CN203734909U - 等离子体系统和等离子体装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型公开一种等离子体系统和等离子体装置。所述等离子体系统包括：等离子体装置，所述等离子体装置包括内侧电极和围绕内侧电极同轴布置的外侧电极，其中，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极是温度受控的；可电离介质源，所述可电离介质源被联接到等离子体装置，并被配置成给等离子体装置供给可电离介质；以及动力源，所述动力源被联接到内侧电极和外侧电极，并被配置成在等离子体装置处触发可电离介质，从而形成等离子体流出物。

Description

等离子体系统和等离子体装置
技术领域
本实用新型涉及等离子体系统和等离子体装置，其用于生物材料或其他材料的表面处理、去除或沉积。更具体地，本实用新型涉及一种在等离子体装置中产生和引导由等离子体生成的化学反应物质和针对所选成分的受激态物质（例如高能光子）的设备。
背景技术
在密集介质（比如液体和大气压力下或大气压力附近的气体）中的放电在合适条件下能产生等离子体。等离子体具有能产生大量化学物质（比如离子、基团、电子、受激态（例如亚稳态）物质、分子碎片、光子等等）的特殊能力。通过改变等离子体电子温度和电子密度，可以在各种内部能量状态下或外部动能分布下产生等离子体物质。另外，调节等离子体的空间特性、时间特性和温度特性能使被等离子体物质及相关光子通量所辐射的材料产生特定的变化。等离子体还能产生包含真空紫外光子在内的光子，所述光子具有足够的能量以在被等离子体光子所辐射的生物材料或其他材料中开启光化学和光催化反应路径。
实用新型内容
等离子体具有广泛的适用性，以给工业、科研和医疗需求提供可选方案，特别是在低温下的工件表面处理。等离子体可以被输送给工件，从而使等离子体所撞击的材料的特性发生多种变化。等离子体具有能产生大通量的辐射（例如，紫外线）、离子、光子、电子和其他受激态（例如亚稳态）物质的独特能力，所述物质适合于通过空间上的、材料选择性上的和时间上的高等控制使材料特性发生变化。选择性的等离子体还可以去除工件的清楚的表层，但是不影响或几乎不影响工件的独立下层，或者选择性的等离子体可以被用于从混合的组织区域有选择地去除特定的组织类型，或在对不同组织类型的相邻器官的影响最小的情况下有选择地去除组织，例如去除胞外基质。
所述独特化学物质的一种合适应用是在工件上或工件内驱动非平衡的或有选择性的化学反应，从而提供仅对某种类型材料的选择性去除。所述选择性处理在生物组织处理（例如，混合的或多层的组织）中是特别需要的，它允许在低温下切割或去除组织，且对下层和相邻组织区别对待。这对于去除胞外基质、生物膜、脂肪和肌肉组织混合物、以及表层清创术是非常有用的。
生物膜是可被嵌入细胞外聚合物的自发形成基质中的微生物（例如，细菌）集合体。具体地，生物膜菌落产生了在细菌种群之间的聚合物链，从而使得所述菌落粘附到各种类型的表面，包括活体组织。确信的是，在活体组织上的生物膜生长会带来各种健康问题，比如感染、中毒休克综合症、肾结石（crystallized kidney）和心脏瓣膜问题。通常在被植入的医疗设备上也能找到导致人工关节或骨骼以及牙植体发生再感染问题的致病生物膜。生物膜能抗化学杀菌剂，因为生物膜能快速地再生并且产生对所用杀菌剂的耐药性。另外，生物膜菌落能改变外表面（例如聚合物链）以更好地保护表层下的细菌，从而进一步提高生存力。
等离子体物质能通过由表面物质的挥发、气化或溶解（例如，基于气体和液体的蚀刻）所导致的化学键破坏、表面终结物质的替换或取代（例如表面功能化）来改变组织表面的化学本质。通过适当的技术、材料选择和条件，能有选择地完全去除一种类型的组织而不影响周围的其他类型的组织。通过控制等离子体状态和参数（包含S-参数、V、I、Θ等等）能选择一组特定的等离子体粒子，然后选择用于材料去除或改性的指定化学路径以及去除所需的组织类型的选择性。本实用新型提供一种用于在宽范围条件下产生等离子体的系统和方法，所述条件包括被改变的几何外形、各种等离子体给料介质、电极数量和位置、以及电激发参数（例如，电压、电流、相位、频率、脉冲状态等等），所有这些都影响受等离子体辐射工件的等离子体的选择性。
启动并维持等离子体放电的电能通过大致导电的电极进行传输，所述电极与可电离介质和其他等离子体给料电容地和/或电感地耦合。本实用新型还提供使用特定电极结构的方法和设备，所述电极结构能提高和增强等离子体操作的所需方面，比如更高的电子温度、对给料具有更强的催化效果以及更多数量的二次发射。具体地，本实用新型提供用于化学反应物的受控释放和保留催化材料的多孔介质。
所述等离子体包括驱动工件处的反应的电子、基团、亚稳态物质和光子，包含被输送给工件的高能电子。控制等离子体状态和参数允许选择一组特定的粒子，然后允许选择用于材料去除或改性的化学路径以及对所需组织类型进行去除的选择性。本实用新型还提供一种用于产生在大气压力下或大气压力附近操作的等离子体的系统和方法。所述等离子体包括与其他等离子体物质合作驱动在材料表面处的反应的电子和光子。被传输给所述材料表面的电子和光子能启动多种处理，所述多种处理包含能在后续反应中挥发的键断裂。改性等离子体可以增强单体的聚合。所述受电子驱动的反应与相关通量协同作用，以获得比单独使用所述反应之一更快的材料去除速率。
