等離子體系統和等離子體裝置製造方法

2023-10-20 05:08:27 1

等離子體系統和等離子體裝置製造方法【專利摘要】本實用新型公開一種等離子體系統和等離子體裝置。所述等離子體系統包括：等離子體裝置，所述等離子體裝置包括內側電極和圍繞內側電極同軸布置的外側電極，其中，內側電極和外側電極中的至少一個電極是溫度受控的；可電離介質源，所述可電離介質源被聯接到等離子體裝置，並被配置成給等離子體裝置供給可電離介質；以及動力源，所述動力源被聯接到內側電極和外側電極，並被配置成在等離子體裝置處觸發可電離介質，從而形成等離子體流出物。【專利說明】等離子體系統和等離子體裝置【
技術領域：
】[0001]本實用新型涉及等離子體系統和等離子體裝置，其用於生物材料或其他材料的表面處理、去除或沉積。更具體地，本實用新型涉及一種在等離子體裝置中產生和引導由等離子體生成的化學反應物質和針對所選成分的受激態物質(例如高能光子)的設備。【
背景技術：
】[0002]在密集介質(比如液體和大氣壓力下或大氣壓力附近的氣體)中的放電在合適條件下能產生等離子體。等離子體具有能產生大量化學物質(比如離子、基團、電子、受激態(例如亞穩態)物質、分子碎片、光子等等)的特殊能力。通過改變等離子體電子溫度和電子密度，可以在各種內部能量狀態下或外部動能分布下產生等離子體物質。另外，調節等離子體的空間特性、時間特性和溫度特性能使被等離子體物質及相關光子通量所輻射的材料產生特定的變化。等離子體還能產生包含真空紫外光子在內的光子，所述光子具有足夠的能量以在被等離子體光子所輻射的生物材料或其他材料中開啟光化學和光催化反應路徑。
實用新型內容[0003]等離子體具有廣泛的適用性，以給工業、科研和醫療需求提供可選方案，特別是在低溫下的工件表面處理。等離子體可以被輸送給工件，從而使等離子體所撞擊的材料的特性發生多種變化。等離子體具有能產生大通量的輻射(例如，紫外線)、離子、光子、電子和其他受激態(例如亞穩態)物質的獨特能力，所述物質適合於通過空間上的、材料選擇性上的和時間上的高等控制使材料特性發生變化。選擇性的等離子體還可以去除工件的清楚的表層，但是不影響或幾乎不影響工件的獨立下層，或者選擇性的等離子體可以被用於從混合的組織區域有選擇地去除特定的組織類型，或在對不同組織類型的相鄰器官的影響最小的情況下有選擇地去除組織，例如去除胞外基質。[0004]所述獨特化學物質的一種合適應用是在工件上或工件內驅動非平衡的或有選擇性的化學反應，從而提供僅對某種類型材料的選擇性去除。所述選擇性處理在生物組織處理(例如，混合的或多層的組織)中是特別需要的，它允許在低溫下切割或去除組織，且對下層和相鄰組織區別對待。這對於去除胞外基質、生物膜、脂肪和肌肉組織混合物、以及表層清創術是非常有用的。[0005]生物膜是可被嵌入細胞外聚合物的自發形成基質中的微生物(例如，細菌)集合體。具體地，生物膜菌落產生了在細菌種群之間的聚合物鏈，從而使得所述菌落粘附到各種類型的表面，包括活體組織。確信的是，在活體組織上的生物膜生長會帶來各種健康問題，比如感染、中毒休克綜合症、腎結石(crystallizedkidney)和心臟瓣膜問題。通常在被植入的醫療設備上也能找到導致人工關節或骨骼以及牙植體發生再感染問題的致病生物膜。生物膜能抗化學殺菌劑，因為生物膜能快速地再生並且產生對所用殺菌劑的耐藥性。另外，生物膜菌落能改變外表面(例如聚合物鏈)以更好地保護表層下的細菌，從而進一步提高生存力。[0006]等離子體物質能通過由表面物質的揮發、氣化或溶解(例如，基於氣體和液體的蝕亥Ij)所導致的化學鍵破壞、表面終結物質的替換或取代(例如表面功能化)來改變組織表面的化學本質。通過適當的技術、材料選擇和條件，能有選擇地完全去除一種類型的組織而不影響周圍的其他類型的組織。通過控制等離子體狀態和參數(包含S-參數、V、1、Θ等等)能選擇一組特定的等離子體粒子，然後選擇用於材料去除或改性的指定化學路徑以及去除所需的組織類型的選擇性。本實用新型提供一種用於在寬範圍條件下產生等離子體的系統和方法，所述條件包括被改變的幾何外形、各種等離子體給料介質、電極數量和位置、以及電激發參數(例如，電壓、電流、相位、頻率、脈衝狀態等等)，所有這些都影響受等離子體輻射工件的等離子體的選擇性。[0007]啟動並維持等離子體放電的電能通過大致導電的電極進行傳輸，所述電極與可電離介質和其他等離子體給料電容地和/或電感地耦合。本實用新型還提供使用特定電極結構的方法和設備，所述電極結構能提高和增強等離子體操作的所需方面，比如更高的電子溫度、對給料具有更強的催化效果以及更多數量的二次發射。具體地，本實用新型提供用於化學反應物的受控釋放和保留催化材料的多孔介質。[0008]所述等離子體包括驅動工件處的反應的電子、基團、亞穩態物質和光子，包含被輸送給工件的高能電子。控制等離子體狀態和參數允許選擇一組特定的粒子，然後允許選擇用於材料去除或改性的化學路徑以及對所需組織類型進行去除的選擇性。本實用新型還提供一種用於產生在大氣壓力下或大氣壓力附近操作的等離子體的系統和方法。所述等離子體包括與其他等離子體物質合作驅動在材料表面處的反應的電子和光子。被傳輸給所述材料表面的電子和光子能啟動多種處理，所述多種處理包含能在後續反應中揮發的鍵斷裂。改性等離子體可以增強單體的聚合。所述受電子驅動的反應與相關通量協同作用，以獲得比單獨使用所述反應之一更快的材料去除速率。