RU2000086C1

RU2000086C1 - Beam shock-wave generator

Info

Publication number: RU2000086C1
Authority: RU
Inventors: нов Юрий Владимирович Андри; Сергей Петрович Крючков
Original assignee: Андри нов Ю.В., Крючков С.П.
Priority date: 1992-04-03
Filing date: 1992-04-03
Publication date: 1993-09-07

Abstract

Использование: в медицинских устройствах дл лечени методами ударно-волновых воздействий. Сущность: генератор содержит однозеркальный рефлектор 1. электроразр дный излучатель 3, емкостный накопитель 5 и управл емый разр дник 6.Usage: in medical devices for treatment by shock wave methods. SUBSTANCE: generator contains a single-mirror reflector 1. an electric-bit emitter 3, a capacitive storage 5, and a controlled discharge 6.

Description

Изобретение относитс к технике преобразовани электрической энергии в энергию звуковых импульсов, в частности ударных волн, и может найти применение в биологии, медицине, океанологии, сейсморазведке и т.д.The invention relates to techniques for converting electrical energy into energy of sound pulses, in particular shock waves, and can find application in biology, medicine, oceanology, seismic exploration, etc.

Известны генераторы фокусированных ударных волн, содержащие рефлектор, выполненный в виде параболоида вращени , и цилиндрический излучатель.Known focused shock wave generators comprising a reflector made in the form of a rotation paraboloid and a cylindrical emitter are known.

В этих устройствах звуковой импульс формируетс магнитострикционным излучателем , поэтому они не могут быть исполь- зованы там, где требуютс короткие импульсы ударных волн длительностью менее 1 мкс с амплитудой до тыс чи атмосфер, например в литотрипторах.In these devices, a sound pulse is generated by a magnetostrictive emitter; therefore, they cannot be used where short pulses of shock waves with a duration of less than 1 μs and an amplitude of up to a thousand atmospheres are required, for example, in lithotripters.

Известен также генератор фокусированных ударных волн, содержащий одно- зеркальный рефлектор, электроразр дный излучатель, емкостный накопитель и управл емый разр дник.A focused shock wave generator is also known, comprising a single-mirror reflector, an electric-bit emitter, a capacitive storage device, and a controlled discharge.

Основными недостатками известного устройства вл ютс невысока долговечность электродов излучател , необходимость использовани деионизованной воды дл заполнени рефлектора и низка воспроизводимость импульсов давлени от разр да к разр ду. Невысока долговечность электродов обусловлена тем, что в устройстве используютс острийные электроды, которые быстро разрушаютс из-за электроэрозии. Кроме того, конструкци электродов достаточно сложна, т.к. необходимо обеспечить точную установку разр дного промежутка в фокусе эллиптического рефлектора и возможность быстрой замены разр дного излучател . По мере увеличени зазора между электродами в процессеThe main disadvantages of the known device are the low durability of the emitter electrodes, the need to use deionized water to fill the reflector and the low reproducibility of pressure pulses from bit to bit. The low durability of the electrodes is due to the fact that point electrodes are used in the device, which quickly deteriorate due to electroerosion. In addition, the design of the electrodes is quite complicated, because It is necessary to ensure accurate installation of the discharge gap at the focus of the elliptical reflector and the possibility of quick replacement of the discharge emitter. As the gap between the electrodes increases in the process

работы устройства увеличиваетс мини мальное рабочее напр жение, в результате сужаетс динамический диапазон генерируемых амплитуд ударных волн. Также в изве5 стном устройстве значительна дол энергии разр да излучаетс в секторе видимости выходного отверсти из зоны разр да . Это излучение не фокусируетс эллиптическим рефлектором, что снижаетDuring operation of the device, the minimum operating voltage increases, as a result, the dynamic range of the generated amplitudes of the shock waves is narrowed. Also in a known device, a significant fraction of the discharge energy is emitted in the visibility sector of the outlet from the discharge zone. This radiation is not focused by an elliptical reflector, which reduces

0 КПД устройства.0 device efficiency.

