气体等离子体消毒及灭菌设备 |
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| 申请号 | CN201280068004.2 | 申请日 | 2012-11-14 | 公开(公告)号 | CN104066456A | 公开(公告)日 | 2014-09-24 |
| 申请人 | 克里奥医药有限公司; | 发明人 | 克里斯托弗·保罗·汉考克; 史蒂文·莫里斯; | ||||
| 摘要 | 一种灭菌或消毒系统，其中在脉冲中产生非热 等离子体 ，其中 微波 频率 能量 的脉冲用于维持各等离子体脉冲，并且 微波能量 的各脉冲的可检测特性用于触发碰撞等离子体的射频碰撞脉冲。该系统包括碰撞 信号 产生 电路 ，被布置为条件化和/或处理来自微波信号 耦合器 的信号，以形成可以作为脉冲的上升沿或振幅的基于可检测特性的 控制信号 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种等离子体灭菌设备，包括： |
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| 说明书全文 | 气体等离子体消毒及灭菌设备技术领域[0001] 本发明涉及适用于临床应用，例如人类或动物体表或体内的灭菌和/或消毒系统。例如，本发明可以提供一种系统，该系统能够用于破坏或治疗与人类或动物的生物系统和/或周围环境相关的某种细菌和/或病毒。具体而言，本发明可以适用于令使用者的手部灭菌和/或消毒，例如在临床环境如医院、医生的手部术室等中。还可以在用于使工人的手部或食物或包装消毒或灭菌的食品工业中使用该设备。 背景技术[0002] 灭菌是破坏或消灭微观形式的生命，例如，微生物、细菌等的行为或过程。在等离子体灭菌的过程期间，制备活性剂。这些活性剂可以包括高强度紫外光子和自由基，它们是原子或原子与化学不成对电子的集合。等离子体灭菌的引人注目的特征在于它能够在相对低的温度如体温下实现灭菌。等离子体灭菌还具有对操作者和患者安全的益处。在手部消毒的情况下，可以使用冷等离子体代替酒精凝胶，重复使用酒精凝胶可能引起许多皮肤相关问题。 [0003] 低温大气压等离子体可以用于替换传统的灭菌方法并且依据它们的无毒性质、瞬间处理效应、以及产生一系列能级的和一系列不同形式的等离子体的能力针对灭菌的现有方式提供明显优势。在室温环境下，等离子体通常由电磁(EM)场来支持。电子从电场吸收能量并将部分该能量传输至等离子体中的重粒子。如果电子未给出足够的机会以传输该能量，那么较重的等离子体成分比电子保持于更低的温度下。这种等离子体被称作非热等离子体并且它们的气体温度可以如室温一样低。 [0004] 非热等离子体可以用于产生高反应性等离子体粒子(包括例如电子、离子、自由基、和其它化学活性物质)和紫外线(UV)辐射，它反过来还可以用于使生物组织、外部工作表面或外科器械消毒和灭菌。例如等离子体中的UV光子可以通过诱导它们的DNA中胸腺嘧啶二聚体的形成来影响细菌细胞。这抑制了细菌适当复制的能力。若降低细菌的等级、但是并非完全破坏它，即，以免破坏本体的菌群，是合意的，则该效果特别有益。 [0005] 使等离子体源相对于生物组织(或其它表面)越近，等离子体中的电场越高，非热等离子体灭菌处理工艺的强度和效力越高。 [0006] WO2009/060213披露了一种灭菌系统，其具有用于为了与气体(例如，惰性气体或惰性气体的混合物)结合而提供微波能量以产生常压等离子体的可控制的(例如，能够调整可调节方式)非电离微波辐射源。其中所述系统的一个实例包括电力分离单元，被布置为在多个等离子体产生区之间分离微波能量(例如，从微波馈电结构如同轴电缆)，其中连接气体供给装置以将气体传送至各等离子体产生区，并且在其中空间布置多个等离子体产生区的出口以传送来自在各自等离子体产生区中产生的多个等离子体的等离子体的基本均匀的覆盖层或线。考虑提供十个以上封装于限定孔穴的框架中的等离子体产生区，其中从该框架向内管理来自等离子体产生区的等离子体，从而为经过框架的项目提供等离子体的覆盖层。具体而言，该申请描述了一种用于使手部灭菌的设备，其中在手部可以插入的盒子中配置可移动的等离子射流。 [0007] 为了碰撞等离子体而具有高电场(例如，高电压或高阻抗条件)是合意的。因此，有必要建立高阻抗状态，以便使必要的高电压(高电场)能够分解即将产生的气体。在WO2009/060213中所讨论的一个实施方式中，利用回扫电路建立高电压(高阻抗)条件，该回扫电路使用低频率(例如，射频)振荡器电路和变压器，利用合适的驱动和交换设备(例如，栅极驱动芯片和功率MOSFET或BJT)使其一次绕组连接至低电压振荡器电路。该布置产生了碰撞或另外引发等离子体的高电压脉冲或峰电位。 [0008] 在碰撞等离子体之后，由微波功率馈电结构所见的阻抗由于非导电气体至导电等离子体的变化而变化。在此，合意的是，有效地将微波能量传送至等离子体，以便维持它。这对于所有(或多数)待耦合至等离子体的微波能量而言是合意的。因此，合意的是，使发生器阻抗(即，微波功率馈电结构的阻抗)匹配等离子体的阻抗。 发明内容[0009] 本发明基于WO2009/060213的披露内容，以提供气体等离子体灭菌设备，依据对于结合至大量生产的使手部灭菌或消毒的器械的成本效益和使用者安全的视点，该设备可以是特别合适的。 [0010] 最普通地，本发明提出了一种灭菌或消毒系统，其中使非热等离子体产生于脉冲中，其中用于维持各等离子体脉冲的各微波频率能量的脉冲用来触发碰撞等离子体的射频碰撞脉冲(strike pulse)。