根据本实用新型的一个实施例，公开了一种等离子体系统。所述系统包括：等离子体装置，所述等离子体装置包括内侧电极和围绕内侧电极同轴布置的外侧电极，其中，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极是温度受控的；可电离介质源，所述可电离介质源被联接到等离子体装置，并被配置成给等离子体装置供给可电离介质；以及
动力源，所述动力源被联接到内侧电极和外侧电极，并被配置成在等离子体装置处触发可电离介质，从而形成等离子体流出物。
根据上述实施例的一个方面，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极由金属合金形成，并包括覆盖内侧电极和外侧电极中的所述至少一个电极的至少一部分的介电涂层。
根据上述实施例的一个方面，所述等离子体系统还包括：冷却剂组件，所述冷却剂组件包括：供给源，所述供给源被配置成储存冷却剂流体；以及供给罐，所述供给罐被联接到所述供给源，并被配置成使冷却剂流体循环通过内侧电极和外侧电极中的至少一个电极。
根据上述实施例的一个方面，冷却剂组件还包括温度控制器，所述温度控制器具有被配置成测量温度的温度传感器以及冷却器，其中，冷却器被配置成根据被测温度维持预定的温度。
根据上述实施例的一个方面，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔与冷却剂组件流体连通。
根据上述实施例的一个方面，等离子体装置还包括具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体以及具有被限定在外壳体和内壳体之间的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
根据本实用新型的一个实施例，一种被配置成接收可电离介质的等离子体装置被公开。所述等离子体装置包括：具有大致圆柱形管状形状的外侧电极；同轴布置在外侧电极内的内侧电极，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔被配置成联接到冷却剂组件；以及具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体以及具有被限定在外壳体和内壳体之间的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
根据上述实施例的一个方面，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极由金属合金形成，并包括覆盖内侧电极和外侧电极中的所述至少一个电极的至少一部分的介电涂层。
根据上述实施例的一个方面，介电涂层选自由氧化物、氮化物、自然氧化物和自然氮化物构成的组。
根据上述实施例的一个方面，金属合金选自由铝合金和钛合金构成的组。
根据本实用新型的一个实施例，一种等离子体系统被公开。所述等离子体系统包括：等离子体装置，所述等离子体装置包括内侧电极和围绕内侧电极同轴布置的外侧电极，其中，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极是温度受控的；可电离介质源，所述可电离介质源被联接到等离子体装置，并被配置成给等离子体装置供给可电离介质；动力源，所述动力源被联接到内侧电极和外侧电极，并被配置成在等离子体装置处触发可电离介质，从而形成等离子体流出物。所述系统还包括冷却剂组件，所述冷却剂组件包括：供给源，所述供给源被配置成储存冷却剂流体；以及供给罐，所述供给罐被联接到所述供给源，并被配置成使冷却剂流体循环通过内侧电极和外侧电极中的至少一个电极。
根据上述实施例的一个方面，冷却剂组件还包括温度控制器，所述温度控制器具有被配置成测量温度的温度传感器以及冷却器，其中，冷却器被配置成根据被测温度维持预定的温度。
根据上述实施例的一个方面，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔与冷却剂组件流体连通。
根据上述实施例的一个方面，等离子体装置还包括具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体以及具有被限定在外壳体和内壳体之间的冷却剂管腔。
根据上述实施例的一个方面，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
附图说明
被纳入说明书中并作为说明书一部分的附图说明了本实用新型的具体实施例，并且所述附图连同前面所给出的实用新型内容和后面所给出的具体实施方式一起用于阐述本实用新型的原理，其中：
图1是根据本实用新型的等离子体系统的示意图；
图2是根据本实用新型的等离子体装置的截断透视图；
图3是根据本实用新型的图2的等离子体装置的截断侧视图；
图4是根据本实用新型一个实施例的图2的等离子体装置的冷却剂室的截断透视图；
图5是根据本实用新型另一个实施例的图2的等离子体装置的冷却剂室的截断透视图；
