CN101828432B - 用于生成脉冲等离子体的脉冲等离子体装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了生成真实脉冲等离子体流的装置和方法。该装置包括包含阴极和阴极支持部的阴极组件、阳极和两个或更多个中间电极，该阳极和中间电极形成向阳极扩展的等离子体通道。该最接近阴极的中间电极可以形成围绕阴极尖端的等离子体腔。形成延伸通道的延伸喷嘴被固定到到装置的阳极末端，该延伸通道沿其内表面的至少一部分具有管状绝缘体。在操作中，电压施加在阴极和阳极之间，且电流通过阴极、等离子体和阳极。选择电压和电流特性(profile)来引起具有所要求的特性的等离子体流快速形成。在延伸喷嘴中实现等离子体脉冲的大致均匀的温度和功率密度分布。此外，在生成等离子体脉冲过程中，在延伸喷嘴中可以生成臭氧。

Description

用于生成脉冲等离子体的脉冲等离子体装置和方法

技术领域

本发明涉及等离子体生成装置，更具体地，涉及等离子体生成装置，以及为需要纯净等离子体的应用生产脉冲等离子体的方法。

背景技术

等离子体生成装置在许多领域都发挥重要的作用。例如，等离子体被用于例如电视机和计算机监视器的显示器、摄谱学中，被用于例如涂覆的喷涂应用之中，以及被用于医学之中。

本领域众所周知，等离子体可被有效地用于医疗领域中的组织切割、凝血以及汽化。为得到最好的结果，生成的等离子体不得不具有精确的特性，例如速度、温度、能量密度等。优选地，用于医学应用的等离子体也必须是纯净的。换句话说，其应该仅包括被电离的等离子体生成气体的微粒而不包括其他微粒，例如在操作中从等离子体生成装置的不同部分分离出的物质。

最近，已经尝试使用等离子体来进行组织治疗，特别是皮肤治疗。当与皮肤表面接触时，取决于其在皮肤表面上产生的温度升高，等离子体可能具有不同的效果。例如，将温度升高大约35℃-38℃，将会产生祛皱效果。而将温度升高大约70℃，则会移除表皮层，这在整形手术中是有用的。已经认识到，适于组织切割、凝血和汽化的连续等离子体流通常并不适于其他类型的组织治疗，特别是不适于皮肤治疗。相反，为了避免由于使用连续等离子体流而造成的不希望的皮肤损伤，使用脉冲等离子体。本领域目前已知可用于此目的两种类型的装置。

在美国专利No.6,629,974中公开的装置是第一类型的例子。在这类装置中，通过使例如氮的等离子体生成气体通过交变电场来生成等离子体。交变电场在气体中建立了自由电子的快速移动。快速移动的电子从气体原子中撞击出其他电子，形成已知的电子雪崩，而这又产生了电晕放电。通过在脉冲中施加电场，产生了脉冲电晕放电。用于产生脉冲电晕放电的该方法的优点是：(1)在流中不存在杂质，以及(2)实现真实脉冲流的生成的短的启动时间。为了本公开的目的，真实脉冲流是指在该脉冲的关断时段期间完全停止的流。

该第一类型的装置和方法的缺点则在于产生的电晕放电具有大约2000℃的固定的最大温度。在该装置中形成的该电晕放电绝不会变成高温等离子体。为了通过该类型的装置取得在皮肤治疗中改变胶原所需的1-4焦耳的能量，等离子体生成气体流的速率必须相对较高。例如，在这样的装置中使用氩需要大约20公升/分钟的流速，以获得所需的能量。这样的流速对于皮肤治疗是不可行的。当将氩用于生成等离子体时，可以用仅大约5公升/分钟的流速来获得所需的能量，但是即便这个流速也会使患者感到不舒服。因此，第一类型的装置的应用受到了能够产生电晕放电的放电过程的特性的限制。

第二类型的装置通过以电弧加热经过等离子体通道的等离子体生成气体流来生成等离子体，该电弧建立在阴极和形成该等离子通道的阳极之间。第二类型的装置的例子在美国专利No.6,475,215中被公开。依据美国专利No.6,475,215的公开内容，作为等离子体生成气体，优选为氩，穿过等离子体通道，脉冲DC电压施加在阳极和阴极之间。将或不将预定的恒定偏压加到脉冲DC电压上。在电压脉冲期间，等离子体生成气体中的自由电子的数量增加，从而导致等离子体的电阻减小和流过等离子体的电流的指数增长。在关断时段中，等离子体生成气体中的自由电子的数量减少，从而导致等离子体的电阻增大和流经等离子体的电流的指数减小。虽然在关断时段中电流较低，但其并没有完全停止。由于该低电流(称为备用电流)不产生真实脉冲等离子体流，因而是不想要的。在关断时段中，维持连续的低功率等离子体流。本质上，该装置没有生成脉冲等离子体，而是生成具有功率尖峰(称为脉冲)的连续等离子体流，从而模拟了脉冲等离子体。由于关断时段远比脉冲长，该装置在关断时段内输出大量能量，因此，它不能被有效地用于需要真实脉冲等离子体流的应用。例如，如果该装置被用于皮肤治疗，则在每次脉冲后，不得不从皮肤表面移走该装置，以使皮肤不会在关断时段中暴露在低功率等离子体下。这损害了该装置的可用性。

当使用在美国专利No.6,475,215中公开的装置时，在脉冲之间将通过该等离子体的电流降至零并对于等离子体的每次脉冲均重启该装置是不可实现的。作为使高电流通过阴极而不保证阴极电弧附加装置得到良好控制的结果，为每次脉冲重启装置将导致阴极的快速损坏。

由于装置的结构的原因，在美国专利No.6,475,215中公开的装置以及在本领域中当前已知的该类型的其他装置不能生成可安全地用于患者的真实脉冲等离子体流。在关断时段之后，将花费几毫秒来达到等离子体流阶段。在这几毫秒中，等离子体特性不容易被控制，因此其不能被用于患者。此外，当这种类型的装置启动时，由于溅射而发生电极的一定程度的腐蚀。该腐蚀导致分离的电极材料在等离子体中流动。当使用连续的等离子体流时，该启动杂质是相对较小的缺点，因为启动以及与其相关的杂质每次治疗仅出现一次。因此，在启动之后可以等待几秒钟，以便在开始实际治疗前使电极材料离开该装置。然而，当使用脉冲等离子体流时，等待杂质离开该装置是不实际的，因为在等待时段结束之前必须生成等离子体的下一脉冲。

当等离子体流已经在之前被创建时，只需几微秒来增大或减小等离子体流中的电流。此外，由于没有启动，杂质不进入等离子体流，并且在阴极上不存在压力。但是，如上所述，即使持续维持经过等离子体的低电流也会使该装置对于需要真实脉冲等离子体流的某些应用而言不是最优的。

借助用电弧加热等离子体生成气体来生成真实脉冲等离子体流的困难主要是由发生在电极上的过程的特性造成的。一般地，并且特别对于医学应用而言，当电流快速增大时，确保操作不腐蚀阳极和阴极是极为重要的。在电流快速增大期间，阴极的温度可能较低，且在脉冲的随后重复期间不易被控制。当在阴极和阳极之间生成电弧时，该电弧接合到阴极的区域很大程度上取决于阴极的初始温度。当阴极是冷却的时，该接合区域就相对较小。在几次脉冲之后，阴极的温度增高，从而在电流快速增大过程中，该接合区域在阴极的整个表面区域上延伸，甚至在阴极支持部上延伸。在这些情况下，阴极电势开始波动，且阴极腐蚀开始。此外，如果电弧的接合区域达到阴极支持部，则该支持部将开始熔化，从而会将不希望的杂质引入等离子体流。

