Министерство образования РФ Оренбургский государственный университет ГУ МНТК «МГ» им. Академика Св. Федорова Оренбургски...
20 downloads
230 Views
5MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
Министерство образования РФ Оренбургский государственный университет ГУ МНТК «МГ» им. Академика Св. Федорова Оренбургский филиал
В.Н. Канюков Н.Г. Терегулов В.Ф. Винярский В.В. Осипов
РАЗВИТИЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ В МЕДИЦИНЕ Учебное пособие
Рекомендовано Ученым Советом Оренбургского государственного университета в качестве учебного пособия для студентов специальности 190600 – Инженерное дело в медико-биологической практике
Оренбург 2000
ББК 5:72 Р 17 УДК 61:001
Рецензент: Калакутский Л.И. – доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехники, руководитель центра медицинского приборостроения
Р 17 Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. Развитие научно-технических решений в медицине (учебное пособие) -- Оренбург, ОГУ, 2000. – 255 с. ISBN 5-7410-0231-5
Книга предназначена для студентов по специальности 190600 – Инженерное дело в медико-биологической практике. Она может быть полезна для аспирантов, инженеров медицинской техники, врачей, руководителей медико-профилактических учреждений.
Р
4101000000 6Л9-00
ISBN 5-7410-0231-5
ББК 5:72
Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В., 2000 ОГУ, 2000
Введение Стремление человечества к познанию закономерностей окружающего нас реального мира приводит к последовательному накоплению объема знаний, которые постоянно уточняются и углубляются. Наряду с дальнейшим развитием наук, возникших в предыдущие периоды нашей жизнедеятельности, продолжается процесс зарождения новых научных дисциплин: субатомная физика, биофизика, бионика, космонавтика, кибернетика и т.д. Одновременно, начиная с 40-х — 50-х годов текущего столетия начинается углубленная ориентация на взаимодействие наук при решении различных научно-технических проблем, возрастает их взаимопроникновение. Новые дисциплины, как правило, в определенном сочетании взаимосвязаны между собой. Например, бионика призванная решать инженерные задачи на основе жизнедеятельности организмов, взаимосвязана с биологией, физикой, химией, кибернетикой, электроникой, связью, навигацией и другими смежными науками, а биофизика-наука, углубленно изучающая сущность биологических явлений с применением методов точных наук, тесно связана с биологией, физикой, химией, математикой и др. Здесь очевиден междисциплинарный подход к решению соответствующих проблем. Такое взаимодействие наук способствует их взаимному обогащению за счет использования приемов, методов и средств одной области знаний в другой и наоборот. Современные проблемы, поставленные нашей жизнедеятельностью, практически не разрешимы усилиями одиночек, силами и средствами отдельно взятых научных дисциплин. Решение крупных проблем нашего времени, поставленных перед наукой, возможно при проведении комплексных исследований, проводимых силами и средствами различных областей знаний. В качестве примера можно привести исследования по экологической проблеме, конечной целью которой является научное регулирование связи «Общество - природа». Мы сегодня являемся свидетелями того, как созданное руками человечества неконтролируемое воздействие технической цивилизации на окружающую нас природу приводит к серьезным негативным последствиям. Здесь, видимо, необходимо понимание того, что мы должны работать не на покорение природы, а на то, чтобы овладеть ее закономерностями и гармонично вписаться в ее законы. Лучшие умы человечества, работающие над созданием орудий и средств самоуничтожения, необходимо направить на познание окружающего нас мира - приспособиться в нем и улучшать условия жизни, живя в согласии с природой.
Эта цель может быть достигнута только совокупными усилиями технических наук, наук о Земле, медицины, математики, экономики и др. Комплексный подход к решению возникших проблем должен привести к более полному познанию законов развития природы, которые нам, видимо, знакомы пока лишь в самом общем виде. Общепризнанным фактом является то, что в последние десятилетия происходит слияние науки, технологии и техническо-производственной деятельности. В этой связи, вторжение научно-технических достижений в область медицины также надо считать закономерным явлением. В предлагаемом обзорном курсе лекций рассматриваются ряд современных научно-технических достижений, трансформированных в область медицины (лазеры и др.). Целью курса лекций является расширение круга знаний студентов за счет их ознакомления с научно-техническими достижениями в смежных областях, влияющих на развитие сферы непосредственной деятельности будущих специалистов по медико-биологической технике. Авторы придерживались следующего построения лекций: - краткие сведения (напоминания) по разбираемой теме, известные студентам из ранее накопленного им объема знаний; - современное состояние обсуждаемой проблемы; - практическое воплощение рассматриваемого вопроса в технике и медицине.
1. Лазеры 1.1. Об истории создания лазера 1916 г. - Эйнштейн предсказывает возможность получения стимулированного излучения. 1940 г. - советский ученый В.А. Фабрикант формулирует условия получения стимулированного излучения. 1952 г. - В.А. Фабрикант, Ф.А. Бутаева и М.М. Вудынский проводят лабораторный эксперимент с использованием неравновесной среды и получают усиление оптического излучения. 1959-1960 гг. - созданы лазеры на рубине и газовой среде. 1959 г. – академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров удостоены Ленинской премии за создание и разработку нового метода генерации и усиления. 1964 г. - академики Н.Г. Басов и А.М. Прохоров совместно с американским ученым Ч.Таунсом удостоены Нобелевской премии по физике за разработку и внедрение квантовой электроники. 1970-1972 гг. - отечественная промышленность освоила выпуск ряда твердотельных, газовых и полупроводниковых лазеров 1971 г. - член-корреспондент АНСССР Ю.Н. Денисюк удостоен Ленинской премии за развитие голографии с записью в трехмерной среде. 1973-1976 гг. - создан ряд отечественных дальномеров с использованием лазеров в качестве источника излучения 1977-1979 гг. - лазеры внедряются в промышленности, медицине, геодезии, приборостроении, строительстве, химии и др. 1.2 Электромагнитное излучение Лазерное излучение - электромагнитное излучение, имеющие определенные свойства, присущие только ему. Электромагнитные волны распространяются в пространстве (вакууме) со скоростью света „с” во все стороны от источника. Радиоволны, свет, рентгеновские и гамма-излучения имеют одну электромагнитную природу в любой части спектра и отличаются длиной волны. Длина волны λ и частота колебаний ν всех типов электромагнитного излучения связаны соотношением λ=с/ν,
Отсюда следует, что длина волны возрастает с уменьшением частоты.
Рисунок 1.1 - Основные участки электромагнитного спектра На рисунке 1.1 показаны основные участки электромагнитного спектра с указанием длин волн и частот. Резкой границей между различными участками спектра нет. Они определены условно в соответствии с разными способами взаимодействия различных типов излучения с материей. Кроме волновых характеристик электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими частицам. Источник колебаний излучает в пространство электромагнитное поле, несущее в себе энергию. Оказывается, что оно уносит эту энергию от источника колебания порциями. Притом, частота колебаний различных электромагнитных полей или длина их электромагнитных волн отличаются одна от другой величинами излучаемых порций световой энергии. Эти порции называются квантами или фотонами. Каждый фотон несет дискретное количество энергии, которая определяется зависимостью: E=hc/λ=hν, где h- постоянная Планка. Отсюда видно, что энергия фотона увеличивается по мере уменьшения длины волны и увеличения частоты. Таким образом, электромагнитное излучение обладает свойствами, присущими волнам и частицам: при одних случаях взаимодействия оно ведет себя как волна, а при других как частица. Считается, что в большинстве случаев взаимодействия света с веществом его квантовые свойства проявляются сильнее, чем волновые. Лазерному излучению так же присущи свойства, как волн, так и частиц. В литературе приводятся сведения о том, что в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра лазерное излучение проявляет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей,
являет себя как поток электромагнитных волн, а в области гамма лучей, как поток частиц. В настоящее время пригодные для практических целей лазеры работают в диапазоне длин волн от 0,3 до 10 мкм. На рисунке 1.2 даны длины волн излучения наиболее распространенных лазеров.
Рисунок 1.2 - Длины волн излучения наиболее распространенных лазеров
1.3 Краткие сведения о лазерах Одним из качественно новых технологических процессов, все шире внедряемых в производство, являются лазерные технологии. В их основе лежит тепловое воздействие на материалы электромагнитного излучения, создаваемого оптическими генераторами - лазерами. Возможности сфокусированного пучка лазерного излучения уникальны. Процесс обработки лазерным лучом отличается от традиционных методов обработки отсутствием контактных явлений в зоне обработки, минимальной зоной теплового воздействия, универсальностью сфокусированного пучка-инструмента и возможностью автоматизации процесса. 1.3.1 Основные понятия В атомах электроны вращаются вокруг ядер по орбитам, составляющим дискретные электронные слои. Вращающиеся электроны обладают энергией, зависящей от расстояния данного слоя от ядра. Таким образом, можно рассматривать систему уровней энергии, которые составляют энергетический спектр атома или молекулы.
Наименьшее возможное энергетическое состояние атома является устойчивым (основное состояние). Переход атома или молекулы в более высокое энергетическое состояние связано с его возбуждением. Число частиц в единице объема вещества, имеющих данный уровень энергии, называют населенностью энергетического уровня. В возбужденном состоянии населенность верхних энергетических уровней повышенная. Это явление называется инверсией населенности. Снижение энергии происходит за счет ее выделения в виде квантов. Это, так называемый, излучательный квантовый переход. Энергия может снижаться и за счет безызлучательных переходов (за счет передачи избытка энергии другим частицам или усиления теплового колебания решеток). Излучательные квантовые переходы могут быть самопроизвольными (спонтанными) и вынужденными. Спонтанное излучение происходит случайно, кванты испускаются хаотично в разные моменты времени и в разных направлениях в пространстве. Поэтому такое излучение является некогерентным и широко полосным по спектру. Вынужденное излучение инициируется поглощением попадающих в вещество квантов и созданием инверсии населенности. При вынужденном излучении в процесс вовлекаются как первичные - вынуждающие кванты, так и вторичные, испускаемые возбужденным атомом. Поэтому выделяемая при этом процессе энергия увеличена. В отличие от спонтанного излучения, вынужденное является когерентным, оно соответствует частоте, фазе, поляризации и направлению первичного излучения. 1.3.2 Принцип работы лазеров В основе работы лазеров лежат три явления: поглощение веществом энергии, спонтанное и вынужденное излучения возбужденной системы атомов. Осуществление инверсии населенности в веществе может быть осуществлено за счет поглощения энергии внешнего электромагнитного излучения или другими воздействиями (например, электронным возбуждением). Такие процессы условно называют «накачкой». Следует заметить, что хотя возбужденные атомы могут иметь большое количество энергетических уровней, переходы возможны только между двумя соседними.
Рисунок 1.3 - Схемы накачки: а - трехуровневая схема; б - четырехуровневая накачка На рисунке 1.3. в качестве примера рассмотрены схемы оптической накачки и получения лазерного излучения при наличии трех и четырех энергетических уровней. Первая схема реализована Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым (1955г.) в активной среде рубина с примесью хрома. В результате оптической накачки повышается энергия на уровне 3 за счет перевода атомов с основного в возбужденное состояние и осуществляется переход 3→2 в ионах хрома безызлучательным путем. Вероятность перехода 3→2 значительно больше, чем 2→1, в силу чего происходит накопление энергии на уровне 2. Поскольку создается инверсия населенностей, возникает вынужденное излучение 2→1. При четырехуровневой схеме (неодимовое стекло и кристалл граната с примесью ионов неодима) за счет накачки повышается энергия четвертого уровня ионов неодима. Здесь вероятности переходов 4→3и 2→1, осуществляемых безызлучательными процессами, больше, чем квантового перехода 3 →2. Поэтому на уровне 3 создаётся инверсия населенности и возникает лазерное излучение 3→2. Важным условием работы лазера является усиление лазерного излучения в так называемых активных средах из-за лавинного размножения квантов излучения. Понятно, что чем больше активной среды и уровень накачки, тем больше интенсивность выходящего из нее излучения. С помощью плоскопараллельных зеркал, одно из которых полупрозрачно, можно удлинить прохождение излучения в активной среде и создать условия для его усиления и генерирования. На рисунке 1.4 схематично показан резонатор, основанный на этом принципе.
1 – глухое зеркало; 2 – активная среда; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – излучение; • - невозбужденные атомы (основное состояние); ° - возбужденные атомы Рисунок 1.4 - Схема работы активной среды в резонаторе с плоскопараллельными зеркалами Первоначально рисунок 1.4а все атомы активной среды (вещества) находятся в основном состоянии, кроме трех. Внешнее электромагнитное поле переводит часть атомов в возбужденное состояние - происходит процесс поглощения рисунок 1.4б. При этом спонтанно возникшие фотоны рисунок 1.4в, двигающиеся вдоль оси активной среды, отражаясь от зеркал резонатора рисунок 1.4 г,д, каждый раз будут вызывать вынужденное излучение идентичных фотонов. Спонтанно излученные фотоны рисунок 1.4в, имеющие другие направления, будут выходить из активной среды. Вынужденное излучение возбужденных атомов приведет к лавинному процессу рождения фотонов, подобных первичным рисунок 1.4г,д. Этот процесс будет продолжаться до того времени рисунок 1.4е, пока интенсивность излучения достигнет своего порогового значения, после чего появится направленный пучок лазерного излучения 4. В целях получения генерации электромагнитной волны также необходимо, чтобы усиление в активной среде компенсировало все возможные потери энергии: за счет выхода излучения из резонатора через зеркало, дифракционных потерь в резонаторе, потерь за счет рассеивания излучения и нагре-
ва стенок резонатора и т.д. Следовательно, генерация начнется только тогда, когда усиление в активной среде превысит некоторое пороговое значение. Таким образом, для создания лазера - (источника когерентного света) необходимы следующие условия: а) Наличие активной среды с инверсной населенностью; б) Активная среда должна быть помещена в резонатор; в) Усиление активной среды должно быть больше некоторого порогового значения. В настоящее время для различной обработки материалов при помощи лазерного излучения в основном применяются твердотельные и газовые лазеры. Лазеры, в которых в качестве активной среды используются твердое тело с ионами, играющими роль активных центров (например, стержень из стекла или алюмоиттриевого граната, активированный неодимом), называются твердотельным. Лазеры, в которых в качестве активной среды используются газы или их смеси (например, аргон или смесь газов из углекислого газа, азота и гелия), называют газовыми. Те и другие лазеры конструктивно могут быть исполнены для работы в импульсном, импульсно-периодическом и непрерывном режимах излучения. Импульсный режим работы лазера характеризуется одиночными импульсами лазерного излучения, следующими друг за другом через заданный промежуток времени. Импульсно-периодический режим работы сопровождается непрерывными сериями импульсов с короткими временными промежутками между ними. При отсутствии промежутков между импульсами режим работы называется непрерывным. Принципиальная схема твердотелых лазеров показана на рисунке 1.5. Активный элемент 1, лампа накачки 5 и отражатель 4 составляют узел, называемый квантроном. Он охлаждается дистиллированной водой (внутренний контур охлаждения). Наружный контур охлаждения лазера подключается к водопроводной сети. Квантрон, помещенный в резонатор (заключенный между зеркалами 2,3), превращается в генератор (излучатель) лазерного излучения. Источник 6 питания лазера предназначен для обеспечения работы его излучателя в определенном режиме работы.
1 – активный элемент; 2,3 – резонатор; 4 – отражатель; 5 – лампа накачки; 6 – источник питания. Рисунок 1.5 - Принципиальная схема твердотельного лазера: Из твердотельных лазеров наибольшее распространение в машиностроении для обработки материалов получили лазеры на рубине, стекле с неодимом и на гранатах с неодимом. Лазеры на стекле с неодимом и на алюмоиттриевом гранате (АИГ) с неодимом генерируют излучение на длине волны λ=1,06 мкм. Дальнейшее развитие твердотельных лазеров связано с созданием новых активных элементов, многокаскадных усилителей и многоканальных систем, сокращением длительности импульса. Из газовых лазеров для обработки материалов наиболее приемлемыми оказались лазеры на углекислом газе, обладающие достаточными мощностями и работающие на различных режимах излучения на длине волны 10,6 мкм. В этих лазерах увеличение снимаемой мощности происходит за счет добавления к рабочему газу СО2 молекулярного азота и гелия. Эта смесь газов подается в газоразрядную полость. При приложении электрического поля молекулы СО2 и N2 возбуждаются и создаются их вынужденные колебания. Молекулы N2, сталкиваясь с молекулами СО2, повышают их энергетический уровень за счет передачи своей энергии. После чего молекулы СО2, переходя на более низкий энергетический уровень, испускают лазерное излучение. При этом молекулы Не (благодаря высокой подвижности атомов) служат для охлаждения рабочей смеси, способствуют расселению нижнего энергетического уровня и стабилизируют разряд. Для поддержания работоспособности газовой смеси в процессе работы в конструкциях лазеров предусматривается подача свежих газов в газоразрядную полость излучателя.
В процессе работы лазера происходит повышение температуры рабочей смеси газов, приводящее к снижению его выходной мощности. Для устранения этого явления возникает необходимость в охлаждении этой смеси. В СО2 лазерах с медленной прокачкой газовой смеси отвод тепла из зоны разряда осуществляется охлаждающей жидкостью (водой) через стенки газоразрядной полости (диффузионное охлаждение). Газоразрядные лазеры с медленной прокачкой газовой смеси – это лазеры первого поколения. Требования производства привели к созданию более мощных технологических СО2 лазеров. Их создание оказалось возможным за счет применения другого способа отвода тепла из зоны разряда. В этом случае отвод тепла происходит заменой нагретой части смеси на свежую газовую смесь (конвективное охлаждение). Ввиду того, что в этих лазерах прокачка смеси газов производится с большой скоростью, они называются газоразрядными лазерами с быстрой прокачкой. По ориентации направлений распространения пучка лазерного излучения, прокачки (потока) газовой смеси и возбуждающего электрического разряда разработаны следующие виды конструкций лазерных СО2 излучателей с быстрой прокачкой (рисунок 1.6): - направления пучка лазерного излучения, прокачки газовой смеси и электрического разряда совпадают рисунок 1.6а - быстро проточные газоразрядные лазеры с продольной прокачкой; - направления пучка лазерного излучения и прокачки взаимно перпендикулярны рисунок 1.6.б, а направление возбуждающего разряда совпадает с направлением потока газовой смеси рисунок 1.6.б.I или же перпендикулярно к ней рисунок 1.6.б.II – быстро проточные газоразрядные лазеры с поперечной прокачкой. Эти лазеры могут работать в различных (например, непрерывном, импульсно-периодическом) режимах излучения. Интересная и перспективная конструкция лазера с поперечной прокачкой описана в докладе P. Hoffman. The start of new generation of CO2 lasers for industry. Создана конструкция промышленного СО2 лазера рисунок 1.6в с компактным излучателем, с поперечной быстрой прокачкой газовой смеси с общим объемом около 0.3 м3 , весом менее 100 кг и мощностью излучения 1 кВт. Излучатель имеет две газоразрядные полости с противоположными направлениями прокачки, которые соединены в замкнутую систему, включающую теплообменники для охлаждения газовой смеси и компрессор. Газоразрядные участки обеих полостей оптически соединены «U» – образным резонатором с отклоняющими зеркалами 10 рисунок 1.6.в.I. Возбуждение газовой смеси осуществляется ВЧ электрическим разрядом. Коэффициент полезного действия современных промышленных СО2 лазеров достаточно высок и колеблется в пределах 20- 30%.
Рис 1.6 - Принципиальные схемы быстропроточных СО2 лазеров: а) с продольной прокачкой; б), в) с поперечной прокачкой; 1 – непрозрачное (глухое) зеркало резонатора; 2 – полупрозрачное зеркало резонатора; 3 – газоразрядная полость излучателя; 4 – теплообменник; 5 – электроды; 6 – направление потока газовой смеси; 7 – лазарное излучение; 8 – высокое напряжение; 9 – компрессор; 10 – отклоняющее зеркало. 1.3.3 Основные свойства лазерного излучения Широкое использование лазеров для различных практических целей обусловлено некоторыми уникальными свойствами их излучения. Когерентность как свойство лазерного излучения представляет собой согласованное протекание во времени ряда волновых процессов. Направленность обусловлена тем, что активная среда помещена между двумя плоскопараллельными зеркалами (открытый резонатор). В резонаторе же могут поддерживаться только те электромагнитные волны, которые распространяются в близком к оси направлении или вдоль его оси. Направленность характеризуется углом расходимости пучка лазерного излучения, который колеблется от нескольких угловых секунд до нескольких угловых минут. Это свойство пучка лазерного излучения имеет большое практическое значение в связи, локации и в других областях техники. Лазерное излучение имеет определенный интервал частоты, обычно очень узкий. Это свойство называют монохроматичностью излучения. Моно-
хроматичность связана с определенностью квантового перехода, генерации и усиления излучения только на определенных частотах резонатора. Яркость. Лазер даже небольшой мощности имеет яркость, которая на несколько порядков превосходит яркость обычных источников. Это свойство является следствием высокой направленности пучка лазерного излучения. В импульсных лазерах излучение длится малые доли секунды, поэтому даже при небольшой величине излучаемой энергии лазера его мощность значительна. Обычно импульсные лазеры характеризуются излучаемой энергией в Джоулях, тогда как непрерывные - мощностью в Ваттах. Плотность мощности излучения (Wр) определяется как мощность излучения, падающего на единицу облучаемой поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного пучка. Для лазерных установок импульсного действия пользуются понятием плотности энергии Wе (энергия излучения, падающая на единицу поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению лазерного луча). Плотность мощности импульсного лазерного излучения определяется выражением: Wp=E/Sτu, где τu – длительность импульсов лазерного излучения, с Wp, We - зависят от энергетических и временных параметров, а также от условий фокусировки излучения. S – площадь облучаемой поверхности, м2 1.3.4 Фокусировка пучка лазерного излучения Пучок лазерного излучения, выходящий из резонатора, сфокусировать в математическую точку нельзя потому, что существует какой-то минимально допустимый размер пятна, определяемый дифракцией. Кроме того, в следствии присущих любой оптической системе аберраций также происходит увеличение размера фокального пятна. По этим причинам фокальное пятно получается не только увеличенным в диаметре, но и вытянутым вдоль оси оптической системы и характеризуется глубиной фокуса l . Таким образом, выбирая оптическую систему для фокусирования пучка лазерного излучения необходимо учитывать зависимость между двумя ее параметрами - размером сфокусированного пятна и глубиной фокуса. При рассмотрении оптических систем, работающих совместно с лазерами, обычно предполагают, что каждая точка сечения пучка лазерного излучения испускает пучок геометрических лучей с углом расходимости θ. Ось такого пучка параллельна оси оптической системы. Следовательно, структура излучения представляется в виде набора пучков параллельных лучей, равномерно заполняющих угол расходимости.
На рисунке 1.7. показана схема расходимости и фокусировки пучка лазерного излучения.
Рис 1.7 - Расходимость и фокусировка пучка лазерного излучения: r1 и r2 - радиусы кривизны зеркал резонатора; d 0 - диаметр перетяжки пучка в резонаторе; θ - угол расходимости пучка; f - фокусное расстояние линзы; l f - расстояние от фокуса пучка до линзы; d f - диаметр пучка в фокусе; D - диаметр пучка в месте его выхода из резонатора; d - диаметр перетяжки пучка лазерного излучения; l - глубина фокуса; l 1 - расстояние от линзы до выходного зеркала резонатора. На каустике (поверхность в продольном сечении сфокусированного пучка лазерного излучения, которая является зоной концентрации световой энергии) имеются две характерные плоскости: фокальная плоскость и плоскость изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы. Расстояние между фокальной плоскостью и плоскостью изображения l зависит от расстояния между оптической системой и излучателем l 1 (см. рисунок 1.7.). Способ обработки, при котором поверхность облучения совмещена с фокальной плоскостью, называют обработкой в дальней зоне. Он является наиболее распространенным при получении круглых отверстий. Способ же обработки, когда поверхность облучения совмещена с плоскостью изображения излучающего торца или ограничительной диафрагмы, называют способом обработки в ближней зоне. Пространственное распределение излучения в дальней зоне характеризуется наложением полей всех участвующих в генерации мод и имеет вид гауссовой кривой; зона обработки при этом не имеет ярко выраженных границ. Пространственное распределение излучения в ближней зоне повторяет в определенном масштабе распределение поля в излучателе, равномерность которого определяется режимом работы лазера. Зона воздействия излучения в этом случае обычно четко ограничена. Положение фокуса сфокусированного пучка лазерного излучения относительно обрабатываемой поверхности определяет параметры обработки (например, диаметр и глубину). Фокусировка луча над поверхностью, на поверхности и под поверхностью обрабатываемого материала дает различные конечные результаты. Например, при прочих равных условиях фокусировка луча под поверхностью обрабатываемого материала позволяет получать более широкий рез.
Сфокусированный пучок лазерного излучения обладает следующими основными преимуществами перед традиционными металлорежущими инструментами: - с одинаковым успехом может быть использован для обработки твердых и мягких материалов, отличных по своим физико-механическим свойствам; - отсутствует механический контакт с обрабатываемой деталью и, следовательно, износ и вибрация от инструмента; - отсутствует стружка; - не применяется СОЖ; - малая тепловая нагрузка на обрабатываемую деталь; - возможна работа совместно с технологическими газами без дополнительных дорогостоящих устройств; - отпадает необходимость в приобретении, хранении и содержании обрабатывающих инструментов. Таким образом, пучок лазерного излучения является одним из наиболее гибких универсальных инструментов. Им можно обрабатывать материалы с различными свойствами: разные металлы и сплавы в состоянии поставки или после соответствующей термообработки, а также неметаллы (пластмассы, резину, стекло, кристаллы, дерево и т.д.). Пучком лазерного излучения можно гравировать, проводить нанесение покрытий для увеличения износостойкости и т.п. Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча зависит от распределения электромагнитного поля, формируемого в резонаторе, и, следовательно, от его типа и конструкции.
Рисунок 1.8 - Пространственное распределение интенсивности энергии по сечению лазерного луча: а- одномодовое; б- многомодовое Лазерные излучатели, у которых распределение энергии выходного луча во времени и пространстве соответствует вращательно – симметричному гауссовому (нормальному) распределению (рисунок. 1.8 а), называют одномодовыми и обозначают символами ТЕМоо, а лазерные излучатели, у кото-
рых распределение энергии луча, не соответствует этому условию, называют многомодовым (рисунок.1.8.б.) – (ТЕМmn). На схеме (рис 1.9.) показаны устойчивые (с диафрагмой и без нее) – (а,б,в) – и неустойчивый (-г-) резонаторы и соответствующее им распределение энергии по сечению лазерного луча. В устойчивых резонаторах за счет увеличения диаметра диафрагмы можно от нормальной моды излучения (ТЕМоо), имеющего высокую фокусирующую способность, перейти к многомодовому режиму излучения ТЕМmn, обеспечивающему усредненное распределение энергии по лучу. В неустойчивом резонаторе способность к фокусировке излучения зависит от отношения между внешним и внутренним диаметрами выходного луча кольцевой формы (коэффициент М). Путем увеличения значения М можно повысить фокусирующую способность лазерного луча. Промышленные излучатели, в основном, конструктивно выполнены так, что они способны генерировать лазерное излучение только с определенным распределением энергии по сечению луча. Поэтому для каждого вида лазерной обработки материалов (резка, сварка, термоупрочнение и т.д.) выбирают соответствующий излучатель.
Рисунок 1.9 - Распределение интенсивности лазерного луча в зависимости от конструкции резонатора: а, б, в – устойчивые резонаторы; г – неустойчивый резонатор 1 - непрозрачное (глухое) зеркало; 2 – диафрагма; 3 – полупрозрачное зеркало; 4 – отклоняющее зеркало; 5 – выходное зеркало; 6,7 – одиночные моды. Так, для лазерной резки материалов наиболее приемлемыми являются излучатели, работающие на одно (а) – или двух (б) – модовом режимах, ввиду того ,что в этих случаях при фокусировке луча можно получить «острый» луч, имеющий в фокусе (в зависимости от излучаемой моды и качества оптической системы) диаметр от 0,1 до 0,3 мм., у излучателя, работающего на многомодовом режиме, значение этого диаметра доходит до 0,5-0,6 мм. Это приводит к падению плотности мощности, увеличению ширины реза и, следовательно, к снижению технологических возможностей такого лазера. Лазерные сварочные операции обычно выполняются в многомодовом (в) режиме излучения, обеспечивающем равномерное плавление свариваемых участков металла. Когда требуется более глубоко проплавление металла, используют кольцевой (г) режим излучения. Для выполнения операции лазерного поверхностного термоупрочнения, где требуются относительно небольшие плотности мощности, но желательны увеличенные диаметры луча в фокальной плоскости, используют многомодовое излучение. 1.4 Краткое описание некоторых лазерных установок Вспомним принцип работы и некоторые конструктивные особенности лазеров, наиболее широко применяемых на машиностроительных заводах и в медицинских лечебных учреждениях.
На наш взгляд, к таковым относятся аргоновые, гелий - неоновые, СО2,АИГ (ИАГ):Nd-3 лазеры. В газовых лазерах электроны атомов рабочего газа обладают большим количеством возможных энергетических уровней, но из них, в основном, только одна пара служит для генерации излучения, а остальные подавляются за счет принятия специальных мер. 1.4.1 Аргоновый лазер Аргоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров, генерирующих на переходах между уровнями ионов главным образом в сине - зеленой части видимой и ближней ультрафиолетовой областях спектра. Обычно этот лазер излучает на длинах волн 0,488 мкм и 0,515 мкм., а также в ультрафиолете на длинах волн 0,3511 мкм и 0,3638 мкм. Мощность может достигнуть 150 Вт (промышленные образцы 2 ÷ 10 Вт, срок службы в пределах 100 часов). Схема конструкции аргонового лазера с возбуждением от постоянного тока показан на Рисунок 1.10.
Рисунок 1.10 - Схема конструкции аргонового лазера 1 – выходные окна лазера; 2 – катод; 3 – канал водяного охлаждения; 4 – газоразрядная трубка (капилляр); 5 – магниты; 6 – анод; 7 – обводная газовая трубка; 8 – глухое зеркало; 9 – полупрозрачное зеркало. Газовый разряд создается в тонкой газоразрядной трубке (4), диаметром 5 мм – в капилляре, которая охлаждается жидкостью. Рабочее давление газа в пределах десятки Па. Магниты (5) создают магнитное поле для "отжимания" разряда от стенок газоразрядной трубки, что не позволяет разряду касаться ее стенок. Эта мера позволяет повышать выходную мощность лазерного излучения за счёт снижения скорости релаксации возбужденных ионов, происходящую в результате соударения со стенками трубки. Обводной канал (7) предназначен для выравнивания давления по длине газоразрядной трубки (4) и обеспечения свободной циркуляции газа. При отсутствии такого канала газ скапливается в анодной части трубки после включе-
ния дугового разряда, что может привести к его гашению. Механизм сказанного следующий. Под действием электрического поля, приложенного между катодом (2) и анодом (6) , электроны устремляются к аноду 6, повышая давление газа у анода. Это требует выравнивания давления газа в газоразрядной трубке для обеспечения нормального течения процесса, что осуществляется посредством обводной трубки (7). Для ионизации нейтральных атомов аргона требуется через газ пропускать ток плотностью до нескольких тысяч ампер на квадратный сантиметр. Поэтому нужно эффективное охлаждение газоразрядной трубки. Основные области применения аргоновых лазеров: фотохимия, термообработка, медицина. Аргоновый лазер, благодаря своей высокой избирательности по отношению автогенным хромофорам, применяется в офтальмологии и дерматологии. Считается, что особенно перспективно использование в медицине коротковолнового ультрафиолетового излучения с λ = 0,26 мкм, которое на 90 % поглощается нуклеиновыми кислотами и только на 10 % - белками. 1.4.2 Гелий - неоновый лазер Гелий - неоновый лазер относится к типу газоразрядных лазеров на атомах нейтральных газов. Активная среда этого лазера - смесь нейтральных газов гелия и неона. Современные гелий - неоновые лазеры ЛГ - 55, ЛГ - 72, ЛГ - 78, ОКГ 13 и другие. Их разделяют на: - маломощные (малогабаритные) от 0,1 до 2,0 мВт. Длина излучателя 300 мм. Работают на λ = 0,633 мкм; - средней мощности от 2,5 до 15 мВт; λ= 0,63 и 1,15 мкм.; - мощные лазеры от 20 до 60 мВт, снабженные иногда комплектом дополнительных принадлежностей для выделения одной частоты селекции различных длин волн (0,63; 1,15 и 3,39 мкм), стабилизации мощности и пр.; - лазеры специального назначения самых различных конструкций, с СВЧ накачкой и др. λ= 0,63 мкм - видимая часть спектра (красная линия излучения неона). λ= 1,15 и 3,39 мкм - инфракрасная часть спектра. Долговечность гелий - неоновых лазеров до 10000 ч и более. Экспериментально установлено, что отношение Не к Ne по максимуму мощности излучения должно составлять 5:1 - 10:1 в зависимости от диаметра трубки (для малых диаметров отношение больше). Разрядный ток равняется от 5 до 50 мА, а плотность тока исчисляется в мА/см2. В гелий - неоновом лазере давление газовой смеси в газоразрядной трубке имеет порядок 1мм.рт.ст. При этом пропорциональное давление гелия
примерно в 5 - 10 раз выше давления неона. В гелий - неоновых лазерах генерация происходит на переходах между уровнями нейтральных атомов неона (рабочий газ). Гелий - вспомогательный (буферный) газ. В процессе газового разряда "активная" среда создается за счет столкновения атомов с электронами, что переводит электроны в атомах не только на верхний уровень, но и на остальные уровни, бесполезно растрачивая энергию. Чтобы их перевести исключительно на нужный уровень, к основному газу подмешивают вспомогательный (гелий). Сам он не генерирует света, но зато обладает полезной особенностью: его электроны под действием разряда скапливаются практически только на одном уровне. При этом энергия уровней неона практически совпадает с энергией метастабильных уровней гелия. При столкновении "возбужденного" атома гелия с невозбужденным атомом рабочего газа, атом гелия резонансно передает последнему свою избыточную энергию. Вследствие чего электрон в атоме гелия переходит в свой нижний уровень, а электрон рабочего атома перейдет на более высокий и к тому же вполне определенный уровень, номер которого зависит от величины избыточной энергии электрона в возбужденном атоме гелия. Иначе говоря, при соударении атомы неона возбуждаются до определенных уровней, а атомы гелия переходят в нижнее основное состояние без излучения. Таким образом, энергия электронов вспомогательного газа тратится в основном только на создание "активной среды" (инверсии населенностей). В гелий - неоновом лазере газовая смесь находится в трубке. Мощность генерации в значительной мере зависит от диаметра газоразрядной трубки. Установлено, что диаметр разрядной трубки составляет 1 ÷ 9 мм. При этом меньшие значения относятся к трубкам длиной до 300 мм, большие к трубкам длиной до 2 000 мм. На рисунок 1.11 дано схематическое изображение оптической части гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с жестким креплением зеркал резонатора 2 и 10. Гелий - неоновые лазеры часто конструктивно выполняются с поворотными зеркалами для обеспечения юстировки.
