Установка для магнитно-импульсной обработки медико-биологических объектов

Полезная модель относится к области магнитно-импульсной обработки в целях медицины и биологии и может быть использована в экспериментальных исследованиях для изучения влияния импульсного электромагнитного поля (ИМП) на клеточные культуры и молекулы лекарственных препаратов при различных параметрах: напряженность магнитного поля, частота разрядного тока и скважность разрядов.
3
Известен способ управления биохимическими реакциями (патент РФ 2525439, МПК G01N 33/483, B82Y 5/00, 10.08.2014). На магнитную наносуспензию воздействуют низкочастотным переменным магнитным полем низкой интенсивности в диапазоне 5…500⋅10 А/м и частоте 20-5000 Гц, при котором происходит деформация и/или изменение конформации участвующих в реакции биоактивных макромолекул.
Известен препарат для активизации жизнедеятельности биологического объекта (патент РФ N 2283090, МПК A61K 9/14, А61Н 39/00, A61K 9/08, 10.09.2006), в котором носитель активирован электромагнитным полем при частоте 0,01 Гц - 9,0 кГц в течение 60-70 с. Препарат, обработанный магнитным полем дал выход глутаминовой кислоты на 17-25% выше, чем в образцах без воздействия магнитным полем.
Недостатком указанных выше способов является слабая активизация обработки препаратов, длительное воздействие на объект и узкая область воздействия магнитным полем.
3
7
-4
-3
Известные устройства для генерации мощных импульсов магнитного поля содержат емкостный накопитель энергии и индуктор, котором размещается обрабатываемый объект. Такие устройства позволяют регулировать ИМП в широком диапазоне напряженностей 10…10 А/м. Традиционно воздействие на объект осуществляется однократными знакопеременными импульсами длительностью 10…10 сек.
Известна установка, выполненная по традиционной схеме (Белый И.В., Фертик С.М., Хименко И.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке материалов. - Харьков: «Виша Школа», 1977. 168 с.). Установка содержит: зарядное устройство, подключенный к нему емкостный накопитель энергии, разрядник и нагрузку в виде индуктора. При разряде накопителя энергии такой установки в индукторе формируется синусоидальное затухающее ИМП с числом полупериодов до 10. Полезная работа при обработке материалов, как правило, в большинстве случаев, происходит в течение первого полупериода.
Недостатки таких установок: сокращение ресурса конденсаторов накопителя и разрядника, приводящий к избыточному нагреву индуктора и, как следствие, нежелательному нагреву обрабатываемого материала. Кроме того, знакопеременное ИМП в некоторых случаях является вредным фактором, который может привести к деполяризации частиц, размагничиванию структуры и разрушению кристаллических или молекулярных связей обрабатываемого материала.
Для повышения эффективности воздействия в ряде случаев требуется однополярный моноимпульс без реверса полярности, при котором после прохождения импульса первого полупериода все остальные импульсы отсекаются.
Известна также установка (патент РФ 2205717 С1, МПК B21D 26/14, опубл. 10.06.2003), содержащая зарядное устройство, блок емкостных накопителей энергии, коммутатор тока (разрядник), индуктор и отсекающий диод, включенный между коммутатором тока и индуктором. Отсекающий диод блокирует полупериод тока обратной полярности в индукторе при разряде.
Недостатки этой установки: использование отсекающего диода в основной цепи разряда ограничивает рабочий диапазон напряжения накопителя энергии на уровне 3…5 кВ и максимальную амплитуду разрядного тока до 20…30 кА (по предельным параметрам современных мощных диодов). Кроме того, мощные высоковольтные диоды имеют ограничение по скорости нарастания тока в импульсном режиме на уровне 400…500 А/мксек. Это создает риски повреждения диода при аварийном коротком замыкании в нагрузке, особенно характерно при формировании ИМП длительностью более 100…200 мксек., что существенно ограничивает область применения установки.