[0009]根據本實用新型的一個實施例，公開了一種等離子體系統。所述系統包括:等離子體裝置，所述等離子體裝置包括內側電極和圍繞內側電極同軸布置的外側電極，其中，內側電極和外側電極中的至少一個電極是溫度受控的；可電離介質源，所述可電離介質源被聯接到等離子體裝置，並被配置成給等離子體裝置供給可電離介質；以及[0010]動力源，所述動力源被聯接到內側電極和外側電極，並被配置成在等離子體裝置處觸發可電離介質，從而形成等離子體流出物。[0011]根據上述實施例的一個方面，內側電極和外側電極中的至少一個電極由金屬合金形成，並包括覆蓋內側電極和外側電極中的所述至少一個電極的至少一部分的介電塗層。[0012]根據上述實施例的一個方面，所述等離子體系統還包括:冷卻劑組件，所述冷卻劑組件包括:供給源，所述供給源被配置成儲存冷卻劑流體；以及供給罐，所述供給罐被聯接到所述供給源，並被配置成使冷卻劑流體循環通過內側電極和外側電極中的至少一個電極。[0013]根據上述實施例的一個方面，冷卻劑組件還包括溫度控制器，所述溫度控制器具有被配置成測量溫度的溫度傳感器以及冷卻器，其中，冷卻器被配置成根據被測溫度維持預定的溫度。[0014]根據上述實施例的一個方面，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔與冷卻劑組件流體連通。[0015]根據上述實施例的一個方面，等離子體裝置還包括具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。[0016]根據上述實施例的一個方面，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體以及具有被限定在外殼體和內殼體之間的冷卻劑管腔。[0017]根據上述實施例的一個方面，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。[0018]根據本實用新型的一個實施例，一種被配置成接收可電離介質的等離子體裝置被公開。所述等離子體裝置包括:具有大致圓柱形管狀形狀的外側電極；同軸布置在外側電極內的內側電極，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔被配置成聯接到冷卻劑組件；以及具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。[0019]根據上述實施例的一個方面，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體以及具有被限定在外殼體和內殼體之間的冷卻劑管腔。[0020]根據上述實施例的一個方面，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。[0021]根據上述實施例的一個方面，內側電極和外側電極中的至少一個電極由金屬合金形成，並包括覆蓋內側電極和外側電極中的所述至少一個電極的至少一部分的介電塗層。[0022]根據上述實施例的一個方面，介電塗層選自由氧化物、氮化物、自然氧化物和自然氮化物構成的組。[0023]根據上述實施例的一個方面，金屬合金選自由鋁合金和鈦合金構成的組。[0024]根據本實用新型的一個實施例，一種等離子體系統被公開。所述等離子體系統包括:等離子體裝置，所述等離子體裝置包括內側電極和圍繞內側電極同軸布置的外側電極，其中，內側電極和外側電極中的至少一個電極是溫度受控的；可電離介質源，所述可電離介質源被聯接到等離子體裝置，並被配置成給等離子體裝置供給可電離介質；動力源，所述動力源被聯接到內側電極和外側電極，並被配置成在等離子體裝置處觸發可電離介質，從而形成等離子體流出物。所述系統還包括冷卻劑組件，所述冷卻劑組件包括:供給源，所述供給源被配置成儲存冷卻劑流體；以及供給罐，所述供給罐被聯接到所述供給源，並被配置成使冷卻劑流體循環通過內側電極和外側電極中的至少一個電極。[0025]根據上述實施例的一個方面，冷卻劑組件還包括溫度控制器，所述溫度控制器具有被配置成測量溫度的溫度傳感器以及冷卻器，其中，冷卻器被配置成根據被測溫度維持預定的溫度。[0026]根據上述實施例的一個方面，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔與冷卻劑組件流體連通。[0027]根據上述實施例的一個方面，等離子體裝置還包括具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。[0028]根據上述實施例的一個方面，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體以及具有被限定在外殼體和內殼體之間的冷卻劑管腔。[0029]根據上述實施例的一個方面，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。【專利附圖】【附圖說明】[0030]被納入說明書中並作為說明書一部分的【專利附圖】【附圖說明】了本實用新型的具體實施例，並且所述附圖連同前面所給出的
