ГАЗОРАЗРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
GAS-DISCHARGE DEVICE FOR PROCESSING HEAT-SENSITIVE SURFACES

Газоразрядное устройство для обработки термочувствительных поверхностей относится к плазменной технике и плазмохимии и может быть использовано для плазменной обработки термочувствительных поверхностей, стерилизации, а также для дезинфекции раневых поверхностей и стимулирования процессов их заживления.
Известны газоразрядные устройства высокого давления для получения низкотемпературной плазмы, которые основаны на разных принципах работы. Чаще всего эти устройства воздействуют на обрабатываемую поверхность непосредственно разрядом [1-3] (с пропусканием тока через обрабатываемую поверхность).
Недостатком этих устройств является сильная зависимость эффективности воздействия как от расстояния до поверхности, так и от ее проводимости.
Описанное в [4] устройство воздействует на обрабатываемую поверхность продуктами тлеющего разряда постоянного тока, выдуваемыми из разрядной ячейки (без пропускания тока через обрабатываемую поверхность). Это позволяет не только избежать вредного воздействия высокой температуры, но также исключить влияние проводимости обрабатываемого объекта. Однако эффективность воздействия на поверхность резко снижается с увеличением расстояния, так как выдуваемые продукты разряда быстро распадаются. При непосредственной близости разрядной ячейки к обрабатываемой поверхности существует опасность «перекидывания» разряда на нее. Кроме того, в описанном устройстве применяется тлеющий разряд постоянного тока, который при атмосферном давлении имеет очень высокую плотность тока, что в свою очередь ведет к сильному нагреванию электродов разрядной ячейки и снижает надежность устройства в целом.
Известно устройство для получения холодной плазмы атмосферного давления [5], являющееся наиболее близким по решаемой задаче и принятое в качестве прототипа. Данный прототип воздействует на обрабатываемую поверхность низкотемпературной плазмой барьерного разряда. Общим у известного устройства и заявляемого изобретения является наличие системы напуска газа, источника переменного напряжения и разрядной камеры для зажигания барьерного разряда. К недостаткам известного прототипа можно отнести достаточно сложное исполнение разрядной камеры, которая содержит систему изолированных друг от друга электродов. Такую разрядную камеру нельзя применить для достаточно широкого диапазона частот, что связано с изменением ее импеданса при изменении частоты питающего напряжения. Кроме того, в известном прототипе изменение мощности разряда производится путем изменения величины (амплитуды) напряжения источника. Это приводит к изменению длины выдуваемой струи и впоследствии к неоднородному ее воздействию на обрабатываемую поверхность.
Техническим результатом заявленного изобретения является расширение функциональных возможностей устройства - обеспечение эффективной обработки термочувствительных поверхностей за счет повышения стабильности параметров разряда. Кроме того, техническим результатом заявленного изобретения является существенное упрощение конструкции устройства.
Технический результат заявленного изобретения достигается путем использования модулятора-прерывателя, который модулирует низкочастотными (0.1-10 кГц) прямоугольными импульсами с изменяемой скважностью сигнал источника переменного напряжения частотой 10-1000 кГц. Такая форма питающего разрядную ячейку напряжения позволяет менять в широких приделах ток разряда при неизменной длине выдуваемой плазменной струи.
Кроме того, технический результат достигается тем, что цепь питания содержит резистор обратной связи, который подключен к модулятору. Такая обратная связь при приближении или отдалении обрабатываемой поверхности относительно разрядной ячейки стабилизирует ток разряда и предотвращает контракцию плазменной струи с последующим формированием высокотемпературной дуги при малых расстояниях от разрядной ячейки. Эта функция стабилизации тока разряда может быть необходима при работе с некоторыми газами (аргон и др.).
Кроме того, технический результат достигается тем, что цилиндрическая диэлектрическая втулка, на которой установлен заземленный кольцевой электрод, подвижно соединена с разрядной камерой. Путем перемещения втулки вдоль оси камеры (центрального электрода) можно изменять геометрию разрядной ячейки для настройки параметров выдуваемой плазменной струи. Такая конструкция способствует тому, что основной ток разряда идет через кольцевой электрод (более 90% от общего значения), а не через обрабатываемую поверхность. Это позволяет снизить зависимость параметров плазменной струи как от проводимости обрабатываемой поверхности, так и от расстояния до нее.
Кроме того, технический результат достигается тем, что осевой электрод (3) подвижно установлен внутри изолирующей трубки (4). Перемещением осевой электрода внутри изолирующей трубки (вдоль оси разрядной камеры) можно изменять межэлектродную емкость и настраивать разрядную ячейку для разных частот питающего напряжения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3
На Фиг. 1 представлена схема газоразрядного устройства для обработки термочувствительных поверхностей.
На Фиг. 2 представлена зависимость длины плазменной струи от коэффициента заполнения модулирующего сигнала.
На Фиг. 3 представлена зависимость длины плазменной струи от амплитуды питающего напряжения.
Заявленное изобретение (Фиг. 1) содержит разрядную камеру (1), выполненную из диэлектрического материала, систему подачи и контроля газа (2), осевой электрод (3), который продет через изолирующую трубку (4) и установлен внутри разрядной камеры (1) герметичным держателем (5), заземленный кольцевой электрод (6), закрепленный на цилиндрической диэлектрической втулке (7), которая подвижно вставлена в разрядную камеру (1), источник переменного напряжения (8), подключенный через ограничивающий величину тока резистор (9) и резистор обратной связи (10) к разрядному промежутку между осевым (3) и заземленным кольцевым (6) электродами, соединен с модулятором выходного напряжения (11).
