ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 4, с. 109-113
_ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, _
--МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ -
УДК 621.793.724
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДИФФУЗНОГО РАЗРЯДА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО ДЛЯ СТЕРИЛИЗАЦИИ МЕДИЦИНСКОГО ИНСТРУМЕНТАРИЯ
© 2004 г. Г. Лай, С. П. Масленников, Э. Я. Школьников
Московский инженерно-физический институт (государственный университет) Россия, 115409, Москва, Каширское ш., 31 Поступила в редакцию 13.10.2003 г.
Для исследования процессов возбуждения диффузного разряда создан экспериментальный комплекс, включающий в себя газоразрядные камеры с различными электродными системами и высоковольтный импульсно-периодический генератор. Особенностью системы электропитания экспериментального комплекса является возможность одновременного использования источника постоянного напряжения смещения и импульсного генератора. Импульсно-периодический генератор выполнен на основе импульсного трансформатора и высоковольтного формирователя наносекунд-ных импульсов с амплитудой до 120 кВ и длительностью фронта <10 нс.
В последние годы проявляется значительный интерес к газоразрядным методам стерилизации. В отличие от традиционно используемых способов, таких как обработка горячим воздухом или паром, газообразными или жидкими химически активными веществами, обработка на основе у.ф.-излучения (кварцевая лампа), газоразрядные методы обладают рядом принципиальных преимуществ - прежде всего то, что стерилизация происходит при низких температурах, что дает возможность обрабатывать термочувствительные материалы. Плазма газовых разрядов содержит широкий спектр агентов стерилизации: заряженные частицы, высоковозбужденные нейтралы, активные продукты плазмохимических реакций. Эксплуатация подобных установок в отличие, например, от стерилизационных устройств на основе ускорителей заряженных частиц не требует специальной подготовки персонала и специальных помещений, их отличает низкое энергопотребление, экологическая чистота.
В настоящее время существуют различные способы генерации газоразрядной плазмы (тлеющий, коронный, барьерный и другие типы разрядов), среди которых наиболее перспективным для отмеченных выше применений является тлеющий разряд [1, 2]. Однако для практического применения газоразрядной стерилизации характерные рабочие объемы стерилизационных камер должны составлять от единиц до десятков литров, что вызывает трудности с возбуждением тлеющего разряда, особенно в атмосферных условиях.
Компромиссным решением представляется использование для целей стерилизации низкотемпе-
ратурной плазмы импульсно-периодического диффузного разряда, который возбуждается в резко неоднородных электрических полях. Такой разряд может формироваться в больших объемах, составляющих десятки литров, при давлениях от 10 Торр до атмосферного. При этом сохраняются все агенты стерилизации, присущие тлеющему разряду. Импульсно-периодический диффузный разряд атмосферного давления успешно использовался для ионизации больших объемов рабочих сред газовых лазеров, а также генерации озона [3] и дезактивации воздушных смесей [4]. Ниже приводятся результаты исследований импульсно-периодического диффузного разряда для стерилизации медицинских инструментов.
ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР
Для возбуждения импульсно-периодического диффузного разряда в объемах, составляющих единицы-десятки литров при давлениях рабочего газа в камере сотни торр амплитуда импульсов должна быть >100 кВ. При этом для улучшения однородности разряда время нарастания фронта импульса не должно превышать 10-15 нс при длительности импульса 0.2-1 мкс. Эквивалентное сопротивление нагрузки - плазмы разряда - меняется от нескольких сот ом до нескольких килоом. Учитывая малые времена экспозиции стерилизуемых образцов (единицы минут), энергосодержание импульса должно составлять 1-5 Дж при частоте следования до 50 Гц.
110
ЛАИ и др.
Сх=
Уй
Тр
С,
Ь
20 мк Я Сз
200 330п
Юл
□я.
Рис. 1. Электрическая схема импульсно-периодичес-кого генератора. С - первичный емкостной накопитель, С2 - высоковольтный емкостной накопитель, Тр - импульсный трансформатор, Ь, Я (ТВО-2, 10 штук последовательно), С3 (КВИ-330-пФ-10 кВ) -индуктивность, сопротивление и конденсатор корректирующей цепочки, £ - газовый разрядник, Уй -тиристор, Ян - сопротивление нагрузки.
Разработанный импульсно-периодический генератор содержит импульсный трансформатор и высоковольтный формирователь наносекундных импульсов (рис. 1). Зарядка высоковольтного емкостного накопителя С2 осуществляется с помощью зарядного устройства на основе импульсного трансформатора Тр. В качестве емкостного накопителя в первичном контуре зарядного устройства используется конденсатор С1, заряжаемый от источника постоянного напряжения. Коммутация емкостного накопителя на первичную обмотку трансформатора осуществляется тиристором Уй. Корректирующая цепочка Я, Ь, С3 позволяет формировать плоскую вершину импульса напряжения при коммутации генератора на нагрузку. В качестве выходного коммутирующего
элемента 5 используется неуправляемый искровой газовый разрядник.