實用新型內容和後面所給出的【具體實施方式】一起用於闡述本實用新型的原理，其中:[0031]圖1是根據本實用新型的等離子體系統的示意圖；[0032]圖2是根據本實用新型的等離子體裝置的截斷透視圖；[0033]圖3是根據本實用新型的圖2的等離子體裝置的截斷側視圖；[0034]圖4是根據本實用新型一個實施例的圖2的等離子體裝置的冷卻劑室的截斷透視圖；[0035]圖5是根據本實用新型另一個實施例的圖2的等離子體裝置的冷卻劑室的截斷透視圖；[0036]圖6是展示了在經過處理的對象和未經處理的對象上的生物膜內的比較細菌數的柱狀圖；[0037]圖7是展示了基於在根據本實用新型的圖2的等離子體裝置的內側電極和外側電極之間的間距所產生的氧氣的柱狀圖。【具體實施方式】[0038]通過使用電能產生等離子體，所述電能使用合適的發生器、電極和天線、以從大約0.1赫茲(Hz)到大約100千兆赫(GHz)的頻率(包含射頻(「RF」，從大約0.1MHz到大約100MHz)頻帶和微波(「MW」，從大約0.1千兆赫到大約100千兆赫)頻帶)、在連續模式或脈衝模式下、以直流電(DC)或交流電(AC)的形式進行輸送。激發頻率、工件和被用於給迴路傳輸電能的電路的選擇影響著所述等離子體的很多特性和要求。等離子體化學生成性能、氣體或液體給料輸送系統以及電激發電路的設計是相互關聯的，因為工作電壓、頻率和電流水平以及相位的選擇都影響電子溫度和電子密度。另外，電激發和等離子體裝置硬體的選擇也決定了給定等離子體系統如何動態地響應在原等離子體氣體或液體介質(hostplasmagasorliquidmedia)中加入新的成分。相應的電驅動的動態調整(比如通過動態匹配網絡)或對電壓、電流或激發頻率的調整可以被用於維持從電路傳遞到等離子體的受控功率。[0039]先參見圖1，公開了等離子體系統10。所述系統10包含被聯接到動力源14、可電離介質源16和化學前體源或預電離源18的等離子體裝置12。動力源14包含任何適合於給等離子體裝置12傳輸功率或匹配阻抗的部件。更具體地，動力源14可以是任何射頻發生器、或能產生電功率以觸發並維持可電離介質進而產生等離子體流出物32的其他合適的動力源。所述等離子體裝置12可以被用作對組織施加等離子體的電外科手術筆，而所述動力源14可以是適於給該裝置12提供在大約0.1MHz到大約2450MHz(在另一個實施例中從大約IMHz到大約160MHz)頻率下的電功率的電外科發生器。在實施例中，電能可以作為兩種或多種頻率的混合物(例如，13.56MHz&60MHz混合)進行提供。還可以使用連續或脈衝直流(DC)電能或者連續或脈衝RF電能觸發所述等離子體。[0040]前體源18可以包含擴散器(bubbler)或噴霧器，所述擴散器或噴霧器被配置成在將前體給料引入所述裝置12之前霧化該前體給料。在實施例中，該前體源18還可以包含能產生所述前體給料的從大約I毫微微升(；^1111:01;^61.)到大約I毫升體積的預定精細微滴體積的微滴系統或噴射器系統。所述前體源18還包含微流體裝置、壓電泵、或超聲蒸發器。[0041]所述系統10通過所述裝置12給工件「W」(例如，組織)提供等離子體流。包含可電離介質和前體給料的等離子體給料分別通過可電離介質源16和前體源18供給到所述等離子體裝置12。在運行期間，前體給料和可電離介質被提供給等離子體裝置12，在該裝置中等離子體給料被觸發，以從攜帶內能的特定受激態物質和亞穩態物質形成包含離子、基團、光子的等離子體流出物32，從而在工件「W」中或工件表面上驅動所需的化學反應。所述給料可以在等離子體流出物的觸發位置的上遊或者觸發位置的中遊(例如，觸發位置處)被混合，如圖1中所示以及下面更詳細地描述那樣。[0042]可電離介質源16給等離子體裝置12提供可電離給料。所述可電離介質源16被聯接到等離子體裝置12，並可以包含儲罐和泵(未明確示出)。所述可電離介質可以是液體或氣體，比如氬、氦、氖、氪、氙、氡、二氧化碳、氮、氫、氧、以及它們的混合物等等。這些氣體和其他氣體最初可以是液態，在施用期間被氣化。[0043]前體源18給等離子體裝置12提供前體給料。所述前體給料可以是固態、氣態或液態，並可以與任意狀態(比如固體、液體(例如微粒、納米微粒或微滴)、氣體、和它們的組合)的所述可電離介質混合。所述前體源18可以包含加熱器，從而在所述前體給料是液體的情況下，所述前體給料可以在與所述可電離介質混合之前被加熱成氣態。[0044]在一個實施例中，所述前體可以是如下的任意化學物質:當所述任意化學物質被來自動力源14的電能觸發後或者在受到由可電離介質16所形成的粒子(電子、光子、或其他具有有限的和有選擇的化學反應能力的載能物質)的撞擊後，所述任意化學物質能在等離子體驅動離解(drivedissociation)後形成反應物質(比如離子、電子、受激態(例如亞穩態)物質、分子碎片(例如，基團)等等)。更具體地，所述前體可以包含各種反應官能團，比如醯基滷、醇、醛、烷烴、烯烴、氨化物、胺、丁基、碳水化合物、氰酸鹽、異氰酸鹽、酯、醚、乙烷基、滷化物、滷代烷、羥基、酮、甲基、硝酸鹽、硝基、腈、亞硝酸鹽、氧、氫、氮、和它們的組合。在實施例中，所述化學前體可以是水、滷代烴，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；過氧化物，比如過氧化氫、過氧化丙酮、過氧化苯甲醯等等；醇，比如甲醇、乙醇、異丙醇、乙二醇、丙二醇、鹼性物比如Na0H、K0H、胺、烷烴、烯烴等等。所述化學前體可以以基本純淨、混合、或溶解的形式被使用。[0045]所述前體及其官能團和納米微粒可以被輸送到一個表面，以與工件「W」的表面物質(例如，分子)反應。