通过以此方式使碰撞脉冲和维持脉冲同步，本发明可以增强各等离子体碰撞的确定性并且可以使有效能量传送至等离子体，这反过来为灭菌或消毒提供了能量。 [0011] 根据本发明，可以提供等离子体灭菌设备(即，用于使表面灭菌或消毒的非热等离子体产生设备)，包括：微波腔体，可连接以从微波源接收微波频率辐射的脉冲；多个微波耦合器，各微波耦合器被布置为将微波腔体之外的微波能量耦合至各自的等离子体碰撞带，各等离子体碰撞带具有通过其的气体流动路径；气体供给装置，可连接以将可电离的气体供应至各气体流动路径；以及碰撞信号产生电路，被布置为将射频(RF)能量的脉冲传送至各等离子体碰撞带，从而在其中产生高电场来碰撞存在于气体流动路径上的可电离的气体中的非热等离子体，其中，碰撞信号产生电路包括控制电路，控制电路被布置为利用在微波腔体中接收的微波频率辐射的脉冲的可检测特性来触发RF能量的脉冲的产生。多个等离子体碰撞带的存在使该设备能够发出比可能具有单等离子体射流的等离子体区域覆盖更宽面积的等离子体区域。 [0012] 因此，本发明提出使用不同信号(例如，来自不同的源)来碰撞等离子体并维持它，但是使这些源同步以增强仅当等离子体存在时将微波能量传送至腔体的确定性。 [0013] 在本说明书中，“微波频率”可以宽泛地用于表明400MHz至100GH的频率范围，但是优选1GHz至60GHz的范围。已考虑的具体频率为：915MHz、2.45GHz、3.3GHz、5.8GHz、10GHz、14.5GHz和24GHz。对比而言，本说明书使用“射频”或“RF”来表明至少为低三个数量级的，例如100kHz至500kHz的频率范围。 [0014] 微波腔体可以是用于支持对应于微波频率辐射的接收脉冲的电磁场的任何合适的壳体(enclosure)。微波腔体可以包括具有一定尺寸的一段波导，以支持TE10模式的接收微波频率辐射的传播。例如，对于约2.45GHz的微波频率而言，可以使用WR340波导。腔体的长度可以相当于待支持的微波频率辐射的半波长的整数。例如，腔体可以具有用于约2.45GHz的微波频率的约250mm的操作长度。 [0015] 微波腔体可以具有输入端(输入，input)，定位于与由其支持的电磁场的场最大值相应。例如，输入可以位于相当于与腔体的闭合(或较短)端相距波长的四分之一的奇数倍的距离处。输入端可以包括合适的SMA或N-型连接器，例如，用于连接至承载来自源的微波频率辐射的脉冲的微波馈电电缆(例如，柔性同轴线或波导)。输入端还可以包括来自磁电管(或其它，即，行波管)源的直接发射，即，直接耦接(或连接)至波导部分的四分之一波长单极天线(或环形天线)。例如可以从波导腔体的短壁的四分之一波长(或其奇数倍)的距离将四分之一波长单极天线连接至波导腔体。 [0016] 微波源可以具有能够将具有50W以上平均功率的微波频率辐射传送至微波腔体内的输出功率。由于微波馈电电缆和输入连接器等中的损耗而使传送的功率级可以小于输出功率级。例如，如果微波源和微波腔体之间的总损耗为3dB，则微波源的输出功率将为至少100W，以便实现腔体中的50W的平均功率。微波源可以是磁控管，其可以被直接耦接至腔体内以便克服不必要的电缆损耗，即，电缆的插入损耗。可能具有用于各腔体的多于一个源，例如，微波腔体可以包括多个输入端，各输入提供来自各自源(例如，磁控管、行波管、速调管或固态源)的微波频率辐射。 [0017] 微波源可以包括用于使微波频率辐射发生脉冲的开关装置。在一个实施方式中，开关装置可以被布置为传送微波频率辐射，该微波频率辐射具有40ms持续时间和2/7的工作循环，即，包括40ms闭合周期接着是100ms断开周期的循环。在该实施方式中，可以利用100kHz RF能量的1ms突发来碰撞等离子体，振幅为约400V峰值，其中使RF能量的突发同步于微波脉冲的前沿(leading edge)。利用约50W的峰值功率，在处理孢子和植物状态的难辨梭菌时该处理简况是有效的。 [0018] 本文中，“RF能量的脉冲”意指针对时间的离散周期，例如10ms以下、优选1ms的RF能量的传递。RF能量传递的该离散周期也可以被称作RF能量的突发。RF能量的每个脉冲都可以包括多个RF能量的突发。为了触发RF能量的脉冲(本文中也被称作RF碰撞脉冲)，设备可以包括在微波信号输入处连接至微波腔体(例如，上文所讨论的输入端)的微波信号耦合器，以使在腔体(即，微波频率辐射的脉冲的部分)处接收的一部分微波频率辐射耦合至碰撞信号产生电路的控制电路。微波信号耦合器可以是定向耦合器，例如10dB正向的定向耦合器。 [0019] 可以布置碰撞信号产生电路以条件化和/或处理来自微波信号耦合器的信号，从而形成基于微波频率辐射的脉冲的可检测特性的控制信号(选通信号)。通过碰撞信号产生电路来使用控制信号，以产生RF碰撞脉冲或RF碰撞脉冲的突发。可检测特性可以是微波辐射的脉冲的上升沿(rising edge)。可替换地，它可以是脉冲的振幅或脉冲的下降沿(falling edge)。 [0020] 控制电路可以包括阈值比较器和微分器，被布置为将来自微波信号耦合器的信号转换成脉冲。可以通过模拟电路布置来执行控制电路，其中所述脉冲的宽度与单极微分器电路的C-R时间常数和跟随微分器的阈值比较器的反相销(inverting pin)上的参考电压相关。通过微波信号耦合器从微波腔体耦合的微波能量可以在发送至阈值比较器之前利用微波检测器进行条件化。微波检测器可以是具有100ns以下，例如10ns至100ns的响应时间的肖特基或隧道二极管，该响应时间可以足够快以使剩余的电路能够恰当地起作用。 [0021] 为了由控制信号产生RF碰撞脉冲，碰撞信号产生电路可以包括连续RF源(例如，门控自激振荡器)、MOSFET栅极驱动器、功率MOSFET和具有大于单一的匝数比的变压器。例如1:100的匝数比能够使一次绕组上为10V以在碰撞等离子体中使用的二次绕组上提供 1000V。所使用的特定的功率MOSFET可以依据其最大电压、额定电流和打开/关闭次数来选择。 [0022] 控制信号可以与来自连续RF源的输出进行逻辑组合(例如，使用与门)以产生用作栅极驱动器电路的输入的脉冲RF信号，这反过来用于转换功率MOSFET以产生穿过变压器的一次绕组的电压。可以布置控制电路以将控制信号的持续时间设定为10ms以下。因此，RF能量的突发的持续时间可以为10ms以下，例如，1ms。 [0023] 如果该控制的持续时间为10ms且振荡器在100kHz的频率下是自激的，并且占空比为50％，那么RF碰撞脉冲将包括具有10ms的周期所产生的5μs的闭合时间和5ps的断开时间的脉冲的突发。换言之，将遵循微波能量的各突发的前沿产生一千个5μs RF脉冲。用于开启一千个RF脉冲的触发将来自脉冲的前沿，该脉冲源自已耦合且调整过的微波能量的突发。 [0024] 在其它实施方式中，脉冲RF信号可以由来自微处理器等的控制信号触发，可以布置该微处理器以检测从腔体耦合的部分微波频率辐射(例如，经由二极管检测器或外差/零差检测器等)。可以在硬件或软件中实现上文所讨论的微分器。 [0025] 碰撞信号产生电路可以包括多个RF碰撞电路，其中各RF碰撞电路包括栅极驱动器、功率MOSFET和变压器，并且被布置为将RF碰撞脉冲传送至各自的等离子体碰撞带。多个RF碰撞电路可以分享相同的连续RF源(例如，低压振荡器)或者可以各自具有它们自己的RF源。然而，多个RF碰撞电路可以接收共同输入，即，上文所讨论的控制信号。例如控制电路可以包括布置的RF信号分离器以分离控制信号，从而产生用于各RF碰撞电路的单独输入信号。 [0026] 可以在微波腔体中沿一排或多排(例如，沿矩形阵列)布置多个微波耦合器。在一个实施方式中，各排均具有七个微波耦合器。可以按此方式使各排的RF碰撞脉冲按顺序排列，在该方式中等离子体似乎是连续的，即，可以利用碰撞脉冲单独引发等离子体的排。在第一排和第二排、以及第二排和第三排等的引发之间可能存在延迟。连贯的碰撞脉冲之间的延迟可以为，例如100μs或1ms。采用该方案，如果阵列包括十排，那么整个排将分别按1ms或10ms的时帧(即，类似连续操作)发出等离子体。该布置的优点在于它降低了微波源所需的功率。 [0027] 利用合适的继电器或OSFET/BJT布置可以使碰撞脉冲进行多路复用。可替换地，可以使单独的RF碰撞脉冲电路连接至各排的等离子体，并且可以通过在邻近的驱动信号之间引入时间延迟来使各等离子体碰撞电路的驱动信号按顺序排列，即，可以使低功率RF振荡器在被施加至第二RF碰撞电路之前1ms施加至第一RF碰撞电路，因此，第二排等离子体在第一排之后1ms被引发。 [0028] 各等离子体碰撞带可以位于微波腔体外部。各等离子体碰撞带可以由能够形成高电压的一对导体来限定，从而产生高电场。可以将各等离子体碰撞带的导体连接至其各自的RF碰撞电路。如上所讨论的，各RF碰撞电路的输出可以是RF能量的门控突发，例如，持续1ms的正弦曲线的高电压RF脉冲或峰电位。RF碰撞脉冲的峰值电压可以是1kV以上。 [0029] 在此所公开的RF碰撞电路不限于使用MOSFET栅极驱动器、功率MOSFET和变压器的布置。可以使用产生能够在所需时帧内碰撞等离子体的高电压RF能量的突发或脉冲的其它器件和电路配置，例如，功率双极结型晶体管(BJT)、功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、半导体闸流管、自耦变压器、倍压电路的布置(Cockcroft堆栈)等。 [0030] 在一个实施方式中，各等离子体碰撞带包括从微波腔体延伸出且限定气体流动路径的介电导管。该导管可以由合适的低损耗电介质如石英制成。利用低损耗电介质确保了使RF碰撞脉冲产生的热量保持尽可能的低。各碰撞带可以包括同轴布置，该同轴布置包括位于介电导管内部的内导体和通过介电导管与内导体分离的外导体，其中将碰撞信号产生电路连接至同轴布置以当传送射频(RF)能量的脉冲(即，RF碰撞脉冲)时，在介电导管内产生高电场。因此，在内和外导体之间会产生高电场。若存在介电导管，则其可以抑制电弧作用并且可以限制高电场内的可电离的气体流动。可以布置气体供给装置以在该区域中将气体引入等离子体碰撞带。对气体流动路径而言合意的是，经过由RF碰撞脉冲产生的E场最大值的位置。 [0031] 可以经由同轴馈电将RF碰撞电路连接至同轴布置。同轴馈电可以包括电气性连接至同轴布置的外导体的接地外导体和电气性连接至同轴布置的内导体的活性内导体。活性内导体可以穿过介电导管中的孔。 [0032] 同轴馈电可以包括微波阻挡元件，被布置为保护来自等离子体碰撞带中微波能量的碰撞信号产生电路。换言之，微波阻挡元件可以防止微波能量通过同轴馈电的内导体从等离子体碰撞带被耦合。该阻挡元件还可以起到防止RF能量从电路辐射出来的作用。 [0033] 在一个实施方式中，同轴馈电可以包括具有连接至同轴布置的内导体的内导体和连接至同轴布置的外导体的外导体的同轴输出线，其中微波阻挡元件包括一个或多个四分之一波长短截线和/或在同轴输出线的内导体上或连接至同轴输出线的内导体的电感器。对小型器件而言，可以优选使用电感器，因为给各等离子体碰撞带提供四分之一波长短截线可能需要太多的空间。为了说明，在空气中以2.45GHz的微波频率能量的四分之一波长短截线具有超过3cm的长度。