Высоковольтный импульсный трансформатор (рис. 2) выполнен на стержневом незамкнутом магнитопроводе, составленном из 25 ферритовых колец М2500НМС К65 х 40 х 9. Первичная обмотка расположена на внешней поверхности диэлектрического корпуса трансформатора. Она содержит четыре параллельно включенные секции по пять витков в каждой и имеет суммарную индуктивность 2.4 мкГн. Вторичная обмотка (1100 витков) выполнена на каркасе конической формы и помещена в трансформаторное масло, ее индуктивность составляет 100 мГн. Коэффициент связи трансформатора равен 0.75. Максимальный уровень напряжения на вторичной обмотке составляет 150 кВ.
На рис. 3 изображен внешний вид формирователя импульсов, в состав которого входит высоковольтный емкостной накопитель, корректирующая цепочка и неуправляемый газовый искровой разрядник. Высоковольтный накопитель представляет собой секционированную конденсаторную сборку, содержащую три последовательно включенные секции, в каждой из которых установлены низкоиндуктивные керамические конденсаторы К15-4 470пФ-40кВ. При этом суммарная емкость накопителя составляет 580 пФ. Индуктивная катушка корректирующей цепочки выполнена на диэлектрическом каркасе с однослойной обмоткой. Неуправляемый газовый искровой разрядник с дисковыми электродами 030 мм, используемый в качестве выходного коммутатора формирователя импульсов, рассчитан на рабочее напряжение до
380 мм
Рис. 2. Конструкция импульсного трансформатора. 1 - высовольтный кабель, 2, 3 - первичная и вторичная обмотки, 4 - ферритовые сердечники.
120 кВ и коммутируемый ток до 1 кА. Длина межэлектродного зазора может варьироваться от 0 до 12 мм. Конструкция разрядника позволяет использовать в нем различные газы (воздух, азот и др.) при давлениях до 500 кПа.
ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ КАМЕРЫ
Исследования по возбуждению импульсно-пе-риодического диффузного разряда проводились с использованием двух газоразрядных камер. Одна из них имеет металлические (стальные) стенки с 0внутр310 мм и длиной Ь = 410 мм, вторая - диэлектрические (фторопласт) стенки, 0200 мм, Ь = = 275 мм. Внутренняя цилиндрическая поверхность первой камеры являлась заземленным электродом установки, в то время как для второй камеры оба высоковольтных электрода монтировались в ее внутреннем объеме. Использование металлической газоразрядной камеры дает возможность исследовать возбуждение диффузного разряда в больших объемах. В то же время, диэлектрическая камера позволяет проводить эксперименты, меняя объем разрядной области, локализуя этот разряд в необходимом для эксперимента месте. Вакуумирование газоразрядных камер осуществляется с помощью форвакуумно-го насоса НВР-16д.
Общей чертой всех используемых в экспериментах электродных систем камер являлась их способность формировать в разрядных промежутках резко неоднородные электрические поля. Такими системами являлись: острие-плоскость, проволочка-поверхность, спиральный проволочный электрод-поверхность. В последнем случае высоковольтный электрод выполнялся в виде спирали из стальной проволоки 00.1-0.5 мм, намотанной с шагом 5-10 мм на профилированный диэлектрический каркас (рис. 4). Подобная конструкция электрода обеспечивает такую конфигурацию распределения электрического поля в разрядном промежутке, при которой создаются условия для возбуждения объемного диффузного разряда.
На рис. 5 представлена эквивалентная схема системы электропитания экспериментальной установки. Газоразрядная камера представлена в виде нелинейного сопротивления разряда Яр и электрической емкости камеры Ск. Для измерения импульсных напряжений и токов в газоразрядной камере использованы высоковольтный омический делитель Я1/Я2 и низкоиндуктивный токовый шунт Яш. Особенностью питания газоразрядной камеры является одновременное использование импульсно-периодического генератора ИПГ и высоковольтного источника постоянного напряжения ВИПН.
Рис. 3. Внешний вид формирователя импульсов.
2 см
I_I
Рис. 4. Внешний вид спирального проволочного электрода.
Я -щь
Рис. 5. Эквивалентная схема экспериментальной установки. ИПГ - импульсно-периодический генератор, ВИПН - высовольтный источник постоянного напряжения.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДИФФУЗНОГО РАЗРЯДА
Проведенные эксперименты показали, что для всех описанных выше электродных систем в диапазоне давлений 10-200 Торр в газоразрядных камерах формируется диффузный разряд. При этом объем области, занимаемой разрядом, составил от 2-3 дм3 в камере с диэлектрическими стенками до 20 дм3 в камере с металлическими стенками.
112
ЛАЙ и др.
0
5
0
-5
-10
-15
-20
-25
-30 U, кВ
500
Время, не 1000 1500
2000
0
-25
-50
-75
-100
-125
-150 I, A
Рис. 6. Типичные оециллограммы тока и напряжения.
▲
▲
■ А
Проетранетвенная етруктура возбуждаемого разряда претерпевает изменения в завиеимоети от давления воздуха в камерах: на фоне объемного евечения разряда наблюдаетея образование отдельных диффузных разрядных каналов. Эти каналы имеют
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.