Рисунок 1.11 -Конструктивная схема генератора гелий - неонового лазера ОКГ – 13: 1 – газоразрядная трубка; 2, 10 – зеркала резонатора; 3 – специальные вкладыши; 4 – кольца; 5 – корпус; 6 – винты; 7 – насадки; 8 – выходное окно; 9 – разъем для подключения прибора. Газоразрядная трубка 1 зажимается в специальных вкладышах 3, на которые одеты и закреплены кольца 4 (для того, чтобы не затемнять схему выносными цифрами обозначена только одна из подобных деталей). Крепление трубки 1 в корпусе 5 осуществляется в двух плоскостях посредством четырех винтов 6 в каждой плоскости. Такое крепление трубки позволяет произвести установку газоразрядной трубки вдоль оптической оси резонатора (оси зеркал) - юстировку. Для уменьшения потерь выходные окна 8, представляющие собой плоско - параллельные пластины, расположены под углом Брюстера. При таком расположении окон отражение от его торцовых пластин минимально, так как излучение имеет плоскую поляризацию. Торцовые поверхности корпуса (5) обработаны с такой точностью, чтобы обеспечить совпадение оптических осей зеркал, прижатых к этим поверхностям. Зеркала резонатора (2) и (10) прижимаются к торцовым поверхностям с помощью насадок (7). Для защиты рабочих поверхностей зеркал и выходных окон трубки от действия пыли и влаги в приборе предусмотрена герметизация пассивной части резонатора, осуществляемая резиновыми манжетами (на рисунке не показаны). На Рисунок 1.12 дан общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов.
Рисунок 1.12 Общий вид гелий - неонового лазера ОКГ - 13 с блоками питания и резисторов Области применения гелий - неоновых лазеров - измерительная техника, научные исследования, медицина. В медицинской практике гелий - неоновые лазеры используются в офтальмологии и терапии. 1.4.3 СО2 лазер СО2-лазер, работающий на смеси углекислого газа, азота и гелия, является молекулярным газоразрядным лазером. Он достаточно широко распространен в промышленности и применяется в медицине. Принципиальные схемы (см. рисунок 1.6) и краткое описание принципа действия этих лазеров дано на странице 16 В этих лазерах выходная мощность и КПД не зависят от диаметра газоразрядной трубки. Это обстоятельство позволяет применять газоразрядные трубки относительно большого диаметра (до 40 ÷ 70 мм), для которых легче выполнять систему охлаждения. Соотношение газов в смеси (СО2 : N2 : He) составляет соответственно 1:5:10.Но эти значения примерные и могут колебаться в определенных пределах. Обычно СО2 лазеры излучают на длине волны равной 10,6 мкм. В промышленности такие лазеры применяются в основном для резки и термоупрочнения материалов, а в медицине - в качестве скальпеля. Недостатком таких лазеров в настоящее время считается их слабая проводимость излучения по стекловолоконному кабелю.
Рис 1.13 Лазерная технологическая система "Искар 500"
Рис 1.14 Лазерные хирургические установки: а - " Скальпель – 1"; б- "Ромашка"
На рисунке 1.13 показана лазерная технологическая система "Искар 500", применяемая в промышленности для резки различных материалов (сталь конструкционная до 5 мм), мощностью излучения 500Вт. Для сравнения на рисунок 1.14 даны общие виды медицинских СО2 лазеров " Скальпель1" и "Ромашка", применяемые в хирургии взамен скальпеля и имеющие мощность на выходе из световода соответственно не менее 20 Вт и 80 Вт. Генерацию мощности, равную десяткам ватт (от 1 Вт до 100 Вт) можно получить в СО2 лазерах с отпаянной трубкой. Газоразрядная трубка этих лазеров заполняется смесью вышеуказанных газов и отпаивается. В качестве примера отпаянного лазера можно привести лазер марки ИЛГН - 70 с мощностью излучения 60 Вт. Ресурс работы отпаянной газоразрядной трубки подобных лазеров составляет примерно 500 часов и более. Затем трубка должна быть заменена или вновь заполнена свежей газовой смесью. Мы рассмотрели некоторые газоразрядные лазеры. Остается добавить, что практически любой газоразрядный лазер при определенном конструктивном решении способен работать и в импульсном режиме. 1.4.4 Лазер на алюминий- иттровом гранате с неодимом Лазер на алюминий - иттровом гранате - твердотельный. В твердотельном активном элементе различают матрицу (основу) и введенный в матрицу активатор (активный центр). Используются как кристаллические, так и аморфные (стеклянные) матрицы. ИАГ лазеры - одни из наиболее широко используемых в настоящее время твердотельных лазеров. Активный элемент этих лазеров - кристаллический, в котором матрицей служит иттрий - алюминиевый гранат (Y3Al5O12), а активатором - ионы Nd3+. Принятое обозначение этих лазеров ИАГ : Nd3+ (АИГ : Nd3+ и Nd - YAG). Длина волны излучения равна 1,06 мкм. Накачка - оптическая. Основные переходы иона неодима совершаются по четырехуровневой схеме (см. рисунок 1.3.). Принципиальная схема работы дана на рисунок 1.5. Эти лазеры имеют сравнительно низкий порог возбуждения. Лазерная генерация может быть реализована как в непрерывном, так и в импульсном режимах. КПД достигает нескольких процентов и считается достаточно высоким для твердотельных лазеров. В промышленности ИАГ лазеры (например: ЛТН - 102А, ЛТН - 103 др.) применяются для резки различных материалов. Существуют специальные лазерно-технологические системы для нанесения различной информаций на поверхностях деталей, узлов и машин методом лазерной гравировки. Для этих целей также применяют ИАГ лазеры.
На рисунке 1.15 показано промышленное оборудование "Опал 50" для гравировки, оснащенный ИАГ лазером с мощностью генерации 80 Вт.
Рис 1.15 Лазерная технологическая система "Опал 50" для гравировки материалов, оснащенная ИАГ лазером
Рис 1.16 Основной модуль лазерной медицинской системы 405 - 4А 6 – микропроцессорное управление; 7 – принтер для документирования операций; 9 – адаптер для включения исполнительных устройств; 11 – педаль для дублированного запуска системы. На рисунке 1.16 дан общий вид основного модуля лазерной медицинской системы 405 - 4А (Болгария), имеющей широкий спектр применения. В состав основного модуля входят: лазерный непрерывный излучатель (АИГ: Nd3+) с выходной максимальной мощностью 60 или 100 Вт., блок питания лазера, встроенное водяное охлаждение, гелий - неоновый лазер (трассирующий луч), встроенный измеритель мощности, информационная панель для слежения за состоянием системы, линия дозировки газовой среды, которые вмонтированы в корпус модуля (на рисунке не видны), а так же микропроцессорное управление (6), принтер для документирования операций (7), адаптер для включения исполнительных устройств (9) и педаль (11) для дублированного запуска системы. Программируемые параметры: выходная мощность - от 3 Вт до 60 Вт или от 5 Вт до 100 Вт через 1 Вт, стабилизируется с постоянно действующей обратной связью; диаметр зоны облучения воспринимаемой процессором - от 1 мм до 500 мм; 2 2 плотность мощности - от 1 до 90.000 Вт/см (через 1 вт/см ), стабилизируется с постоянно действующей обратной связью. время экспозиции - от 1 с до 9999 с (через 1 с.)
Документируемые параметры при операции: код врача, суммарное время облучения, график излученной мощности во время операции. Лазер хорошо совмещается с эндоскопическим оборудованием и снабжается гибкими моноволоконными световодами серии 405 - 4А - 200, к которым, в зависимости от конкретных нужд, могут присоединяться различные наконечники. Лазерная медицинская система 405 - 4А нашла применение в общей хирургии, урологии, гинекологии, нейрохирургии, кожной хирургии и т.д. ИАГ лазеры способны коагулировать большие объемы и применяются там, где имеется густая сосудистая сеть - при аномалиях развития и опухолях. Хорошая проводимость стекловолоконным кабелем обеспечивает универсальность их применения. При гибких и жестких эндоскопах он может использоваться для коагуляции кровотечения, аномальных образований и опухолей, а при более высокой мощности и для раскупоривания опухолевых сужений (стенозов). При использовании ручного фокусирующего устройства и соответствующей плотности мощности возможно осуществление резекций на печени, поджелудочной железе, селезенке и почках с одновременной остановкой кровотечения. Кроме рассмотренных лазеров в медицинской практике применяют и другие лазеры: полупроводниковые, эксимерные и т.д. Поэтому выбор установок должен быть произведен только после тщательного анализа достоинств и недостатков их технических характеристик. Общее представление о многообразии существующих в настоящее время лазеров, используемых в различных областях человеческой деятельности, может дать и приведенная в таблице 1.1 классификация лазеров. Этот небольшой раздел курса завершим рассмотрением двух рисунков 1.17 и 1.18, внимательно рассматривая которые, можно прийти к пониманию возможностей лазерной техники и ее применения при проведении тончайших работ: сверление отверстий в человеческом волосе и разрушение почечного камня.
Рис 1.17 Отверстия в человеческом волосе, проделанные с помощью эксимерного лазера
Рис 1.18 Разрушение почечного камня осуществляется с помощью индуцированных лазером ударных волн
1.5 Применение лазеров в медицинской практике 1.5.1 Лазеры в терапии Терапевты используют гелий-неоновые лазеры небольшой мощности, излучающие в видимой области электромагнитного спектра (λ=0,63 мкм). Одной из физиотерапевтических установок является лазерная установка УФЛ-1, предназначенная для лечения острых и хронических заболеваний челюстно-лицевой области; может использоваться для лечения длительно не заживающих язв и ран, а также в травматологии, гинекологии, хирургии (послеоперационный период). Используется биологическая активность красного луча гелий-неонового лазера (мощность излучения 20 мВт, интенсивность излучения на поверхности объекта 50-150 мВт/см2). Есть сведения о том, что указанными лазерами лечат заболевания вен (трофические язвы). Курс лечения состоит из 20-25 десятиминутных сеансов облучения трофической язвы маломощным гелий-неоновым лазером и заканчивается, как правило, полным ее заживлением. Подобный эффект наблюдается и при лечении лазером не заживающих травматических и послеожоговых ран. Отдаленные последствия лазерной терапии при трофических язвах и долго не заживающих ранах проверялись на большом количестве излеченных больных в сроки от двух до семи лет. В течение этих сроков у 97 % бывших больных язвы и раны больше не открывались и только у 3 % наблюдались рецидивы заболевания. Считается, что эффект лечения в этих случаях достигается за счет стимуляции биологических процессов в человеческом организме. Механизм взаимодействия излучения гелий-неонового лазера с длиной волны 0,63 мкм с поверхностью тканей пока еще не вполне ясен. В статье «Модельный анализ основных биологических процессов в низкоинтенсивной лазерной терапии», опубликованный в журнале «Laser market» 01.1995 г., авторы Малов А. И. и Костюк М.Г. излагают свое видение по этому вопросу. Они пишут: «Хорошо известно, что широкое применение низко интенсивной лазерной терапии (НЛТ) в медицине в настоящее время не имеет развитой системы представлений о взаимодействии электромагнитного поля с биологической тканью и любой положительный эффект в НЛТ имеет, как правило, характер в той или иной мере удачной эмпирической находки... «Безучастность» биоорганизма к облучению естественным светом связана с селективностью реакции сложной биомолекулы или клетки на воздействие света различных длин волн. Отсутствие биологического эффекта от естественного света связано с тем, что в этом излучении энергия, приходящаяся на частоту, на которую реагирует некоторая выделенная степень свободы молекулы слишком мала, чтобы создать существенную вероятность возбуждения именно той моды, с которой может быть связан запуск того или иного биологиче-
ского механизма, хотя, в целом, пространственная плотность энергии в естественном свете может быть значительной. Лазерное излучение, попадая в живую ткань, проходит через сложную по структуре среду, имеющую квазижидкокристаллическое строение. Предполагаем один из возможных механизмов взаимодействия лазерного излучения с биовеществом. Когерентное излучение попадая в биовещество изменяет свое пространственное распределение интенсивности за счет оптической анизотропии живой ткани. При этом возникает явно выделенные в пространстве областикаустики, спекл - пятна - с высокой плотностью мощности лазерного излучения. Высокая плотность мощности излучения в этих областях, которые к тому же и согласованы по структуре с облучаемой тканью, обеспечивают возможность возникновения набора компонентов излучения с комбиниционными частотами за счет нелинейных эффектов: присущих живому веществу с квазижидкокристаллической структурой. По меньшей мере, одна из комбинационных частот, если их возникает достаточно много, окажется соответствующей какому-либо колебательному состоянию биологической макромолекулы, что может обеспечить инициацию биологических процессов. Поскольку биологический эффект в соответствии с описываемым механизмом обусловлен воздействием излучения с комбинационной частотой. которая, в свою очередь, определяется нелинейными характеристиками биоткани, то при этом нет критической зависимости от частоты падающего излучения. Важно лишь то, что возникающие комбинационные частоты имеют дискретный, а не непрерывный спектр. Кратко можно сказать, что процесс взаимодействия лазерного излучения с живой тканью является самоорганизующимся: сама ткань меняет пространственные и частотные характеристики первоначального излучения, которые, в свою очередь, меняют оптические характеристики ткани за счет возбуждаемых биологических процессов. В заключении следует отметить, что мы не разделяем оптимизма в будущем развитии НЛТ за счет многофункциональных аппаратов (даже в сочетании с компьютерами) при отсутствии общей концепции и моделей взаимодействия лазерного излучения с биовеществом. Имеющееся сейчас на отечественном рынке разнообразие лазерных терапевтических приборов существенно превосходит разумение рядового практического медработника, и предпочтение конкретному типу прибора отдается, как правило, только вследствие настырности продавца.» Это представление о взаимодействии лазерного излучения с биовеществом не отвергает известные мнения в этой области. Представляет немалый интерес воздействие излучения маломощного лазера на биологически активные точки поверхности тела человека - светоукалывание (своеобразное иглоукалывание). Светоукалыванием лечат различные заболевания нервной и
сосудистой системы, снимают боли при радикулите, регулируют кровяное давление и т.п. Лазер осваивает все новые и новые медицинские профессии. Лазер лечит мозг. Этому способствует активность видимого спектра излучения низкоинтенсивных гелий-неоновых лазеров. Лазерный луч, как оказалось, способен обезболивать, успокаивать и расслаблять мышцы, ускорять регенерацию тканей. Множество лекарств, обладающих аналогичными свойствами, назначают обычно больным, перенесшим черепно-мозговую травму, которая дает чрезвычайно пеструю, запутанную симптоматику. А луч лазера сочетает в себе действие всех необходимых препаратов. В этом убедились специалисты из ЦНИИ рефлексотерапии Минздрава СССР и НИИ нейрохирургии им. К Н. Бурденко АМН СССР. Пациентов, перенесших черепно-мозговую травму, перед лечением лазером разделили на три группы. В первую вошли те, у кого неврологические и психопатологические симптомы обусловлены поражением правого полушария. Соответственно, у таких больных возникают нарушения координации движения и чувствительности с левой стороны тела, расторможенность поведения с неадекватным восприятием окружающего. У второй группы больных из-за поражения левого полушария возникают правосторонние нарушения. В психическом статусе преобладают черты тревожности и депрессии. У третьей группы наблюдались смешанные симптомы поражения обоих полушарий. Кроме того, все больные жаловались на головную боль, головокружение, слабость, сонливость, утомляемость, раздражительность. Врачи называют все это симптомами астенического состояния. Луч отечественного гелийнеонового лазера нацеливали на акупунктурные и активные двигательные точки на коже больных. Точки размечали в соответствии с классическим руководством, но учитывали и индивидуальные особенности пациентов. Время облучения каждой точки составляло не более 30 сек., а общая продолжительность воздействия - 4 мин. Курс лечения длился 12-15 дней. Помимо лазерного облучения, пациенты принимали лекарства, назначаемые при черепномозговой травме, а в контрольной группе - те же препараты, но без лазерной терапии. Одновременное воздействие лазера и лекарств оказалось гораздо более эффективным, чем традиционный способ медикаментозной терапии. В первом случае удалось значительно облегчить состояние 81% больных, а в контрольной группе - лишь 19%. Лучше и быстрее всего лазер помогал в лечении астенического состояния: исчезла головная боль, сонливость и т.п., ослаблялись и симптомы поражения левого и правого полушарий, например, «правополушарные» больные стали критичнее относиться к своему состоянию, «левополушарные» - освободились от депрессии и тревоги. Механизмы терапевтического воздействия лазера на мозг еще предстоит исследовать, но уже можно считать доказанным, что появился новый действенный способ лечения одного из самых распространенных и весьма опасных поражений нервной системы - черепно-мозговой травмы.
1.5.2 Лазеры в онкологии Исследования возможностей лечения лазерным лучом доброкачественных и злокачественных опухолей ведутся «Московским НИ онкологическим институтом им. П.А. Герцена», Ленинградским институтом онкологии им. Н. Н. Петрова и другими онкологическими центрами. При этом используются лазеры разных типов: С02 лазер в непрерывном режиме излучения (λ = 10,6 мкм, мощность 100 Вт), гелий-неоновый лазер с непрерывном режимом излучения (λ = 0,63 мкм, мощность 30 мВт), гелий кадмиевый лазер работающий в режиме непрерывного излучения (λ = 0,44 мкм, мощность 40 мВт), импульсный лазер на азоте (λ = 0,34 мкм, мощность импульса 1,5 кВт , средняя мощность излучения 10 мВт). Разработаны и применяются три метода воздействия лазерного излучения на опухоли (доброкачественные и злокачественные): а) Лазерное облучение- облучение опухоли расфокусированным лазерным лучом, приводящее к гибели раковых клеток, к потере способности размножаться. б) Лазерокоагуляция - разрушение опухоли умеренно сфокусированным лучом. в) Лазерная хирургия - иссечение опухоли вместе с прилегающими тканями сфокусированным лазерным лучом. Разработаны лазерные установки: «Яхрома» - мощность до 2,5 Вт на выходе световода при длине волны 6З0 нм, время экспозиции от 50 до 750 сек; импульсный с частотой повторения 104 имп./сек.; на 2-х лазерах - импульсный лазер на красителях и лазер на парах меди «ЛГИ-202». «Спектромед» -мощность 4 Вт при непрерывном режиме генерации, длина волны 620-690 нм, время экспозиции от 1 до 9999 сек при помощи устройства «Экспо»; на двух лазерах - непрерывный лазер на красителях «Аметист» и аргоновый лазер «Инверсия» для фотодинамической терапии злокачественных опухолей (современный метод выборочного воздействия на раковые клетки организма). Метод основан на различии в поглощении излучения лазера клетками, отличающимися по своим параметрам. Врач вспрыскивает фотосенсибилизирующие (приобретение организмом специфической повышенной чувствительности к чужеродным веществам) лекарство в область скопления патологических клеток. Лазерное излучение, попадающее на ткани организма, селективно поглощается раковыми клетками, содержащими лекарство, разрушая их, что позволяет проводить уничтожение раковых клеток без нанесения вреда окружающей ткани. Удается излечить рак кожи, слизистых оболочек, различных внутренних органов. Число больных, излеченных лазерным лучом, по некоторым сведениям исчисляются тысячами. И в этой области применения лазерных установок механизм воздействия на опухоль излучением (особенно излучения малой интенсивности) во многих отношениях еще не ясен. Установлено,
что одна и та же опухоль различно реагирует на излучение разных лазеров (излучение гелий-неонового и азотного лазеров ускоряет, а гелий - кадмиевого тормозит рост опухолей). Пока еще неясностей много. Стандартных методик по существу нет. Каждый больной - это новая загадка. 1.5.3 Лазеры в офтальмологи Глаз больше других органов чувствителен к свету. Поэтому первые примеры использования лазеров в медицине относились именно к лечению глазных болезней, к офтальмологии. Впервые в нашей стране в Одесском институте глазных болезней и тканевой терапии им. В. П. Филатова лазерное излучение было успешно использовано для лечения отслоения сетчатки. Для этих целей была создана лазерная медицинская установка - офтальмокоагулятор ОК (ОК-1и ОК-2) с твердотельным лазером на рубине (λ=0.69 мкм, t=1 мс, энергия в импульсе от 0,1 до 1.0 Дж, диаметр фокального пятна может быть сфокусирован до 100 мкм, частота – 10 имп./мин). Излучение этого лазера хорошо поглощается меланином, что приводит к выделению тепла, достаточного для коагуляции сетчатки глаза. В начале 70-х годов академиком М. М. Красновым и его коллегами из 2-го Московского медицинского института были предприняты усилия для излечения глаукомы (возникает из-за нарушений оттока внутриглазной жидкости и, как следствие, повышения внутриглазного давления) при помощи лазера. Лечение глаукомы проводилось соответствующими лазерными установками, созданными совместно с физиками. Лазерная офтальмологическая установка «Ятаган» не имеет зарубежных аналогов. Предназначена для проведения хирургических операций переднего отдела глаза. Позволяет лечить глаукому и катаракту, не нарушая целостности наружных оболочек глаза. В установке используется импульсный лазер на рубине. Энергия излучения, содержащаяся в серии из нескольких световых импульсов, составляет от 0.1 до 0.2 Дж. Длительность отдельного импульса от 5 до 70 нс., интервал между импульсами от 15до 20 мкс. Диаметр лазерного пятна от 0.3 до 0.5 мм. Лазерная установка «Ятаган 4» с длительностью импульса 10-7 с., с длиной волны излучения 1,08 мкм и диаметром пятна 50 мкм. При таком облучении глаза решающее значение приобретает не тепловое, а фотохимическое и даже механическое действие лазерного луча(возникновение ударной волны). Сущность метода заключается в том, что лазерный «выстрел» определенной мощности направляется в угол передней камеры глаза и образует микроскопический «канал» для оттока жидкости и тем самым восстанавливает дренажные свойства радужной оболочки, создав нормальный отток внутриглазной
жидкости. При этом луч лазера свободно проходит сквозь прозрачную роговицу и «взрывается» на поверхности радужной оболочки - там, где необходимо «пробить брешь». При этом происходит не прожигание, которое приводит к воспалительным процессам радужной оболочки и быстрой ликвидации протоки, а пробивание отверстия. Процедура занимает примерно от 10до 15 минут. Обычно пробивают 15-20 отверстий (протоков) для оттока внутриглазной жидкости. Продолжительность действия одной лазер - гониопунктуры от 2 – З-х недель до 8 месяцев. После этого лазер - гониопунктура повторяется. Из первых 50 больных 46 удалось избавить от хирургического вмешательства. Несмотря на такие успехи, академик М. М. Краснов предостерегает, говоря, что из этих новых возможностей лечения глаукомы нельзя делать сенсацию и дезориентировать больных, т.к. есть случаи, когда ничто помочь пациенту не в состоянии. Лазеры также начинают применять и для лечения диабетической ретинопатии -поражения сетчатки (по латыни «ретины») глаза, а также сосудистой оболочки в связи с сосудистыми и обменными нарушениями, возникающими у больных сахарным диабетом. В сетчатке развивается густая сеть кровеносных сосудов. Они образуют буквально клубки, легко рвутся, вызывая гибельные для глаза кровоизлияния. В этом случае, используя, например, аргонный лазер с зеленым лучом, можно «закупорить» сосуды, приостановить их развитие, а следовательно, и предупредить слепоту. На базе Ленинградской клиники глазных болезней Военномедицинской академии группа специалистов во главе с доктором медицинских наук профессором В. В .Волковым использовала свою методику лечения дистрофических заболеваний сетчатки и роговицы с помощью маломощного лазера ЛГ-75, работающего в непрерывном режиме. При этом лечении на сетчатку глаза действует излучение малой мощности, равной 25 мВт. Причем излучение рассеянное. Длительность одного сеанса облучения не превышает 10 мин. За 10-15 сеансов с интервалами между ними от одного до пяти дней врачи успешно излечивают кератит - воспаление роговицы и другие болезни воспалительного характера. Режимы лечения получены опытным путем. В МНТК «Микрохирургия глаза» под руководством академика Академии медицинских наук РФ и его генерального директора Федорова С. Н. ведутся также работы по применению лазеров при лечении глазных болезней. Близорукость довольно распространенная болезнь глаз. Над проблемой коррекции близорукости (миопии) проводились и проводятся множество работ. Так в 1983 г. американский офтальмолог С. Трокел высказал идею о возможности применения ультрафиолетового эксимерного лазера для коррекции близорукости. В нашей стране исследования в этом направлении проводились в Московском НИИ «Микрохирургия глаза» под руководством профессора С.Н. Федорова и А. Семенова,
В основе лазерной коррекции близорукости лежит изменение кривизны роговицы за счет строгого дозированного микронного испарения ее ткани. МНТК «Микрохирургия глаза» - первый в мире офтальмологический центр, где операции по исправлению близорукости с помощью лазера проводятся не в виде сенсации, а в плановом порядке вот уже восемь с лишим лет. С 1988 г. проведено 27 тыс. операций по коррекции близорукости. Оперировались больные с высокой степенью близорукости от минус 7 до 28 диоптрий, не переносивших контактной и полной очковой коррекции. В 89 % случаев удалось достигнуть стабилизации миопической болезни, высокого зрения и социальной реабилитации больных. Небольшая остаточная близорукость имела место у 11 % больных. Процент послеоперационных осложнений составил 1,8 %. Для проведения подобных операций совместными усилиями МНТК «Микрохирургия глаза» и институтом общей физики под руководством академика А. М. Прохорова создана лазерная установка «Профиль 500» с уникальной оптической системой, не имеющих аналогов в мире. При воздействии на роговицу полностью исключается возможность ожога, поскольку нагрев ткани не превышает 4-8ºС. Продолжительность операции 20-70 секунд в зависимости от степени близорукости. Преимуществом является полностью бесконтактный способ коррекции. С помощью установки «Профиль 500» можно проводить операции по удалению поверхностного бельма роговицы. С 1993 г. «Профиль 500» успешно используется в Японии, в Токио и Осаке, в Иркутском межрегиональном лазерном центре. В МНТК «Микрохирургия глаза» превосходно проведена лазерная коррекция 1417 пациентам из 38 стран мира. И еще, в 1995 г. в Институте общей физики РАН по инициативе специалистов МНТК «Микрохирургия глаза» (Москва) был проведен эксперимент по лазерной термокератопластике (термическое воздействие на роговую оболочку глаза при ее помутнении - лейкомах; для восстановления ее прозрачности и проникаемости для световых лучей; лейкома, бельмо, рубцовые изменения роговой оболочки глаза). В опыте использовали лазер с активным элементом, излучающим при криогенной (ниже 120 К) температуре, криогенная система которого состояла из одного модуля ПКА - 60. Длина волны его излучения около 2 мкм при непрерывном режиме излучения. На фирме MentorORC путем использования системы на основе лазерных диодов фирмы Opto Power, обеспечивающих мощность 5 Вт, усовершенствовано производство внутриглазных линз (JOL-intraoc ular lenses) для хирургического лечения катаракты. Каждая линза содержит мононитевидные петли, называемые осязательными, которые помещаются в центре линз после установки последних в глазу. Система используется непосредственно на рабочем месте и служит для присоединения этих петель к внутриглазным линзам. Ранее для таких целей использовалась большая ксеноновая дуговая напольная лампа. Новая система, раз-
мещаемая на стеллаже, имеет существенно меньшие размеры (12х12х5 дюймов) и меньшую цену при большей эффективности. Система потребляет мощность менее 120 Вт, в то время как установка на основе ксенонового лазера потребляет мощность 6 кВт. Система лазеров с генерацией в ближней ИК области на длине волны 830 им передает излучение по оптическому волокну и имеет ширину линии излучения 2.5 им, в то время как высокомощная дуговая лампа отличается меньшей эффективностью. Излучение ее распределяется в интервалах длин волн от 700 им до 1,2 мкм, что приводит к значительным потерям энергии. Система на основе лазерных диодов обеспечивает три режима работы: режим одиночных импульсов, мультиимпульсный режим и режим непрерывной генерации. Оператор может программировать рабочие параметры: мощность (0,1... 5 Вт в режиме непрерывной генерации), длительность импульса (от 200 мкс до режима непрерывной генерации), частоту повторения - до 1 кГц. При помощи дисплея на жидких кристаллах, находящегося на фронтальной панели установки, пользователь может контролировать работу системы. Установка запускается ножной педалью, оставляя свободными руки оператора. Лазерный диод видимого диапазона излучения (670 им), коллинеарный пучку ИК излучения, обеспечивает пятно наведения. Созданная фирмой Mentor ORC система на основе лазерных диодов снабжена коллиматорными линзами и обеспечивает фокусировку пучка до пятна диаметром менее 400мкм. Таким образом достигается концентрация излучаемой энергии на цели, что исключает возможность разрушения линз под действием излучения. Установка включает также видеокамеру с микроскопом, обеспечивающим 100-кратное увеличение области цели. Важными преимуществами новой системы перед системами на основе АИГ:Nd – лазеров являются: меньшие размеры, цена и эксплуатационные затраты. Самые дешевые системы на основе AИГ:Nd – лазеров обычно имеет цену от 40 тыс. до 80 тыс. долларов и могут нуждаться в стационарном источнике питания на 220 В; система на основе лазерных диодов стоит 12 тыс. долларов. Для познания механизма воздействия слабых лазерных излучений на живые клетки организма и познания их природы взаимоотношений проводятся серьезные исследования. Но они пока только приоткрыли окно в неведомый мир лазерной терапии. Загадка таинственных явлений в живой клетки под действием квантов света еще далеко не разгадана. Что за информация закодирована в световом сигнале лазера? Почему клетки изменяют свое поведение, реагируя на слабый лазерный свет? Эти вопросы еще ждут своего ответа.
1.5.4 Лазеры в хирургии Обычный хирургический скальпель - режущий инструмент. Им только разрезают ткань. Лазерный же луч выполняет ту же задачу, но производит бескровный рез и одновременно уничтожает микрофлору в оперированной ране. При этом существенно сокращаются сроки регенерации тканей после операции. Высокая концентрация энергии (около 2,5 кВт/cм2) сфокусированного лазерного луча, взаимодействуя с тканью вызывает мгновенное вскипание и испарение жидкости, содержащейся в клетках и межклеточных пространствах. При этом органическая часть тканей сгорает, неорганическая обугливается. Происходит рассечение ткани. «Лазерный скальпель» нашел применение при заболеваниях органов пищеварения (O.K. Скобелкин), кожно-пластическои хирургии и при заболеваниях желчных путей (А. А. Вишневский), в кардиохирургии (А. Д. Арапов) и многих других областях хирургии. В хирургии применяется СО2 лазеры, излучающие в невидимой инфракрасной области электромагнитного спектра, что накладывает определенные условия при хирургическом вмешательстве, особенно во внутренние органы человека. Из-за невидимости лазерного луча и сложности манипулирования им (рука хирурга не имеет обратной связи - не чувствует момент и глубину рассечения) используются зажимы и указки, обеспечивающие точность разреза.
Рис 1.19 Лазерные хирургические зажимы и принцип их работы а- зажимы; б- принцип работы. 1 – верхняя бранша инструмента; 2 – прорезь в верхней бранше; 3 – паз для манипулятора лазерной установки; 4 – нижняя бранша инструмента. Первые попытки применения лазера в хирургии удачными были не всегда, травмировались близлежащие органы, луч прожигал ткани. Кроме того, при неосторожном обращении лазерный луч мог оказаться опасным и для врача. Но несмотря на перечисленные трудности лазерная хирургия про-
грессировала. Так, в начале 70-х годов под руководством академика Б. Петровского, профессор Скобелкин, доктор Брехов и инженер А. Иванов приступили к созданию лазерного скальпеля - «Скальпель 1». Лазерная хирургическая установка «Скальпель 1» применяется при операциях на органах желудочно-кишечного тракта, при остановке кровотечений из острых язв желудочно-кишечного тракта, при кожно - пластических операциях, при лечении гнойных ран, при гинекологических операциях. Использован СО2 лазер непрерывного излучения с мощностью на выходе из световода 20 Вт. диаметр лазерного пятна от 1 до 20 мкм. Лазерные хирургические зажимы, (рисунок 1.19 «а»).
