ПОРТАТИВНЫЙ ПЛАЗМЕННЫЙ ДЕЗИНФЕКТОР ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ И БЫТОВЫХ УСЛОВИЯХ

Полезная модель относится к плазменной и медицинской технике и может быть использована для дезинфекции раневых поверхностей, а также стимулирования процессов их заживления.
Известны плазменные устройства коагуляции раневых кровоточащих тканей и сосудов, которые основаны на разных принципах работы. Чаще всего в этих устройствах применяется высокотемпературная плазма дугового разряда горящего в струе воздуха или инертного газа [1, 2, 3].
Описанное в [4] устройство для коагуляции и стимуляции заживления раневых дефектов биологических тканей воздействует на обрабатываемую ткань низкотемпературной плазмой импульсно-периодического разряда. Это позволяет избежать вредного воздействия высокой температуры на обрабатываемой объект. Однако сложная конструкция системы подачи рабочего газа в разрядный промежуток затрудняет использовать прибор повсеместно.
Известно устройство для обеззараживания поверхностей посредством холодной плазмы [5], являющееся наиболее близким по решаемой задаче и принятого в качестве прототипа. Данный прототип воздействует на обрабатываемую ткань низкотемпературной плазмой барьерного разряда и состоит из малогабаритного корпуса, в котором размещены источник постоянного напряжения, высоковольтный преобразователь переменного напряжения и покрытый слоем диэлектрика высоковольтный электрод. Общим у известного устройства и заявляемой полезной модели является то, что зажигаемый разряд горит в воздухе и отсутствует система подачи рабочего газа в разрядный промежуток. К недостаткам известного прототипа можно отнести достаточно высокие требования к электрическим и механическим параметрам диэлектрического слоя высоковольтного электрода. При механическом или электрическом повреждении этого слоя разряд немедленно меняет свою структуру. В месте повреждения изоляции формируется высокотемпературная дуга, которая может нанести вред обрабатываемой биологической ткани. Кроме того, ток барьерного разряда сильно зависит от емкости разрядного промежутка, которая в свою очередь определяется расстоянием между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Эта нестабильность параметров плазмы барьерного разряда с изменением расстояния приводит к неоднородной обработке поверхности.
Техническим результатом заявленной полезной модели является обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной плазмы на раневые поверхности без использования какой-либо системы подачи рабочего газа в разрядный промежуток. Кроме того, техническим результатом заявленной полезной модели является существенное упрощение конструкции и уменьшение габаритов устройства.
Технический результат заявленной полезной модели достигается тем, что между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью зажигается импульсно-периодический разряд, который генерируется в процессе разряда накопительного конденсатора через последовательно соединенные резистор и импульсный высоковольтный трансформатор. Наличие резистора в разрядной цепи уменьшает добротность колебательного контура образованного накопительным конденсатором и импульсным трансформатором. Это позволяет сократить длительность генерируемых высоковольтных импульсов и ограничить величину протекающего тока до безопасных значений.
Кроме того, технический результат достигается тем, что процесс разряда накопительного конденсатора инициируется пробоем последовательно включенного газоразрядного коммутатора, который значительно надежнее и дешевле аналогичных полупроводниковых приборов. Следует отметить, что наличие в разрядном контуре резистора способствует уменьшению времени восстановления газового разрядника. Это в свою очередь позволяет увеличить частоту следования высоковольтных импульсов до 1000 Hz и выше.
Кроме того, технический результат достигается тем, что последовательно с высоковольтным электродом включен дополнительный защитный резистор.
Указанный технический результат, таким образом, достигается тем, что портативный плазменный дезинфектор для использования в экстремальных и бытовых условиях, содержащий корпус, выполненный из диэлектрического материала, с установленными на его поверхности высоковольтным и заземленным электродами, расстояние между которыми не менее 50 мм, размещенные внутри корпуса источник постоянного напряжения, высокочастотный преобразователь напряжения, который имеет регулятор выходного напряжения, в соответствии с заявленной полезной моделью, в ней к выходу высокочастотного преобразователя напряжения подсоединены накопительный конденсатор и последовательно соединенные между собой коммутатор, контурный резистор и импульсный трансформатор, входная низковольтная обмотка которого соединена с накопительным конденсатором и контурным резистором, при этом выходная высоковольтная обмотка импульсного трансформатора соединена одним из выходов с ограничительным резистором, который соединен с высоковольтным электродом, а другим с заземленным электродом, при этом, коммутатор выполнен в виде газонаполненного разрядника, который имеет величину пробойного напряжения 100-1000 В, а высоковольтный электрод имеет форму конуса со округлением на конце с радиусом 2-10 мм.