Целью изобретени вл етс повышение долговечности, стабильности и КПД генератора , а также расширение диапазона генерируемых амплитуд давлений ударнойThe aim of the invention is to increase the durability, stability and efficiency of the generator, as well as expanding the range of the generated pressure amplitudes of the shock

15 волны.15 waves.

Цель достигаетс тем, что в генераторе фокусированных ударных волн, содержащем однозеркальный рефлектор, электроразр дный излучатель, емкостныйThe goal is achieved in that in a focused shock wave generator comprising a single-mirror reflector, an electric-discharge emitter, and a capacitive

0 накопитель и управл емый разр дник, предлагаетс рефлектор выполнить с разрезом в плоскости, проход щей через ось рефлектора , в разрезе установить плоскую диэлектрическую перегородку, толщина ко5 торой в зоне контакта с част ми рефлектора равна толщине разреза, и в которой выполнено отверстие в зоне формировани разр да , при этом рефлектор заполнен раствором электролита, электроды излуча0 тел размещены по разные стороны перегородки , выходное отверстие рефлектора закрыто акустически прозрачной диэлектрической заглушкой, исключающей электрический контакт между электродами через0 drive and controllable discharger, it is proposed that the reflector be made with a cut in a plane passing through the axis of the reflector, in the cut a flat dielectric partition is installed, the thickness of which in the contact zone with the parts of the reflector is equal to the thickness of the cut, and in which a hole is made in the zone formation of a discharge, the reflector being filled with an electrolyte solution, the electrodes of the emitters placed on opposite sides of the partition, the outlet of the reflector closed by an acoustically transparent dielectric plug, except guide electric contact between electrodes through

5 электролит, а только через отверстие в перегородке .5 electrolyte, but only through a hole in the septum.

Предлагаетс выполнить отверстие в перегородке цилиндрическим, а рефлектор - эллиптическим. Ч1ГГIt is proposed to make the opening in the partition cylindrical and the reflector elliptical. CH1GG

Предлагаетс отверстие в перегородке выполнить в виде щели, ориентированной вдоль оси рефлектора, который выполнен в виде параболоида.It is proposed that the opening in the partition be made in the form of a slit oriented along the axis of the reflector, which is made in the form of a paraboloid.

Предлагаетс рефлектор выполнить металлическим и подключить две его части, полученные при разрезании, к разр дному контуру, состо щему из емкостного накопител и управл емого разр дника.It is proposed that the reflector be made metallic and its two parts obtained by cutting are connected to a discharge circuit consisting of a capacitive storage and a controlled discharge.

Предлагаетс электроды электроразр дного источника выполнить в виде плоских металлических пластин с отверстием и укрепить их в плоскости перегородки с противоположных сторон так, чтобы отверсти в пластинах совпадали с отверстием в перегородке . В этом случае рефлектор можно выполнить из диэлектрического материала, например керамики.It is proposed that electrodes of an electric discharge source be made in the form of flat metal plates with a hole and fixed in the plane of the partition on opposite sides so that the holes in the plates coincide with the hole in the partition. In this case, the reflector can be made of a dielectric material, such as ceramic.

Предлагаетс выводы электродов излучател выполнить в виде полосковой линии, размещенной вдоль оси рефлектора.It is proposed that the leads of the emitter electrodes be made in the form of a strip line placed along the axis of the reflector.

Предлагаетс выводы электродов излучател выполнить в виде полосковой линии, ориентированной перпендикул рно оси рефлектора . В этом случае полоскова лини может быть выведена с двух боковых сторон рефлектора и к каждому концу может быть подключен разр дный контур.It is proposed that the leads of the emitter electrodes be made in the form of a strip line oriented perpendicular to the reflector axis. In this case, the strip line can be output from the two sides of the reflector and a bit circuit can be connected to each end.