如果使用电感器，则优选的是，线绕式电感器由低损耗导体如银制成，并且优选具有磁芯。 [0034] 在本发明的优选实施方式中，同轴布置的内导体是针对其各自等离子体碰撞带的微波耦合器的至少一部分。该布置减少了等离子体碰撞带中组件的数量。下面更详细地讨论微波耦合器。 [0035] 各微波耦合器可以包括导电构件，该导电构件具有伸入微波腔体内的第一部分，即，由低损耗导体(或波导)制成的中空矩形或圆柱形部分，以及从微波腔体向外延伸至其各自等离子体碰撞带的第二部分，其中基于微波腔体中微波能量的场强来确定暴露于微波腔体中的第一部分的长度。在该布置的情况下，能够确保从腔体耦合所需量的能量(例如，各耦合器处的相等量的能量)。在一个简单的实施方式中，微波耦合器可以与微波腔体中的场强最大值匹配。在此布置中，它们将被半个负载波长(即，由微波腔体导向的微波频率辐射的长度)间隔开。然而，微波功率从微波腔体耦合，同样地微波频率辐射沿着远离输入的腔体传播，场强减小。因此，相对于较接近输入定位的微波耦合器，对于于离输入更远定位的微波耦合器而言，可能合意的是增大暴露微波腔体中的第一部分的量。利用此配置，可以使由微波耦合器提取的微波功率的份额均衡，这促进了均匀等离子体覆盖层的产生。 [0036] 另外地或可替换地，为了使可用于各等离子体碰撞带的微波功率均衡，可以必要的是，在微波腔体内部包括调谐短截线的布置，以便改变波导腔体内部建立的场或场分布。调谐短截线可以在与微波耦合器相同的侧/面上、在依据微波耦合器的相对侧/面、或者在正交于定位微波耦合器的面/侧的一个或两个侧/面上。调谐短截线可以是可调整的。例如它们可以包括金属或介电螺丝，该螺丝在腔体内突出并且其长度可以从波导腔体外部在外型上利用机械装置进行调整。然而，对于已经测定调谐短截线的位置和长度的大量生产的设备而言，调谐短截线可以是静电调谐棒或杆。 [0037] 在其它实施方案中，对于微波耦合器而言可能合意地具有较近的间隔，例如，以允许等离子体碰撞带(和最终从等离子体碰撞带发射的等离子体射流)彼此极为接近。利用小于半个负载波长间隔邻近的微波耦合器可以促进等离子体的“覆盖层”(blanket)的产生，因为可以使个体的等离子体射流更近的在一起。此较近间隔必然意指微波耦合器将不与全部的场最大值匹配。在该布置中，因此它可以有必要地进一步适应暴露于微波腔体中的微波耦合器的量，从而场强越低，暴露的第一部分的量越大。 [0038] 可以布置微波腔体以基本上支持所有以单波导模式(例如，TE10模式)接收的微波能量。在这种布置的情况下，可能存在管理暴露的第一部分的量的两个因素：(i)距最近的场最大值的微波耦合器的距离，和(ii)从微波频率辐射的输入至微波腔体的微波耦合器的距离。当这些距离增大时，需要暴露的第一部分的量也增大，以便实现耦合功率的相等份额。换言之，针对波导模式的场分布和微波耦合器与在腔体中接收微波能量的位置之间的距离，暴露于微波腔体中的各导电构件的第一部分的量基于其各自微波耦合器的位置来确定。所述耦合器可以是E-场探针或H-场环形布置。 [0039] 可电离的气体可以是空气或者合适的惰性气体，例如，氩气。优选地，气体供给装置包括用于将气体传送至微波腔体外部位置处的各等离子体碰撞带的气体流动路径的进气口。可以利用单独的气体供给装置隧道，用管道将气体输送至各独立等离子体碰撞带内。可替换地，可以使各进口相互连接(串联或并联)以馈电至多个等离子体碰撞带，例如，至等离子体碰撞带的排。在此布置中，气体供给装置系统和微波能量馈电系统直至等离子体碰撞带自身为止是彼此分离的。在其它实施方式中，然而，对于气体供给装置而言，可以能够包括深入微波腔体内的一个进口和来自微波腔体的多个出口，各出口通向各自的等离子体碰撞带，从而使可电离的气体经过微波腔体到达等离子体碰撞带。例如，可以通过可透气性连接器来确保各微波耦合器在其等离子体碰撞带的各自出口中。 [0040] 上文所讨论的等离子体灭菌设备可以结合至灭菌/消毒施放器，以用于适合使人体部件特别是手部灭菌/消毒的器械中。器械可以包括在其中具有凹槽的外壳，用于接收使用者的手部。可以在外壳中安装一个或多个灭菌/消毒施放器，以致可以使用所产生的等离子体生成用于令使用者的手部灭菌的活性剂(例如，离子化粒子或其它自由基)。在一个实施方式中，在器械中有四个施放器；使用者的每只手的每侧有一个施放器。 [0041] 由等离子体制成的活性剂可以通过利用遍布于单波导腔体的面上的等离子体碰撞带的阵列来分配。在具有四个施放器的器械中，可以有100以上的等离子体碰撞带(例如，25以上每施放器)以提供合意的分配。可替换地，从单等离子体碰撞带制成的活性剂可以通过将等离子体碰撞带的输出连接至扩散装置来分配。扩散装置可以是在其表面具有孔阵列的密闭室或箱以允许活性物质涌出，例如，深入器械的凹槽而遍布使用者的手部的表面。例如扩散装置可以是矩形箱，等离子体源进入顶面和底面的四个孔以发射或传送物质。该布置可以使装置能够给较少的等离子体碰撞带提供活性剂的覆盖层。 [0043] 在另一个实施方式中，气体可以在单一入口处进入波导腔体并且填满波导腔体。然后可以使用波导腔体内的气体在与等离子体产生区相同的位置处经由波导腔体的狭槽或出口进入等离子体产生区。在该布置中，可以部分地密封波导腔体以允许气体仅在等离子体产生区逸出，即，气体不应该在波导腔体和磁控管之间的过渡区或界面处逸出。在该布置中，在波导自身的内部无等离子体产生，即，仅在等离子体碰撞带产生等离子体。 