專利名稱：一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體放電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種人體可直接觸摸的低溫等離子 體的產(chǎn)生裝置。
背景技術(shù)：
在目前氣體放電技術(shù)中，等離子體可根據(jù)氣體溫度與電子溫度的不同分為兩類 熱平衡等離子體與非熱平衡等離子體。在非熱平衡等離子體中，電子的溫度可高達(dá)數(shù)萬攝 氏度，而離子和氣體的溫度遠(yuǎn)小于電子的溫度甚至可保持在室溫。這種非熱平衡等離子體 中富含活性粒子，這些活性粒子在殺菌消毒，廢氣處理，材料表面處理等諸多領(lǐng)域中起關(guān)鍵 作用。等離子體源可以根據(jù)氣體放電原理的不同可分為電暈放電、輝光放電、電弧放電、 介質(zhì)阻擋放電。等離子體源還可以分為低氣壓等離子體源和高氣壓等離子體源?？紤]到能 直接在外界空氣中產(chǎn)生等離子體的經(jīng)濟(jì)性和方便性，最近的關(guān)于低溫大氣壓非熱平衡等離 子體研究備受關(guān)注。以下是幾種現(xiàn)有的產(chǎn)生低溫大氣壓非熱平衡等離子體的裝置(1)交流非熱平衡等離子體射流裝置，見文獻(xiàn)l(Yong Cheol Hongetal. "Microplasma jet at atmospheric pressure，，Appl Physics Letter 89, 221504(2006))，其中描述了一種大氣壓下以氮?dú)鉃楣ぷ鳉怏w產(chǎn)生等離子射流的裝置，該裝 置如圖1所示，包括電極4、接地電極6、介質(zhì)圓片14、介質(zhì)容器10和(交流)電源1，電極 4和接地電極6由介質(zhì)圓片14隔開，并共同置于介質(zhì)容器10中，(交流)電源1連接電極 4和接地電極6;工作時(shí)，(交流)電源1調(diào)至高壓，頻率20千赫茲，以3升/秒的流量速 度向介質(zhì)容器10輸入工作氣體13 (氮?dú)?，在電極4和接地電極6間進(jìn)行放電產(chǎn)生等離子 體，并從氣體輸出口 15以約255米/秒的速度噴射出等離子體射流5，等離子體射流5長度 6. 5厘米，溫度接近室溫。電極4和接地電極6都與等離子體射流5直接接觸，易發(fā)生弧光 放電，對(duì)于牙齒清洗、根管治療以及傷口輔助愈合等一些實(shí)際應(yīng)用不安全。(2)射頻非熱平衡等離子體射流裝置，見文獻(xiàn)2 (E stoffelsetal. "Plasma needle for in vivo medical treatment :recent developments andperpectives'Tlasma Source Sci. Technol. 15 (2006))，其中描述了 一種射頻等離子體針裝置，該裝置如圖2所示，包括 電極4、介質(zhì)容器10、絕緣介質(zhì)層16、電源(射頻)1。絕緣介質(zhì)層16為直徑4毫米的陶瓷 管。電源1為10兆赫茲的射頻電源，與電極4相連。電極4為直徑0.3毫米的鎢絲，放置 于絕緣介質(zhì)層16中央，頂端不包含于絕緣介質(zhì)層16內(nèi)，裸露于外部空間中，并與絕緣介質(zhì) 層16 —起由固定架17固定于介質(zhì)容器10中央，工作氣體13從氣體輸入口 18輸入。操作 時(shí)能產(chǎn)生相應(yīng)直徑為2. 5毫米的等離子體射流5。該裝置的電極4頂端部分暴露于外部空 間中，并與等離子體射流5直接接觸，產(chǎn)生的等離子體射流5長度短、溫度較高，距離電極4 尖端1. 5毫米和2. 5毫米處的等離子體射流5溫度分別為90攝氏度和50攝氏度。(3)脈沖直流非熱平衡等離子體射流裝置，見文獻(xiàn)3 (Xinpei Lu etal. "Dynamicsof an atmopheric pressure plasma generated by submicrosecondvoltage pulses"J App 1. Phys 100. 063302 (2006))，其中描述了一種等離子體筆裝置，該裝置如圖3所示，包 括電極4、接地電極6、介質(zhì)容器10、介質(zhì)圓片14、介質(zhì)圓環(huán)19、電源1。電極4和接地電極 6均為相同尺寸的金屬圓環(huán)，分別粘貼于兩塊介質(zhì)圓片14上，之間隔有介質(zhì)圓環(huán)19，并一起 位于介質(zhì)容器10前端。工作氣體13為氦氣，電源1為脈沖直流電源。操作時(shí)能產(chǎn)生5厘 米長的等離子體射流5，等離子體射流5溫度接近室溫。該裝置不足之處在于一定條件下， 比如電壓脈寬高于IOus時(shí)電極4和接地電極6間可能發(fā)生電弧放電。