Предлагаетс электроды излучател вывести в виде трех полосковых линий - одна вдоль оси рефлектора, а две другие в перпендикул рном оси направлении в плоскости перегородки, при этом к каждой полосковой линии подключаетс отдельный разр дный контур.It is proposed that the emitter electrodes be output in the form of three strip lines - one along the axis of the reflector and the other two in the direction perpendicular to the axis in the partition plane, with a separate discharge circuit being connected to each strip line.

Предлагаетс в разр дный контур включить импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого подключены последовательно емкостный накопитель и управл емый разр дник, а вторична обмотка подключена к электродам излучател .It is proposed to include a pulse transformer in the discharge circuit, to the primary winding of which a capacitive storage and a controllable discharge are connected in series, and the secondary winding is connected to the emitter electrodes.

На фиг. 1 и 2 показана конструктивна схема предложенного генератора: на фиг. 3-8 - варианты.In FIG. 1 and 2 show a structural diagram of the proposed generator: in FIG. 3-8 - options.

Генератор фокусированных ударных волн состоит из рефлектора 1, диэлектрической перегородки 2, электродов 3 электроразр дного излучател , диэлектрической акустически прозрачной заглушки 4, емкостного накопител 5, управл емого разр дника 6, импульсного трансформатора. В диэлектрической перегородке выполнено отверстие 8, цилиндрическое либо в виде щели. Полость рефлектора заполнена раствором электролита 9. Электроды источника подключаютс к разр дному контуру поло- сковыми лини ми 10.The focused shock wave generator consists of a reflector 1, a dielectric partition 2, electrodes 3 of an electric discharge emitter, a dielectric acoustically transparent plug 4, a capacitive storage 5, a controllable discharge 6, and a pulse transformer. In the dielectric partition a hole 8 is made, cylindrical or in the form of a gap. The cavity of the reflector is filled with an electrolyte solution 9. The source electrodes are connected to the discharge circuit by strip lines 10.

Генератор работает следующим образом .The generator operates as follows.

Емкостный накопитель зар жаетс до напр жени U от источника посто нного напр жени . При подаче запускающего импульса на управл ющий электрод 5 разр дника 6 он пробиваетс и емкостный накопитель 5 начинает разр жатьс по це- п электроды 3 излучател (на фиг. 1--4 электродами излучател вл ютс части разрезанного в одной плоскости рефлекто0 ра, выполненного из металла) - раствор электролита 9 - отверстие 8 в диэлектрической перегородке 2. Заглушка 4 исключает контакт между объемами электролита, которые разделены диэлектрической перего5 родкой 2, кроме как через отверстие 8 в перегородке 2. В результате электрический ток, протекающий в разр дной цепи, концентрируетс в отверстии Р. Больша плотность тока в области отверсти 8 приводитThe capacitive storage is charged to voltage U from a constant voltage source. When a triggering pulse is applied to the control electrode 5 of the burst 6, it breaks through and the capacitive storage 5 begins to discharge along the radiator electrodes 3 (in Figs. 1--4, the radiator electrodes are parts of a reflector cut from one plane made of metal) - electrolyte solution 9 - hole 8 in the dielectric partition 2. The plug 4 eliminates contact between the volumes of the electrolyte, which are separated by the dielectric partition 5, except through the hole 8 in the partition 2. As a result, the electric current ayuschy in the discharge circuit, is concentrated in the opening P. The greater the current density in the hole 8 leads

0 к интенсивному нагреву раствор опектро- лита и его взрывному испарению Образующийс в отверстии 8 пар разрывает электрическую цепь, и гее напр жение на емкостном накопителе оказываетс прило5 женным к отверстию, заполненному пэром (падением напр жени на электродах излучател и рааьоре электролита при его достаточно бопьшои проводимости можно пренеГфечь) При достаточно большой на0 пр жемности ллекфичпскогс пол о зазоре, образованном опзерсгием, возникает электрический пробой пара гз отверстии, образуетс плазменный клнгл и плогнигль тока о канале резко возрастает Это приводит к0 to intense heating, the spectrolyte solution and its explosive evaporation The 8 pairs formed in the hole breaks the electric circuit, and the voltage on the capacitive storage is applied to the hole filled with a peer (voltage drop across the electrodes of the emitter and the electrolyte at its sufficiently large conductivity can be neglected) With a sufficiently large constant pressure of the gap about the gap formed by the opsergy, an electric breakdown of the vapor through the hole occurs, a plasma clngle and the current needle on the channel increases sharply This leads to