附图说明 [0044] 下面参照附图详细地描述了本发明的实施方式，其中： [0045] 图1是结合根据本发明一个实施方式的等离子体灭菌或消毒设备的器械的示意性透视图； [0046] 图2是通过本发明一个实施方式的等离子体灭菌设备的示意性横截面侧视图； [0047] 图3是示出本发明一个实施方式的等离子体灭菌设备的系统组件的框图； [0048] 图4是适合在本发明的等离子体灭菌设备中使用的碰撞信号产生电路； [0049] 图5是通过本发明另一个实施方式的等离子体灭菌设备的示意性横截面侧视图； [0050] 图6是本发明的等离子体灭菌设备中所使用的等离子体碰撞带的示意性横截面视图；以及 [0051] 图7是适合在本发明的等离子体灭菌设备中使用的另一个等离子体碰撞带的示意图；以及 [0052] 图8A和图8B分别是连接至适用于本发明的等离子体灭菌设备的等离子体碰撞带的扩散装置的示意性横截面侧视图和俯视图。 具体实施方式[0053] 详细说明；进一步选择和优选 [0054] 图1示出结合本发明的等离子体灭菌设备的手部灭菌器械10。器械10包括外壳12，外壳12限定用于接收使用者的手部(未示出)的凹槽14。在该实施方式中，外壳12包括U-形本体，凹槽14为U的臂之间的空间。外壳12是中空壳体，可以在其内含有系统的组件。例如外壳12可以含有供应并控制用于碰撞和维持用于灭菌的等离子体的能量的控制模块16。控制模块16可以包括用于产生微波频率辐射的微波功率源(例如，包括一个或多个磁控管)、用于产生射频辐射(例如，用于碰撞等离子体)的脉冲的碰撞信号产生电路和用于控制如下讨论的器械的操作的控制电路。外壳12还可以含有用于供应惰性气体(例如，氩气等)的气体供应(气体源，gas supply)18。外壳12可以是可打开的以允许替换可以作为单个或多个气瓶的气体供应18。可以合意地在系统中使用多于一个气瓶以便确保在装置应用中无停机时间，即，当一个气瓶变空时，消息被发送至气瓶的供应方，从而将新瓶连接至装置。 [0055] 外壳12还含有用于产生用于灭菌的等离子体并将其发射至凹槽14的等离子体灭菌设备。在该实施方式中，等离子体灭菌设备包括四个等离子体施放器(applicator)20。在U-形本体的各臂中彼此邻近地定位一对施放器。各施放器20包括具有从其一个面伸出的多个(该实施方式中为六个)石英管24的立方形微波波导腔体22。施放器20被设置为使导管24指向凹槽14。可以通过外壳12的面朝内的壁中的网状窗口26而使凹槽14暴露于施放器20。可以选定网眼的尺寸以防止微波能量免于从施放器20进入凹槽14。 [0056] 在图1所示的布置中，连接各微波腔体22以经由合适的馈电结构32接收来自控制模块16的微波源的微波频率辐射。各腔体可以具有其自身专用的微波源，例如，包括一个或多个磁控管。可替换地，单微波源(包括一个或多个磁控管)可以将微波频率辐射供应至所有微波腔体22。可以布置微波源以供应微波能量的脉冲。若施放器共享微波源，则可以例如利用多路复用技术依次向每个供应微波能量。 [0057] 如下面更详细地讨论的，石英管24可以围绕等离子体碰撞带。可以连接各等离子体碰撞带以经由合适的馈电结构34接收来自控制模块16的碰撞信号产生电路的RF辐射的脉冲。 [0058] 在该实施方式中，气体供应18表现为具有四个输出端28。通过气体供给装置导管(未示出)将各输出端连接至用于各施放器的各自输入端30。在该实施方式中，输入端30与各微波腔体22的内部连通，从而气体沿着穿过腔体并通过石英管24离开腔体的气体流动路径行进。然而，在其它实施方式中，(例如，下面参照图5所讨论的)气体流动路径不流过微波腔体22。代替地，用于各施放器的输入端30可以包括直接进入石英管24内的多个输入端。 [0059] 在应用中，当使用者的手部插入凹槽14内时，布置控制模块16以开始将来自气体供应18的气体供应至石英管24中的等离子体碰撞带并将来自一个或多个微波源的微波频率辐射的脉冲发射至微波腔体22。器械10可以包括运动检测器或接近检测器(未示出)以检测凹槽中目标物的存在，从而触发操作。该类型的技术在手部干燥器械的领域中是常见的，因此在本文中不进行详细讨论。根据本发明，传送至微波腔体的微波能量的各脉冲触发了碰撞信号产生电路，从而将RF碰撞脉冲供应至各等离子体碰撞带。如下面更详细解释的，相对于气体和微波脉冲的供应来控制RF碰撞脉冲的定时(timing)，以致RF脉冲，例如，通过在石英管内创造高电场，来碰撞存在于等离子体碰撞带中的使得气体中的非热气体等离子体。微波脉冲维持等离子体，即，将其能量传送至等离子体内以支持活性剂的产生，通过气体流动而将该活性剂导出外壳12。等离子体中所产生的活性剂充当灭菌剂或消毒剂以杀死存在于凹槽14中目标物(例如，手部)表面上的微生物。 [0060] 图2示出了通过图1中示出的等离子体施放器20之一的示意图的横截面侧视图。等离子体施放器20包括具有由导电材料(例如，金属化表面)制成的内表面36的波导腔体22。如图2所示，波导腔体22可以在两端闭合，或者可以具有连接至假负载(未示出)的一端以吸收未传递至气体等离子体的任何微波能量。在该实施方式中，微波腔体在其底面具有微波输入端32和进气口30。通过合适的馈电结构(例如，柔性波导、同轴馈电等)来连接微波输入端32以接收来自微波源(例如，磁控管、行波管、速调管或固态源)的微波频率辐射。通过微波输入32使脉冲微波频率辐射进入微波腔体22。微波输入端32可以包括任何合适的连接器，例如，SMA或N-型连接器等。在其它实施方式中，可以将微波源直接连接至波导腔体以避免对额外连接器的需要。进气口30为在操作频率下具有小于八分之一波长的简单导管以防止微波辐射被自由空间辐射。 [0061] 微波腔体22优选是立方形空间维度的以按基本模式支持微波频率辐射的脉冲，例如，作为TE10模式中的驻波。选定微波腔体22的长度等于整数个导向的波长(在该实施方式中，腔体的长度为3λ，其中λ为由腔体导向的微波频率辐射的长度)。将微波入口32定位在距腔体的一端的λ/4处，以致发起微波频率辐射，其中导向的E-场具有最大强度。在图2中通过虚线38示意性地示出场强(E-场)的大小。该场为由腔体端部限定的边界处的最小值。在该实施方式中有三个场最大值。 [0062] 多个石英管24从施放器20的顶面突出出来。通过附接部分40将每个石英管24紧固于微波腔体22，附接部分40可以是螺纹壁或不被微波能量吸收的合适粘合剂、或金属套管和紧的推入配合(push fit)。石英管可以延伸通过波导腔体的表面，但是必须利用延伸自波导腔体的导体屏蔽各等离子体产生区域中所使用的中心导体，以防止来自中心导体的辐射。在该实施方式中有七个石英管；在其它实施方式中可以有十个以上。在该实施方式中，使石英管在施放器顶面上沿单排对齐。在其它实施方式中，这些管可以穿过施放器的顶面按例如包括多个排的阵列进行分配。例如可以布置各波导施放器以传送七个排的等离子体，其中各排均含有七个等离子体石英管。此系统将产生49注等离子体射流。 [0063] 由如下所解释的，各石英管24限定所布置的内部容积以经历RF碰撞脉冲引起的高RF电场(例如，包括150V以上的峰值电压，即，1kV)。该内部容积还被布置为接收来自气体供应的气体，据此高RF电场能够碰撞气体等离子体。因此，在本文中内部容积被称作等离子体碰撞带。在该实施方式中，等离子体碰撞带为圆柱形区域的空间，但是它可以是适用于支持高RF电场的任何形状，即，它可以是由石英玻璃片分开的两个平行板，而不是具有在里面的第一导体和在外面的第二导体的中空圆柱形石英管。 [0064] 在该实施方式中，将气体供应连接至进口30以将气体提供至微波腔体22的内部。这可以负载微波腔体22，以致导向波长小于自由空间中的波长。可以因此需要将气体的相对电容率(介电常数)考虑在内，以便确保标出波导尺寸以支持基本模式，但是只要在该区域中无等离子体产生，那么在该区域内由气体引起的效应可以是可忽略的，因此阻抗的改变也是可忽略的。波导的长度优选为整数个波长；可以根据下式来计算负载波长λ(即，当存在气体或其它材料即介电或磁负载材料时的波长)， [0065] [0066] 其中c为真空中的光速，f为输入至腔体的微波辐射的频率，和εr为气体或其它材料的相对电容率(介电常数)。可以优选利用介电或磁性材料装载或充满波导腔体(或一部分波导腔体)，以便减小穿过波导和纵向(沿着波导或波导向下)，即，穿过并沿着矩形波导部分的顶面放置的邻近等离子体产生区域之间的间隔。利用装载材料可以使邻近的等离子体产生带或区域能够更近的在一起。例如通过利用具有16的相对电容率或相对磁导率的低损耗材料装载腔体而可以将邻近探针之间的间距从16mm减小至4mm。 [0067] 经由在施放器20的顶面中所形成的出口42使气体从微波腔体22逸出至各等离子体碰撞带内。在相应石英管24的基底处定位各出口42。出口42可以包括可渗透的PTFE环，其允许气体借此流过，但是由于出口的尺寸即，圆形耦接布置的直径或狭槽的宽度，而阻止微波辐射逸出。在压力下将气体供应至腔体，这使它流过出口42并且沿着流动路径通过等离子体碰撞带并从石英管的端部流出。该气流从施放器(即，石英管)运输出在此可以用作灭菌剂的活性剂(即，高能量粒子、自由基等)。利用由微波频率辐射的各脉冲产生的等离子体在等离子体碰撞带内产生活性剂。下面参照图5讨论其中气体未流过微波腔体22的实施方式。 [0068] 利用可以包括RF能量的一个或多个离散脉冲的RF能量的高电压突发来碰撞各等离子体碰撞带中的气体等离子体。将RF碰撞脉冲供应至包括例如石英管24的外表面上的外导体(图6中所示的)和安装在等离子体碰撞带内部且利用石英管自身与外导体分离的内导体的同轴布置。在该实施方式中，内导体为下面更详细地讨论的微波耦合器44。将RF馈电46(参照下面图6更详细地讨论的)连接至各同轴布置。RF馈电46将RF碰撞脉冲从碰撞信号产生电路(下面参照图3所讨论的)传输至等离子体碰撞带。 [0069] 如下所解释的，通过将微波频率辐射的脉冲发送至微波腔体来触发各RF碰撞脉冲。在利用RF碰撞脉冲碰撞等离子体之后，布置施放器以耦合来自腔体中微波频率辐射的脉冲的功率，从而维持等离子体，这反而导致即将产生的活性剂可用于灭菌。各RF碰撞脉冲自身还可以负责产生一些活性剂。利用相应的微波耦合器44将微波功率从微波腔体22提取至各等离子体碰撞带。各微波耦合器44为细长的电学导电构件，其通过出口42延伸自各自石英管24的内部并深入微波腔体22。各出口处的弹性环可以确保各微波耦合器在适当位置。弹性环可以由介电材料制成，介电材料以感兴趣的频率表现出对微波能量的低损耗，即，PTFE、聚醚醚酮(PEEK)、尼龙、陶瓷等。在该实施方式中，微波耦合器为细长的E-场探针。其它实施方式可以使用环形耦合器等。 [0070] 为了最大化来自腔体的微波功率的耦合，一般合意地在腔体中场强最大值的对面定位微波耦合器。然而，按此方式布置的微波耦合器将会被沿着施放器的最小值λg/2间隔开。以感兴趣的微波频率，该间隔距离可能太远以致不能从石英管产生均匀的活性剂“覆盖层”。例如以2.45GHz，在装载的腔体中间隔距离为约6cm。因此，在该实施方式中，微波耦合器由小于λg/2的距离间隔开。这意味着它们与具有不同场强的导向波部分匹配。为了使由各微波耦合器耦合出的功率的量均衡，借此深入腔体的耦合器的量取决于场强平方的量级。这在图2中根据线48示意性地示出。