換句話說，所述官能團可以被用於改變或取代工件「W」已有的化學表面末端。所述官能團由於其自身的高反應性和等離子體所賦予的反應性，能輕易地與所述表面物質反應。另外，所述官能團還在所述等離子體體積輸送到工件之前在等離子體體積內反應。[0046]在所述等離子體中產生的某些官能團能就地反應，從而合成後續在所述表面上形成沉積物的物質。所述沉積物可以被用於促進康復、殺滅細菌、以及提高親水特性和吸水特性，從而使組織與所述電極或其他組織的粘連最小化。另外，某些官能團的沉積物還可以包裹所述表面，從而獲得預定的氣體/液體擴散(例如允許氣體滲入但阻止液體交換)，從而結合或促進表面的結合，或者作為一種物理保護層。[0047]所述可電離介質源16和所述前體源18可以通過管道13a和13b分別聯接到等離子體裝置12。所述管道13a和13b可以組合成單根管道(例如，通過Y形接頭)，從而在所述裝置的近端處給裝置12輸送可電離介質與前體給料的混合物。這使得等離子體給料(例如所述前體給料、納米微粒和可電離氣體)在裝置中的混合物被觸發之前被同時輸送給等離子體裝置12。[0048]在另一個實施例中，所述可電離介質源16和所述前體源18可以通過管道13a和13b被分開地聯接到等離子體裝置12，從而使給料的混合發生在等離子體裝置12內在觸發位置的上遊。換句話說，在等離子體給料觸發之前，所述等離子體給料在觸發位置(其可以是各自的源16、18與等離子體裝置12之間的任何位置)的近側被混合，從而針對工件「W」上的每種特定表面處理產生所需的等離子體流出物物質通量(例如微粒/cm2秒)的混合。[0049]在另一個實施例中，所述等離子體給料可以在中遊(例如在觸發位置處或在等離子體流出物的下遊)直接混入所述等離子體。更具體地，所述管道13a和13b可以在觸發位置處被聯接到裝置12，從而前體給料和可電離介質在混合的同時被觸發(圖1)。還能預見至IJ，所述可電離介質可以在所述觸發位置的近側被提供給裝置12，而所述前體給料在該觸發位置處與之混合。[0050]在另一個示範實施例中，所述可電離介質可以在未混合狀態下被觸發，所述前體可以被直接混入觸發後的等離子體中。在混合之前，所述等離子體給料可以被單獨觸發。所述等離子體給料以預定的壓力被供應，以產生通過裝置12的介質流，這有助於等離子體給料的反應並產生等離子體流出物。根據本實用新型的等離子體在正常大氣條件下以大氣壓力或大氣壓力左右的壓力被產生。[0051]所述系統10還包含用於冷卻裝置12尤其是等離子體流出物32的冷卻劑組件15。所述冷卻劑組件15包含用於給裝置12提供冷卻劑流體33(圖4)的供給源21(例如，罐、袋等)和供給泵17。供給泵17可以是現有技術中被配置成使得冷卻劑流體33循環通過裝置12的任意合適類型的泵。在實施例中，所述泵17可以在冷卻劑流體通道內(即冷卻劑管腔124,224,324、入口管120，230，330和出口管132,232,332(分別參見圖2，4和5)內)產生負壓。所述負壓防止冷卻劑流體33通過冷卻劑管腔124，224，324、入口管120，230，330和出口管132，232，332內的任何潛在的裂口洩漏，從而使得無菌領域內洩漏的可能性最小化。[0052]所述冷卻劑流體可以是氣體、和/或液體與氣體的混合物。供給罐17儲存冷卻劑流體33，並且在一個實施例中可以保持該流體處於預定的溫度下(例如，-10°C)。冷卻劑流體33可以是防止裝置12短路的介電流體，比如除離子水、丙二醇、乙二醇、以及它們的組合物等等。所述冷卻劑組件15包含具有與冷卻劑流體33連通的溫度傳感器23(例如溫度探針、熱敏電阻、熱電偶)的溫度控制器19(例如浸入循環器)。所述溫度控制器19還包含用於根據所述溫度傳感器的溫度讀數調節冷卻劑流體33溫度的冷卻器22。[0053]參見圖2，所述裝置12包含被同軸地設置在溫度受控外側電極123內的溫度受控內側電極122。所述內側電極122具有在其中限定了管腔124的大致圓柱管狀。所述內側電極122包含開放的近端126和封閉的遠端128。所述內側電極122通過一個或多個入口管130和出口管132被聯接到所述冷卻劑組件15。所述冷卻劑組件15使冷卻劑流體33循環通過所述管腔124，從而冷卻所述內側電極122。[0054]所述外側電極123也具有在其中限定了具有第一直徑的管腔125的大致圓柱管狀。所述外側電極123包含開放的近端136和遠端138。所述遠端138包含被設置在中心的開口140。所述開口140具有小於管腔125的第一直徑的第二直徑，使得等離子體流出物32能以更快的速度流過該開口。[0055]所述電極122和123可以由適合於觸發等離子體的導電材料形成，比如金屬和金屬-陶瓷複合物。在一個實施例中，電極122和123可以由導電金屬形成,該導電金屬包括設置在其上的自然氧化物或氮化物複合物。[0056]所述裝置12還包含被設置在內側電極122和外側電極123之間的電極隔件150。所述電極隔件150可以被設置在內側電極122和外側電極123之間的任意位置處，從而在內側電極122和外側電極123之間提供一種同軸結構。所述電極隔件150包含適於內側電極122插入穿過其中的中央開口152、以及被徑向地圍繞該中央開口152設置以允許可電離介質和前體流過裝置12的一個或多個流動開口154。所述電極隔件150可以摩擦地裝配到電極122和123，從而將內側電極122固定在外側電極123內。所述電極隔件150可以由介電材料(比如陶瓷)形成，從而在內側電極122和外側電極123之間提供電容耦合。