Высокотемпературная плазма


 

Использование: физика плазмы и технологии использующие плазму в качестве рабочей среды, может быть примерно при создании термоядерных установок, новых мощных лазеров, плазменных двигателей и пр. Сущность изобретения: для увеличения температуры плазмы и времени ее жизни используют индуктивный накопитель, с помощью которого предварительно осуществляют накопление магнитной энергии в рабочей среде. Ионизацию осуществляют в момент достижения максимума тока в накопителе, после чего обрывают ток, протекающий через индуктор. 2 ил.

Изобретение относится к физике плазмы и технологиям, использующим плазму в качестве активной среды, и может быть примерно при создании термоядерных установок, новых мощных лазеров, плазменных двигателей и пр.

Известно много способов получения высокотемпературной плазмы, при которых используют протекание тока по плазме для ее нагрева. Это может быть линейный разряд с током до нескольких мегаампер и временами несколько микросекунд.

Недостатком такого способа является короткое время жизни плазмы, связанное с пинчеванием плазменного шнура.


Известен также способ получения высокотемпературной плазмы с помощью СВЧ разряда [1] Недостатки этого способа заключаются в быстром росте отражения СВЧ — энергии от области разряда при росте температуры плазмы и, как следствие, невозможности достижения высоких температур плазмы, как правило, не превышающих 10 000 К.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту изобретению является способ получения высокотемпературной плазмы, который заключается в ионизации рабочей среды и возбуждении в ней вихревого тока путем импульсивного изменения величины тока, протекающего через обмотку индуктора, окружающего объем с рабочей средой [2] Способ используется в термоядерных установках типа Токамак, Компактный Тор и др.

Недостатком такого способа является эффект сканирования, при котором с ростом температуры и электропроводности подводимая к плазме энергия выделяется в тонком наружном слое плазмы, что ограничивает температуру получаемой плазмы и время ее жизни. Во всех перечисленных способах энергия к плазме подводится извне в процессе нагрева плазмы.

Кроме того известен способ преобразования запасенной магнитной энергии в кинетическую энергию ускоряемого тела (3), заключающийся в накоплении магнитной энергии в объеме понижающего трансформатора тока с разомкнутой вторичной обмоткой, замыкании этой обмотки в момент максимума тока с последующим обрывом тока в первичной обмотке.


Цель изобретения получение высокотемпературной плазмы, обладающей большим энергозапасом и, как следствие, повышенным временем жизни.

Для достижения поставленной цели предварительно осуществляют накопление магнитной энергии электрического тока в объеме с рабочей средой с помощью индуктивного накопителя, в момент достижения максимума тока проводят ионизацию в этой среде и обрывают ток в первичной обмотке индуктивного накопителя.

Индуктивные накопители являются наиболее энергоемкости по плотности запасаемой электромагнитной энергии. Они применены в заявленном способе для получения высокотемпературной плазмы.

Сущность способа заключается в следующем: если взять индуктивный накопитель энергии в виде соленоида, намотанного на цилиндрическую камеру с рабочим газом, то большая часть запасаемой энергии в этом случае сконцентрирована внутри такой камеры. Если в момент максимума тока (энергии) произвести ионизацию газа и разогреть полученную плазму до получения высокой электропроводности, а затем оборвать ток, сохраняющий поток так и энергию внутри самой себя. Именно нахождение энергии внутри самой плазмы будет обеспечивать ее разогрев и время жизни. Таким образом, в данном случае осуществлено преобразование запасенной магнитной энергии в энергию плазмы, что до настоящего времени не применялось.

Численный пример расчета электропроводности плазмы для воздуха при атмосферном давлении приведен в (1, стр.330). Показано, что наибольшая плотность кольцевого тока в плазме в скин-слое толщиной 0,27 см достигает 500 А/см2 или 130 А/см длины, что сравнимо стоком в соленоиде на 1 см длины, т. е. с числом ампер-витков. Температура плазмы при этом 10 000К. Напряженность электрического поля 20 В/cм.