5 резкому возрастанию темпер. и дэпле- нич плазмы п клна е. Padimpt ние плазмы приводит к формированию ударной волны в растворе эле: троли.а. Форма ударной волны определ етс геометрическими рэзме0 рами отверсти . В случае достаточно маленького цилиндрического отверсти формируетс сферическа расход ща с ударна волна, котора фокусируетс эллиптическим рефлектором. В случае щелг5 вогоотверсти формируетс 5 a sharp increase in temperature. and plasma deplen- sion of the cell. Padimption of the plasma leads to the formation of a shock wave in the ele- ment solution: trol. a. The shape of the shock wave is determined by the geometric dimensions of the hole. In the case of a sufficiently small cylindrical hole, a spherical diverging shock wave is generated, which is focused by an elliptical reflector. In the case of a slit 5, a hole is formed

цилиндрическа расход ща с ударна волна, котора фокусируетс рефлектором, выполненным в oivie параболоида (см. фи:. 3 и 4) Чтобы исключить розмптие фокусаa cylindrical diverging shock wave, which is focused by a reflector made in oivie paraboloid (see phi :. 3 and 4) to exclude blurred focus

0 из-за конечных размеров плазменного канала в направлении, перпенд жул ) ном оси рефлектора, толщина диэлектрической перегородки должна быть как можно меньше. Длл исключени нежелательных потерь0 due to the finite dimensions of the plasma channel in the direction perpendicular to the jolly axis of the reflector, the thickness of the dielectric partition should be as small as possible. To eliminate unwanted losses

5 энергии на нагрев всей массы электролита целесообразно исключить протекание тепа через оесь электролит. Поэтому IPO/JP излучател выполн ютс в виде плоских металлических пластин с отверстием совмещенным с отоерстием в диэлектрической5 energy for heating the entire mass of the electrolyte, it is advisable to exclude the flow of heat through the electrolyte. Therefore, the IPO / JP emitter is made in the form of flat metal plates with a hole aligned with the hole in the dielectric