[0057]在另一個實施例中，所述電極隔件150被可滑動地設置在內側電極122上。這種結構提供內側電極122的遠側部124相對外側電極123的縱向調節，從而獲得所需的電極122和123之間的空間關係(例如，控制內側電極122的遠側部124的暴露)。具體地，這允許調節內側電極的遠端128和外側電極123的遠端138(具體是所述開口140)之間的間距「L」。間距「L」的調節提供了對通過開口140離開的等離子體流出物32的長度的控制。所述間距「L」可以從大約200μm到大約2000μm，在某些實施例中是從大約300μm到大約1500μm。導致最長等離子體流出物32的所述間距「L」可以從大約800μm到大約1200μm,在某些實施例中是從大約950μm到大約1010μm。最短和最長間距「L」可能產生非最佳的等離子體流出物32長度。更具體地，縮短間距「L」減少了管腔125中的空間，從而減少(impeding)了管腔125內用於產生等離子體流出物32的空間。反之，加長間距「L」增加了所述空間，從而防止所述流出物32離開開口140。[0058]所述電極122和123之一可以是活性電極，而另一個可以是中性(例如，中立的)或返回電極，從而便於通過設置在發生器14內給工件「W」提供電絕緣的均衡絕緣變壓器(未示出)實現RF能量耦合。每個電極122和123被聯接到驅動等離子體生成的動力源14，從而來自動力源14的能量可以被用於觸發流過所述裝置12的所述等離子體給料。更具體地，所述可電離介質和所述前體經所述開口154和管腔125流過所述裝置12(例如，通過電極隔件150並在內側電極122和外側電極123之間)。當所述電極122和123被通電後，所述等離子體給料被觸發，並形成從裝置12的遠端發射到工件「W」上的所述等離子體流出物32。[0059]在實施例中，所述內側電極122和外側電極123可以包含由絕緣材料或半導體材料形成的塗層，其作為薄膜被沉積在內導體上(例如，原子層沉積物)或者沉積為介電套筒或層。所述塗層被設置在內側電極122的外表面以及外側電極123的內表面上。換句話說，內側電極122和外側電極123的面朝管腔125的表面包含所述塗層。在一個實施例中，所述塗層可以覆蓋內側電極122和外側電極123的全部表面(例如，分別是它們的外表面和內表面)。在另一個實施例中，所述塗層可以僅覆蓋所述電極122和123的一部分。[0060]所述塗層可以是形成所述內側電極和外側電極的金屬的納米多孔自然氧化物或自然氮化物，或者可以是一種沉積層或由離子注入形成的層。在一個示範實施例中，所述內側電極122和外側電極123由鋁合金形成，而所述塗層是氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(A1N)。在另一個示範實施例中，所述內側電極122和外側電極123由鈦合金形成，而所述塗層是氧化鈦(TiO2)或氮化鈦(TiN)。所述塗層還可以是氧化鋅(ZnO2)和氧化鎂(MgO)。在某些實施例中，所述塗層還可以是非自然金屬氧化物或氮化物，比如氧化鋅(ZnO2)和氧化鎂(MgO)。[0061]所述內側電極122和外側電極123以及所述塗層還可以被配置為一種非均質(heterogeneous)系統。所述內側電極122和外側電極123可以由任意合適的電極基片材料形成(例如，導電金屬或半導體)，而所述塗層可以通過多種塗覆方式被設置在內側電極122和外側電極123上。所述塗層可以通過暴露在氧化環境下、電鍍、電化學處理、離子注入、或沉積(例如噴塗、化學氣相沉積、原子層沉積等)被形成在所述內側電極122和外側電極123上。[0062]在另一個實施例中，在電極122和123上的所述塗層可以彼此不同，且可以起到不同的作用。塗層之一(例如在電極122上的)能被選擇成促進二次電子發射的增加，而另一個電極(例如電極123)上的塗層能被選擇成促進特定化學反應(例如作為一種催化劑)。[0063]在一個示範實施例中，所述塗層提供在內側電極122和外側電極123之間的電容耦合。所形成的電容迴路元件結構在內側電極122和外側電極123的表面上提供淨負偏置電位，該淨負偏置電位吸引來自所述等離子體流出物的離子和其他物質。然後這些物質轟擊所述塗層並釋放出高能電子。[0064]響應於離子和/或光子的轟擊具有高的二次電子發射特性Y的材料適合於所述任務。所述材料包含絕緣體和/或半導體。這些材料具有相對較高的Y，其中Y代表每個入射轟擊粒子所發射的光子數量。因此，金屬通常具有低Y值(例如，小於0.1)，而絕緣材料和半導體材料(比如金屬氧化物)具有從大約I到大約10的高Y值，而有些絕緣體甚至超過20。所以，所述塗層作為二次發射電子源。[0065]二次電子發射Y可以用公式(I)來描述:[0066](I)Y=Tsecondary/Tion[0067]在公式(I)中，Y是二次電子發射率或係數，—y是電子通量，rim是離子通量。當所述離子衝擊碰撞具有足夠的能量以引起二次電子發射時，等離子體物質(離子)在塗層上的衝撞會導致發生二次發射，據此產生Y模式放電。通常，優先在電極表面(例如Y>I)上而不是在氣體中(α模式放電)產生電子時的放電通常被稱為Y模式放電。換句話說，通過每個離子與塗層的碰撞，發射出預定數量的二次電子。因此，Y也被認為是secondary(例如電子通量)和rim(例如離子通量)的比值。