Рис 1.20 Момент рассечения стенки толстой кишки лазером Принцип работы лазерных хирургических инструментов и момент рассечения стенки толстой кишки лазером показаны на рисунок 1.19 «б» и 1.20. Лазерные хирургические инструменты снабжены пазами, по которым хирургом перемещается указка, связанная с манипулятором установки. Манипулятор должен позволять хирургу плавно перемещать луч лазера в нужном направлении в пределах операционного поля (рисунок 1.20) На рисунке 1.21 показан вид толстой кишки после рассечения лазером. Из рисунка видно, что операционное поле совершенно сухое.
Рис 1.21 Вид толстой кишки после рассечения лазером
Рис 1.22 Применение лазерных сшивающих аппаратов а- выполнение резекции желудка с помощью лазера и сшивающего аппарата; б- лазерные хирургические сшивающие аппараты: 1 – прямой универсальный; 2 – модифицированный НЖКА –60 На рисунке 1.22 а показано выполнение резекции желудка с помощью лазера и сшивающего аппарата. Лазерные хирургические сшивающие аппараты показаны на рисунке 1.22 б. Выпускались различные лазерные хирургические установки на углекислом газе: «Скальпель1» и «Ромашка» (см. рисунок 1.14) с выходной мощностью 80Вт. диаметр пятна лазерного излучения от 1 до 20 мм., «Саяны-МТ». Лазерная хирургическая установка «Саяны - МТ» применяется в общей хирургии, онкологии, проктологии. Установка на CO2 лазере непрерывного излучения с выходной мощностью на выходе световода 35 Вт., диаметр лазерного пятна от 0,1до 0,5 мм. Углекислый лазер находит применение и в нейрохирургии (для удаления опухолей головного мозга и реконструкции периферических нервов), пульмонологии (для резекции трахеи, бронхов и части легких), гематологии (для проведения операций у больных, страдающих нарушением свертывающей системы крови), урологии (для удаления мочевого пузыря и проведения операций на почке и предстательной железе), гинекологии (для проведения операций при различных заболеваниях женских половых сфер), в кардиологии и т.д. Появились центры по лазерной хирургии: - Московский областной центр лазерной хирургии (МОЦЛХ). Он расположен в г. Видное, Московской области. Круг задач, решение которых возложено на Центр: - подготовка кадров для региона, т.е. обучение врачей и среднего мед. персонала на постоянно действующих курсах по лазерной медицине; - научная оптимизация существующих и разработка новых методик; - организация сервисного обслуживания лазерной медицинской техники для центра и региона; - организация и оборудование кабинетов лазерных методов лечения разного профиля с обучением персонала на местах; - изготовление учебно-методических видеофильмов и пособий по лазерным технологиям; - амбулаторное и стационарное лечение.
Внимание ученых сейчас все больше привлекают перспективы использования лазерного излучения через эндоскопические приборы. Успешно применяются лазеры для эндоскопического лечения пищевода, гортани, трахеи, бронхов, желудка, прямой кишки. Проводятся работы по лазерной фотокоагуляции при острых желудочно-кишечных кровотечениях. Вот уже несколько десятилетий медики с успехом используют эндоскоп - прибор для освещения и визуального обследования полых внутренних органов, например, желудочно-кишечного тракта. Теперь модернизированный его вариант стали использовать в ином качестве. Современные эндоскопы благодаря применению волоконной оптики стали меньше в диаметре, гибкими, эластичными. Именно через них врачи стали воздействовать на опухоли внутренних органов лазерным излучением. Во Всесоюзном онкологическом центре АМН СССР с помощью лазерных эндоскопов с успехом лечат язвенную болезнь желудка и двенадцатиперстной кишки. Для полного заживления язвы требуется от 4 до 15 сеансов по 5 мин., в зависимости от индивидуальных особенностей больных. Таким же методом врачи ликвидируют послеоперационные осложнения у пациентов, страдающих заболеваниями желудка или пищевода. Лазерная эндоскопическая медицинская установка благодаря наличию гибкого волокнистого световода и эндоскопа (медицинский прибор для исследования полостных и трубчатых органов, желудка, пищевода и др., и представляет собой трубку, снабженную осветительной аппаратурой и оптической системой) может применяться для внутриполостных операций и осмотров. Снабжена эндоскопами разных типов. В установку входит аргоновый лазер непрерывного действия мощностью 7 Вт. Плотность лазерного излучения на выходе из эндоскопа от 150до 250 Вт/см2. Световод представляет собой гибкий волоконный жгут диаметром 1,5 мм; длина световода 2,25 м., диаметр отдельного волокна от 5 до 10 мкм. С одного конца световод согласован с лазером, другой его конец пропущен через канал эндоскопа. Эндоскоп оптически связан с видеокамерой, которая и совокупности с видеомагнитофоном и телевизионной системой обеспечивает запись и воспроизведение изображения внутренней стенки органа. Видеоэндоскопия в настоящее время пользуется услугами электронного помощника. На смену обычной волокнистой оптике приходит микроскопическая цифровая чип-камера. Чип-камера похожа на фасеточные глаза насекомого, она состоит из многих тысяч светочувствительных элементов, размещенных на микроскопическом кристалле. Они преобразуют световую энергию в электрическую, которая по кабелю передается на наружный процессор, управляющий получением изображения. Подсветка осуществляется обычным способом с помощью стекловолоконного световода. Пока электронные видеоэндоскопы имеют значительно суженный угол обзора по сравнению с волоконно-оптическими системами. Ознакомление со световодами и их применением в медицине мы проведем в следующим разделе.
Завершая нашу беседу о применении лазеров в медицине необходимо отметить, что хотя биофизические и лечебные механизмы воздействия лазерного луча на живые клетки до конца еще не выяснены, но лазеры завоевывают в медицине все новые и новые позиции. Таким образом, за последние годы лазер прочно обосновался в качестве незаменимого медицинского инструмента как в офтальмологии и дерматологии, так и в нейрохирургии, оториноларингологии, пульманологии, гастроэнтерологии, общей хирургии, урологии, гинекологии и ортопедии. Для каждой из этих областей медицины лазер просто необходим. Более того, решение различных проблем в медицине требует, соответственно, применения различных лазерных систем. Наряду с аргоновым лазером, применяющимся благодаря своей высокой избирательности по отношению к аутогенным хромофорам в офтальмологии и дерматологии, CO2 лазер представляет собой тончайший скальпель благодаря высокой поглощаемости водой его излучения и незначительной глубины проникновения. Поэтому он всегда применяется там, где проводятся микрохирургические операции удаления ткани на площади (двухмерное). Его недостатком в настоящее время является слабая проводимость излучения по стекловолоконному кабелю. Nd - VAG лазер способен коагулировать большие объемы и применяется там, где имеется густая сосудистая сеть - при аномалиях развития и опухолях. Хорошая проводимость стекловолоконным кабелем обеспечивает универсальность его применения. При гибких или жестких эндоскопах он может использоваться для коагуляции кровотечений, аномальных образований и опухолей, а при более высокой мощности также и для раскупоривания опухолевых сужений (стенозов). При использовании ручного фокусирующего устройства и соответствующей высокой мощной плотности возможно осуществление резекции на паренхиматозных органах, таких как печень, селезенка, поджелудочная железа и почки, с одновременной остановкой кровотечения. Эксимерный лазер с излучением в ультрафиолетовом диапазоне благодаря атермичности применяется преимущественно при удалении тканей, открывает новые возможности для хирургических операций на роговой оболочке и стекловидном теле глаза, при открытии закупоренных кровеносных сосудов на периферии и в венечной области, а также в артроскопии и одонтологии. При дальнейшем развитии и совершенствовании лазеров, применяемых в медицине, определяющими, считает Г. И. Мюллер, будут следующие факторы: - дальнейшее углубление понимания механизма воздействия. Даже в области термовоздействия еще до конца не изучены все механизмы реакции тканей на лазерное излучение. До сих пор дозировка определялась чисто случайно или эмпирически. В настоящее же время необходимы систематические исследования по определению оптимальных рабочих параметров излучения лазера для получения желаемой реакции той или иной ткани. В области нели-
нейного, ионизирующего воздействия предстоит провести основательные исследования с целью обеспечения осмысленного применения этих эффектов в медицине; - наличие технически более совершенных лазерных конструкций и соответствующих систем, которые должны привести к снижению их стоимости и, тем самым, расширению их использования; - наличие гибких оптических систем, в особенности оптических волокон для передачи светового излучения в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах; - создание соответствующей оснастки. Значительное увеличение мощности лазера делает возможным расширить круг проведения эндоскопических операций. Дальнейшее развитие и совершенствование гибких эндоскопов приведет к возможности использования лазера в тех случаях, когда раньше требовалось хирургическое вмешательство или когда вообще не могло быть проведено никакое лечение. Конкретно в таких случаях лазер поможет решать следующие проблемы: - в области реканализации сосудов, преимущественно в кардиососудистой области; - приведение сосудов в норму при стенозах и закупорке артериальной сосудистой системы. В дальнейшем станет возможным с помощью лазерного луча разрушение или растворение камней как в области почечной лоханки, желчного пузыря и путей мочевыделения, так и в области желчных путей, комбинированное лечение, в рамках которого использование лазера будет одним из его моментов. Сюда можно отнести After-loading - методом опухолей с обезболиванием, лазерную терапию в ткани под NMP - контролем (nuclear magnetic resonance) и использование светочувствительности для локального изменения поглотительной способности в биологической ткани. Применение фотохимической терапии было расширено в значительной степени благодаря использованию лазеров. Это касается области фотохимических реакций в аутогенных пигментах соответственно хромофорных группах крупных биомолекул. Сюда относится также фотодинамическая терапия чужеродных хромофоров, так как они в настоящее время используются уже с пигментом, дериватом гематопорфирина. При такого рода действии лазер имеет преимущества, так как он благодаря высокой направленности луча может быть относительно свободно подведен по гибким светопроводящим системам через кожу или по кровеносным сосудам и полостям в любую точку организма. В медицине усиливается тенденция к применению твердотельных лазеров и полупроводниковых лазеров, так как данные системы в техническом отношении более просты в эксплуатации.
Список использованных источников 1. Дж. Реди /Промышленные применения лазеров М. «Мир»,1981/,640 с. 2. Справочник по лазерной технике./ Под ред. Ю.В. Байбородина, Л.З. Криксунова, О.Н.Литвененко. Киев. «Техника»1978г.,288с. 3. К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, А.С. Митрофанов./ Применение лазеров в машиностроении и приборостроении. /Л. «Машиностроение» 1978г.,336с. 4. /Прибор ОКГ-13: техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт, инструкция по упаковке и распаковке. / 5. Каталог фирмы «Озонтлазер»/ Современное технологическое оборудование. /София, Болгария. 6. Проспект. Лазерная медицинская система 405-4 (Optica-Болгария) 7. Л.В. Тарасов. /Лазеры: действительность и надежды. /М. «Наука», Главная редакция физико-математической литературы 1985г,.176с, 8. Н.Г. Тереулов, Б.К. Соколов, Г. Варбанов, Б.С. Малышев, М.И. Неганов, Е.Ю. Ерофеев. /Лазерные технологии на машиностроительном заводе. /Академия наук РБ, Уфа,1993г.,264с. 9. Д. Бастинг. /Лазерная техника - растущий рынок сбыта. /Советскозападногерманский индексный журнал «Экономика, техника» №3,1990Г.,С48-50. 10. Г.Й. Мюллер. /Световые лучи исцеляют – лазеры в медицине. /Советскозападногерманский индексный журнал « Экономика, техника» №2,1990г., с 50-52. 11. /Электронная эндоскопия – микрочип в организме. /Советскозападногерманский индексный журнал «Экономика, тежника» №2», 1990г., с 63. 12. О.К. Скобелкин, Е.И. Бреов, В.И. Корепанов. /Лазеры в хирургии. /Международный ежегодник «Наука и человечество»,1984г., с 56-65. 13. А.Н. Малов, М.Г. Костюк. /Модельный анализ основных биологических процессов в низкоинтенсивной лазерной терапии./ Ж. «Лазер Маркет» 01.1995гг., с 37-39.
2. Световоды 2.1 Общие сведения Световод – закрытое средство для направленной передачи и распространения оптического излучения. Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны. Изучение его распространения и явлений, происходящих при взаимодействии оптического излучения с веществом, ведется разделом физики называемым ОПТИКОЙ. В шкале электромагнитного спектра оптическое излучение характеризуется длинами волн, расположенных в диапазоне 5 ⋅ 10 −9 − 10 −3 м. Иначе говоря, оптический диапазон длин волн ограничен с одной стороны микроволновым диапазоном радиоизлучения, а с другой – рентгеновскими лучами: в его состав входит инфракрасная, видимая и ультрафиолетовая области электромагнитного спектра. Границы спектральной области оптического излучения условны и в основном определяются общностью технических средств и методов исследования явлений в этом диапазоне. Эта область электромагнитных волн наиболее результативно изучается оптическими методами с помощью оптических систем. Традиционно оптика подразделяется на геометрическую, физическую и физиологическую. Геометрическая оптика не затрагивает вопросы природы оптического излучения. Она основывается на эмпирических законах его распределения, преломления и отражения на границе сред с различными оптическими свойствами, применяя представление о лучах. Физическая оптика рассматривает вопросы, связанные с процессами испускания оптического излучения, их природой и происходящими явлениями. Физиологическая оптика занимается изучением строения и функционирования всего аппарата зрения – от глаза до коры мозга. Результаты физиологической оптики используются как в медицине и физиологии, так и в технике при разработке осветительных приборов, очков, цветного кино и т.д. Наиболее важное достижение современной оптики – создание лазеров. Оптическое излучение называют также световым. В узком смысле под словом “свет” понимают видимое оптическое излучение, которое воспринимается человеческим глазом и вызывает зрительное ощущение. Диапазон длин волн видимого излучения условно простирается, от 4 ⋅ 10 −7 м до 7,6 ⋅ 10 −7 м (лежит между 380 - 400 нм и 760 - 780 нм). В широком смысле термин “свет” включает, кроме видимого излучения, инфракрасную и ультрафиолетовую области электромагнитного спектра.
Дальше мы будем пользоваться термином “свет” в широком смысле этого слова, так как законы, справедливые для видимого участка спектра, верны и для остальных представителей оптического излучения. Одним из крупных разделов физической оптики является волновая оптика, изучающая совокупность явлений, в которых проявляется волновая природа света. В классической волновой оптике считают, что параметры среды не зависят от интенсивности света. Волновая оптика является основой при изучении передачи света. Как мы уже говорили, световод – устройство для направленной передачи (канализации) световой энергии. Синонимы – светопровод, световой волновод, оптический волновод, волоконный световод. Возникновение этих устройств связано с тем, что передача пучка световой энергии в окружающей нас атмосфере сопряжена со значительными потерями, затрудняющими или вовсе исключающими его передачу на заданные расстояния в пределах прямой видимости. Причинами служат изменчивость состояния атмосферы (дождь, снег и изменение температуры) и наличие в ней случайно распределенных неоднородностей, приводящих к рассеиванию, расхождению и отклонению светового пучка. Потребность транспортировки света для освещения труднодоступных участков различных объектов через каналы со сложной конфигурацией для прямого наблюдения состояния их внутренних полостей также стимулировало создание различного рода приборов на основе волоконных световодов. Световоды нашли значительное применение в различных областях техники и в медицине. Появление лазеров с их уникальными возможностями позволило широко использовать световоды в системах передачи информации и совершенствовать их конструктивные показатели. Перемещение фронта светового пучка в световодах осуществляется за счет отражения световых лучей от зеркальных поверхностей или же от границы двух сред. Вспомним экспериментальные законы отражения и преломления света из геометрической оптики. 2.2 Законы отражения и преломления света 2.2.1 Законы отражения Первый закон отражения гласит: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и луч отраженный лежат в одной плоскости”. Иными словами говоря, смысл этого закона в том, чтобы третья из перечисленных прямых попала в плоскость, положение которой
определяют первые две. “Угол падения равен углу отражения”, - такова формулировка второго закона отражения. Исходя из содержания этого закона можно заключить, что изменяя произвольно угол падения получаем такое же изменение угла отражения. Различают два вида отражения светового пучка от поверхности, на которую он падает – диффузное и зеркальное. Зеркальное отражение происходит тогда, когда неровности поверхности тела и неоднородности его внутреннего строения не превосходят длину световой волны. В ином случае отражение – диффузное. При зеркальном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света, подчиняясь законам отражения, отходит от нее так же параллельным пучком. При диффузном отражении падающий на поверхность параллельный пучок лучей света рассеивается. Количество световой энергии у отраженного пучка меньше, чем у падающего. Это связано с тем, что не вся световая энергия пучка, падающего на поверхность (границу раздела двух сред), отражается от нее. В процессе отражения часть световой энергии проникает через границу раздела во вторую среду, перемещаясь в ней и частично поглощается. Количественно энергия отраженного пучка зависит от оптических свойств граничащих сред и угла падения пучка. Так, например, при падении света на границу сред “воздух - стекло” с углом равным 0о доля отраженной энергии составляет 4,7 %, а прошедшей энергии 95,3 %, а с углом равным 89о эти доли соответственно равны 91 % и 9 %. 2.2.2 Законы преломления Установлено, что на границе двух сред (например, “воздух - стекло”) кроме отражения света происходит и его преломление. Суть преломления светового луча состоит в том, что он частично переходит из одной среды во вторую изменяя свое первоначальное направление. Вспомним законы преломления. Первый закон: “Луч падающий, перпендикуляр к границе двух сред в точке падения и преломленный луч лежат в одной плоскости”. Этот закон аналогичен первому закону отражения. По этому закону третий (преломленный) луч должен лежать в плоскости падения, положение которой определяется падающим лучом и перпендикуляром к границе двух сред в точке падения. Второй закон преломления: “Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данной пары сред”. Показатель преломления – величина постоянная. Он не зависит от угла падения и определяется оптическими свойствами граничащих сред. Иначе говоря, этот показатель не изменяется при произвольном
изменении угла падения и соответственном изменении угла преломления. Если угол падения светового луча на раздел сред 1 и 2 равен θ , а угол преломления во второй среде β (см. рисунок 2.1.а), то показатель преломления второй среды относительно первой математически запишется (закон преломления Снелля): sin θ n2 отн = = n21 , sin β n1
Показатели преломления первой среды относительно второй и второй среды относительно первой – обратные величины. Абсолютный показатель преломления n показывает во сколько раз скорость света в вакууме с больше, чем в рассматриваемой среде v n=
c , v
Показатель преломления воздуха относительно вакуума n= 1,0003. Поэтому на практике часто используют показатель преломления относительно воздуха. Среду с большим показателем преломления называют оптически более плотной, а с меньшим – оптически менее плотной или если угол падения меньше угла преломления, то вторая среда называется оптически менее плотной и наоборот. 2.2.3 Полное внутреннее отражение Вам известно (ранее в некоторой мере мы затронули этот вопрос), что при падении света на границу раздела двух сред часть его энергии отражается, а другая часть проникает через границу раздела во вторую среду. При рассмотрении примера перехода света из оптически менее плотной среды (воздуха) в среду оптически более плотную (стекло) было показано, что доля отраженной энергии зависит от угла падения: доля отраженной энергии сильно возрастает с увеличением угла падения. Оказалось, что даже при углах падения, близких к 900 (например,890), когда световой луч практически скользит по поверхности раздела сред, все же часть световой энергии переходит с менее оптически плотной в более оптически плотную среду. Интересное явление возникает когда луч света переходит из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную. Опыт показывает, что в этом случае угол преломления больше, чем угол падения и преломленный луч с увеличением угла падения больше отклоняется от нормали к границе сред в точке его падения. Рассмотрим случай, когда падающий световой луч переходит из среды оптически более плотной (например, стекло) с показателем преломления n1 в
среду менее плотную (воздух) с n2 (рисунок 2.1). При угле падения θ световой луч I частично отражается от поверхности раздела сред (луч II) и, частично переломившись, (луч III) переходит в менее плотную среду (рисунок 2.1(а)) Последующее увеличение (рисунок 2.1(б)) угла падения θ луча I до некоторого значения θк приводит к тому, что угол преломления β окажется равным
π
2
и луч III будет скользить по границе раздела сред. При дальнейшем
незначительном увеличении угла падения θ луча I (рисунок 2.1(в)) преломленный луч III полностью исчезнет и весь падающий луч I отразится (луч II). Это явление называется полным внутренним отражением. Наименьший угол θ, при котором наступает полное внутреннее отражение, называется предельным (критическим) углом (θк), которому соответствует угол преломления β=
π
2
.
Рис 2.1 - Схема к объяснению полного внутреннего отражения света и предельного (критического) угла Для рассматриваемого случая угол падения, угол преломления и доля отраженной световой энергии с границы раздела соответственно принимают следующие значения (n1 стекла равна 1,555): 0о, 0о, 4,7 %; 30о, 51о, 6,8 % ; 39о, 79о, 36 % ; 40о, 90о, 100 % ; 60о, - , 100 % ; 80о, - , 100 % Откуда видно, что для стекла(n1=1,555), предельный угол θк ≈ 40о. Исходя из соотношения: Sinθ k n2 = , Sinβ n1
и условия, что предельному углу падения соответствует угол преломления
β=
π 2
можно записать:
Sinθ k n2 n = или Sinθ k = 2 π Sin 2 n1 n1
,
Таким образом, зная значения абсолютных показателей оптически более плотной среды n1 и оптически менее плотной среды n2 для заданного сочетания сред, по этой зависимости можно вычислить предельный угол полного внутреннего отражения θк. В основе транспортировки светового луча по световоду лежит явление его полного внутреннего отражения от границы раздела с более оптически плотной к менее оптически плотной среде. 2.3 Световоды Световоды позволяют производить направленную передачу световой энергии, исходящей от тепловых, люминесцентных и когерентных источников света. Естественные светила, лампы накаливания, ртутные и люминесцентные лампы испускают некогерентные световые потоки. Источниками когерентного света являются лазеры. В основном друг от друга они отличаются шириной спектра: широким непрерывным спектром обладают тепловые, достаточно узким – люминесцентные источники, практически монохроматический свет дают лазеры. Из ряда конструкций рассмотрим трубчатые, щелевые и волоконные световоды. 2.3.1 Трубчатые световоды Множество разнотипных электрических ламп, соединённых между собой разветвлёнными электрическими сетями, освещают промышленные и бытовые помещения. Так, например, в средних машиностроительных заводах для освещения используется до 15 тысяч светильников. Эксплуатация их сопряжена с такими видами работ, как замена отработавших свой срок ламп, их регулярная чистка, уход за сетями. Если учесть, что в промышленных корпусах светильники располагаются на большой высоте над работающим оборудованием, то упомянутые работы осложняются тем, что они должны проводиться в труднодоступных местах. Сказанное затрудняет и удорожает эксплуатацию средств освещения различных помещений. Освещение пожаро- и взрывоопасных помещений обычными лампами накаливания возможно при использовании соответствующей арматуры и узлов управления, что несомненно приводит к удорожанию их производства и увеличению эксплуатационных расходов.
В силу сказанного постановка вопроса об упрощении и удешевлении обслуживания систем освещения производственных помещений, сокращения протяжённости электрических сетей является вполне закономерной. Перспективными считаются устройства, позволяющие транспортировку и пространственное перераспределение света, излучаемого мощными компактными источниками, сосредоточенными в заданных местах, для равномерного и не слепящего глаз освещения определённой площади помещения. Естественно, такое решение вопросов освещения возможно только при создании новых источников света, новых материалов и технологий. В 1874г. русский учёный-электротехник В.Н. Чиколев предложил способ дробления света, испускаемого мощной вольтовой дугой между угольными электродами. Суть его заключается в транспортировке света по зеркальным трубам – световодам. Свет от вольтовой дуги с помощью линзы параллельным пучком вводился из одного торца в трубу с зеркальной внутренней поверхностью и передавался по ней. Выход света из трубы к освещаемым поверхностям осуществлялся через патрубки со светопропускающими рассеивателями на концах. Распределение света, транспортируемого по центральной трубе по патрубкам, осуществлялось через систему наклонных зеркальных диафрагм. Эта идея нашла практическое применение в 1877г. при освещении взрывоопасных цехов Охотинского порохового завода близ Петербурга. Таким образом, на упомянутом пороховом заводе впервые была практически осуществлена канализация света, т.е. его транспортировка по полым зеркальным трубам. Этот способ лежит и в основе волоконной оптики. 2.3.2 Щелевые световоды Щелевые световоды являются разновидностью труб-световодов. В 60-х годах ХХ века идея В.Н. Чиколева была возрождена советским инженером Г.Б. Баухманом. Он решил усовершенствовать полые зеркальные трубы-световоды за счёт формирования продольных щелей в её стенке (см. рисунок 2.2). Такой световод называют щелевым, а щель – оптической.
Рис 2.2 - Щелевой световод 1 – источник света; 2 – канал световода; 3 – отражающий торец; 4 – зеркально отражающий слой; 5 – оптическая щель; 6 – прозрачное иллюминаторное стекло; 7 – зеркальная оптическая система.
Таким образом щелевой световод – труба различной формы сечения и значительной длины с внутренней зеркальной отражающей поверхностью за исключением зоны оптической щели, которая пропускает и рассеивает транспортируемый свет. В щелевом световоде распространение света происходит согласно законов геометрической оптики. Лучи, введённого в трубу света, претерпевают определённое число отражений, распространяются вдоль канала пока не попадут в щель, пройдут через неё и рассеются в освещаемом пространстве. Длина световода ограничивается равномерностью распределения яркости света вдоль оптической щели и зависит от потерь, возникающих за счёт поглощения света при многократных отражениях от зеркальной поверхности канала. Световой поток, истекающий от группы ламп, сосредоточенных в заданной точке, или одной мощной лампы через оптическую систему вводится в торец щелевого световода и, транспортируясь по нему, выходит в окружающее пространство через его оптическую щель. При значительной протяжённости щелевого световода свет может вводиться с обоих его торцов, у которых размещаются источники света. Световоды могут быть изготовлены с жёсткой, полужёсткой и мягкой оболочками. Последние изготавливаются из двух типов тонкой и прочной плёнок толщиной от 30 до 40 мкм с удельным весом 50 г/м2. Конструктивно такая оболочка световода представляет собой цельный мягкий рукав, выполненный из двух типов плёнок: зеркально отражающей и светопропускающей.
Зеркально отражающая часть световода получается путём напыления тонкого слоя алюминия в вакууме на одну из сторон прозрачной плёнки. Светопропускающая часть (оптическая щель) изготавливается из плёнки с определёнными оптическими характеристиками. Затем эти плёнки соединяются между собой на специальной установке с помощью ультразвуковой или термохимической сварки. Полученный таким образом световод без каркаса натягивается на фланцы вводного и торцевого узлов устройства. Такой световод длиной 18 метров и диаметром 0,65 сантиметра весит около 2 кг и сравнительно дёшев. Считается, что полные годовые расходы на комплексные осветительные устройства со щелевыми световодами в 2-2,5 раза ниже, чем для других осветителей, дающих такую же освещённость. 2.3.2.1 Практика применения щелевых световодов На рисунке 2.3 показано освещение зала станции Московского метрополитена “Серпуховская” щелевыми световодами. Из рисунка видно, что чередующие щелевые световоды подвешены к своду зала по его центру и сочленены с узлами кубической формы. Общая длина осветительного устройства 60 м.
Рисунок 2.3 – Освещение зала станции Московского метрополитена «Серпуховская» щелевыми световодами Лампы освещения и пуско-регулирующая аппаратура установлены в четырёх из двенадцати кубов. Из рабочих кубов свет направляется по световодам в противоположные стороны. Световоды снабжены пятью оптическими щелями различной ширины для освещения потолка, стен и пола.
1 – концентратор солнечного света; 2 – вводное устройство; 3 – щелевой световод; 4 – зеркальный перераспределитель света; 5 – источники искусственного света Рисунок 2.4 - Схема использования солнечного света для освещения помещения Такое решение освещения зала метрополитена “Серпуховская” дало возможность снизить число световых точек в 30 раз по сравнению с обычным освещением, в 3 раза сократить протяжённость электрических сетей и значительно упростить обслуживание осветительной установки. Трёхэтажный универмаг “Вишняки” в Москве также целиком освещён щелевыми световодами. Весьма привлекательна идея передачи светового солнечного потока по щелевым световодам по помещениям в светлое время дня. На рисунке 2.4 дана схема использования солнечного света для освещения помещений. Концентратор солнечного света может быть установлен на крышах или стенах зданий. В этом случае освещённость помещений в дневное время будет зависеть от состояния погоды.
В связи с этим довольно заманчива идея создания комбинированного устройства на базе щелевых световодов, которые были бы независимы от погодных условий и могли бы автоматически переключаться от естественного освещения помещений на электрическое и наоборот. Приведённые примеры дают основание полагать, что развитие устройств на базе щелевых световодов находится только на начальной стадии и впереди нас ожидает множество оригинальных решений. Щелевые световоды – это весьма перспективное направление в области освещения разнотипных сооружений. 2.3.3 Волоконные световоды 2.3.3.1 Краткие сведения Идея применения волоконных световодов для передачи света не нова и существует много лет. Создание лазеров инициировало дальнейшее бурное развитие волоконной оптики и вместе с ней волоконных световодов. Попытки передачи оптического излучения в атмосфере, как уже говорилось, оказались затруднёнными из-за её неустойчивости и неоднородного состава. Применение лазерного излучения для передачи информации через атмосферу по тем же причинам оказалось очень неэффективным. Использование лучевых волноводов, использующих различного типа линзы, ограничивалось дороговизной монтажа и прокладки таких типов каналов. Для передачи добротной информации требовалась хорошая передающая среда. Для оптических систем связи наиболее перспективными оказались волоконные световоды, получившие своё название из-за их нитевидности. Волоконные световоды (рисунок 2.5) состоят из световедущей жилы (сердцевины) из чистого прозрачного стекла, имеющей диаметр от нескольких до десятков микрометров, светоотражающей оболочки диаметром порядка 100 микрометров из стекла с меньшим показателем преломления по сравнению с показателем преломления сердечника и внешней защитной оболочки, обеспечивающей эластичность и прочность.
Рис 2.5 - Строение волоконно-оптического световода В таких структурах благодаря действию полного внутреннего отражения свет может распространяться на большие расстояния при условии малого затухания, зависящего от качества световода. Возможность передачи оптического излучения по волоконному световоду в виде одного или многих типов колебаний определяется диаметром сердцевины, разностью показателей преломления сердечника и оболочки, длиной передаваемой световой волны. Соответственно, световоды разделяются на одномодовые и многомодовые. Выбирая d1 достаточно малым, а ∆n = n1-n2 близким к нулю (n1/n2 достаточно близким к единице), можно добиться работы световода в одномодовом режиме. Однако малый диаметр жилы и малая разность показателей преломления жилы и оболочки затрудняют ввод излучения в световоды и их стыковку, что является недостатком обычных одномодовых световодов. При относительно большой величине d1 и ∆n равном примерно 1 % световоды являются многомодовыми, в которых может распространяться большое количество различных типов колебаний (МОД). Созданы и производятся световоды, у которых профиль распределения показателя преломления постепенно уменьшается от центра к периферии. Их называют градиентными световодами или световодами типа “Селфок”, “Градан”. На рисунке 2.6 показано изменение профиля показателя преломления по сечению круглого градиентного световода. Поперечные сечения некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления даны на рисунке 2.7.
Рисунок 2.6 - Изменение профиля показателя преломления по сечению кругового градиентного световода а- общий вид; б- профиль показателя преломления по сечению Многослойные световоды имеют относительно большое сечение сердцевины, что позволяет облегчить изготовление, стыковку и их возбуждение. Разрабатываются стеклянные световоды на базе бескислородных стекол для инфракрасного диапазона длин волн оптического излучения (2—11 мкм). По предварительным оценкам потери в них должны быть в 10—20 раз ниже, чем в световодах, изготовленных из кварцевых Мы рассмотрели особенности строения единичных круглых волоконных свестёкол. товодов. В реальных же условиях волоконные световоды могут быть использованы в качестве передающей среды только в виде волоконно-оптических кабелей. Несложный волоконно-оптический кабель представляет собой некоторое число световодов, собранных в жгут и покрытых защитной оболочкой. Под словом жгут обычно понимают группу световодов, составляющих основу волоконно-оптического кабеля, работающих в параллель.
Рис 2.7 - Поперечное сечение некоторых типов круглых волоконных световодов и профили показателей их преломления а- одномодовый; б- многомодовый с оболочкой; в- с параболическим распределением показателя преломления по сечению. Конструкция (см. рисунок 2.8) волоконно-оптического кабеля состоит из защитной оболочки 1, волоконных световодов (жгутов) 2 и упрочняющих элементов 3. Разработаны технологии, позволяющие изготавливать волоконно-оптические кабели с потерями, незначительно превышающими потери в исходных световодах (несколько дБ/км).
