位置している。そのため、第１の電極１０からみて最も近い電極は、第３の電極３０ではなく、第２の電極２０である。

２．電位付与部
第１の電位付与部１１０は、第１の電極１０に電位を付与するためのものである。そのため、第１の電位付与部１１０は、第１の電極１０と導通している。第１の電位付与部１１０は、商用交流（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）電源１００Ｖを昇圧した高電圧を印加することができる。ここで、インバーター構成により、１０ｋＨｚ以上１００ｋＨｚ以下程度の高い周波数の成分を重畳してもよい。このように、第１の電位付与部１１０が第１の電極１０に電位を付与するため、第１の電極１０と第２の電極２０との間に電圧が印加されることとなる。

第２の電位付与部１２０は、第３の電極３０に電位を付与するためのものである。そのため、第２の電位付与部１２０は、第３の電極３０と導通している。第２の電位付与部１２０は、例えば、接地されている。このとき、第３の電極３０には、ゼロ電位が付与される。または、第２の電位付与部１２０は、第３の電極３０にゼロ電位以外の一定の電位を付与してもよいし、周期的に変化する電位を付与してもよい。このように、第２の電位付与部１２０が第３の電極３０に電位を付与するため、絶縁部材６０を介して第２の電極２０に電圧が印加されることとなる。

３．第２の電極および第３の電極の構成
絶縁管４０の外部には、第２の電極２０と第３の電極３０とを有する二重電極構造となっている。そして、第２の電極２０と第３の電極３０との間には、第２の絶縁部材６０がある。このように二重電極構造になっているため、第１の電極１０と第２の電極２０との間に配置されている絶縁管４０の厚み方向に加わるパルス的衝撃電界がある程度緩和される。すなわち、絶縁管４０の円筒内部と円筒外部との間に、局所的に大きな電界が形成されることが抑制される。そのため、絶縁管４０は、絶縁破壊しにくい。したがって、小型化されたプラズマ発生装置１００は、安定したプラズマ発生源である。

４．第１の電極の形状
図２は、第１の電極１０の先端部１１の周辺を示す斜視図である。図３は、第１の電極１０の円筒の中心およびマイクロホローＨ１を含む断面を示す断面図である。第１の電極１０の先端部１１は、端面Ｓ１と面Ｓ２とを有している。端面Ｓ１は、面Ｓ２より第１の電極１０の軸方向の外側に突出している突出部である。つまり、第１の電極１０の先端部１１は、軸対称ではない。

端面Ｓ１には、マイクロホローＨ１が形成されている。マイクロホローＨ１は、スリット状の溝である。マイクロホローＨ１の深さは、０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の範囲内である。マイクロホローＨ１の幅は、０．１ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の範囲内である。これらの数値範囲はあくまで例示であり、その他の数値範囲を用いることもできる。

このような構造になっているため、突出した端面Ｓ１のマイクロホローＨ１の周辺で放電が生じやすい。そのため、プラズマ密度の高いプラズマを安定して生成することが容易である。

第１の電極１０と第２の電極２０との間に形成される電界の電界強度は、これらの間に印加される電圧に比例し、これらの間の距離に反比例する。そのため、第１の電位付与部１１０が付与する電位と、第１の電極１０と第２の電極２０との間の距離とが、重要である。

小型のプラズマ発生装置１００を製造するために、絶縁管４０の外径を小さいものとして設計するとともに、第１の電極１０と第２の電極２０との間の距離を大きいものとして設計する。つまり、第１の電極１０の端面Ｓ１の位置を、第２の電極２０の位置から比較的遠い位置に配置することができる。第１の電極１０の端面Ｓ１の位置と、第２の電極２０における端部４２側の位置との間の距離は、およそ８ｍｍ以上３５ｍｍ以下の範囲内であるとよい。

５．変形例
５−１．内部電極の形状
本実施形態では、絶縁管４０の内部に配置する内部電極として、図１から図３までに示した第１の電極１０を用いることとした。しかし、内部電極の形状は、第１の電極１０に限らない。例えば、図４に示す内部電極２１０を用いてもよい。内部電極２１０の先端部２１１は、端面Ｓ３と面Ｓ４とを有している。端面Ｓ３は、面Ｓ４より内部電極２１０の軸方向の外側に突出している突出部である。このように、内部電極２１０の先端部２１１は、軸対称ではない。そして、端面Ｓ３には、ホローＨ１２が形成されている。このように、軸方向の外側に最も突出している箇所に、ホローＨ１２が形成されている。

５−２．マイクロホローの数
本実施形態では、第１の電極１０の端面Ｓ１に、マイクロホローＨ１を１個形成した。しかし、複数のマイクロホローＨ１を端面Ｓ１に形成してもよい。

５−３．外部電極の形状
本実施形態では、第２の電極２０および第３の電極３０を円筒形状の電極とした。しかし、筒形状でなくてもよい。ただし、第１の電極１０と第３の電極との間に、第２の電極が位置していることが必要である。