在阳极表面上会出现类似情况。当电弧中的电流快速增大时，等离子体流没有足够的时间来达到高温。结果，接近阳极表面的等离子体的富集度较低。这导致了阳极的电势下降及其波动，而该波动导致了阴极的强烈腐蚀。阴极和阳极的电势波动导致脉冲等离子体流的能量不稳定和不容易控制。

为了使阴极正常发挥作用，在等离子体的每次脉冲中的电流快速增大的时段中，必须控制电弧接合到阴极表面的区域的精确位置和大小。为了使阳极正常发挥作用，在电流快速增大期间以及在脉冲的工作时段中，必须在阳极表面处建立被加热的等离子体流。

生成真实脉冲等离子体，特别是为了医学应用生成真实脉冲等离子体将引起几个其他问题。首先，如上所述，等离子体必须是纯净的，不含有任何电极材料或其它杂质。其次，必须控制生成的等离子体脉冲的特性。起初，通过控制脉冲的持续时间、电压和电流，能够控制由脉冲传递的能量。为了一些应用，例如皮肤治疗，仅控制在脉冲中传递的能量是不够的，能量和温度必须大致均匀地分布在被治疗的区域上。

因此，目前需要通过以最少数量的杂质生成真实脉冲等离子体和通过将每次脉冲中传递的能量大致均匀地分布在被治疗区域上来克服当前已知装置的局限的装置。此外，还存在一些应用，其中，该装置可能需要能够为被治疗表面提供臭氧并将液体和其他杂质从被治疗表面除去。

发明内容

在附图中示出的本发明的脉冲等离子体装置包括阴极组件、阳极以及两个或更多个中间电极，其中阴极组件包括一个或多个固定在阴极支持部中的阴极。该阳极和中间电极形成等离子体通道。最接近这些阴极的中间电极也形成了围绕最接近该阳极的阴极末端的等离子体腔。该等离子体通道包括三个部分：加热部分、扩展部分和阳极部分。该扩展部分具有两个或更多个扩展段。该扩展部分的每个相继的段的直径朝向阳极增大。阳极部分具有比最接近阳极的扩展部分的直径大的直径。该阴极支持部防止了阴极的位移，优选地使得它们平行于该装置的轴，从而防止了它们的角位移。

在装置的阳极末端处固定了延伸喷嘴。该延伸喷嘴形成连接到等离子体通道的延伸通道。一管状绝缘体元件覆盖所述延伸通道的内部表面的纵向部分。此外，在一些实施例中，该延伸喷嘴具有一个或多个携氧气体入口。

在操作过程中，由所述装置生成真实脉冲等离子体。对于每次脉冲，等离子体流经过三个阶段：火花放电、辉光放电和电弧放电。在示例性实施例中，通过在阴极和阳极之间施加高频率、高幅值电压波来产生火花放电。在阴极和阳极之间产生火花放电之后，在阴极和阳极之间施加最好为瞬态的电压，且电流通过阴极、等离子体生成气体和阳极，而这导致了辉光放电的产生。在辉光放电的末期，当阴极末端被充分加热时，阴极和阳极之间的电压下降，这标志着阴极热电离电子发射的开始以及电弧放电阶段的开始。一旦电弧放电阶段开始，则等离子体被接合到组件中的所有阴极。该电流被减小，以将等离子体的接合区域降低到单个阴极。然后，在将被减小的电流保持一段时间之后，该电流被升高到工作水平。在脉冲的预定持续时间之后，在关断时段的持续时间内，电压和电流均被设置为0。为每次脉冲重复这一过程。

对医学应用而言，等离子体中不存在杂质是极为重要的。通过使用具有多个阴极的阴极组件以及生成具有受控的等离子体接合区域的脉冲等离子体，消除了来自阴极支持部的表面的溅射。

在操作过程中，离开阳极的等离子体流具有基本为抛物线型的温度和能量密度分布。延伸喷嘴将温度和能量分布转换为更加均匀的分布，其更适于接触患者。位于延伸通道中的热绝缘体由具有低的导热系数的非金属材料制成。当等离子体流经过该热绝缘体时，等离子体的较冷的层被加热，而不会将热转移到形成该通道的元件。

此外，在具有到喷嘴的入口通道的实施例中，当等离子体流穿过延伸通道时，其将携氧气体(例如空气)吸入等离子体流。在延伸通道中的等离子体的高温以及从等离子体通道发出的辐射的影响下，在延伸通道中形成了臭氧。可能具有有益效果的臭氧分子与等离子体一起离开该装置，并接触被治疗皮肤。

在一个实施例中，公开了一种生成等离子体脉冲的装置，该装置包括：阳极；具有(i)一个或多个阴极和(ii)阴极支持部的阴极组件；等离子体通道，其在所述阴极和所述阳极之间纵向延伸，穿过所述阳极，并且具有在所述阳极末端开口的出口，一部分所述等离子体通道由两个或更多个彼此电绝缘且与阳极电绝缘的中间电极形成，所述等离子体通道包括最接近所述阴极的加热部分、阳极部分，和在所述加热部分和所述阳极部分之间的扩展部分，所述扩展部分具有两个或更多个段，其中所述段的直径朝所述阳极增大，其中所述加热部分的段的最小数量取决于阳极部分中的等离子体通道的直径与所述加热部分中的等离子体通道的直径的比例；由一个所述中间电极形成的等离子体腔，该等离子体腔连接到所述等离子体通道的阴极末端；以及延伸喷嘴，其形成连接到等离子体通道的阳极末端的延伸通道。

还公开了一种使用等离子体脉冲治疗组织的方法，该方法包括：对于每次脉冲，生成等离子体流；扩展所述等离子体流到预定横截面；改变所述扩展的等离子体流的热能量分布，使得该分布在该横截面中是大致均匀的；将等离子体流施加到被治疗的皮肤；以及停止所述等离子体流。