Различные способы разрыва тока дают напряжение в месте разрыва порядка десятков киловольт, соответственно на внутренний плазменный виток прикладывается напряжение в N раз меньше, где N число витков индуктивного накопителя, охватывающих объем с газом (как правило, фронт обрыва тока несколько микросекунд, что и ведет к этому, при идеальном прерывании тока можно было бы получить на вторичном витке локальную напряженность электрического поля такую же, как и на первичной обмотке), а ток, возникающий в нем, в N раз больше как и в обычном понижающем трансформаторе с одновитковой вторичной обмоткой. Это накладывает весьма жесткие требования к электропроводности плазмы. Фактически в газе должен загораться дуговой кольцевой разряд при напряженности порядка вольта на сантиметр по всему внутреннему периметру камеры.

Такой плазменный виток с током (Компактный тор) может быть легко оторван от стенки камеры и перемещен в другую область под действием тока в управляющей обмотке как это осуществлено в [4] Большая запасаемая энергия внутри самой плазмы позволяет удерживать такой разряд в течение достаточно длительного времени.

Способ может быть использован для термоядерных исследований, для накачки лазерных сред, для создания плазменных ускорителей и т.д.


Сущность изобретения реализована и поясняется фигурами 1 и 2. На фигурах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 цилиндрическая камера с зеркальным и прозрачным торцами, 2 обмотка индуктивного накопителя энергии, 3 первичный накопитель энергии для питания индуктивного накопителя, 4 дополнительная конденсаторная батарея для вихревого разогрева плазмы, 5 прерыватель тока, 6 электронно-оптический преобразователь,
7 фотодиод,
На фигуре 2 показаны:
J1 ток в первичной обмотке индуктивного накопителя 3, пунктиром показан ток без прерывания, кА, кривая Il;
Vp напряжение, возникающее при прерывании тока в первичном индуктивном накопителе, кВ, кривая II;
J2 разрядный ток конденсаторной батареи 4 для вихревого разогрева плазмы, кА, кривая III;
Vfd сигнал с фотодиода на микросекундной развертке, B, кривая IV;
Vfd сигнал с фотодиода на миллисекундной развертке, B, кривая V.

На камеру в виде тонкостенной винипластовой трубы 1 диаметром 120 мм намотан короткий N=15 витков соленоид 2, запитываемый от конденсаторной батареи 3 (3-36 мкФ, 20 кВ). В разрядную цепь включен прерыватель тока 5 на взрывающейся проволоке, толщина и длина которой подбиралась для прерывания тока в его максимуме.

Сама камера 1 могла откачиваться до давления 1 50 Торр.

В камере зажигался разряд от отдельного генератора 10 кА, 5 мксек (на фигуре не показан). Кроме того, от отдельной батареи 4 (3 мкф, 20 кВ) перед обрывом тока производился дополнительный вихревой разогрев плазмы. Один торец камеры выполнен зеркальным, а другой закрыт прозрачным окном.


В эксперименте регистрировались интенсивность и длительность свечения плазмы с помощью фотодиода 7, измерялся ток в обеих батареях, напряжение, возникающие при обрыве тока, а также фотографировалось свечение плазмы с торца камеры с помощью электронно-оптического преобразователя (ЭОП) 6, что позволяло вести покадровую съемку в различные времена жизни плазмы.

Поскольку энергии, запасаемой в батареях, в этом демонстрационном эксперименте было недостаточно для получения высокой степени ионизации и температуры плазмы и соответственно не достигалась необходимая электропроводность плазмы, то часть внутренней поверхности камеры была выложена незамкнутым металлическим витком. Он не препятствовал запасению энергии, но легко замыкался бетатронным разрядом. Таким образом, при обрыве тока от основной батареи ток тек как по металлу, так и по плазме. На приведенных осциллограммах видно как резко обрывается ток, что говорит о «замораживании» энергии в плазме и как при этом возрастает длительность свечения плазмы. Если бетатронный разряд давал длительность свечения несколько десятков микросекунд, то с запасением энергии внутри самой плазмы длительность жизни возрастала до нескольких миллисекунд.

