Генератор фокусированных ударных волн

 

Использование: в медицинских устройствах для лечения методами ударно-волновых воздействий. Сущность: генератор содержит однозеркальный рефлектор 1. электроразрядный излучатель 3, емкостный накопитель 5 и управляемый разрядник 6.

(si)s А 61 В 17/22, В 06 В 1/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) 5035944/14

J (22) 03.04,92 (46) 07.09,93. Бюл. N. 33 — 36 (76) Андриянов Ю,В„Крючков С.П. (54) ГЕНЕРАТОР ФОКУСИРОВАННЫХ

УДАРНЫХ ВОЛН. RU 2000086 С (57) Использование: в медицинских устройствах для лечения методами ударно-волновых воздействий, Сущность: генератор содержит однозеркальный рефлектор 1, электроразрядный излучатель 3, емкостный накопитель 5 и управляемый разрядник 6.

М

С)

О

C)

С3

Qh О

2000086

Рефлектор 1 выполнен с разрезом, в котором установлена перегородка 2 с отверстием в зоне формирования разряда. Полость рефлектора заполнена электролитом и перекрыта акустически прозрачной диэлектрической заглушкой 4, Электроды излучателя размещены по разные стороны перегородки, выполнены в виде плоских металлических пластин с отверстием, совпадающим с отверстием в перегородке, и могут быть расположены вдоль оси рефлектора либо перпендикулярно оси,либо выполнены в виде двух полосковых линий, выведенных с противоположных сторон рефлектора перпендикулярно его оси, при этом каждая полосковая линия подключена к отдельному

Изобретение относится к технике преобразования 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 вращения, и цилиндрический излучатель.

В этих устройствах звуковой импульс формируется ма гнитострикционным излучателем, поэтому они не могут быть использованы там, где требуются короткие импульсы ударных волн длительностью менее 1 мкс с амплитудой до тысячи атмосфер, например в литотрипторах.

Известен также генератор фокусированных у 1арных волн. содержащий однозеркальный рефлектор, электроразрядный излучатель, емкостный накопитель и управляемый разрядник, Основными недостатками известного устройства являются невысокая долговечность электродов излучателя, необходимость использования деионизованной воды для заполнения рефлектора и низкая воспроизводимость импульсов давления от разряда к разряду. Невысокая долговечность электродов обусловлена тем, что в устройстве используются острийные электроды, которые быстро разрушаются из-за электроэроэии. Кроме того, конструкция электродов достаточно сложна, т.к. необходимо обеспечить точную установку разрядНого промежутка в фокусе эллиптического рефлектора и возможность быстрой замены разрядного излучателя. По мере увеличения зазора между электродами в процессе

35 разрядному контуру, или в виде трех полосковых линий, одна из которых выведена вдоль оси рефлектора, а две другие расположены в перпендикулярном оси направлении в плоскости перегородки. В разрядный контур может быть включен импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого подключены последовательно емкостный накопитель и управляемый разрядник, а вторичная обмотка подключена к электродам излучателя, Технический результат: повышение стабильности и КПД генератора при расширении диапазона генерируемых амплитуд давлений ударной волны. 10 з.п.флы, 8 ил. работы устройства увеличивается минимальное рабочее напряжение, в результатв сужается динамический диапазон генерируемых амплитуд ударных волн. Также в известном устройстве значительная доля энергии разряда излучается в секторе видимости выходного отверстия из зоны разряда. Это излучение не фокусируется эллиптическим рефлектором, что снижает

КПД устройства.

Целью изобретения является повышение долговечности. стабильности и КПД генератора, а также расширение диапазона генерируемых амплитуд давлений ударной волны.

Цель достигается тем, что в генераторе фокусированных ударных волн, содержащем однозеркальный рефлектор, электроразрядный излучатель. емкостный накопитель и управляемый разрядник, предлагается рефлектор выполнить с разрезом в плоскости, проходящей через ось рефлектора, в разрезе установить плоскую диэлектрическую перегородку. толщина которой в зоне контакта с частями рефлектора равна толщине разреза, и в которой выполнено отверстие в зоне формирования разряда, при этом рефлектор заполнен раствором электролита, электроды излучателя размещены по разные стороны перегородки, выходное отверстие рефлектора закрыто акустически прозрачной диэлектрической заглушкой. исключающей электрический контакт между электродами через электролит, а только через отверстие в перегородке.