附图说明

图1示出了用于生成脉冲等离子体的***，其包括控制台和手持部；

图2A示出了该装置的一个实施例的纵向横截面视图；

图2B示出了横切图2A所示的视图的纵向横截面视图；

图2C示出了被配置为生成臭氧的装置的一个实施例的纵向横截面视图；

图3示出了冷却剂分离器；

图4示出了阴极组件的优选配置；

图5示出了等离子体腔的几何形状；

图6示出了等离子体通道的加热部分、扩展部分和阳极部分，以及扩展部分的各个段；

图7A示出了包括吸收模块的装置的一个实施例，在其中杂质被收集在控制台中；

图7B示出了包括吸收模块的装置的一个实施例，在其中杂质被收集在外部容器中；

图7C示出了包括延伸喷嘴和吸收模块的装置的一个实施例的横截面视图，其中延伸喷嘴具有携氧气体入口；

图7D示出了包括延伸喷嘴和吸收模块的装置的一个实施例的横截面视图，其中延伸喷嘴没有携氧气体入口；

图8A示出了在生成等离子体脉冲过程中施加在阴极和阳极之间的电压；

图8B示出了在生成等离子体脉冲过程中通过阴极、等离子体和阳极的电流；

图8C示出了在等离子体通道的加热部分中的等离子体的温度特性；

图8D示出了在等离子体通道的加热部分中的等离子体的功率密度特性；

图9示出了(1)等离子体通道的变宽，其不会导致脉冲期间等离子体的完全扩展，以及(2)电弧，其建立在等离子体和中间电极之间；

图10A示出了离开阳极的等离子体流的大致抛物线型的温度和功率密度分布；

图10B示出了在以具有如图10A所示的温度和功率密度分布的等离子体流治疗组织时对该组织的效果；

图11A示出了离开延伸喷嘴的等离子体流的大致均匀的温度和功率密度分布；

图11B示出了在以具有如图11A所示的温度和功率密度分布的等离子体流治疗组织时对该组织的效果；

图12A示出了具有直径相对较小的携氧气体入口的延伸喷嘴；

图12B示出了不具有携氧气体入口的延伸喷嘴；以及

图13示出了离开装置的光的谱分布。

具体实施方式

参见图1，生成脉冲等离子体的***一般包括控制台100和手持部200。在本文中，手持部200有时也称为装置。控制台100为手持部200提供电、优选为氩气的等离子体生成气体、例如水的冷却剂，和/或例如空气的携氧气体，等等。此外，控制台100可以包含一个或多个泵，该泵可以被用于由装置200通过一个或多个吸收通道从被治疗表面移除杂质。控制台100具有用于操作手持部200的控制电路以及由本领域公知的显示器和控制器组成的用户接口。操作者，例如受过训练的医学专业人员，依据用于给定医学流程的参数，用控制台100的控制器对装置的操作模式进行编程，再使用手持部200来执行该给定流程。尽管本公开的实施例描述与医学领域有关，但是应当理解该装置的其他实施例也可以被用于与医学无关的其他应用。

图2A示出了该装置的一个实施例的纵向横截面。在该实施例中，罩9形成了装置的外部。优选地，装置200是圆柱形的，且所有的元件是环形的并且相对于装置的轴50同轴地布置。在一些实施例中，但是，该装置也可以不是圆柱形的，而是使用不同的内部或外部几何形状。在图2A中示出的该装置的实施例包括阳极1以及一个或更多个阴极5a、5b、5c，所述阴极优选地由含镧的钨制成，且设置在阴极支持部6中。阴极支持部6防止了阴极相对于装置的轴50之间的不希望的角位移。阴极支持部6也支持了导体7的一部分，该导体7优选地是由具有高导电性的金属制成的棒。在制造过程中将阴极组件的各个部件夹压在一起是一种避免阴极沿轴50移动的手段。在优选实施例中，包括阴极5a、5b、5c，阴极支持部6和电导体7的整个阴极组件被紧密地装配在装置200的内部，以防止阴极5a、5b、5c的任何移动。

阴极绝缘体11包围阴极5a、5b、5c的纵向部分。阴极绝缘体11从一端的最接近阳极的阴极支持部的表面74沿阴极延伸到中途的一点。阴极绝缘体11由为阴极5a、5b、5c提供热绝缘和电绝缘的材料制成。电导体7被用于向阴极5a、5b、5c提供电势。阴极5a、5b、5c电连接在一起并总是具有相同的电势。绝缘体元件8包围导体7和阴极支持部6的一部分，如图2A所示。绝缘体元件8为导体7提供电绝缘，并且优选地由乙烯制成。在操作中，通路72使等离子体生成气体能从控制台100沿绝缘体8流动。该气体然后沿绝缘体8和分水器10之间的空间54流动。然后，气体流过阴极支持部6中的沟槽56，并且之后沿阴极5a、5b、5c流动，在阴极绝缘体11中流动。

在优选实施例中，阴极组件可以是如图4所示的一种组件。简言之，阴极组件包括两个或更多个阴极。在如图4所示的优选实施例中，阴极组件包括三个阴极5a、5b、5c。优选地，每个阴极的直径是0.5mm。在优选实施例中的三个阴极的组合直径是大约1mm。该三个阴极中的至少一个阴极具有与阴极组件中的其他阴极相比不同的长度。但是，优选地，阴极组件中的每个阴极都与组件中的所有其他阴极的长度不同。优选地，具有最接近长度的两个阴极之间的长度差等于阴极直径，在该优选实施例中是0.5mm。阴极之间的长度差产生了自然的表面缺陷，而电弧倾向于接合该缺陷。

在可选实施例中，可以使用具有单个阴极的阴极组件，但是这样的实施例被限于要求有限数量脉冲的某些应用。在微芯片制造中用等离子体脉冲清洗衬底表面就是这样一种应用。具有单个阴极的阴极组件的装置的实施例适于生成最多300-500次脉冲。在大约500次脉冲之后，整个阴极主体的温度升高。当弧被启动时，这导致在电弧开始时等离子体和阴极表面之间的接触区域的扩展。结果，等离子体接触阴极支持部。一旦阴极支持部开始熔化，其便将在阴极与阴极支持部连接的点处损坏阴极，从而在阴极的该点处形成缺陷。一旦形成该缺陷，则电弧将接合到该缺陷，而不是接合到阴极的尖端，这将扰乱脉冲等离子体生成的正常过程，并将导致装置的操作不稳定。在装置冷却到室温之后，其能够生成另一列300-500次脉冲。因此，该可选实施例可用于要求不超过大约500次脉冲的有限次脉冲的应用。可以通过增加阴极的长度(从而最接近阳极的阴极末端与阴极支持部间的距离增大)，来增加脉冲的最大数量，但仅仅是不显著的增加该数量。

可选地，为了克服使用单个阴极的装置的实施例在几百次脉冲之后产生的操作不稳定的问题，在切换到脉冲等离子体之前阴极可以在连续等离子体脉冲模式下被“训练”。阴极训练是指对所述装置的这样的操作：在连续等离子体模式下，让高DC电流通过其阴极。开始时，由于阴极的几何形状，在某些实施例中由于等离子体腔的几何形状，电弧接合到阴极的尖端，使DC电流通过阴极尖端一段足够长的时间将正好在阴极的尖端处产生表面缺陷。在阴极已经被“训练”之后，当装置切换到脉冲等离子体模式时，电弧接合到由“训练”产生的阴极尖端处的缺陷。

在操作中，等离子体生成气体从控制台100流到装置200。等离子体生成气体通过通路72进入装置。在等离子体生成气体经过阴极绝缘体11之后，它通过等离子体通道62。这个方向被称为等离子体流方向。在包括等离子体腔的实施例中，在其进入等离子体通道62之前，等离子体生成气体经过等离子体腔26。等离子体通道62由阳极1以及两个或更多个中间电极形成。离阴极最远的等离子体通道的末端被称为等离子体通道的阳极末端；类似地，离阳极最远的等离子体通道的末端被称为等离子体通道的阴极末端。等离子体通道62在阳极末端具有出口。在如图2A所示的实施例中，等离子体通道62由阳极1以及中间电极2、3和4形成。中间电极4也形成等离子体腔26。在其他实施例中，形成等离子体腔26的电极不会形成等离子体通道62的一部分。绝缘体14、13和12提供了邻近电极的对之间的电绝缘。绝缘体14提供了阳极1和中间电极2之间的电绝缘；绝缘体13提供了中间电极2和中间电极3之间的电绝缘；以及绝缘体12提供了中间电极3和中间电极4之间的电绝缘。本领域已公知使用多电极***的等离子体生成原理。