图6是展示了在经过处理的对象和未经处理的对象上的生物膜内的比较细菌数的柱状图；
图7是展示了基于在根据本实用新型的图2的等离子体装置的内侧电极和外侧电极之间的间距所产生的氧气的柱状图。
具体实施方式
通过使用电能产生等离子体，所述电能使用合适的发生器、电极和天线、以从大约0.1赫兹（Hz）到大约100千兆赫（GHz）的频率（包含射频（“RF”，从大约0.1MHz到大约100MHz）频带和微波（“MW”，从大约0.1千兆赫到大约100千兆赫）频带）、在连续模式或脉冲模式下、以直流电（DC）或交流电（AC）的形式进行输送。激发频率、工件和被用于给回路传输电能的电路的选择影响着所述等离子体的很多特性和要求。等离子体化学生成性能、气体或液体给料输送系统以及电激发电路的设计是相互关联的，因为工作电压、频率和电流水平以及相位的选择都影响电子温度和电子密度。另外，电激发和等离子体装置硬件的选择也决定了给定等离子体系统如何动态地响应在原等离子体气体或液体介质（host plasma gas or liquid media）中加入新的成分。相应的电驱动的动态调整（比如通过动态匹配网络）或对电压、电流或激发频率的调整可以被用于维持从电路传递到等离子体的受控功率。
先参见图1，公开了等离子体系统10。所述系统10包含被联接到动力源14、可电离介质源16和化学前体源或预电离源18的等离子体装置12。动力源14包含任何适合于给等离子体装置12传输功率或匹配阻抗的部件。更具体地，动力源14可以是任何射频发生器、或能产生电功率以触发并维持可电离介质进而产生等离子体流出物32的其他合适的动力源。所述等离子体装置12可以被用作对组织施加等离子体的电外科手术笔，而所述动力源14可以是适于给该装置12提供在大约0.1MHz到大约2450MHz（在另一个实施例中从大约1MHz到大约160MHz）频率下的电功率的电外科发生器。在实施例中，电能可以作为两种或多种频率的混合物（例如，13.56MHz&60MHz混合）进行提供。还可以使用连续或脉冲直流（DC）电能或者连续或脉冲RF电能触发所述等离子体。
前体源18可以包含扩散器（bubbler）或喷雾器，所述扩散器或喷雾器被配置成在将前体给料引入所述装置12之前雾化该前体给料。在实施例中，该前体源18还可以包含能产生所述前体给料的从大约1毫微微升（femtoliter）到大约1毫升体积的预定精细微滴体积的微滴系统或喷射器系统。所述前体源18还包含微流体装置、压电泵、或超声蒸发器。
所述系统10通过所述装置12给工件“W”（例如，组织）提供等离子体流。包含可电离介质和前体给料的等离子体给料分别通过可电离介质源16和前体源18供给到所述等离子体装置12。在运行期间，前体给料和可电离介质被提供给等离子体装置12，在该装置中等离子体给料被触发，以从携带内能的特定受激态物质和亚稳态物质形成包含离子、基团、光子的等离子体流出物32，从而在工件“W”中或工件表面上驱动所需的化学反应。所述给料可以在等离子体流出物的触发位置的上游或者触发位置的中游（例如，触发位置处）被混合，如图1中所示以及下面更详细地描述那样。
可电离介质源16给等离子体装置12提供可电离给料。所述可电离介质源16被联接到等离子体装置12，并可以包含储罐和泵（未明确示出）。所述可电离介质可以是液体或气体，比如氩、氦、氖、氪、氙、氡、二氧化碳、氮、氢、氧、以及它们的混合物等等。这些气体和其他气体最初可以是液态，在施用期间被气化。
前体源18给等离子体装置12提供前体给料。所述前体给料可以是固态、气态或液态，并可以与任意状态（比如固体、液体（例如微粒、纳米微粒或微滴）、气体、和它们的组合）的所述可电离介质混合。所述前体源18可以包含加热器，从而在所述前体给料是液体的情况下，所述前体给料可以在与所述可电离介质混合之前被加热成气态。
在一个实施例中，所述前体可以是如下的任意化学物质：当所述任意化学物质被来自动力源14的电能触发后或者在受到由可电离介质16所形成的粒子（电子、光子、或其他具有有限的和有选择的化学反应能力的载能物质）的撞击后，所述任意化学物质能在等离子体驱动离解（drive dissociation）后形成反应物质（比如离子、电子、受激态（例如亚稳态）物质、分子碎片（例如，基团）等等）。更具体地，所述前体可以包含各种反应官能团，比如酰基卤、醇、醛、烷烃、烯烃、氨化物、胺、丁基、碳水化合物、氰酸盐、异氰酸盐、酯、醚、乙烷基、卤化物、卤代烷、羟基、酮、甲基、硝酸盐、硝基、腈、亚硝酸盐、氧、氢、氮、和它们的组合。在实施例中，所述化学前体可以是水、卤代烃，比如二氯甲烷、三氯甲烷、四氯化碳、二氟甲烷、三氟甲烷、四氟化碳等等；过氧化物，比如过氧化氢、过氧化丙酮、过氧化苯甲酰等等；醇，比如甲醇、乙醇、异丙醇、乙二醇、丙二醇、碱性物比如NaOH、KOH、胺、烷烃、烯烃等等。所述化学前体可以以基本纯净、混合、或溶解的形式被使用。
所述前体及其官能团和纳米微粒可以被输送到一个表面，以与工件“W”的表面物质（例如，分子）反应。换句话说，所述官能团可以被用于改变或取代工件“W”已有的化学表面末端。所述官能团由于其自身的高反应性和等离子体所赋予的反应性，能轻易地与所述表面物质反应。另外，所述官能团还在所述等离子体体积输送到工件之前在等离子体体积内反应。
