Иван Таскаев
Челябинская область, г. Челябинск
МАОУ "Лицей №97 г. Челябинска", 7 класс
МАОУ "Лицей №97 г. Челябинска", 7 класс
МЕДИЦИНСКИЙ ГЕНЕРАТОР ХОЛОДНОЙ ПЛАЗМЫ
2
Научный руководитель: Красавин Эдуард Михайлович, Челябинская область, г. Копейск, Лицей № 97 г. Челябинск, педагог – организатор
Цель данной работы заключается в разработке, создании и апробировании медицинского генератора холодной плазмы.
- Изучение доступной литературы и интернет – источников по вопросам теории плазмы, методам её получения, физическим свойствам;
- Изучение доступной литературы и интернет – источников по технологическим особенностям проектирования и изготовления генераторов плазмы;
- Разработка собственной схемотехники и конструкции генератора;
- На основе разработанной конструкции создание прибора и исследование его параметров;
- Предполагаемое апробирование прибора в одном из медицинских учреждений.
Холодная плазма обладает антисептическими свойствами, благодаря повышенной концентрации озона, содержащегося в ионизированном газе. Отсутствие токов проводимости через тело пациента приводит к тому, что подповерхностные слои обрабатываемой ткани практически не прогреваются при воздействии плазмы на поверхность обрабатываемого органа (ткани). Это обеспечивает минимальное травмирование оперируемого. Холодная плазма стала достойной альтернативой многих поверхностных медицинских процедур, требовавших ранее хирургического вмешательства. Актуальность конструирования подобных приборов очевидна, но возникает вопрос, какими наиболее доступными методами можно получить холодную плазму? Найти определённые конструкционные решения для изготовления генераторов холодной плазмы является, помимо всего прочего, ещё высоко познавательным и исследовательским процессом, затрагивающим новые области знаний о физических явлениях.
- На основе рассмотренных конструкционных особенностей преобразователей напряжения, разработаны и изготовлены стационарный лабораторный плазматрон и модель медицинского генератора «холодной плазмы»;
- При проведении исследований были оценены электрические характеристики плазменного конуса, температурные показатели и мощность плазматрона;
- Изготовленный прибор имеет малые габариты и вес, что позволяет с успехом его использовать в медицинской практике.
Прибор прошёл успешные испытания в одном из больничных стационаров и показал хорошие результаты при лечении ран и воспалительных кожных процессов. Разработанная модель от аналогичных отличается более широким диапазоном регулировки частоты и как следствие более высокой мощностью, а также простотой изготовления.
Плазма представляет собой состояние вещества, обладающее очень интересными свойствами, которые находят всё более широкое применение в разработках, посвящённых проблемам современной техники. Газ, в котором значительная часть атомов или молекул ионизирована, называется плазмой. Плазма – нормальная форма существования вещества при температуре порядка 10 000 градусов и выше. В лабораторных опытах и технике нормальным состоянием плазмы считают различные виды электрических разрядов в газах. При электрическом разряде через газ проходит ток. Носителями этого тока являются электроны и ионы, которые образуются в результате ионизации газа. Сам процесс ионизации неразрывно связан с прохождением тока. Только благодаря наличию тока в газе постоянно возникают новые ионы и электроны, и степень ионизации поддерживается на определённом уровне.
Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике является использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле и создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, гамма-излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект).
Для лабораторных исследований низкотемпературной плазмы была разработана стационарная установка на базе инвертора напряжения. Преимущество подобных схем заключается в малом весе устройств, при высокой мощности аппарата. В общем случае любой инвертор представляет собой схему преобразования обычного бытового напряжения (220В., 50Гц.) в соответствующее напряжение высокой частоты. В основе преобразователя, лежит схема высокочастотного генератора (в нашем случае генератор собран на микросхеме UC3845 и мощных выходных транзисторах (КТ-972, КТ-973). Генератор управляет мощными ключами (транзисторы IGВТ структуры), нагрузка с которых поступает на высокочастотный трансформатор. Напряжение с трансформатора поступает на выпрямитель и плазменную головку.
Общепринятым способом получения плазмы в лабораторных условиях и технике является использование электрического газового разряда. Газовый разряд представляет собой газовый промежуток, к которому приложена разность потенциалов. В промежутке образуются заряженные частицы, которые движутся в электрическом поле и создают ток. Для поддержания тока в плазме нужно, чтобы отрицательный электрод (катод) испускал в плазму электроны. Эмиссию электронов с катода можно обеспечивать различными способами, например нагреванием катода до достаточно высоких температур (термоэмиссия), либо облучением катода каким-либо коротковолновым излучением (рентгеновские лучи, гамма-излучение), способным выбивать электроны из металла (фотоэффект).
Для лабораторных исследований низкотемпературной плазмы была разработана стационарная установка на базе инвертора напряжения. Преимущество подобных схем заключается в малом весе устройств, при высокой мощности аппарата. В общем случае любой инвертор представляет собой схему преобразования обычного бытового напряжения (220В., 50Гц.) в соответствующее напряжение высокой частоты. В основе преобразователя, лежит схема высокочастотного генератора (в нашем случае генератор собран на микросхеме UC3845 и мощных выходных транзисторах (КТ-972, КТ-973). Генератор управляет мощными ключами (транзисторы IGВТ структуры), нагрузка с которых поступает на высокочастотный трансформатор. Напряжение с трансформатора поступает на выпрямитель и плазменную головку.
