Плазменный активатор воздуха

Изобретение относится к электрофизическим устройствам, предназначенным для использования в области медицины и биологии, а также в санитарии, и может быть использовано для обеззараживания или стерилизации. Газовый генератор включает источник электрического питания, плазменный реактор с двухэлектродной газоразрядной системой на основе барьерного разряда и систему газового питания, обеспечивающую подачу потока воздуха через плазменный реактор. При этом в качестве источника электрического питания используется импульсный высокочастотный источник, формирующий на выходе напряжение в форме импульсов гармонических колебаний с различной формой огибающей и позволяющий неоднократно инициировать разряд в течение одного импульса. В качестве плазменного реактора используется плазменный реактор с выходной апертурой для исходящего наружу потока активированного воздуха с двухэлектродной планарной и/или коаксиальной газоразрядной системой на основе барьерного разряда с разрядным промежутком протяженностью от 0,5 до 2 мм. Достигается повышение эффективности обеззараживания или стерилизации за счет получения потока активированного воздуха с высокой концентрацией активных состояний и соединений азота и кислорода. 5 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электрофизическим устройствам, предназначенным для использования в области медицины и биологии, а также в санитарии. Может быть использовано для обеззараживания (стерилизации) различных поверхностей, в том числе и живой ткани, а также для лечебных целей – NO-терапии.

Предшествующий уровень техники

По данным литературных источников считается, что в настоящее время обработка низкотемпературной плазмой – один из наиболее эффективных и универсальных способов обеззараживания. Данный вид обработки способен воздействовать практически на все виды бактерий, в том числе и на резистентные к фармакологическим препаратам (антибиотикам). Помимо бактерий воздействию плазмы подвержены такие стойкие биологические формы как грибы и споры. Обработка низкотемпературной плазмой является одним из немногих методов, позволяющим бороться с внутрибольничными инфекциями (ВБИ).

Помимо обеззараживания, обработка низкотемпературной плазмой может использоваться в медицине для терапевтических целей. Начиная с начала 2000-х годов в медицине возник новый раздел – плазменная медицина. Плазма способна воздействовать на раковые клетки, способствовать заживлению ран, язв и ожогов, а также ускорять до 15 раз скорость коагуляции крови. Много деталей относительно генерации плазмы и ее применения для медицинских целей описано в A. Fridman. PLASMACHEMISTRY. Cambridge University Press, 2008, 978 p.

Существует большое количество описанных методов и способов генерации низкотемпературной плазмы. Они различаются как по типам разрядов, так и по способам их электрического питания. К разрядам атмосферного давления можно отнести коронный, искровой, дуговой, объемный, скользящий, барьерный и другие типы разрядов. По способам питания можно различать такие режимы как: питание разряда постоянным напряжением, переменным, импульсным и высокочастотным. Переменное напряжение может иметь различные частоту и форму. Импульсное напряжение, помимо частоты и формы имеет дополнительный параметр - длительность импульса. Наиболее высокие пиковые мощности могут быть достигнуты только в случае использования импульсного режима работы устройства.

Но, несмотря на разнообразие применяемых типов разрядов и способов их питания, они имеют общее в том, что все они вкладывают энергию в газ, ионизируя его, в результате чего в электрически нейтральном газе возникают носители заряда в виде ионов и электронов, диссоциируют на атомы молекулы, нейтральные частицы переходят в возбужденное, метастабильное состояние. Все это приводит к протеканию активных плазмохимических процессов, к появлению долго- и короткоживущих химических соединений и активных состояний из элементов, составляющих плазмообразующий газ. И в зависимости от типа разряда, конструкции разрядной системы и параметров ее электрического питания, возможно построение эффективных устройств, выполняющих свои задачи в области медицины, биологии и санитарии. В настоящее время разработка новых устройств, предназначенных для использования в данных областях, является актуальной задачей.

Плазма обладает рядом факторов воздействия на объекты, с которыми она взаимодействует. Такими факторами являются электрические поля высокой напряженности, ультрафиолетовое излучение, заряженные частицы, повышенная температура. Но, при воздействии на биологические объекты, плазмохимическое воздействие многие авторы считают в качестве основного [M. Janda, V. Martisovits, K. Hensel, Z. Machala. Generation of Antimicrobial NO x by Atmospheric Air Transient Spark Discharge. Plasma Chem Plasma Process (2016) 36:767–781]. Именно воздействие на эти объекты возникающих в газовом разряде долго - и короткоживущих химических соединений и активных состояний плазмообразующего газа является основным. При использовании воздуха в качестве плазмообразующего газа, активными соединениями являются соединения азота и кислорода. Из основных долгоживущих химических соединений, воздействующих на биообъекты и обладающих бактерицидными свойствами, в этом случае можно отметить такие, как атомарный кислород О, озон О₃, двуокись азота NO₂ и моноокись азота NO. Действие моноокиси азота NO неоднозначно, так как это соединение обладает как бактерицидными, так и лечебными свойствами. При контакте с водой, содержащейся в атмосферном воздухе, образуются такие соединения, как нитрит NO₂-, нитрат NO₃-, пероксинитрит ONOO- и пероксид водорода H₂O₂ из гидроксильных групп OH. Следует отметить, что высокая эффективность плазменной обработки возникает из-за синергии одновременного действия нескольких из вышеприведенных химических веществ.

В большинстве работ в данной области исследователи фокусируются на синтезе таких газов, как O₃, NO и NO₂. Озон O₃ широко используется в промышленности и медицине. Рядом фирм выпускаются промышленные установки для его производства. Данная тема широко представлена в многочисленных работах и не будет рассмотрена авторами для оценки уровня существующей техники. Причиной этого является недостаточность действия только одного озона для целей инактивации микроорганизмов, как это показано в Nachiket D. Vaze at al. Inactivation of Bacteria in Flight by Direct Exposure to Nonthermal Plasma. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 38, NO. 11, 2010. Озон может рассматриваться только как один из дополнительных элементов воздействия на микроорганизмы при плазменной обработке.