耦合器越深入腔体，可用的功率越低。 [0071] 另外，尽管在线48中未示出，但腔体中可用的功率通常随着远离输入端32的距离而降低。因此，深入长度除了取决于关于功率最大值的位置之外，深入长度还取决于关于输入端32的腔体内的位置。对关于最近的场最大值的等效位置而言，可能需要深入长度随着远离输入的距离而增大，以便提取相同量的功率。利用高级EM场工具如安软HFSS或CST微波工作室的电磁场建模可以用于测定深入长度。这些EM建模工具还可以用于(横穿和纵向地)测定邻近耦合器之间的空间并且可以用于测定尝试布置耦合器之间间隔所需的短截线的位置和类型，耦合器为纵向等距的或同样穿过波导腔体。深入长度还可以通过经验来测定。 [0072] 如上所看到的，还可以将调谐短截线(tuning stub)引入波导腔体内以调整按此方式在腔体内部建立的场，从腔体耦合的或馈电至各等离子体产生区域的微波功率基本上相同。调谐短截线可以被引入至与耦合探针相同的壁内，和/或可以被引入至对面的壁，和/或可以被引入至一侧或两侧壁。调谐短截线可以是由合适材料制成的金属棒(螺丝或销钉)或介电杆，该材料在选择的微波频率处表现出低损耗特性。可以利用EM场建模工具或通过经验来测定这些调谐短截线/杆的位置。 [0073] 图3示出本发明的等离子体灭菌设备的控制组件的高等级系统图，其将RF能量、微波频率能量和气体提供至等离子体碰撞带。等离子体灭菌设备包括用于产生微波频率辐射的微波源52。微波源可以为一个或多个磁控管，例如，来自Goldstar的2M213磁控管或由Panasonic、Sony等制造的其他标准微波炉磁控管。各磁控管均可以以700W(连续波)或3kW(脉冲的)以上的功率产生微波频率辐射。 [0074] 经由合适的低损耗连接器(例如，柔性波导等)将调制器54连接至微波源52的输出。将调制器54的输出连接至微波腔体22的输入。调制器54转换微波源52的输出以使脉冲微波信号被发射至微波腔体22内。利用来自系统控制器56的控制信号C1来控制调制器54，系统控制器56可以是微处理器、微控制器等。系统控制器56可以设置脉冲微波信号的脉冲持续时间和占空比。例如，脉冲持续时间可以为40ms，脉冲之间存在100ms间隙，即，具有29％的占空比。如果由源产生的功率为50W，则这意指传送至腔体的各脉冲的平均功率级为14.3W。如果覆盖一只手部的一侧的波导施放器需要49个等离子体产生区或带，那么该系统将需要能够传送来自各波导施放器的2450W的峰值功率或700的平均功率。假定将需要四个此施放器以便能够覆盖双手部的两侧，那么即将传送至等离子体内所需要的峰值微波功率将为12.25kW和平均功率为2.8kW(假定100％源和功率供应效率)。控制器56可以包括用于检测传送至微波腔体的微波辐射的功率级的微波馈电监视器(未示出)。 来自微波源52的任何脉冲持续时间、占空比和功率级输出可以是(例如，动态地)可调整的以确保将所需功率级传送至微波腔体52内。设备操作员可以例如，经由连接至系统控制器56的用户界面58来选择功率级。 [0075] 在调制器54和微波腔体22之间连接定向耦合器60。耦合器60转移一部分(例如，1％以下)在触发RF碰撞脉冲时使用的前向微波功率。利用控制器56处理耦合信号以将RF碰撞窗口信号供应至与门62的一个输入。例如控制器56可以提供模拟比较器，当参考信号过度时，可以将模拟比较器的输出信号制成接近功率供应导轨。RF碰撞窗口信号本质上为设定RF碰撞脉冲(其可以包括RF能量的突发(即，离散周期))的持续时间的矩形脉冲。将与门62的其它输入连接至RF源64。因此与门62的输出为具有RF源的频率和相应于RF碰撞窗口信号的持续时间的RF能量的突发。下面参照图4讨论了用于产生RF碰撞窗口信号的模拟解决方案。 [0076] 将与门62的输出连接至多个栅极驱动器电路66。使各栅极驱动器电路66连接以驱动功率MOSFET和变压器电路68，其中速动开关70，例如，功率MOSFET器件，以RF频率穿过晶体管72的初级线圈来转换电压。因此变压器72的次级线圈产生作为RF碰撞脉冲被供应至各自等离子体碰撞带的高电压RF信号。在该实施方式中，为各等离子体碰撞带提供栅极驱动器电路66和功率MOSFET和变压器电路68以确保在每个等离子体碰撞带中产生足够高的电压。可以优选使用一个RF碰撞脉冲电路来产生用于多个等离子体产生区或带的RF碰撞脉冲，即，可以使等离子体产生区的5、10或更多的RF耦合输入平行连接，但是使用电感器隔离开。在该布置中，可以通过电容器和串联电感器利用单独馈电将RF碰撞脉冲耦合至等离子体产生区或带。 [0077] 在该实施方式中，经由控制阀71将气体供应18连接至微波腔体22的内部，经由控制信号C2通过系统控制器56来控制控制阀71。可以使控制信号C1和C2同步以确保当供应RF碰撞脉冲和微波能量时在等离子体碰撞带中建立气体的流动。 [0078] 图4示出碰撞信号产生电路的一个实施方式的详细配置。使与非门62、在该实施方式中作为不稳电路的RF源64、和反相栅极驱动器电路66为与图3的相同参考数值。在图4所示的布置中，通过利用阈值比较器74连同微分器76来产生RF碰撞窗口信号。用于碰撞信号产生电路的输入信号S1源自来自定向耦合器60的部分微波能量。将输入信号S1连接至单位增益缓冲器73以确保不装载比较器74的信号输入。得到的信号S2是有条件的，从而一旦运算放大器的非反相输入处所见的电压大于阈值电压Vth就提供具有接近于或与运算放大器的功率供应导轨电压V2相同水平的恒定电压。该电路为微分器电路提供恒定初始电压水平。触发脉冲本质上为具有与发送至微波腔体的微波脉冲相同持续时间的方形波脉冲。