图2B示出了横切如图1所示的装置200的实施例的在图2A中示出的横截面的纵向横截面。图2B示出了包括入口76、前向冷却剂通道78、环形冷却剂通道42(在图2A中示出)、反向冷却剂通道79和出口77的冷却***。冷却剂，优选是水，通过入口76进入装置。之后，冷却剂沿等离子体通道62在等离子体流方向上从阴极5a、5b、5c到阳极1经过前向冷却通道78。在阳极1的区域，前向冷却剂通道78连接到环形通道42，如图2A所示。冷却剂沿围绕阳极1的环形通道42流动。在装置的直径上的相反一侧，环形通道42连接到反向冷却剂通道79。冷却剂沿反向冷却剂通道79在与等离子体流相反的方向上流动，从阳极1流动到阴极5a、5b、5c，之后通过出口77离开装置。

图3示出了冷却剂分离器10，其与其他元件一起形成了前向冷却剂通道78、环形通道42和反向冷却剂通道79。装置的一些实施例可以包括多个冷却***。这样的实施例也包括多个冷却剂分离器，其可以形成其他冷却***的相应通道。

如果装置200的尺寸受限，例如用于锁孔手术，可以使用等离子体腔。图5更加详尽地示出了等离子体腔26。等离子体腔26的几何形状对于装置正常发挥作用是极其重要的。阴极5a、5b、5c倾向于从它们的表面(如分别从它们的边缘68a、68b和68c)的缺陷发出电子。为了正确操作，在每次脉冲开始时，必须在阴极边缘68a、68b和68c中之一以及等离子体通道62的内部表面上的一个点之间建立火花放电。为了实现这一点，必须满足以下条件。阴极边缘68a、68b和68c中的任一个与等离子体通道的内部表面上的一个点(例如点64)之间的距离必须小于或等于阴极边缘68a、68b和68c中的任一个与在其上可能终止电火花的任何其他表面(例如，等离子体腔26的内部表面和最接近阳极66的阴极绝缘体的边缘)之间的距离。如果使用如图5所示的等离子体腔26的几何形状以及阴极5a、5b和5c，则在启动装置期间，在阴极5a、5b、5c和等离子体通道62的内部表面上的点(例如点64)之间出现电火花。这保证了等离子体生成过程的正确操作。等离子体腔26的几何形状也会产生其他益处，例如减少达到电弧放电阶段所需的时间，如下所述，这对于脉冲等离子体是极其重要的。如果装置200不受尺寸限制(对于大多数皮肤治疗应用而言是这种情形)，则等离子体腔是可选的。

图6示出了等离子体通道62的结构。等离子体通道62包括加热部分84、扩展部分82和阳极部分83。对于给定的应用，扩展部分82和阳极部分83被用于将等离子体流扩展到要求的横截面区域。扩展部分82包括一个或更多个扩展段。在如图6所示的实施例中，扩展部分82包括扩展段86、88和90。

在优选实施例中，加热部分84由2至5个中间电极形成。在可选实施例中，加热部分84可以由单个中间电极或6个或更多个中间电极形成。加热部分84的直径，d_hp优选为0.5-1.5mm。形成加热部分84的每个电极的长度，l_{e_hp}取决于d_hp，并且优选地处于d_hp-2×d_hp的范围内。整个加热部分的长度取决于等离子体生成气体的流速——需要更长的加热部分来加热更大的等离子体生成气体流。对于典型的等离子体生成气体的流速(在1-2l/分钟的范围内)而言，加热部分由至少三个中间电极形成。整个加热部分的长度，l_hp可以大致等于形成加热部分所需的中间电极的数量乘以该中间电极的长度，l_{e_hp}。

扩展部分82中的段的数量取决于加热部分84的直径和阳极部分83的直径，并由以下关系式决定：

$N_s\≥\frac{d_A-d_{\mathrm{hp}}}{c}-1,$ 其中

N_s是等离子体通道的扩展部分的段的数量；

d_A是等离子体通道的以毫米为单位的阳极部分的直径；

d_hp是等离子体通道的以毫米为单位的加热部分的直径；以及

c对于该关系式和其他公式而言，是处于0.2-0.6mm之间的范围内的常数，优选为0.4mm。虽然c可以被选作小于0.2，如下所示，选择这样的c值将使得装置200的长度不可实现。

为了本公开的目的，扩展部分82的段从阴极5a、5b、5c起计到阳极1。从而，段86是1号段；段88是2号段；段90是3号段，等等。如果特定实施例具有多于3个的段，则它们也以这种方式来进行计数。扩展部分82的段的尺寸优选地由以下关系决定：

d_n优选为d_n-1+c，

l_n优选地处于d_n和2×d_n之间，其中

n是给定段的段编号，

d_n是第n个段的直径，以及

l_n是第n个段的长度。

为了确定1号段(图5中的段86)的直径，计算d₁所需的d₀的值被设为加热部分的直径d_hp。

阳极部分83的尺寸优选地由以下关系决定：

d_A优选为d_z+c，

1_A优选地处于2×d_A和5×d_A之间，其中

d_A是阳极部分的直径，

l_A是阳极部分的长度，以及

z是最接近阳极的扩展部分82的扩展段的编号。在图6中，z是3，其是扩展段90的编号。

在优选实施例中，横切等离子体通道的纵向方向的等离子体通道的横截面是圆形的。但是，在其他实施例中，横截面可以具有不同的几何形状。

在该装置的一些实施例中，扩展部分的每个段由一个独立的中间电极形成。在装置的其他实施例中，单个中间电极可以形成两个或更多个邻近段部分。在一些其他实施例中，一些中间电极可以形成扩展部分的段的一部分或完整的段，并且其他中间电极可以仅形成两个或更多个邻近段的部分。在图2A所示的实施例中，中间电极3形成段86(和加热部分84)，并且中间电极2形成段88和90。

装置200包括延伸喷嘴。例如，参见图2A，延伸喷嘴15被固定到装置的阳极末端。延伸喷嘴15具有延伸通道18，其延伸等离子体通道。延伸通道18的一部分由管状绝缘体元件17形成，该管状绝缘体元件17由陶瓷材料或石英制成。管状绝缘体元件17防止放电在延伸喷嘴15中终止。而这又防止了在装置200的操作期间电极材料从延伸喷嘴15脱离并进入等离子体流。这保证了从出口55离开延伸通道的等离子体的纯度。由管状绝缘体元件17形成的延伸通道18的部分的直径优选地处于1.0-1.3倍等离子体通道62的阳极部分83的直径的范围内。优选地，延伸通道的长度是其直径的2-3倍。在那些被配置用于生成臭氧的实施例中，延伸喷嘴15也具有一个或多个携氧气体入口16，如图2C所示。入口16被用于为延伸通道18提供携氧气体(优选为空气)，其可以被用于生产臭氧，如下所述。

通过以下实施例说明了在装置的优选实施例中不同元件的尺寸的计算。假设加热部分具有直径1.0mm和长度1.5mm(其主要由等离子体生成气体的流速决定)，并且从延伸通道55的出口离开装置的等离子体流的希望的直径是4.8mm。延伸通道的直径是4.8mm，且其长度可以被设为处于其直径的2-3倍范围内的任意长度，例如14.0mm。延伸通道的直径应该是等离子体通道的阳极部分的直径的1.0-1.3倍，且优选地处于6mm和12mm之间。在该实施例中，如果延伸通道的直径是等离子体通道的阳极部分的直径的1.2倍，阳极的直径可以是4.0mm。阳极部分的长度可以是处于其直径的2倍和其直径的5倍之间的任意长度。在该实施例中，当阳极的长度设为其直径的3倍时，该长度将是12.0mm。扩展部分将等离子通道的直径从加热部分84的直径(在该实施例中是1.0mm)扩展到等离子体通道的阳极部分的直径(4.0mm)。因此，在该实施例中，扩展部分将等离子体通道的直径扩展了3.0mm。可以以多种方式实现该扩展。例如，扩展部分的每个段的直径增大最多c(0.6mm)。在这种情况下，扩展部分中的段数量Ns是4。这些区域的直径如下：1.6mm、2.2mm、2.8mm和3.4mm。段的长度被设为处于直径的1倍和2倍之间的任意数值。因此，这些段的长度可以：2.0mm、3.0mm、4.0mm和5.0mm。如果选择每个段的直径增加小于0.6mm，则扩展部分中需要更多的段。