Как показали предварительные испытания заявленного способа, он может быть эффективно использован для проведения термоядерных исследований, накачки лазерных сред, при создании плазменных ускорителей.


Литература
1. Ю. Р. Райзер. Основы современной физики газоразрядных процессов. Москва, Наука, стр. 336 338.

2. С.Ю. Лукьянов. Горячая плазма и управляемый ядерный синтез. М. Наука, 1975, с. 359 361,
3. S. K. Singh et. al. Designs of pulsed power cryogenic transformes. IEEE Trasnsactions on manetics, vol. 24, No 2, p. 1504 1507, March 1988.

4. Итоги науки и техники, Физика плазмы, т. 7, Москва, 1985.

Формула изобретения

Способ получения высокотемпературной плазмы в магнитном поле, заключающийся в ионизации рабочей среды и возбуждении в ней вихревого тока путем импульсного изменения величины тока, протекающего через индуктор, охватывающий объем с рабочей средой, отличающийся тем, что для возбуждения вихревого тока используют индуктивный накопитель, с помощью которого предварительно осуществляют накопление магнитной энергии в рабочей среде, а ионизацию осуществляют в момент достижения максимума тока в накопителе, после чего обрывают ток, протекающий через индуктор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

Источник: findpatent.ru

Возможности плазменных методик. Доказательная медицина

Воздействие на эпидермис и дерму

Разогрев тканей протекает равномерно, слой старого поврежденного эпидермиса служит «биологической защитной повязкой», по мере образования нового эпителия старый отшелушивается. Кроме того, это позволяет проводить обработку кожи любых фототипов и сокращает риск побочных эффектов в виде шрамов, инфекций и депигментации. Даже в случае высокоэнергетического воздействия неоэпителизация происходит быстро и обычно завершается в течение 5–7 дней после процедуры.


Сразу после обработки отмечается контракция коллагеновых волокон (в тех областях, где температура нагревания превышала 60 0С) и реакции на тепловой шок, затем происходит постепенное разрушение поврежденных структур и активация неоколлагенеза и неоэластогенеза. Процессы ремоделирования дермы продолжаются как минимум 3 месяца после обработки (Gonzalez et al. 2008).

Американские исследователи оценивали улучшение текстуры кожи, тонуса, уменьшение тонких линий, дисхромии. Для этого они взяли образцы биопсии 2 мм до и после 90 дней лечения. Последующее наблюдение проводилось через 2, 5, 7, 30 и 90 после лечения для мониторинга восстановления, улучшения и любых последующих осложнений.

Гистологическое исследование показало регенеративную активность в эпидермисе и дерме, ремоделирование коллагена (Kilmer et al. 2007).

Еще в одном исследовании восемь добровольцев проходили лечение каждые 3 недели, им было выполнено 3 процедуры, используя параметры от 1,2 до 1,8 Дж. Перед каждой следующей процедурой регистрировались качество эпидермиса, побочные эффекты и эритема. Образцы биопсии кожи были получены у 6 пациентов до лечения и через 90 дней после лечения.


Через три месяца после лечения исследователи обнаружили на 37 % сокращение лицевых морщин, а участники исследования отметили улучшение на 68 % общего внешнего вида кожи.

Гистологическая оценка через 3 месяца после лечения выявила полосу нового коллагена на дермоэпидермальном переходе с менее плотным эластином в дерме. Средняя глубина нового коллагена составляла 72,3 мкм (Bogle et al. 2007).

Potter показал, что плазма уменьшает морщины и линии в среднем на 24 % через 6 месяцев, а постакне уменьшается на 23 % через 6 месяцев.