Наиболее близким аналогом является установка для магнитно-импульсной обработки (А.С. СССР 605661, МПК B21D 26/14, опубл. 05.05.1978), содержащая: зарядный блок, подключенный к батарее конденсаторов; токовыводы, к которым подключается индуктор; основной управляемый разрядник, подключенный между батареей конденсаторов и индуктором; второй мало индуктивный шунтирующий разрядник; блоки формирования инициирующих импульсов запуска разрядников; резистивный делитель напряжения и интегрирующая RC-цепочка, подключенные к батарее конденсаторов.
Недостатком установки является то, что включение шунтирующего разрядника синхронизируется сигналами от резистивной и интегрирующей цепочек, которые подключены к токовыводу основного разрядного контура между накопителем и индуктором. На токовыводе накопителя могут появляться интенсивные электрические помехи от коммутационной аппаратуры в моменты включения зарядного блока и в процессе заряда накопителя, что может привести к ложным включениям шунтирующего разрядника и, как следствие, искажению формы воздействующего ИМП в индукторе и нестабильной работе установки в целом. Кроме того, интегрирующая RC-цепочка имеет узкий диапазон длительности преобразуемых импульсов, что ограничивает эффективную работу при формировании униполярных импульсов в индукторах с различными параметрами. При разряде конденсаторов на токовыводе разрядного контура появляется скачок высоковольтного потенциала, пропорциональный величине разрядного тока и собственной индуктивности токовывода, который по резистивной и интегрирующей цепи может привести к отказу схемы управления.
Задачей технического решения является обработка медико-биологических объектов импульсным электромагнитным полем знакопеременными и/или униполярными импульсами магнитного поля с широким диапазоном регулирования интенсивности поля.
Техническим результатом полезной модели является повышение стабильности работы и ресурса компонентов установки, расширяя при этом функциональные возможности установки при формировании импульсного электромагнитного поля различной формы.
Технический результат достигается тем, что в установке для магнитно-импульсной обработки, содержащей зарядное устройство, подключенное к батарее конденсаторов, токовыводы, к которым подключен индуктор, основной управляемый разрядник, установленный между высоковольтным выводом батареи конденсаторов и индуктором, второй шунтирующий разрядник и блоки запуска разрядников, вывод индуктора соединен с заземляемым токовыводом батареи конденсаторов, а второй шунтирующий разрядник подключен параллельно батарее конденсаторов, при этом на заземленном токовыводе дополнительно расположен бесконтактный датчик импульсного тока, гальванически развязанный от основной цепи разряда и соединенный с усилителем, причем выход усилителя подключен к одновибратору, при этом выход одновибратора связан с одним из входов блока совпадения, а второй вход блока совпадения соединен с выходом таймера, вход которого подключен к входу блока запуска основного разрядника, а выход блока совпадения соединен с блоком запуска второго шунтирующего разрядника через контакты переключателя режимов разряда.
Синхронизация включения шунтирующего разрядника происходит в момент изменения полярности разрядного тока в индукторе от сигнала бесконтактного датчика импульсного тока, гальванически развязанного от основной цепи разряда.
Работа устройства характеризуется следующими чертежами:
- на фиг. 1 изображена схема предлагаемой установки;
- на фиг. 2 показаны графики импульсного магнитного поля при работе устройства.
Установка содержит зарядное устройство 1, подключенное к батарее конденсаторов 2, основной управляемый разрядник 3, включенный между высоковольтным выводом батареи конденсаторов 2 и индуктором 4. Другой вывод индуктора 4 соединяется токовыводом 5 с заземляемым выводом батареи конденсаторов 2. Второй шунтирующий разрядник 6 подключен к токовыводам 5 и 7, параллельно батарее конденсаторов. Блоки запуска разрядников 8, 9 подключены соответственно к основному и шунтирующему разрядникам 3 и 6. На токовыводе 5 расположен бесконтактный датчик импульсного тока 10. Выход датчика тока подключен к усилителю 11, который формирует прямоугольный сигнал на время длительности полупериода разрядного тока. Выход усилителя 11 подключен к одновибратору 12, который выдает на один из входов блока совпадения 14 кратковременный импульс по спаду сигнала усилителя 11 в момент перехода разрядного тока через нулевое значение. Таймер задержки 13 формирует блокирующий сигнал длительностью не менее четверти полупериода разрядного тока на время действия коммутационных помех при пуске установки. Вход таймера 13 соединен с входом блока запуска 9, а выход с блоком совпадения 14. Выход блока совпадения 14 соединен с переключателем режимов разряда 15 в положении «II» (режим униполярного разряда). Во втором положении «I» (режим обычного колебательного разряда) переключатель 15, блокирует прохождение импульса от блока 14. Выход переключателя соединен с входом блока запуска 8 шунтирующего разрядника 6.