可选地，c可以被设为优选值0.4mm。这样，扩展部分中段的数量N_s是7。这些段的直径如下：1.4mm、1.8mm、2.2mm、2.6mm、3.0mm、3.4mm和3.8mm。这些段的长度可以分别是3.5mm、4.5mm、5.5mm、6.5mm、7.5mm、8.5mm和9.5mm。注意，在该实施例中，与0.4mm相比，最接近阳极的扩展段与阳极之间的扩展仅为0.2mm。这不会损害装置的功能。

在扩展部分的不同对段之间还可以有不同的扩展。例如，从加热部分到第一段的扩展是0.4mm，且其他扩展段和阳极之间的扩展可以是0.5mm。

以上讨论假设中间电极、阳极和延伸喷嘴是环形的，从而使得等离子体通道的部分和段以及延伸通道是圆柱形的。如上所述，在一些实施例中可以使用装置的其他几何形状。在这些实施例中，横切等离子体通道的纵向方向的横截面直径(为了本公开的目的为形状的任意两点之间的最大距离)仍然是用于前述计算的目的的关键尺寸。

如上所述，当等离子体被用于执行医学流程时，可能会产生可能削弱等离子体效果的杂质。例如，在医学流程中，微粒或片状物可以与被治疗的组织分离，然后干扰或甚至中断到被治疗的组织的目标区域的等离子体流。而且，在某些医学流程中，体液，例如血液、淋巴等，可以进入到被治疗区域的表面。这些体液也可以干扰等离子体的有效性。装置的一些实施例包括用于在医学流程中从被治疗的表面除去杂质的吸收模块。图7A示出了具有吸收模块的装置的一个实施例。在该实施例中，外部罩92封装如图2A-2C所示的装置。外部罩92具有一个或多个吸收通道94和96。在控制台100内运行的泵从被治疗的组织吸收杂质。该杂质沿通道94和96流动，并流到控制台100，在该处杂质累积在收集单元(在图7A中未示出)中。图7B示出了具有吸收模块的装置的不同实施例。除了通道94和96不沿装置的部分长度延伸并与出口98连接之外，该实施例类似于图7A所示的实施例。注意，在包括吸收模块和具有携氧气体入口的延伸喷嘴的实施例中，入口延伸经过罩92，如图7C(其示出了图7A中的横截面A-A)所示。图7D示出了包括没有携氧气体入口的延伸喷嘴的实施例的横截面A-A。

在优选实施例中，装置生成真实脉冲等离子体。在每次等离子体脉冲之后，在关断时段期间，等离子体流完全停止直到下一次脉冲为止。在脉冲之间，在关断时段期间，电流不流过阴极和阳极之间，且不会生成等离子体。

控制台100具有一个或多个电子电路，其用于控制流过等离子体通道的电流以及将电压施加在阴极和阳极之间。这些电路被用于生成每次等离子体脉冲。作为简要概述，等离子体生成过程包括三个阶段：火花放电、辉光放电和电弧放电。在电弧放电阶段期间，建立在阴极中之一和阳极之间的预定电流的电弧加热在等离子体通道62中流动的等离子体生成气体，并形成等离子体。生成每次等离子体脉冲需要等离子体生成气体经过所有三个阶段。在生成脉冲之前，等离子体生成气体的电阻接近无穷大。由于宇宙线对原子的电离，在等离子体生成气体中存在少量的自由电子。等离子体形成过程由(1)如图8A所示的在阴极和阳极之间施加电压以及(2)如图8B所示的控制通过等离子体的电流来控制。

操作装置的方法依赖于阴极组件的结构，并且可以依据装置的构造和其要用于的特殊应用而进行更改。在具有包括多个阴极的阴极组件的装置的优选实施例中，使用了特别适于图4中所示的阴极组件的操作方法。简言之，为了产生火花放电，高幅值、高频率电压波被施加在阳极1和阴极5a、5b、5c之间。该波增加了阴极5a、5b、5c和阳极之间的等离子体通道62中的自由电子的数量。该波的频率、持续时间和幅值取决于装置的几何形状。一旦已经形成足够数量的自由电子，则在阳极1和阴极5a、5b、5c之间施加DC电压，并且DC电流通过阴极、等离子体生成气体和阳极，这在阴极5a、5b、5c和阳极1之间形成了火花放电。

在这之后，等离子体生成气体的电阻下降，并且开始辉光放电阶段。在辉光放电阶段，作为电离结果而形成的正离子在由阴极5a、5b、5c和阳极1之间的电压产生的电场的影响下被吸引到阴极。当阴极5a、5b、5c被离子撞击时，最接近阳极1的阴极末端的温度升高。一旦温度升高到热电离电子发射的温度，电弧放电阶段开始。如上所述，等离子体腔26的表面区域和体积提供了大量离子，这缩短了辉光放电阶段的时间。

一旦电弧放电开始，则等离子体被接合到阴极组件中的所有阴极。然后，通过等离子体的电流下降，这使得接合区域减小到能够维持电弧放电的几乎最小的接合区域。该最小区域被称为点接合区域。由于等离子体接合区域很小，因此只在单个阴极上出现接合。因此，为维持电弧放电所需的电流(与阴极直径成比例)较小。在电流已被减小并保持在那个水平一段时间后，电流快速升高到脉冲的操作水平。等离子体接合区域则增加不明显，并且仅单个阴极在脉冲的剩余时间继续发射电子。减小等离子体接合区域，然后保持该较小的区域(从而仅单个阴极从被控区域发射电子)对于装置操作是极其重要的。

如上所述，在不同实施例中，可以使用该操作方法的不同变体。例如，在具有单个阴极的可选实施例中，接合区域可能仅由阴极长度以及阴极末端的锥度或阴极训练控制。在这些实施例中，只要达到电弧放电阶段，电流就升高到操作水平。

公开实施例中的元件的几何形状以及电压和电流脉冲的形状和同步保证了当不存在足以支持电流的热电离电子发射时多个阴极(或者一个阴极，取决于实施例)不会受到流经阴极的高电流的压力。而这又保证了使用相同的阴极组件该装置可以被启动上千次或者甚至上万次。

