JP5979350B2

JP5979350B2 - プラズマ発生装置

Info

Publication number: JP5979350B2
Application number: JP2012080196A
Authority: JP
Inventors: 勝堀; 加納　浩之; 浩之加納
Original assignee: Nagoya University NUC; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Current assignee: Nagoya University NUC; NU Eco Engineering Co Ltd; Tokai National Higher Education and Research System NUC
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2016-08-24
Anticipated expiration: 2032-03-30
Also published as: JP2013211153A

Description

本発明は、プラズマ発生装置に関する。さらに詳細には、人体内の液体中でプラズマを発生させるのに好適なプラズマ発生装置に関するものである。

プラズマ雰囲気中では、原料ガスの一部はラジカル化する。このラジカルは、原料ガスの薄膜を成膜処理したり、被処理体をエッチング処理する場合に用いられる。また、その他に、ガラス基板や半導体基板の表面を清浄化する場合にも用いられる。その他に、種々の用途がある。

プラズマ発生装置には、液体中でプラズマを発生させるものがある。例えば、特許文献１には、金属線の電極対と、それぞれの金属線を被覆する管状絶縁部材と、を有する液中プラズマ発生装置が開示されている（特許文献１の図１参照）。そして、液体の内部でガスを発生させ、そのガスの内部にプラズマを発生させることができる旨が記載されている。

特開２０１２−１４９５５号公報

ＳａｃｈｉｋｏＩｓｅｋｉｅｔａｌ．，ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，１００, １１３７０２ (２０１２)

ところで、近年では、プラズマを治療に用いる研究が活発になされてきている。例えば、患部の消毒である。また、その他に、ガンの治療についても研究されてきている。また、本発明者らも、プラズマ照射によるガンの治療について研究を行っている（非特許文献１参照）。しかし、特許文献１に記載の液中プラズマ発生装置等、従来のプラズマ発生装置では、人体の内部にプラズマを発生させることは容易ではない。仮に、開腹した後にその開口部から患部にプラズマを照射するとしても、プラズマを照射するたびに患者に開腹を強いることとなる。これでは、患者に与える肉体的負担が大きい。

本発明は、前述した従来の技術が有する問題点を解決するためになされたものである。すなわちその課題とするところは、人体内の患部にプラズマを照射することのできるプラズマ発生装置を提供することである。

第１の態様におけるプラズマ発生装置は、円筒形状の円筒電極と、円筒電極の内部に収容されている内部電極と、円筒電極と内部電極との間に位置する絶縁部材と、を有する。そして、円筒電極は、注射針形状をしている電極である。また、内部電極の先端部分に、マイクロホローが形成されている。

このプラズマ発生装置は、人体に注射する要領で人体の内部に円筒電極を挿入し、人体の内部にプラズマを発生させることができる。円筒電極が注射針形状であるためである。また、円筒電極の外径をごく小さいものとすることができる。円筒電極の内部に内部電極を収容するためである。また、マイクロホローが形成されているため、電子が高濃度で放出される。これにより、プラズマ密度の高いプラズマが発生する。そして、ラジカル密度の高いラジカルが発生する。

第２の態様におけるプラズマ発生装置は、円筒形状の円筒電極と、円筒電極の内部に収容されている内部電極と、円筒電極と内部電極との間に位置する絶縁部材と、を有する。そして、円筒電極は、注射針形状をしている電極である。円筒電極の先端部分の内側面の少なくとも一部は、絶縁部材に覆われずに露出している露出部を有する。また、露出部に、マイクロホローが形成されている。このため、円筒電極の露出部と内部電極との間で、好適にプラズマを発生させることができる。また、マイクロホローが形成されているため、電子が高濃度で放出される。これにより、プラズマ密度の高いプラズマが発生する。そして、ラジカル密度の高いラジカルが発生する。

第３の態様におけるプラズマ発生装置においては、内部電極の先端部分に、マイクロホローが形成されている。

第４の態様におけるプラズマ発生装置では、絶縁部材と内部電極との間に、ガスを流すためのガス供給路が設けられている。これにより、ラジカル源となるガスを電極間の空間に形成することができる。

第５の態様におけるプラズマ発生装置では、内部電極と円筒電極との間に電圧を印加する電圧印加部を有する。電圧印加部により、内部電極と円筒電極との間に電圧を印加することができる。