Ускорение ранозаживления

Низкотемпературная плазма воздействует на галектин-1 и сигнальный путь Smad, которые ответственны за процесс ранозаживления. Ученые из Японии в 2016 году показали, что сразу после начала воздействия на поверхности раны сформировалась мембранная структура, в которой по данным иммуноэлектронной микроскопии, были локализованы галектины. После обработки количество галектинов было увеличено, тогда как при электрокоагуляции они наоборот подавлялись (Akimoto et al 2016).

Активация факторов роста

Южнокорейские исследователи получили интересный эффект индуцирования фактора роста после воздействия низкотемпературной плазмы и повышенную экспрессию ангиогенного фактора роста в фибробластах кожи.


Их данные показали, что жизнеспособность фибробластов снижалась через 6 и 24 часа после обработки плазмой всего лишь на 5 минут, а миграция фибробластов значительно увеличилась через 6 и 24 часа в тестах на заживление, экспрессия цитокинов значительно поменялась, а регуляторные факторы роста индуцировались после воздействия.

Применение плазмы значительно ускорило экспрессию HIF1α, регулятора восходящего потока ангиогенеза (Cui et al. 2017).

Коррекция постакне

Противомикробная активность плазмы была продемонстрирована не только на лабораторных животных, но и в ходе рандомизированных контролируемых исследований на людях: двухминутная обработка ран с помощью холодной аргоновой плазмы показывала значительное уменьшение количества как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий в ранах (Isbary et al. 2012).

Американские врачи показали в своем исследовании, что плазма может успешно применяться в коррекции рубцов акне. Они отобрали пациентов с кожей I-III по Фицпатрику и провели им одну процедуру. Оценки показали, что примерно на треть в обработанных областях через 6 месяцев произошли улучшения. Через 4-6 дней большинство пациентов наблюдали вторичную эпителизацию без серьезных побочных эффектов (Gonzalez et al. 2008).

Группа азиатских ученых также провела эксперимент на пациентах с травматическими рубцами.

Им ежемесячно в течение 3 месяцев проводилась процедура плазмы. Почти у половины испытуемых наблюдалось на 50 % улучшение травматических рубцов. Все пациенты переносили лечение с минимальной болью, при этом наблюдалась лишь временная локализованная гиперпигментация у нескольких пациентов, которая разрешилась через 3 месяца (Kono T. et al. 2009).


При сравнении фракционной микроплазменной RF-технологии и фракционного СО2-лазера для устранения рубцов постакне. Одна сторона лица пациентов (всего участвовало 33 человека с III и IV фототипами кожи) обрабатывалась с помощью плазмы, другая – лазером, по 3 процедуры каждого вида. Глубина повреждений в первом случае варьировала в пределах 120–150 мкм, а диаметр составлял 150–180 мкм. Фракционный СО2-лазер формировал повреждения глубиной 300–400 мкм и диаметром 100–120 мкм. Зона термического повреждения вокруг колодца абляции была шире в случае микроплазмы (рис. 1).

Оба метода существенно и практически равнозначно снизили выраженность рубцов постакне – в случае плазмы (улучшение на 56,4 %) и 59,2 % для СО2-лазера по шкале ЕССА. При этом в ответ на лазерное воздействие у 12 человек (36,4 %) развилась поствоспалительная гиперпигментация, а со стороны микроплазменной обработки таких осложнений зафиксировано не было (Zhang Z, 2013).

Плазму можно использовать на коже любых фототипов, так как ее эффект не зависит от наличия хромофоров в коже. Гиперпигментация, которая может встречаться после процедур, в целом возникает реже, чем, например, при лазерной обработке. Также существенно снижен риск инфицирования и рубцевания.

