Схема плазмотрона для сварки и резки металлов

Предложение относится к устройствам генерации плазменных потоков. Плазмотрон включает корпус, размещенный в корпусе генератор плазмы, к выходу которого присоединен электрод, установленный с возможностью прямого воздействия плазмы на ткань. Электрод размещен в отверстии корпуса с образованием зазора от 0,01 см до 10 см между ним и поверхностью биологической ткани, при этом корпус и биологическая ткань образуют замкнутый токопроводящий контур, а величина импульсов напряжения составляет от 1 кV до 100 кV при длительности от 0,1 нс до 1000 нс. Позволяет повысить эффективность. 5 з.п.ф., 2 ил.

Полезная модель относится к технике электрических разрядов в газах, в частности к устройствам генерации плазменных потоков, и может быть использована в плазменных технологиях, медицине, источниках холодной плазмы.

Плазмотроны - генераторы низкотемпературной плотной плазмы - нашли самое широкое применение в разных областях человеческой деятельности, благодаря своим уникальным свойствам и возможностям.

В физике плазмой называется частично или полностью ионизированный газ, образованный из нейтральных атомов (или молекул) и заряженных частиц (ионов и электронов).

Важнейшей особенностью плазмы является ее квазинейтральность, это означает, что объемные плотности положительных и отрицательных заряженных частиц, из которых она образована, оказываются почти одинаковыми.

Слово «ионизированный» означает, что от электронных оболочек значительной части атомов или молекул отделен, по крайней мере, один электрон. Присутствие свободных электрических зарядов делает плазму проводящей средой, что обуславливает ее заметно большее (по сравнению с другими агрегатными состояниями вещества) взаимодействие с магнитным и электрическим полями.

Ионизация газа и образование плазмы требуют значительных затрат энергии. Источником этой энергии может служить тепловая энергия, например высокотемпературных химических реакций (горение), электрическая энергия, реализуемая в различных формах электрических разрядов, энергия электромагнитных излучений, кинетическая энергия ускоренных потоков частиц (электронов, ионов и т.п.).

Наибольшее распространение в качестве источников плазмы получили электрические разряды, в которых нагрев плазмы осуществляется взаимодействием заряженных частиц плазмы с электромагнитным полем.

В зависимости от форм электрического разряда, реализуемого в генераторе для получения плазмы, различают электродуговые, высокочастотные и сверхвысокочастотные плазмотроны, а также генераторы на электромагнитных колебаниях оптического диапазона частот - оптических разрядах и потоках частиц высоких энергий - пучковый разряд.

Заявляемая полезная модель относится к электродуговым генераторам низкотемпературной (холодной) плазмы.

Известна установка плазменного распыления, предназначенная для напыления порошка или газообразного материала на поверхность подложки, включающая плазматрон с электродами (см. патент US 5332885, Н05Н 1/34, 1994).

Известен также электродуговой плазмотрон, предназначенный для обработки металлических поверхностей плазменной струей, который содержит охлаждаемый катодный узел, корпус, одновременно являющийся изолятором, и сопловой узел со сменной вставкой, в которой происходит формирование плазменной струи (см. патент GB 1268843, Н05Н 1/34, 1972).

Однако вследствие высокой температуры выпуска плазмы эти устройства непригодны для использования на живых тканях биологических объектов.

Основное отличие холодной плазмы от других типов, это температура, близкая к температуре биологических объектов, что позволяет применять данный тип плазмы в медицине.

В основном применения плазмы в медицине основаны на температурных эффектах плазмы. Высокая температура используется в медицине для удаления тканей, стерилизации и остановки кровотечения, холодная плазма - при хирургических операциях и в косметических кабинетах.

Большинство исследований и применений в области холодной плазмы можно разделить на две больших категории: прямое воздействие плазмы и непрямое.

При прямом воздействии живые ткани играют роль одного их электродов. В большинстве случаев напряжение не имеет непосредственного контакта с живыми тканями, хотя при этом могут протекать небольшие токи в виде токов смещения и проводимости. Ток проводимости должен быть ограничен, чтобы исключить тепловое или электрическое стимулирование мышц. При использовании прямого воздействия плазмы на ткань воздействует поток различных активных заряженных и незаряженных атомов и молекул, а также ультрафиолетовое излучение.

Известен микроплазменный скальпель-облучатель, включающий плазмотрон, при этом рабочим элементом является плазменный луч, образующийся в результате электрического разряда в потоке инертного газа (см. патент RU 2040216, А61В 17/36, 1995).

Недостатком данного устройства является то, что оно представляет собой стационарное и технически сложное оборудование для операционных, а также осуществляет только «жесткое» воздействие, разрушающее биологические ткани.