５−４．組み合わせ
上記の変形例を組み合わせてもよい。

６．発生させるプラズマ
プラズマ発生装置１００が発生させるプラズマは、非平衡大気圧プラズマである。放電ガスの流量は、０．５ｓｌｍ以上５ｓｌｍ以下の範囲内であるとよい。発生させるプラズマのプラズマ密度は、１×１０¹³ｃｍ^-3以上１×１０¹⁵ｃｍ^-3以下の程度である。また、後述する実験では、放電ガスとして希ガスを用いている。開口部４１から照射されたプラズマは、大気と混じり合う。このため、酸素や窒素に由来する種々のラジカル等が発生する。

７．実験
ここで、本実施形態のプラズマ発生装置１００が発生させるプラズマについて説明する。本実験で用いたプラズマ発生装置１００の各サイズは、次のとおりであった。円筒中心軸方向でみて、開口部４１から第２の電極２０の開口部４１側の端部までの距離は、７ｍｍであった。第２の電極２０の円筒中心軸方向の長さは、２０ｍｍであった。円筒中心軸方向でみて、第１の電極１０と第２の電極２０との間の距離は、１０ｍｍであった。放電ガスの流量は、２ｓｌｍであった。なお、放電ガスとして、ＨｅガスとＡｒガスとの２種類を用いた。

また、５分間継続して、安定したプラズマを発生させることができた。この５分間のプラズマの持続性については、３０回以上繰り返し実施して確かめた。

本実施形態のプラズマ発生装置１００によりプラズマを発生させた場合を図５および図６の写真に示す。図５は、放電ガスとしてＨｅを用いた場合のプラズマを示す写真である。図５に示すように、プラズマの照射径が１ｍｍ程度のプラズマ流が、４ｃｍ程度の長さで表れている。

図６は、放電ガスとしてＡｒを用いた場合のプラズマを示す写真である。図６に示すように、プラズマの照射径が１ｍｍ程度のプラズマ流が、２ｃｍ程度の長さで表れている。

８．発生させるプラズマの利用方法
本実施形態のプラズマ発生装置１００を患者の患部に向けて照射する。そして、酸素や窒素に由来する種々のラジカル等が患部に供給される。絶縁管４０の外径が小さいため、医者がプラズマ発生装置１００を持つのに好適である。また、プラズマの照射径が１ｍｍ程度であるため、患部に照射するのに好適である。

また、患者の体内のごく一部を開腹して、その開腹箇所にプラズマ発生装置１００を挿入する。そして、患部に向けてプラズマを照射する。絶縁管４０の外径が小さいため、患者の開腹箇所に挿入することが容易である。開腹箇所は、十分に小さいため、患者に与える肉体的負担は小さい。

本実施形態のプラズマ発生装置１００は、小型でありながら高密度なプラズマを発生させることができる。そのため、上記の医療用以外の用途にも、当然用いることができる。

９．本実施形態のまとめ
本実施形態のプラズマ発生装置１００は、絶縁管４０の内側に配置された第１の電極１０と、絶縁管４０の外側に配置された第２の電極２０および第３の電極３０と、を有している。そのため、プラズマ発生装置１００を小型化しても、絶縁管４０の絶縁破壊が生じにくい。また、第１の電極１０の先端部１１では、突出している端面Ｓ１にマイクロホローＨ１が形成されている。そのため、プラズマ発生装置１００は、プラズマ密度の高いプラズマを生成することができる。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、プラズマを発生させるガスとして、その他の希ガスを用いてもよい。また、酸素や窒素、その他の気体を若干量だけ混入してもよい。

１００…プラズマ発生装置
１０…第１の電極
２０…第２の電極
３０…第３の電極
４０…絶縁管
５０…第１の絶縁部材
６０…第２の絶縁部材
７０…第３の絶縁部材
８０…封止部材
１１０…第１の電位付与部
１２０…第２の電位付与部
Ｈ１、Ｈ１２…マイクロホロー
Ｓ１、Ｓ３…端面
Ｓ２、Ｓ４…面

Claims (4)

1. 筒状の第１の電極と、
   第２の電極と、
   絶縁管と、
   を有するプラズマ発生装置において、
   前記第１の電極の第１の先端部は、
   前記絶縁管の内部に配置されており、
   前記第２の電極は、
   前記絶縁管の外部に配置されており、
   前記第１の電極の前記第１の先端部は、突出部を有しており、
   前記突出部には、マイクロホローが形成されていること
   を特徴とするプラズマ発生装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ発生装置において、
   前記絶縁管の外側に配置された第３の電極を有し、
   前記第３の電極は、前記絶縁管からみて前記第２の電極よりも遠い位置に配置されていること
   を特徴とするプラズマ発生装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ発生装置において、
   前記第２の電極および前記第３の電極は、
   いずれも筒状の電極であり、
   前記第３の電極の筒の内側に前記第２の電極が配置されていること
   を特徴とするプラズマ発生装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、
   前記第１の電極の第２の先端部の側には、
   放電ガスを供給するガス供給部が配置されており、
   前記ガス供給部は、
   前記第１の電極の筒状の内部と連通していること
   を特徴とするプラズマ発生装置。