Рис 2.8 - Конструкция волоконно-оптического кабеля с центральным (а) и периферийным (б) расположением упрочняющих элементов 1 - защитная оболочка кабеля ; 2 - волоконные световоды ; 3 - упрочняющий элемент. Передача изображений по световодам возможна только при использовании жгутов. В этом случае (см. рисунок 2.9) световые сигналы с одного торца жгута на противоположный передаются как совокупность элементов изображения, каждый из которых передаётся по своей световедущей жиле. Изо-
бражение на входной торец жгута проецируется с помощью объектива, а выходной торец рассматривается через окуляр. Обычно разрешающая способность волоконных жгутов составляет 10—50 линий на миллиметр. Разработаны устройства, которые позволяют повысить разрешающую способность в два раза. Технология изготовления оптических волоконных световодов не проста и от неё зависит их оптическое качество. На рисунке 2.10 дана схема процесса изготовления заготовки для вытяжки трёхслойного круглого волоконного световода с низкими потерями методом химического осаждения из газовой фазы. Из рисунка видно, что в трубку из кварцевого стекла, которая равномерно нагревается внешним источником тепла, вводятся особо чистые хлориды кремния, бора и некоторых других элементов, а также кислород. При окислении образуется легированная двуокись кремния, которая осаждается на внутренней поверхности трубки и формирует стекловидный материал сердцевины и оболочки. При повышении температуры трубка сжимается (“схлопывается”) в сплошной стержень. Таким методом получается заготовка. Затем заготовка проходит операцию устранения внешних дефектов, которая заключается в высокотемпературной полировке её поверхности.
Рис 2.9 - Поэлементная передача изображения волоконной деталью 1 - изображение, поданное на входной торец; 2 - светопроводящая жила; 3 - изолирующая прослойка; 4 - мозаичное изображение, переданное на выходной торец.
Рис 2.10 - Схематическое изображение процесса изготовления заготовки методом химического осаждения из газовой фазы (а) и профиль показателя преломления по сечению заготовки (б) Следом заготовку устанавливают в специальной установке, на которой производится вытяжка стекловолоконной нити с одновременным покрытием защитной полимерной оболочкой. Затем стекловолоконные нити наматывают на бобины (см. рисунок 2.11 (б)). О высоком оптическом качестве волокна можно судить по его равномерному свечению. На рисунке 2.11 (а) показан волоконный световод, возбуждённый ИАГ лазером. Из рисунка видно, что световод имеет равномерное свечение.
Рис 2.11 - Волоконные световоды а- волоконные световоды, возбужденные ИАГлазером; б- катушки с волоконными световодами. Световоды обладают следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи, малый по сравнению с экранированными кабелями вес, потенциально низкая стоимость, благодаря отсутствию меди и свинца, устойчивость к температурным колебаниям, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий. По оценкам специалистов энергетические затраты на производство световодного кабеля в 90000 раз меньше, чем при производстве медного коаксиального кабеля. Разработана технология изготовления волоконных световодов, выдерживающих растягивающие нагрузки около 1,5 кг на длине в пределах километра. 2.3.3.2 Распространение оптического сигнала по цилиндрическому волоконному световоду Вполне ясно, что по световоду могут распространяться световые волны, введённые в него от какого-либо источника излучения. Такими источни-
ками обычно являются лазер или светоизлучающий диод, который помещается у торца световода. Попавшее в сердцевину (жилу) световода излучение не в полном объёме распространяется по нему. Лучи света, падающие к границе раздела под углами меньшими критического, попадают в оболочку и в дальнейшем поглощаются покрытием (защитной оболочкой). Лучи же света, подходящие к границе раздела под углом выше критического, полностью отражаются обратно в сердцевину световода. Этот процесс полного внутреннего отражения, постоянно повторяясь, обеспечивает распространение излучения вдоль световода. Рассмотрим простой волоконный световод со ступенчатым профилем показателя преломления. Этот световод имеет резкую границу между жилой и оболочкой, и показатель преломления на границе раздела “жила – оболочка” меняется скачкообразно. На рисунке 2.12 показана схема двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления. Из рисунка. 2.12 видно, что такой световод состоит из однородной сердцевины диаметром d1 = 2a1 и показателем преломления n1, заключённой в оболочку с показателем преломления n2 диаметром d2 = 2a2. Причём n1 > n2. В рассматриваемом случае могут передаваться два типа лучей: меридиональные, пересекающие ось световода, и косые, которые не пересекают её. В ступенчатом световоде лучи распространяются вдоль жилы, испытывая полное внутреннее отражение на границе раздела сред.
Рисунок 2.12 - Схематическое изображение двухслойного круглого стеклянного волоконного световода со ступенчатым профилем показателя преломления и ход меридиональных лучей 1 - сердцевина (жила); 2 - оболочка Рассмотрим ход меридиональных лучей. На рисунке 2.12 показано введение светового луча под углом Θ0 из среды с показателем преломления n0 в жилу волоконного световода (n1), где на границе (жила – оболочка) сред с показателями преломления n1 и n2 (n1 > n2) он претерпевает полное внутреннее отражение.
Как было показано, полное внутреннее отражение происходит тогда, когда угол отражения внутри световода больше критического угла sinΘk = n2/n1 Исходя из закона преломления Снелля критический угол может быть связан с углом падения луча в жилу следующей зависимостью: n 0 ⋅ Sin Θ
= n1 ⋅
где ∆ = 1 −
0
= n 1 ⋅ Sin ϕ = n 1 ⋅ Sin ( 90
1 − Sin 2 Θ
Κ
= n1 ⋅
1−
n 22 = n 12
0
− Θ k ) = n 1 ⋅ Cos Θ
n 12 − n 22 ≈ n 1 ⋅
k
=
,
2∆ ,
n1 , n0
Величина n0.sinΘ0 называется числовой апертурой NA, от которой в значительной степени зависит количество введённой в световод энергии. Иначе говоря, максимальный угол отклонения лучей, вводимых в световод, при котором наблюдается их полное внутреннее отражение на границе раздела сред существенно зависит от числовой апертуры световода. Так, для жилы из плавленого кварца (n1 = 1,6) и ∆ =0,01 числовая апертура NA=0,2 , максимальный угол ввода излучения Θ0 составляет 23,10. Небольшое значение угла Θ0 вызывает определённые трудности при вводе излучения в жилу световода. Потери световой энергии в световодах происходят по совокупности причин. Вводимое в волоконный световод оптическое излучение теряет часть своей энергии как при вводе, так и при распространении по нему. Общая картина потерь показана на рисунке 2.13. При вводе света в волоконный световод часть света попадает в покрытие и поглощается им, другая часть теряется на входе за счёт отражения от его торца. Введённый в световод свет, распространяясь по нему, также теряет часть своей энергии, что обусловлено различными причинами.
Рис 2.13 - Общая картина потерь в волоконном световоде В совокупности потери могут быть столь значительными, что окажутся в состоянии привести к полному затуханию вводимого света. Основными причинами потерь света при распространении по световоду считают его поглощение в материале жилы в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра электромагнитного излучения и рассеяние на различного рода её неоднородностях. На рисунке 2.14 (а) показаны оптические потери (собственное затухание) в световоде.
Рис 2.14 - Оптические потери от собственного затухания в световоде (пояснение в тексте) Известно, что в твёрдых материалах (в т. ч. стекле) атомы соединены между собой электронами, образующими химические связи, и короткие волны соответствуют их энергиям. В силу чего в этом случае коротковолновое излучение будет поглощаться более интенсивно, чем длинноволновое, и теряться в виде тепла. Поэтому, в коротковолновой области оптического излучения (ультрафиолетовая область) затухание волн будет определяться электронным поглощением. В более длинноволновой области оптического спектра (инфракрасной) колебательное поглощение является основным фактором ослабления введённого в световод излучения некоторой длины волны. Оно зависит от масс, размеров и зарядов атомов данного твёрдого тела. Массы атомов и силы связи
между ними определяют длины волн, на которых поглощение наиболее сильное. На рисунке 2.14 (б) показано, что увеличение масс атомов стеклообразных материалов и ослабление силы связи между ними приводит к поглощению более длинных волн. Установлено, что ZrF4 и AsSe3 сильно ослабляют световое излучение в длинноволновой инфракрасной области, а SiO2 наиболее сильно поглощает световое излучение в средней инфракрасной области. Потери светового излучения в стёклах и волоконных световодах происходят также из-за рассеяния на различного рода неоднородностях в составе и плотности материала. Основным механизмом потерь в твёрдых телах, включая стёкла, является рэлеевское рассеяние света – рассеяние на неоднородностях, меньших длины волны света. Электронное и колебательное поглощения и рэлеевское рассеяние относят к собственным оптическим потерям, присущим самому материалу. Кроме того происходят и несобственные оптические потери, возникающие из-за присутствия нежелательных примесей в материале и несовершенства технологии получения стекловолокна. К этим потерям относят поглощение световой энергии посторонними примесями, присутствующими в материале волокна, её рассеяние на больших включениях и пустотах, а также потери за счёт неравномерности диаметра волокна по его длине и отклонений от требуемых величин показателя преломления по сечению световода. Общие потери в световоде характеризуются коэффициентом затухания, который выражается в децибелах на километр (дБ/км). Из рисунка 2.14 (а) видно, что минимумы потерь в стекловолокне находятся в инфракрасной области оптического излучения и совпадают с длинами волн, генерируемых современными лазерами: полупроводникового лазера λ = 0,75—0,91 мкм, твердотельного лазера на стекле с неодимом и ИАГ лазера с неодимом λ = 1,06 мкм. Для кварцевых световодов минимум коэффициента ослабления находится в более далёкой инфракрасной области (λ = 1,3 мкм). В первых стекловолокнах оптические потери составляли около 1000 дБ/км, т.е. свет ослаблялся вдвое на расстоянии 1 метр. Совершенствуя технологию изготовления стекловолокон, потери в них удалось снизить до 20 дБ/км. Позднее были созданы стекловолокна с потерями менее 1 дБ/км, т.е. свет ослабевал на 20 % на длине 1 км. Есть сведения о том, что в настоящее время созданы кварцевые световоды, у которых оптические потери равны 0,2 дБ/км, на длине волны 1,5 мкм.
2.3.3.3 Дисперсионные явления в световодах
Есть и другое явление, возникающее при передаче по световоду определённой последовательности оптических импульсов, которое ограничивает информационную ёмкость канала связи. Известно, что любой световой импульс неоднороден. Он состоит из набора волн (волнового пакета). Даже лазерное излучение имеет определённую спектральную ширину с набором достаточно близких волн, которые всё же немного отличаются между собой по частоте. Входящие в состав пакета волны, оказываются разного цвета: высокочастотные – “синие” и низкочастотные – “красные”. В световодах эти компоненты передаваемого импульса распространяются с различными скоростями, что является причиной их временного удлинения. Такое временное удлинение светового импульса при передаче по световодам называют дисперсией (см. рисунок 2.15). Для объяснения этого явления различные авторы приводят следующий простой пример.
Рис 2.15 - Временное удлинение светового импульса при передаче по световоду Положим, две группы бегунов приготовились к последовательному старту на длинную дистанцию. Первая группа (первый “пакет”) бегунов стартует в заданное время. Естественно, группа растянется из-за разности скорости бегунов. Через определённый промежуток времени за первой группой стартует вторая группа (второй “пакет”) бегунов. Может случиться так, что наиболее быстрые бегуны второй группы догонят отстающих первой группы и они финишируют вместе. Аналогичным образом при передаче последовательных световых импульсов возможно их перекрытие на выходе из световода, что приводит к появлению помех и потере информации. Показано, что в многомодовом световоде с радиусом сердечника 15 мкм и ∆n = 1 % интервал между самой быстрой и самой медленной МОДами составляет 60 нс после прохождения расстояния в 1 км. При передаче импульсных световых сигналов через одномодовые световоды, которые пропускают только один тип колебаний, явление дисперсии минимально. Оказалось, что уменьшение расширения светового импульса можно получить и в многомодовых световодах, где разные типы колебаний распрос-
транялись бы с одинаковой скоростью. К таким световодам относятся волоконные световоды с плавно меняющейся плотностью и, соответственно, показателем преломления по сечению. Установлено, что при изменении показателя преломления сердцевины волоконного световода по параболистическому закону скорости распространения всех МОД примерно одинаковы. Иначе говоря, в таком световоде происходит выравнивание групповых скоростей распространения различных типов колебаний, что уменьшает расширение светового импульса. Созданы световоды с величиной расширения светового импульса в пределах 1,5 нс/км. 2.4 Волоконные световоды в технике Первые идеи по применению волоконных световодов для практических целей были связаны с системами передачи информации. Основные сферы их применения в рассматриваемое время – это телефонная связь и кабельное телевидение. Принцип действия оптических систем связи и передачи информации укладывается в схему: источник оптических сигналов – передающий световод – быстродействующий фотоприёмник. На рисунке 2.16 показано преимущество передачи информации по указанной схеме через волоконные световоды. В воздухе лазерный луч расширяется. Его диаметр у фотоприемника (ФП) больше, чем на выходе из лазера. При распространении луча по световоду диаметр сохраняется (рисунок. 2.16.I). Избежать рассеяния луча можно, установив на его пути фокусирующие системы (рисунок 2.16.II). Световод позволяет обойтись без дополнительных линз. Кроме того, путь луча может быть не прямолинейным, а иметь достаточно сложную форму (рисунок. 2.16.III).
Рис 2.16 - Схемы передачи лазерного излучения по воздуху и световоду
Применение оптических систем связи и передачи информации обусловлено возможностью эффективного превращения электрических сигналов в оптическое излучение и оптических сигналов в электрические токи. В этом случае источниками света служат полупроводниковые инжекционные лазеры (см. рисунок 2.17) или светоизлучающие диоды.
Рис 2.17 - Инжекционные лазеры а- различные типы инжекционных лазеров; б- одночастотный инжекционный лазер с перестраиваемой длиной волны генерации Фотоприёмник – фотоэлектрический приёмник оптического излучения предназначен для непосредственного преобразования световых сигналов в электрические. К ним относятся фотоэлементы, фоторезисторы, фотодиоды и т.п. В оптических системах информационные сигналы, заключённые в последовательность электрических сигналов, моделируют лазерное излучение: полупроводниковый лазер электрические сигналы превращает в световые. Световое излучение вводится в световод и распространяется по нему на необходимые расстояния. В конечной точке помещается фотоприёмник, преобразующий световые сигналы в электрические. В итоге мы и воспринимаем их в виде звуковых сигналов при телефонном разговоре или на экране телевизора в виде изображения и речевой информации. Оптическая система для передачи различных информаций обладает следующими основными достоинствами: помехозащищённость по отношению к электромагнитным воздействиям, скрытость передачи (практическое отсутствие излучения при неповреждённых световодах), малый (по сравнению с экранированными кабелями) вес, отсутствие опасности возгорания и коротких замыканий, меньшее количество (по сравнению с традиционными системами) усилительных устройств (5—12 км для кабелей на оптических волокнах и 2—4 км для систем связи с экранированными кабелями), широкая
информационная полоса пропускания (в настоящее время созданы широкополосные многомодовые световоды с полосой пропускания, определяемой разностью между минимальной и максимальной частотами, порядка 1 ГГц/км). В волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС) различают три основных вида систем: магистральные сверхширокополосные линии связи длиной десятки и сотни километров, линии средней длины до 2-х километров (внутригородские) и короткие, используемые внутри отдельных объектов (зданий, самолётов, ЭВМ и т.п.). Рассмотрим лишь один пример – использование ВОЛС в авиации. По мнению зарубежных специалистов целесообразными направлениями использования волоконной техники в авиации являются: в системе передачи изображений по волоконным жгутам; • в самолётных бортовых системах с низкими информационными потоками; • в самолётных каналах информационного обмена большой ёмкости; • в наземной технике связи; • в системе передачи команд в авиационных ракетах. Жгуты можно использовать для передачи визуальной информации лётчику от различных датчиков изображений (телевизионных и других датчиков). При наземном обслуживании самолётов они используются для контроля за элементами конструкции самолёта в труднодоступных местах. Наметившаяся тенденция ухода от управления самолётом посредством системы тяг в пользу проводной линии приведёт к снижению его общей массы и позволит более гибко формировать сигналы управления в зависимости от условий его полёта. В этом случае волоконные кабели с низкими информационными потоками вполне могут заменить электрические. В такой системе низкая потребная информационная ёмкость каналов связи определяется относительно медленным изменением параметров полёта самолёта. Устойчивость к внешним помехам и малая масса ВОЛС говорят о предпочтительности применения этой системы. При построении единой мультиплексной (сложной и многократной) бортовой системы информационного обмена большой ёмкости наибольший выигрыш можно получить от применения волоконно-оптических линий (магистралей). В этом случае на борту самолёта находятся несколько управляющих вычислительных машин (ЭВМ). Каждая из этих машин способна решать все задачи и передавать часть своих задач на другие ЭВМ в случае отказа. •
Перспективность использования ВОЛС для связи между блоками ЭВМ в наземных пунктах управления определяется, в частности, такими преимуществами, как гальваническая развязка и отсутствие электрических наводок на кабель. ВОЛС в системе передачи команд в авиационной ракете применяются в основном благодаря их высокой помехоустойчивости по отношению к электрическим наводкам. Считается, что с оптическими линиями связи возможно снижение веса самолёта (при других равных условиях) в пределах четырёх тонн, а стоимости до 10 миллионов долларов. Область использования волоконных световодов не ограничивается системами связи и передачи информации. Примером применения инфракрасных световодов является волоконно-оптический фторидный лазер (см. рисунок 2.18) фирмы General Telephone and Electronics, Inc. Здесь активным элементом лазера служит световод из фторидного стекла с добавкой неодима. Такой световод помещён между зеркалами, одно из которых полупрозрачное. Устройство преобразует сине-зелёное лазерное излучение в инфракрасное за счёт того, что сине-зелёный свет возбуждает ионы неодима, вкраплённые в фторидное стекло световода, которое затем испускает инфракрасное излучение.
Рис 2.18 - Фторидный волоконно-оптический лазер 2.5 Световоды в медицине 2.5.1 Щелевые световоды В медицине щелевые световоды применяются для освещения взрывоопасных барокамер, где лечение или хирургическая операция больных происходит в атмосфере чистого кислорода при повышенном давлении. В этих
случаях традиционное электрическое освещение барокамер возможно только при принятии соответствующих мер повышенной предосторожности. При применении щелевых световодов лампы находятся вне барокамеры, внутренний объём которой освещается световодами, расположенными внутри помещения. 2.5.2 Волоконные световоды Как мы уже знаем, в медицине используются различные лазеры, которые генерируют излучение от ультрафиолетового до инфракрасного диапазона. Мы также рассмотрели их лечебные возможности. При этом основной задачей становится метод подвода лазерного луча к любому больному участку тела и внутреннему органу пациента. В этом случае, видимо, волоконные световоды и жгуты с небольшими поперечными сечениями и сопоставимыми потерями могут быть наиболее подходящими для указанных целей. Недаром в последние годы наиболее широкое применение в медицине волоконные световоды нашли в области передачи энергии лазерного излучения внутрь человеческого тела для хирургических и терапевтических целей. Применение оптических волоконных световодов в медицине также связано и с использованием их в диагностической практике в качестве систем передачи изображений, которые называются фиброскопами. На рисунке 2.19 (а) показан общий вид фиброскопа и фотография полипов, полученная с его помощью в клинике Мэйо (рисунок 2.19 (б)).
Рис 2.19 - Фиброскоп
а- общий вид и строение; б- фотография полипов, полученная с помощью фиброскопа. Из рисунка 2.19 (а) видно, что фиброскоп состоит из внешнего и внутреннего жгутов волоконных световодов, плотно уложенных между собой. Внешний жгут – осветительный, а внутренний – информационный (передача изображения к наблюдателю). Свет из мощного источника (например, ксеноновая лампа) направляется на приёмник. Линза приёмника фокусирует свет от лампы на торец жгута. Свет, проходя по световодам жгута, освещает полип (например, в желудке). Отражённый от живой ткани свет собирается линзой и фокусируется на торец внутреннего жгута. Изображение можно наблюдать в окуляр, записывать на видеоплёнку и т.д. Новейшие фиброскопы содержат до 10000 световодов в жгуте диаметром около 1 мм. Разрешающая способность такого фиброскопа высока. Он позволяет рассматривать предметы, имеющие размер 70 мкм в поперечнике. Фиброскопы часто включаются в состав более сложных приборов, называемых эндоскопами. Эндоскопы также имеют дополнительные каналы, позволяющие расширить функции этого прибора. Например, через один канал можно ввести воду для очистки раны от инородных веществ, через другой – миниатюрные скальпели для разрезания биоткани, через третий – иглы для впрыскивания лекарств. Современные эндоскопы имеют длину от 0,3 до 1,2 м и диаметр от 2,5 до 15 мм. На рисунке 2.19 (б) показана концевая часть эндоскопа, в дополнительный канал которого введены миниатюрные ножницы для отделения полипа. На рисунке 2.20 показана возможная конструкция эндоскопа для введения через плечевую артерию для наблюдения фрагментов сердца и разрушения бляшек и других наростов в сосудах. Через него можно наблюдать за клапанами сердца и закупорками в венечных артериях, разрушать бляшки и т.п. На вставке рисунка 2.20 показана концевая часть эндоскопа, состоящего из фиброскопа, надувной манжеты, силового световода для подвода лазерного излучения и вспомогательного канала. Фиброскоп позволит визуально обнаружить бляшки и другие закупорки сосудов. Затем, для временной остановки кровотока манжета надувается. По силовому световоду подаётся лазерное излучение для разрушения, например, бляшки. После проведённой операции из манжеты выпускается воздух и поток крови восстанавливается. Первоначально для удаления бляшек применяли аргоновый лазер, излучающий зелёный свет, из-за его надёжности и эффективности передачи его излучения по обычным кварцевым световодам. Оказалось, что зелёный свет вызывает обширные тепловые разрушения близлежащих тканей. При этом происходит недостаточно эффектив-
ное удаление бляшки. Для этих целей более эффективными оказались импульсное ультрафиолетовое или инфракрасное лазерное излучение. Для таких операций очень важным является защита кровеносных сосудов от прожигания лазерным лучом. Считается, что волоконные световоды способны передавать инфракрасное излучение СО2 лазера, позволяя создавать безопасные, надёжные и долговечные хирургические системы.
Рис 2.20 - Возможная конструкция эндоскопа На рисунке 2.21(а) показана полностью закупоренная бедренная артерия. После воздействия лазерного луча, подведённого через световод от исходной закупорки остаётся примерно 30 % (рисунок 2.21 (б)). Для расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком (рисунок 2.21(в)). После проведенных манипуляций кровоток восстанавливается.
Рис 2.21 - Рентгеновские снимки бедренных артерий а- Артерия полностью заблокирована; б- Артерия после воздействия лазерного излучения (от исходной закупорки осталось только 30 %); вДля расширения канала кровотока в артерию вводят катетер с надувным баллончиком, после чего нормальный кровоток восстанавливается. Волоконные световоды также применяются для обнаружения и лечения небольших опухолей. На рисунке 2.22 (а) показана опухоль, закупорившая трахею. Больному вводят краситель, который опухолью поглощается быстрее, чем здоровой тканью. Через введённый в опухоль волоконный световод подводят лазерное излучение, воздействующее на краситель (рисунок 2.22 (б)). Через два дня (рисунок 2.22 (в)) опухоль после облучения омертвилась и теперь её можно удалить.
Рис 2.22 - Фотодинамическая терапия а- опухоль, закупорившая трахею; б- введённый в опухоль волоконный световод подводит лазерное излучение, воздействующее на краситель; вопухоль после облучения омертвилась Описанный метод – метод фотодинамической терапии. Для осуществления этого метода применялся криптоновый лазер, генерирующий ультрафиолетовое излучение. Облучение опухоли проводилось через кварцевый световод. Краситель – производная гематопарфирина. Этот краситель сильно поглощает красный свет. Для выделения красного света на выходе жгута наблюдения помещается фильтр, пропускающий красный свет и отсекающий отражённое ультрафиолетовое излучение. Если же поражённую ткань со введённым в неё красителем облучить лазерным излучением красного света большой интенсивности, то энергия поглощения вызывает серию фотохимических реакций, которые убивают злокачественные опухоли. Лазер на парах золота может излучать высокоинтенсивный красный свет. Присоединяя миниатюрные датчики к концам световодов, можно производить измерения физиологических параметров. Например, созданы датчики для измерения давления в артериях, мочевом пузыре, мочеиспускательном канале и в прямой кишке. Датчик представляет собой прикреплённую к концу световода трубку, дальний конец которой герметизирован тонкой отражающей мембраной (рисунок 2.23). Работа датчика происходит следующим образом. Когда давление вне трубки больше, чем внутри (рисунок 2.23(а)), мембрана прогибается во внутрь, образуя выпуклое зеркало, отражающее в световод только часть света. Это означает, что давление высокое. Если же давление вне трубки ниже, чем внутри, то мембрана, изгибаясь наружу, образует вогнутое зеркало, которое в световод направляет больше света. В этом случае давление низкое.
Рис 2.23 - Волоконно-оптический датчик При помощи волоконно-оптических средств возможны: измерение скорости кровотока, определение содержания кислорода в крови, проведение прямого и быстрого биохимического и клинического анализов крови, а также решение других проблем физиологии человека. Лазерная медицинская система 405-4А (Болгария) укомплектована световодами с соответствующими наконечниками (см. рисунок 2.24 (а)).
Рис 2.24 - Гибкие моноволоконные световоды к лазерной медицинской системе 405-4А а- световоды со специальными наконечниками; б- подвод световода к оперативному полю Световоды с фиксированным фокальным пятном серии 405-4А-100 дают возможность доводить лазерное излучение до оперативного поля и используются как лазерный скальпель (см. рисунок 2.24 (б)). Благодаря использованию моноволоконного световода лазерный скальпель (модуль) имеет малые габариты и отвечает требованиям хирургии по эргономичности. В модуль встроена линия для обдувания зоны операции буферным газом. Он ком-
плектуется двумя типами объективов: длиннофокусными – для внешней обработки доброкачественных и злокачественных новообразований, короткофокусными – для точных разрезов с малой мощностью при обработке тонких стенок. Технические характеристики световодов серии 405-4А-100 Коэффициент пропускания: для рабочего луча (λ=1,06 >95 % мкм) для трассирующего луча >97 % (λ=0,63 мкм) Фокусное расстояние: короткофокусный объектив 12,5 мм длиннофокусный объектив 18,8 мм Диаметр фокального пятна: короткофокусный объектив 0,3 мм длиннофокусный объектив ≈ 1 мм Минимальный радиус сгиба 60 мм Рабочая длина (по заявке кли- От 2000 до ента) 4000 мм Гибкие моноволоконные световоды серии 405-4А-200 применяются в основном как коагулятор, совместимый с эндоскопическим оборудованием. Разработаны различные модификации для применения в урологии, гинекологии, нейрохирургии, для коагуляции в общей хирургии и др. Основные технические характеристики световодов серии 405-4А-200 Диаметр кварцевого волокна 0,6 мм Коэффициент пропускания: >95 % Расходимость излучения по- <100 сле выхода из световода Максимальное число защит- 3 ных оболочек Минимальный радиус сгиба 60 мм Рабочая длина (по заказу От 1200 до клиента) 3000 мм К гибким моноволоконным световодам, в зависимости от конкретных нужд, могут присоединяться различные наконечники (см. рисунок 2.24 (а)), подлежащие стерилизации: сапфирные наконечники для обработки тромбозов в ангиопластике или специальные металлические наконечники для преобразования энергии лазерного излучения в тепловую.
Список использованных источников 1. Справочник по лазерам под редакцией А.М. Прохорова, Т. 2, М. “Советское радио”,1978г., 400 с. 2. Справочник по лазерной технике. Под редакцией Ю.В. Байборадина, Л.З. Криксунова, О.Н. Литвиненко, Киев “Техника”, 1978г., 288 с. 3. Основы волоконно-оптической связи. Перевод с английского. Под редакцией Е.М. Дианова, М. “Советское радио”, 1980г., 230 с. 4. Лазеры в авиации. Под редакцией В.М. Сидорина, М. “Воениздат”, 1982г., 160 с. 5. Н.Г. Басов, Ю.М. Попов “Оптоэлектроника”. Международный ежегодник “Наука и человечество”, 1982г., 269—279 с. 6. Мартин Г. Дрексгейдж, Карнелиус Т. Мойнихэн “Инфракрасные волоконные световоды”, Ж. “В мире науки” №1, 1989г., 56—62 с. 7. Абрахам Картцир “Волоконные световоды в медицине”, Ж. “В мире науки” №7, 1989г., 62—69 с. 8. А. Карасик, П. Мамышев “Компрессор световых импульсов”, Ж. “Техника молодёжи” №1, 1986г., 21—23 с. 9. Ю.Б. Айзенберг, В.М. Пятигорский, Г.Б. Бухман “Щелевые световоды”, Ж. “Наука в СССР” №4, 1988г., 34—40 с. 10. А.М. Прохоров, Е.М. Дианов “Волоконная оптика: проблемы и перспективы”, Ж. “Наука в СССР” №3, 1987г., 22—31 и 81 с. 11. Проспект “Лазерная медицинская система 405-4А”, Ф. “Оптика”, Болгария 12. Физический энциклопедический словарь, М. “Советская энциклопедия”, 1983г., 928 с.
3 Звук. Ультразвук 3.1 Общие сведения Древнегреческий философ и ученый Аристотель нашел правильное объяснение физической сущности звука. Он говорил: “Звук получается когда действуют на воздух, и дело не в том, что производится отпечаток (как думают некоторые), а в том, что вызывается соответствующее движение. Воздух сжимается и расширяется и опять сжимается и так далее ударяемый импульсами колеблющейся струны. Когда воздух движется и ударяет соседний воздух, тот перемещается вперед с импульсом; следующая часть поступает таким же образом; звук распространяется настолько далеко, насколько движение имеет место.” Современное физическое определение звука: “Колебательное движение частиц упругой среды, распространяющейся в виде волн в газообразной, жидкой или твердых средах”. В безвоздушном пространстве подобные волны не возникают. Иначе говоря, звук – это колебания плотности среды (газа, жидкости или твердого тела), распространение которого происходит за счет периодического сжатия и расширения среды, передаваемого от слоя к слою. При этом сами частицы среды не перемещаются, они только колеблются, попеременно смещаясь в одну и другую стороны на очень небольшие расстояния. Таким образом, звук – волновой процесс, распространяющийся в газообразных, жидких и твердых средах, и, осуществляющий перенос энергии без переноса вещества. Звуковые волны относятся к упругим волнам, при распространении которых в среде возникают механические деформации сжатия, переносимые ею из одной точки тела в другую. При этом перенос энергии упругой деформации происходит без потока вещества (кроме особых случаев, например акустический ветер). Звуковые волны являются продольными механическими волнами, представляющими собой колебательный процесс в упругих средах, которые состоят из большого числа связанных друг с другом частиц. Если в какойлибо упругой среде возбуждается колебание одной из частиц, то она становится центром распространяющейся волны. Источниками звуковых волн могут быть любые явления, вызывающие возмущения упругой среды. Искусственно созданные источники звука – это мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов, органные трубы, пьезоэлектрические пластины и т.д. Они распространяются в твердых телах, жидкостях и газах в виде колебаний (волн) давления. Понятие звук употребляется также в узком смысле, как определение субъективного ощущения, вызванного действием звуковых волн на органы слуха
человека и животных. Обычно колебания среды называют звуковыми. Однако не все звуковые колебания мы слышим Звуки делятся на слышимые и неслышимые. Ухо человека воспринимает звуки в диапазоне от 16-20 Гц до 20 к Гц. Собаки слышат более высокие звуки до 40 к Гц. Дети слышат более высокие звуки, чем пожилые люди. Границы между слышимыми и неслышимыми звуками не строго определены и в какой-то мере условны. Неслышимые звуки ниже 16-20 Гц называют инфразвуковыми, выше 20 к Гц – ультразвуком, а от 10 9 Гц до 10 12 – 10 13 Гц – гиперзвуком (рисунок 3.1).
Рис 3.1 - Шкала распределения звуковых частот Снизу область инфракрасных частот практически не ограничена. В природе встречаются инфразвуковые волны с частотой в сотые и тысячные доли Гц. Частотный режим гиперзвуковых волн имеет сверху принципиальное ограничение, обусловленное атомным и молекулярным строением сред: в газах длина упругой волны должна быть больше длины свободного пробега молекул, а в жидкостях и твердых телах – больше удвоенного межмолекулярного или межатомного расстояния. Исходя из этого положения верхняя граница гиперзвука принята: в газах – 10 9 Гц , а жидкостях и твердых телах 10 12 –10 13 Гц. С физической точки зрения разно частотные колебательные процессы ничем специфическим не отличаются друг от друга. Поэтому в физике под словами “звуковые колебания” подразумевают упругие колебания, которые распространяются в виде волнового процесса в газах, жидкостях и твердых телах. При распространении звуковых волн имеют место обычные для всех типов волн явления интерференции и дифракции. 3.2 Распространение звука Распространение звуковых волн, как и всех видов волн, хорошо объясняется принципом Гюйгенса: “Каждая точка среды, вовлеченная в волновое движение, становится источником новой волны, называемой элементарной волной”. В результате сложения множества элементарных
волн образуется волновой фронт, который представляет собой геометрическое место всех частиц, колеблющихся с одинаковой фазой (рисунок 3.2).