[0068]這些與塗層表面的離子碰撞繼而提供足夠的能量用於二次電子發射，從而產生Y放電。塗層材料(比如塗層)產生Y放電的能力隨多個參數而變化，影響最大的是之前所述的高Y值材料的選擇。這種特性允許塗層作為一種二次發射電子源，或者作為一種催化材料以增強所選擇的化學反應路徑。[0069]隨著時間流逝，所述塗層在所述等離子體工作期間可能變薄或被去除。為了保持所述塗層能持續地提供二次發射電子源，所述塗層可以在所述等離子體工作期間被持續地補充。這可以通過添加能在所述內側電極122和外側電極123上重新形成所述自然塗層的物質來實現。在一個實施例中，所述前體源18可以給裝置12提供氧氣或氮氣以補充氧化物或氮化物塗層。[0070]參見圖2和4，所述裝置12還包含冷卻劑室200。所述冷卻劑室200具有大致圓柱管形的雙壁結構。所述冷卻劑室200可以由多種合適的介電材料形成，比如橡膠、矽橡膠、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯(fIuoroethylpropylene)、及它們的組合。[0071]所述冷卻劑室200包含大致圓柱管形的殼體202，該殼體具有外殼體202a和內殼體202b。所述殼體202a和202b限定了在它們之間的冷卻劑管腔224。所述內殼體202b限定了內管腔225，該內管腔225包含開放的近端226和開放的遠端228，從而所述室200能被可滑動地設置在外側電極123上。具體地，所述外側電極123可以在某些程序期間被滑入所述內管腔224，並可以在不需要控制溫度的程序期間被取出。所述冷卻劑管腔225通過一個或多個入口管230和出口管232被聯接到所述冷卻劑組件15。所述冷卻劑組件15使冷卻劑流體33循環通過所述管腔225，從而冷卻所述外側電極123。因為所述內管腔225具有大致管狀的外形，所以使得所述冷卻劑流體33能與所述外側電極123的整個外表面熱接觸。[0072]圖5示出了冷卻劑室300的另一個實施例。所述冷卻劑室300具有大致圓柱管形的單壁結構。所述冷卻劑室300可以由多種合適的介電材料形成，比如橡膠、矽橡膠、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯、及它們的組合。[0073]所述冷卻劑室300包含限定了管腔325的大致圓柱管形的殼體302。所述殼體302可以由多種合適的介電材料形成，比如橡膠、矽橡膠、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯、氟丙烯、及它們的組合。所述管腔325包含開放的近端326和開放的遠端328，使得所述室300能被可滑動地設置在外側電極123上。具體地，所述外側電極123類似於圖4的冷卻劑室200那樣被滑入所述管腔325。[0074]所述冷卻劑室300還包含通過一個或多個入口管330和出口管332被聯接到所述冷卻劑組件15的冷卻劑管腔324。所述冷卻劑管腔324可以是具有近端340和遠端342的大致螺旋線圈形狀。所述近端340被聯接到所述冷卻劑管之一(例如，入口管330)，同時所述遠端342被聯接到所述冷卻劑管中的另一個(例如，出口管332)。這允許冷卻劑組件15使冷卻劑流體33循環通過所述內腔324，據此冷卻所述外側電極123。所述冷卻劑管腔324可以具有所需的節距(例如，一個完整螺圈的寬度)，每單位距離上更大的節距導致更少的圈數，而更小的節距產生更多的圈數。所述圈數與從外側電極123對循環通過所述內腔324的冷卻劑流體33的傳熱效率成比例。[0075]根據本實用新型的裝置12適合於醫療應用場合中的生物膜去除。所述裝置12提供低溫低毒的操作。低溫操作在醫療應用場合中是很重要的因素，因為大部分生物材料和生物兼容材料(例如，組織、植體)都是熱敏感的。低毒操作也是很重要的考量，因為在任何對活體組織施加等離子體期間都應當使毒性最小化，從而避免對健康組織的任何傷害。[0076]所述冷卻劑流體33被循環通過所述內側電極122以及外側電極123的外表面，從而冷卻在所述管腔125中產生的所述等離子體流出物32。通過維持供應源21內的冷卻劑流體33的溫度來控制所述等離子體流出物32的溫度。具體地，所述等離子體流出物32和其他反應組分/給料與溫度受控的電極122和123熱接觸，這使等離子體流出物32在被施加到工件「W」的表面上之前被冷卻。[0077]材料(例如生物膜)揮發或氣化的化學動力直接取決於經歷揮發的介質(例如等離子體給料)的溫度，即，形成揮發物的化學反應隨溫度增加而增加。本實用新型的化學反應有助於選擇性地去除健康軟組織或硬組織上的可蒸發生物膜，而不會損害所述組織。因此，通過本實用新型也實現了低溫操作和揮發所需溫度之間的平衡。化學動力取決於生物反應物(例如生物膜)的濃度和等離子體流出物32所產生的反應基團的濃度。受激態基團與生物反應物的反應是優先於基態反應的相對快速的化學反應。所述的優先使得受激態基團和生物膜能在低溫下反應。所述反應可以通過受激態基團的局部高濃度來實現。在一個示範實施例中，可以使用氧基等離子體(例如，氧氣被用作前體)，這導致基態原子氧和亞穩態氧與空氣中的氧分子發生反應，從而形成臭氧自由基，然後該臭氧自由基被用於使生物膜氣化。所述氧基等離子體還產生受激態分子亞穩態單重態氧自由基(excitedstatemolecularmetastablesinglet-deltaoxygenradical),它也可以被用於生物膜的氣化。