在脉冲的操作时段中，决定扩展部分中不同段的尺寸的各种关系允许等离子体快速扩展，这对于生成具有所要求特性的等离子体脉冲是极其重要的。已通过实验发现，在脉冲的操作时段中，等离子体通道的直径的单次增加超过0.6mm就将导致不完整的等离子体流扩展，或者甚至完全不扩展。换句话说，如果扩展部分的第n段的直径比第(n-1)段的直径增大超过0.6mm，则等离子体流不会扩展到第n段的直径，且当等离子体流穿过等离子体通道的剩余的下游部分和延伸通道时，其被限于小于第n段的横截面的一个特定的横截面。图9示出了这一概念。在图9中，不存在扩展部分82。加热部分84a过渡到阳极部分83a。阳极部分83a的直径超出加热部分84a的直径多于0.6mm。当等离子体进入阳极部分83a时，等离子体通道62a中流动的等离子体在脉冲的操作时段期间不扩展，或者不充分扩展。当存在扩展部分时(但是邻近段之间的直径的差值超过0.6mm)，会出现非常类似的情况，。但是，当扩展段的直径处于由上述关系决定的范围之内，等离子体流扩展到每个段的阳极末端的整个横截面，从而在出口55处的等离子体流的直径等于延伸通道的直径。注意，对于更长的脉冲或者连续等离子体流而言，增大0.6mm及更大会导致部分扩展的等离子体流。本质上，对于例如皮肤治疗的应用所需的短暂脉冲而言，单次直径增大必须小于或等于0.6mm，以便等离子体流在每个段中完全扩展到该增大的直径。

由大于0.6的单次直径增大引起的另一问题是，如果等离子体流与阳极壁分开，则有可能在等离子体流和阳极壁之间形成电弧。这也被示于图9中。图9示出了在等离子体流和阳极1的壁之间形成的电弧171。这样的电弧将会把电极材料引入等离子体流，并且使等离子体不纯净。当电弧中的电流快速增加而流中的等离子体尚未被充分加热时，等离子体流的这种逐渐变宽的过程在生成真实脉冲等离子体流方面起到了重要作用。

将等离子体通道的直径增大小于0.2mm不会引起等离子体的不纯净，也不会导致等离子体的不充分扩展。但是，小于0.2mm的扩展也是不理想的。具体地，具有小于0.2mm的扩展的装置需要大量的扩展段。每个扩展段具有其最小长度要求，因此具有大量的扩展段就意味着具有更长和更少便利的装置。此外，除了单单的不方便外，扩展段的数量增加需要更多的能量，从而需要更大的功率以用于加热穿过等离子体通道的等离子体流，该等离子体通道的长度因扩展段的数量增加而增加。因此，尽管在使段直径增大小于0.2mm的情况下装置也能正常发挥作用，但是优选地每次扩展处于0.2-0.6mm的范围内。

因为等离子体在扩展部分82中扩展，所以它的一些特性发生了变化。在脉冲的工作时段中，加热部分的特征在于功率密度在0.3-5kW/mm³的范围内，如图8D所示。加热部分中的等离子体流的平均速度优选地小于或等于500m/s。等离子体的平均温度是8-18°kK，优选为10-16°kK，如图8C所示。加热部分中的电场优选地处于2-25V/mm的范围。

扩展部分的特征在于功率密度小于0.3kW/mm³。扩展部分中的等离子体的平均温度优选地保持在8-18°kK的范围内。等离子体通道的扩展部分中的电场优选地处于1-5V/mm的范围内。

在等离子体流在等离子体通道82的扩展部分中进行扩展之后，等离子体流到达延伸喷嘴15。延伸喷嘴15对等离子体流具有双重效果：首先，延伸喷嘴改变了等离子体流的温度和能量分布，以使其适合于特定应用，例如组织治疗；其次，延伸喷嘴可以在等离子体流中产生臭氧和氧化氮。

延伸喷嘴15对等离子体流的第一个效果是改变等离子体流的温度和能量分布。在电弧放电阶段，阴极和阳极之间的电弧加热等离子体通道62中的等离子体。只有一小部分的等离子体形成等离子体的中心，在该等离子体的中心处，温度较高。剩余的等离子体与电弧相隔一段距离地沿等离子体通道的***流动，，因此具有低得多的温度。沿等离子体通道的***流动的等离子体不能被加热到与在中心流动的等离子体相同的温度，因为形成等离子体通道的中间电极和阳极由具有高导热系数的金属制成。因此，从在中心流动的等离子体转移到沿***流动的等离子体的热量被转移到中间电极和阳极，并且不由沿***流动的等离子体保持。当等离子体到达等离子体通道62的阳极末端时，其具有如图10A所示的大致抛物线型的温度分布。如图10A所示，等离子体流的中心处的等离子体的温度大大高于在等离子体流的***处的温度。类似的，等离子体流的中心处的等离子体的能量密度(与温度成正比)大大高于在***处的等离子体的能量密度。

这样的等离子体流的温度和能量密度分布不适于一些应用，例如皮肤治疗。当具有这种温度和能量密度分布的等离子体流脉冲与患者的皮肤接触时，较小区域的皮肤吸收了等离子体流脉冲中的大部分能量，并且比这大得多的区域吸收了剩余的能量。图10B示出了皮肤的具有阳极部分中的等离子体通道的直径的圆形区域190。如果如图10A所示的等离子体流脉冲接触区域190，则区域190的大约20％的部分192将吸收储存在等离子体脉冲中的能量的大约80％。区域190的剩余80％的部分194只吸收储存在等离子体脉冲中的能量的大约20％。

如图11A所示，延伸喷嘴将温度和能量密度分布变为大致均匀的。换句话说，从出口55离开延伸喷嘴的等离子体流的温度和能量密度在该流的整个横截面中大致相同。图11B示出了由具有如图11A所示的分布的等离子体流治疗的皮肤区域。如图11B所示，当等离子体流脉冲接触皮肤时，整个区域大致均匀地受到脉冲的影响，并且不存在接收多得多或少得多的能量的点。在优选实施例中，装置中的元件的几何形状和操作参数(即，等离子体生成气体流速、电流幅值等)被选择成使得施加到被治疗的组织的等离子体的能量密度是5-500J/cm²。在其他实施例中，可以实现其他能量密度。

如上所述，当等离子体离开阳极并进入延伸通道时，其温度和能量密度具有如图10A所示的抛物线型分布。等离子体流在等离子体通道中没有取得均匀温度的一个主要原因是中间电极和阳极由具有高导热系数的金属(例如铜)制成。由于高导热系数的原因，来自等离子体的热量被转移给沿通道78和79流动的冷却剂。阳极1和中间电极强烈地冷却了等离子体的***，从而形成了较大的温度梯度。位于延伸通道18中的绝缘体元件17优选地由石英或具有非常低的导热系数的陶瓷材料制成。因此，当被加热的等离子体接触到不冷却等离子体的绝缘体元件17时，热量没有分布到绝缘体元件17的整个体积。仅与被加热的等离子体接触的绝缘体元件17的内部表面被快速加热到等离子体的温度，且没有被冷却。因为存在到延伸喷嘴的最小的热量散发，沿***流动的等离子体的温度升高。因为热量从等离子体流的中心转移到***，所以热量没有被转移到装置的结构元件。而且，在延伸通道18中，等离子体流的中心没有被电弧加热，因为该电弧在阳极处已经终止。因此，当等离子体流离开延伸通道出口55时，其将具有如图11A所示的大致均匀的温度和能量密度分布。图11B示出，大致均匀的温度和能量密度分布导致了等离子体对被治疗组织的大致均匀的效果。

延伸喷嘴的第二可选效果是生成臭氧和氧化氮。在一些国家中，已经认识到臭氧呈现出对医学有用的一些性质，例如其抗菌效果。但是，在其他国家中，臭氧的益处还没有被认识到。但是，本领域已公知，可通过放电、高温和暴露到高能电磁辐射下由氧气形成臭氧。当O₂分子被引入等离子体流时，在一个或多个以上条件的影响下，一些O₂分子将会被分解成氧原子，然后再与O₂分子重新组合以形成臭氧(O₃)。