Известна плазменная игла, содержащая электрод, расположенный внутри заземленного металлического цилиндра (см. Stoffels, E. et al. Plasma needle: a non-destructive atmospheric plasma source for fine surface treatment of (bio)materials, Plasma Source Sci. Technol, 11, 2002, 383-388).

Указанная плазменная игла используется для обеззараживания ран, однако она непригодна для воздействия на большом участке поверхности, поскольку выходное отверстие металлического цилиндра очень небольшое, всего один сантиметр.

Известен плазмотрон физиотерапевтический, включающий катодный и анодный узлы, размещенные в корпусе (см. патент RU 2464747, Н05Н 1/26, 2012).

Данное устройство может быть использовано при проведении асептического и антисептического воздействия на мягкие ткани, а также стимуляции и активизации репаративных процессов на раневых поверхностях рекомбинационным излучением низкотемпературной плазмы инертных газов.

Данный плазмотрон имеет небольшие габариты, однако он предназначен в основном для коагуляции сосудов.

Известно, что различные электронные волны или электромагнитные волны, генерируемые электрическими цепями различных электронных приспособлений, могут вызывать нарушения функционирования периферийных электронных устройств или их компонентов, ухудшать технические характеристики электронных устройств, ухудшать качество изображения, создавая шумовые помехи, уменьшать срок службы электронных устройств или их компонентов и вызывать неисправности электронных продуктов.

Для экранирования таких вредных электронных волн и электромагнитных волн были разработаны различные материалы, экранирующие электронные волны и электромагнитные волны. Например, такие материалы включают металлические пластины, металлизированные ткани, проводящие краски, проводящие клейкие ленты или полимерные эластомеры, которым придают способность к электропроводности.

Известно устройство для защиты от излучения, содержащее оболочку из немагнитного металла, имеющую заземляющий контакт, причем оболочка выполнена с замкнутой полостью, в которой установлен введенный в устройство высокочастотный дуговой газоразрядный прибор (см. патент RU 2033200, A61N 1/16, 1995).

Данное устройство представляет собой немагнитную металлическую оболочку, которая может быть одновременно корпусом устройства и, в этом случае, должна быть выполнена жесткой. Внутри оболочки размещен в ее замкнутой полости высокочастотный дуговой газоразрядный прибор, который может быть выполнен на базе газоразрядной лампы, с соосно установленными электродами. Оболочка имеет заземляющий контакт и может быть выполнена из алюминия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является устройство для обеззараживания поверхностей, содержащее корпус с расположенным в нем электродом (см. патент RU 2083227, A61L 2/14, 1997).

Данное устройство относится к технике дезинфекции, стерилизации и дегазации поверхностей различных объектов (изделий, материалов, кожных покровов и раневых поверхностей животных и человека, поверхностей растений и др.) и может быть использовано в медицине, микробиологии, косметологии, животноводстве и других областях народного хозяйства.

Недостатком данной конструкции является то, что в результате разряда возникают электромагнитные помехи, которые могут вызывать нарушения функционирования периферийных электронных устройств.

Технической задачей заявляемой полезной модели является создание компактного, простого и надежного при многократном использовании плазмотрона, который может быть применен, например, при лечении медицинских и эстетических расстройств и состояний, влияющих на кожу и подкожную ткань пациента.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности работы устройства за счет создания зоны, защищенной от различных излучений.

Для достижения указанного технического результата в плазмотроне, предназначенном преимущественно для воздействия на биологическую ткань, включающем корпус, размещенный внутри корпуса генератор плазмы, к выходу которого присоединен электрод, установленный с возможностью прямого воздействия плазмы на ткань, согласно предложению, электрод размещен в отверстии корпуса с образованием зазора от 0,01 см до 10 см между ним и поверхностью биологической ткани, при этом корпус и биологическая ткань образуют замкнутый токопроводящий контур, а величина импульсов напряжения составляет от 1 кV до 100 кV при длительности от 0,1 нc до 1000 нc.

Согласно предложению, генератор плазмы размещен за пределами корпуса с возможностью подачи импульсов напряжения по коаксиальному кабелю.

Согласно предложению электрод выполнен из токопроводящих материалов или электрод покрыт диэлектриком, и изолирован от корпуса диэлектрической прокладкой, причем зазор между электродом и поверхностью образован с возможностью регулировки за счет дополнительного набора прокладок.

Сущность предложения поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично представлен общий вид плазмотрона, на фиг.2 изображен поперечный разрез устройства.

Следует учесть, что на чертежах представлены только те детали, которые необходимы для понимания существа предложения, а сопутствующее оборудование, хорошо известное специалистам в данной области, на чертежах не представлено.