Сущность заявляемой полезной модели поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3 Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6
На Фиг.1 представлена схема портативного плазменного дезинфектора для использования в экстремальных и бытовых условиях.
На Фиг.2 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.3 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.4 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.5 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 О, и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
На Фиг.6 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 1 kΩ. и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью.
Заявленная полезная модель (Фиг.1) содержит выполненный из диэлектрического материала корпус (1), установленные на его поверхности высоковольтный (2) и заземленный (3) электроды, расстояние между которыми не менее 50 mm, размещенные внутри корпуса (1) источник постоянного напряжения (4), снабженный регулятором выходного напряжения (5), высокочастотный преобразователь напряжения (6), к выходу которого подсоединены накопительный конденсатор (7) и последовательно соединенные между собой коммутатор (8), контурный резистор (9) и импульсный трансформатор (10), входная низковольтная обмотка, которого соединена с накопительным конденсатором (7) и контурным резистором (9), при этом выходная высоковольтная обмотка импульсного трансформатора соединена одним из выходов с ограничительным резистором (11), который соединен с высоковольтным электродом (2), а другим с заземленным электродом (3). Коммутатор (8) выполнен в виде газонаполненного разрядника, который имеет величину пробойного напряжения 100-1000 В, а высоковольтный электрод имеет форму конуса со округлением на конце с радиусом 2-10 мм.
На Фиг.2 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω. и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Данная зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и отсутствии разряда имеет вид слабозатухающего колебания.
На Фиг.3 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω, и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Данная зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и наличии разряда имеет вид сильнозатухающего колебания.
На Фиг.4 представлена в качестве примера конкретной реализации заявленной полезной модели зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω, и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Такое значение контурного сопротивления соответствует наиболее оптимальным параметрам генерируемых высоковольтных импульсов.
На Фиг.5 представлена в качестве примера конкретной реализации заявленной полезной модели зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. Хорошо видно, что зависимости, представленные на Фиг.4 и Фиг.5 практически совпадают.
На Фиг.6 представлена зависимость величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 1 кΩ и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью. В этом случае зависимость выходного напряжения от времени имеет вид экспоненциального убывания с максимальным значением, не превышающим нескольких сотен вольт.
Работа заявляемой полезной модели осуществляется следующим образом. Оператор берет устройство в руку и подает питание на высокочастотный преобразователь напряжения (6). В результате работы преобразователя на его выходе возбуждается напряжение, величина которого может составлять от 10 В до 1 кВ. От этого напряжения заряжается накопительный конденсатор (7) до напряжения пробоя газонаполненного коммутатора (8). После пробоя газонаполненного коммутатора (8) возникает быстрозатухающий импульс тока, который возбуждает высоковольтный импульс величиной 3-30 кВ на выходе импульсного трансформатора (10). Регулятором выходного напряжения (5) высокочастотного преобразователя напряжения (6) можно изменять частоту следования высоковольтных импульсов. При приближении высоковольтного электрода (2) к поверхности обрабатываемого объекта, например к кожному покрову человека, загорается слабый разряд, сопровождающийся едва заметным сине-голубым свечением холодной плазмы. При этом цепь протекания разрядного тока образуется за счет наличия электропроводимости у обрабатываемого объекта и оператора, который держит это миниатюрное устройство в руке. Ультрафиолетовое излучение и компоненты плазмы (электроны ионы, возбужденные атомы, молекулы и радикалы) оказывают дезинфицирующее действие на обрабатываемую поверхность. Если необходима обработка поверхности площадью большей, чем площадь контакта разряда с обрабатываемой поверхностью, то оператор осуществляет сканирование над поверхностью объекта, поддерживая тем самым "горение" плазмы.
Заявленная полезная модель была апробирована в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета в режиме реального времени.
В результате экспериментов было подтверждено достижение указанного технического результата: обеспечение более равномерного и эффективного дезинфицирующего воздействия низкотемпературной плазмы на раневые поверхности.
Тестовые режимы работы портативного плазменного дезинфектора для использования в экстремальных и бытовых условиях.
Во всех тестовых режимах работы устройства использовался накопительный конденсатор (7) емкостью 10 нФ, который заряжался до 100 В. Номинальное значение ограничительного сопротивления (8) 15 MΩ. Амплитудное значение выходного напряжения не превышало 10 кВ.
Пример 1.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось менее 1 О, что соответствует очень большой добротности колебательного контура образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10). На Фиг.2 и на Фиг.3, как было указано выше, представлены зависимости величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления менее 1 Ω и при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.2) и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.3). В первом случае (Фиг.2) такая зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и отсутствии разряда имеет вид слабозатухающего колебания, а во втором случае (Фиг.3) такая зависимость показывает, что выходное напряжение при низком значении контурного сопротивления и наличии разряда имеет вид сильнозатухающего колебания.
