Международный конкурс научно-технических работ школьников
«Старт в науку»
Низкотемпературный жидкостной микроплазмотрон
для биомедицинских применений.
Автор:
г. Петрозаводск
МОУ «Лицей №1»
Научный руководитель:
доцент, ПетрГУ
Петрозаводск 2013
Содержание
Введение 3
Жидкостной микроплазмотрон 4
Постановка задачи 5
Эксперимент 6
Заключение 7
Приложение 8
Список литературы 9
Введение.
Плазма - это ионизированный газ с высокой концентрацией заряженных частиц, обладающий свойством квазинейтральности, т. е. содержащий практически одинаковые количества положительных и отрицательных зарядов.
Плазмотрон — техническое устройство, в котором при протекании электрического тока через разрядный промежуток образуется плазма.
Первые плазмотроны появились в середине двадцатого века в связи с началом использования материалов, устойчивых к высоким температурам, и потребностью в источнике тепла повышенной мощности. Основными отличительными характеристиками плазмотронов являлась возможность получения высоких температур, недостижимых при использовании любого химического топлива, а также компактность, надёжность и возможность плавной регулировки мощности. Таким образом, плазмотроны использовались в основном для сварки, резки или различного рода обработки металлов. Однако из-за высокой температуры выходного плазменного потока возникали трудности с использованием плазмотронов в других сферах деятельности.
Данная работа была направлена на создание плазмотрона с низкой температурой выходного плазменного потока, пригодного для безопасного применения в биомедицинской сфере. Такое устройство может быть использовано для дезинфекции, обеззараживания повреждённых тканей, удаления различных органических образований и т. д.
Жидкостной микроплазмотрон.
Жидкостной микроплазмотрон относится к технике электрических разрядов в газах, в частности к устройствам генерации плазменных потоков, и может быть использован в плазменных технологиях, атомизаторах вещества, плазмохимических реакторах, медицине, источниках излучения и холодной плазмы.
Наиболее близким техническим решением – прототипом данного прибора является устройство для генерации плазменного потока (патент Российской Федерации № 000), содержащее сопло со вставленным заостренным на конце электродом, имеющее приспособление для соединения с источником плазмообразующего вещества и выходной электрод для создания электрического поля со стороны выходного конца сопла. Однако это устройство имеет недостатки, заключающиеся в том, что при данной конструкции невозможно зажигание разряда с использованием жидких плазмообразующих сред для получения холодной плазмы.
Жидкостной микроплазмотрон и устройство-прототип обладают следующими общими признаками:
· металлический корпус прибора со сквозным выходным каналом;
· сопло для подачи плазмообразующего вещества;
· заостренный на конце стержневой электрод.
Однако, в отличие от прототипа, в жидкостном микроплазмотроне стержневой электрод выступает за пределы сопла на расстояние, не превышающее диаметра отверстия выходного канала сопла, а диаметр выходного канала электрода не превышает диаметра выходного отверстия канала сопла.
В данном устройстве используется явление, связанное с тем, что при работе устройства происходит образование плотной плазмы на конце заостренного электрода – создается разряд с жидкой стенкой.
Устройство работает следующим образом.
Прибор подключают к системе газообеспечения, устройству подачи жидкости и источнику постоянного напряжения. При давлении рабочего газа больше атмосферного на электроды устройства (стержневой электрод и корпус) подают напряжение, достаточное для пробоя межэлектродного промежутка. На выходе сопла зажигается разряд, происходит образование плотной плазмы на конце заостренного электрода. Плазменное образование расширяется в направлении движения потока и проникает за пределы корпуса в атмосферный воздух на расстояние 6-8 миллиметров при диаметре потока 5-6 миллиметров. Из устройства подачи жидкость поступает в область образования плотной плазмы; количество подаваемой жидкости определяется давлением рабочего газа при условии образования жидкой стенки ограничивающей объём плазмы в межэлектродном промежутке.
Постановка задачи.
Целью данной работы является создание жидкостного микроплазмотрона с низкой температурой выходного плазменного потока и измерение параметров стабильной работы устройства.
Для достижения поставленной цели необходимо:
1. Сконструировать прибор. Реализовать схему электрического питания.
2. Запустить экспериментальную установку. Определить условия стабильного существования плазменного потока с нужными характеристиками.
3. Измерить параметры работы устройства.
Эксперимент.
Для выполнения поставленной задачи была сконструирована экспериментальная
установка. Схема установки представлена в приложении.
Основными элементами установки являются внешний металлический корпус (1), газопроводная трубка (2) с заострённым на конце электродом(3) внутри, заглушка(5) и канал для подачи плазмообразующей жидкости (4). При этом заглушка и часть газопроводной трубки, расположенная внутри корпуса должны быть выполнены из диэлектрического материала.
Электрод (3) подключен к источнику питания через внешний металлический фрагмент газопроводной трубки (2). Роль второго электрода выполняет металлический корпус (1).
Для генерации плазмы в устройство подаётся воздух через газовую трубку (2) и очищенная вода через канал для плазмообразующей жидкости (4).
При подключении электродов к напряжению, достаточному для пробоя воздушного промежутка на выходе сопла зажигается разряд. Наблюдается образование плазмы на конце электрода. Плазменный поток проникает за пределы корпуса устройства на расстояние 5 – 8 миллиметров при диаметре потока 4 - 6 миллиметров.
Пробой межэлектродного промежутка сквозь слой воды и последующее образование
микроплазменной струи происходит при напряжении между электродами ~1000В.
При токе 30 мА и напряжении 1000В (мощность 30 Вт) длина плазменного потока составляла 6 миллиметров, а диаметр - 5миллиметров. Максимальные значения температуры плазмы наблюдались непосредственно вблизи стержневого электрода и достигали 85˚С. При этом температура на границе плазменного образования не превышала 37˚С.
Эксперимент показал, что температура, оставаясь безопасной на границе плазменного образования, значительно возрастает при приближении к стержневому электроду. Зависимость температуры плазмы от расстояния до электрода представлена на Графике 1.
Заключение.
В ходе работы был изготовлен низкотемпературный жидкостной микроплазмотрон и определены условия существования стабильного плазменного потока с характеристиками, позволяющими использовать данный прибор в биомедицинской сфере.
Также было измерено напряжение пробоя межэлектродного промежутка и зависимость температуры плазмы в потоке от расстояния до стержневого электрода.
На основании проведённых измерений параметров работы устройства можно сделать следующие выводы:
· Пробой промежутка между электродами происходит при напряжении 1000В.
· При токе 30 мА температура на границе плазменного образования составляет 35˚С
Таким образом, благодаря безопасной температуре микроплазменной струи и использованию в качестве плазмообразующей жидкости нетоксичного и легкодоступного вещества – воды, данный прибор может найти широкое применение в сфере биомедицинских технологий.
График 1.
Зависимость температуры плазмы от расстояния до стержневого электрода.
Приложение. Схема жидкостного низкотемпературного микроплазмотрона.
Список Литературы.
1) Патент Российской Федерации № 000 Жидкостной Микроплазмотрон
2) Физический энциклопедический словарь. Том четвёртый. Пинч-эффект – спайность минералов. Издательство «Советская энциклопедия» Москва 1965г. с. 12 - 28.
3) http://www. femto. /articles/part_2/2859.html
4) http://wwwcdl. bmstu. ru/e8/lyapin/konstrukcii_electrodugovih_plazmotronov_LIAPIN. pdf
5) http://ru. wikipedia. org/wiki/Плазмотрон