Не вызывает сомнения эффективность антибактериального действия двуокиси азота NO₂. Так, в патентной заявке US 20130230430 представлена промышленная установка для обеззараживания различных предметов. Так, за время 13 мин при концентрации газа равной 1000 ppm, удается полностью подавить жизнедеятельность бактерий. В работе приводятся также данные об обеззараживающей способности моноокиси азота NO. Из них следует, что обеззараживающая способность данного газа в несколько раз ниже, по сравнению с NO₂. В отличие от предложенного технического решения работе не использовались плазменные методы получения этих газов, поскольку они подавались в камеру обработки из внешних источников (из стационарного объема с жидким газом).

Антибактериальные свойства соединения NO описаны и в патентной заявке US 20060147553. Воздействию NO подвергались бактерии туберкулеза. Было отмечено, что при концентрации 90 ppm за 48 часов были уничтожены 100% бактерий штамма H37RV. При этом газ также подавался из внешнего объема без использования плазменных технологий.

Использование внешних объемов необходимого для обработки газа в двух предыдущих работах делает установку менее мобильной и вызывает необходимость периодического пополнения этих объемов. Помимо этого, наличие больших объемов вредных для здоровья человека газов предъявляет повышенные требования к безопасности их хранения. Ввиду наличия в атмосферном воздухе азота и кислорода целесообразно получать соединения этих газов непосредственно из воздуха в нужный момент времени при возникновении в этом необходимости.

Ввиду относительно невысокого бактерицидного действия моноокиси азота NO, основной интерес представляет его терапевтическое действие. В патенте RU 2174398 авторы описывают терапевтическое действие соединения NO, полученного в результате протекания плазмохимических реакций. В нем использовался поток газа, содержащий NO в зоне обработки в концентрации порядка 400 мг/м³. В патенте RU 2183474 для получения газового потока с подобными характеристиками использовалось устройство, в котором зажигают непрерывный дуговой разряд с термохимическим катодом, обеспечивая устойчивую генерацию в межэлектродном пространстве воздушной плазмы с температурой порядка 3700 °C. При продувке через плазму разряда воздуха с величиной потока от 1 до 4 л/мин, в нем синтезируется окись азота в соответствии с плазмохимической реакцией N₂+O₂↔2NO. Из межэлектродного пространства NO-содержащий воздушно-плазменный поток с температурой порядка 3200 °C поступает в выпускной канал, включающий камеру закалки, промежуточный и окончательный тракты охлаждения. В камере закалки происходит быстрое остывание (10⁷-10⁸ град/сек) газа до температуры порядка 1000 °C, что обеспечивает фиксацию (закалку) окиси азота. Далее из камеры закалки газовый поток проходит через тракты промежуточного и окончательного охлаждения, в которых температура падает до 150 °C и 30 °C, соответственно. С выхода выпускного канала охлажденный NO-содержащий газ поступает к потребителю.

Недостатком известного устройства является высокая температура газа в процессе его синтеза. Это связано с тем, что в условиях дугового разряда параметры воздушной плазмы очень близки к равновесным (Т_эл/Т_газ≈1). Для подавления других продуктов электросинтеза (закиси и двуокиси азота) и обеспечения эффективной наработки NO основная доля энергии должна расходоваться на разогрев плазмы в целом до температуры 3400-3700 °C. При этом высокие тепловые нагрузки на элементы конструкции разрядной камеры и выпускного канала снижают надежность.

Высокая температура газа в устройстве не позволяет использовать напрямую для обработки живой ткани. Поэтому для терапевтических целей необходимо обеспечить снижение температуры газа. Но при охлаждении происходит снижение концентрации NO в газовом потоке в десятки раз от исходного значения.

Кроме того, отвод тепла от упомянутых электродов и элементов выпускного канала осуществляется с помощью объединенной системы жидкостного охлаждения, включающей множество встроенных каналов с высокотемпературными уплотнениями, что усложняет устройство.

Относительно низкая температура электронов, а значит и их энергия в дуговом разряде, составляющая доли эВ, не позволит обеспечить возможность диссоциации молекул газов, составляющих воздушную смесь. Данной энергии не достаточно для разрыва ковалентной связи молекул кислорода и азота. Поэтому с помощью данного устройства невозможно получить широкий спектр различных соединений и активных состояний азота и кислорода, обладающих ярко выраженным обеззараживающим действием. Таким образом, несмотря на наличие газового разряда, устройство по своей сути является нагревателем газа для обеспечения термического синтеза соединения NO.

Также недостатком устройства является сложность его масштабирования и регулировки мощности. Увеличение мощности (тока разряда) не приведет к существенному повышению температуры нагрева газа, но зато повысит тепловые нагрузки на электроды и снижению ресурса термохимического катода. Снижение же тока разряда невозможно из-за изменения режимов работы термохимического катода и прекращения стабильного горения дуги постоянного тока. Подтверждением этому служит российский аппарат «Плазон», использующий данный принцип действия. Более 15 лет устройство существует только в одной модификации.

В патенте WO1993017741 газ NO производился с помощью дугового (искрового) разряда с концентрациями от 10 до 250 ppm в зависимости от величины зазора разрядного промежутка между двумя электродами и величины подводимой к разряду мощности. В работе указано, что наиболее успешные значения концентрации NO для использования в целях респираторной терапии лежат в диапазоне 1 ppm до 180 ppm. Недостатком использования дугового (искрового) разряда является эрозия материалов самих электродов в результате термического действия приэлектродных процессов.

Так, в патенте US 6955790 отмечается, что в случае высоких термических нагрузок на электроды происходит их распыление и необходимы сложные системы очистки для предотвращения попадания материалов распыляемых электродов в газ, используемый для медицинских целей. В этой работе использовался барьерный разряд для достижения концентрации газа NO в концентрациях до 1000 ppm. Но при этом отмечалось, что данная концентрация NO избыточна и концентрация этого газа до 200 ppm вполне достаточна для медицинских целей. Столь высокое значение концентрации полученного соединения NO в этом случае обеспечивается нагревом разрядной ячейки до температур, достигающих 800 ⁰С. Предварительный нагрев с последующим охлаждением усложняют конструкцию разрядной системы и ухудшают энергетическую эффективность устройства в целом.