Рис 3.2 - Схема поясняющая принцип Гюйгенса Восстановим в памяти, что упругие поперечные волны могут распространяться только в твердых телах, а продольные волны - и в твердых телах, и в жидкостях, и в газах. Дело в том, что в поперечной волне происходит сдвиг слоев друг относительно друга, а упругие силы при сдвиге могут возникнуть только в твердых телах. В жидкостях и газах упругие силы при сдвиге слоев не возникают в виду их свободного скольжения друг по другу. Поэтому в них возможны лишь продольные волны в которых участки тела меняют свой объем за счет их периодического сжатия и растяжения. А упругие силы, возникающие при изменении объема, равно свойственны как жидкостям и газам, так и твердым телам. Поэтому продольные волны возможны во всех упомянутых средах. Таким образом, различие между передачей звука через жидкие и газовые среды, с одной стороны, и через твердые тела – с другой состоит в том, что в твердых телах наряду с продольными волнами могут возникнуть и поперечные. Рассмотрим некоторые явления, возникающие при распространении звуковых волн. Распространение звуковых волн характеризуется в первую очередь скоростью звука. 3.2.1 Скорость звука Рассмотрим скорость перемещения звуковой волны в упругой среде, когда форма ее профиля остается неизменной. В волновом поле различают колебательную скорость каждой его точки и скорость распространения колебаний от точки к точке. Колебательной скоростью или скоростью частиц называют скорость колебательного движения частиц среды. Точки волнового поля остаются на своих местах, от одной точки к другой переходит каждая фаза колебаний. Поэтому скорость распространения волн называют фазовой скоростью. В общем случае скорость распространения волны ν определяется по формуле:
υ=
λ Τ
= λ ⋅ν ,
где: Т - период колебаний, с; λ - длина волны, м; ν - частота колебаний, Гц. Фазовая скорость распространения волн в упругой среде определяется физическими свойствами и их состоянием среды. Так скорость продольной волны в твердом теле υп =
Ε
ρ
,
где: ρ - плотность тела, кг/ м3 Ε - модуль упругости или модуль Юнга Поперечная же волна в твердом теле распространяется со скоростью равной υ поп =
G
ρ
,
где: G - модуль сдвига Так как E
Κ
ρ
=
1 , β ⋅ρ
где K- адиабатический модуль объемного сжатие
β - адиабатическая сжимаемость Обычно в жидкостях скорость звука уменьшается при повышении температуры. Увеличение температуры жидкости на 1оС приводит к уменьшению скорости звука на несколько м/с. Исключением из этого правила является вода. В воде скорость звука увеличивается с ростом температуры. При 74оС скорость звука достигает своего наибольшего значения. Последующее увеличение её температуры приводит к снижению скорости звука. Увеличение давления воды на 1 атм. приводит к увеличению скорости распространения звуковой волны примерно на 0,01%. Скорость звука в некоторых жидкостях при 20оС : вода - 1490 м/с, этиловый спирт - 1180 м/с, глицерин - 1923 м/с. В газах скорость продольной волны определяется по зависимости γ ⋅Ρ , ρ
υ=
γ =
Cp
- отношение теплоемкостей при ρ=const и V=const.
Cv
P - среднее давление в среде. Известно, что ρ=
Ρ⋅µ R ⋅T
,
где µ - молярная масса; R - газовая постоянная; T - температура газа. Тогда, заменив ρ его выражением через ρ, µ, R, T, получим : υ=
γ ⋅ R ⋅T , µ
Таким образом, для данного газа скорость распространения звуковых волн прямо пропорциональна корню квадратному из абсолютной температуры Т и не зависит от давления газа P. Иначе, скорость звука в газах равна средней скорости движения молекул в газе. Для разных газов, взятых при одинаковых условиях, скорости звука обратно пропорциональны квадратному корню из их молекулярных весов.
Значения скорости звука в некоторых газах при температуре 0оС следующие: воздух- 331 м/с, кислород- 315 м/с, углекислота- 258 м/с, водород1263 м/с. Большое значение скорости звука в водороде объясняют его малым молекулярным весом. Дальность распространения звука зависит также от рефракции- искривления звуковых лучей. Чем разнороднее среда, тем больше искривляется звуковой луч и соответственно тем меньше дальность распространения звука. Так при распространении звуковых волн в атмосфере большую роль играют ее неоднородности. Скорость звука зависит от температуры воздуха и степени его влажности. Причины явления загибания звуковых лучей являются наличие градиентов скорости ветра и температуры воздуха. Так, например, (Рисунок 3.3) в приземном слое атмосферы скорость ветра увеличивается с высотой. Это обстоятельство приводит к тому, что при распространении звука против ветра он изгибается вверх, а при распространении по ветру звуковые волны изгибаются вниз. Этим и объясняется лучшая слышимость с подветренной стороны. Неоднородностью атмосферы объясняется и образование, так называемых, зон молчания которые могут появиться при распространении на большие расстояния сильных звуков (например, взрывов): взрыв слышен на сравнительно близких и достаточно далеких (сотни километров) расстояниях, а посредине лежит зона, где звука не слышно.
Рис 3.3 - Распространение звука в приземном слое атмосферы при возрастании ветра с высотой Из изложенного видно, что скорость распространения звука зависит от характеристик среды. Установлено, что чем выше ее упругость, тем с большей скоростью в ней распространяется звук. Так в каучуке звук распространяется со скоростью около 50 м/с, в воздухе -331 м/с, в воде - 1490 м/с и в стали - 5000 м/с. 3.2.2 Звуковое давление Понятия давление звука и звуковое давление необходимо отличать друг от друга.
Так, давление звука - это постоянное давление, испытываемое телом, находящемся в стационарном звуковом поле, а звуковое давление - это переменная часть давления, возникающая при прохождении звуковой волны в среде. Мы знаем, что в каждой данной точке среды, в которой распространяется продольная звуковая волна, сжатия и растяжения сменяют друг друга. При прохождении звуковой волны в жидких и газообразных средах, образуются периодические сгущения и разряжения, которые создают добавочные изменения давления по отношению к среднему значению давления в среде. Этот избыток или недостаток давления называют звуковым. Ввиду того, что это добавочное давление в волне все время колеблется, то его среднее значение, кроме очень сильных волн - нелинейные колебания, равно нулю. Таким образом звуковое давление - давление, которое дополнительно возникает при прохождении звуковой волны в среде и изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны. Звуковое давление является основной количественной характеристикой звука. Единица его измерения
Н (Па). м2
3.2.3 Энергия звука и перенос ее звуковыми волнами Для возбуждения звуковых колебаний необходимо произвести в среде некоторые возмущения ее частиц. Возмущение среды производится за счет какого-либо внешнего источника энергии например генератора колебаний, раскачивающего частицы, непосредственно прилегающего к нему слоя среды. Затем этот слой среды передает колебания следующему слою и т.д . Работа, совершаемая этим источником в основном превращается в энергию излучаемых волн. Как вам известно, энергия участка волны прямо пропорциональна плотности среды, квадрату амплитуды колебания и квадрату частоты. Распространяющаяся в среде звуковая волна, представляющая собой последовательную передачу движения от одного участка среды к другому, передает и энергию - общую количественную меру движения -, полученную от источника. Таким образом, распространение звуковой волны создает в среде поток энергии, переносимый волнами, расходящихся от источника. Под потоком звуковой энергии понимают то количество энергии, которая проходит за единицу времени через единицу площади, расположенную перпендикулярно к линии распространению звука. Кроме того, энергия звуковой волны характеризуется: плотностью, интенсивностью (силой) звука, уровнем интенсивности. Вспомним определения этих понятий.
Плотность энергии - это количество энергии, приходящееся на единицу объема среды ω [Дж/м3] . Интенсивностью (силой звука) называют отношение падающей на поверхность звуковой мощности к площади этой поверхности I [Вт/м2] . Интенсивность звука валяется энергетической характеристикой звуковой волны. Для сравнения интенсивности звука используют понятие уровень интенсивности. Под уровнем интенсивности β понимают десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука умноженный на 10 β = 10 lg
I , I0
[дБ]
I0 – уровень интенсивности звука на пороке слышимости 3.2.4 Отражение и преломление звуковых волн Отражение и преломление звуковых волн происходит в основном по тем же законам, что и в геометрической оптике. Свои знания по этому вопросу мы освежили, в некоторой мере, на лекции "световоды". 3.2.5 Затухание звука с расстоянием Затухание звука связано с тем, что звуковая волна по ходу своего движения ослабляется, уменьшая интенсивность, следовательно, и амплитуду. Оно происходит по нескольким причинам. Одной из них является так называемое расхождение волны, которое связано с тем, что поток звуковой энергии по мере удаления от источника распространяется на все увеличивающуюся волновую поверхность, что приводит к соответственному уменьшению интенсивности звука. Так, например, в воздухе звуковая волна от источника распространяется во все стороны, равномерно распределяясь по всей поверхности волновой сферы, которая будет постепенно расширяться, увеличивая свою площадь. Чем больше расстояние от источника звука, тем больше поверхность сферы, площадь которой растет пропорционально квадрату радиуса. Площади последовательно расположенных сфер с радиусами R1 и R2 (R1
Иначе говоря, интенсивности I1 и I2 на расстояниях R1 и R2 от источника звука относятся друг к другу обратно пропорционально квадратам расстояний. Т.к. интенсивность звука пропорциональна плотности энергии, то интенсивность, как и плотность энергии, пропорциональна квадрату амплитуды А. I=K•A2, где K - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы волны и свойств среды, в которой волна распространяется. Тогда: А1 R2 = , А2 R1
Следовательно, амплитуда звуковой волны уменьшается обратно пропорционально расстоянию в первой степени от источника. В действительности звук затухает несколько быстрее из-за рассеяния и поглощения звука. Рассеяние звука происходит на препятствиях и неоднородностях, размеры которых малы или сравнимы с длиной волны, распространяющейся в данной среде. В газах таковыми могут быть жидкие капли, в водной среде пузырьки воздуха, а в твердых телах - различные инородные включения. Рассеяние звука так же происходит на неровных и неоднородных границах среды. Поглощение звука связано с тем, что звуковая волна постепенно теряет некоторую часть своей энергии, затрачивая ее, например, на преодоление вязкого трения в среде, в которой она распространяется. Среда поглощает часть энергии. При этом происходит необратимый переход энергии волны в другие виды энергии, в основном в тепловую. Ослабление звука происходит вследствие того, что звуковая волна постепенно теряет свою энергию из-за поглощения ее средой, по которой она распространяется. Степень поглощения определяется свойствами среды. Так в вязкой среде (вата, каучук и т.п.) поглощение наибольшее. Поглощение звука определяется и частотой звука: с увеличением частоты поглощение усиливается. Так, например, поглощение звука с частотой 10000 Гц около 100 раз выше чем с частотой 1000 Гц. Для увеличения дальности передачи звука его необходимо концентрировать в заданном направлении. 3.2.6 Передача звуковых волн по акустическим волноводам
При передачи звука по акустическим волноводам степень затухания волн уменьшается, сохраняя значительную интенсивность на более длинном пути из-за уменьшения потока во внешнюю среду. Акустический волновод – канал (сравните со световодами), по которому распространяется звуковая энергия. Эти каналы имеют стенки, свойства которых резко отличаются от свойств внутренней и наружной сред. Стенки служат резкими границами между внутренними и наружными средами. Такими каналами могут быть, например, трубы с совершенно жесткими стенками, через которые звуковая энергия не проходит. Звуковые каналы могут возникать также в сплошных неоднородных средах. В этом случае резких границ нет, а происходит плавный переход между свойствами среды внутри и вне канала. Такие каналы могут наблюдаться в атмосфере и океане в виде слоев, отличающихся внутри и снаружи по температуре. Мы знаем, что для лучшей слышимости на расстоянии необходимо пользоваться рупором. Однако, вне рупора расхождение волны в стороны не ограничено. Причиной же усиления в этом случае звука является концентрация энергии звуковой волны в определенном телесном угле. Иначе говоря, рупор создает направленное излучение. Но внутри телесного угла интенсивность звука также снижается обратно пропорционально квадрату расстояния. При распространении в цилиндрической трубе, звуковая волна не расходится в стороны и поэтому сохраняет значительную интенсивность на достаточно длинном пути. В этом случае энергия звука переносится через равные по величине площадки. Поэтому интенсивность звуковой волны не должна была бы ослабевать с расстоянием. В действительности же происходит ее ослабление. Причиной служит поглощение энергии той средой, в которой звуковая волна распространяется: в каждой точке на пути волны какая-то доля переносимой ею энергии тратится на работу против вязкого трения в среде и переходит в основном, в тепло. Кроме того, в рассматриваемом случае потеря энергии распространяющейся звуковой волны происходит и из-за поглощения ее стенками самой трубы. В качестве примера звукового канала, возникающего в сплошных неоднородных средах, рассмотрим следующие явления. В морской воде дальность передачи звука зависит от ее температуры, солености и глубины(гидростатического давления). С этими параметрами морской воды связан ход звуковых лучей в ней и, в частности, существование подводного звукового канала. Подводный звуковой канал, возникающий чаще всего в океанах, позволяет транспортировать звуковые волны на сверхдальние расстояния. Если дальность распространения звука в морской воде определяется десятками или сотнями км(зависит от мощности излучателя), то по подводному звуковому каналу он может пройти расстояние до нескольких тысяч км. Сущность этого явления объясняется следующим образом.
В морской воде с увеличением ее глубины, скорость звука уменьшается. Но это снижение скорости звука происходит до тех пор, пока понижается температура. Дальнейшее повышение глубины естественно увеличивает и гидростатическое давление. При определенном уровне давления скорость звука начинает возрастать. Оказалось, что верхняя и нижняя границы звукового канала имеют глубину с равными скоростями звука, а на глубине залегания оси этого канала скорость распространение звука наименьшая. Этот канал образно можно представить как звуковой естественный волновод, в котором происходит почти полное отражение звуковых лучей от границ канала с последующей концентрацией и распространением их вдоль его оси. Естественный акустический волновод может образоваться и в атмосфере из-за изменения ее температуры и плотности с высотой. 3.2.7 Акустический концентратор Акустический концентратор- устройство для увеличения интенсивности звука. Их разделяют на фокусирующие и волноводные. Первые представляют собой зеркальные системы или ультразвуковые фокусирующие излучатели сферической либо цилиндрической формы и являются высокочастотными концентраторами. Они, например, применяются в промышленных технологических установках для ультразвукового контроля и ультразвуковой очистки, получения аэрозолей, а в биологии- для уничтожении микроорганизмов, в экспериментальной медицине в основном в нейрохирургии, приборах медицинской диагностики и т.п. В фокусирующих акустических концентраторах в фокальном пятне собирается до 90 % излучаемой звуковой энергии. Для доброкачественного фокусирования необходимо, чтобы размеры концентратора значительно превышали длину собираемой волны. Такие акустические концентраторы в основном применяется в области частот 100000 Гц и выше, т.е. в области высоких ультразвуковых частот. При их помощи можно получить интенсивности звука равными от 1000 до 10000 Вт/см2. Вторые (волноводные) (рисунок 3.4)
Рис 3.4 - Волновые резонансные акустические концентраторы a - конические; б - экспоненциальные; в - ступенчатые; ε - распространение амплитуды колебаний акустические концентраторы предназначены для увеличения амплитуды колебательного смещения низкочастотных ультразвуковых излучателей, представляют собой твердый стержень переменного сечения или переменной плотности. К излучателю они присоединяются расширенным концом или частью с большей плотностью материала. Стержни с переменной плотностью представляют собой соединение различных материалов с одинаковым поперечным сечением. В этом случае амплитуда смещения увеличивается с увеличением разницы диаметров или плотностей противоположных торцов стержней и концентрация энергии происходит в результате уменьшения их сечения или плотности. Широкое распространение получили металлические стержни с сечением, изменяющимся по определенному закону (например, коническому, экспоненциальному, ступенчатому), могущими давать усиление по амплитуде в 10-15 раз. Такие концентраторы применяются в ультразвуковой технологии. Они являются составной частью колебательных ультразвуковых устройств, которые работают в диапазоне частот от 18 до 100 кГц (в основном от 18 до 44 кГц). Эти концентраторы нашли применение в ультразвуковых станках для механической обработки металлов, в устройствах для ультразвуковой пайки и сварки, а также в ультразвуковых хирургических инструментах. 3.2.8 Распространение интенсивных звуковых волн Изучением распространения интенсивных звуковых волн занимается нелинейная акустика - область акустики, которая изучает явления, вызванные нелинейностью среды, где распространяются звуковые волны. К нелинейным эффектам относятся: изменение формы волны в процессе ее распространения (изменение временной зависимости параметров волны), самофокусировка волны, давление звука , кавитация и др.
Обычно такие явления становятся существенными лишь при достаточно больших амплитудах звуковых волн. Нелинейные эффекты возникают в результате изменения физических свойств среды, вызванных распространяющейся волной высокой интенситвости и влияющих как на условия распространения данной волны (само воздействие), так и на другие виды возмущений (взаимодействие). Рассмотрим распространение интенсивных звуковых волн, которые называются также волнами конечной амплитуды. Если волны малой амплитуды (речь, музыка и т.п.) распространяются, подчиняясь линейной теории звука, без изменения физических свойств среды и своей формы с постоянной скоростью для всех точек их профиля, то волны конечной амплитуды сопровождаются нарастающим искажением формы, вызванным разницей в скоростях перемещения различных точек её профиля.
Рисунок 3.5 - Эволюция формы гармонической волны в волну конечной амплитуды (а, б, в, г ) б – толщина фронта стационарной ударной волны, д – ударная волна. В первом случае разница скоростей звука в области сжатия и разрежения практически одинакова. Поэтому распространение такой волны происходит без изменения формы с постоянной скоростью звука для всех точек ее профиля (рисунок 3.5а). Во втором случае точки профиля волны, соответствующие областям сжатия двигаются быстрее точек, находящихся в области разрежения (Рисунок 3.5б). Это объясняется тем, что скорость звука в области сжатия больше скорости в области разрежения, и ещё тем, что увлекаемая средой волна в области сжатия движется в направлении распространения волны, а в области разрежения - в противоположном направлении. При распространении волн со значительными амплитудами, когда уже нельзя пренебрегать изменениями свойств среды под её воздействием (когда сказываются нелинейные свойства среды), происходит постепенное искаже-
ние синусоидальной формы гармонической волны и приближение ее к ударной (рисунок 3.5в) Так в случае волн большой интенсивности накапливающийся эффект изменения формы первоначально синусоидальной волны может привести к такому увеличению крутизны отдельных участков ее профиля, что на каждом периоде ее появятся разрывы и образуется периодическая волна пилообразной формы (рисунок 3.5г). В этом случае в результате увеличения крутизны волновых фронтов, формируется пилообразная волна с резкими скачками давления являющимися слабыми периодическими ударными волнами. Ударная взрывная волнаэто скачок уплотнения. Она, например возникает при взрывах. Основная ее особенность- это резкий скачок давления во фронте ударной волны. На рисунке 3.5д дан мгновенный профиль взрывной волны, который состоит из участка постепенного подъема, завершающегося отвесным спуском. Жирная стрелка указывает направление движения волны. Точка взрыва в начальный момент окружена покоящимся воздухом при нормальной плотности и атмосферном давлении. Продукты взрыва, расширяясь сжимают окружающий воздух небольшого объема практически мгновенно. Давление в этой точке резко возрастает до своего максимального значения. Участки воздуха, расположенные правее фронта взрывной волны, в рассматриваемое мгновение покоятся. Отвесная часть профиля взрывной волны является поверхностью, отделяющей сжатый воздух от невозмущенной его части, и представляет собой ее фронт. По мере дальнейшего продвижения ударной волны давление в рассматриваемой точке будет падать в соответствии с профилем левой части. Фронт ударной волны несет с собой как скачок давления, так и скачок плотности и температуры. Кроме того он несет с собой и движение, создавая ветер, ураган. Скачок указанных свойств очень резок. Для воздуха переход от полного покоя к максимальной скорости движения происходит на отрезке пути порядка стотысячных долей сантиметра (несколько длин свободного пробега газовой молекулы). Время скачка 10-10с (десятимиллиардная доля секунды) Ударная волна обладает большой разрушительной силой. Так, например ударная волна, несущая увеличение давления в два раза, способна ломать толстые стены, а волна с фронтом высотой 2% способна вышибать стекла.
3.3 Ультразвук
Ультразвук - это упругие колебания волны с частотами от (1,5÷2)·104 Гц до 109 Гц (рисунок 3.1) Этот диапазон принято подразделять на ультразвук низких частот (УНЧ), средних частот (УСЧ) и высоких частот (УЗВЧ). Их частотное разделение следующее: УНЧ от 1,5·104 до 105 Гц, УСЧ от 105 до 107 Гц, УЗВЧ от 107 до 109 Гц. 3.3.1 Свойства ультразвука и особенности его распространения Ультразвук по своей физической природе не отличается от звука и представляет собой упругие волны. Все же он имеет ряд особенностей распространения, обусловленные более высокими частотами и малыми длинами волн, присущими ультразвуку. Частотные границы ультразвука вы уже знаете. А длины волн УЗВЧ, например, в воздухе составляют 3,4·10-3÷3,4·10-5 см, в воде 1,5·10-2÷1,5·10-4 см, в стали 5·10-2 ÷ 5·10-4 см. Ультразвук в газах и воздухе распространяется с большим, а в жидкостях и твердых телах со значительно меньшим затуханием. Установлено, что при распространении ультразвука (при равных условиях) в воде его затухание примерно в 1000 раз меньше, чем в воздухе. Это обстоятельство объясняется тем, что в газах и ряде жидкостей существуют области дисперсии звука, сопровождающиеся сильным возрастанием его поглощения. Поэтому область использования УНЧ относится к газовым и воздушным средам, а УСЧ и УЗВЧ к жидкостям и твердым телам. Поскольку ультразвуковые волны обладают малой длиной, то в ряде случаев их распространение можно рассматривать методами геометрической акустики. Физически это приводит к лучевой картине распространения. Следовательно, ультразвук, как и свет, подчиняется законам преломления, отражения, фокусировки и может образовывать строго направленные пучки. С помощью вогнутых зеркальных отражателей ультразвуковые волны можно посылать от источника звука в заданном направлении. Ультразвук практически распространяется прямолинейно. Другой особенностью ультразвука является то, что даже при сравнительно небольших амплитудах колебаний можно получить волны большой интенсивности. Поскольку при данной амплитуде интенсивность I примерно равна квадрату частоты f, т.е. I∼f2, то, ясно, что высоким частотам будут соответствовать большие интенсивности.
Так, например, в фокусе параболоида, внутренние стенки которого выполнены из мозаики кварцевых пластинок или из пьезокерамики, на частоте 0,5 МГц удается получать в воде интенсивности ультразвука больше, чем 105 Вт/см2. Интенсивности, полученные при генерации ультразвука в области УСЧ лежат в пределах от 10-14÷10-15 до 0,1 Вт/см2 и считаются малыми, Рассмотрим еще одно явление, которое было обнаружено при использовании ультразвука в гидролокации. Оказалось, что при мощном излучении, составляющим 1÷2 Вт с см2 излучателя, дальность распространения акустического сигнала перестает расти. Кроме того интенсивность его на некотором расстоянии от излучателя довольно низка, сигнал неразборчив из-за шума и поверхность излучателя разъедается, покрываясь мелкими раковинами. В этом случае как бы возникает экранизация на пути распространения ультразвука. Установлено, что причиной сказанного были очень маленькие пузырьки. Под действием ультразвука происходила акустическая кавитация. Мощные высокочастотные колебания растягивали попавшие в поле звука порции жидкости, происходили мелкие разрывы ее с образованием пустых пузырьков, каверн. Растворенные в жидкости газы и ее пары тотчас всасывались в эти пузырьки. Происходил их рост в ультразвуковом поле до разметов в доли миллиметра. Они начинали пульсировать с частотой ультразвука и захлопываться в положительной фазе давления. Захлопывание пузырьков во время полу периодов сжатия сопровождается коротковременными ударными волнами (длительностью ≈ 10-6 c) импульсами давления (до 108 Па ≈ 103 кг/см2 и более), способные разрушать довольно прочные материалы (рисунок 3.6). Облако, образованное такими пузырьками перед излучателем, было помехой на пути распространения мощного ультразвукового излучения.
Рис 3.6 - Форма импульса давления, излучаемого при схлопывании пузырька Изложенное относится к числу значимых нелинейных явлений, возникающих при распространении интенсивного ультразвука в жидкостях. 3.3.2 Генерация ультразвука Генераторы ультразвуковых колебаний обычно разбивают на две основные группы: механические и электромеханические. В механических генераторах источником ультразвука является механическая энергия потока газа или жидкости: свистки и сирены. Рассмотрим конструкцию свистка Гальтона и генератор Гартмана. На рисунке 3.7а показана схема свистка Гальтона, который представляет собой газоструйный излучатель звуковых и ультразвуковых волн, работающий на малых скоростях истечения газа. Предложен английским ученым Ф. Гальтоном. Свисток работает следующим образом. Газ, выходя под небольшим избыточным давлением (примерно 0,1 атм) из узкой кольцевой щели 2 сопла 1, попадает на острый край резонатора 3, возбуждая в нем периодические вихри. Частота звука, излучаемого свистком, определяется глубиной h резонатора, которая регулируется положением подвижного дна резонатора 3, и расстоянием l между рабочим торцом сопла 1 и обрезом резонатора 3. На рисунке 3.7б дана схема газоструйного излучателя высокого давления звуковых и ультразвуковых волн, называемого генератором Гартмана (датский ученый Ю. Гартман).
Рис 3.7 - Конструкция свистка Гальтона и генератора Гартмана а - схема свистка Гальтона (пояснение в тексте); б - схема генератора Гартмана (пояснение в тексте) Излучатель состоит из сопла 1 и резонатора 2, расположенных соосно на некотором расстоянии друг от друга. Работа его заключается в том, что вытекающая из сопла 1 сверхзвуковая газовая струя тормозясь перед резонатором 2, способствует возникновению отсоединенного скачка уплотнения 3. Участок струи за скачком 3 превращается в источник звуковых и ультразвуковых волн. Частота излучаемого звука зависит от расстояния между соплом 1 и резонатором 2, а также от размера d резонатора. Наиболее благоприятные условия излучения: Д = l , d = (1,3 – 1,5) Д. Мощность излучения доходит до нескольких десятков Вт. При использовании сжатого воздуха получают частоты от 1 - 2 до 60 кГц, а водорода до 180 кГц. Описанные ультразвуковые устройства имеют относительно широкий спектр излучаемых частот и нестабильность частоты и амплитуды. Они в частности применяются как средства сигнализации. Рассмотренные устройства, не требуют дорогостоящей электроэнергии высокой частоты, но излучают широкий спектр нестабильных частот. Электромеханические устройства являются основными излучателями ультразвука. Они преобразуют электрические колебания в механические по схеме: ультразвуковые генераторы (машинные, ламповые, полупроводниковые) преобразуют ток промышленной частоты в ток высокой частоты, который является источником питания электроакустических системпреобразователей (магнитострикционных и пьезоэлектрических). Преобразователи соединяются с согласующими устройствами, передающими акустиче-
скую энергию от преобразователя к рабочему инструменту. В качестве согласующих устройств используют акустические концентраторы, которые одновременно могут служить и рабочим инструментом. По принципу действия электромеханические излучатели делятся на электромагнитные, электродинамические (на электромагнитные и электродинамические вибраторы), магнитострикционные и пьезоэлектрические. В настоящее время электромагнитные и электродинамические преобразователи применяются редко и здесь не рассматриваются. В диапазоне УНЧ нашли применение магнитострикционные преобразователи. Они, используя явление магнитострикции, генерируют ультразвуковые волны до 50кГц. У ферромагнитных материалов (никель, железо, железоалюминиевые сплавы – альферо и др.) под действием магнитного поля происходит незначительное изменение линейных размеров. Так, например, никелевый стержень, помещенный в переменное магнитное поле, совершает правильные колебания с соответствующей частотой. Для излучения ультразвука в области УСЧ и УЗВЧ применяются главным образом пьезоэлектрические преобразователи, использующие явление пьезоэлектричества. Если к кварцевой пластине приложить переменное напряжение высокой частоты, то пластина будет совершать колебания соответствующей частоты. Таким способом можно получать частоты до 104 кГц. Как правило для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте. Для излучения УСЧ и УЗВЧ основными пьезоэлектрическими материалами служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, титанат бария.
Рис 3.8 - Схематичное изображение магнитострикционного эффекта Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток (рисунок 3.8). Пьезоэлектрические излучатели – пластина или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение (рисунок 3.9)
Рисунок 3.9 - Излучение (прием) продольных волн L пластинкой , колеблющейся по толщине в твердое тело 1 - кварцевая пластинка среза X толщиной
λ
2
, где λ - длина волны в
кварце; 2 - металлические электроды; 3 - жидкость ( трансформаторное масло ) для осуществления акустического контакта; 4 - генератор электрических колебаний; 5 - твердое тело Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приема ультразвука. 3.4 Применение ультразвука в технике Первоначально ультразвук применяли при создании приборов подводной связи, а затем его начали использовать для обнаружения подводных препятствий. Основываясь на явлении отражения ультразвука от границ двух сред советский ученый С.Я. Соколов в 1928 году создает ультразвуковые дефектоскопы. В последние десятилетия ультразвук находит применение как в определенных областях науки и техники, так и различных отраслях народного хозяйства как-то: машиностроении, металлургии, радиоэлектронике, геологии, пищевой промышленности, военном деле и т.д. Мы ограничимся рассмотрением примеров применения ультразвука в машиностроении.
3.4.1 Применение ультразвука в машиностроении Конкурентоспособность продукции, выпускаемой машиностроительными предприятиями, зависит от экономичности и технического совершенства, применяемых технологических процессов. К таковым процессам относятся и электрофизические методы обработки материалов, в частности и, ультразвуковые методы. Так распространение ультразвук получил в процессах очистки и обезжиривания деталей из чугуна, различных сталей, и цветных металлов, керамики и стекла, а также других материалов от заусенцев, механических загрязнении, масел, пыли т.п. Он нашел применение и для сварки различных материалов, особенно в микроэлектронике. Ультразвуковая сварка обладает следующими преимуществами перед другими видами: сварка происходит без нагрева до точки плавления, не изменяется структура свариваемых материалов, не возникают остаточные напряжения в деталях, появляется возможность сварки материалов, не поддающихся соединению другими методами и относительно небольшой расход затрачиваемой энергии. Сварка некоторых пластмасс, термопластических тканей стала возможной при использовании ультразвука. Ультразвук также применяется для пайки и лужения быстро окисляющихся материалов, например алюминия. Он позволяет лудить, а затем и паять керамику. Разработаны ультразвуковые методы обработки сверхтвердых и хрупких материалов, в том числе и токонепроводящих. 3.4.1.1 Ультразвуковая механическая обработка материалов Механическая обработка сверхтвердых, хрупких и особенно токонепроводящих материалов связана с определёнными технологическими трудностями. Оказалось что формоизменение заготовок из этих материалов достаточно успешно можно осуществлять ультразвуковым методом. Этот процесс наиболее пригоден для обработки отверстий, пазов, и углублений сложной формы на деталях из хрупких материалов, получение которых другими способами затруднено или невозможно. Реализация этого метода обработки материалов возможна в том случае, когда между инструментом, колеблющимся с ультразвуковой частотой и поверхностью обработки детали вводится абразивный материал. Под действием множества направленных микро ударов абразивных частиц о поверхность обработки материал разрушается, что позволяет инструменту постепенно углубляться в тело материала. Таким образом, при ультразвуковой обработке материалов необходимы: продольные колебания ультразвукового инструмента – главное движение и его поступательное движение – движение подачи, а также введение абразива (абразивной суспензии) между рабочей поверхнос-
тью инструмента и обрабатываемой поверхностью заготовки. При этом продольные колебания ультразвукового инструмента являются источником энергии абразивных зерн, производящих микро разрушения на обрабатываемой поверхности заготовки. Ультразвуковая обработка позволяет выполнять отверстия сложного профиля (копирования) за счет применения инструментов соответствующих форм, различного рода вырезы, изготавливать матрицы, выбирать гравюры и т.д. В зависимости от используемой величины абразивных зерн при ультразвуковой обработке можно достичь довольно высокую точность (от 50 до 1 мкм) К недостаткам ультразвуковой механической обработки относят: сравнительно малую глубину и площадь обработки, немалый износ ультразвукового инструмента, высокую энергоемкость процесса, невысокую производительность. Производительность ультразвуковой обработки материалов определяется давлением инструмента на обрабатываемую поверхность заготовки, величиной подачи инструмента, глубиной обработки и т.д. Одним из условий повышения производительности рассматриваемого процесса явилось сохранение режущих свойств абразивного материала в зоне обработки. Эта проблема была решена за счет нагнетания абразивной суспензии в рабочий зазор между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки при повышенной силе прижима первого. При этом оказалось, что за счет вывода абразивного материала, потерявшего свои режущие свойства (притупление микро режущих кромок, измельчение), из зоны резания и непрерывной замены его путем нагнетания свежей абразивной суспензии в рабочий зазор между заготовкой и инструментом можно повысить (в 5-10 раз) производительность и точность ультразвуковой обработки. Средняя скорость ультразвуковой обработки подсчитывается по зависимости: υ=
4 fA м/с , 1000
где f – частота колебаний, Гц; А – амплитуда колебаний, мм. На рисунке 3.10 приведены принципиальные схемы направлений использования ультразвуковой механической обработки материалов.
