Устройство для генерации потока нетермальной плазмы

Заявляемое устройство предназначено для генерации нетермальных потоков газоразрядной плазмы, которые могут быть применены для немедикаментозного лечения септических ран, в стоматологии (лечение пародонтоза, обеззараживание зубных каналов, отбеливание зубов), в дерматологии (немедикаментозное лечение акне, экземы, различных форм дерматитов), в косметологии (неинвазивный плазмолифтинг, послеоперационная реабилитация).
Если классифицировать газоразрядную плазму по уровню энергии электронов (электронная температура), то принято ее делить на низкотемпературную (температура меньше миллиона K) и высокотемпературную (температура миллион K и выше) [1]. Наряду с этим низкотемпературную газоразрядную плазму делят на два типа согласно величине ее газовой температуры:
1) низкотемпературная плазма с высокой газовой температурой (более 42°С), например, пламя свечи, искровой разряд, плазма коагулятора и пр.
2) низкотемпературная плазма с низкой газовой температурой (менее 42°С), например, плазма ртутных люминесцентных ламп низкого давления, плазма неоновых ламп, коронный разряд и пр.
При температуре 42°С и выше происходит денатурация белка, поэтому для терапии различных заболеваний может быть использована только низкотемпературная плазма с низкой газовой температурой, которую также называют нетермальной [2].
Для генерации нетермальной плазмы используются различная конфигурация электродных систем: тлеющий разряд [3], разряд с одним диэлектрическим барьером [4] и двухбарьерная электродная система [5]. Для исключения пробоя высоковольтного напряжения на обрабатываемую поверхность целесообразно использовать двухбарьерную электродную систему, где оба металлических электрода изолированы слоем диэлектрика (фиг. 1). Газоразрядная плазма 4 формируется в межэлектродном пространстве внутри трубки 1 при атмосферном давлении и выносится потоком рабочего газа 6 в виде плазменной струи 5.
Существует устройство [6], где применена электродная система с одним диэлектрическим барьером, а нетермальная плазма генерировалась в виде струи малого диаметра не более 1 мм. Также известно устройство [7], где струя нетермальной плазмы формируется в электродной системе с одним диэлектрическим барьером. На основе этого изобретения был разработан и выпускается серийно аппарат «Гелиос» [8]. Согласно инструкции этого прибора, струя нетермальной плазмы, генерируемая данным устройством, имеет вид цилиндра диаметром 1-1.5 мм, а расход гелия составляет 1.5 л/мин.
Прототипом заявляемого устройства является прибор «Cold plasma generating system» [9], благодаря которому удалось получить струю диаметром до 4 мм. В данном случае использовалась двухбарьерная электродная система, а резонансный источник питания генерировал пачки непрерывных импульсов с частотой единицы и десятки мегагерц. Для получения струи нетермальной плазмы минимальный расход рабочего газа составлял 2 л/мин. Однако генераторы мегагерцового диапазона имеют низкий КПД и сложную схему, а в качестве коммутаторов используется радиолампы.
Технической задачей предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей, повышение надежности и упрощение конструкции.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для генерации потока нетермальной плазмы содержащем высоковольтный источник питания, сопло с электродной системой, устройство прокачки рабочего газа через сопло, согласно полезной модели на электродах напряжение подано в виде импульсов с длительностью 0.3-2 мкс и с паузами между импульсами продолжительностью 10-1000 мкс, для исключения контракции газового разряда при низкой скорости прокачки рабочего газа и снижения газовой температуры струи; реализована многоканальная электродная система, для получения большой однородной площади контакта плазмы с обрабатываемой поверхностью.
Для формирования холодно-плазменных струй принято использовать напряжение гармонической формы, поскольку его легко генерировать, используя резонансные цепи. Исследование влияния формы импульса на газовую температуру и форму горения газового разряда в потоке гелия позволило получить эффективный режим работы источника струи нетермальной плазмы. Применение коротких импульсов напряжения длительностью 0.3-2 мкс ограничивало развитие контракции газоразрядной плазмы в канале, а большие паузы между импульсами способствовали релаксации образованной плазмы. Таким образом, применяя компактный транзисторный генератор импульсов, генерирующий короткие импульсы частотой 5-50 кГц, удалось сформировать диффузный поток нетермальной плазмы диаметром 4 мм при расходе гелия 0.5 л/мин и температуре струи 32°С (фиг. 2).
2
Примененный в заявляемом устройстве способ возбуждения рабочего газа позволил создать компактные и простые электродные системы, которые можно располагать параллельно и в результате получать большую однородную площадь контакта нетермальной плазмы с обрабатываемой поверхностью. Так, например, трехканальная электродная система (фиг. 3) позволила получить площадь контакта 1 см. Расширение площади контакта генерируемой плазмы будет способствовать сокращению процедуры обработки поверхности и экономии рабочего газа.
Литература:
1. Физическая энциклопедия. Гл. ред. А.М. Прохоров, редкол.: Д.М. Алексеев [и др.]: - Большая Российская энциклопедия, 1998 г.
2. М. Laroussi Low-Temperature Plasmas for Medicine // IEEE transactions on plasma science, vol. 37, no. 6, 2009.
3. J. Kolb, A.H. Mohamed, R.O. Price, R.J. Swanson, A. Bowman, R.L. Chiavarini, M. Stacey, and K. H. Schoenbach Cold atmospheric pressure air plasma jet for medical applications // Applied Physics Letters 92, 241501 (2008).
4. J. Asenjo, J. Mora, A. Vargas, L. Brenes, R. Montiel, J. Arrieta, V.I. Vargas Atmospheric-Pressure Non-Thermal Plasma Jet for biomedical and industrial applications // Journal of Physics: Conference Series 591 (2015) 012049.
5. M.Y. Alkawareek, Q. Th. Algwari, G. Laverty, S.P. Gorman, W.G. Graham, D. O'Connell, B.F. Gilmore Eradication of Pseudomonas aeruginosa Biofilms by Atmospheric Pressure Non-Thermal Plasma//PLoS One. 2012; 7(8):e44289.
6. Non-thermal plasma jet device as source of spatial ionization for ambient mass spectrometry and method of application // Патент US 2015/0262804 A1. Дата публикации сентябрь 2015.
7. Устройство генерирования низкотемпературной плазмы // Патент на полезную модель RU 167645, Дата подачи заявки: 02.12.2015.
8. URL: http://plasmamed.ru/index.php/produkciva/gelios
9. Cold plasma generating system // Патент WO 2016/079742 A1. Дата публикации 26.05.2016.