В патенте RU 2553290 реализовано устройство для получения NO в потоке осушенного воздуха со скоростью 2 л/мин. Синтез NO проводился в разрядной камере с межэлектродным промежутком, равным 3 мм под действием импульсов чередующейся полярности с амплитудой 15 кВ и длительностью 2 мкс (на полувысоте импульса). Частота следования импульсов питания изменялась от 500 Гц до 2,5 кГц. При этом в выходном потоке отсутствовал озон (с точностью 0,01 ppm), а диапазон плавного регулирования концентрации окиси азота составлял 20-200 ppm. Устройство работало в режиме максимальной производительности в течение 230 часов. Авторы отмечают, что при этом на поверхности электродов отсутствовали эрозийные повреждения (с точностью 10 мкм).

Разрядная камера диаметром 22 мм и длиной 52 мм включает два электрически изолированных друг от друга высоковольтных электрода изготовленных из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Первый из упомянутых электродов выполнен в виде диска диаметром 12 мм. Второй из упомянутых электродов выполнен в виде петли с характерным размером 12 мм из проволоки диаметром 0,5 мм.

В качестве недостатка подобного устройства можно также отметить эрозию электродов при наличии искровых разрядов в газоразрядном промежутке. При этом необходима тщательная очистка газов от материалов электродов на выходе устройства, как это уже было указано. Отсутствие эрозионных повреждений указанного размера не свидетельствует об отсутствии кратеров микродуг, диаметр которых при токах в единицы ампер может быть в несколько раз меньше.

Недостатком является также конструкция одного из электродов, выполненного из нержавеющей стали 12х18н9т толщиной 0,5 мм. Данный электрод не может охлаждаться посредством теплопередачи основанию (креплению) в силу низкой теплопроводности материала из которого он изготовлен, а так же малого сечения. Охлаждение потоком воздуха также ограничено, в силу малой площади его поверхности. Поэтому при повышении мощности выше какого-то уровня возможен перегрев центральной области электрода, взаимодействующей с газовым разрядом.

Ввиду работы на моноимпульсе и минимальной скважности 100 (равной отношения периода между импульсами при работе устройства на макимальной частоте к длительности двух разнополярных импульсов), можно отметить, что время взаимодействия потока воздуха с газовым разрядом не превышает 1%. Это приводит к снижению эффективности обработки газа в разряде.

Но помимо систем на основе дугового (искрового) разряда в плазменной медицине и биологии для целей обеззараживания поверхности и лечения также широко используется барьерный разряд. В системах на основе данного типа разряда отсутствует электроэрозионное разрушение электродов, ввиду ограничения тока разряда (пробоя) диэлектриком, разделяющим разрядный промежуток. Это вытекает из того, что в подобных системах не удалось обнаружить при анализе следы материала электродов [Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. - М: Изд-во МГУ. - 1989].

В патенте US 9339783 продемонстрировано кровоостанавливающее (коагулирующее) и антибактериальное действие устройства на основе барьерного разряда с прямым воздействием низкотемпературной плазмы на обрабатываемую поверхность. Промежуток пробивается импульсом напряжения подаваемого на поджигающий электрод – игнайтор, после чего загорается основной разряд между кольцевым электродом, покрытым изнутри диэлектриком, и обрабатываемым объектом (телом пациента). Питание разряда осуществляется источником переменного напряжения с частотой от 0.5 до 500 кГц. Устройство продемонстрировало чрезвычайно высокую эффективность борьбы с микроорганизмами.

Главным недостатком данного способа обработки является ограничение мощности в разряде при прямом его воздействии на кожу пациента. Так, один из авторов патента указывает о пределе мощности, при которой пациент ещё не испытывает дискомфорт. При его превышении неприятные ощущения у пациента авторы приписывают термическим эффектам в плазме [Halim Ayan, Gregory Fridman, David Staack, Alexander F. Gutsol, Victor N. Vasilets, Alexander A. Fridman, and Gary Friedman. Heating Effect of Dielectric Barrier Discharges for Direct Medical Treatment. IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 37, NO. 1.(2009)].

В патенте US 9339783 авторы указывают допустимый предел мощности в диапазоне от 0.5 до 2 Вт/cм². Диаметр сопла же в работе не превышал 1 см. Таким образом, максимальная мощность устройства не превышала 2 ватт, а площадь обработки не превышала нескольких квадратных сантиметров.

К другим недостаткам метода следует отнести только поверхностное действие метода – им невозможно обрабатывать протяженные полости, так как это потребует соответствующего увеличения разрядного промежутка. Кроме того, авторы не уточняют, насколько эффективно будет происходить обработка геометрически неоднородной поверхности.

Кроме указанных недостатков, данное устройство сложно сертифицировать в качестве медицинского прибора из-за прямого контакта плазмы с телом пациента и использованием пациента в качестве одного из электродов высоковольтного промежутка.

Гораздо более мощными и безопасными для объектов обработки являются устройства с косвенным воздействием плазмы на объект обработки. В них производится обработка объектов продуктами взаимодействия плазмы газового разряда с потоком газа без прямого контакта плазмы с поверхностью. Таким образом, снимается условие ограничения повышения мощности устройства ввиду появления болезненных ощущений у пациента. В работе Chelsea M Edelblute, Loree C Heller, Muhammad A Malik, Anna Bulysheva & Richard Heller Plasma-activated air mediates plasmid DNA delivery in vivo. Molecular Therapy — Methods & Clinical Development 3, Article number: 16028. (2016) указывается, что обработка бесконтактным (непрямым, косвенным) с плазмой способом безопасна для чувствительных к температурному воздействию поверхностей, в том числе и живой ткани.

Кроме того, с помощью устройств непрямого воздействия могут обрабатываться геометрически неровные поверхности и протяженные полости. Считается, что такие устройства менее эффективны по сравнению с устройствами прямого действия [Gregory Fridman at al. Comparison of Direct and Indirect Effects of Non-Thermal Atmospheric Pressure Plasma on Bacteria and Mechanisms of Such Interaction. IEEE 34th International Conference on Plasma Science (ICOPS). (2007)]. Но в ряде случаев удобство и безопасность их применения, а также более широкий круг решаемых задач могут выйти на передний план.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство стерилизации непрямого (косвенного) действия на основе барьерного разряда, предложенное в патентной заявке US 20050109739, и выбранное нами в качестве прототипа.