在所述等离子体中产生的某些官能团能就地反应，从而合成后续在所述表面上形成沉积物的物质。所述沉积物可以被用于促进康复、杀灭细菌、以及提高亲水特性和吸水特性，从而使组织与所述电极或其他组织的粘连最小化。另外，某些官能团的沉积物还可以包裹所述表面，从而获得预定的气体/液体扩散（例如允许气体渗入但阻止液体交换），从而结合或促进表面的结合，或者作为一种物理保护层。
所述可电离介质源16和所述前体源18可以通过管道13a和13b分别联接到等离子体装置12。所述管道13a和13b可以组合成单根管道（例如，通过Y形接头），从而在所述装置的近端处给装置12输送可电离介质与前体给料的混合物。这使得等离子体给料（例如所述前体给料、纳米微粒和可电离气体）在装置中的混合物被触发之前被同时输送给等离子体装置12。
在另一个实施例中，所述可电离介质源16和所述前体源18可以通过管道13a和13b被分开地联接到等离子体装置12，从而使给料的混合发生在等离子体装置12内在触发位置的上游。换句话说，在等离子体给料触发之前，所述等离子体给料在触发位置（其可以是各自的源16、18与等离子体装置12之间的任何位置）的近侧被混合，从而针对工件“W”上的每种特定表面处理产生所需的等离子体流出物物质通量（例如微粒/cm2秒）的混合。
在另一个实施例中，所述等离子体给料可以在中游（例如在触发位置处或在等离子体流出物的下游）直接混入所述等离子体。更具体地，所述管道13a和13b可以在触发位置处被联接到装置12，从而前体给料和可电离介质在混合的同时被触发（图1）。还能预见到，所述可电离介质可以在所述触发位置的近侧被提供给装置12，而所述前体给料在该触发位置处与之混合。
在另一个示范实施例中，所述可电离介质可以在未混合状态下被触发，所述前体可以被直接混入触发后的等离子体中。在混合之前，所述等离子体给料可以被单独触发。所述等离子体给料以预定的压力被供应，以产生通过装置12的介质流，这有助于等离子体给料的反应并产生等离子体流出物。根据本实用新型的等离子体在正常大气条件下以大气压力或大气压力左右的压力被产生。
所述系统10还包含用于冷却装置12尤其是等离子体流出物32的冷却剂组件15。所述冷却剂组件15包含用于给装置12提供冷却剂流体33（图4）的供给源21（例如，罐、袋等）和供给泵17。供给泵17可以是现有技术中被配置成使得冷却剂流体33循环通过装置12的任意合适类型的泵。在实施例中，所述泵17可以在冷却剂流体通道内（即冷却剂管腔124，224，324、入口管120，230，330和出口管132，232，332（分别参见图2，4和5）内）产生负压。所述负压防止冷却剂流体33通过冷却剂管腔124，224，324、入口管120，230，330和出口管132，232，332内的任何潜在的裂口泄漏，从而使得无菌领域内泄漏的可能性最小化。
所述冷却剂流体可以是气体、和/或液体与气体的混合物。供给罐17储存冷却剂流体33，并且在一个实施例中可以保持该流体处于预定的温度下（例如，-10℃）。冷却剂流体33可以是防止装置12短路的介电流体，比如除离子水、丙二醇、乙二醇、以及它们的组合物等等。所述冷却剂组件15包含具有与冷却剂流体33连通的温度传感器23（例如温度探针、热敏电阻、热电偶）的温度控制器19（例如浸入循环器）。所述温度控制器19还包含用于根据所述温度传感器的温度读数调节冷却剂流体33温度的冷却器22。
参见图2，所述装置12包含被同轴地设置在温度受控外侧电极123内的温度受控内侧电极122。所述内侧电极122具有在其中限定了管腔124的大致圆柱管状。所述内侧电极122包含开放的近端126和封闭的远端128。所述内侧电极122通过一个或多个入口管130和出口管132被联接到所述冷却剂组件15。所述冷却剂组件15使冷却剂流体33循环通过所述管腔124，从而冷却所述内侧电极122。
所述外侧电极123也具有在其中限定了具有第一直径的管腔125的大致圆柱管状。所述外侧电极123包含开放的近端136和远端138。所述远端138包含被设置在中心的开口140。所述开口140具有小于管腔125的第一直径的第二直径，使得等离子体流出物32能以更快的速度流过该开口。
所述电极122和123可以由适合于触发等离子体的导电材料形成，比如金属和金属-陶瓷复合物。在一个实施例中，电极122和123可以由导电金属形成，该导电金属包括设置在其上的自然氧化物或氮化物复合物。
所述装置12还包含被设置在内侧电极122和外侧电极123之间的电极隔件150。所述电极隔件150可以被设置在内侧电极122和外侧电极123之间的任意位置处，从而在内侧电极122和外侧电极123之间提供一种同轴结构。所述电极隔件150包含适于内侧电极122插入穿过其中的中央开口152、以及被径向地围绕该中央开口152设置以允许可电离介质和前体流过装置12的一个或多个流动开口154。所述电极隔件150可以摩擦地装配到电极122和123，从而将内侧电极122固定在外侧电极123内。所述电极隔件150可以由介电材料（比如陶瓷）形成，从而在内侧电极122和外侧电极123之间提供电容耦合。