На Фиг. 2 представлены зависимости напряжения на разряде от времени для четырех значений коэффициента заполнения (90, 50, 20 и 10%) модулирующих импульсов, а также изображениям разряда, соответствующим этим четырем случаям. Данная иллюстрация показывает, что длина генерируемой плазменной струи почти не изменяется при уменьшении коэффициента заполнения модулирующих импульсов от 90 до 10% и постоянном значении амплитуды питающего напряжения. Это соответствует оптимальному режиму работы заявляемого устройства, когда изменение вкладываемой в разряд мощности, пропорциональной коэффициенту заполнения модулирующих импульсов, не приводит к изменению структуры плазменной струи.
На Фиг. 3 представлена зависимость длины плазменной струи от амплитуды питающего напряжения (для 2, 1.8 и 1.4 кВ). Данная зависимость показывает, что длина генерируемой плазменной струи уменьшается примерно в три раза при понижении амплитуды выходного напряжения менее чем в 1.5 раза.
Работа заявляемого изобретения осуществляется следующим образом. Сначала необходимо осуществить напуск рабочего газа в разрядную камеру (1) системой подачи и контроля газа (2) от внешнего источника (баллона или централизованной магистрали) и включить источник переменного напряжения (8). В разрядной камере (1) загорится барьерный разряд, а на выходе из нее сформируется плазменная струя, температура которой почти не отличается от температуры окружающего пространства. Настройку динамики струи (например, с целью обеспечения ламинарного характера ее выхода из разрядной камеры (1)) следует производить перемещением цилиндрической диэлектрической втулки (7) с заземленным кольцевым электродом (6) относительно оси разрядной камеры (1), а также перемещением центрального электрода (3) внутри изолирующей трубки (4). Путем изменения коэффициента заполнения модулирующих импульсов модулятора (11) можно отрегулировать среднеквадратичное значение тока разряда (выходную мощность). При необходимости можно установить ограничение величины тока разряда настройкой резистора обратной связи (10).
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: расширение функциональных возможностей устройства - обеспечение эффективной обработки термочувствительных поверхностей за счет повышения стабильности параметров разряда.
Тестовые режимы работы газоразрядного устройства для обработки термочувствительных поверхностей следующие:
В приведенных ниже тестовых режимах работы устройства в качестве рабочего газа использовался гелий. Амплитуда напряжения источника питания варьировалась от 1.4 до 2.5 кВ, а его рабочая частота составляла 100 кГц.
Пример 1
Амплитуда напряжения источника питания (8) не изменяется. Меняется коэффициент заполнения модулирующих импульсов прямоугольной формы, генерируемых модулятором (11). По представленным на Фиг. 2 зависимостям напряжения на разряде от времени для четырех значений коэффициента заполнения (90, 50, 20 и 10%) модулирующих импульсов, а также изображениям разряда, соответствующим этим четырем случаям, видно, что длина плазменной струи практически не изменяется и составляет примерно 30 мм. Лишь при значении коэффициента заполнения 10%, когда вкладываемая в разряд мощность уменьшается почти в десять раз, длина струи уменьшается только на 3 мм (или на 10% от общей ее длины). Этот режим работы заявленного устройства является наиболее оптимальным. В результате экспериментов при данном режиме работы устройства было подтверждено достижение указанного технического результата.
Пример 2
Коэффициент заполнения модулирующих импульсов не изменяется. Амплитуда напряжения источника питания (8) изменяется от 2 до 1.4 кВ. В данном случае (Фиг. 3) можно видеть сокращение длины разрядной струи с 20 до 7 мм. Данный режим работы устройства не является оптимальным, поскольку в этом случае изменение мощности разряда сопровождается изменением длины плазменной струи, что может привести к неоднородному воздействию на обрабатываемую поверхность.
Эффективность работы заявленного устройства по воздействию на термочувствительные поверхности была апробирована на колониях бактерий, выращенных на поверхности агар-агара. Воздействие плазменной струей приводило к гибели бактерий на обрабатываемой поверхности, а также к появлению зон инактивации роста их числа. Последующие исследования электронной микроскопией зон обработки показали нетепловой характер воздействия плазменной струи на бактерии.
Список использованной литературы
1. Спиров В.Г., Иванова И.П. // Устройство для воздействия на биообъект //Патент России RU 2413551, 10.03.2011.//
2. Авраменко С.В. // Устройство для обработки материалов высокочастотным электрическим разрядом // Патент России RU 2191113 С1, 20.10.2002.//
3. Абрамов О.И., Настич Ю.Н., Лащинский А.Г., Хрупкий В.И., Писаренко Л.В.
// устройство для коагуляции и стимуляции заживления раневых дефектов биологических тканей // Патент России RU 2138213, 27.09.1999.//
4. Акишев Ю.С., Грушин М.Е., Трушкин Н.И. // применение неравновесной низкотемпературной плазменной струи для стерилизации термически нестойких материалов // Патент России RU 2398598, 10.09.2010.//
5. Прототип Jan Schaefer, Stefan Horn, Ronny Brandenburg, Ruediger Foest, Manfred Stieber, Klaus-Dieter Weltmann. // Device and method for producing a cold, homogeneous plasma under atmospheric pressure conditions // United States Patent US 20140162338 A1, 12.06.2014. //