Предлагается выполнить отверстие в перегородке цилиндрическим, а рефлектор — эллиптическим.

2000086

Предлагается отверстие в перегородке выполнить в виде щели, ориентированной вдоль оси рефлектора, который выполнен в виде параболоида, Предлагается рефлектор выполнить металлическим и подключить две его части, полученные при разрезании, к разрядному контуру, состоящему из емкостного накопителя и управляемого разрядника.

Предлагается электроды электроразрядного источника выполнить в виде плоских металлических пластин с отверстием и укрепить их в плоскости перегородки с противоположных сторон так, чтобы отверстия в пластинах совпадали с отверстием в перегородке, В этом случае рефлектор можно выполнить из диэлектрического материала, например керамики.

Предлагается выводы электродов излучателя выполнить в виде полосковой линии, размещенной вдоль оси рефлектора.

Предлагается выводы электродов излучателя выполнить в виде полосковой линии, ориентированной перпендикулярно оси рефлектора. В этом случае полосковая линия может быть выведена с двух боковых сторон рефлектора и к каждому концу может быть подключен разрядный контур.

Предлагается электроды излучателя вывести в виде трех полосковых линий — одна вдоль оси рефлектора, а две другие в перпендикулярном оси направлении в плоскости перегородки, при этом к каждой полосковой линии подключается отдельный разрядный контур.

Предлагается в разрядный контур включить импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого подключены последовательно емкостный накопитель и управляемый разрядник, а вторичная обмотка подключена к электродам излучателя.

На фиг. 1 и 2 показана конструктивная схема и редл ожен ного генератора: на фиг.

3-8 — варианты. 4

Генератор фокусированных ударных волн состоит из рефлектора 1, диэлектрической перегородки 2, электродов 3 электроразрядного излучателя, диэлектрической акустически прозрачной заглушки 4, емко- 5 стного накопителя 5, управляемого разрядника 6, импульсного трансформатора, В диэлектрической перегородке выполнено отверстие 8, цилиндрическое либо в виде щели, Полость рефлектора заполнена рас- 5 твором электролита 9. Электроды источника подключаются к разрядному контуру полосковыми линиями 10.

Генератор работает следующим образом, Емкостный накопитель заряжается до напряжения U от источника постоянного напряжения. При подаче запускающего импульса на управляющий электрод

5 разрядника G он пробивается и емкостный накопитель 5 начинает разряжаться по цепи; электроды 3 излучателя (на фиг. 1-4 электродами излучателя являются части разрезанного в одной плоскости рефлекто10 ра, выполненного из металла) — раствор электролита 9 — отверстие 8 в диэлектрической перегородке 2. Заглушка 4 исключает контакт между объемами электролита, которые разделены диэлектрической перего15 родкой 2, кроме как через отверстие 8 в перегородке 2. В результате электрический ток, протекающ1.й в разрядной цепи, концентрируется в отверстии Г. Большая плотность тока в области отеерст11я 8 приводит

20 к интенсивному нагреву раствора электролита и ег0 взрhlâному испарению. Образу10щийся в отверстии 8 пар разрывает электрическу1о це11ь, l1 f ce 11апряже11ие на ел1костном накопите е оказывается прила25 женным к QTf.cðcTèfî, заполненному паром (падением напряжения на электродах излучателя и рас1воре электролита при его достато1но больш >11 проводимости можно пренебречь). Г1ри достало fffo большой на30 пряженности электрическо1о поля в зазоре, образованнол1 от11ерстиел1, гоз11ик,1еT электрический пробой пара l3 отверстии, образуется плазмен11ый канал и плоп1о1;ль тоха f3 ка11але резко возрастает. Ого присод11т к

35 резкому возрастанию 1ел1г1с;1:11уры ll дас1ленич плазмы !1 ка 1але, Рас!.filapf:ние 11лазл1ь1 приводит к форt. ;1ровгнию у!1ýðffîé гcëffû в растворе эле;;тролига. G>opt ударной волны определяется геометрическими разме40 рал1и отверстия. В случае достаточно маленького цилиндрического отверстия формируется сферическая расходящаяся ударная волна, которая фокусируется эллиптическ11м рефлекторол1. В случае щел.".—