По представленным на Фиг.2 и Фиг.3 зависимостям выходного напряжения от времени можно видеть сильное отличие в длительности импульсов при наличии и отсутствии разряда между высоковольтным электродом (2) и обрабатываемой поверхностью. Это различие вызвано тем, что при наличии разряда добротность колебательного контура резко падает.
Пример 2.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось 15 Ω, что соответствует добротности колебательного контура, образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10) порядка нескольких единиц. При таком значении контурного сопротивления заявленное устройство работает наиболее оптимально. Как было указано выше, на Фиг.4 и на Фиг 5 представлены в качестве примера конкретной реализации заявленного изобретения зависимости величины выходного напряжения от времени при номинальном значении контурного сопротивления 15 Ω и (Фиг.4) при отсутствии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью значение контурного сопротивления соответствует наиболее оптимальным параметрам генерируемых высоковольтных импульсов, а и при наличии разряда между высоковольтным электродом и обрабатываемой поверхностью (Фиг.5) хорошо видно, что зависимости, представленные на Фиг.4 и Фиг.5 практически совпадают.
2
Этот режим работы устройства характерен тем, что форма генерируемого высоковольтного импульса слабо зависит от выходного тока (Фиг.4 и Фиг.5). В результате экспериментов при данном режиме работы устройства было подтверждено достижение указанного технического результата. Так, например, после воздействия устройством на кровоточащую раневую поверхность небольшой площади (в несколько мм) наблюдался значительный рост скорости процессов ее заживления. Кроме того, размер возникшей, например, при ушибе (укусе) опухоли, существенно быстрее уменьшался при использовании заявленного для заживления устройства, чем это наблюдалось обычно при аналогичных повреждениях биологической ткани другими устройствами.
Пример 3.
Номинальное значение контурного сопротивления выбиралось 1 kΩ, что соответствует очень малой добротности колебательного контура образованного накопительным конденсатором (7) и импульсным трансформатором (10). В этом случае длительность высоковольтного импульса почти не зависит от наличия разряда между высоковольтным электродом (2) и обрабатываемой поверхностью, а определяется произведением величины накопительного конденсатора (7) на значение контурного сопротивления. Однако при таком режиме работы устройства большая часть энергии накопительного конденсатора (7) рассеивается на контурном сопротивлении. На упомянутой выше Фиг.6, зависимость выходного напряжения от времени имеет вид экспоненциального убывания с максимальным значением, не превышающим нескольких сотен вольт.
c
c
Кроме основного режима работы заявленного устройства, большой интерес представляет режим, при котором основным токоограничительным элементом является не ограничительный резистор (11), а контурный резистор (9). Ток во вторичной обмотке импульсного трансформатора не может превысить значения U/(R·K) (U - напряжение накопительного конденсатора; К - коэффициент трансформации; R - сопротивление контурного резистора). Это потребует большого значения сопротивления контурного резистора (9) (более 100 Ω). Чтобы добротность колебательного контура оставалась порядка нескольких единиц, нужно использовать импульсный трансформатор (10) с большим значением индуктивности, что в свою очередь скажется на его размерах. При таком режиме работы устройства длительность высоковольтных импульсов будет зависеть от Заявляемая полезная модель позволяет проводить дезинфекцию раневых поверхностей, а также стимулировать процессы их заживления достаточно простым способом. В отличие от большинства дорогостоящих, громоздких и нуждающихся в постоянном источнике рабочего газа и сетевого напряжения плазменных стерилизаторов, данный прибор представляет собой портативный аппарат, который может работать от маломощного элемента питания (например, небольшого аккумулятора или батарейки). К преимуществам заявленной полезной модели можно отнести также простоту и надежность конструкции. Список использованной литературы:
1. Бочкарев С.Г.; Волчек С. В.; Гвиниашвили Г.Г.; Данов Г.А.; Дрожжев В.В.; Китаев Н.П.; Фролов В.Н. // электрокоагулятор // Патент России RU 2008829, 15.03.1994.//
2. Дубинин B.C.; Егошин Е.И.; Китаев Н.П.; Орищенко В.Д.; Фролов В.Н. // Способ электрохирургии в полых органах// Патент России RU 2034518, 10.05.1995.//
3. Журавлев В.Н.; Пушин В.Г.; Лоран О.Б.; Баженов И.В. // электрокоагулятор // Патент России RU 2080825, 10.06.1997.//
4. 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. //
5. Прототип. Коровин В.Н. // устройство для обеззараживания поверхностей посредством холодной плазмы // Патент России RU 94038376, 10.08.1996. //