Рис 3.10 - Принципиальные схемы ультразвуковой механической обработки Размерная обработка (рисунок 3.10а), при которой обрабатываемые поверхности принимают форму инструмента. Для повышения производительности предварительной (черновой) обработки рекомендуется совмещение электрохимической и ультразвуковой обработок (рисунок 3.10б) например с абразивонесущим электролитом Также ультразвуковые колебания используются: для снижения усиления резания при механической обработке шаржированным (рабочая поверхность инструмента насыщена частицами абразивного материала) инструментом (рисунок 3.10в), при обработке деталей абразивным материалом при ненаправленном воздействии ультразвука (рисунок 3.10г), для снижения усилия резания при механической обработке материалов за счет приложения ультразвуковых колебаний к резцу (рисунок 3.10д), для ультразвуковой очистки поверхности шлифовального круга в процессе работы на обычных шлифовальных станках (рисунок 3.10е), для интенсификации электроэрозионной обработки с помощью ультразвука (рисунок 3.10ж) и для снижения усилий при пластической деформации сталей и сплавов (рисунок 3.10з). Реализация любой технологии возможна только при наличии соответствующего оборудования. Первые ультразвуковые станки появились в 1953 году. Принцип работы этих станков следующий. От генератора ток ультразвуковой частоты подается в акустическую головку, где электромагнитные колебания преобразуются в упругие механические колебания, которые усиленные концентратором передаются рабочему инструменту, воздействующему на обрабатываемую поверхность заготовки. В зону обработки непрерывно подается абразивная суспензия , концентратор одновременно может служить и рабочим инструментом.
Рис 3.11 - Основные узлы ультразвукового станка 1 - механизм подачи головки; 2 - акустическая головка; 3 - стол со сменными ваннами; 5 - система подвода и отвода абразивной суспензии; На рисунке 3.11 показаны общий вид ультразвукового станка 4Б772 с абразивонесущим электродом и основные узлы ультразвукового станка. Этот станок предназначен для обработки твердосплавных фильер и деталей штампов. Он имеет следующие основные технические характеристики: Акустическая мощность кВт 1,5 Резонансная частота кГц 22 Диаметр обрабатываемых отверстий мм. 1-80 Наибольшая глубина обработки мм. 40 Точность обработки мм. 0.01 3.4.1.2 Ультразвуковая дефектоскопия Известно, что ультразвуковые волны хорошо проходят через металлы, пластмассы, живые ткани, жидкости и т.п. среды. Вследствие различных скоростей распространения ультразвука в различных средах по его отражению и преломлению от границ раздела сред твердое тело – газ, возможно обнаружение твердых тел, газовых пузырей в жидкостях и живых тканях, а также различные изъяны (трещины, раковины и т.д.) в твердых телах. Однако ультразвуковые волны не могут преодолеть воздушную среду. Среди методов неразрушающего контроля деталей машин и машиностроительных материалов заметное место занимает ультразвуковая дефектоскопия. Этот метод позволяет определять дефекты на габаритных деталях (глубина проникновения ультразвука в металле доходит до 8-10 м) и обнаруживать очень маленькие изъяны (до 10-6 мм), что недоступно даже рентгеновскому методу, разрешающая способность которого (размер обнаруживаемого дефекта) составляет 1,5 – 2 % от общей толщины детали. Например в металлическом листе толщиной 5 мм с помощью рентгеновских лучей практически нельзя заметить расслоение размером в несколько мкм.
Сказанное объясняется тем, что рентгеновские лучи практически невозможно сфокусировать и поэтому при рентгеноскопии получаются только теневые, силуэтные изображения. А ультразвук легко фокусируется акустическими линзами и зеркалами в узкие ограниченные в пространстве пучки, что позволяет достаточно четко заметить мельчайшие дефекты в исследуемом предмете. При помощи ультразвуковых дефектоскопов можно выявлять структуру металла, определять величины зерна в сталях, контролировать качество деталей из пластмасс, стекла, керамики и других материалов. Кроме этого они позволяют определять состояние усталости металла, из которого изготовлены те или иные детали машин, без разбора сборочной единицы. Имеется ряд методов ультразвуковой дефектоскопии. Среди них – теневой, эхо (импульсный), структурного анализа, свободных колебаний, резонансный, ультразвуковой визуализации и импедансный методы. Выбор метода ультразвуковой дефектоскопии производится исходя из конкретных условий необходимого контроля, например характерных особенностях изделия (материал, габаритные размеры и т.д.), видов дефектов (непровары, трещины, расслоения и т.д.). В отдельных случаях прибегают к комбинированному применению различных методов ультразвукового контроля. Кратко рассмотрим принцип действия некоторых методов ультразвуковой дефектоскопии. Теневой метод Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанного на применении теневого метода дан на рисунке 3.12. Он основан на том, что при наличии дефекта в теле контролируемого изделия, проходящие через его толщу ультразвуковые волны ослабляются, создавая ультразвуковую тень: Чем больше размеры дефектов тем ощутимее ослабление ультразвука и наоборот.
Рис 3.12 - Принцип действия ультразвукового дефектоскопа, основанный на теневом методе Недостатки этих дефектоскопов: мало чувствительность (обнаруживают изъяны, которые вызывают изменение ультразвукового сигнала более 1520 %), для обнаружения дефекта необходимо иметь свободный доступ к двум противоположным поверхностям детали, что не всегда можно выполнить изза конструктивных особенностей изделий. Теневой метод нашел применение для проверки тонких металлических листов.
Эхо (импульсный) метод Эхо (импульсный) метод контроля изделий, принципиальная схема работы которого показана на рисунке 3.13, базируется на посылке в тело проверяемой детали коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода сигналов, отраженных от имеющихся дефектов или от противоположных граней проверяемого объекта. Отраженные от дефектов сигналы регистрируются на экране дефектоскопа в форме всплесков. Рассматриваемый метод обладает определенными преимуществами перед ранее описанным методом: значительно высокое чувствительность (воспринимает отражение до 1 % ультразвуковой энергии), осуществимость определения глубины и оценки размеров дефекта, а также возможность проверки деталей при одностороннем подходе к ним.
Рис 3.13 - Принципиальная схема импульсного метода (эхо-метод) ультразвуковой дефектоскопии Недостатком эхо метода является его неприменимость для контроля деталей незначительных размеров. Дело в том, что дефекты, примыкающие к поверхностям контролируемых деталей, практически обнаружить нельзя. Это обстоятельство объясняется тем что из-за малости расстояния от излучателя ультразвука до приповерхностных дефектов проверяемого предмета отраженный от изъяна сигнал возвращается к приемнику в то время, когда еще продолжается излучение импульса, посылаемого в деталь. Оказывается существует некая приповерхностная полоса, в которой этим методом нельзя обнаружить дефекты в исследуемых предметах. Эту полосу называют еще “мертвой зоной”. Уменьшение длительности импульса снижает размеры этой зоны. Одновременно от длительности импульса зависит разрешающая способность (свойство устройства различать очень близкие в пространстве, во времени объекты – в нашем случае дефекты) дефектоскопа.
Этот метод применяется для выявления внутренних дефектов деталей, изготовленных из различных материалов, и определения мест их расположения. Метод ультразвуковой визуализации Звуковидение основано на проникающей способности звука и особенно ультразвука и их визуализации. Приборы звуковидения позволяют получить с помощью звука видимое изображение дефекта, которое находится в оптически непрозрачной среде (металлы, биологические ткани и т.п.) При использовании метода ультразвуковой визуализации осуществляется преобразование ультразвукового изображения в видимое. Притом обнаруживаются не только дефекты но и их формы и размеры. В звуковидении обычно используются упругие колебания в диапазоне от 10 кГц до 100 МГц и выше. В общем случае звуковидение включает в себя источник ультразвука, предмет исследования, акустический объектив, с помощью которого формируется ультразвуковое изображение, и преобразователь ультразвукового изображения в оптически видимое. Принципиальная схема метода ультразвуковой визуализации дана на рисунке 3.14.
Рисунок 3.14 - Схема метода ультразвуковой визуализации Принцип действия этого диагностического аппарата следующий. Ультразвуковая волна, создаваемая излучателем ультразвука, устремляется к предмету исследования, взаимодействуя с которым как бы “прощупывает” его внутреннее строение и накопив соответствующую информацию, доходит до акустического объектива, с помощью которого должным образом формируясь воздействует на мишень (пьезоэлектрическая пластина) электронноакустического преобразователя, где ультразвуковые сигналы (звуковое изображение) преобразуются в электрические (электрическое изображение). Электронно-акустические преобразователи обладают чувствительностью 10–9 - 10–10 Вт/см2. Электрические сигналы от электронно-акустического преобразователя усиливаются в и передаются в электроннолучевую трубку, на экране которой высвечивается видимое изображение.
3.5 Применение ультразвука в медицине. В медицинской практике ультразвук используется как в лечебных целях в различных ее областях, так и для диагностики. 3.5.1 Ультразвуковая терапия. Ультразвуковая терапия (метод физиотерапии) применяется при лечении воспалительных заболеваний (суставов, кожных миндалин и др.), а также стекловидного тела, роговицы и других болезней. Ультразвуковое лечение – относительно новый физиотерапевтический метод. Оно определяется тепловыми, механическими и химическими факторами. Тепловое действие ультразвука основано на его поглощении биологическими тканями. В живом организме происходит постоянное, беспорядочное тепловое движение частиц, к которым при ультразвуковом воздействии добавляются направленные колебательные движения. При этом часть энергии ультразвука поглощается и переходит в тепловую. Ткань же в зоне воздействия прогревается не с верхних слоев, а по всему объему равномерно. Механическое воздействие ультразвука оказывает сжимающие и растягивающие действия на клетки и ткани при небольшой скорости и достаточно малом смещении частиц. Иначе говоря, при механическом воздействии ультразвука происходит некий микро массаж частиц тела. Физико-химическое действие ультразвука сводится к изменению хода окислительно-восстановительных процессов, активизации ферментов, улучшению обмена веществ и т .п. Ультразвук оказывает противовоспалительное, обезболивающее, бактерицидное и другие действия. Он улучшает крово- и лимфообращение, активизирует процессы обмена. Ультразвуковой массаж снимает боль, стимулирует деятельность нервной и эндокринной систем и т.д. Однако при некоторых заболеваниях, например, раке, заболеваниях сердца и головного мозга, ультразвуковое лечение противопоказано. Ультразвуком воздействуют на небольшие участки тела площадью 100-200 см2. Для ультразвуковой терапии применяют портативные и стационарные аппараты, которые обычно работают на частоте около 900 кГц (для ультразвуковой терапии могут быть использованы колебания в диапазоне от 500 до 3000 кГц). В непрерывном или импульсном режимах с плотностью мощности от 0,1 до 1,0 Вт/см2 площади излучателя. На рисунке 3.15 показан общий вид ультразвукового терапевтического аппарата “УЛЬТРАЗВУК” для лечения радикулита, ишиаса, невралгии, артритов и др. болезней. Аппарат может работать как в непрерывном так и в импульсном режимах.
Рис 3.15 - Ультразвуковой терапевтический аппарат “УЛЬТРАЗВУК” К аппарату прилагаются две сменные ультразвуковые головки рабочей площадью 4 и 1 см2. Частота ультразвука 880 кГц. Максимальная интенсивность при непрерывном и импульсном излучении 2 Вт/см.2. Максимальная мощность излучения первой головки 8 Вт, а второй 2 Вт. Частота повторений импульсов 50 в секунду. Длительность импульсов 5 и 10 мс. Облучение пациента ультразвуком можно проводить как при непосредственном контакте излучающей головки с телом больного (прямой метод) или в ванне (иммерсионный метод), где вода является контактной жидкостью. Необходимая доза ультразвука устанавливается 10-ти ступенчатым клавишным регулятором, которым снабжен аппарат. В аппарат встроены процедурные часы, которые автоматически отключают его по истечении заданного времени и выдают звуковой сигнал об окончании процедуры. В терапевтических целях ультразвук также используется для микро массажа тканей, активации процессов обмена и нагревания тканей. Имеется множество конструкций различных аппаратов для ультразвукового терапевтического лечения больных, которые будут рассмотрены в специальных курсах.
3.5.2 Ультразвуковая хирургия. Ультразвуковая хирургия обычно делится на два вида. Первый вид предусматривает разрушение тканей собственно ультразвуковыми колебаниями, что может осуществляться специальными устройствами.
Рис 3.16 - Ультразвуковая установка УРСК-8-Н для рассечения и соединения тканей В качестве примера на рисунке 3.16 дано упрощенное изображение ультразвуковой установки УРСК-8-Н для рассечения и соединения тканей. В этом случае применяется фокусированный ультразвук с частотами уровня 106 - 107 Гц. Второй вид заключается в наложении ультразвуковых колебаний на хирургический инструмент с частотами 20-75 кГц, с амплитудой 10-50 мкм. В этом случае ультразвук играет вспомогательную роль. Ультразвуковые инструменты используют для рассечения мягких и костных тканей. При этом значительно уменьшается усилие резания, снижаются кровопотери и болевые ощущения. В травматологии сваривают ультразвуком сломанные кости. Процесс заключается в следующем. Костной стружкой, смешанной с жидкой пластмассой, заполняется пространство между костными отломками. Затем, под действием ультразвука образуется их соединение. Ультразвук используется и для лечения глазных заболеваний. В качестве примера рассмотрим метод удаления катаракты с использованием ультразвука.
Рис 3.17 - Удаление катаракты с использованием ультразвука а – ультразвуковой щуп вводится в глаз; б – разрушение хрусталика; в - отсасывание разжиженной жидкости. Работа проводится при помощи щупа (факоэмульсификатора), представляющего собой пустотелую титановую иглу (капилляр) диаметром примерно 1 мм, помещенную в специальный силиконовый чехол, который соединен с ультразвуковым генератором. Последовательность выполнения операции такова (рисунок 3.17). Хирург, наблюдая в микроскоп, вводит ультразвуковой щуп в полость, отделяющую роговицу от хрусталика (Рисунок 3.17 а), затем иглу перемещают до соприкосновения с хрусталиком. Под действием ультразвуковых колебаний с частотой 40 кГц хрусталик начинает разжижаться. Образующаяся при этом жидкость смешивается с дезинфицирующим раствором поступающим через кольцевой зазор между полой иглой и силиконовой оболочкой (Рисунок 3.17 б). Разжиженная жидкость отсасывается через внутреннюю полость иглы (Рисунок 3.17 в) Одной из конструкций предназначенных для проведения микрохирургических операций в офтальмологии по рассмотренной методике, является “Аппарат ультразвуковой офтальмологический УЗХ-Ф-05-0”. При помощи этого аппарата проводят операции по удалению катаракты или стекловидного тела путем фрагментации (разрушения) и аспирации (отсасывания) с одновременной подачей в глаз замещающего раствора через ирригатор (орошитель - создатель потока жидкости из сосуда с раствором к глазу).Общий вид аппарата показан на рисунке 3.18
Рис 3.18 - Аппарат ультразвуковой офтальмологический УЗХ-Ф-0,5-0 1 – корпус; 2 – педаль управления; 3 – факоэмульсификатор; 4 – вилка для подключения к сети. Рабочая частота аппарата 66±6,6 кГц. Ультразвуковой генератор размещен внутри корпуса 1 аппарата. В его состав входят: источник питания, плата генератора, плата усилителя, плата счетчика времени и усилитель мощности. К корпусу 1 с тыльной стороны подключаются следующие функциональные узлы: педаль управления 2, факоэмульсификатор 3 и вилка для подключения к сети 4. Факоэмульсификатор 3 представляет собой магнитострикционный преобразователь, выполненный на ферритовой основе. Волновод факоэмульсификатора 3 имеет по центру канал с выходной трубкой, по которой происходит отток продуктов разрушения. К волноводу капилляр (игла),изготовленный из титанового сплава, пристыковывается при помощи резьбового соединения. Концевая часть капилляра, имеющая наружный диаметр от 0,9 до 1,1 мм (набор капилляров различных диаметров), имеет воронкообразное углубление, улучшающее его дробящее и аспирационные качества. Факоэмульсификатор необходимо оберегать от ударов, что позволит сохранить целостность очень хрупкого феррита и тонкостенного капилляра (иглы). Один капилляр позволяет проводить до 100 операций. Для лечения катаракты фирмой “Стар серджикал” (США) разработан ультразвуковой офтальмологический факоэмульсификатор “STAАR PHACO XLtm”, позволяющий производить хирургические процедуры путем малого разреза (до 3 мм.). Аппарат работает в области низких ультразвуковых частот (примерно до 59кГц). Этим аппаратом производят следующие хирургические операции: ультразвуковая эмульсификация и аспирация, передняя витректомия и удаление коркового материала после экстракапсулярного извлечения.
Рис 3.19 - Ультразвуковой офтальмологический факоэмульсификатор “система STAАR FACO XL” На рисунке 3.19 дан общий вид аппарата. На сносках рисунка показаны: 1 – рукоятка витроктомии – снабжен гильотинным резчиком, имеет отдельный рукав вливания; 2 – ирригационно-аспирационная рукоятка, используется для удаления коркового материала (и очень мягкого материала хрусталика) из глаза; 3 – ультразвуковая рукоятка (факоэмульсификатор) – пьезоэлектрическая. Принцип работы идентичен описанному ранее методу (рисунок 3.16) Аппарат снабжен дистанционным управлением и ножной педалью. На рисунке 3.16 установка УРСК-8-Н - ультразвуковой генератор и волноводы для рассечения соединения тканей в общей хирургии. 3.5.3 Ультразвуковая диагностика. Использование ультразвука для диагностики связано со способностью ультразвука без заметного поглощения проникать в мягкие ткани организма и отражаться от акустических неоднородностей. Мы уже говорили о том, что в ряде случаев ультразвуковые методы диагностики имеют большую разрешающую способность, чем рентгеновские. Установлено, что почечный камень размером около5 мм. почти не различим при применении рентгеноскопии, а с помощью ультразвука он определяется довольно отчетливо. Ультразвуковая диагностика используется во многих областях практической медицины: акушерстве, нейрохирургии, кардиологии, офтальмологии и т.п. Так в области головы можно исследовать мягкие части, мозг и кровеносные сосуды, на шее – щитовидную железу, лимфатические узлы, кровеносные сосуды и мускулатуру, исследуют грудную клетку, глаза, сердце и т.д. Сонография (звуковидение) – один из видов медицинской диагностики, основанный на использовании ультразвука. Для ультразвуковой диагностики в медицинской практике используют свойство отражения звуковой волны (эхо локация)
A режим. Первоначально проводились однокоординатные исследования в амплитудном режиме(a – mode, от английского amplitude) с применением ультразвуковых диагностических приборов типа А. В этом случае информация об исследуемом предмете представлялась в виде временнопространственной функции (в одном пространственном измерении, например по глубине предмета) и накладывалась на горизонтальную ось вдоль линии распространения звука в виде вертикальных выбросов, зависящих от соответствующих изменений амплитуды ультразвука (Рисунок 3.20б). Этот способ сканирования – одномерный поэтому здесь пространственное изображение получить невозможно. Этот режим диагностики используется, например, в офтальмологии и др. М - режим (М – mode, от английского motion- движение) – эхографическая запись, дающая возможность получить информацию о движущихся телах. М – режим – также одномерный и можно применять, например в эхокардиографии. А и М режимы могут быть использованыв сочетании с В – режимом. Так М-режим в сочетании с В-режимом можно использовать при изучении сокращений стенок сосудов и диагностики расслоения сосудистой стенки. В-режим (B-mode, от англ. brightness-яркость) – позволяет получать на экране прибора плоскую эхографическую картинку в двух измерениях. В рассматриваемом случае получение изображений предметов исследования в разрезе становится возможным из-за того, что применение электронноакустического преобразователя позволяет регистрировать различный уровень эхосигналов, отраженных от тканей различной плотности. Иначе говоря, отраженные от исследуемого объекта, отличные по силе, эхосигналы в виде точек изображения различной яркости формируют на экране прибора двухмерную черно-белую картинку изучаемого предмета (см. рисунок 3.20 а).
Рис 3.20 - Картинка изучаемого предмета при ультразвуковой диагностики глаза
На рисунке 3.20 мы видим сочетание информации полученных на А и В режимах эхо локации в офтальмологии. В настоящее время используют приборы работающие в В – режиме реального масштаба времени (real taim), позволяющие получить изображение и производить контроль за движением исследуемых объектов в естественном течении времени. В этом случае получение изображения осуществляется с большой скоростью, высокой точностью определения места исследования и изображения подробностей. Приборы имеют высокую разрешающую способность, что позволяет обрисовывать работающие клапаны сердца и т. п., обнаружить небольшие опухоли печени и почек. Значительным прогрессом в области звуковидения является возможность одновременного сканирования, регистрации и анализирования движений, в особенности потоков крови. Такого рода процесс стал возможен за счет комбинированного использования В-режима и доплеровского метода. При исследовании движущихся тел (например, движущиеся клетки крови) используют эффект Доплера исходя из двух принципов звукоиспускания. Первый – импульсный, а второй – непрерывный. В первом случае эффект Доплера проявляется в том, что отраженные от движущихся клеток, ультразвуковые волны изменяют свою частоту и воспринимаются также излучателем (импульсная доплерография). Во втором случае излучатель ультразвука и его приемник разъедены разнесены друг относительно друга. Здесь ультразвуковые волны непрерывно излучаемые источником, отражаясь от движущихся клеток изменяют свою частоту и воспринимаются приемником ультразвука (непрерывная доплерография). Считают, что применяя сочетание В-режима с доплеровским методом методом можно решить многие диагностические проблемы ангиологии. Так, комбинацию В-режима с импульсной доплерографией можно применять для исследования почти всех артерий и вен человеческого тела, а с непрерывной доплерографией – для измерения различных параметров сердца. Из новейших разработок в области звуковидения (сонографии) отмечают приборы, которые на изображении среза, выполненного по В-методу, за счет цветного кодирования движения потоков позволяет дополнительно показать направление и скорость кровяного потока в реальном масштабе времени. Аппаратура, созданная для этих целей, позволяет снаружи определять скорость потока крови опираясь на смещение частоты между излученными и принятыми сигналами. При этом звук отражается от красных кровянных телец. Если за каждой скоростью закрепить определенный цвет, то по различной расцветке (например, красный и голубой) можно определить направление кровяного потока. Эти закодированные потоки крови могут быть переданы на обычное ультразвуковое изображение. В результате этого морфологическая информация и состояние кровяных потоков отображается одновременно. Мы уже го-
ворили о том, что степень поглощения ультразвука возрастает с увеличением его частоты. Поэтому при ультразвуковом ангио сканировании для глубоко расположенных сосудов применяют ультразвуковые излучатели с частотой 2,25-3,5 МГц, а для поверхностных сосудов с 5 до 10 МГц. С появлением портативных ультразвуковых головок стали возможны и ультразвуковые исследования внутри человеческого тела: звуковидение сердца через пищевод, простата через прямую кишку и женского таза через влагалище. По мнению немецкого ученого И.А.Бенхофа хотя сонография (по сравнению с другими методами) является простым, быстрым и дешевым методом диагностики, но детальное изучение других видов исследований жизненно необходимо. Он также утверждает, что ошибочным является и мнение о том, что сонографическое обследование должно длиться всего несколько минут, для чего достаточно иметь очень дешевую аппаратуру. По его взгляду соответствующее каждому из пациентов ультразвуковое обследование требует не только специальной аппаратуры, но и квалифицированного врача-диагноста. Необходимо отметить что получить изображение наполненных воздухом легких и твердых костей человека ультразвуком не удается. Причина этого явления – полное отражение ультразвуковых волн от акустических граничных слоёв, которые они не могут преодолеть. По той же причине для обеспечения плотного контакта поверхности датчика на кожные покровы пациента наносят тонкий слой звукопроводящей смазки. Кратко рассмотрим два аппарата, применяемых для звуковидения. В офтальмологии для получения изображения сечения глаза, наравне с другими используется аппарат фирмы TECNAR Image 2000(B-SCAN lll Plus). Этот аппарат представляет собой А/В сканнер с высокой разрешающей способностью. Результаты диагностирования высвечиваются на экране дисплея и записываются полароидной системой записей изображения, включая и данные пациента (рисунок 3.20). Общий вид этого аппарата показан на рисунке 3.21. Аппарат снабжен импульсным фокусирующим излучателемприемником (сканером) ультразвука на основе пьезоэлектрического кристалла, работающим на частоте 10 МГц. Глубина сканирования 50-75 мм. Аппарат снабжен 50 - степенным сектором сканирования, частота изображений 20 в секунду. Скорость распространения ультразвука регулируется до 1550 м/сек.
Рис 3.21 - Общий вид этого аппарата фирмы TEKNAR для диагностики глаза типа A-scan/B-scan III Plus На следующем рисунке 3.22 показан пример применения ультразвуковой диагностики в акушерстве: а - общий вид, б - запись результатов исследования. И в этом случае конечные результаты диагностики пациентки высвечивается на экране дисплея аппарата и записываются. Из рисунка 3.22 видно намотанную вокруг затылка плода пуповину. В таких случаях плод погибал в утробе матери. Своевременное распознание этой опасности дает шанс на сохранение плода.
Рис 3.22 - Показан пример применения ультразвуковой диагностики в акушерстве а - общий вид; б - запись результатов исследования. 3.6 Применение слышимого диапазона звуковых волн для терапевтического лечения Оказалось, что не только ультразвуковой но и слышимый диапазон звуковых волн можно использовать для успешного лечения части недугов больных людей. Сравнительно недавно НПФ “МИКРОЭМП” (Санкт-Петербург) был создан виброакустический аппарат “ВИТАФОН” который за короткое время получил достаточное признание больных (рисунок 3.23.). Аппарат предназначен для лечения различных заболеваний (остеохондроза, радикулита, простатита и т.д.). Высокая эффективность достигается многократным увеличением микрокапиллярного кровотока и лимфотока в ограниченно болезненной области. Аппарат контактным способом возбуждает микровибрацию тканей непрерывно меняющейся изменения звуковой частотой. При данной настройке изменения частоты в заданных пределах и переход от одного поддиапазона на другой происходит автоматически по программе. Аппарат можно применять и в домашних условиях. Он состоит из электронного блока и двух спаренных преобразователей – виброфонов. Краткие технические характеристики аппарата: количество частотных поддиапазонов – 2, возможное регулируемое изменение частот – от 30 Гц до 18 кГц, период изменения частот от 20 до 160 с.
Рис 3.23 3.7 Использование ударных волн для разрушения камней в человеческом теле. Метод разрушения камней без оперативного вмешательства называется экстракорпоральной литотрипсией ударными волнами. Суть метода заключается в том, что генератор в резервуаре с водой создает ударную волну при ее взрывоподобном испарении. Водяная ванна служит элементом передающим ударные волны от генератора на тело пациента. Генераторы ударной волны могут быть выполнены как в виде электродов погруженных в воду, между которыми проскакивает высоковольтная искра, так и электромагнитными или пьезоэлектрическими, создающими соот-
ветствующую волну. Генераторы снабжены эллипсоидными рефлекторам, предназначенными для фокусировки ударных волн в нужной точке. В фокусе ударная волна создает особо высокое давления. За пределами фокуса давления быстро падает и не причиняет вреда окружающим структурам. Так сосредотачивается на камне высокое механическое давление. На Рисунок3.24 даны общие виды фокусирующих ультразвуковых систем для медицинских применений, разработанные студентами акустического института им. акад. Андреева АНСССР.
Рис 3.24 - Фокусирующие ультразвуковые систем для медицинских применений По некоторым данным для разрушения камня до размеров песчинок требуется около 1000 коротких импульсов давления. Песчинки выводятся естественным путем. Местонахождение камня определяется рентгеноскопией или ультразвуком сонографом. Этот метод применяется при ликвидации почечных камней. Ведутся работы по изучению применения этой методики для обработки камней в слюновых железах и желчном пузыре. Также появляются рекомендации по применению рассматриваемого метода при обработке как желчных, так и почечных камней совместно с лазерным эндоскопом.
Рис 3.25 - Общий вид рабочего места для проведения обработки камней, находящихся в теле пациента На рисунке 3.25 показано рабочее место для проведения обработки камней, находящихся в теле пациента - литотриптера. Его основными элементами являются: лежак с устройством для плавного регулирования его положения и изоцентрическая система ударных волн с интегрирующей ультразвуковой локацией.
Список использованных источников 1. Х. Кухлинг. Справочник по физике. Москва “Мир” 1982г. 519 с. 2. Физический энциклопедический словарь. Москва “Советская энциклопедия” 1983г. 928 с. 3. Большая советская энциклопедия. Третье издание Москва “Советская энциклопедия” т. 9,13,26. 4. И. Г. Хорбенко Ультразвук в машиностроении М. “Машиностроении”,1974г , 280с 5. И. Г. Хорбенко За пределами слышимого М. “Машиностроении”,1981г , 268с 6. И. Г. Хорбенко В мире неслышимых звуков М. “Машиностроении”,1971г , 248с 7. Паспорт «Аппарат ультразвуковой офтальмологический УЗХ-Ф-05-0» 8. Факоэмульсификатор «STARR PHACO XL™» - руководство по эксплуатации. 9. Й.А. Бенхов «Сонография – видеть звуком». «Экономика, техника» №2, 1990г. (специальный выпуск) с. 53. 10. К. Швинг, Ультразвуковая аппаратура станет миниатюрнее. Источник – см. п. 9 с. 54-55. 11. К. Швинг, Ударные волны прекращают существование камней. Источник – см. п. 9 с. 64-65. 12. А.Р. Зубарев, Р.А. Григорян, Ультразвуковое ангиосканирование. М: Медицина, 1991 г., 176 с. 13. Руководство по использованию ультразвуковой сканоизображающей системы фирмы TEKNAR Image 2000 (А/В сканнер с высокой разрешающей способностью). 14. Технический паспорти инструкция к применению аппарата виброаккустического «Витафон». 15. К.А. Нагульных. В мире мощного звука. Ежегодник «Наука и человечество», 1989 г., с. 370-374.
4. Автоволны 4.1 Краткие сведения Многообразие сред подразделяют на две большие группы, резкой границы между которыми не существует. Она как бы в определенной мере "размыта". Первая группа – это консервативные среды, а вторая – активные. Консервативные среды не имеют внутреннего запаса энергии. Волны (например, электромагнитные, механические) возбуждаются в них за счет внешнего источника возмущения. Дальнейшее распространение таких волн подчиняется законам, которые вы изучали. В определенной мере мы рассматривали эти явления и в предыдущей лекции. Активные среды – это среды с распределенным в них запасом внутренней энергии. Активная среда – двухуровневая система, которая может находиться в высоко- и низкоэнергетическом состояниях. Они подразделяются на активные среды без восстановления энергии и с ее восстановлением. Первые после пробега фронта автоволны остаются на низкоэнергетическом уровне и потому повторное их распространение невозможно. Во-вторых, автоволны могут распространяться в принципе неограниченное количество раз, так как в них создаются такие условия, при которых каждый элемент среды после прохождения автоволны возвращается на высокоэнергетический уровень за счет замедленных процессов накачки энергии. Автоволны возникают и распространяются только в активных средах. Установлено, что закономерности распространения и взаимодействия автоволн в активных средах, не зависят от способа физической реализации среды. Генерация автоволн в активных средах может осуществляться как внутренними источниками, так и внешним воздействием. Автоволны – это наблюдаемые структуры (пламя и др.), поддерживаемые процессами локального высвобождения запасенной в среде энергии, идущей на запуск аналогичных процессов в соседних областях. Распространение автоволн сопровождает многие процессы: активацию катализаторов в химических процессах, сокращение сердечной мышцы и т.д. Кроме того, автоволны обладают эффектом синхронизации, который заключается в том, что быстрые периодические источники автоволн подавляют более низкочастотные. Если в радиотехнических устройствах синхронизация является элементом подстройки частоты автогенераторов, то в активных средах эффект синхронизации приводит к подавлению в пространстве более медленных источников. На рисунке 4.1 показано, как высокочастотные источники уничтожают низкочастотные.
Рис 4.1 – Уничтожение спиральными автоволнами от высокочастотного источника другого – низкочастотного ведущего центра в химически активной среде (А.М. Жаботинский, А.Н.Заикин, Г.Р. Иваницкий, В.И. Кринский) Рассматриваемый эффект объясняется аннигиляцией (уничтожением) световолн при их столкновении. На рисунке 4.2 дана временная развертка картины автоволн от двух точечных источников. Левый источник испускает волны чаще, чем правый. Точка встречи и аннигиляции двух фронтов смещается после каждого предыдущего столкновения по направлению к низкочастотному правому источнику, пока он не оказывается полностью подавленным. Скорость распространения автоволны обуславливается кривизной ее фронта: чем больше кривизна, тем меньше скорость. Имеется критическое значение кривизны фронта скорости распространения автоволны, при превышении которого волна не распространяется.