В нем газ протекает через плазменный реактор, в котором он взаимодействует с плазмой газового разряда, а затем направляется в зону обработки. Зона обработки может быть как отделена от плазменного реактора, так и составлять с ним единое целое. В работе использована планарная конфигурация электродов. Газоразрядный промежуток образован плоским электродом, покрытым диэлектриком, и электродом с поверхностью, имеющей многочисленные малые углы (радиусы) закругления.

Электрод с малым радиусом кривизны изготовляется из проволоки, либо используется электроды ножевого типа с дополнительными остриями. Все это увеличивает сложность в изготовлении электрода, учитывая то, что для тонкой проволоки необходимо создавать систему ее натяжения. Это необходимо для равномерного растяжения отдельных проволок, а также для компенсации ее удлинения при нагреве в разряде. Учитывая то, что расстояние между электродами может составлять 0,6 мм становится очевидным, что изготовление многоострийного электрода большой площади является не простой технической задачей. Это вытекает из того, что для обеспечения равномерности горения разряда по всей площади разносность высот между остриями (проволоками) должна быть в несколько раз меньше межэлектродного расстояния.

Несимметричность формы электродов приводит к несимметричности горения разряда при знакопеременном напряжении. Так, в описываемом устройстве разряд загорается только в один полупериод питающего напряжения. Это вдвое снижает время горения разряда и, соответственно, время взаимодействия газа с плазмой. Снижение этого времени приводит к снижению концентрации стерилизантов в зоне обработки.

В работе авторы не предпринимали попытки выяснения состава стерилизующих газовых компонент, указывая на неуниверсальность (селективность) датчиков и их высокую стоимость.

Основное внимание в работе уделялось широтно-импульсному способу регулирования мощности в разрядном промежутке как основному параметру эффективности процесса стерилизации. Результат является ожидаемым – при увеличении числа разрядов (увеличении мощности) время уменьшения числа микроорганизмов (в 10 раз) также уменьшается. К сожалению, в работе, несмотря на ее название, стерилизации объекта не достигнуто, а налицо лишь процесс его обеззараживания – уменьшения числа микроорганизмов.

Недостатком непрерывного режима работы является невозможность существенного повышения уровня мощности даже на короткий период. Это может быть необходимо для проведения каких-либо специфических плазмохимических реакций, формирования недоступных соединений, возникающих только при высокой пиковой мощности. Повышение мощности в разряде в установке непрерывного действия даже на короткое время до величин единиц-десятков и более киловатт потребует применения совершенно других подходов к схемам и конструкции устройства и системам их охлаждения.

Также недостатком непрерывного режима является наличие повышенных потерь на переключение коммутаторов в преобразователе источника питания, которым необходимо осуществлять переключения на основной гармонике питающего разряд напряжения.

Сущность изобретения

Задачей изобретения является создание устройства, предназначенного для эффективного обеззараживания и/или стерилизации поверхности, в том числе и живой ткани, а также для лечебных целей – NO-терапии потоком активированного воздуха, содержащего такие газы как NO_2, NO и О₃ с высокой концентрацией и обладающее при этом лечебным воздействием (NO – терапия). При этом обеспечивается возможность борьбы с различными бактериями, в том числе с типичными представителями внутрибольничных инфекций, реализация возможности обработки геометрически неоднородных объектов, в том числе и протяженных полостей, обеспечение зоны обработки, значительно превышающей по площади выходную апертуру плазменного реактора вследствие растекания активированного воздуха по поверхности обрабатываемого объекта, обеспечение длительного срока службы устройства, так как оно выполнено на твердотельных элементах и не имеет частей с заведомо заложенным расходом либо износом (таких как искровые разрядники, приборы с накаливаемым катодом и т.д.).

Технический результат: устройство позволяет получить поток активированного воздуха с высокой концентрацией активных состояний и соединений азота и кислорода, обладающего бактерицидным действием с температурой, не оказывающей негативных воздействий на обрабатываемые объекты, в том числе и живую ткань, без применения систем дополнительного охлаждения.

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, получившее название «плазменный активатор воздуха».

Заявляется газовый генератор непрямого (косвенного) действия, предназначенный для обеззараживания и/или стерилизации поверхности, а также для лечебных целей – NO-терапии, включающий источник электрического питания, плазменный реактор с двухэлектродной газоразрядной системой на основе барьерного разряда. В отличие от прототипа используется импульсный высокочастотный источник электрического питания, формирующий на выходе напряжение в форме импульсов гармонических колебаний с различной формой огибающей и позволяющий неоднократно инициировать разряд в течение одного импульса; система газового питания, обеспечивающая подачу потока воздуха через плазменный реактор; плазменный реактор с выходной апертурой для исходящего наружу потока активированного воздуха с двухэлектродной планарной и/или коаксиальной газоразрядной системой на основе барьерного разряда с разрядным промежутком протяженностью от 0,5 до 2 мм.

В газоразрядной системе устройства могут использоваться как неоднородные (перфорированные) поверхности электродов разрядной системы, так и геометрически однородные (плоские либо цилиндрические).

Плазменный реактор может быть снабжен системой подачи воздуха для активации как встроенной, так и с применением отдельного нагнетательного устройства.

Плазменный реактор может иметь дополнительное устройство (завихритель) в системе подачи воздуха для активации, позволяющее удлинить путь прохождения воздуха через область разряда, для повышения эффективности его активации.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства, где:

1 – источник питания и схема управления генератора импульсов гармонических колебаний, 2 – коммутатор, 3 – антипараллельный диод, 4 – первичный емкостной накопитель, 5 – трансформатор, 6 – дополнительная индуктивность, 7 – нагрузка в виде газоразрядного промежутка, 8 – датчик тока в цепи нагрузки.

На Фиг. 2 показана блок-схема плазменного активатора воздуха, где: 9 - генератор импульсов, формирующий на выходе напряжение в форме импульсов гармонических колебаний с различной формой огибающей; 10 - система газового питания, обеспечивающая подачу потока воздуха через плазменный реактор. 11 - плазменный реактор с газоразрядной системой на основе барьерного разряда (двухэлектродная система, один из электродов которой покрыт диэлектриком), в которой под действием приложенного от генератора импульсов 9 напряжения в плазмообразующем газе (воздухе) генерируется низкотемпературная плазма; 12 - объект обработки, который обдувается потоком активированного воздуха, прошедшего через зону газового разряда и вышедшего через выходную апертуру плазменного реактора.

