RU2000086C1 - Генератор фокусированных ударных волн - Google Patents

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.

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.

Известны генераторы фокусированных ударных волн, содержащие рефлектор, выполненный в виде параболоида вращени , и цилиндрический излучатель.

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.

Известен также генератор фокусированных ударных волн, содержащий одно- зеркальный рефлектор, электроразр дный излучатель, емкостный накопитель и управл емый разр дник.

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 процессе

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 снижает

0 КПД устройства.

Целью изобретени   вл етс  повышение долговечности, стабильности и КПД генератора , а также расширение диапазона генерируемых амплитуд давлений ударной

15 волны.

Цель достигаетс  тем, что в генераторе фокусированных ударных волн, содержащем однозеркальный рефлектор, электроразр дный излучатель, емкостный

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 через

5 электролит, а только через отверстие в перегородке .

Предлагаетс  выполнить отверстие в перегородке цилиндрическим, а рефлектор - эллиптическим. Ч1ГГ

Предлагаетс  отверстие в перегородке выполнить в виде щели, ориентированной вдоль оси рефлектора, который выполнен в виде параболоида.

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.

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.

Предлагаетс  выводы электродов излучател  выполнить в виде полосковой линии, размещенной вдоль оси рефлектора.

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.

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.

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 .

На фиг. 1 и 2 показана конструктивна  схема предложенного генератора: на фиг. 3-8 - варианты.

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.

Генератор работает следующим образом .

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 приводит

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 к

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 

цилиндрическа  расход ща с  ударна  волна, котора  фокусируетс  рефлектором, выполненным в oivie параболоида (см. фи:. 3 и 4) Чтобы исключить розмптие фокуса

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 потерь

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 диэлектрической

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.

Использование диафрагменного разр да в генераторах фокусированных ударных волн позвол ет легко реализовать новые режимы в литотрипсии генерацию парных или

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.

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 .

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.

Claims (11)

1. Генератор фокусированных ударных волн, содержащий однозеркальный рефлектор , электроразр дный излучатель и разр дный контур, состо щий из емкостного накопител  и управл емого разр дника, о т- личающийс  тем, что рефлектор выполнен с разрезом в плоскости, проход щей через ось рефлектора, в разрезе установлена плоска  диэлектрическа  перегородка, толщина которой в зоне контакта с част ми рефлектора равна толщине разреза и в которой выполнено отверстие в зоне формировани  разр да, при этом полость рефлектора заполнена раствором электролита, электроды излучател  размещены по разные стороны пррегородки, а

выходное отверстие рефлектора закрыто акустически прозрачной диэлектрической заглушкой, при этом электрический контакт между электродами осуществлен через отверстие в перегородке.

2.Генератор по п. 1,отличающий- с   тем, что отверстие в перегородке выполнено цилиндрическим, а поверхность рефлектора выполнена в виде эллипсоида.

3.Генератор по п. 1, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что отверстие в перегородке выполнено в виде щели вдоль оси рефлектора, а поверхность рефлектора выполнена в виде параболоида.

4.Генератор по пп. 1-3, отличаю- щ и и с   тем, что рефлектор выполнен металлическим, а его части подключены к разр дному контуру.

5.Генератор по пп. 1-3, отличающийс  тем, что электроды электроразр д- ного излучател  выполнена в виде плоских металлических пластин с отверстием, укрепленных на поверхност х перегородки с противоположных сторон, при этом отверсти  в пластинах совпадают с отверстием в перегородке.

6.Генератор по п. 5, о т л и ч а ю щ и й- с   тем, что рефлектор выполнен из диэлектрического материала, например керамики.

7.Генератор по пп. 5и6, отличающ и и с   тем, что выводы электродов излучател  выполнены в виде полосковой линии, размещенной вдоль оси рефлектора.

8 Генератор по пп. 5и 6, отличающий с п тем, что выводы электродов излучател  выполнены в виде полосковой линии , размещенной перпендикул рно оси рефлектора.

9.Генератор по пп. 5и 6. отличающий с   тем, что выводы электродов излучател  выполнены в виде двух полосковых линий, выведенных с противоположных боковых сторон рефлектора перпендикул рно его оси, при этом кажда  полоскова  лини  подключена к отдельному разр дному контуру .

10.Генератор по пп. 5 и 6, о т л и ч а ю- щ и и с   тем, что выводы электродов излучател  выполнены в виде трех полосковых линий, одна из которых выведена вдоль оси рефлектора, а две другие расположены в перпендикул рном оси направлении в плоскости перегородки, при этом к каждой полосковой линии подключен отдельный разр дный контур.

11.Генератор по пп, 1-10, отличающийс  тем, что в разр дный контур включен импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого подключены последовательно емкостной накопитель и управл емый разр дник, а вторична  обмотка подключена к электродам излучател .

А -А

pi/c.2

(ри&.З

pt/& S

/I - А

1

4

LI

D

pt/e7

«Ј

LJ JT

h

vrHf VyiJ|(y Д X д л л л JCZ

(pi/г. 8