Международный конкурс научно-технических работ школьников «Старт в науку» Низкотемпературный жидкостной микроплазмотрон

1
Международный конкурс научно-технических работ школьников
«Старт в науку»
Низкотемпературный жидкостной микроплазмотрон
для биомедицинских применений.
Автор:
Моисеевский Алексей Денисович
г. Петрозаводск
МОУ «Лицей №1»
10 класс.
Научный руководитель:
Гостев Валерий Анатольевич
доцент, ПетрГУ
Петрозаводск 2013
2
Содержание
Введение
3
Жидкостной микроплазмотрон
4
Постановка задачи
5
Эксперимент
6
Заключение
7
Приложение
8
Список литературы
9
3
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.
4
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 №2285358),
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.
5
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.
6
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.
7
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.
8
Приложение. Схема жидкостного низкотемпературного микроплазмотрона.
9
Список Литературы.
1) Патент Российской Федерации №2455798 Жидкостной Микроплазмотрон
2) Физический энциклопедический словарь. Том четвёртый. Пинч-эффект – спайность
минералов. Издательство «Советская энциклопедия» Москва 1965г. с. 12 - 28.
3) http://www.femto.com.ua/articles/part_2/2859.html
4) http://wwwcdl.bmstu.ru/e8/lyapin/konstrukcii_electrodugovih_plazmotronov_LIAPIN.pdf
5) http://ru.wikipedia.org/wiki/Плазмотрон