На Фиг. 3 представлены кривые выходных напряжения и тока Uвых и Iвых.

На Фиг. 4 представлен график распределения концентрации озона O₃ в потоке в зависимости от расстояния от торца плазменного реактора;

На Фиг.5 представлен график распределения концентрации монооксида азота NO в потоке в зависимости от расстояния от торца плазменного реактора;

На Фиг.6 представлена концентрация монооксида азота NO в потоке активированного воздуха, в зависимости от мощности импульса в первичном контуре преобразователя;

На Фиг.7 представлено распределение концентрации двуокиси азота NO₂ в потоке активированного воздуха, в зависимости от расстояния от торца плазменного реактора, снятые при ~1/5 от максимальной мощности.

На Фиг. 8 представлена концентрация двуокиси азота NO₂ в потоке активированного воздуха, в зависимости от частоты следования импульсов (мощности).

Устройство включает генератор импульсов 9, обеспечивающий питание плазменного реактора 11 импульсами гармонических колебаний и состоящий из источника питания и схемы управления 1, четвертьмостового преобразователя, включающего в себя первичный емкостной накопитель 4, составляющий с первичной обмоткой трансформатора 5 колебательный контур, в котором возникают затухающие колебания после включения полупроводникового коммутатора 2, а также антипараллельного диода 3, и вторичной цепи, состоящей из вторичной обмотки трансформатора, нагруженной на газоразрядный промежуток, причем в эту цепь может быть включена дополнительная индуктивность 6 (Фиг.1);

систему газового питания 10, обеспечивающий необходимую величину потока воздуха через плазменный реактор 11 и состоящую из устройства, с необходимой для решения поставленных задач производительностью и рабочим давлением на выходе, оснащенную при необходимости как входными, так и выходными фильтрами, а также приборами измерения величины потока плазмообразующего газа;

плазменный реактор 11 с выходной апертурой для исходящего наружу потока активированного воздуха, с двухэлектродной планарной или коаксиальной газоразрядной системой на основе барьерного разряда, при этом промежуток между электродами разделен диэлектриком, в которой под действием приложенного от генератора импульсов 9 напряжения в плазмообразующем газе (воздухе) генерируется низкотемпературная плазма;

объект обработки 12, который обдувается потоком активированного воздуха, провзаимодействовавшего с низкотемпературной плазмой газового разряда в плазменном реакторе 11 (Фиг. 2).

Для электрического питания газоразрядной системы используются импульсы гармонических колебаний различной формы огибающей, различной длительности и частоты, при этом частоты самих колебаний лежат в пределах от десятков до сотен килогерц. Импульсы гармонических колебаний позволяют неоднократно инициировать разряд в промежутке во время импульса (до 7 раз и более), что ведет к повышению эффективной частоты следования импульсов, увеличению времени взаимодействия потока активируемого воздуха с плазмой, что способствует получению высокой концентрации активных составляющих в потоке на выходе устройства, что в свою очередь приводит к повышению эффективности его действия. Работа в импульсном режиме позволяет использовать частотно-импульсное регулирование средней мощности в широких пределах (от 0 до 100%) без изменения параметров газового разряда. Обработка объектов осуществляется потоком активированного в газовом разряде воздухом, косвенным, непрямым способом без непосредственного контакта низкотемпературной плазмы с объектом обработки, при этом сам объект не является элементом электрической цепи. Для работы устройства требуется обычный воздух, при этом работа ведется при обычных параметрах давления, влажности и состава этого воздуха. Температура потока активированного воздуха не превышает 50°С в зоне обработки, что в свою очередь не требует применения дополнительных охлаждающих устройств для этого потока и позволяет обрабатывать без негативных последствий температурно-чувствительные объекты, в том числе и живую ткань. На его основе возможно создание стерилизаторов, не требующих для работы применения различных химических соединений, таких как окись этилена и пероксид водорода, так как работа осуществляется с использованием окружающего воздуха в качестве рабочего газа.

Достигнут киловаттный пиковый уровень выходной мощности при средней мощности в единицы - десятки ватт, что позволило получить соотношение концентраций стерилизантов О₃:NO:NO₂ приблизительно как 2:1:2, которое может отличаться при изменении внешних условий и параметров разряда. Устройство дало возможность получить в потоке активированного воздуха высокое содержание моноокиси NO и двуокиси азота NO₂, достигающих концентраций 650 мг/м³ (530 ppm) и более 1500 мг/м³ (>800 ppm), соответственно, при потоке воздуха 5 л/мин и потребляемой мощности от источника питания не более 100 Вт, что открывает возможность построения эффективных стерилизаторов для различных применений с использованием устройства предложенного принципа действия. Содержание монооксида азота NO в концентрации до 650 мг/м³ (530 ppm), и более (при повышении мощности импульса), делает возможным его применение для целей NO-терапии. Устройство способно обрабатывать потоком активированного воздуха геометрически неоднородные объекты, полости и внутренние поверхности протяженных объектов, а также поверхности большой площади, многократно превышающей площадь выходной апертуры плазменного реактора (не менее 13 раз). Устройство позволяет эффективно бороться с бактериями - типичными представителями внутрибольничных инфекций, при малом времени воздействия на объект обработки (от одной минуты). Устройство не имеет ограничения по минимальной и максимальной средней мощности, при этом импульсная мощность в первичном накопителе достигает десятков киловатт и ограничена мегаваттными уровнями мощностей. Значительный диапазон мощности обеспечивает широкий возможный модельный ряд устройств на основе этого принципа. Устройство обладает высоким ресурсом, обеспечиваемым отсутствием в составе устройства частей с заложенным расходом, либо износом.

Осуществление изобретения

Для решения поставленной задачи предлагается устройство, представляющее собой плазменный активатор воздуха. Понятие «активированный плазмой воздух» (the plasma-activated air (PAA) приводится в ранее упомянутой статье [Chelsea M. Edelblute at al. Plasma-activated air mediates plasmid DNA delivery in vivo]. В работе используется система косвенного действия на основе барьерного разряда, плазмообразующим газом в которой является обычный воздух. Исходя из ряда схожих технических решений, нами было взято данное определение. Таким образом, устройство для производства активированного воздуха получило название «плазменный активатор воздуха».