переюродке. Пластины размещаютс на плоскост х перегородки с противоположных сторон и жестко закрепл ютс на ней, например, клеем или эпоксидным компаундом . В этом случае электроды излучател образуют полосковую линию, обладающую малой индуктивностью и небольшим волновым сопротивлением, что позвол ет получать большую амплитуду тока при разр де и высокое значение амплитуды ударной вол- ны при минимальной длительности импульса . Така конструкци показана на фиг. 5. В этом варианте рефлектор можно выполнить как металлическим, так и из диэлектрика с подход щими акустическими свойствами, например из керамики. В конструкции на фиг. 5 разр дный ток через электролит протекает лишь через отверстие в электродах и в диэлектрической перегородке, поэтому обеспечиваетс более высокий КПД. Отме- тим, что в предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией прототипа площадь контакта электродов с плазмой разр да значительно больше, чем у заостренных электродов излучател прототипа, поэтому они в меньшей степени подзержены разрушению из-за электроэрозии. При разр де в электролите легко реализовать формирование однородного плазменного канала большой длины в поперечном направлении (щелевой разр д). Это позвол ет использовать такой разр д в совокупности с парабо- лическим рефлектором. При этом исключаетс проблема точной установки электродов в фокусе, существенна дл эл- липтического рефлектора. Это упрощает конструкцию, повышает ее надежность и долговечность, т.к. дл получени одинаковой амплитуды ударной волны-в эллиптическом ре флекторе и параболическом рефлекторе при одинаковом энерговкладе в разр д удельна мощность, приход ща с на единицу площади электродов, будет меньше в случае параболического рефлектора с излучателем на основе щелевого раз- р да. В результате электроды будут подвержены меньшему разрушению и долговечность и надежность излучател будут выше. Следует заметить, что разр д в электролите по сравнению с разр дом в чистой воде отличаетс значительно более высокой стабильностью. Вли ние изменений параметров среды на параметры разр да легко устран етс прокачкой электролита, при этом требуетс весьма маленька скорость прокачки.a reunion. The plates are placed on the planes of the partition on opposite sides and are rigidly fixed to it, for example by glue or epoxy compound. In this case, the emitter electrodes form a strip line having a low inductance and a small wave impedance, which makes it possible to obtain a large current amplitude during a discharge and a high value of the shock wave amplitude with a minimum pulse duration. Such a construction is shown in FIG. 5. In this embodiment, the reflector can be made either metal or dielectric with suitable acoustic properties, for example ceramic. In the construction of FIG. 5, the discharge current through the electrolyte flows only through the hole in the electrodes and in the dielectric partition, therefore, a higher efficiency is provided. Note that in the proposed design, in comparison with the prototype design, the contact area of the electrodes with the discharge plasma is significantly larger than that of the pointed electrodes of the prototype emitter, therefore, they are less prone to destruction due to electroerosion. When discharged in an electrolyte, it is easy to realize the formation of a uniform plasma channel of large length in the transverse direction (gap discharge). This allows the use of such a discharge in conjunction with a parabolic reflector. This eliminates the problem of accurate placement of the electrodes in focus, which is essential for an elliptical reflector. This simplifies the design, increases its reliability and durability, because to obtain the same amplitude of the shock wave, in the elliptical reflector and parabolic reflector with the same energy input per discharge, the specific power per unit area of the electrodes will be less in the case of a parabolic reflector with a slot-based emitter. As a result, the electrodes will be subject to less destruction and the durability and reliability of the emitter will be higher. It should be noted that the discharge in the electrolyte, compared to the discharge in pure water, has a significantly higher stability. The effect of changes in the medium parameters on the discharge parameters is easily eliminated by pumping the electrolyte, and a very low pumping speed is required.

Использование диафрагменного разр да в генераторах фокусированных ударных волн позвол ет легко реализовать новые режимы в литотрипсии генерацию парных илиThe use of a diaphragm discharge in generators of focused shock waves makes it easy to implement new modes in lithotripsy, the generation of paired or

строенных импульсов с регулируемой задержкой между импульсами дл повышени эффективности разрушающего воздействи ударных волн на конкременты. Такие режимы реализуютс в конструкци х, показанных на фиг. 6 и 7. На фиг. 6 выводы электродов излучател , выполненные в виде полосковой линии, ориентированы перпендикул рно оси рефлектора и кажда поло- скова лини подключена к отдельному разр дному контуру. Разр д в контурах инициируетс с регулируемой задержкой, поскольку релаксаци в электролите происходит быстрее, чем в воде, возбуждение двух последовательных разр дов в электролите можно осуществить через врем , значительно меньшее, чем в воде. Экспериментально установлено, что дл двух-трех последовательных разр дов это врем составл ет несколько микросекунд, что совпадает по пор дку величины с временем прохождени ударной волны через камень с характерным размером 1 см.constructed pulses with adjustable delay between pulses to increase the effectiveness of the destructive effect of shock waves on stones. Such modes are implemented in the designs shown in FIG. 6 and 7. FIG. 6, the conclusions of the emitter electrodes made in the form of a strip line are oriented perpendicular to the axis of the reflector and each strip line is connected to a separate discharge circuit. The discharge in the circuits is initiated with an adjustable delay, since relaxation in the electrolyte is faster than in water, and two consecutive discharges in the electrolyte can be excited after a time much shorter than in water. It was experimentally established that for two or three consecutive discharges this time is several microseconds, which coincides in the order of magnitude with the time of passage of the shock wave through the stone with a characteristic size of 1 cm.

