Устройство для генерации потока низкотемпературной плазмы

Полезная модель относится к плазменной технике, в частности к устройствам, генерирующим низкотемпературную плазму, которые могут быть использованы в медицине и биологии.
Принято делить газоразрядную плазму на два типа согласно уровню энергии электронов (электронная температура): высокотемпературная плазма и холодная плазма [1]. Например, пламя свечи считается холодной плазмой, так как энергия электронов в этом случае относительно мала, а газовая температура составляет более 1000°С. Холодную плазму можно условно разделить на два подтипа: нетермальная плазма и холодная плазма с высокой газовой температурой. Газовая температура нетермальной плазмы не превышает 42°С. Холодная плазма с высокой газовой температурой наблюдается в большинстве видов искрового разряда. Оба подтипа холодной плазмы применяются в традиционной медицине. Так, холодная плазма с высокой газовой температурой генерируется в плазменных коагуляторах, в плазменных скальпелях и в аппаратах д'Арсонваля.
Потоки нетермальной плазмы могут быть использованы для немедикаментозного лечения септических ран, в дерматологии (немедикаментозное лечение акне, экземы, различных форм дерматитов), а также в косметологии (неинвазивный плазмолифтинг, послеоперационная реабилитация) [3-5].
Известно «Устройство генерирования низкотепературной плазмы», патент РФ на ПМ №167645, МПК Н05Н 1/24, заявл. 02.12.2015, опубл. 10.01.2017 [6]. Данное устройство включает: блок управления напряжением, генератор питания, высоковольтный трансформатор, пару электродов, ионизационную камеру, устройство формирования газовой смеси, устройства магнитного и электрического воздействия, сопло на выходе смеси из камеры.
К недостаткам вышеуказанного устройства можно отнести его ограниченные возможности (с его помощью можно обрабатывать только гладкие наружные поверхности), конструктивную сложность (наличие элементов магнитного и электрического воздействия, устройства формирования газовой смеси, а также невысокую его электробезопасность вследствие возможной утечки тока с высоковольтного электрода на тело человека.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является «Устройство генерирования низкотемпературной плазмы», патент РФ на ПМ №202393, МПК Н05Н 1/24, заявл. 12.03.2020, опубл. 16.02.2021 [7]. Данное устройство может служить в качестве прототипа.
Устройство, принятое за прототип, содержит: высоковольтный источник питания, сопло с электродной системой, устройство прокачки рабочего газа через сопло, сетевой выпрямитель, транзисторный инвертор, задающий генератор импульсов и повышающий импульсный трансформатор.
Основным недостатком данного устройства являются его ограниченные возможности из-за малой длины (не более 10 мм) плазменной струи, что позволяет обрабатывать только гладкие поверхности ограниченной площади. Кроме того, использование коротких импульсов напряжения длительностью 0.3-2 мкс ограничивает развитие контракции газоразрядной плазмы в канале, а большие паузы между импульсами способствуют релаксации образованной плазмы и снижению газовой температуры пламенной струи. Использование более высокой частоты импульсов приводит к удлинению пламенной струи и одновременно к нежелательному повышению газовой температуры газового разряда.
Техническим результатом предлагаемого устройства является расширение спектра действия устройства путем обеспечения возможности обработки неровных поверхностей (поверхностей с изгибами, со сложным рельефом) за счет удлинения струи нетермальной плазмы. При этом предполагается изменение режима возбуждения электродной системы с одновременным сохранением низкой газовой температуры струи (не более 32°С) и малого расхода рабочего газа (для гелия не более 0.5 л/мин)
Для достижения указанного результата устройство для генерации потока нетермальной плазмы, содержащее высоковольтный источник питания, сопло с электродной системой, устройство прокачки рабочего газа через сопло, сетевой выпрямитель, транзисторный инвертор, задающий генератор импульсов и повышающий импульсный трансформатор, дополнительно оснащено блоком прерывателя импульсов, подающего на электроды напряжение в виде пачек импульсов с частотой 50-1000 кГц, длительностью пачек 50-30 мкс и паузой между пачками импульсов 200-1000 мкс, причем, полярность импульсов возбуждения может быть положительной, отрицательной или чередующейся.
Использование напряжения, возбуждающего газовый разряд, в виде пачек высокочастотных импульсов с относительно большими паузами между пачками обеспечивает возможность получения струи длиной до 40 мм при газовой температуре не более 32°С (Фиг. 1).
Заявленное устройство для генерации потока нетермальной плазмы представлено в виде блок-схемы на фиг. 2.
Блок-схема устройства включает: сетевой выпрямитель 1, транзисторный инвертор 2, задающий генератор импульсов 3, повышающий трансформатор 4, а также блок прерывателя импульсов 5, который на время прекращает работу задающего генератора импульсов 3.
Работа устройства осуществляется следующим образом:
Сетевой выпрямитель 1 преобразует переменное сетевое напряжение в постоянное и служит для питания транзисторного инвертора 2. Задающий генератор импульсов 3 формирует импульсные сигналы на управляющих выводах транзисторов инвертора 2 с необходимой частотой и длительностью. С помощью повышающего трансформатора 4 формируются импульсы с амплитудой несколько киловольт. Блок прерывателя импульсов 5 на время 50-30 мкс прекращает работу задающего генератора импульсов, благодаря чему напряжение на электроды подается в виде пачек импульсов с частотой импульсов 50-1000 кГц, длительностью пачек 50-30 мкс и паузой между пачками импульсов 200-100 мкс. При этом, полярность импульсов возбуждения может быть положительной, отрицательной или чередующейся.
Благодаря высокой частоте повторения импульсов пространство вдоль оси плазменной струи в достаточной степени ионизируется и к концу пачки импульсов длина струи достигает максимального значения. Продолжительная пауза между пачками импульсов способствует релаксации генерируемой плазмы, что предотвращает образование контрагированных плазменных каналов с высокой проводимостью и приводит к снижению газовой температуры струи.
Возможность удлинения струи нетермальной плазмы до 40 мм позволяет обеспечить возможность обработки неровных поверхностей тела (поверхностей с изгибами, со сложным рельефом). При этом предполагается изменение режима возбуждения.
Литература:
1. Физическая энциклопедия. Гл. ред. А.М. Прохоров, редкол.: Д.М. Алексеев [и др.]: - Большая Российская энциклопедия, 1998 г.
2. M. 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. Устройство генерирования низкотемпературной плазмы // Патент на полезную модель RU167645, приоритетот 02.12.2015.
7. Устройство для генерации потока нетермальной плазмы. Патент на полезную модель RU202393, приоритет от 12.03.2020.