在一些实施例中，装置生成臭氧，然而在其他实施例中，装置不生成臭氧。可通过两种方式控制臭氧的生成。首先，通过减小直径或者甚至完全消除携氧气体入口，可控制携氧气体的入口。图12A示出了具有较小直径的入口16的延伸喷嘴15。图12B示出了完全没有携氧入口的延伸喷嘴15。其次，可以减小延伸通道18的长度，从而进入入口的氧气没有时间经历生成臭氧所需的反应。应当理解，通过使用控制臭氧的生成的这些方式中的一种或两种，由装置200生成的臭氧的量可以增大、减少、或者甚至完全被消除。类似的，以同样的方式控制氧化氮的生成。与生成臭氧和氧化氮的以下讨论假设延伸喷嘴15具有一个或更多个携带氧和氮的气体入口16。

转到导致生成臭氧的那些过程，等离子体流在穿过等离子体通道之后进入延伸喷嘴15。延伸通道中的等离子体流的温度优选地降到3-12°kK。在操作过程中，当等离子体流经过携氧气体入口16时，将在那些入口16中产生吸收效果，而这导致如空气的携氧气体被拉进延伸通道18。在延伸通道中，空气的比例，以体积来计，优选地处于5-25％的范围内。众所周知，以体积来计，空气中包含大约21％的O₂氧气，并且因此，以体积来计，延伸通道中的O₂比例优选地处于1-5％的范围内。一些氧气分子将被分解成原子，然后再与O₂氧气分子重新组合，或者有时与其他分解的氧气原子重新组合，以在以下两种因素的影响下形成臭氧：(1)以具有较高能量的电子撞击O₂分子，以及(2)由于等离子体生成气体分子、电子和其他微粒的发射的原因而来自等离子体通道的紫外线辐射。依据以下化学反应形成臭氧分子：

e+O₂→O+O^-；

e+O₂→O+O+e；以及

e+O₂+M→O₃+M，

其中M可以是任意反应微粒，如惰性气体分子，例如氩气。

将携带氧和氮的气体引入等离子体流的另一效果是在延伸通道18中生成氧化氮(NO)。NO的各种治疗效果以及其生成方法在本领域中是众所周知的，并已为一些国家所认识。例如，美国专利No.5,396,882公开了通过将空气引入电弧腔来产生NO的***和方法。同样的，具有扩展模块的装置的实施例为产生NO创造了条件。将例如空气的携带氧和氮的气体引入等离子体流创造了用于在扩展通道18中合成NO的最佳条件。如上所述，阳极出口处的等离子体的温度处于3°-12°kK的范围内。该温度对于在与臭氧产生同时在具有空气分子的等离子体流中出现以下化学反应是足够高的：

N₂+O₂→2NO-180.9kJ

在一些实施例中，空气、氧气或者这两者的比例可以变化。例如，在一些实施例中，富含氧气的空气可以被提供给携氧气体入口16。在其他实施例中，提供给携氧气体入口16的空气可以被加压，从而导致等离子体中的更高浓度的空气。在一些其他实施例中，可以使用以上两种方法的结合。

除了输出等离子体，并且在一些实施例中输出臭氧和氧化氮之外，由于来自等离子体通道的加热部分中的高温等离子体的辐射，装置也发射光。已经发现和在例如美国公开申请No.2003004556中公开了，具有从大约300nm到大约1600nm的主导发射波长的脉冲光(其中脉冲的持续时间处于1飞秒至100秒的范围内)具有各种治疗效果。其中，已经表明，利用这样的脉冲光有益于治疗毛发、表皮、皮下血管和许多其他器官。美国公开申请No.2003004556公开了用于生成具有所需特性的脉冲光的各种装置和方法。

如上所述，加热部分中的等离子体温度优选在8-18°kK之间。在这一温度范围内，等离子体流发射具有从大约400nm到大约850nm的主导发射波长的光。图13示出了距离出口55大约3mm处的光302的谱分布，以及距离出口55大约50mm处的光304的光谱分布。图13示出了以下谱分布：

200-350nm-2％；

350-400nm-5％；

400-650nm-62％；

650-750nm-15％；

750-850nm-14％；以及

850-1400nm-2％。

因此，装置200可用于脉冲光治疗以及其他用途。注意，在脉冲的工作时段期间，通过调节通过等离子体流的电流的幅值可以容易地改变所发射光的谱中较短波长与较长波长之比。通过增大电流，大约相同量的能量被用于等离子体生成，但是多得多的能量被用于光发射。

对于治疗患者而言，装置可被安全和有效地使用，而不需要在每次脉冲之后从被治疗的组织移除(一些现有的装置必须进行这一步)。因此，可以自动生成具有较高频率的等离子体脉冲。对于每次脉冲而言，通过首先经过火花放电和辉光放电阶段、然后在电弧放电阶段由电弧加热等离子体生成气体来生成新的等离子体流。一旦建立等离子体流，其就将通过扩展部分、然后阳极部分、再然后延伸通道而在等离子体通道中扩展。如上所述，在延伸通道中，等离子体流的热和能量密度分布被改变为在延伸通道的横截面上大致均匀。在脉冲的持续时间内，具有更改后的热能分布的扩展的等离子体流被安全地施加到患者的皮肤。在脉冲末期，等离子体流完全停止。该过程可以反复进行，直到发出了希望数量的脉冲为止。除等离子体脉冲带来的好处外，所产生的光辐射为治疗皮肤以及皮下器官(例如真皮和血管)也提供了裨益。

杂质被从被治疗的皮肤的表面除去。除去杂质不必与脉冲同步，而可以是连续的操作。此外，为了附加的有益效果，可以将臭氧混合到施加到患者皮肤的等离子体流之中。如上所述，在延伸部分的入口引入携氧气体导致了在等离子体流中形成臭氧分子。

重要的是，在将等离子体脉冲施加到皮肤之后，等离子体流完全终止，直到下一次脉冲为止。在关断时段中，等离子体并未施加到患者的皮肤，而患者仅仅受到冷却的等离子体生成气体的无害气流以及杂质泵的真空吸收的影响。因此，使用该装置的操作者不会冒产生与在关断时段中从患者皮肤上移除装置有关的失误以及尝试将该装置正确地重新定位以继续治疗的风险。这样大大提高了流程的安全性和持续时间。

已为说明和描述的目的而提供了对本发明的实施例的前述描述。这些描述本意不是穷举性的，也不欲将本发明限制于所公开的精确形式。对本领域技术人员而言，许多更改和变化是显而易见的。为了最好地解释本发明的原理及其实际应用而选择和描述了这些实施例，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明。可以设想适于特定应用的不同实施例和变型。本意是本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (35)

1.一种用于生成等离子体脉冲的装置，包括：

a．阳极；

b．包括阴极支持部和一个或多个阴极的阴极组件；

c．两个或更多个彼此电绝缘且与阳极电绝缘的中间电极，其形成一部分等离子体通道，所述等离子体通道在所述阴极组件与所述阳极之间纵向延伸并经过所述阳极，并且具有在阳极末端开口的出口，所述等离子体通道包括最接近所述阴极组件的加热部分、阳极部分和在所述加热部分和所述阳极部分之间的扩展部分，所述扩展部分具有两个或更多个段，其中所述扩展部分的每个相继的段的直径朝所述阳极增大；以及

d．延伸喷嘴，其形成连接到等离子体通道的所述阳极末端的延伸通道，该延伸喷嘴具有覆盖所述延伸通道的内部表面的一部分的管状绝缘体。

2.如权利要求1所述的装置，还包括等离子体腔。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述阴极组件包括两个或更多个阴极。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述扩展部分的段的直径比在所述阴极组件的方向上的邻近段的直径大不超过0.6mm且所述扩展部分的段的长度等于或大于所述扩展部分的段的直径。