5 вого отверстия формируется цилиндрическая расходягдаяся удар11ая волна, котор 351 фокусируется рефлсхсрол1, выflолненным в и де парабалои;.;а (ct1, фl

3 и 1). Чтобы исьл1очить разм1ITllc фокуса

0 из-за конечных размеров и l33IIcIiIIого канала в I fàï ðàâëåflfllt, перпенд:1кул II jf fûël осll рефлектора, толщина диэле«трической rlерегородки должна быть как можно л1е1-:ьше.

Для исключения нежелательных поге1 ь

5 энергии на нагрев всей массы злектрол11га целесообразно исключить проте1;а1н1е тога через sech электролит. Г1оэтому эг1еf.fðoäf излучателя выполняются в виде пло ких металли1еских пластин с QTBepcTI p,. «, совмещенным с отверстием в диэлектрической

2000086 перегородке. Пластины размещаются на плоскостях перегородки с противоположных сторон и жестко закрепляются на ней, например, клеем или эпоксидным компаундом. В этом случае электроды излучателя образуют полосковую линию, обладающую мЬлой индуктивносгью и небольшим волновым сопротивлением, что позволяет получать большую амплитуду тока при разряде и высокое значение амплитуды ударной волны при минимальной длительности импульса, Такая конструкция показана на фиг. 5. В этом варианте рефлектор можно выполнить как металлическим, так и из диэлектрика с подходящими акустическими свойствами, например из керамики. В.конструкции на фиг, 5 разряднь|й ток через электролит протекает лишь через отверстие в электродах и в диэлектрической перегородке, поэтому обеспечивается более высокий КПД. Отметим, что в предлагаемой конструкции по сравнению с конструкцией прототипа площадь контакта электродов с плазмой разряда значительно больше, чем у заостренных электродов излучателя прототипа, поэтому они в меньшей степени подэержены разрушению из-3а электроэрозии, При разряде в электролите легко реализовать формирование однородного плазменного канала большой длины о поперечном направлении (щелевой разряд). Это позволяет использовать такой разряд в совокупности с параболическим рефлектором, При этом исключается проблема точной установки электродов в фокусе, существенная для эллиптического рефлектора. Это упрощает конструкцию, повышает ее надежность и долговечность, т.к. для получения одинаковой амплитуды ударной волны-в эллиптическом рефлекторе и параболическом рефлекторе при одинаковом энерговкладе в разряд удельная мощность, приходящаяся на единицу площади электродов. будет меньше в случае параболического рефлектора с излучателем на основе щелевого разряда. В результате электроды будут подвержены меньшему разрушению и долговечность и надежность излучателя будут выше. Следует заметить, что разряд в электролите по сравнению с разрядом в чистой воде отличается значительно более высокой стабильностью. Влияние изменений параметров среды на параметры разряда легко устраняется прокачкой электролита, при этом требуется весьма маленькая скорость прокачки.

Использование диафрагменного разряда в генераторах фокусированных ударных волн позволяет легко реализовать новые режимы в литотрипсии генерацию парных или

10 скольку релаксация в электролите происходит быстрее, чем в воде, воэбужде15 ние двух последовательных разрядов в

55

50 строенных импульсов с регулируемой задержкой между импульсами для повышения эффективности разрушающего воздействия ударных волн на конкременты.

Такие режимы реализуются в конструкциях, показанных на фиг. 6и 7, На фиг. 6 выводы электродов излучателя, выполненные в виде полосковой линии, ориентированы перпендикулярно оси рефлектора и каждая полосковая линия подключена к отдельному разрядному контуру. Разряд в контурах инициируется с регулируемой задержкой, поэлектролите можно осуществить через время, значительно меньшее, чем в воде. Экспериментально установлено, что для двух-трех последовательных разрядов это время составляет несколько микросекунд, что совпадает по порядку величины с временем прохождения ударной волны через камень с характерным размером 1 см.