在另一个实施例中，所述电极隔件150被可滑动地设置在内侧电极122上。这种结构提供内侧电极122的远侧部124相对外侧电极123的纵向调节，从而获得所需的电极122和123之间的空间关系（例如，控制内侧电极122的远侧部124的暴露）。具体地，这允许调节内侧电极的远端128和外侧电极123的远端138（具体是所述开口140）之间的间距“L”。间距“L”的调节提供了对通过开口140离开的等离子体流出物32的长度的控制。所述间距“L”可以从大约200μm到大约2000μm，在某些实施例中是从大约300μm到大约1500μm。导致最长等离子体流出物32的所述间距“L”可以从大约800μm到大约1200μm，在某些实施例中是从大约950μm到大约1010μm。最短和最长间距“L”可能产生非最佳的等离子体流出物32长度。更具体地，缩短间距“L”减少了管腔125中的空间，从而减少（impeding）了管腔125内用于产生等离子体流出物32的空间。反之，加长间距“L”增加了所述空间，从而防止所述流出物32离开开口140。
所述电极122和123之一可以是活性电极，而另一个可以是中性（例如，中立的）或返回电极，从而便于通过设置在发生器14内给工件“W”提供电绝缘的均衡绝缘变压器（未示出）实现RF能量耦合。每个电极122和123被联接到驱动等离子体生成的动力源14，从而来自动力源14的能量可以被用于触发流过所述装置12的所述等离子体给料。更具体地，所述可电离介质和所述前体经所述开口154和管腔125流过所述装置12（例如，通过电极隔件150并在内侧电极122和外侧电极123之间）。当所述电极122和123被通电后，所述等离子体给料被触发，并形成从装置12的远端发射到工件“W”上的所述等离子体流出物32。
在实施例中，所述内侧电极122和外侧电极123可以包含由绝缘材料或半导体材料形成的涂层，其作为薄膜被沉积在内导体上（例如，原子层沉积物）或者沉积为介电套筒或层。所述涂层被设置在内侧电极122的外表面以及外侧电极123的内表面上。换句话说，内侧电极122和外侧电极123的面朝管腔125的表面包含所述涂层。在一个实施例中，所述涂层可以覆盖内侧电极122和外侧电极123的全部表面（例如，分别是它们的外表面和内表面）。在另一个实施例中，所述涂层可以仅覆盖所述电极122和123的一部分。
所述涂层可以是形成所述内侧电极和外侧电极的金属的纳米多孔自然氧化物或自然氮化物，或者可以是一种沉积层或由离子注入形成的层。在一个示范实施例中，所述内侧电极122和外侧电极123由铝合金形成，而所述涂层是氧化铝（Al2O3）或氮化铝（AlN）。在另一个示范实施例中，所述内侧电极122和外侧电极123由钛合金形成，而所述涂层是氧化钛（TiO2）或氮化钛（TiN）。所述涂层还可以是氧化锌（ZnO2）和氧化镁（MgO）。在某些实施例中，所述涂层还可以是非自然金属氧化物或氮化物，比如氧化锌（ZnO2）和氧化镁（MgO）。
所述内侧电极122和外侧电极123以及所述涂层还可以被配置为一种非均质（heterogeneous）系统。所述内侧电极122和外侧电极123可以由任意合适的电极基片材料形成（例如，导电金属或半导体），而所述涂层可以通过多种涂覆方式被设置在内侧电极122和外侧电极123上。所述涂层可以通过暴露在氧化环境下、电镀、电化学处理、离子注入、或沉积（例如喷涂、化学气相沉积、原子层沉积等）被形成在所述内侧电极122和外侧电极123上。
在另一个实施例中，在电极122和123上的所述涂层可以彼此不同，且可以起到不同的作用。涂层之一（例如在电极122上的）能被选择成促进二次电子发射的增加，而另一个电极（例如电极123）上的涂层能被选择成促进特定化学反应（例如作为一种催化剂）。
在一个示范实施例中，所述涂层提供在内侧电极122和外侧电极123之间的电容耦合。所形成的电容回路元件结构在内侧电极122和外侧电极123的表面上提供净负偏置电位，该净负偏置电位吸引来自所述等离子体流出物的离子和其他物质。然后这些物质轰击所述涂层并释放出高能电子。
响应于离子和/或光子的轰击具有高的二次电子发射特性γ的材料适合于所述任务。所述材料包含绝缘体和/或半导体。这些材料具有相对较高的γ，其中γ代表每个入射轰击粒子所发射的光子数量。因此，金属通常具有低γ值（例如，小于0.1），而绝缘材料和半导体材料（比如金属氧化物）具有从大约1到大约10的高γ值，而有些绝缘体甚至超过20。所以，所述涂层作为二次发射电子源。
二次电子发射γ可以用公式（1）来描述：
（1）γ=Γsecondary/Γion
在公式（1）中，γ是二次电子发射率或系数，Γsecondary是电子通量，Γion是离子通量。当所述离子冲击碰撞具有足够的能量以引起二次电子发射时，等离子体物质（离子）在涂层上的冲撞会导致发生二次发射，据此产生γ模式放电。通常，优先在电极表面（例如γ＞1）上而不是在气体中（α模式放电）产生电子时的放电通常被称为γ模式放电。换句话说，通过每个离子与涂层的碰撞，发射出预定数量的二次电子。因此，γ也被认为是Γsecondary（例如电子通量）和Γion（例如离子通量）的比值。
这些与涂层表面的离子碰撞继而提供足够的能量用于二次电子发射，从而产生γ放电。涂层材料（比如涂层）产生γ放电的能力随多个参数而变化，影响最大的是之前所述的高γ值材料的选择。这种特性允许涂层作为一种二次发射电子源，或者作为一种催化材料以增强所选择的化学反应路径。