第６の態様におけるプラズマ発生装置では、円筒電極は、接地されているものである。これにより、プラズマを発生させても、患者が感電するおそれはほとんどない。円筒電極は、人体に挿入されるときに実際に人体に接触している箇所である。

第７の態様におけるプラズマ発生装置では、電圧印加部は、内部電極および円筒電極を液体中に浸漬した状態で内部電極と円筒電極との間に電圧を印加するものである。これにより、人体の体液の中にプラズマを発生させることができる。また、人体の内部に生理食塩水等を注入し、その状態でプラズマを発生させることもできる。これにより、好適にプラズマを人体に照射することができる。

第８の態様におけるプラズマ発生装置では、円筒電極の外径が０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内である。外径が小さいため、人体に挿入してプラズマを発生させることができる。

本発明によれば、人体内の患部にプラズマを照射することのできるプラズマ発生装置が提供されている。

第１の実施形態に係るプラズマ発生装置の全体の構成を示す概略構成図である。第１の実施形態に係るプラズマ発生装置における電極体の構成を示す断面図である。第１の実施形態に係るプラズマ発生装置における電極体でプラズマが発生している様子を示す断面図である。第１の実施形態に係るプラズマ発生装置を水道水に浸けたところを示す写真である。第１の実施形態に係るプラズマ発生装置を水道水に浸けてプラズマを発生させたところを示す写真である。第１の実施形態に係るプラズマ発生装置における別の電極体の構成を示す断面図である。第２の実施形態に係るプラズマ発生装置の全体の構成を示す概略構成図である。第２の実施形態に係るプラズマ発生装置における電極体の構成を示す断面図である。

以下、具体的な実施形態について、人体の内部の液体中にプラズマを発生させるプラズマ発生装置を例に挙げて図を参照しつつ説明する。

（第１の実施形態）
１．プラズマ発生装置の構成
本実施形態のプラズマ発生装置は、注射器のように人体に挿入して、体内の患部にプラズマを照射するためのものである。図１は、本実施形態のプラズマ発生装置１００の全体の構成を示す模式図である。図１に示すように、プラズマ発生装置１００は、電極体Ｅ１０と、ホルダー１１０と、高電圧電源１２０と、を有している。

電極体Ｅ１０は、後述するように、電極を有している。また、電極体Ｅ１０は、人体の皮脂下に挿入できるように注射針の形状をしている。そのため、電極体Ｅ１０の外径は、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内と細い。この径は、通常の注射器と、同程度である。そして、電極体Ｅ１０の先端部分には、円筒を斜めにカットした形状である端面Ｓ１が形成されている。

ホルダー１１０は、電極体Ｅ１０を支持するとともに、人体への挿入時に、医者等の治療行為を行う者がプラズマ発生装置１００を保持するための保持部である。ホルダー１１０の材質は、絶縁部材である。例えば、樹脂である。治療行為を行う者が感電しないようにするためである。

高電圧電源１２０は、後述する電極体Ｅ１０の電極間に電圧を印加するための電圧印加部である。高電圧電源として、例えば、６０Ｈｚ交流または５０Ｈｚ交流を昇圧した高電圧電源や、その他の高周波高電圧電源を用いることができる。

２．電極体の構成
図２は、電極体Ｅ１０の内部構造を示す断面図である。図２に示すように、円筒電極１０と、管状絶縁部材２０と、内部電極３０と、を有している。

円筒電極１０は、円筒形状の電極である。その外径は、０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内である。もちろん、これ以外の値であってもよい。円筒電極１０の材質は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）である。もちろん、これ以外であってもよい。そして、円筒内部に管状絶縁部材２０と、内部電極３０とを収容している。そして、円筒電極１０の先端部分の端面Ｓ１は、円筒電極１０の中心軸と斜めに交差する。円筒電極１０は、注射針の役割を果たすものである。したがって、円筒電極１０は、注射針形状をしている。したがって、円筒電極１０の外径も、一般的な注射針の外径と同程度である。なお、一般的な注射針の外径および内径の規格の一部を表１に示す。ただし、これらは例示であり、本実施形態の適用範囲を限定するものではない。