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)于直流空氣電暈放電裝置中出現(xiàn)的人體不能直接觸摸等離子體、射流裝置的 高壓電極不安全和高壓電極與接地電極之間會(huì)發(fā)生弧光放電的問題，本實(shí)用新型提出了一 種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置。本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括電源、 電阻、電容和高壓電極，所述高壓電極通過串聯(lián)電阻與電源相連，并通過并聯(lián)電容接地，所 述電阻起限流作用，電源通過電阻對(duì)并聯(lián)電容充電，當(dāng)高壓電極達(dá)到放電間隙處的工作氣 體的擊穿電壓時(shí)，工作氣體電暈放電，即產(chǎn)生人體可直接觸摸的低溫等離子體。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的高壓電極為單個(gè)呈針形、棒狀或片狀的導(dǎo) 體。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的高壓電極由多個(gè)呈針形、棒狀或片狀的導(dǎo) 體組成，設(shè)置在導(dǎo)電極板上，呈線形排列或者陣列排列。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的高壓電極為空心或?qū)嵭?，徑向截面形狀?圓形、圓環(huán)形或多邊形。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述高壓電極的材料可為銅、鋁、不銹鋼及其他導(dǎo) 電材料。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的工作氣體為單質(zhì)氣體或其混合物，或者為 空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的低溫等離子體的長度、粗細(xì)和溫度可通過 調(diào)節(jié)電阻的阻值、電容的電容值和/或高壓直流電源的電壓值而調(diào)整。作為本實(shí)用新型的進(jìn)一步改進(jìn)，所述的電源可以為直流電源、脈沖直流電源或交 流電源。本實(shí)用新型高壓電極可以裸露在空氣中，高壓電極安全，手指可以安全接觸，無電 擊的感覺；同時(shí)在放電過程中，不會(huì)出現(xiàn)弧光放電；產(chǎn)生的低溫等離子體溫度接近室溫，人 體可以安全的與之接觸；工作的氣體可以是氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒀鯕獾葐钨|(zhì)氣體或混有其他 氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物，有利于增加等離子體中活性成 分的種類和數(shù)量；本實(shí)用新型易制作、好維護(hù)、使用方便、成本低、易于攜帶，具有多種實(shí)際應(yīng)用，比 如刻蝕、沉積、材料表面處理、表面清洗、凈化、食物處理、生物醫(yī)學(xué)消毒殺菌、牙齒清洗以及 根管治療等。根據(jù)不同的具體應(yīng)用，選擇不同阻值的電阻和不同電容值的電容，以及工作氣
4體，調(diào)節(jié)高壓直流電源的電壓，產(chǎn)生的等離子體長度、粗細(xì)、溫度可以不同；等離子體溫度接 近室溫時(shí)，人體可以與之安全接觸；等離子體中含有的活性成分的種類和數(shù)量可以根據(jù)不 同的應(yīng)用進(jìn)行選擇。

圖1為現(xiàn)有交流非熱平衡等離子體射流裝置示意圖；圖2為現(xiàn)有射頻等離子體針示意圖；圖3為現(xiàn)有脈沖直流等離子體射流裝置示意圖；圖4為本實(shí)用新型第一個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本實(shí)用新型第二個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為本實(shí)用新型第三個(gè)實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖7(a)、圖7(b)分別為注射針頭狀電極的徑向截面圖和側(cè)視圖；圖8(a)、圖8(b)分別為絕緣介質(zhì)容器徑向截面圖和側(cè)視圖；圖9(a)、圖9(b)分別為導(dǎo)電極板的徑向截面圖和六根不銹鋼針與導(dǎo)電極板相連 的側(cè)視具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型的人體可直接觸摸的低溫等離子體的 產(chǎn)生裝置進(jìn)行詳細(xì)說明。如圖4所示，作為第一個(gè)實(shí)施例，本實(shí)用新型的人體可直接觸摸的低溫等離子體 的產(chǎn)生裝置包括高壓直流電源1、電阻2、電容3和高壓電極4。高壓電極4通過串聯(lián)電阻2 與高壓直流電源1相連，并通過并聯(lián)電容3接地。