随着时间流逝，所述涂层在所述等离子体工作期间可能变薄或被去除。为了保持所述涂层能持续地提供二次发射电子源，所述涂层可以在所述等离子体工作期间被持续地补充。这可以通过添加能在所述内侧电极122和外侧电极123上重新形成所述自然涂层的物质来实现。在一个实施例中，所述前体源18可以给装置12提供氧气或氮气以补充氧化物或氮化物涂层。
参见图2和4，所述装置12还包含冷却剂室200。所述冷却剂室200具有大致圆柱管形的双壁结构。所述冷却剂室200可以由多种合适的介电材料形成，比如橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯（fluoroethylpropylene）、及它们的组合。
所述冷却剂室200包含大致圆柱管形的壳体202，该壳体具有外壳体202a和内壳体202b。所述壳体202a和202b限定了在它们之间的冷却剂管腔224。所述内壳体202b限定了内管腔225，该内管腔225包含开放的近端226和开放的远端228，从而所述室200能被可滑动地设置在外侧电极123上。具体地，所述外侧电极123可以在某些程序期间被滑入所述内管腔224，并可以在不需要控制温度的程序期间被取出。所述冷却剂管腔225通过一个或多个入口管230和出口管232被联接到所述冷却剂组件15。所述冷却剂组件15使冷却剂流体33循环通过所述管腔225，从而冷却所述外侧电极123。因为所述内管腔225具有大致管状的外形，所以使得所述冷却剂流体33能与所述外侧电极123的整个外表面热接触。
图5示出了冷却剂室300的另一个实施例。所述冷却剂室300具有大致圆柱管形的单壁结构。所述冷却剂室300可以由多种合适的介电材料形成，比如橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯、及它们的组合。
所述冷却剂室300包含限定了管腔325的大致圆柱管形的壳体302。所述壳体302可以由多种合适的介电材料形成，比如橡胶、硅橡胶、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯、及它们的组合。所述管腔325包含开放的近端326和开放的远端328，使得所述室300能被可滑动地设置在外侧电极123上。具体地，所述外侧电极123类似于图4的冷却剂室200那样被滑入所述管腔325。
所述冷却剂室300还包含通过一个或多个入口管330和出口管332被联接到所述冷却剂组件15的冷却剂管腔324。所述冷却剂管腔324可以是具有近端340和远端342的大致螺旋线圈形状。所述近端340被联接到所述冷却剂管之一（例如，入口管330），同时所述远端342被联接到所述冷却剂管中的另一个（例如，出口管332）。这允许冷却剂组件15使冷却剂流体33循环通过所述内腔324，据此冷却所述外侧电极123。所述冷却剂管腔324可以具有所需的节距（例如，一个完整螺圈的宽度），每单位距离上更大的节距导致更少的圈数，而更小的节距产生更多的圈数。所述圈数与从外侧电极123对循环通过所述内腔324的冷却剂流体33的传热效率成比例。
根据本实用新型的装置12适合于医疗应用场合中的生物膜去除。所述装置12提供低温低毒的操作。低温操作在医疗应用场合中是很重要的因素，因为大部分生物材料和生物兼容材料（例如，组织、植体）都是热敏感的。低毒操作也是很重要的考量，因为在任何对活体组织施加等离子体期间都应当使毒性最小化，从而避免对健康组织的任何伤害。
所述冷却剂流体33被循环通过所述内侧电极122以及外侧电极123的外表面，从而冷却在所述管腔125中产生的所述等离子体流出物32。通过维持供应源21内的冷却剂流体33的温度来控制所述等离子体流出物32的温度。具体地，所述等离子体流出物32和其他反应组分/给料与温度受控的电极122和123热接触，这使等离子体流出物32在被施加到工件“W”的表面上之前被冷却。
材料（例如生物膜）挥发或气化的化学动力直接取决于经历挥发的介质（例如等离子体给料）的温度，即，形成挥发物的化学反应随温度增加而增加。本实用新型的化学反应有助于选择性地去除健康软组织或硬组织上的可蒸发生物膜，而不会损害所述组织。因此，通过本实用新型也实现了低温操作和挥发所需温度之间的平衡。化学动力取决于生物反应物（例如生物膜）的浓度和等离子体流出物32所产生的反应基团的浓度。受激态基团与生物反应物的反应是优先于基态反应的相对快速的化学反应。所述的优先使得受激态基团和生物膜能在低温下反应。所述反应可以通过受激态基团的局部高浓度来实现。在一个示范实施例中，可以使用氧基等离子体（例如，氧气被用作前体），这导致基态原子氧和亚稳态氧与空气中的氧分子发生反应，从而形成臭氧自由基，然后该臭氧自由基被用于使生物膜气化。所述氧基等离子体还产生受激态分子亚稳态单重态氧自由基（excited statemolecular metastable singlet-delta oxygen radical），它也可以被用于生物膜的气化。所述单重态氧自由基比臭氧自由基更安全（例如，具有更高的允许暴露极限），同时不用牺牲反应性。因此，本实用新型提供一种管理氧基自由基的数量以满足等离子体在去除生物膜的应用场合的安全性和反应性的系统和方法。