所述單重態氧自由基比臭氧自由基更安全(例如，具有更高的允許暴露極限)，同時不用犧牲反應性。因此，本實用新型提供一種管理氧基自由基的數量以滿足等離子體在去除生物膜的應用場合的安全性和反應性的系統和方法。[0078]可以通過調節等離子體的以下參數控制單重態受激態氧自由基和臭氧自由基的濃度，包含可電離介質流量、前體氣體(例如，氧氣)流量、前體氣體溫度、激發頻率、以及加載功率水平。氧氣的流量可以從大約0.11/min到大約101/min，在某些實施例中是從大約0.21/min到大約91/min。前體氣體的溫度可以從大約_20°C到大約200°C，在某些實施例中是從大約0°c到大約150°C。所述加載功率可以從大約0.0lW到大約10KW，在某些實施例中是從大約IOW到大約9KW。所述頻率可以是從大約0.1MHz到大約100MHz。這允許調整所述氧自由基與等離子體流出物32的比值，從而在去除生物膜的同時不違反安全條件(例如，美國職業安全與衛生管理局(「0SHA」)關於允許暴露極限的規定)。[0079]在操作期間，包含可電離介質(例如，氬、氦或它們的混合物)和前體給料(例如氧氣)的等離子體給料被供應給裝置12。由經電極122和123傳輸的電能觸發並維持等離子體給料的混合物。溫度控制器19在與受冷卻電極壁接觸的等離子體流出物32和等離子體給料中引起低溫。這產生了更冷的氣體等離子體給料以及更冷的等離子體流出物32，其中所述氣體等離子體給料的溫度在大約20°C到大約35°C之間，在某些實施例中是從大約25°C到大約30°C，而所述等離子體流出物由冷卻系統15的冷卻和加熱等離子體給料所施加的電能之間的平衡所產生。通過改變溫度受控的電極122和123的冷卻以及等離子體激發功率，所述等離子體流出物32可以被冷卻到大約10°C到大約500°C，在某些實施例中是從大約25°C到大約35°C。[0080]在等離子體給料中引起的化學反應包括但不限於，等離子體給料的分裂(例如將分子組分分解成組分部分)，以及形成基態反應分子(例如，臭氧)和原子氧自由基的反應受激態基團(例如，單重態氧自由基)與原子-分子的碰撞。等離子體給料的流動將所產生的等離子體流出物32(其具有由溫度受控等離子體所生成的物質)經開口140推進到生物膜上。[0081]示例[0082]使用兩個不鏽鋼對象，一個是用於控制的控制對象，一個是用於等離子體應用的測試對象，它們被高壓滅菌以去除任何細菌的生長。每個對象都被置於大約IOml胰酶大豆肉湯培養基(「TSB」)和大約IμI的濃度為大約1.5X104CFU/ml的生物膜形成性金黃葡萄球菌(「ATCC12600」)的混合物中大約4個小時。[0083]大約IμI的所述混合物被取出以獲得ATCC12600濃度的準確數量。所述樣本被連續地稀釋並通過擴散所述混合物而被塗覆在胰酶大豆瓊脂平板上。所述平板被培育整夜(例如，大約24小時)，然後測量細菌生長。所測得的細菌濃度大約是2.0X101(lCFU/ml。[0084]所述對象被從溶液中取出，然後以大約25ml的磷酸鹽緩衝液(「PBS」)洗滌。所述對象被置於新鮮的TSB中大約15小時以重新培育所述生物膜。在第二次靜置後，所述對象被取出並再用25ml的PBS洗滌，以從表面上去除非粘附的細菌。所述測試對象用滅菌鑷子從PBS中取出，然後放置在用於施加等離子體的無菌容器中。氧氣佔1%重量的含氬等離子體給料被等離子體裝置處的電激發轉變成等離子體。所述等離子體裝置被-1o°c的冷卻劑流體所冷卻，從而將所述給料氣體混合物和所生成的等離子體流出物冷卻到大約25°C到大約35°C。被冷卻的等離子體被用於從所述不鏽鋼對象上去除生物膜。流動的等離子體暴露面積時間序列是大約每分鐘0.5cm2,RF功率是13.56MHz下大約40W。[0085]處理過後，測試所述對象的細菌生長。所述對象被置於獨立的無菌測試管中並被浸入大約IOml的PBS。每個對象先在相應的測試管內被旋轉大約30秒。每個對象還以大約40kHz頻率的超聲處理大約I分鐘。超聲處理後，每個對象再在相應的測試管內被旋轉大約30秒從而形成對照和測試懸液。[0086]從每個懸液取出等分試樣。每個樣本被連續地稀釋，並通過擴散所述混合物而被塗覆在相應的控制與測試胰酶大豆瓊脂平板上。所述平板被培育整夜(例如，大約24小時)，然後測量細菌生長。控制對象上所測得的細菌濃度大約是1.0X104CFU/ml，而測試對象上沒有可檢測的細菌生長。[0087]然後測試對象和控制對象被放回大約IOmlTBS的獨立測試管中，從而評估在需氧菌平板計數的檢測極限以下的其他的細菌生長。測試管被培育整夜，然後用視覺檢查細菌生長。包含測試對象的測試管具有清澈的TSB溶液。測試對象的所述TSB溶液被次代培養，但是沒有表現出額外的生長。[0088]控制對象(例如未暴露)和被處理對象的細菌數在圖6中示出，圖6將控制對象和測試對象的細菌含量做了比較。通過七次以上的在等離子體照射之後沒有觀察到再生長的去除記錄，完成所述生物膜的去除。[0089]內側電極和外側電極之間的間距「L」被調節到200μm和1700μm之間，氧自由基的產生被記錄在圖7的柱狀圖中。圖7示出了氧和氬的比值在大約600μm的間距「L」附近具有一個峰值。[0090]雖然本實用新型的示範性實施例已經參考附圖被描述，但是應當明白本實用新型不限於那些詳細的實施例，本領域技術人在不脫離本實用新型範圍和實質的前提下能實現各種其他的變化和改動。