СО2-лазеры формируют более однородные по глубине и диаметру повреждения, в то время как в случае использования плазмы эти размеры могут варьировать. Кроме того, лазеры обеспечивают более глубокое воздействие, чем плазма. Однако именно более поверхностные эффекты плазменной обработки могут быть одной из причин меньшего риска поствоспалительной гиперпигментации (Li X, 2015).

Плазма зарекомендовала себя как эффективный метод омоложения кожи не только лица, но и тела. Американцы оценили кожу в области шеи, груди и дорсальной поверхности рук – всего 30 участков у 10 пациентов. Клинические оценки текстуры кожи, пигментации, серьезности морщин и побочных эффектов проводились немедленно и через 4, 7, 14, 30 и 90 дней после лечения.

Средние клинические улучшения на 57, 48 и 41 % наблюдались соответственно на груди, руках ишее. Уменьшились глубина морщин, гиперпигментация и повысилась гладкость кожи (Alster, Konda 2007).

Плазменные технологии в аппарате Plasma BT (Seoulin Medicare)

Последние научные достижения в сфере использования плазмы были учтены в аппарате Plasma BT (Seoulin Medicare, Корея), который уже представлен на российском рынке (рис. 2). Этот аппарат работает с высокотемпературной и низкотемпературной плазмой.

Технология получила разрешение US 510 (k) США для коррекции несовершенств тела, поверхностных поражений кожи, актинических кератозов, вирусных папилломатозов и себорейных кератозов, дисхромии, потери упругости кожи и постакне.

В комплекте с аппаратом есть насадка «плазменный душ», улучшающая трансдермальную доставку веществ в кожу (например, гиалуронидазу), а также игольчатая насадка для нехирургического лифтинга, которая позволяет существенно уплотнить кожу в периорбитальной области, сократив площадь кожных лоскутов в области верхних и нижних век, и улучшить плотность кожи за счет синтеза коллагена и эластина (рис. 3). Также насадка показывает отличные результаты в лечении стрий и рубцов, в том числе постугревых, а также глубоких морщин.

Работа прибора основывается на применении технологии F-DBD (плавающий диэлектрический барьерный разряд), защищенной четырьмя патентами, где используется естественный способ получения плазмы (из кислорода и азота, содержащихся в воздухе) на основе переменного тока, создавая низкотемпературную плазму (температура не превышает 40 °C).

Возможности аппарата позволяют использовать его в безынъекционной мезотерапии.

Так, доктор Беатрис Молина в 2017 году описала случай нарушения кровообращения при нехирургической ринопластике после введения филлера на основе гиалуроновой кислоты в кончик носа, который удалось устранить при помощи трансдермального введения гиалуронидазы с помощью насадки для плазменного душа (Molina 2017) (рис. 4).

Кроме того, аппарат позволяет убирать избытки кожи в складках век, появляющиеся с возрастом. В основе процедуры лежит метод сублимации – перехода вещества из твердого состояния сразу в газообразное, минуя жидкое. Данный метод отличается от абляционных лазеров, более деликатно воздействуя на кожу век, так как он не оказывает повреждающего действия на клетки кожи, а только сублимирует поверхность кожи, что приводит к ее сокращению за счет создания множества абляционных кратеров в виде сетки (или решетки) на поверхности кожи век.

Показания: поверхностные морщины, мешки под глазами, избыток кожи; гусиные лапки; опущение бровей; слезная борозда; отсутствие складки в уголках глаз; темные круги вокруг глаз.

Выводы

Плазменное омоложение несет меньший риск побочных эффектов и требует на восстановление меньше времени. Методика безопасна для зрения и организма, ее результаты долгосрочны, максимальный эффект достигается через 3–4 месяца после процедуры. Процедура комфортна, не затрагивает окружающие ткани, при этом зона воздействия минимальна.

Плазменное омоложение подходит и для пациентов с темными типами кожи, поскольку для них существенно снижен риск поствоспалительной гиперпигментации.

Источник: www.1nep.ru

Источник: www.chem21.info


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте как обрабатываются ваши данные комментариев.