高壓電極4為單根不銹鋼針，在不銹鋼針 的前端與要處理的人體或動(dòng)物的部位或要處理的物品之間產(chǎn)生的等離子體5的形狀為細(xì) 長的針形狀。電阻2為100兆歐，電容3為3皮法，高壓正極性直流電源電壓為9千伏。由于高 壓電極4的尖端場(chǎng)強(qiáng)很高，會(huì)發(fā)生氣體電暈放電，產(chǎn)生等離子體5，其溫度接近室溫，人體可 以直接與之安全接觸，并且也可以觸摸針頭，不會(huì)有電擊的疼痛感。如圖5所示，本實(shí)用新型的第二個(gè)實(shí)施例，包括高壓直流電源1，電阻2、雜散電容 3、高壓電極4、工作氣體源8、氣體調(diào)控開關(guān)9、介質(zhì)容器10、三通11、介質(zhì)容器10、絕緣堵頭 12。高壓電極4通過串聯(lián)電阻2與高壓直流電源1相連，通過雜散電容3接地。介質(zhì)容器 10呈空心圓管狀，其徑向截面和側(cè)視圖見附圖8，內(nèi)置電阻2，介質(zhì)容器10的一端套接注射 針頭狀的高壓電極4。注射針頭狀的高壓電極4呈空心圓管狀，其徑向截面和側(cè)視圖見附 圖7。電阻2與注射針頭狀的高壓電極4的一端緊密相連。通過套于介質(zhì)容器10的三通 11和絕緣堵頭12，電阻2與高壓直流電源1相連，氣體調(diào)控開關(guān)9將工作氣體源8的工作 氣體13輸入介質(zhì)容器10中。電阻2為100兆歐，電容3為雜散電容，高壓直流電源1電壓為9千伏。介質(zhì)容器 10具有單獨(dú)的工作氣體輸入口 18，三通11與介質(zhì)容器10緊密相連，高壓電極4緊套于介 質(zhì)容器10的另一端，在高壓電極4與要處理的人體或動(dòng)物的部位或要處理的物品之間產(chǎn)生 等離子體5，產(chǎn)生的等離子體5可以與人體直接安全接觸。[0034]工作氣體13可以是下述工作氣體中的一種氦氣、氬氣、氮?dú)?、氧氣等單質(zhì)氣體或 混有其他氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物。介質(zhì)容器10可以是石英玻璃、派克拉斯玻璃和氧化鋁陶瓷等，形狀及尺寸根據(jù)實(shí) 際情況而定。圖7 (a)、圖7 (b)分別為以上第二個(gè)實(shí)施例中的注射針頭狀的高壓電極4徑向截面 圖和側(cè)視圖。圖8 (a)、圖8 (b)分別為以上第二個(gè)實(shí)施例中的介質(zhì)容器10徑向截面圖和側(cè)視圖。如圖6所示，本實(shí)用新型第三個(gè)實(shí)施案例，包括高壓直流電源1、電阻2、電容3、導(dǎo) 電極板6、高壓電極4。高壓電極4通過串聯(lián)電阻2與高壓直流電源1連接，通過并聯(lián)電容 3接地。由多根不銹鋼針組成的高壓電極4。電阻2為100兆歐，電容3為3皮法，高壓直流電源1的電壓為9千伏。在高壓電 極4與要處理的人體或動(dòng)物的部位或要處理的物品之間產(chǎn)生等離子體5，等離子體5可以與 人體直接安全接觸。高壓電極4與導(dǎo)電極板6緊密連接，導(dǎo)電極板6的徑向截面圖和六根不銹鋼針與 導(dǎo)電極板6相連的側(cè)視圖見圖9。 圖9 (a)、圖9 (b)分別為以上第三個(gè)實(shí)施例中的導(dǎo)電極板6的徑向截面圖和六根不 銹鋼針4與導(dǎo)電極板6相連的側(cè)視圖。高壓電極4可以是鎢、銅、鋁或不銹鋼等導(dǎo)電性材料，其結(jié)構(gòu)和形狀可以根據(jù)具體 的應(yīng)用而變化。針形高壓電極4可以為空心或?qū)嵭牡膶?dǎo)體?？招幕?qū)嵭牡尼樞螌?dǎo)體電極徑向截面 形狀為圓形、圓環(huán)形或多邊形中的一種；電極端部、外表面或內(nèi)表面具有針形或尖片形的凸 起。電源可以為直流電源、脈沖直流電源或交流電源。本實(shí)用新型工作時(shí)，高壓電極4通過串聯(lián)電阻2與高壓直流電源1相連，通過并聯(lián) 電容3接地。其中電阻2起主要的限流作用。高壓直流電源1通過所串電阻2對(duì)并聯(lián)電容 3充電，高壓電極4的電壓不斷增大，當(dāng)高壓電極4尖端的場(chǎng)強(qiáng)足夠擊穿周圍的氣體，并能 使得流柱貫穿于高壓電極4與手指或要處理的物品之間的整個(gè)放電間隙，這樣就形成了一 次擊穿，這時(shí)的電壓為擊穿電壓。但氣體擊穿后的場(chǎng)強(qiáng)降到很小，由于空間電荷的影響，放 電通道將會(huì)被阻斷，此時(shí)流過放電間隙的電流將會(huì)很快降到零，電容3上的電荷已經(jīng)釋放 一部分，電壓較低，這時(shí)高壓直流電源1又一次通過串聯(lián)電阻2對(duì)電容3進(jìn)行充電。這樣如 此循環(huán)，就形成了周期的脈沖放電，實(shí)驗(yàn)測(cè)量到的電流為周期性的脈沖電流。通過選擇不同 的阻值2和不同電容值的電容3以及調(diào)節(jié)高壓直流電源1的電壓，氣體放電產(chǎn)生等離子體 5的長度、粗細(xì)、溫度均可調(diào)整。