Основным отличием устройства является способ его электрического питания. Для работы прибора используется импульсное напряжение, но не в виде моноимпульсов, а в виде импульсов гармонических колебаний. Импульс представляет собой несколько периодов колебаний с различной формой огибающей. Данная форма питающего напряжения является промежуточной между импульсным и непрерывным режимом. С одной стороны, она имеет ограниченную, неизменную длительность, что характерно для импульсного напряжения. Обладая высокой мощностью, как и в случае моноимпульсных систем, данная форма питающего напряжения позволяет неоднократно инициировать разряд в промежутке за один импульс. Это приводит к повышению эффективной частоты работы устройства, которая будет равна произведению частоты следования импульсов на количество актов инициирования разряда за один импульс. Время горения разряда в этом случае существенно выше, чем в моноимпульсных системах, что приводит к увеличению времени взаимодействия плазмы газового разряда и газа в разрядном промежутке.

В случае работы с малой скважностью (высокой частоты следования импульсов), параметры системы приближают ее к системам непрерывного действия. Но при этом сохраняются все достоинства от использования импульсного режима работы, как то: высокая пиковая мощность, малые потери на переключение, простота регулировки выходной мощности.

Импульсы гармонических колебаний формируются с помощью генератора, схема которого приведена на Фиг. 1. Схема формирования импульсов представляет собой четвертьмостовой преобразователь с использование полупроводникового коммутатора 2 в первичном контуре и емкостным первичным накопителем 4. Преобразователь нагружен на первичную обмотку трансформатора 5, обеспечивающего согласование импеданса преобразователя с нагрузкой в виде газоразрядного промежутка 7. Первичная обмотка трансформатора вместе с емкостным накопителем 4 образует колебательный контур, в котором возникают затухающие гармонические колебания после включении коммутатора 2. Для протекания обратной полуволны тока параллельно коммутатору 2 установлен диод 3, включенный встречно (антипараллельный диод). При использовании прибора с частичным управлением в качестве коммутатора (тиристора) 2, устройство будет формировать импульсы затухающих колебаний вплоть до их полного прекращения. При использовании прибора с полным управлением (MOSFET или IGBT- транзистора) возможен режим формирования колебаний ограниченной длительности. В этом режиме возможно отключение коммутатора 2 в определенный момент времени. При формировании импульса ограниченной длительности, энергия, непотребленная нагрузкой в виде газоразрядного промежутка 7, частично рекуперируется (возвращается) через антипараллельный диод 3 обратно в первичный емкостной накопитель 4. На эту величину снижается потребление энергии из источника питания генератора импульсов гармонических колебаний 1 и в результате этого повышается эффективность работы устройства. Дополнительным достоинством использования режима формировании импульсов ограниченной длительности является возможность повышения частоты следования импульсов в результате сокращения их длительности. Достоинством данного схемного решения являются низкие потери на переключения, поскольку коммутатор 2 находится в открытом состоянии в течение всего импульса и отключается в нуле протекающего через него тока.

Нагрузка 7 в виде газоразрядного промежутка плазменного реактора на основе барьерного газового разряда подключена к вторичной обмотке трансформатора. Для повышения эффективности работы устройства возможна установка дополнительной индуктивности 6. Кроме повышения эффективности работы устройства, данная индуктивность 6 обеспечивает формирование требуемой формы огибающей импульса выходного напряжения. Формирование требуемой формы огибающей импульса используется для предотвращения быстрого затухания колебаний и реализации максимального числа актов горения разряда за один импульс. Так, на Фиг. 3 показаны кривые напряжения и тока разряда. Из кривых следует, что разряд зажигается в промежутке не менее 7 раз за импульс. Это увеличивает время взаимодействия потока воздуха с плазмой газового разряда, что способствует повышению концентрации в нем активных состояний и соединений азота и кислорода. Количество актов инициирования разряда задается при настройке конкретного устройства с цель максимальной передачи энергии первичного емкостного накопителя в газовый разряд.

Для газового питания плазменного реактора 11 использовались безмаслянные компрессоры различного типа, укомплектованные водооотделителем и фильтром для твердых частиц. Работа происходила без каких-либо влагопоглотителей и использовался воздух естественной влажности рабочего помещения. Для индикации наличия потока плазмообразующего воздуха и его измерения устанавливался ротаметр. Поток устанавливался таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить на выходе устройства необходимую степень активации воздуха, а с другой – не допустить перегрева выходящего потока выше температуры 50 С⁰. Снижение величины потока приводило к увеличению концентрации активных составляющих, но также к увеличению температуры потока. Газ подавался с одного из концов плазменного реактора, проходил по всей длине через зону горения разряда, и выходил наружу с его противоположного конца. Для повышения сечения взаимодействия газа с плазмой при коаксиальной конфигурации электродов, газ вводился в область разряда через тангенциально расположенные каналы, представляющие собой завихритель потока. При этом газ приобретал тангенциальную составляющую направления движения, что удлиняло его путь прохождения через область разряда. Недостатком подобного решения является повышение необходимого рабочего давления подающего воздух компрессора, для преодоления сопротивления потоку узкими воздушными каналами завихрителя при том же самом значении потока. Это потребует применения более мощного компрессора, что снизит энергетическую эффективность устройства и повысит его массогабаритные показатели. Возможно применение воздушного нагнетателя, как с завихрением потока, так и без него, интегрированного в плазменный реактор без применения внешнего отдельного компрессора.