具體地，如前所述，這允許通過改變等離子體反應物質的相對數量來滿足在工件表面上或在反應等離子體體積內所要求的特定程序的需求。【權利要求】1.一種等離子體系統，其特徵在於，所述等離子體系統包括:等離子體裝置，所述等離子體裝置包括內側電極和圍繞內側電極同軸布置的外側電極，其中，內側電極和外側電極中的至少一個電極是溫度受控的；可電離介質源，所述可電離介質源被聯接到等離子體裝置，並被配置成給等離子體裝置供給可電離介質；以及動力源，所述動力源被聯接到內側電極和外側電極，並被配置成在等離子體裝置處觸發可電離介質，從而形成等離子體流出物。2.根據權利要求1所述的等離子體系統，其特徵在於，內側電極和外側電極中的至少一個電極由金屬合金形成，並包括覆蓋內側電極和外側電極中的所述至少一個電極的至少一部分的介電塗層。3.根據權利要求1所述的等離子體系統，其特徵在於，所述等離子體系統還包括:冷卻劑組件,所述冷卻劑組件包括:供給源，所述供給源被配置成儲存冷卻劑流體；以及供給罐，所述供給罐被聯接到所述供給源，並被配置成使冷卻劑流體循環通過內側電極和外側電極中的至少一個電極。4.根據權利要求3所述的等離子體系統，其特徵在於，冷卻劑組件還包括溫度控制器，所述溫度控制器具有被配置成測量溫度的溫度傳感器以及具有冷卻器，其中，冷卻器被配置成根據所測得的溫度維持預定的溫度。5.根據權利要求3所述的等離子體系統，其特徵在於，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔與冷卻劑組件流體連通。6.根據權利要求3所述的等離子體系統，其特徵在於，等離子體裝置還包括具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。7.根據權利要求6所述的等離子體系統，其特徵在於，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體，從而使冷卻劑管腔限定在外殼體和內殼體之間。8.根據權利要求6所述的等離子體系統，其特徵在於，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。9.一種等離子體裝置，所述等離子體裝置被配置成接收可電離介質，其特徵在於，所述等離子體裝置包括:具有大致圓柱形管狀形狀的外側電極；同軸布置在外側電極內的內側電極，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔被配置成聯接到冷卻劑組件；以及具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。10.根據權利要求9的等離子體裝置，其特徵在於，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體，從而使冷卻劑管腔限定在外殼體和內殼體之間。11.根據權利要求9的等離子體裝置，其特徵在於，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。12.根據權利要求9的等離子體裝置，其特徵在於，內側電極和外側電極中的至少一個電極由金屬合金形成，並包括覆蓋內側電極和外側電極中的所述至少一個電極的至少一部分的介電塗層。13.根據權利要求12的等離子體裝置，其特徵在於，介電塗層選自由氧化物、氮化物、自然氧化物和自然氮化物構成的組。14.根據權利要求12的等離子體裝置，其特徵在於，金屬合金選自由鋁合金和鈦合金構成的組。15.一種等離子體系統，其特徵在於，所述等離子體系統包括:等離子體裝置，所述等離子體裝置包括內側電極和圍繞內側電極同軸布置的外側電極，其中，內側電極和外側電極中的至少一個電極是溫度受控的；可電離介質源，所述可電離介質源被聯接到等離子體裝置，並被配置成給等離子體裝置供給可電離介質；動力源，所述動力源被聯接到內側電極和外側電極，並被配置成在等離子體裝置處觸發可電離介質，從而形成等離子體流出物；以及冷卻劑組件,所述冷卻劑組件包括:供給源，所述供給源被配置成儲存冷卻劑流體；以及供給罐，所述供給罐被聯接到所述供給源，並被配置成使冷卻劑流體循環通過內側電極和外側電極中的至少一個電極。16.根據權利要求15所述的等離子體系統，其特徵在於，冷卻劑組件還包括溫度控制器，所述溫度控制器具有被配置成測量溫度的溫度傳感器以及具有冷卻器，其中，冷卻器被配置成根據所測得的溫度維持預定的溫度。17.根據權利要求15所述的等離子體系統，其特徵在於，內側電極具有在其中限定管腔的大致圓柱形管狀結構，管腔與冷卻劑組件流體連通。18.根據權利要求15所述的等離子體系統，其特徵在於，等離子體裝置還包括具有大致圓柱形管狀殼體的冷卻劑室，圓柱形管狀殼體具有被配置成可滑動地設置在外側電極上的內管腔和被配置成聯接到冷卻劑組件的冷卻劑管腔。19.根據權利要求18所述的等離子體系統，其特徵在於，圓柱形管狀殼體包括外殼體和內殼體，從而使冷卻劑管腔限定在外殼體和內殼體之間。20.根據權利要求18所述的等離子體系統，其特徵在於，冷卻劑管腔具有大致螺旋線圈的形狀。【文檔編號】H05H1/28GK203734909SQ201420061359【公開日】2014年7月23日申請日期:2014年2月11日優先權日:2013年2月11日【發明者】具一教,崔明烈,D·海厄特,A·扎格羅茲基,D·A·亨德裡克森,G·J·柯林斯申請人:科羅拉多州立大學研究基金會