可以通过调节等离子体的以下参数控制单重态受激态氧自由基和臭氧自由基的浓度，包含可电离介质流量、前体气体（例如，氧气）流量、前体气体温度、激发频率、以及加载功率水平。氧气的流量可以从大约0.1l/min到大约10l/min，在某些实施例中是从大约0.2l/min到大约9l/min。前体气体的温度可以从大约-20℃到大约200℃，在某些实施例中是从大约0℃到大约150℃。所述加载功率可以从大约0.01W到大约10KW，在某些实施例中是从大约10W到大约9KW。所述频率可以是从大约0.1MHz到大约100MHz。这允许调整所述氧自由基与等离子体流出物32的比值，从而在去除生物膜的同时不违反安全条件（例如，美国职业安全与卫生管理局（“OSHA”）关于允许暴露极限的规定）。
在操作期间，包含可电离介质（例如，氩、氦或它们的混合物）和前体给料（例如氧气）的等离子体给料被供应给装置12。由经电极122和123传输的电能触发并维持等离子体给料的混合物。温度控制器19在与受冷却电极壁接触的等离子体流出物32和等离子体给料中引起低温。这产生了更冷的气体等离子体给料以及更冷的等离子体流出物32，其中所述气体等离子体给料的温度在大约20℃到大约35℃之间，在某些实施例中是从大约25℃到大约30℃，而所述等离子体流出物由冷却系统15的冷却和加热等离子体给料所施加的电能之间的平衡所产生。通过改变温度受控的电极122和123的冷却以及等离子体激发功率，所述等离子体流出物32可以被冷却到大约10℃到大约500℃，在某些实施例中是从大约25℃到大约35℃。
在等离子体给料中引起的化学反应包括但不限于，等离子体给料的分裂（例如将分子组分分解成组分部分），以及形成基态反应分子（例如，臭氧）和原子氧自由基的反应受激态基团（例如，单重态氧自由基）与原子-分子的碰撞。等离子体给料的流动将所产生的等离子体流出物32（其具有由温度受控等离子体所生成的物质）经开口140推进到生物膜上。
示例
使用两个不锈钢对象，一个是用于控制的控制对象，一个是用于等离子体应用的测试对象，它们被高压灭菌以去除任何细菌的生长。每个对象都被置于大约10ml胰酶大豆肉汤培养基（“TSB”）和大约1μl的浓度为大约1.5×104CFU/ml的生物膜形成性金黄葡萄球菌（“ATCC12600”）的混合物中大约4个小时。
大约1μl的所述混合物被取出以获得ATCC12600浓度的准确数量。所述样本被连续地稀释并通过扩散所述混合物而被涂覆在胰酶大豆琼脂平板上。所述平板被培育整夜（例如，大约24小时），然后测量细菌生长。所测得的细菌浓度大约是2.0×1010CFU/ml。
所述对象被从溶液中取出，然后以大约25ml的磷酸盐缓冲液（“PBS”）洗涤。所述对象被置于新鲜的TSB中大约15小时以重新培育所述生物膜。在第二次静置后，所述对象被取出并再用25ml的PBS洗涤，以从表面上去除非粘附的细菌。所述测试对象用灭菌镊子从PBS中取出，然后放置在用于施加等离子体的无菌容器中。氧气占1%重量的含氩等离子体给料被等离子体装置处的电激发转变成等离子体。所述等离子体装置被-10℃的冷却剂流体所冷却，从而将所述给料气体混合物和所生成的等离子体流出物冷却到大约25℃到大约35℃。被冷却的等离子体被用于从所述不锈钢对象上去除生物膜。流动的等离子体暴露面积时间序列是大约每分钟0.5cm2，RF功率是13.56MHz下大约40W。
处理过后，测试所述对象的细菌生长。所述对象被置于独立的无菌测试管中并被浸入大约10ml的PBS。每个对象先在相应的测试管内被旋转大约30秒。每个对象还以大约40kHz频率的超声处理大约1分钟。超声处理后，每个对象再在相应的测试管内被旋转大约30秒从而形成对照和测试悬液。
从每个悬液取出等分试样。每个样本被连续地稀释，并通过扩散所述混合物而被涂覆在相应的控制与测试胰酶大豆琼脂平板上。所述平板被培育整夜（例如，大约24小时），然后测量细菌生长。控制对象上所测得的细菌浓度大约是1.0×104CFU/ml，而测试对象上没有可检测的细菌生长。
然后测试对象和控制对象被放回大约10mlTBS的独立测试管中，从而评估在需氧菌平板计数的检测极限以下的其他的细菌生长。测试管被培育整夜，然后用视觉检查细菌生长。包含测试对象的测试管具有清澈的TSB溶液。测试对象的所述TSB溶液被次代培养，但是没有表现出额外的生长。
控制对象（例如未暴露）和被处理对象的细菌数在图6中示出，图6将控制对象和测试对象的细菌含量做了比较。通过七次以上的在等离子体照射之后没有观察到再生长的去除记录，完成所述生物膜的去除。
内侧电极和外侧电极之间的间距“L”被调节到200μm和1700μm之间，氧自由基的产生被记录在图7的柱状图中。图7示出了氧和氩的比值在大约600μm的间距“L”附近具有一个峰值。
虽然本实用新型的示范性实施例已经参考附图被描述，但是应当明白本实用新型不限于那些详细的实施例，本领域技术人在不脱离本实用新型范围和实质的前提下能实现各种其他的变化和改动。具体地，如前所述，这允许通过改变等离子体反应物质的相对数量来满足在工件表面上或在反应等离子体体积内所要求的特定程序的需求。

Claims (20)

1.一种等离子体系统，其特征在于，所述等离子体系统包括：