管状絶縁部材２０は、管状の絶縁部材である。管状絶縁部材２０は、先端部分を除く円筒電極１０の内部の領域で、円筒電極１０と内部電極３０との間に放電が生じないようにするためのものである。そのため、円筒電極１０と内部電極３０との間に位置している。そして、内部電極３０を先端部分まで覆っている。これにより、円筒電極１０と内部電極３０との間の放電箇所を限定し、電極体Ｅ１０の先端部分にプラズマを発生させるのである。

内部電極３０は、円筒電極１０の円筒内部に収容されている内部電極である。内部電極３０は、例えば、金属線である。このように内部電極３０の形状は、線状あるいは細長い円柱形状である。内部電極３０の外径は、例えば、０．５ｍｍ程度である。もちろん、内部電極３０の外径は、管状絶縁部材２０の内径よりわずかに小さい。内部電極３０の材質は、例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）である。もちろん、その他の金属であってもよい。そして、内部電極３０は、その先端部分に至るまで管状絶縁部材２０により被覆されている。そして、内部電極３０の先端部分には、ホローＨ１が形成されている。ホローＨ１は、微細な凹部を繰り返し形成されたマイクロホローである。

［表１］
ゲージ外径（ｍｍ）内径（ｍｍ）
３２Ｇ０．２３６０．１０８
１８Ｇ１．２７３０．８４０
０７Ｇ４．５８３３．８１９

ここで、円筒電極１０と、内部電極３０とにおける電極の性質について説明する。円筒電極１０は、グラウンドに接地された第１の電極である。円筒電極１０は、使用時において、常に接地されている。したがって、電位は常にゼロである。患者に直接触れる部分であるため、患者を感電させることのないようにするためである。

内部電極３０は、高電圧電源１２０により周期的に変化する電位を与えられる第２の電極である。そのため、円筒電極１０と内部電極３０との間に高電圧の電圧が印加されることとなる。

円筒電極１０の先端部分Ｌの内側面の少なくとも一部は、管状絶縁部材２０に覆われずに露出している。内側面Ｓ２は、その露出している露出部である。そのため、円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧が印加された場合には、円筒電極１０の内側面Ｓ２と、内部電極３０のホローＨ１との間で主に放電が生じる。

３．使用時におけるプラズマ発生装置の動作
図３は、円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧を印加した場合を示す図である。これにより、円筒電極１０の内側面Ｓ２と、内部電極３０のホローＨ１との間で放電が生じる。この放電により、液体中にガスＧ１が発生する。具体的には、円筒電極１０の内側面Ｓ２と、内部電極３０のホローＨ１との間にガスＧ１が発生する。そして、ガスＧ１の内部にプラズマＰ１が発生する。

４．プラズマ発生装置を用いた治療方法
まず、注射針形状の電極体Ｅ１０を人体に挿す。次に、電極体Ｅ１０の先端部分、すなわちプラズマを発生させる部分を患部に近づける。そして、そのまま、円筒電極１０と、内部電極３０との間に電圧を印加する。つまり、円筒電極１０および内部電極３０を人体内の液体中に浸漬した状態で円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧を印加するのである。これにより、前述したように、ガスＧ１中にプラズマＰ１が発生する。このプラズマＰ１を患部に当てる。これにより、患部を治療することができる。

なお、円筒電極１０は接地されているので、円筒電極１０の電位はゼロである。そのため、円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧を印加しても、円筒電極１０と接触している箇所から、患者が感電するおそれはない。また、放電領域も極めて限定的であるため、放電により患者を感電させるおそれはない。また、ガスＧ１が患者の体内で発生しても、それにより患者に加わる負担はほとんどない。また、患者の体内からガスＧ１を吸引して回収することとしてもよい。

このように、患部が人体の体液に浸かっている場合には、上記のように、プラズマを照射すればよい。そうでない箇所においても、生理食塩水等で患部の周囲を浸すことにより、患部を治療することができる。

５．実験
ここで、本実施形態のプラズマ発生装置１００を用いて、水中でプラズマを発生させた実験の観察結果を示す。用いた円筒電極１０の外径は、表１の１８Ｇと同じものである。つまり、電極体Ｅ１０の外径は、１．２７３ｍｍである。注射針、すなわち、電極体Ｅ１０の長さは、４５ｍｍである。図４は、プラズマ発生装置１００を水槽の中に浸けた様子を示す写真である。この段階では、未だ円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧を印加していない。すなわち、プラズマは発生していない。