Блок совпадения 14 выполняет логическую функцию «И» при одновременном совпадении импульса одновибратора 12 и положительного перепада с выхода таймера 13. На выходе блока совпадения появляется разрешающий импульс, который поступает на блок запуска 8 шунтирующего разрядника 6 через переключатель 15, в моменты перехода разрядного тока через нулевое значение.
В качестве управляемых разрядников могут использоваться мало индуктивные вакуумные или тиратронные разрядники. Бесконтактным датчиком импульсного тока 10 служит пояс Роговского с широким частотным диапазоном преобразования тока, имеющего высоковольтную гальваническую развязку от разрядной цепи установки.
Для повышения эффективности воздействия используют однополярный (униполярный) импульс без обратного воздействия, следовательно, после прохождения импульса первого полупериода все остальные импульсы должны быть отсечены.
Для получения униполярного импульсного электромагнитного поля включается дополнительный разрядник в момент окончания первого полупериода колебаний разрядного тока. Дополнительный разрядник подключен параллельно накопителю энергии по схеме «Кроубар», при этом исключается реверс напряжения на конденсаторах накопителя энергии и отсекаются последующие знакопеременные импульсы в индукторе.
6
6
На медико-биологические объекты воздействуют мощными импульсами в диапазоне напряженности магнитного поля Н=0,1⋅10 ÷ 1⋅10 А/м.
0
1
1
Функционирует предложенная установка следующим образом. Зарядное устройство 1 заряжает батарею конденсаторов 2 до заданного уровня энергии. По команде «Пуск», в момент времени t, блок запуска 9 включает основной разрядник 3. При положении «I» переключателя 15 батарея конденсаторов разряжается на индуктор 4. В разрядной цепи протекает знакопеременный колебательный ток I (фиг. 2А). Одновременно, со сдвигом на четверть периода колебаний тока, изменяется напряжение U на конденсаторах (фиг. 2В).
1
2
2
В положении «II» переключателя 15, выход блока совпадения 14 подключен к входу блока запуска 8. Командой «Пуск» одновременно с началом разрядного тока включается таймер 13 с задержкой выходного импульса на время t (фиг. 2С), при этом усилитель 11 формирует прямоугольный сигнал в течение первого полупериода разрядного тока (фиг. 2D). По спаду сигнала усилителя одновибратор 12 выдает импульс в момент t при переходе тока через нулевое значение (фиг. 2Е). Блок совпадения 14 по цепи переключателя 15 в положении «II» включает блок запуска 8 (фиг. 2F). Разрядник 6 шунтирует батарею конденсаторов 2 по цепи токовывода 7, реверсивное напряжение U на конденсаторах быстро падает по апериодическому режиму разряда, при этом отсекаются последующие колебания напряжения на конденсаторах (фиг. 2G). В этом режиме через индуктор протекает моноимпульс разрядного тока, который формирует униполярное импульсное магнитное поле (фиг. 2Н).
Для исключения колебательного разряда при формировании униполярных импульсов в широком диапазоне длительностей конструкция шунтирующего разрядника 6 должна иметь минимальную собственную индуктивность, а токовыводы разрядника 7 выполняются из материала с более низкой электропроводностью, чем основной токовывод 5, например, из стальной шины.
Предложенная схема установки для обработки медико-биологических объектов расширяет функциональные возможности процесса обработки при воздействии импульсами различной формы, повышается стабильность работы и ресурс оборудования. При обработке униполярными импульсами уменьшается влияние тепловых и электромагнитных знакопеременных поляризационных эффектов воздействия на материал.