5.如权利要求4所述的装置，其中最接近所述阴极组件的所述扩展部分的段的直径比加热部分的直径大不超过0.6mm且所述扩展部分的段的长度等于或大于所述扩展部分的段的直径。

6.如权利要求5所述的装置，其中

a．所述加热部分的直径是1.0-1.5mm；以及

b．形成所述加热部分的电极的长度是所述加热部分的直径的1.0-2.0倍。

7.如权利要求6所述的装置，其中

a．所述阳极部分的直径比最接近所述阳极的所述扩展部分的段的直径大不超过0.6mm；以及

b．所述阳极部分的长度是所述阳极部分的直径的2.0-5.0倍。

8.如权利要求7所述的装置，其中

i．所述管状绝缘体的内直径是所述阳极部分的直径的1.0-1.3倍；以及

ii．所述延伸通道的长度是所述管状绝缘体的内直径的2.0-3.0倍。

9.如权利要求1所述的装置，其中所述扩展部分的两个邻近段的部分由一个中间电极形成。

10.如权利要求1所述的装置，其中所述扩展部分的至少一个段由单个中间电极形成。

11.如权利要求1所述的装置，还包括一个或多个通过所述装置的外部罩形成的吸收通道。

12.如权利要求2所述的装置，其中所述延伸喷嘴具有到所述延伸通道的一个或多个携氧气体入口。

13.一种使用由权利要求1-12中任一项所述的装置所生成的等离子体脉冲来处理组织的方法，包括反复地：

a．生成等离子体流；

b．将所述等离子体流扩展到预定横截面；

c．利用所述延伸喷嘴改变所述扩展的等离子体流的热和能量密度分布，使得该分布在横截面中是大致均匀的；

d．将所得的等离子体流施加到该受处理的组织；以及

e．之后停止所述等离子体流。

14.如权利要求13所述的方法，其中每次脉冲的能量密度小于或等于5-500J/cm²。

15.如权利要求13所述的方法，还包括从所述受处理的组织中移除异物。

16.如权利要求13所述的方法，还包括将光施加到所述受处理的组织上。

17.如权利要求16所述的方法，其中所述光具有400-850nm的主导发射波长。

18.如权利要求13所述的方法，还包括将携氧气体引入所述等离子体流。

19.如权利要求18所述的方法，其中施加到所述受处理的组织的所述等离子体流包括臭氧微粒。

20.如权利要求19所述的方法，其中所述携氧气体是空气。

21.一种使用装置生成等离子体脉冲的方法，所述装置包括阴极、阳极、以及两个或更多个彼此电绝缘且与阳极电绝缘的、形成一部分等离子体通道的中间电极，所述等离子体通道在所述阴极和所述阳极之间纵向延伸并经过所述阳极，并且具有在阳极末端开口的出口，且所述等离子体通道包括最接近所述阴极的加热部分、阳极部分以及位于所述加热部分和所述阳极部分之间的扩展部分，所述扩展部分具有两个或更多个段，其中所述扩展部分的每个相继的段的直径朝所述阳极增大；该方法包括：

a.让等离子体生成气体沿所述等离子体通道通过；以及反复地：

b.在所述阴极和所述阳极之间建立电弧；

c.一旦电弧建立，减小通过等离子体的电流，使得等离子体的接合区域减小到能够维持电弧放电的几乎最小的接合区域，然后将被减小的电流保持一段时间，接着将该电流升高到工作水平；以及

d.终止所述电弧。

22.如权利要求21所述的方法，其中所述等离子体流基本没有杂质。

23.如权利要求21所述的方法，其中控制所述电弧接合到所述阴极的区域是通过将所述电弧中的电流设置为预定值实现的。

24.如权利要求23所述的方法，还包括在控制所述电弧接合到所述阴极的区域后加热所述等离子体流。

25.如权利要求21所述的方法，其特征在于，所述装置还包括延伸喷嘴，其形成连接到等离子体通道的所述阳极末端的延伸通道，该延伸喷嘴具有覆盖所述延伸通道的内部表面的一部分的管状绝缘体，该管状绝缘体的表面具有低的导热系数；所述方法还包括沿该管状绝缘体的表面通过所述等离子体流来控制所述等离子体流的热分布。

26.如权利要求25所述的方法，其中在通过所述管状绝缘体的表面后，所述等离子体流的所述热分布在横截面中是基本均匀的。

27.一种使用脉冲等离子体生成装置生成氧化氮的方法，所述装置包括阴极、阳极、以及两个或更多个彼此电绝缘且与阳极电绝缘的、形成一部分等离子体通道的中间电极，所述等离子体通道在所述阴极与所述阳极之间纵向延伸并经过所述阳极，并且具有在阳极末端开口的出口；且所述等离子体通道包括最接近所述阴极的加热部分、阳极部分以及位于所述加热部分和所述阳极部分之间的扩展部分，所述扩展部分具有两个或更多个段，其中所述扩展部分的每个相继的段的直径朝所述阳极增大；并且所述装置还包括形成延伸通道的延伸喷嘴，该延伸通道连接到所述等离子体通道的阳极末端，该延伸喷嘴具有覆盖所述延伸通道的内部表面的一部分的管状绝缘体，所述延伸喷嘴具有到所述延伸通道的一个或多个气体入口，该方法包括：

a.沿所述等离子体通道通过等离子体流；以及

b.在所述延伸喷嘴中，通过所述延伸喷嘴中的所述一个或多个气体入口将包括氮和氧的气体引入所述等离子体流中。

28.如权利要求27所述的方法，其中在包括氮和氧的所述气体被引入所述等离子体流的区域中所述等离子体具有处于3-12kK的范围内的温度。

29.如权利要求27所述的方法，其中在超过大气压的压力下引入包括氮和氧的所述气体。

30.如权利要求27所述的方法，其中所述等离子体流发光。

31.如权利要求30所述的方法，其中所述光具有400nm-850nm的主导发射波长。

32.一种脉冲等离子体生成装置，包括：

a．阳极；

b．包括阴极支持部和一个或多个阴极的阴极组件；

c．两个或更多个彼此电绝缘且与阳极电绝缘的、形成一部分等离子体通道的中间电极，所述等离子体通道在所述阴极组件与所述阳极之间纵向延伸并经过所述阳极，所述等离子体通道具有在阳极末端开口的出口；且所述等离子体通道包括最接近所述阴极的加热部分、阳极部分以及位于所述加热部分和所述阳极部分之间的扩展部分，所述扩展部分具有两个或更多个段，其中所述扩展部分的每个相继的段的直径朝所述阳极增大；

d．延伸喷嘴，其形成延伸通道，该延伸通道连接到所述等离子体通道的阳极末端，该延伸喷嘴具有覆盖所述延伸通道的内部表面的一部分的管状绝缘体，还具有到所述延伸通道的一个或多个气体入口。

33.如权利要求32所述的等离子体生成装置，其中所述等离子体通道向所述阳极扩展。

34.如权利要求32所述的等离子体生成装置，其中一个中间电极还形成等离子体腔。

35.如权利要求32所述的等离子体生成装置，还包括能够冷却所述阳极的冷却通道。

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