図５は、プラズマ発生装置１００に、円筒電極１０と内部電極３０との間に電圧を印加したところを示す写真である。図５に示すように、電極体Ｅ１０の先端部分でガスＧ１が発生している。電極体Ｅ１０の外径と比較すると、ガスＧ１の発生領域はそれほど広くはない。ただし、プラズマを患部に照射することが可能であることに変わりない。

６．変形例
６−１．円筒電極におけるホローの形成
本実施形態では、内部電極３０のホローＨ１と、円筒電極１０の内側面Ｓ２との間で放電を生じさせることとした。しかし、図６に示すように、円筒電極１０の内側面Ｓ２の少なくとも一部に、ホローＨ２を形成することとしても良い。ホローＨ２は、微細な凹部を繰り返し形成されたマイクロホローである。この場合には、内部電極３０のホローＨ１と、円筒電極１０のホローＨ２との間で放電が生じる。そのため、プラズマ密度のより高いプラズマを生成させることができる。

６−２．内部電極の位置
図２では、内部電極３０の先端部分は、管状絶縁部材２０の先端部分よりも円筒電極１０の先端から遠い位置にある。しかし、内部電極３０の先端部分を、管状絶縁部材２０から突出するようにしてもよい。その場合には、管状絶縁部材２０の先端面を、円筒電極１０の先端から遠い方の位置に配置してやればよい。この場合においても、プラズマの発生は可能である。

７．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るプラズマ発生装置１００は、注射針形状の円筒電極１０と、その内部に配置されている内部電極３０とを有するものである。そのため、注射器による注射のように、人体の内部に注射針形状の電極体Ｅ１０を挿入しつつ、人体の内部でプラズマを発生させることができる。これにより、ガンの治療に用いることのできるプラズマ発生装置１００が実現されている。

なお、本実施形態は単なる例示にすぎない。したがって当然に、その要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能である。例えば、また、電極および絶縁体の材質については、記載したものに限らない。

（第２の実施形態）
１．プラズマ発生装置の構成
第２の実施形態について説明する。第１の実施形態のプラズマ発生装置１００では、人体内の液体中で放電することにより、ガスＧ１とその内部のプラズマＰ１とを発生させることとした。しかし、プラズマ発生装置からプラズマを発生させるためのガスを供給することとしてもよい。本実施形態のプラズマ発生装置では、ガスを供給するためのガス供給部を有する点が第１の実施形態のプラズマ発生装置１００と異なっている。そのため、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。そして、第１の実施形態と共通する部分については、記載を省略する。

図７に、本実施形態のプラズマ発生装置２００の構成を示す。図７に示すように、プラズマ発生装置２００は、電極体Ｅ３０と、ホルダー１１０と、高電圧電源１２０と、ガス供給部２１０と、を有している。これらのうち、ホルダー１１０および高電圧電源１２０については、第１の実施形態のものと同様である。電極体Ｅ３０については、後述する。

ガス供給部２１０は、電極体Ｅ３０にガスを供給するためのものである。ガス供給部２１０は、弁の開閉により、電極体Ｅ３０にガスを供給する供給状態とそれを停止する停止状態とをとることのできるものである。もちろん、電極体Ｅ３０での放電時には、ガスを供給し、それ以外にはガスの供給を停止する。ガス供給部２１０が電極体Ｅ３０に供給するガスは、例えば、Ａｒガスである。また、その他の希ガスであってもよい。そして、ガンの治療に用いるラジカル源となるガスを含んでいてもよい。つまり、第１の実施形態と異なり、ガンの治療に特に有効なラジカルを生成するためのラジカル源を外部から供給することができる。

２．電極体の構成
図８は、電極体Ｅ３０の内部構造を示す断面図である。図８に示すように、円筒電極１０と、管状絶縁部材２０と、内部電極４０と、を有している。

内部電極４０は、第１の実施形態とほぼ同様である。そのため、内部電極４０の先端部分には、ホローＨ１が形成されている。ただし、図８に示すように、内部電極４０と管状絶縁部材２０との間には、隙間がある。この隙間は、ガス供給部２１０により供給されるガスを流すためのガス供給路５０である。ガス供給路５０は、内部電極４０の外側面４１と、管状絶縁部材２０の内側面２１との間に形成された空間である。これにより、人体の体内にプラズマを注入することができる。