Плазмотрон включает полый заземленный корпус 1, выполненный из металла (фиг.1, 2). Внутри корпуса 1 размещен электронный блок генератора плазы 2, к выходу которого присоединен электрод 3, установленный с возможностью воздействия на биологическую ткань или иную поверхность путем создания электрического разряда между ним и поверхностью.

Электрод 3 размещен в отверстии корпуса 1 с образованием зазора от 0,01 см до 10 см между ним и поверхностью биологической ткани, при этом корпус 1 и биологическая ткань образуют замкнутый токопроводящий контур.

Пример конкретного выполнения устройства приведен с генератором плазмы 2 размещенным внутри корпуса 1. Однако генератор плазмы 2 может быть размещен за пределами корпуса 1 с возможностью подачи импульсов напряжения по коаксиальному кабелю.

Между металлическим корпусом 1 и электродом 3 для обеспечения изоляции размещена диэлектрическая прокладка 4, при этом электрод 3 выполнен из токопроводящих материалов или покрыт диэлектриком, причем зазор между электродом 3 и поверхностью образован с возможностью регулировки за счет дополнительного набора прокладок. Для удобства смены и удержания электрода 3 предусмотрены магниты 5.

Для обеспечения безопасности работы окружающего электронного оборудования на поверхности корпуса 1 размещен автоматический выключатель 6, установленный с возможностью контакта с обрабатываемой поверхностью.

В качестве плазмообразующего газа используется атмосферный воздух, а также любые другие газы.

Плазмотрон работает следующим образом.

От блока питания или аккумуляторной батареи (на чертежах не указаны) на вход генератора плазмы 2 подают рабочее напряжение от 3 В до 50 В. Используя силовые транзисторы и высоковольтные размыкающие ключи, на выходе генератора формируют высоковольтные импульсы с амплитудой от 1 кV до 100 кV и длительностью от 0,1 нс до 1000 нс.

Подобные импульсы напряжения, приложенные к двум электродам, а именно электроду 2 и поверхности биологической ткани с зазором от 0,01 см до 10 см, вызывают разряд и генерацию холодной плазмы.

При взаимодействии такого плазменного потока с биологическими тканями не происходит денатурации белковых соединений. Это позволяет обрабатывать поверхность непосредственно областью плазмы.

Преимуществами заявляемого плазмотрона являются простота конструкции, компактность, безопасность и надежность в работе, малая глубина проникновения при воздействии плазменного потока на биологическую ткань.

Заявляемая конструкция плазмотрона позволяет генерировать низкотемпературную плазму с такими параметрами, чтобы можно было осуществлять «мягкое», не приводящее к разрушению, воздействие на биологические ткани. Основными факторами, определяющими биостимулирующий эффект воздействия плазменного потока, является биохимическое воздействие содержащихся в плазме веществ (в частности NO), а также интенсивное электромагнитное излучение в ультрафиолетовом, видимом, инфракрасном и субмиллиметровом диапазонах.

Заявляемая конструкция плазмотрона позволяет создать замкнутый объем, сформированный корпусом генератора импульсов напряжения и поверхностью, которая подвергается обработке плазмой, что обеспечивает одновременно генерацию и экранировку.

Заявляемая конструкция обеспечивает автоматическое включения генератора при соприкосновении корпуса генератора с обрабатываемой плазмой поверхностью, что исключает работу генератора без обрабатываемой поверхности и соответственно исключает излучение электромагнитных помех в подобном состоянии.

Заявляемая конструкция позволяет осуществлять регулировку зазора между потенциальным электродом генератора и обрабатываемой поверхностью за счет сменных прокладок, регулировочных винтов и т.д.

Заявляемая конструкция обеспечивает смену потенциального электрода для подбора нужной формы и площади, а также при использовании магнитов удерживающих электрод.

1. Плазмотрон, предназначенный преимущественно для воздействия на биологическую ткань, включающий корпус, размещенный в корпусе генератор плазмы, к выходу которого присоединен электрод, установленный с возможностью прямого воздействия плазмы на ткань, отличающийся тем, что электрод размещен в отверстии корпуса с образованием зазора от 0,01 см до 10 см между ним и поверхностью биологической ткани, при этом корпус и биологическая ткань образуют замкнутый токопроводящий контур, а величина импульсов напряжения составляет от 1 кВ до 100 кВ при длительности от 0,1 нс до 1000 нс.

2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что генератор плазмы размещен за пределами корпуса с возможностью подачи импульсов напряжения по коаксиальному кабелю.

3. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что электрод выполнен из токопроводящих материалов.

4. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что электрод покрыт диэлектриком.

5. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что электрод изолирован от корпуса диэлектрической прокладкой.

6. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что зазор между электродом и поверхностью образован с возможностью регулировки за счет дополнительного набора прокладок.