[发明专利]一种多段式同轴结构的大气压低温微波等离子体装置

说明书

本发明公开一种多段式同轴结构的大气压低温微波等离子体装置，包括腔体部分、微波耦合部分、调谐部分；腔体部分为外管、中管、内电极构成的多段同轴谐振腔结构，其中微波均以TEM模式进行传输；微波耦合部分可以电导耦合、电容耦合、磁场耦合等方式将微波能量耦合到腔体部分。本发明基于微波冷等离子体射流电子密度大、电离度高、可控性强、清洁无污染、臭氧生成量少等优势，提出多段式同轴结构的大气压低温微波等离子体装置，即改变了微波冷等离子体射流周围的电磁场，实现了自点火，并且在较长射流的长度下稳定了其强度。

技术领域

本发明属于物理学、等离子体生物医学、临床医学等领域，具体的，涉及一种多段式同轴结构的大气压低温微波等离子体装置，可获得稳定的常压长直微波等离子体射流。

背景技术

等离子体是由原子及原子团或分子被电离，导致部分电子被剥夺以后形成的由正负离子组成的电中性气态物质，根据电子和离子的温度，等离子体可分为高温和低温等离子体，其中低温等离子体又分为热等离子体和冷等离子体。而冷等离子体温度接近室温，且伴随着很多活性粒子如氮氧化物、活性氧等物质的产生，适用于医学领域。大气压等离子体射流在伤口处理、消毒杀菌、表面改性、污染处理、半导体行业等方面有着良好的效果。这种低温等离子体射流结构的显著特点是它能够将稳定的等离子体发射到一个具有非常低电场的工作环境中，这使得待处理的目标不需要限制在等离子体装置内，极大提升了使用的便利性、广泛性和安全性，因此在工业、医疗、卫生、生物方面具有比较好的应用前景。其中，等离子体射流的成分、稳定性、长度以及温度等都是需要考虑的关键因素。

大气压冷等离子体射流驱动方式包括直流、交流、射频、微波驱动等，结构包括无介质电极射流、DBD射流、DBD类射流和单电极射流等，其驱动方式及装置结构对射流长度及成分有重要影响。其中，微波冷等离子体射流具有电子密度大、电离度高、可控性强、清洁无污染、臭氧生成量少等优势，可以高效应用于食品工业、制药工业、半导体工艺、消毒杀菌、医疗等各个行业。

冷等离子体射流生成于开放的工作环境中，周围大气的扰动会导致射流长度较短且不稳定，现有的冷等离子体射流通过如下几种方式来解决。

一是利用几种工作气体(如Ar，He，N2)，通过介质阻挡放电(DBD)的方式实现，使用的电源是频率，峰值电压可调的交流电源；

二是通过高压纳秒脉冲驱动，在极高且极快的能量输入下等离子体射流长度被观察到显著增长；

三是通过复合场调制，在微波冷等离子体上额外施加辅助电场,利用该辅助电场牵引带电粒子加速运动，以延长射流的长度(对应专利号CN202210842221.8)。

四是通过复合式双同轴线的结构，以双谐振腔配合双气流进气的方式来调控等离子体射流(对应专利号CN201910658894.6)。

以上几种方式对应存在以下缺点：

1)使用介质阻挡放电(DBD)的方式激发射流时，由于使用了高压电源，射流在引发和实际应用时需要绝缘支架，不易随意移动，不能手持且不够安全，不适用于户外、就地取材等工作环境；

2)在使用高压驱动介质阻挡放电等方式激发放电时，有生成大量臭氧等问题，在应用于临床医学时不利于对处理对象的健康；

3)通过复合式同轴双线及双气流的方式生成微波冷等离子体射流时，由于其双同轴段开口端平齐，电场强度未进一步增强，较难达到微波冷等离子体的自点火所需场强，这制约了其在应用时的便宜程度；

4)复合式同轴双线结构下，气流在开口处可能会出现扰动，若被处理物在气流的扰动下脱离所处位置，有引起生化污染的潜在问题。

发明内容