出于碰撞信号产生电路的目的，它是感兴趣的该信号的上升沿，因为这样会触发阈值比较器74的状态的改变。将缓冲器73的输出信号S2输入至阈值比较器74，如果信号S2的电压大于阈值电压Vth则它会产生输出信号S3。将输出信号S3输入至微分器76，它的输出信号S4具有相应于信号S3的电压的时间导数的电压。然而，信号S4的持续时间受到输入至微分器电路中第二比较器的参考电压Vr的限制。该结果为输出信号S4具有有限的持续时间。可以设定参考电压Vr以建立碰撞脉冲的持续时间。 [0079] 如图3所示，将与非门62的输出连接至栅极驱动器电路66。将反相栅极驱动器电路的输入连接至功率MOSFET和变压器电路，这在图4中已示出，以包括连接的MOSFET78，从而穿过变压器80的初级线圈来转换电压+VDD。变压器80的次级线圈产生RF碰撞信号，经由合适的馈电结构例如同轴电缆等将RF碰撞信号供应至相应的等离子体碰撞带。 [0080] 图5示出了通过图2所示的等离子体施放器120的备选表示的横截面侧视图。使与图2一样的特征为相同参考数值并且不再进行描述。按照将气体供应至等离子体碰撞带的方式来从图2所示的实施方式区分该实施方式中的等离子体施放器120。在该实施方式中，闭合微波腔体；气流不从其穿过。利用不可渗透的固定装置142将微波耦合器44安装于施放器120的顶面，固定装置142同时将施放器固定于适当位置并且密封微波腔体22。固定装置的下面可以是金属化的以防止微波能量逸出。在该实施方式中，通过相应的石英管24的壁中进口将气体直接供应至各等离子体碰撞带。可以将各进口平行连接至气体供应，或者，如图5所示，气体流动通道130可以使各石英管24的内部与其附近的石英管连接。石英管之一，例如，末端管，包括用于连接至气体供应(未示出)的进口131。按此方式将等离子体碰撞带串联连接至气体供应。该布置的一个优点在于，它可以确保穿过施放器的气流均衡。 [0081] 图6示出在如上所讨论的等离子体施放器顶面上安装的石英管24内部的等离子体碰撞带的更详细视图。使与上文所描述的布置一样的特征为相同参考数值并且不再进行描述。图6示出用于将RF碰撞脉冲发射至等离子体碰撞带内的布置的详细实施例。经由电缆90使RF碰撞脉冲从碰撞信号产生电路运送至等离子体碰撞带，电缆90可以是同轴电缆、电容性馈通、线接触等。如果使用同轴电缆，则将经由电感器96使中心导体连接至耦合器44。在该布置中，经由电感器96将同轴电缆90的内导体电连接至石英管中的微波耦合器44。 [0082] 将可以接地的同轴电缆90的外导体连接至围绕石英管24的一部分外表面所形成的导电套管92，石英管24围绕微波耦合器44的端部。导电套筒92必须完全围绕导体/耦合器44并且被连接至波导部分/腔体22的外壁。导电套筒92或者围绕石英管24的长度必须是这样的，微波能量不能从等离子体产生带或区辐射或逸出至自由空间或者耦合至组织内。微波耦合器44、石英管24和套管92由此形成同轴结构。气体流过该同轴结构的石英管24的内部区域为等离子体碰撞带。因为在此出现了由RF碰撞脉冲引起的高电场。使微波阻挡元件94连接于上述的同轴电缆90和同轴结构之间。微波阻挡元件94的用于在于防止来自微波耦合器44的腔体耦合的微波能量顺着同轴电缆90朝向碰撞信号产生电路向下行进。在该实施方式中，微波阻挡元件94包括连接至同轴电缆90的内导体且利用绝缘体98从同轴电缆90的外导体绝缘的线圈电感器96。电感器96可以由低损耗材料如银制成。电感器96在阻塞微波频率能量例如1GHz以上时特别有效的。 [0083] 另外可替换地，可以将一个或多个四分之一波长短截线连接至外导体。该短截线的长度为微波频率辐射的四分之一波长。包括该短截线可以有助于防止微波能量从微波阻挡元件94辐射。 [0084] 图7示出可以用于将RF碰撞脉冲耦合至等离子体碰撞带的可替换布置。在该布置中，两个非接触导电针182、184用于将来自变压器180的第二绕组的RF碰撞脉冲耦合至微波耦合器44。将电压Nx和N2布置为异相以在等离子体产生带处形成足够大的电场，从而使等离子体能够被碰撞。四分之一波长圆柱形短截线186、188用于确保无微波功率从施放器发出。布置短截线以将在其近端(针进入的地方)的短路转变为等离子体碰撞带处的开路。密封件200用于确保气体不能从针进入等离子体碰撞带的地方逸出。该布置还确保了微波耦合器44处的E-场为最大。 [0085] 图8A和图8B示出扩散装置190的应用，可以将扩散装置190安装于石英管24之上以遍布较宽的处理区进行传播由等离子体产生的活性剂。扩散装置的优点在于，需要较小的等离子体碰撞带获得用于活性剂的相同覆盖区。具有较小的等离子体碰撞带可以降低器械的功率需求。在图8A中，如上所述示出从波导腔体22的壁伸出的石英管24。如上所述地供应将气体提供至由石英管24围住的体积的单独气体供给装置130(为了清楚没有示出细节)，其中通过耦合器44和RF碰撞脉冲从腔体22耦合微波能量。石英管24被外壳192包围，在扩散装置190的后表面中所形成的相应形状的孔中接纳外壳192。利用紧锁螺钉194可以确保外壳192在扩散装置190中。可以由此改变插入扩散装置190内的外壳的长度。 [0086] 扩散装置190自身为包围在来自石英管的出口周围的体积的室。图8B示出室的顶表面的平面图，其配置四个洞196。因此由等离子体产生的活性剂通过洞离开扩散装置190，从而如图8A中虚线箭头所指示的传播等离子体碰撞带的影响。 |
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