На фиг, 7 электроды излучателя выведены из рефлектора в виде трех полосковых линий — одна вдоль оси рефлектора, а две другие перпендикулярно его оси, при этом к каждой полосковой линии подключается отдельный разрядный контур. Отметим, что на фиг. 6 и 7 электроды излучателя и полосковой линии показаны при виде сверху, поэтому виден лишь один электрод, а второй находится под ним, Подключение емкостного накопителя и управляемого разрядника к полосковым линиям показано схематически.

Такие схемы позволяют значительно снизить постоянное высокое напряжение в схеме медицинской установки, что упрощает ее техническое обслуживание и повышает электробезопасность, Схема включения импульсного трансформатора в разрядный контур показана на фиг. 8.

Формуга изобретения

1. Генератор фокусированных ударных волн, содержащий однозеркальный рефлектор, электрораэрядный излучатель и разрядный контур, состоящий из емкостного накопителя и управляемого разрядника, о тл и ч а ю шийся тем, что рефлектор выполнен с разрезом в плоскости, проходящей через ось рефлектора. в разрезе установлена плоская диэлектрическая перегородка. толщина которой в зоне контакта с частями рефлектора равна толщине разреза и в которой выполнено отверстие в зоне формирования разряда, при этом полость рефлектора заполнена раствором электролита, электроды излучателя размещены по разные сторпни перегородки, а

2000086

10 выходное отверстие рефлектора закрыто акустически прозрачной диэлектрической заглушкой, при этом электрический контакт между электродами осуществлен через отверстие в перегородке. 5

2. Генератор по п. 1, отл и ч а ю щи йс я тем, что отверстие в перегородке выполнено цилиндрическим. а поверхность рефлектора выполнена в виде эллипсоида.

3. Генератор по и. 1, о тл и ча ю щи й- 10 с я 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- 15 шийся тем, что рефлектор выполнен металлическим, а его части подключены к разрядному контуру.

5. Генератор по пп. 1-3, о т л и ч а юшийся тем, что электроды электроразряд- 20 ного излучателя выполнена в виде плоских металлических пластин с отверстием, укрепленных на поверхностях перегородки с противоположных сторон, при этом отверстия в пластинах совпадают с отверстием в 25 перегородке.

6. Генератор по и. 5, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что рефлектор выполнен иэ диэлектрического материала, например керамики.

7. Генератор по пп, 5и 6, отл ича ю щ 30 и и с я тем, что выводы электродов излучателя выполнены в виде полосковой линии, размещенной вдоль оси рефлектора.

8, Генератор по пп. 5 и 6, о т л и ч à ешийся тем, что выводы электродов излучателя выполнены в виде полосковой линии, размещенной перпендикулярно оси рефлектора.

9, Генератор по пп. 5 и 6. о т л и ч а юшийся тем, что выводы электродов излучателя выполнены в виде двух полосковых линий, выведенных с противоположных боковых сторон рефлектора перпендикулярно его оси, при этом каждая полосковая линия подключена к отдельному разрядному контуру

10. Генератор по пп. 5 и 6, о т л и ч а юшийся тем, что выводы электродов излучателя выполнены в виде трех полосковых линий, одна из которых выведена вдоль оси рефлектора, а две другие расположены в перпендикулярном оси направлении в плоскости перегородки, при этом к каждой полосковой линии подключен отдельный разрядный контур.

11. Генератор по пп, 1 — 10, о т л и ч а юшийся тем, что в разрядный контур включен импульсный трансформатор, к первичной обмотке которого подключены последовательно емкостной накопитель и управляемый разрядник, а вторичная обмотка подключена к электродам излучателя.

2000086

11!1ее

p+

j+

«

«

« е

y+

i++

МАФАФАь.! юг

° i e " °

° °

° ° ° ° ° е ° ° е

° е

° °

° е

° . I

° ° ° 4

° ° е 4 е I

° °

Ф

Ф

Э

«

Ь

Ь, «

Ь ь, Ь

« т

Ф

«Ф

1<

»»»»»

° дд дюдьдЧ Ч,Р °

»»%»»

«»

)Ф ф е ее

Ф

4 1

Ф

4 Ф

ЪФФФФФФФФ»9

1

Ф