Рис 4.2 – Эффект синхронизации Временная развертка картины автоволн, испускаемых двумя источникани, имеющими различные периоды. Левый высокочастотный подавляет правый низкочастотный источник. Вверх отложено время t , по горизонтали – пройденный волной путь х вдоль прямой, соединяющей центры двух источников По своим свойствам автоволны значительно отличаются от других типов знакомых нам волн (обычных волн), распространяющихся в консервативных средах. Рассмотрим эти отличия, которые сжато показаны на таблице 4.1
Таблица 4.1 – Сравнительные характеристики волн, распространяющихся в консервативных и активных средах СравниОбычные волтельные № Автоволны характены ристики возбуждаться 1 Приток Возбуждаются Могут энергии внешним ис- как внутренними истак и точником и точниками, воздейстдальнейшее внешними их распро- виями (например, гостранение без рящая спичка). Дальпритока энер- нейшее распространегии из среды ние происходит за счет запаса (распростра- внутреннего (раснение в кон- энергии среды сервативной пространение в активной среде). Притом среде). энергия среды не сохраняется, а расходуется на поддержание автоволны (автоволны черпают энергию из среды). Сохраняется до тех 2 Сохране- Плотность ние ам- энергии пада- пор, пока не исчерпана плитуды и ет с увеличе- энергия активной срением расстоя- ды. формы ния от волны. источника (волна затухает), форма сигнала искажается из-за дисперсии – разности скоростей распространения спектральных составляющих сигнала.
3
4
5
Отраже- Отражаются ние от (например, препятст- эхо). вий.
Не могут отражаться. Сталкиваясь с препятствием затухают (отсутствие активной среды). столкновении Анниги- Не происхо- При двух волн они уничтоляция (ис- дит. жаются из – за отсутчезновествия активной среды ние, уничза фронтом бегущей тожение). волны (выжженная зона – низкоэнергетическое состояние среды за автоволнами). Интерфе- Свойственна. Отсутствует. ренция. На Рисунок На рисунке 4.3б видно, 4.3а показана что автоволны при интерферен- столкновении не проция волн на никают одна сквозь поверхности другую, как на рисунке 4.3а, а уничтожают воды. друг друга – аннигилируют.
6
Дифракция.
Свойственна. Свойственна. Если горящий фронт пламени встретит на пути ограниченный участок без активной среды, то он продолжит свое движение, огибая границу активной среды, прикасающейся с препятствием (см. Рисунок 4.4б). Это объясняется принципом Гюйгенса.
Рис 4.3 – Взаимодействие волн от двух источников а – интерференция волн на поверхности воды; б – отсутствие интерференции для автоволн в активной среде (видно, что автоволны при столкновении не проходят одна сквозь другую, как на рисунке слева, а аннигилируют)
Рисунок 4.4 – Дифракция автоволн а – построение Гюйгенса: каждая точка среды, которой достиг в данный момент фронт автоволны, становится источником элементарных круговых автоволн; б – огибание автоволной границы активной среды (последовательные положения фронта отмечены цифрами) Более 25 лет тому назад было понято, что автоволны представляют собой особый класс природных явлений, что было обусловлено их существенными отличиями (рассмотрены выше) от других типов волн.
4.2 Автоволны в активных средах без восстановления энергии В качестве примеров активных сред без восстановления энергии можно привести, например, естественные среды, такие как ковыльная степь и лесной массив, искусственную – бикфордов шнур. В первых, энергия запасена в степной траве или лесных деревьях, а в последних в пороховой начинке. Простейшие автоволны – это волны горения (частный случай окисления). В наших примерах это огненные фронты степного и лесного пожаров или волна горения, бегущая вдоль шнура. Во всех рассматриваемых случаях, в процессе распространения огня, вещество переходит из устойчивого высокоэнергетического состояния (несгоревшая степная трава, несгоревшие деревья или порох) в низкоэнергетическое – выжженная зона (пепел, газы и другие фрагменты, которые остаются после горения). При этом часть энергии, которая высвобождается в зоне горения, рассеивается, а остальная часть расходуется на розжиг близлежащего слоя среды: сигнал заново воспроизводится в каждой точке среды и передается подобно эстафете. Хотя (в силу естественных условий) сгоревшие участки степи и леса могут восстанавливаться, но это событие произойдет через довольно длительное время. Возможность повторного их сжигания будет исчисляться годами. Поэтому такие среды отнесены к средам без восстановления энергии. 4.3 Автоволны в активных средах с восстановлением запаса энергии Среды, в которых после пробега автоволны возможно восстановление запаса их энергии, называют активными средами с восстановлением энергии. Иначе говоря, среды, которые после прохождения фронта автоволны в силу заложенных в них каких-либо причин способны из низкоэнергетического состояния вернуться вновь в высокоэнергетическое и готовы к пробегу последующей автоволны, называют средами с восстановлением запаса энергии. В таких средах осуществимо возникновение локальных самоподдерживающихся источников автоволн различных типов. Подобные среды возможно создать или распознать и изучить. Существуют подобные активные среды, созданные сотрудниками Института биологической физики АНСССР. Распознаны и изучаются таковые и в медико-биологической области, они будут рассмотрены несколько позже. Познакомимся с примерами активных сред с восстановлением энергии, являющимися творением ума и рук специалистов, работающих в области биологической физики. 4.3.1 Активная среда в виде горелки
Сотрудниками указанного выше академического института М.А.Морозовым и Г.Р.Иваницким в 1979 г. была изобретена специальная горелка, предназначенная для демонстрации несложного механизма возникновения и распространения автоволн. Горелка состояла из ванночки, заполненной густым маслом, металлического листа с последовательно расположенными отверстиями, просверленными поблизости друг от друга и асбестовых жгутов, вставленных в эти отверстия. Ванночка накрывалась металлическим листом, начиненным асбестовыми жгутами. Таким образом, нижние концы жгутов оказывались опущенными в густое масло. Известно, что асбест не горит – низкоэнергетический уровень. Однако, после пропитки маслом, он превращается в фитиль, способный гореть – высокоэнергетический уровень. Подожженный внешним источником огня единичный асбестовый фитиль будет гореть до тех пор, пока напитан маслом. Ввиду того, что скорость поступления масла в жгут ниже скорости горения фитиля, огонь вскоре погаснет. Спустя некоторое время жгут опять пропитается маслом. Цикл горения можно повторить. Следовательно, для этого случая характерны следующие состояния фитиля: горение до гашения – пропитка маслом – готовность к последующему горению. Если же горелка снабжена некоторым числом последовательно расположенных на близком расстоянии линией фитилей, то поджог первого приведет к последовательному загоранию остальных: через некоторое время первый фитиль погаснет (выгорит масло), успев поджечь второй, и по ряду фитилей горелки будет перемещаться фронт пламени. И в этом случае пламя, дойдя до конца ряда, потухнет. При выполнения временного условия последовательной пропитки асбестовых жгутов возможен очередной поджег первого фитиля тотчас после гашения последнего и распространение новой волны горения по этому ряду. При этом же условии по фитилям, замкнутым в круг, огненный фронт, возбужденный внешним источником, будет распространяться постоянно, поджигая один фитиль за другим. Пламя начнет вращаться, самовоспламеняясь без помощи внешнего источника огня. В случае заполнения фитилями всей плоскости листа и создании определенных условий также будет вращаться огненная спиральная волна горения (см. рисунок 4.5).
Рис 4.5 – Закручивание спирального фронта пламени на горелке Слева на последнем кадре схематически изображены фазы закручивания фронта пламени (М. А. Морозов, Г. Р. Иваницкий) 4.3.2 Активная среда на основе химической реакции Из-за специфичности этого явления описание воспроизведем в полном соответствии с текстом, изложенным Г.Р.Иваницким. Химически активная среда была создана в нашем институте (Институт биологической физики АНСССР) А.М.Жаботинским и А.Н.Заикиным в 1970 г. и представляет собой тонкий слой жидкости, где протекает окислительная реакция Белоусова (позднее эта реакция получила название реакции Белоусова-Жаботинского). Реакция имеет циклический (колебательный) характер. В отличие от большинства известных окислительных процессов, которые идут до исчерпания одного из субстратов (окислителя или восстановителя), в ходе этой реакции выделяется ингибитор, тормозящий реакцию на некоторое время после того, как исчерпана лишь небольшая доля реагентов. Состав реакционной смеси следующий (он был описан Б.П.Белоусовым в середине 50-х годов): лимонная кислота – 2,00 г, сульфат церия – 0,16 г, бромат калия – 0,20 г, серная кислота (1:3) –
2,0 мл, вода до общего объема – 10,0 мл. Церий (металл переменной валентности) играет роль маятника: он появлялся то в окисленной, то в восстановленной форме. Обобщенно реакцию можно представить следующим образом: сначала бромат окисляет ионы Ce+3 до Ce+4, а сам превращается в гипобромит; гипобромит окисляет лимонную кислоту, а бром восстанавливает Ce+4 в Ce+3 ,давая бромид-ион, способный тормозить реакцию ионов Ce с броматом. Попеременное изменение степени окисления церия проявляется в периодическом изменении окраски раствора. Для получения периодической реакции можно использовать и иные субстраты (сегодня известно около 50 аналогичных колебательных химических реакций). Описание этой реакции было позднее в деталях уточнено Р. Нойесом, Р. Филдом (США) и Э. Керошем (Венгрия). Если указанную реакционную смесь налить тонким слоем в плоский сосуд, то за счет ухудшения перемешивания каждый малый объем жидкости можно рассматривать как элемент активной возбудимой среды с восстановлением, по которой автоволны окисления могут пробегать столько раз, насколько хватит запасов субстратов (рисунок 4.6).
Рис 4.6 – Автоволны в химической активной среде (А.М. Жаботинский, А.Н. Заикин) В реакции Белоусова-Жаботинского за один раз окисляется приблизительно 0,01 субстрата, и волна окисления может пробежать около 100 раз. Механизм распространения волн окисления в принципе тот же, что и волн горения (горение – частный случай окисления): возбужденные ("горящие") элементы среды возбуждают ("поджигают") соседние. 4.3.3 Активная среда в виде возбудимой биологической ткани Изучение активных биологических сред было начато в 1966 г. сотрудниками вышеупомянутого академического института под руководством В.И. Кринского. Оказалось, что такими средами являются нервное волокно, головной и спинной мозг, гладкомышечные стенки кишечника, матки, мочевого пузыря и
сердечная мышца. Наиболее известным представителем рассматриваемой среды является нервное волокно, а распространяющийся по нему импульс – автоволна, представляющая собой электрохимическую волну перехода от состояния покоя к активному состоянию (возбуждению). Известно, что основной функцией нервных клеток, составляющих нервное волокно, является переработка, хранение и передача по определенным путям информации, нужной для координации работы многоклеточного организма. В качестве примера проследим механизм передачи сигнала от рецепторных клеток сетчатки глаза человека (палочки и колбочки), содержащих светочувствительный пигмент родопсин, связанный с мембранными структурами клетки. При воздействии света на структуру молекулы родопсина (генераторный потенциал) происходит изменение проницаемости значительной части поверхности клеточной мембраны для ионов натрия и калия. При этом в клетке генерируются электрические импульсы, передающиеся в головной мозг, где на уровне коры больших полушарий формируется зрительный образ. Таким образом изменение проницаемости мембраны приводит к "рождению" электрического нервного импульса, поступающего в соответствующее место центральной нервной системы. Вспомним, что биоэлектрические потенциалы, электрические потенциалы, возникающие в тканях и отдельных клетках человека, животных и растений являются важнейшими компонентами процессов возбуждения и торможения. Известно, что у живых клеток в покое (потенциал покоя) между внутренним содержимым клетки и наружным раствором существует разность потенциалов в пределах 60-90 мВ, локализованная на поверхностной мембране. Причем внутренняя сторона мембраны заряжена электроотрицательно по отношению к наружной. Сказанное является следствием избирательной проницаемости покоящейся мембраны для ионов K+. Оказывается, что концентрация K+ в протоплазме примерно в 50 раз выше, чем во внеклеточной жидкости, поэтому, диффундируя из клетки, ионы выносят на наружную сторону мембраны положительные заряды, при этом внутренняя сторона мембраны, практически не проницаемой для крупных органических анионов, приобретает отрицательный потенциал. Поскольку проницаемость в покое для Na+ примерно в 100 раз ниже, чем для K+ диффузия натрия из внеклеточной жидкости (где он является основным катионом) в протоплазму мала и лишь незначительно снижает потенциал покоя, обусловленный ионами K+. Когда генераторный потенциал достигает критического значения, в соседнем участке мембраны нервного волокна возникает распространяющийся потенциал действия, являющийся одним из основных компонентов процесса возбуждения. В нервных клетках он обеспечивает проведение сигнала чувствительных окончаний (рецепторов) к телу нервной клетки и далее. Амплиту-
да потенциала действия для большинства нервных и мышечных волокон примерно одинакова и составляет 110-120 мВ. Длительность его колеблется от 0,3-0,4 мс – для нервных волокон до 50-600 мс – для мышц сердца. Характерной особенностью потенциала действия является его подчинение правилу "все или ничего", означающее, что он возникает только тогда, когда раздражитель достигает своего порогового значения. Дальнейшее же увеличение интенсивности раздражителя не сказывается ни на амплитуде, ни на продолжительности потенциала действия. Проследим механизм генерации потенциала действия. Раздражители, воздействующие на клетку, вызывают снижение потенциала покоя до некоторого критического – порогового значения, что приводит к возникновению потенциала действия. В процессе восходящей фазы потенциал действия кратковременно извращает потенциал на мембране. Ее внутренняя сторона, заряженная в покое отрицательно, приобретает в это время положительный потенциал, что осуществляется по следующей схеме. Согласно мембранной теории, деполяризация мембраны, вызванная действием раздражителя, приводит к усилению потока Na+ внутрь клетки, уменьшая отрицательный потенциал внутренней стороны мембраны, что в свою очередь, вызывает дальнейшее увеличение проницаемости для Na+ , усиливая деполяризацию и т.д. Повышение проницаемости для Na+ очень кратковременно и сменяется ее падением, а, следовательно, уменьшением потока Na+ внутрь клетки. При этом проницаемость K+ продолжает увеличиваться, приводя к усилению потока K+ из клетки. Следствием этих изменений является падение (нисходящая ветвь) потенциала действия до восстановления потенциала покоя. Для реализации описанного процесса необходимо произвести определенную затрату энергии. Она приобретается клеткой в процессах обмена веществ. Эта энергия также тратится на "привод в действие" так называемого "натриевого насоса", который поддерживает неравенство концентраций ионов K+ и Na+ внутри и снаружи клетки или волокна за счет выталкивания ионов Na+ из клетки и нагнетания ионов K+ в протоплазму. После проведенного экскурса вернемся к дальнейшему рассмотрению нервного волокна, как активной среды. На рисунке 4.7 показан график распространения импульса возбужден (фронта волны) по нервному волокну и схематическое изображение деполяризации нервной ткани в момент прохождения импульса.
Рис 4.7 – Распространение импульса возбуждения (фронта волны) по нервному волокну Вверху – параметры импульса. Римскими цифрами обозначены периоды, в которых живая ткань находится в разных состояниях: I – период покоя; II – период восстановления; III – период возбуждения. Значение потенциала действия равно амплитуде импульса (100 мВ). Внизу – схематическое изображение диполяризации нервной ткани в момент прохождения импульса Из рисунка видно, что в периоде покоя (I) разность потенциалов на мембране волокна приблизительно равна – 0,08 В, активного состояния – возбуждения (III) +0,04 В. Разность потенциалов в первом случае выше, чем во втором. II – период рефрактерности – это период кратковременного снижения возбудимостей нервной и мышечной тканей после потенциала действия. В быстропроводящих нервных волокнах он длится не более 3-5 мс, а в мышцах сердца – до 500 мс. Рефрактерность – один из факторов, ограничивающих частоту воспроизведения биологических сигналов, их суммацию и скорость проведения. На рисунке 4.8 показаны автоволны в предсердии. Распространяющаяся по нему автоволна имеет ту же физическую природу, что и нервный импульс, отличаясь лишь длительностью и скоростью. Однако, идущая по сердцу волна возбуждения служит не для передачи информации, как в случае нервных волокон, а для запуска ряда биохимических процессов, инициирующих сокращение сердечной мышцы, на режиме которого отражается изменение в распространении автоволн возбуждения (сравните рис 4.8 а и б )
Рис 4.8 – Автоволны в предсердии а – волны электрического возбуждения, запускающая нормальное сокращения здорового сердца; б – вращения автоволны во время пароксизмальной тахикардии, М.А. Аллексия, Ф. Бонк, Ф. Шопман. Положение автоволны указаны жирной линией; цифры – время (в миллисекундах) после возникновения волны В возбудимых клетках высокоэнергетическое состояние определяется большей разностью энергетических потенциалов (-0,08 В), а низкоэнергетическое – малой их разностью (+0,04 В). До возвращения системы в высокоэнергетическое состояние элемент среды обычно невозбудим. 4.4 Виды автоволн Классифицируются они по сходству их формы и механизму возникновения. Например, различают волны концентрические (пейсмекеры), спиральные (ревербераторы), ячеистые волны и др. На рисунке 4.6 показана картина концентрических автоволн (автоволны в химически активной среде). Они возникают в неоднородных активных средах, имеющих области, элементы которых работают в автоколебательном режиме. Эти области являются источниками периодически расходящихся концентрических волн. На рисунке 4.8 а изображены последовательные положения фронта концентрической волны возбуждения на поверхности сердца. Такие волны испускаются с частотой сердечного ритма (в нормальных условиях один раз в секунду) синусовым узлом состоящим из группы клеток, работающих в автоколебательном режиме. На рисунках 4.5, 4.8 б воспроизведены спиральные автоволны. Ревербераторы появляются в неоднородных средах, в которых волны при распространении могут разрываться. Ревербератор может существовать в среде, где нет автоколебательных элементов. Он не связан с локальным участком среды и может мигрировать по ней. Это просто вращающаяся волна.
На рисунке 4.9 приведены ячеистые структуры в физической и биологической активных средах. Появление ячеистых автоволн имеет разный механизм, зависящий от способа накачки энергии в среду, физических свойств активной среды и пространственного распределения энергии в ней.
Рисунок 4.9 – Ячеистые структуры в физической и биологической активных средах Слева – ячейки Бенара в системе с подогревом; справа – ячеистая структура, создаваемая инфузориями – тетрахиминами; внизу – биоконвекция тетрахимен в вертикальном сечении объема. В центре длинными стрелками показан канал, по которому тетрахимены падают вниз с большой скоростью; по бокам они медленно поднимаются к поверхности и вновь падают по каналу вниз (Э.М. Швирст, В.И. Кринский, Г.Р. Иваницкий) Рассмотрим получение ячеистой структуры на примере ячеек Бенара (французский физик, описавший это явление еще в 1900г.) (см. рисунок 4.9 слева). В мелкий сосуд с плоским дном наливают жидкость. Затем начинают его снизу равномерно подогревать. Нижний слой жидкости будет расширяться, плотность его падать. Он будет всплывать наверх. На его место будут опускаться более холодные слои. При увеличении скорости нагрева жидкость распадется на отдельные ячейки. Этот процесс относят к автоволновым: активная среда – это нагреваемый плоский сосуд с определенным объемом жидкости, придонный слой за счет нагрева находится в высокоэнергетическом состоянии, а поверхностный слой – в низкоэнергетическом. Между высокоэнергетическим и низкоэнергетическим состояниями жидкости непрерывно циркулируют конвекционные потоки. Подобные структуры возникают и в активных средах с другой физической природой – при перемещении со дна водоемов на его поверхность и обратно инфузорий – тетрахимен. Здесь активная среда – водоем, высокоэнергетическое состояние которого соответствует верхнему слою водоема, бога-
тому кислородом, а низкоэнергетическое – придонному слою (см. рисунок 4.9 справа). Здесь ячеистая структура поддерживается за счет вертикальной биоконвекции (перемещение тетрахимен). 4.5 Использование автоволновых процессов в технике Использование автоволновых процессов в технике рассмотрим на примере самораспространяющегося высокотемпературного синтеза веществ (СВС). К настоящему времени разработано достаточно большое количество технологических приемов производства различных материалов с использованием процессов СВС. СВС представляет собой автоволновую реакцию горения смеси веществ. В настоящее время, используя процесс СВС, получают жаропрочные и специальные материалы, твердые сплавы, различные покрытия на поверхностях деталей машин. Идея СВС такова. Составляют смесь из требуемых порошков с необходимыми добавками и прессуют, придавая ей нужную форму. Затем заготовку помещают в герметичную камеру с определенной средой и давлением. После чего заготовка поджигается вольтовой дугой или лазером. Возникает автоволна горения, которая распространяется по заготовке и в конце ее затухает, создавая необходимое изделие (см. рисунок 4.10).
Рис 4.10 – Распространение автоволны горения по цилиндрическому образцу (никель + алюминий) при самораспространяющемся высокотемпературном синтезе веществ (Я.Б. Зельдович, В.Б. Либрович, А.Г. Мержанов) В этом случае активной средой является заготовка (высококалорийный порошковый состав), находящаяся в высокоэнергетическом состоянии. После пробега автоволны заготовка переходит в низкоэнергетическое состояние без возможности восстановления запаса энергии. 4.6 Автоволновые процессы в возбудимых биологических тканях В определенных случаях изменение характера автоволновых процессов вызывает нарушение функционирования органов, состоящих из возбудимых тканей. Как было сказано выше, в нормальных условиях сокращениями сердечной мышцы управляет источник концентрических волн возбуждения – синусовый
узел. Ритмичность работы сердца может нарушится при возникновении в нем по каким- либо причинам ревербераторов (спиральных автоволн), которые подавляют активность синусового узла и сбивают с нормального ритма сокращения сердечной мышцы. Экспериментами установлено, что пароксимальная тахикардия – тяжелая сердечная аритмия возникает в связи с возникновением и циркуляцией спиральной волны возбуждения (см. рисунок 4.8 б). Стремительное размножение ревербераторов на неоднородных участках сердечной ткани является причиной фибрилляции желудочков сердца, приводящей к неспособности сердца перекачивать кровь. Для борьбы с этим недугом в медицинской практике используются дефибрилляторы, дающие на тело пациента короткий электрический импульс высокого напряжения. Этим способом часто удается восстановить нормальный ритм сердца. Механизм такого воздействия заключается в том, что при воздействии короткого электрического импульса клетки сердца одновременно переводятся в возбужденное состояние. После прекращения импульса они синхронно возвращаются в состояние покоя и ткань сердца вновь может проводить волны возбуждения от синусового узла. Однако дефибрилляция часто вызывает повреждение сердечной ткани. Исходя из теории автоволн специалисты утверждают, что возможна дефибрилляция без применения больших токов. Они исходят из того, что частота следования спиральных волн всегда ниже, чем максимальная частота пропускания волн активной средой. Исходя из эффекта синхронизации предлагается вытеснять из среды спиральные волны путем приложения к ней внешнего высокочастотного источника концентрических волн (см. рисунок 4.11). При этом источник должен быть маломощным, т.к. в этом случае энергия расходуется только на возбуждение концентрических автоволн, вытесняющих ревербераторы.
Рис 4.11 – Вынужденный дрейф ревербератора под действием высокочастотного периодического источника(В.И. Кринский, К.А. Агладзе) а – на ревербератор набегает (снизу) высокочастотная последовательность волн; б – ревербератор превращается в два близкорасположенных разрыва; в – ревербератор дрейфует вверх и вправо.
Ревербераторы возникают не только в сердечной мышце. Они могут возникнуть и возбудимых тканях желудка, кишечника и др. Воспалительные процессы, рубцы и другие изменения в желудке или кишечнике при обильном употреблении трудноперевариваемой пищи могут привести к появлению ревербераторов и хаотичному сокращению их мышц, вызывая приступы резких болей. Вынесенный на периферию кусочек мозга – сетчатка глаза, как и нейронная ткань мозга способна проводить волны распространяющейся корковой депрессии (волна медленного сдвига внутриклеточного электрического потенциала нейронов головного мозга), меняющей оптические свойства сетчатки из-за реверберации. В случае возникновения ревербератора его можно сфотографировать (см. рисунок 4.12).
Рис 4.12 – Спиральная волна распространяющейся депрессии в сетчатке глаза цыпленка а – препарат (задняя полусфера глаза), автоволна отмечена стрелкой (Я. Буреш, Н.А. Горелова); б – схема движения автоволны Таким образом, ревербераторы вносят дестабилизацию в нормальное течение функционирования того или иного органа. Такой ход событий в возбудимых тканях органов должен быть устранен. Установлено, что автоволны, распространяющиеся в различных возбудимых тканях, обладают общими особенностями, и при этом возникают одни и те же локальные источники таких волн. Механизмы появления этих источников, их взаимодействия и размножения одинаковы и не зависят от природы активной среды. По мнению специалистов это обстоятельство позволяет переносить закономерности, установленные при изучении автоволн в какойлибо активной среде, на широкий класс других активных сред и, через понимание общих механизмов автоволновых процессов находить способы их конкретного практического использования.
Список использованных источников. 1. Иваницкий Г.Р. Автоволны вокруг и внутри нас. 2. Ежегодник "Наука и человечество" изд. "Знание" 1989г. с.211-226 3. Популярная медицинская энциклопедия. 2ое переработанное и дополненное издание. Ташкент , 1989г. 4. Большая Советская Энциклопедия. Третье издание. Т. 3 и 22.
5 Холод 5.1 Общие сведения В обыденной жизни нам часто приходится оперировать словосочетаниями, связанными со словами "тепло" и "холод". Оценивая состояние, например, воздуха, мы употребляем выражения: потеплело, похолодало, становится теплее или холоднее и т.д. Зимой мы можем сказать: сегодня потеплело; а летом: "стало прохладнее" или "что-то стало холодать". Все подобные выражения носят относительный характер и определяют состояние погоды в зависимости от предыдущего короткого периода ее состояния. Хотя эти понятия и связаны с субъективными восприятиями состояния атмосферы, но как-то привязаны к показаниям привычных нам бытовых термометров – температуры. Температура (с лат. нормальное состояние, соразмерность) характеризует состояние тела независимо от его массы и химического состава. Так, например, большой камень и маленький кусочек стали могут иметь одно и тоже значение температуры. Она характеризует интенсивность беспорядочного теплового движения атомов, молекул и других частиц тела, то есть его тепловое состояние. С молекулярно – кинетической точки зрения температура – мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул. 5.1.1 Измерение температуры Измерение температуры тел производится термометрами- приборами для ее измерения посредством контакта с исследуемой средой. Нагревание или охлаждение тел влияет на их физические свойства. Изменение их температуры приводит к изменению линейных размеров, упругих свойств, электропроводности тел и т.д. В принципе, любое из этих изменений может быть использовано для измерения температуры. Но исторически сложилось так, что наиболее широко утвердился метод измерения температур по изменению объема ртути с помощью ртутных термометров. Однако градуировка ртутного термометра, производимая между двумя реперными (исходными) точками, устанавливаемыми международным соглашением (между точкой плавления льда – 0 и точкой кипения воды – 100), сводится к делению шкалы на равные части между ними. При этом предполагается, что объем ртути меняется с температурой линейно. Если заполнить этот термометр другой жидкостью (например, спиртом) и совместить для него указанные реперные точки с ртутным термометром, а затем разделить шкалу на равные части, то показания такого тер-
мометра для средних температур несколько разойдутся с показаниями ртутного термометра (рисунок 5.1).
Рис 5.1 – Сравнение шкал ртутного и спиртового термометров Термометры, изготовленные с разными расширяющими телами с одинаковыми реперными точками, будут иметь некоторые расхождения в их показаниях, несмотря на то, что в исходных точках они будут совпадать. Если же изготовить водяной термометр и, охладив его до 0˚С, положить на нагреватель, то "водяная температура" сначала бы падала, а затем росла. Это объясняется тем, что вода при нагревании уменьшает свой объем (рисунок 5.2), а потом в процессе нагревания – увеличивает.
Рис 5.2 – Зависимость объема воды от температуры для небольшого интервала около 0°С Таким образом, установленная шкала температур находится в зависимости от того тела по изменению объема которого мы измеряем температуру. В принципе, случайный выбор расширяющегося (термометрического) тела для термометра приведет к появлению случайной шкалы температур и, в конечном счете, к тупику. Считается, что в качестве термометрического тела следует выбирать такое тело, свойства которого подчиняются наиболее простым закономерностям. В качестве такого тела может быть выбран газ, для которого при постоянной температуре выполняется равенство PV=const (закон Бойля-Мариотта). Таким термометрическим телом оказался идеальный газ, у которого отсутствует взаимодействие частиц, представляющих собой материальные точки, и потому, изучая его расширение, мы изучаем, как меняется движение его молекул. Он характеризуется значениями термических коэффициентов давления и объёмного расширения, примерно равным 1/273, то есть давление и объем идеального газа при повышении температуры на 1 0С увеличивается на 1/273 от значения при 0 0С. Известно, что азот, водород и любой другой газ в состоянии разряжения (состояние близкое к идеальному газу) расширяются при нагревании практически одинаково. По этой причине идеальный газ является совершенным термометрическим телом для термометров.
Ввиду того, что молекулы идеального газа обладают лишь кинетической энергией, внутренняя энергия такого газа не зависит от занимаемого объема. Молекулярно-кинетическая теория рассматривает давление газа на стенки сосуда в котором он находится, как воздействие ударов молекул, усредненное по поверхности и времени. Количественно, давление p определяется по известной вам зависимости: 2 3
p= ⋅ n ⋅
mυ 2 , 2
где: n – число молекул в единице объема; m – масса молекулы; υ – средняя скорость молекулы, Таким образом, давление прямо пропорционально числу молекул в единице объёма и их средней кинетической энергии, или: 2 3
p= nΕ кин.ср. , где: Ε кин.ср. - средняя кинетическая энергия молекулы. Тогда: 2 3
pV= nVEкин.ср. =const
,
5.1.2 Расширение газов Известно, что при нагревании скорость молекул возрастает. При этом pV также возрастает. Наглядные соотношения можно получить, если оставить постоянным один из сомножителей произведения pV. Изменения давления и объема при нагревании определяются законами Гей-Люссака: 1-ый закон – газ нагревается при постоянном давлении. В этом случае объем данной массы газа при постоянном давлении меняется линейно с температурой (V~t) и определяется по зависимости: Vt = Vo(1+βt),
где: Vt – объем газа при произвольной температуре t; Vo – объем газа при температуре 0 С ; t – температура; β – коэффициент объемного расширения газа. Коэффициент объемного расширения идеального газа β=1/273,15. Для инертных газов, водорода, воздуха, значения β практически совпадают с его значением для идеального газа, значения коэффициентов объемного расширения других газов несколько отличаются от этого значения. 2-ой закон – газ нагревается при постоянном объеме. При этом давление данной массы газа при постоянном объеме меняется линейно с температурой. Pt=Po(1+βt), где: Pt – давление газа при произвольной температуре t; Po – давление газа при 0 С; t – температура; β – относительный коэффициент давления (коэффициент объемного расширения). Относительный коэффициент давления β практически одинаков у всех газов и с хорошим приближением равен относительному коэффициенту давления идеального газа. Он совпадает с коэффициентом объемного расширения и равен 1/273,15. 5.1.3 Поведение газов в зависимости от температуры Графически зависимость давления газа от температуры (см. рисунок 5.3 в) при постоянном объеме выразится прямой, пересекающей ось ординат в точке, дающей значение Ро. Эта линия, как вы знаете, называется изохорой. Для разных масс газа Ро будет иметь разные значения: их изохоры будут пересекать ось ординат на разных высотах. Поэтому на рисунке 5.3 в мы видим семейства прямых. Однако все эти прямые пересекают ось абсцисс в одной и той же точке, лежащей при значении – 273о С.
Рис 5.3 – Температурные шкалы Цельсия и Кельвина Для объяснения этого явления обратимся к зависимости: Pt=Po(1+βt) Если Pt =0, то Po(1+βt)=0, то Pо не равно 0, тогда 1+βt =0. Откуда t= −
1
β
=−
1 = -273о C 1 273
для любых значений Po.
Точно так же зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении выразится прямой (см. рисунок 5.3 в), пересекающей ось ординат в точке, дающей Vo (изобара). Для разных масс мы получим семейство прямых, пересекающих ось ординат на разных высотах и пересекающихся в одной точке, лежащей на оси абсцисс на отметке – 273о С. Если же мы начало оси координат перенесем на отметку -273о С, то выражения для зависимости объема и давления газа от температуры упростятся. В этом случае мы вводим новую шкалу температур. Температуру в этой шкале обозначим Т, где величина градуса та же, что в шкале Цельсия, но нуль расположен при -273о С (см. рисунок 5.3 а). Тогда: T=t+273 о C откуда t=T-273 о C=T-1/β Подставив это значение t в формулу Vt=Vo(1+βt) получим: Vt=Vo[1+β(T-
1
β
)] или
Vt=VoβT Таким же образом, подставив значение t в формулу получим: Pt=PoβT, Эта шкала температур носит название шкалы Кельвина (В. Томсон) (названа по имени известного английского ученого XIX в). Градус в этой шкале обозначается К. Из приведенных формул следует, что объем газа при постоянном давлении прямо пропорционален температуре в шкале Кельвина, а давление газа при постоянном объеме также прямо пропорционально температуре в шкале Кельвина. Шкалу температур Кельвина, называют абсолютной шкалой, а нуль – абсолютным нулем температур.