Газоразрядная система на основе барьерного разряда является двухэлектродной, в газоразрядный промежуток которой вводится диэлектрик, разделяющий электроды. Эксперименты по зажиганию разряда проводились как в коаксиальной, так и в планарной конфигурации электродов. Поскольку планарная система менее технологична и допускает возникновение краевых эффектов, все публикуемые в работе результаты были получены с использованием коаксиальной системы. Перфорация электродов не продемонстрировала существенных улучшений в работе устройства, поэтому электроды имеют геометрически однородную (плоскую либо цилиндрическую) поверхность. Такая форма поверхности электродов позволяет инициировать разряд на обеих полуволнах питающего напряжения в отличие от прототипа, что повышает время взаимодействия активируемого газа с разрядом. Это также снижает трудности, связанные с изготовлением сложных форм поверхностей электродов разрядной системы и позволяет более точно выдерживать зазор между ними. Равновеликий зазор по всему разрядному промежутку обеспечивает высокую степень однородности разряда по всей площади электродов. В качестве диэлектрика использовались стекла различных марок и их толщины лежали в диапазоне от 0,6 до 1,2 мм. Толщина диэлектрика и сорт стекла в экспериментах принципиально не определяли параметры устройства, влияя в основном на величину рабочего напряжения. Диэлектрик плотно примыкал к одному из электродов. При этом зазор между поверхностью диэлектрика и другим электродом имел протяженность от 0,5 до 2 мм. Было выяснено, что при уменьшении зазора при остальных неизменных параметрах, концентрация контролируемых на выходе газов возрастает. Вероятно, это связано с увеличением плотности вкладываемой в разряд мощности ввиду уменьшения объема разрядного промежутка и увеличением сечения взаимодействия газа с плазмой. Но, поскольку при уменьшении зазора возрастают технологические проблемы при поддержании равного межэлектродного расстояния по всей площади электродов, в качестве рабочего был выбран промежуток протяженностью 1 мм.

Система регистрации параметров потока активированного воздуха включала в себя измерители концентрации основных активных соединений азота и кислорода, таких как NO, NO₂, O₃, а также температурный датчик для измерения температуры потока.

В экспериментах по определению состава газа на выходе устройства использовалась коаксиальная разрядная система протяженностью 70 мм и диаметром внутреннего электрода 8 мм при зазоре 1 мм. При этом частота следования самих импульсов изменялась в диапазоне от 1 до 5 кГц, а частота заполняющих их высокочастотных колебаний составляла величину порядка 160 кГц.

Измеренное соотношение концентраций газов монооксида азота NO и озона O₃ в данном конкретном случае соответствовало 1:2. Данные значения получены на расстоянии 25 мм от торца плазменного реактора при частоте работы 5 кГц. Такое соотношение по данным ранее процитированной работы (Самойлович и др.) является нетипичным для барьерного разряда и имеет высокое содержание NO по отношению к озону O₃. В данной работе указывается, что соотношение концентраций окиси азота NO к озону всегда O₃ составляло в подобных разрядных системах 1:10 и менее. С другой стороны, в ряде ранее упомянутых работ (M. Janda и. др; RU 2553290) указывается, что в дуговом (искровом) разряде наблюдаются только соединения азота, а озон практически отсутствует. Таким образом, по составу производимых газов предлагаемое устройство занимает промежуточное положение между этими двумя типами разрядов. Возможно, это связано с повышенной плотностью мощности, достижимой только при работе в импульсном режиме и спецификой формы питающего разряд напряжения.

При импульсном режиме отпадает необходимость в «закалке», которая необходима для предотвращения разложения соединения NO при высоких температурах. В паузах межу импульсами происходит естественное быстрое охлаждение газовой смеси, что препятствует разложению данного соединения. Графики распределения концентрации газов в потоке в зависимости от расстояния от торца плазменного реактора для O₃ и NO снятые при равных условиях приведены на Фиг. 4-5. Ось разрядной системы параллельна оси у, а ее положение на оси х соответствует нулевому значению.

При потреблении от источника питания генератора импульсов гармонических колебаний максимальной мощности равной 88 Вт и предполагаемом КПД преобразования этой энергии на уровне 50%, устройство способно производить более чем достаточное для медицинских целей количество монооксида азота NO, достигавшее 650 мг/м³ (530 ppm). Вывод о достаточности концентрации этого газа для данных целей можно сделать, основываясь на данных из приведенных выше работ. Концентрация NO может быть увеличена с повышением мощности импульса. Ввиду сложности измерения мощности непосредственно в разряде, выяснялась зависимость концентрации NO в зависимости от пиковой мощности первого полупериода колебаний в первичном контуре. Из графика (Фиг.6) следует, что концентрация NO даже в этом относительно маломощном устройстве может быть в дальнейшем повышена при увеличении импульсной мощности.

Принцип построения подобных устройств не ограничивает допустимую пиковую мощность в импульсе вплоть до единиц мегаватт. Таким образом, открывается возможность построения мощных устройств с киловаттным уровнем средней выходной мощности для получения монооксида азота в высокой концентрации и в больших количествах. В случае необходимости получения монооксида азота NO без примеси сопутствующих газов для терапевтических целей могут быть использованы различные поглотители. В частности, для удаления двуокиси азота NO₂ может быть использована натронная известь, как это описано в ранее упомянутом патенте [RU 2553290].

Измеренная концентрация стерилизующего газа NO₂ не может быть сравнена напрямую с результатами предыдущего эксперимента. Ввиду высокой чувствительности примененного для измерения этого газа датчика, график распределения концентрации двуокиси азота NO₂ на Фиг. 7 был получен при минимальной для устройства мощности (~1/5 от мощности в предыдущем эксперименте). Учитывая практически линейный рост концентрации газа NO₂ от частоты следования импульсов (Фиг. 8), которая прямо пропорциональна мощности в разряде, можно сделать вывод, что ожидаемая концентрация двуокиси азота NO₂ при максимальной мощности на расстоянии 25 мм от торца реактора составит величину порядка 1500 мг/м³ (~800 ppm). Но эти данные являются оценочными ввиду превышения максимального порога при измерениях, установленного изготовителем для этого датчика (указан пунктирной линией на графике). Несмотря на оценочные измерения можно на основе этих данных сделать вывод о возможности построения на базе предложенного устройства эффективных установок обеззараживания (стерилизации) с помощью двуокиси азота NO₂. Это позволит создавать стерилизаторы без применения таких газов, как окись этилена и пероксид водорода. Дополнительное наличие озона O₃ в концентрации до 1200 мг/м³ (630 ppm) и монооксида азота NO в потоке активированного воздуха приведет только к повышению эффективности процесса обеззараживания (стерилизации).

При проверке бактерицидного действия устройства осуществлялось воздействие активированного плазмой воздушного потока на биологическое отделяемое (экссудат), взятый с ран инфицированных пациентов. Для этого из отделяемого получали чистую культуру и засевали их на питательные среды в чашках Петри. Микрофлора, на которую проводилось воздействие, находится в ряду типичных представителей внутрибольничных инфекций – Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli, Enterococcus faecalis. Результаты оценивались через сутки после инкубации в термостате. Так, при обработке бактерий Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa с низкой концентрацией на поверхности агара из раствора, одной минуты обработки было достаточно для гибели всех бактерий. При нанесении большого по толщине слоя бактерий с помощью петли, 5 минут обработки существенно уменьшали популяцию этих бактерий, но для полного их уничтожения требовались несколько сеансов обработки.