利用上述裝置產(chǎn)生低溫等離子體的方法具體包括如下步驟第一步選擇工作氣體，所述工作氣體可氦氣、氬氣、氮?dú)狻⒀鯕獾葐钨|(zhì)氣體或混有 其他氣體的混合氣體，也可以是空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī)物。第二步調(diào)節(jié)電阻2的阻值，使其阻值在1兆歐到3000兆歐之間；并調(diào)節(jié)并聯(lián)電容 3的電容值，使其電容值在0到100皮法之間。第三步啟動(dòng)高壓直流電源1，調(diào)節(jié)高壓直流電源1電壓，使電壓的范圍為0.2千伏到100千伏。第四步將要處理的人體或動(dòng)物的部位或要處理的物品放在距高壓電極4 一定距 離處，形成放電間隙，在該放電間隙中的氣體發(fā)生電暈放電，即產(chǎn)生低溫等離子體5，從而能 夠?qū)σ幚淼娜梭w或動(dòng)物的部位或要處理的物品進(jìn)行處理。以上的實(shí)施例中，高壓直流電源電壓范圍可在0. 2千伏到100千伏之間，電阻范圍 可在1兆歐到3000兆歐之間，電容范圍可在0到100皮法之間，產(chǎn)生的等離子體長度可在 0. 1毫米到100毫米之間變化，產(chǎn)生的等離子體可接近室溫或高于室溫，并且氣體放電不會(huì) 出現(xiàn)弧光放電。當(dāng)產(chǎn)生的等離子體接近室溫時(shí)，人體可以與之直接安全接觸，人體手指可以 直接觸摸高壓電極，而無電擊的疼痛感。
權(quán)利要求1.一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其特征在于，該裝置包括電源 (1)、電阻(2)、電容(3)和高壓電極(4)，所述高壓電極(4)通過串聯(lián)電阻(2)與電源(1)相 連，并通過并聯(lián)電容(3)接地，所述電阻(2)起限流作用，電源(1)通過電阻(2)對(duì)并聯(lián)電容 (3)充電。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其特征在 于，所述的高壓電極(4)為單個(gè)呈針形、棒狀或片狀的導(dǎo)體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其特征在 于，所述的高壓電極(4)由多個(gè)呈針形、棒狀或片狀的導(dǎo)體組成，設(shè)置在導(dǎo)電極板(6)上，呈 線形排列或者陣列排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其特 征在于，所述的高壓電極(4)為空心或?qū)嵭?，徑向截面形狀為圓形、圓環(huán)形或多邊形。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其 特征在于，所述高壓電極(4)的材料可為銅、鋁或不銹鋼。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置， 其特征在于，所述的工作氣體為單質(zhì)氣體或其混合物，或者為空氣、氣態(tài)化合物或氣態(tài)有機(jī) 物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其 特征在于，所述的低溫等離子體(5)的長度、粗細(xì)和溫度可通過調(diào)節(jié)電阻(2)的阻值、電容 (3 )的電容值和/或高壓直流電源(1)的電壓值而調(diào)整。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，其 特征在于，所述的電源可以為直流電源、脈沖直流電源或交流電源。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種人體可直接觸摸的低溫等離子體的產(chǎn)生裝置，包括電源(1)、電阻(2)、電容(3)和高壓電極(4)，所述高壓電極(4)通過串聯(lián)電阻(2)與電源(1)相連，并通過并聯(lián)電容(3)接地，所述電阻(2)起限流作用，電源(1)通過電阻(2)對(duì)并聯(lián)電容(3)充電，當(dāng)高壓電極(4)達(dá)到放電間隙處的工作氣體的擊穿電壓時(shí)，工作氣體電暈放電，即產(chǎn)生人體可直接觸摸的低溫等離子體。本實(shí)用新型易制作、好維護(hù)、使用方便、成本低、易于攜帶，具有多種實(shí)際應(yīng)用，比如材料表面處理、食物處理、生物醫(yī)學(xué)消毒殺菌、牙齒清洗以及根管治療等。
文檔編號(hào)H05H1/24GK201789680SQ20102029067
公開日2011年4月6日 申請(qǐng)日期2010年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月13日
發(fā)明者盧新培, 吳淑群, 潘垣 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)