３．プラズマ発生装置を用いた治療方法
まず、注射針形状の電極体Ｅ３０を人体に挿す。次に、電極体Ｅ３０の先端部分、すなわちプラズマを発生させる部分を患部に近づける。そして、そのままの状態で、ガス供給部２１０からガスを供給するとともに、円筒電極１０と、内部電極４０との間に電圧を印加する。これにより、前述したように、ガスＧ１中にプラズマＰ１が発生する。そして、ガスＧ１の内部で、治療に好適なラジカル種とその量を制御することができる。このプラズマＰ１を患部に当てる。これにより、患部を治療することができる。

なお、円筒電極１０は接地されているので、円筒電極１０の電位はゼロである。そのため、円筒電極１０と内部電極４０との間に電圧を印加しても、円筒電極１０と接触している箇所から、患者が感電するおそれはない。また、放電領域も極めて限定的であるため、放電により患者を感電させるおそれはない。また、ガスＧ１が患者の体内で発生しても、それにより患者に加わる負担はほとんどない。また、患者の体内からガスＧ１を吸引して回収することとしてもよい。

４．変形例
４−１．円筒電極におけるホローの形成
第１の実施形態のように、円筒電極１０の内側面Ｓ２に、ホローＨ２を形成することとしてもよい。

４−２．内部電極の位置
図８では、内部電極４０の先端部分は、管状絶縁部材２０の先端部分よりも円筒電極１０の先端から遠い位置にある。しかし、内部電極４０の先端部分を、管状絶縁部材２０から突出するようにしてもよい。その場合には、管状絶縁部材２０の先端面を、円筒電極１０の先端から遠い方の位置に配置してやればよい。この場合においても、プラズマの発生は可能である。

４−３．内部電極の被覆
本実施形態では、管状絶縁部材２０は、内部電極４０を収容しているものの、内部電極４０の表面を被覆していない。ガス供給路５０があるからである。そのため、内部電極４０の表面を被覆する絶縁部材を別途設けることとしてもよい。

５．まとめ
以上詳細に説明したように、本実施形態に係るプラズマ発生装置２００は、注射針形状の円筒電極１０と、その内部に配置されている内部電極４０とを有するものである。そのため、注射器による注射のように、人体の内部に注射針形状の電極体Ｅ３０を挿入しつつ、人体の内部でプラズマを発生させることができる。これにより、ガンの治療に用いることのできるプラズマ発生装置２００が実現されている。

１００、２００…プラズマ発生装置
１１０…ホルダー
１２０…高電圧電源
２１０…ガス供給部
Ｅ１０、Ｅ２０、Ｅ３０…電極体
１０…円筒電極
２０…管状絶縁部材
３０、４０…内部電極
５０…ガス供給路
Ｈ１、Ｈ２…ホロー
Ｓ１…端面（傾斜面）
Ｓ２…内側面
Ｇ１…ガス
Ｐ１…プラズマ

Claims

円筒形状の円筒電極と、
前記円筒電極の内部に収容されている内部電極と、
前記円筒電極と前記内部電極との間に位置する絶縁部材と、
を有し、
前記円筒電極は、
注射針形状をしている電極であり、
前記内部電極の先端部分に、
マイクロホローが形成されていること
を特徴とするプラズマ発生装置。
円筒形状の円筒電極と、
前記円筒電極の内部に収容されている内部電極と、
前記円筒電極と前記内部電極との間に位置する絶縁部材と、
を有し、
前記円筒電極は、
注射針形状をしている電極であり、
前記円筒電極の先端部分の内側面の少なくとも一部は、
前記絶縁部材に覆われずに露出している露出部を有し、
前記露出部に、
マイクロホローが形成されていること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項２に記載のプラズマ発生装置において、
前記内部電極の先端部分に、
マイクロホローが形成されていること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、
前記絶縁部材と前記内部電極との間に、
ガスを流すためのガス供給路が設けられていること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、
前記内部電極と前記円筒電極との間に電圧を印加する電圧印加部を有すること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項５に記載のプラズマ発生装置において、
前記円筒電極は、
接地されているものであること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項６に記載のプラズマ発生装置において、
電圧印加部は、
前記内部電極および前記円筒電極を液体中に浸漬した状態で前記内部電極と前記円筒電極との間に電圧を印加するものであること
を特徴とするプラズマ発生装置。
請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載のプラズマ発生装置において、
前記円筒電極の外径が０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下の範囲内であること
を特徴とするプラズマ発生装置。