В эксперименте по обеззараживанию использовался прибор с диаметром внутреннего электрода плазменного реактора равным 12 мм при длине около 120 мм. Мощность, потребляемая от источника питания в эксперименте не превышала 150 Вт, при потоке воздуха не более 10 л/мин. Частота повторения импульсов достигала единиц килогерц при частоте гармонических колебаний около 100 кГц. Режимы обработки подбирались таким способом, чтобы температура исходящего из реактора активированного воздуха не превышала в зоне обработки 50 ⁰С.

Достоинством разрядной системы с косвенным воздействием, в отличие от систем с прямым воздействием плазмы на обрабатываемый объект, является большая зона обработки, значительно превышающая по площади выходное отверстие плазменного реактора. Так, плазменный реактор, закрепленный на штативе, с максимальным диаметром выходной апертуры равным 14 мм позволял равномерно обрабатывать поверхность петрифильма (PetriFilm^TM) диаметром 50 мм, с нанесенными на него бактериями Escherichia coli. Таким образом, обрабатываемая площадь в этом случае превышала не менее чем в 13 раз площадь выходной апертуры плазменного реактора. Это явление можно объяснить растеканием потока выходящего газа вдоль обрабатываемой поверхности. Это открывает возможность обрабатывать геометрически неровные поверхности и полости, куда может проникать активированный воздух в силу его свободного растекания, либо подаваемый туда принудительно.

Кривые токов и напряжений в работе получены с помощью осциллографа HP54542A, в качестве датчиков тока использовались трансформаторы тока Stangenes 0.5-0.1, выходное напряжение измерялось высоковольтным щупом Tektronix P6015. Концентрация озона измерялась с помощью прибора «Медозон-245», концентрация соединений NO и NO₂ определялась с помощью датчиков фирмы “Figaro” FECS41-250 и FECS42-20 соответственно. Температура исходящего потока активированного воздуха измерялась термопарой прибора MY-62. Измерение величины потока воздуха на входе в плазменный реактор осуществлялось ротаметром LZM фирмы ZYIA. Влажность воздуха в ходе экспериментов определялась с помощью датчика 808H5V6 и имела величину в диапазоне от 30 до 60 %.

Таким образом, данной работой продемонстрировано:

• осуществимость создания эффективного устройства для плазменной медицины, биологии и санитарии с высокими обеззараживающими и лечебными свойствами;

• возможность борьбы с различными бактериями, в том числе с типичными представителями внутрибольничных инфекций

• получение с высокой энергетической эффективностью в потоке активированного воздуха таких газов как NO₂, NO и О₃ с высокой концентрацией;

• обеспечение высокой эффективности косвенного метода без прямого, непосредственного контакта объекта обработки с плазмой газового разряда;

• исключение протекания тока через объект обработки, что дает возможность создавать не ограниченные по мощности разрядные системы, не вызывающие негативных ощущений у пациентов при обработке живой ткани;

• получение на выходе устройства потока активированного воздуха с температурой, не оказывающей негативных воздействий на обрабатываемые объекты, в том числе и живую ткань, без систем дополнительного охлаждения потока активированного воздуха;

• реализация возможности обработки геометрически неоднородных объектов, в том числе и протяженных полостей;

• обеспечение зоны обработки, значительно превышающей по площади выходную апертуру плазменного реактора, вследствие растекания активированного воздуха по поверхности обрабатываемого объекта;

• обеспечение длительного срока службы устройства, так как оно выполнено на твердотельных элементах и не имеет частей с заведомо заложенным расходом либо износом (таких как искровые разрядники, приборы с накаливаемым катодом и т.д. );

• получение широкого диапазона регулировки средней выходной мощности при использовании частотно-импульсного режима;

• повышение времени взаимодействия потока активируемого воздуха с плазмой газового разряда вследствие использования для питания разряда импульсов гармонических колебаний с многократным зажиганием разряда в течение одного импульса, что способствует высокой концентрации в нем активных составляющих;

• обеспечение недостижимого при работе в непрерывном режиме уровня пиковой мощности в разряде при существенно меньшей средней мощности, что позволяет отказаться от дополнительных систем охлаждения устройства;

• снижение массогабаритных характеристик источника питания разряда ввиду преобразования энергии на повышенной частоте;

• возможность построения установок обеззараживания (стерилизатров) с использованием обычного воздуха, без применения дополнительных газов, таких как окись этилена и пероксид водорода;

• возможность получения стерилизантов из обычного воздуха при обычной влажности и окружающем давлении, что позволяет отказаться от емкостей (баллонов) со стерилизантами, что в свою очередь повышает мобильность устройства и безопасность его эксплуатации наряду с возможностью повсеместного его использования.

1. Газовый генератор, включающий источник электрического питания, плазменный реактор с двухэлектродной газоразрядной системой на основе барьерного разряда, отличающийся тем, что используется импульсный высокочастотный источник электрического питания, формирующий на выходе напряжение в форме импульсов гармонических колебаний с различной формой огибающей и позволяющий неоднократно инициировать разряд в течение одного импульса; система газового питания, обеспечивающая подачу потока воздуха через плазменный реактор; плазменный реактор с выходной апертурой для исходящего наружу потока активированного воздуха с двухэлектродной планарной и/или коаксиальной газоразрядной системой на основе барьерного разряда с разрядным промежутком протяженностью от 0,5 до 2 мм.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плазменный реактор снабжен встроенной системой подачи воздуха для активации.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плазменный реактор снабжен отдельным нагнетательным устройством.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плазменный реактор имеет дополнительное устройство – завихритель - в системе подачи воздуха для активации, позволяющее удлинить путь прохождения воздуха через область разряда.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в газоразрядной системе устройства используются неоднородные перфорированные поверхности электродов разрядной системы.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в газоразрядной системе устройства используются геометрически однородные плоские либо цилиндрические поверхности электродов разрядной системы.