等离子体装置，所述等离子体装置包括内侧电极和围绕内侧电极同轴布置的外侧电极，其中，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极是温度受控的；
可电离介质源，所述可电离介质源被联接到等离子体装置，并被配置成给等离子体装置供给可电离介质；以及
动力源，所述动力源被联接到内侧电极和外侧电极，并被配置成在等离子体装置处触发可电离介质，从而形成等离子体流出物。
2.根据权利要求1所述的等离子体系统，其特征在于，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极由金属合金形成，并包括覆盖内侧电极和外侧电极中的所述至少一个电极的至少一部分的介电涂层。
3.根据权利要求1所述的等离子体系统，其特征在于，所述等离子体系统还包括：
冷却剂组件，所述冷却剂组件包括：
供给源，所述供给源被配置成储存冷却剂流体；以及
供给罐，所述供给罐被联接到所述供给源，并被配置成使冷却剂流体循环通过内侧电极和外侧电极中的至少一个电极。
4.根据权利要求3所述的等离子体系统，其特征在于，冷却剂组件还包括温度控制器，所述温度控制器具有被配置成测量温度的温度传感器以及具有冷却器，其中，冷却器被配置成根据所测得的温度维持预定的温度。
5.根据权利要求3所述的等离子体系统，其特征在于，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔与冷却剂组件流体连通。
6.根据权利要求3所述的等离子体系统，其特征在于，等离子体装置还包括具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
7.根据权利要求6所述的等离子体系统，其特征在于，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体，从而使冷却剂管腔限定在外壳体和内壳体之间。
8.根据权利要求6所述的等离子体系统，其特征在于，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
9.一种等离子体装置，所述等离子体装置被配置成接收可电离介质，其特征在于，所述等离子体装置包括：
具有大致圆柱形管状形状的外侧电极；
同轴布置在外侧电极内的内侧电极，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔被配置成联接到冷却剂组件；以及
具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
10.根据权利要求9的等离子体装置，其特征在于，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体，从而使冷却剂管腔限定在外壳体和内壳体之间。
11.根据权利要求9的等离子体装置，其特征在于，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
12.根据权利要求9的等离子体装置，其特征在于，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极由金属合金形成，并包括覆盖内侧电极和外侧电极中的所述至少一个电极的至少一部分的介电涂层。
13.根据权利要求12的等离子体装置，其特征在于，介电涂层选自由氧化物、氮化物、自然氧化物和自然氮化物构成的组。
14.根据权利要求12的等离子体装置，其特征在于，金属合金选自由铝合金和钛合金构成的组。
15.一种等离子体系统，其特征在于，所述等离子体系统包括：
等离子体装置，所述等离子体装置包括内侧电极和围绕内侧电极同轴布置的外侧电极，其中，内侧电极和外侧电极中的至少一个电极是温度受控的；
可电离介质源，所述可电离介质源被联接到等离子体装置，并被配置成给等离子体装置供给可电离介质；
动力源，所述动力源被联接到内侧电极和外侧电极，并被配置成在等离子体装置处触发可电离介质，从而形成等离子体流出物；以及
冷却剂组件，所述冷却剂组件包括：
供给源，所述供给源被配置成储存冷却剂流体；以及
供给罐，所述供给罐被联接到所述供给源，并被配置成使冷却剂流体循环通过内侧电极和外侧电极中的至少一个电极。
16.根据权利要求15所述的等离子体系统，其特征在于，冷却剂组件还包括温度控制器，所述温度控制器具有被配置成测量温度的温度传感器以及具有冷却器，其中，冷却器被配置成根据所测得的温度维持预定的温度。
17.根据权利要求15所述的等离子体系统，其特征在于，内侧电极具有在其中限定管腔的大致圆柱形管状结构，管腔与冷却剂组件流体连通。
18.根据权利要求15所述的等离子体系统，其特征在于，等离子体装置还包括具有大致圆柱形管状壳体的冷却剂室，圆柱形管状壳体具有被配置成可滑动地设置在外侧电极上的内管腔和被配置成联接到冷却剂组件的冷却剂管腔。
19.根据权利要求18所述的等离子体系统，其特征在于，圆柱形管状壳体包括外壳体和内壳体，从而使冷却剂管腔限定在外壳体和内壳体之间。
20.根据权利要求18所述的等离子体系统，其特征在于，冷却剂管腔具有大致螺旋线圈的形状。
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