На фиг. 7 электроды излучател выведены из рефлектора в виде трех полосковых линий - одна вдоль оси рефлектора, а две другие перпендикул рно его оси, при этом к каждой полосковой линии подключаетс отдельный разр дный контур. Отметим, что на фиг. 6 и 7 электроды излучател и полосковой линии показаны при виде сверху, поэтому виден лишь один электрод, а второй находитс под ним. Подключение емкостного накопител и управл емого разр дника к полосковым лини м показано схематически .In FIG. 7, the radiator electrodes are removed from the reflector in the form of three strip lines - one along the axis of the reflector and the other two perpendicular to its axis, with a separate bit circuit connected to each strip line. Note that in FIG. 6 and 7, the electrodes of the emitter and the strip line are shown in plan view, therefore only one electrode is visible, and the second is underneath. The connection of a capacitive storage device and a controllable discharger to strip lines is shown schematically.

Такие схемы позвол ют значительно снизить посто нное высокое напр жение в схеме медицинской установки, что упрощает ее техническое обслуживание и повышает электробезопэсность. Схема включени импульсного трансформатора в разр дный контур показана на фиг. 8.Such circuits can significantly reduce the constant high voltage in the circuit of a medical device, which simplifies its maintenance and increases electrical safety. A circuit for including a pulse transformer in a discharge circuit is shown in FIG. 8.

Claims

1. A focused shock wave generator comprising a single-mirror reflector, an electric-discharge emitter and a discharge circuit consisting of a capacitive storage device and a controllable discharge device, characterized in that the reflector is made with a cut in a plane passing through the axis of the reflector, a flat dielectric partition is installed in the cut, the thickness of which in the contact zone with the parts of the reflector is equal to the thickness of the cut and in which a hole is made in the discharge formation zone, while the cavity of the reflector is filled with an elemental solution trolita, emitter electrodes are placed on opposite sides of prregorodki and

the outlet of the reflector is closed by an acoustically transparent dielectric plug, while the electrical contact between the electrodes is made through the hole in the partition.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the hole in the partition is made cylindrical, and the surface of the reflector is made in the form of an ellipsoid.

3. The generator according to claim 1, with the fact that the hole in the partition is made in the form of a gap along the axis of the reflector, and the surface of the reflector is made in the form of a paraboloid.

4. The generator according to paragraphs. 1-3, characterized by the fact that the reflector is made of metal, and its parts are connected to the discharge circuit.

5. The generator according to paragraphs. 1-3, characterized in that the electrodischarge emitter electrodes are made in the form of flat metal plates with a hole mounted on the surfaces of the partition on opposite sides, the holes in the plates coinciding with the hole in the partition.

6. The generator according to claim 5, with the fact that the reflector is made of a dielectric material, such as ceramic.

7. The generator according to paragraphs. 5 and 6, characterized by the fact that the conclusions of the emitter electrodes are made in the form of a strip line placed along the axis of the reflector.

8 Generator 5 and 6, characterized in that the terminals of the emitter electrodes are made in the form of a strip line placed perpendicular to the axis of the reflector.

9. The generator according to claims 5 and 6. characterized in that the leads of the emitter electrodes are made in the form of two strip lines drawn from opposite sides of the reflector perpendicular to its axis, with each strip line connected to a separate discharge circuit.

10. The generator according to paragraphs. 5 and 6, and the fact that the leads of the emitter electrodes are made in the form of three strip lines, one of which is brought out along the axis of the reflector, and the other two are located in the direction perpendicular to the axis in the plane of the partition, at the same time, a separate discharge circuit is connected to each strip line.

11. A generator according to claims 1 to 10, characterized in that a pulse transformer is included in the discharge circuit, to the primary winding of which a capacitive storage and a controlled discharge are connected in series, and the secondary winding is connected to the emitter electrodes.

A-A

pi / c.2

(ri & .3

pt / & S

/ I - A

1

4

Li

D

pt / e7

Ј

Lj jt

h

vrHf VyiJ | (y D X d l l l JCZ

(pi / g. 8