Основными частями плазматрона является анодный и катодный узел. Между катодом, выполненным из тугоплавкого материала (вольфрамовый стержень), и интенсивно охлаждаемым анодом, горит электрическая дуга. Через эту дугу продувается рабочее тело – плазмообразующий газ, которым может быть воздух, водяной пар. Под действием электрической дуги происходит ионизация рабочего тела, и в результате на выходе получаем четвёртое агрегатное состояние вещества – плазму. Анодный и катодный узел плазматрона собираются в изолирующем корпусе, который выполнен из относительно тугоплавкого материала – фторопласта. Корпус выполнен таким образом, что центральная внутренняя часть его является направляющей для катода. С одной стороны, в корпус вворачивается держатель катода и регулирующее устройство позволяющее перемещать катод относительно анода. Управление регулирующим устройством осуществляется посредством рукоятки. Вращением рукоятки катод приближается к аноду в результате чего возникает электрическая дуга. При выгорании катода вращение рукоятки позволяет приблизить его к аноду. Непосредственно сам катод изготовлен из вольфрамового стержня диаметром 3мм. С другой стороны корпуса расположен анодный блок, изготовленный из двух деталей соединение которых позволяет получить внутри анодного блока полость, используемую в качестве холодильника. Такое конструкционное решение предложено нами для охлаждения анода.
Наиболее известными медицинскими плазмотронами в России являются разработки МГТУ им. Баумана «Гемоплаз-ВП» и «Плазон». Особенность этих образцов состоит в том, что в качестве плазмообразующего газа используется не инертный газ, а атмосферный воздух. Аппараты работают со сменными манипуляторами, обеспечивающими режимы коагуляции, деструкции и лечебного воздействия (NO-терапия).
Барьерный разряд является привлекательным для генерации холодной плазмы в связи с малыми значениями токов и мощности разряда.
Барьерный разряд является привлекательным для генерации холодной плазмы в связи с малыми значениями токов и мощности разряда.
Нами предложен вариант блока питания плазмотрона исходя из экспериментальных работ с инверторами напряжения. Для инвертирования напряжения можно использовать распространенный ШИМ-контроллер TL 494.
Эта микросхема специально создана для построения ИВП, и обеспечивают разработчику расширенные возможности при конструировании схем управления ИВП. Выходной каскад микросхем TL493/4/5 работает в однотактном или двухтактном режиме с возможностью выбора режима с помощью специального входа. Встроенная схема контролирует каждый выход и запрещает выдачу сдвоенного импульса в двухтактном режиме. Таким образом схема реализует все преимущества блока питания плазмотрона, обладает низким энергопотреблением и широким диапазоном регулировки частоты. Ещё один вариант реализации инвертирования напряжения можно построить на широко распространённой микросхеме таймера 555.
Реализация рассмотренных принципов построения генератора холодной плазмы, позволяет значительно упростить схему и снизить её энергопотребление.
Исследования протекающего через плазмотрон тока и напряжения проводили на лабораторном осциллографе С1-72, используя согласующий делитель напряжения. Замеры проводились на частоте 160 и 80 Гц. На основе наблюдений и анализа осциллограмм, составлены диаграммы напряжения и тока одиночного импульса. Анализ осциллограмм позволил определить среднюю мощность плазмотрона на разных частотах работы инвертора. Из представленной диаграмме видно, что мощность излучения возрастает с увеличением частоты генератора, следовательно открываются перспективы плавного управления этим параметром. Наиболее интересными характеристиками, с точки зрения применения плазмотрона, являются температурные характеристики плазменного конуса. Измерения проводились цифровым термометром, изготовленным ранее в лаборатории. Измерительным элементом этого термометра является специализированная микросхема DS18B20. Прибор позволяет одновременно подключить до 16 датчиков и провести мгновенное измерение температурного режима всего плазменного конуса. На основе измерений составлены диаграммы температур.
Исследования протекающего через плазмотрон тока и напряжения проводили на лабораторном осциллографе С1-72, используя согласующий делитель напряжения. Замеры проводились на частоте 160 и 80 Гц. На основе наблюдений и анализа осциллограмм, составлены диаграммы напряжения и тока одиночного импульса. Анализ осциллограмм позволил определить среднюю мощность плазмотрона на разных частотах работы инвертора. Из представленной диаграмме видно, что мощность излучения возрастает с увеличением частоты генератора, следовательно открываются перспективы плавного управления этим параметром. Наиболее интересными характеристиками, с точки зрения применения плазмотрона, являются температурные характеристики плазменного конуса. Измерения проводились цифровым термометром, изготовленным ранее в лаборатории. Измерительным элементом этого термометра является специализированная микросхема DS18B20. Прибор позволяет одновременно подключить до 16 датчиков и провести мгновенное измерение температурного режима всего плазменного конуса. На основе измерений составлены диаграммы температур.
Расписание работы автора проекта
31 марта, ср
Диалог с экспертами
Ответы на вопросы
12:00
12:20
12:20
13:35 - 13:45
Бычков С.П.
Поздняков Т.Д.
Поздняков Т.Д.
31 марта, ср
12:40
13:00
13:20
13:00
13:20
Лысенков А.С.
Потапов К.Г.
Новиков В.С.
Потапов К.Г.
Новиков В.С.
Задайте вопрос автору проекта
Обязанность отвечать на заданные вопросы остается полностью на участнике. Организаторы форума не несут ответственности за сроки получения ответа.
Заполняя данную форму Вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности сайта.
Пообщайтесь с автором в режиме реального времени
Вы можете посмотреть диалог с экспертом и задать вопросы автору в форме вебинара.
Расписание сессий приведено выше
Расписание сессий приведено выше