5.1.4 Физический смысл абсолютного нуля Для объяснения физического смысла абсолютного нуля обратимся к 2 3
зависимости p = ⋅ n ⋅
m ⋅υ 2 , 2
При Т=0˚ К давление должно равняться нулю (см. рисунок 5.3 в), то 2 3
есть р=0 однако p = n ⋅
m ⋅υ 2 , 2
Известно, что даже при этой температуре n не равно 0 и m не равно 0. Следовательно, р может быть равен нулю при υ =0. Это означает, что при температуре абсолютного нуля полностью прекращается поступательное движение молекул. Иначе говоря, средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул зависит только от температуры и при абсолютном нуле прекращается. Другие виды движения молекул (вращательное и колебательное) могут существовать и при Т=0˚ К. Абсолютный нуль – возможно низкая температура. Физический смысл абсолютного нуля состоит в том, что при этой температуре исчезает давление, являющееся следствием ударов молекул о стенки сосуда. Установлено, что практически абсолютный нуль недостижим (такое состояние вещества недостижимо), но к нему можно подойти очень близко. Потому что никакими способами нельзя отнять у вещества абсолютно всю его тепловую энергию. Некоторая доля тепловой энергии останется даже при самом глубоком охлаждении (сейчас достигнута температура Т=0,0001˚ К). Таким образом, нет температур ниже абсолютного нуля (в молекулярной физике не имеет смысла Т<0˚ К), т.к. они соответствуют отрицательным объемам газа, а также не может быть движения с отрицательным квадратом скорости. Получить температуры ниже абсолютного нуля также невозможно, как изготовить проволоку с диаметром меньше нуля. При абсолютном нуле тело нельзя охладить – нельзя отнять у него энергию. Иначе говоря, при абсолютном нуле тела и частицы, из которых они состоят, обладают наименьшей возможной энергией. Абсолютный нуль – предел холода. Еще в свое время Ломоносов писал, что увеличивать давление при нагревании можно неограниченно, а уменьшать при охлаждении – только до определенной температуры.
5.1.5 Температурные шкалы Температурные шкалы – система сопоставимых числовых значений температуры. Величина температуры непосредственно не может быть измерена. Она определяется по температурному изменению каких-либо удобных для измерения физических свойств (объема, давления, электрического сопротивления, интенсивности излучения и др.) тел (термометрических веществ), связанных с температурой определенными закономерностями. Таким образом, методы измерения температуры являются по существу способом измерения физических свойств тел (термометрических свойств), которые должны однозначно зависеть от температуры и измеряться достаточно просто и точно. Для определения эмпирической температурной шкалы выбирается термометрическое вещество (тело) и удобное для измерения физическое свойство, задается начальная точка отсчета и размер единицы температуры – градуса. В температурной шкале обычно фиксируют две основные температуры, соответствующие точкам фазовых равновесий однокомпонентных систем (реперные или постоянные точки). Расстояние между реперными точками называется основным температурным интервалом шкалы. Размер единицы температуры устанавливают как определенную долю основного интервала. За начало отсчета температурной шкалы принимают одну из реперных точек (см. рисунок 5.1). Принципиальный недостаток эмпирической температурной шкалы – их зависимость от термометрического вещества (тела). Указанный недостаток отсутствует у термодинамической температурной шкалы, основанной на втором начале термодинамики. По соглашению Международного комитета мер и весов в 1877 г. в качестве термометрического тела был выбран водород, и было решено измерять температуру с помощью водородного термометра, считая изменение температуры пропорциональным изменению давления водорода, объем которого поддерживается при его нагревании и охлаждении постоянным. Таким образом, в основу измерения температуры был положен 2-ой эмпирический закон Гей-Люссака (5.5). Это равенство, отнесенное к водороду и служило делением эмпирической шкалы температур. При этом построение температурной шкалы производилось на базе 2-х реперных точек (таяние льда, равное 0о и кипение воды – 100о). В этом случае коэффициент В имеет числовое значение 1/273,13. 5.1.5.1 Термодинамическая температурная шкала Термодинамическая температура является одним из основных единиц системы СИ. Она обозначается буквой Т и выражается в Кельвинах (К). Решением Международного комитета мер и весов термодинамическая темпера-
турная шкала признана основной. При определении абсолютной термодинамической шкалы (шкалы Кельвина) исходят из цикла Карно. Рассмотрение цикла Карно (рисунок 5.4 а) позволяет, как это впервые заметил Кельвин, также установить шкалу температур, не зависящую от выбора термического тела. Способ установления этой шкалы следующий: в обратном цикле Карно (рисунок 5.4 в) рабочее тело отбирает теплоту (Qподв.) у холодного тела с температурой Т2. Эта теплота вместе с теплотой, возникающей дополнительно при совершении необходимой механической работы (работа компрессора) W, отводится Qотв. то есть передается более горячему телу (окружающей среде) с температурой Т1. Согласно положениям термодинамики отношение абсолютных температур Т2/Т1=Qподв/Qотв не зависит от свойств рабочего тела и позволяет по доступным для измерения величинам Qподв, Qотв определять абсолютную температуру. В силу того, что изменения количества тепла всегда могут быть измерены, то при помощи цикла Карно, проведенного, например, между температурой плавления льда Т0 и температурой кипения воды Тк, можно, измерив количество тепла Qo, отдаваемого рабочим веществом, и количество тепла Qк, поглощаемого рабочим веществом определить отношение Тк/То. После чего можно измерить любую температуру, если один из двух тепловых резервуаров будет иметь температуру То. Здесь отношение Qотв/Qподв=Qo/Qк не зависит от выбора рабочего вещества. Поэтому оно может служить для установления, шкалы температур, не зависимой от выбора термометрического тела. Такая шкала называется термодинамической температурной шкалой. Термодинамическая шкала в пределах значительного температурного интервала совпадает со шкалой, установленной с помощью газового термометра, который заполнен очень сильно разреженным газом, близким к свойствам идеального газа. У термодинамической температурной шкалы промежуток между точкой таяния льда и точкой кипения воды был приравнен 100о. Это сделано для сохранения преемственности числового выражения ее со 100-градусной температурной шкалой Цельсия.
Рис 5.4 – Цикл Карно Оказалось, что для более точного определения абсолютной температуры целесообразно построение термодинамической температурной шкалы с одной опорной (реперной) точкой, чем с двумя. Установлено, что погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,002-0,01˚ К, точки таяния льда – 0,0002-0,001 К. Эта мысль была высказана независимо друг от друга ещё Кельвином и Менделеевым. В этом случае необходимо приписывать определенное числовое значение только одной экспериментально реализуемой точке шкалы. Нижней границей температурного промежутка будет служить точка абсолютного нуля.
Такой точкой была выбрана тройная точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, которые могут совместно сосуществовать только при определенных значениях температуры Т и давлении p (для воды Т=273,16 К и p=610,6 Па (см. рисунок 5.3 б). Она может быть воспроизведена в специальных сосудах с погрешностью не более 0,0001 К. Решение о переходе к определению термодинамической шкалы по средством одной реперной точки – тройной точки воды – было принято консультативным комитетом по термометрии Международного комитета мер и весов в 1954 г. После тщательного анализа числовых результатов экспериментов, полученных в различных лабораториях, Консультативным комитетом по термометрии было признано, что наилучшим значением для температуры тройной точки воды, лежащей выше точки таяния льда на 0,01 К, является 273,16 К. X Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. установила термодинамическую шкалу температур с одной реперной точкой – тройной точкой воды. Там же было дано следующее определение градуса Кельвина: "Десятая Генеральная конференция по мерам и весам постановила определять термодинамическую температурную шкалу при помощи тройной точки воды в качестве основной реперной точки, присвоив ей температуру 273,16 К точно" В 1967 г XIIl Генеральная конференция по мерам и весам уточнила определение единицы термодинамической температуры: "Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды" Термодинамическая температура может быть также в градусах Цельсия (обозначение t), определяемое выражением: t=T-T0, где: T0=273,15 К. Таким образом, нулевая точка (рисунок 5.3 а) по шкале Кельвина соответствует наинизшей теоретической температуре (абсолютный нуль). Нулевая точка по шкале Цельсия соответствует точке плавления льда при нормальном давлении (рисунок 5.1). Более низкие температуры по этой шкале – отрицательны. Один Кельвин равен по своей величине одному градусу Цельсия. Шкалы Кельвина и Цельсия просто смещены друг относительно друга. Теоретически отрицательные температуры (ниже абсолютного нуля) не существуют. В документе Международного комитета мер и весов о международной практической температурной шкале указывается, что, как правило, ниже нуля Цельсия приводят температуру Кельвина, а выше – температуру Цельсия, что позволяет избежать отрицательных значений и соответствует принятой практике.
5.1.5.2 Международная практическая температурная шкала (МПТШ) Трудности, возникающие при измерении температур по термодинамической шкале, привели к принятию практической шкалы. МПТШ-68, установленная в 1968 году Международным комитетом мер и весов, была основана на 11 первичных воспроизводимых температурных точках (реперных), каждой из которых присвоено определенное значение температуры (см. нижеследующую таблицу). Таблица 5.1 Присвоенное значение международной практической Состояние равновесия температуры Т6 t68,°С 8, К Равновесие между твердой, жидкой и 13,81 – газообразной фазами равновесного 259,34 водорода (тройная точка равновесного водорода) Равновесие между жидкой и газооб- 17,042 – разной фазами равновесного водоро- 256,108 да при давлении 33330,6 Па (25/76 нормальной атмосферы) Равновесие между жидкой и газооб- 20,28 – разной фазами равновесного водоро- 252,87 да (точка кипения равновесного водорода) Равновесие между жидкой и газооб27,102 – разной фазами неона (точка кипения 246,048 неона) Равновесие между твердой, жидкой и 54,361 – газообразной фазами кислорода 218,789 (тройная точка кислорода) Равновесие между жидкой и газооб- 90,188 – разной фазами кислорода (точка ки182,962 пения кислорода)
Равновесие между твердой, жидкой и газообразной фазами воды (тройная точка воды)1 Равновесие между жидкой и парообразной фазами воды (точка кипения воды)1,2 Равновесие между твердой и жидкой фазами цинка (точка затвердевания цинка) Равновесие между твердой и жидкой фазами серебра (точка затвердевания серебра) Равновесие между твердой и жидкой фазами золота (точка затвердевания золота)
273,16 – 0,01 373,15 – 100 692,73 – 419,56 1 235,08 – 961,93 1 337,58 – 1064,43
МПТШ-68 выбрана таким образом, чтобы температура, измеренная по этой шкале была близка к термодинамической температуре, и разности между ними оставались в пределах современной погрешности измерений. В МПТШ-68 различают международную практическую температуру Кельвина (обозначение Т68) и международную практическую температуру Цельсия (обозначение t68). Соотношение между ними следующее: t68=Т68-273,15 К , Промежуточные точки рассматриваемой шкалы воспроизводятся по интерполяционным формулам, устанавливающим связь между температурой и термическими свойствами приборов, эталонированных по этим точкам. В диапазоне между 13,81 К до 630,74оС в качестве эталонного прибора применяют платиновый термометр сопротивления, в диапазоне от 630,74оС до 1064,43оС – термопару с электродами платина-родий (10% родия) – платина. Выше 1337,58 К (1064,43оС) МПТШ-68 определяют с помощью закона излучения Планка. В области низких температур МПТШ-68 доведена до 13,81 К. Это обстоятельство связано с тем, что пока в этой области низких температур отсутствует вторичный термометр, не уступающий по чувствительности, точности и воспроизводимости показаний платиновому термометру сопротивления при более высоких температурах. Температуры в интервале от 0,3 до 5,2 К определяют по упругости жидкого гелия 3He (шкала 1962 г.) – основан на зависимости давления насыщенных паров гелия от температуры Т, устанавливаемый с помощью газового термометра. Еще более низкие температуры определяют термометрами
сопротивления (угольными, германиевыми, из сверхпроводящих сплавов и др.) и магнитными методами. Ниже 1 К газовым термометром пользоваться практически нельзя. Для определения термодинамической температуры в этой области используют магнитные и ядерные методы. 5.1.5.3 Другие температурные шкалы Шкала Реомюра. Это шкала практически вышла из употребления обозначается символом R . Для сведения: реперные точки – точка таяния льда 0о R , точка кипения воды – 80о R; градус Реомюра 1/80 часть температурного интервала между точкой таяния льда и точкой кипения воды; соотношения между градусом Реомюра и градусом Цельсия – 1о R=1,25о С,
(5.10)
Шкала Фаренгейта. Пользуются в основном в США. Обозначается символом F . Реперные точки: 0о F – температура смеси льда с солью и нашатырем, 96о F – нормальная температура человеческого тела. В соответствии с этим точка таяния льда – 32о F и точка кипения воды – 212о F. Градус F равен 1/180 части температурного интервала между точкой таяния льда и точкой кипения воды. Соотношения между градусом Фаренгейта и градусом Цельсия: 1о F=5/9о C ,
(5.11)
Перевод температуры Фаренгейта (f) в температуру Цельсия (t) производят по соотношению: t=5/9(f-32) ,
(5.12)
Шкала Ренкина. (Ra) В ней размер градуса равен градусу Фаренгейта, но отсчет ведется от абсолютного нуля температуры, называемой шкалой Ренкина. Сохранилась в основном в США. По шкале Ренкина 0о F=459,67о Ra, точка таяния льда 491,67о Ra и точка кипения воды 671,67о Ra. Перевод температуры Ренкина в температуру Цельсия осуществляется по уравнению:
t=5/9F-273,15,
(5.13)
Перевод температуры Ренкина в температуру Кельвина осуществляется по уравнению: T=5/9F,
(5.14)
В последних зависимостях: t – температура Цельсия, F – температура Ренкина, T – температура Кельвина. 5.1.6 Холод Если под словом "холод" понимать отрицательные температуры, то мы уже знаем, что температур ниже абсолютного нуля быть не может; охладить вещество ниже этой температуры – замысел бессмысленный, так же как и намерение "идти медленнее, чем стоять на месте". Спускаясь, все ниже и ниже по температурной шкале до абсолютного нуля, мы все время у тела отнимаем тепло, а не накачиваем, так называемый холод. Как мы поняли, что понятие "холод" физического смысла не имеет. В физике введено понятие искусственного холода. "Холод искусственный – результат охлаждения некоторой среды или тела ниже температуры окружающей среды, получаемый вследствие отвода от них определенного количества теплоты". В промышленности, технике и быту холод получают в основном с помощью холодильных машин. Иначе говоря, получение холода производится за счет переноса какогото количества тепла с низкого температурного уровня, на более высокий. Какой-либо единой границы между высокими и низкими температурами не существует. В узком смысле слова высокие температуры – это температуры, превышающие комнатную температуру, для достижения которых приходится применять различные способы нагрева: нагрев в пламени (достигается примерно до 5000оС), электрические разряды в газах (можно получить от 10000 до 1000000оС) и т.д. В широком смысле – высокие температуры – температуры, превосходящие некоторую характеристическую температуру, при достижении которой происходит качественное изменение свойств вещества. Так, например, температура плавления разграничивает области твердого и жидкого состояний веществ, критическая температура определяет верхнюю границу существования пара и жидкости, Дебая температура устанавливает для каждого вещества температурную границу, выше которой не сказываются квантовые
эффекты (для большинства веществ эти температуры лежат в пределах от 100 до 500 К). Низкие температуры еще называют криогенными (от крио – холод, мороз, лед). Такие температуры принято отсчитывать от температуры абсолютного нуля (0 К). Такими температурами считались температуры, лежащие ниже точки кипения жидкого воздуха (примерно 80 К). На 13 конгрессе Международного института холода в 1971 году была принята рекомендация, согласно которой криогенными температурами называются температуры ниже 120 К (рисунок 5.3 а). Для получения и поддержания низких температур обычно используют сжиженные газы. На рисунке 5.5 показана шкала температур, встречающихся в природе и технике.
Рис 5.5 – Шкала, показывающая какие температуры встречаются в природе и технике
Низкие температуры имеют нижний предел и ограничены уровнем абсолютного нуля. Для высоких температур верхний предел не установлен. Есть ли он? Сверхвысокие температуры существуют, например, в центрах звезд, в частности Солнца, где температура достигает десятков миллионов градусов. 5.2 Холод в технике Вопросами получения искусственного холода в области температур от 10 до -150оС занимается отрасль техники, называемая холодильной техникой. Наиболее распространенными машинами для получения искусственного холода являются холодильные машины. Под холодильной машиной понимается устройство, которое предназначено для отвода теплоты от охлаждаемого тела при температуре более низкой, чем температура окружающей среды. Холодильные машины работают как тепловые насосы, которые отнимают теплоту от охлаждаемого тела и с затратой энергии (механической или иной) передают ее охлаждающей среде, как правило, воде или окружающему воздуху, имеющей более высокую температуру, чем охлаждаемое тело. Холодопроизводительность их лежит в пределах от нескольких сотен Вт до нескольких МВт. В отличие от тепловых машин (рисунок 5.4 б), работа которых основана на прямом круговом термодинамическом процессе (к рабочему телу, находящемуся при более высокой температуре, подводится теплота от нагревателя, которая частично превращается в механическую энергию) работа холодильных машин (рисунок 5.4 в) основана на том, что рабочее тело за счет затрат внешней работы совершает обратный круговой термодинамический процесс (рабочее тело отбирает теплоту у холодного тела и эта теплота вместе с теплотой, возникающей дополнительно при совершении необходимой механической работы, например, компрессоры, отводится и передается более горячему телу – окружающей среде). В холодильной технике применяются различные системы холодильных машин – паро-компрессорные, абсорбционные, пароэжекторные и воздушнорасширительные, работа которых основана на обратном круговом термодинамическом процессе. Для получения температур ниже температуры окружающей среды используются также охлаждающие смеси, водный или сухой лед, сжиженные газы, термоэлектрическое охлаждение. Искусственный холод широко применяется в пищевой промышленности и индивидуальном секторе для охлаждения, замораживания и хранения скоропортящихся пищевых продуктов. Он используется в нефтеперерабатывающей промышленности при производстве высокооктановых бензинов и др. продуктов, в химической промышленности при производстве синтетического аммиака, красителей и
т.п., в газовой промышленности, например, для сжижения природного газа, в машиностроении для изменения свойств конструкционных материалов и т.д. Искусственный холод необходим при производстве сверхпроводящих материалов и изделий с комплексом заданных свойств, при создании принципиально новых видов транспортных средств и других областях. Конструктивные особенности устройств, предназначенных для получения искусственного холода, и принципы их работы в объеме одной лекции не рассмотришь. В этом, видимо, нет и необходимости, т.к. в соответствующих курсах Вы уже затрагивали эти вопросы. Поэтому мы разберем только некоторые из них, которые, на наш взгляд, наиболее интересны.
5.2.1 Некоторые методы получения холода Рассмотрим два примера получения холода, основанное на расширении газов. Вихревая трубка. На рисунке 5.6 показано конструктивная схема вихревой трубы (вихревая труба Ранка). Она состоит из корпуса 3 с соплом 4 и диафрагмой 5, трубок холодного 6 и теплого 2 потоков, а также управляющего дросселя 1.
Рис 5.6 – Вихревая трубка 1 – дроссель; 2 – трубка теплого потока; 3 – корпус; 4 – сопло; 5диафрагма; 6-трубка холодного потока
В основу ее работы заложена идея создания условий, при которых поток воздуха разделяется на два слоя с равными температурами, отводящиеся затем в разные стороны. Так, если поток воздуха или иного сжатого газа с температурой Т1 и давлением Р1 направить тангенциально через сопло в цилиндрическую трубку, в котором газ расширится до давления Р2 и разгонится до какой-то скорости ν, то он в трубке, вращаясь, разделяется на два слоя с температурами Тхол и Тгор. При этом Тхол<Т1<Тгор. Сказанное предопределяет следующую схему работы вихревой трубы. Поток сжатого газа при температуре Т1 поступает в сопло 4, с большой скоростью входит в корпус 3, завихряется в нем и делится на два потока. Холодный поток с температурой Тхол через диафрагму 5 уходит в правую часть трубы 6, а теплый поток с температурой Тгор отводится в левую её часть 2 и регулируемый дроссель 1. В зависимости от давления воздуха и степени его осушки в вихревой холодильной камере ВХК-2, основным рабочим элементом которого является вихревая труба, можно достичь температуры 216 К. Температурный диапазон регулирования процесса может быть изменен путем подбора диафрагмы трубы. При этом с увеличением диаметра отверстия в диафрагме повышается температура горячего потока, а с его уменьшением – понижается температура холодного потока. Видимо, при необходимости горячий поток, выбрасываемый в атмосферу, можно полезно использовать. Турбохолодильник. Принципиальная схема работы турбохолодильника, применяемого, в частности, для охлаждения кабин и пассажирских салонов самолетов показана на рисунке 5.7.
Рис 5.7 – Принципиальная схема работы турбохолодильника 1 – входной патрубок турбины, 2 – сопловой аппарат, 3 – диск турбины, 4 – вентилятор, 5 – выходной патрубок турбины
Работа турбохолодильника основана на расширении газа с производством внешней работы. Турбохолодильник- машина непрерывного действия, в которой поток охлаждаемого воздуха проходит через неподвижные направляющие каналы (сопловый аппарат), преобразующие часть потенциальной энергии газа в кинетическую, и диск турбины (система вращающихся лопаточных каналов ротора), где энергия потока преобразуется в механическую работу (отдаётся), в результате чего происходит охлаждение газа. Из рисунке 5.7 видно, что турбохолодильник состоит их входного патрубка охлаждаемого горячего воздуха 1, соплового аппарата 2, диска турбины 3, вентилятора 4, служащего тормозным устройством и выходного патрубка турбины 5, обеспечивающего выход охлажденного воздуха в кабину. Схема работы турбохолодильника следующая. Кабинный воздух поступает через входной патрубок турбины 1 к сопловому аппарату 2. В сопловом аппарате потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Из соплового аппарата воздух с большой скоростью поступает на лопатки диска турбины 3 и приводит его во вращение. Таким образом, кинетическая энергия воздуха превращается в механическую работу. Мощность развиваемая турбиной снимается вентилятором 4, играющим роль тормоза, кабинный воздух, совершив работу на лопатках диска турбины 3, с меньшей скоростью, давлением и температурой через выходной патрубок турбины 5 направляется в герметическую кабину объекта. В зависимости от конструктивных особенностей турбохолодильника и условий работы температурный перепад воздуха в турбине колеблется от 65 до 95оС. Термоэлектрическое охлаждение. Вам известны термопары – термоэлементы, применяемые в измерительных устройствах. Термопара – два соединенных одним концом проводника из различных металлов. При нагреве места спая возникает ЭДС. Вспомним, что при плотном соединении (контакте) двух металлических поверхностей электроны из металла с меньшей работой выхода будут переходить в металл с большей работой выхода. При этом возникает контактная разность потенциалов, величина которой зависит от температуры. Если же через цепь, состоящую из спаев двух различных проводников, пропустить электрический ток, то один спай охлаждается, а другой нагревается. Это явление, называемое термоэлектрическим эффектом, открытым французским физиком Ж. Пельтье в 1834 г. Этот эффект именуется также эффектом Пельтье. Иначе говоря, эффект Пельтье – выделение или поглощение теплоты в месте контакта двух разнородных проводников в зависимости от направления электрического тока, текущего через контакт. В замкнутой цепи один из контактов нагревается, а другой охлаждается. При изменении направления тока эффект меняет знак.
Количество выделяющейся или поглощающейся теплоты Q пропорционально электрическому току I, проходящему через контакт, то есть: Q=П•I, где П – коэффициент Пельтье, зависящий от природы контактирующих проводников (веществ). Причина возникновения эффекта Пельтье объясняется тем, что средняя энергия носителей заряда (электронов), участвующих в электропроводности, в различных проводниках различна и зависит от их энергетического спектра, концентрации и механизма рассеяния. При переходе от одного проводника в другой электроны либо передают избыточную энергию атомам, либо пополняют недостаток энергии за их счет (в зависимости от направления тока). В первом случае вблизи спая выделяется, а во втором поглощается теплота Пельтье. На рисунке 5.8 а показан полупроводниковый термоэлемент, включающий полупроводники 1 и 2, а также медные пластины 3.
Рис 5.8 – Полупроводниковый теплоэлемент а – схема: 1 и 2 – полупроводники, З – медные пластины. б – зависимость охлаждающего эффекта ∆T max от температуры горячего спая Из рисунка видно, что со стороны спая "металл-полупроводник" тепло Q0 поглощается, а с противоположной стороны (спай полупроводник-металл) тепло выделяется. Разность температур ∆ Тmax (охлаждающий эффект) зависит от температуры горячего спая Тг. На рисунке 5.8 б дан график этой зависимости. На спае "полупроводник – металл" (рисунок 5.8 а) энергия электронов, переходящих из полупроводника в металл (нижний спай) значительно выше уровня Ферми (некоторый условный уровень энергии системы, в твердом теле – энергетический уровень, вероятность заполнения которого электронами равна 1/2) металла, и электроны отдают свою избыточную энергию (выделяется
тепло Qг и спай нагревается). В полупроводник из металла (верхний спай) могут перейти только самые энергичные электроны, вследствие этого электронный газ в металле охлаждается (поглощается тепло Qо , а спай охлаждаться). Эффект Пельтье используется в термоэлектрических холодильниках, термостатах и т.д. Он также может быть использован и в нагревательных устройствах. Все зависит от стороны, используемой для создания устройств. ∆ Т в том и в другом случае тоже зависит от интенсивности отвода тепла или холода со стороны нерабочего спая. На практике (для создания холодильников или нагревателей) удобно применять термоэлектрические модули, которые являются малогабаритными, твердотельными тепловыми изделиями, использующими эффект Пельтье для охлаждения или нагревания (рисунок 5.9) они работают бесшумно и без вибраций. Вес таких модулей – десятки грамм.
Рис 5.9 – Термоэлектрические модули Термоэлектрический модуль представляет собой малогабаритный твердотельный тепловой насос, осуществляющий перекачивание тепловой энергии при прохождении постоянного тока. Конструктивно такой модуль состоит из последовательно соединенных пар полупроводниковых элементов (кристаллов теллурида, висмута "р" и "n" типов), спаянных между параллельными, керамическими пластинами. При подаче постоянного тока требуемой полярности происходит (за счет эффекта Пельтье) нагрев спаев одной пластины и охлаждении спаев другой пластины. При смене полярности первая пластина охлаждается, а другая нагревается. Разность температур между горячей и хо-
лодной сторонами модуля составляет более 70о С. Кол-во теплоты, перекачиваемой модулем, достигает 60 Вт. Холодильные агрегаты на базе термоэлектрических модулей экологически чисты, конструктивно просты и не имеют хладагента. Они не имеют трубопроводов, надежно работают при воздействии статических и динамических нагрузок при любой ориентации в пространстве в условиях вакуума или повышенного давления окружающей среды. Возможно плавное и точное регулирование теплового режима с малой инерционностью при изменении силы тока. Уникальной особенностью устройств с такими модулями является простота перехода из режима охлаждения в режим нагрева и обратно путем изменения полярности тока питания. Термоэлектрические малогабаритные модули имеют широкий спектр применения в различных областях, включая автомобильные и бытовые холодильники, кондиционеры, медицинское и фармацевтическое оборудование, лабораторные и научные приборы и т.д. На рисунке 5.10 показан общий вид автохолодильника «Вояж». На выносках: внизу – строение термоэлектрического модуля, выше – холодильное устройство, собранное из модулей (модуля) с вентилятором для отвода тепла со стороны горячего спая.
Рисунок 5.10 – Автохолодильник «Вояж» 5.2.2 Криогенные температуры в технике Криогенные температуры в технике применяют для разделения газов. Производство кислорода и азота в больших количествах основано на сжижении воздуха с последующим разделением его в ректификационных колонках на азот и кислород. Применение жидкого азота и кислорода многообразно, в частности кислород служит окислителем в ракетном топливе. Низкие температуры применяются в электронике и радиотехнике для подавления аппаратных шумов. Так, для лазерной локации Луны, американские ученые применили твердотельный рубиновый лазер. Для повышения КПД его квантрон охлаж-
дался до температуры 77 К. Импульс от этого лазера высветил на поверхности Луны пятно диаметром 4 км. При помощи специального лазернорадарного отражателя, установленного астронавтами космического корабля "Аполлон-11", часть лазерного луча, принятая отражателем с некоторым усилением направлялась на Землю. Отраженный сигнал – луч был принят через 2,6 секунды и имел диаметр 16 км. Он был ослаблен приблизительно в 1019 раз. Для опознания столь слабого сигнала на фоне различных шумов на приемном устройстве был установлен охлаждаемый до низких температур фотоумножитель. Следующее направление технических применений криогенных температур связано со сверхпроводимостью. Сверхпроводимость – это свойство многих проводников, которое заключается в том, что их электрическое сопротивление скачком падает до нуля при охлаждении ниже определенной критической температуры, характерной для данного материала. Чудесные свойства сверхпроводников уже известны давно. В наше время появились сверхпроводящие соединения с критической температурой, которая составляет около 160 К. По современным понятиям – это высокотемпературная сверхпроводимость. Сравните – ртуть при температуре 4,15 К переходит в сверхпроводящее состояние, свинцовая проволока с сечением 1/70 квадратного мм при температуре 1,8 К становится сверхпроводящей. Сверхпроводимость применяется для создания сильных магнитных полей, необходимых для ускорителей заряженных частиц, магнитогидродинамических генераторов, энергетических установок для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую и многообразных лабораторных исследований. Сверхпроводящие магниты – соленоид с обмоткой из сверхпроводящего материала. Обмотка в состоянии сверхпроводимости обладает нулевым омическим сопротивлением. Если она замкнута накоротко, то наведенный в ней электрический ток циркулирует практически не изменяясь сколь угодно долго и его магнитное поле остается стабильным. Ток, текущий по сверхпроводящему кольцу, создает мощное магнитное поле. А в мощных магнитах нуждаются многие области науки и техники. Исчезновение электрического сопротивления у сверхпроводников имеет и другое важное значение: возможность по новому подойти к вопросу накапливания и хранения электроэнергии. Установлено, что электрический ток в кольце, изготовленном из сверхпроводящего материала, может циркулировать сколь угодно долго, практически не изменяя своей величины. Его можно подавать в сеть именно тогда, когда в этом появится потребность. Они могут служить своеобразными аккумуляторами электроэнергии. Сейчас стараются располагать источники энергии не очень далеко от места потребления. При использовании сверхпроводящих линий электропе-
редач одна и та же станция без потерь могла бы обеспечить электроэнергией днем Москву, а ночью Владивосток. В Японии разрабатывают проект "парящего" на магнитной подушке поезда, который сможет развивать огромную скорость. Такой поезд можно сделать реактивным, а "взлет" и "посадку" осуществлять простым включением и выключением магнитного поля. Конечно, надо будет строить и направляющие для таких поездов. Или может быть, например, магнитные дорожки. Тормозом для широкого применения сверхпроводимости является трудность, а порою и невозможность на современном этапе развития науки и техники, создания линий и устройств, функционирующих на столь низких температурах, получение и применение которых связано со многими сложностями. Так, например, сверхпроводящие устройства могут выйти из строя. Допустим, что по причине недостаточно жесткой конструкции от удара или действия электромагнитных сил сдвинулись проводники или из-за случайного изменения магнитного потока где-то кратковременно возникли вихревые токи, приводящие к их нагреву. Сопротивление проводника возрастает. Тепло начинает выделяться пропорционально квадрату силы тока (закон Джоуля – Ленца). Мгновенно нагреются соседние участки проволоки и сверхпроводимость ее лавинообразно будет исчезать и зона нормальной проводимости распространится по всей обмотке. Мгновенный ее нагрев может привести к аварии. При этом охлаждающий элемент (например, жидкий гелий) мгновенно превратится в газ, объем его увеличится в несколько сот раз, давление поднимется настолько, что может разрушить криостат. Эта задача разрешима за счет конструктивно-технологических приемов, но она все же есть. Предел мечтаний и желаний – это создание материалов, сохраняющих свои сверхпроводящие свойства при комнатных или более высоких температурах. 5.3 Холод в медицине 5.3.1 Применение холода для лечения больных В одном из самых ранних, источников медицинских знаний на земле – древнем папирусе Смита, которая была написана за 2,5 тысячелетия до н.э., рассказывается о применении холодных компрессов при лечении открытых переломов. О холодных примочках, применяемых при ранениях груди, описана в «Иллиаде» Гомера. "Холод и помогает, и убивает" – утверждал Гиппократ: в зимнюю стужу от переохлаждения люди могут умереть, а целенаправленное использование холода может облегчить их страдания. Несмотря на то, что привычное для нашего понятия слово "холод" для лечебных целей жрецы и лекари использовали еще с древних времен, только
благодаря современному развитию работ по низким температурам стало возможным целенаправленное применение холода в области медицины. Поэтому мы ограничиваемся рассмотрением некоторых примеров применения криогенной температуры в медицине. Охлаждение до температур жидкого воздуха или азота (соответственно равными 80К и 77,4 К ) начало находить важные применения в медицине. Используя приборы, способные производить локальное замораживание тканей до низких температур, производят оперативное лечение мозговых опухолей, урологических к других заболеваний к консервацию живых тканей для длительного хранения. Рассмотрим некоторые примеры применения криогенных температур. Холод используется при нейрохирургических операциях. Осуществлены множество операций на мозге человека по поводу болезни Паркинсона, торсионной дистонией, атетозома, рассеянным склерозом и т.д. Первую нейрооперацию провел профессор Э.И.Кандель в институте нейрохирургии имени Н.Н.Бурденко в 1962 г. В ее подготовке принимали участие академики Б.В.Петровский и П.Л.Капица. Для проведения нейрохирургических операций в Институте физических проблем имени С.И.Вавилова АН СССР под руководством академика А.И.Шальнова было разработано несколько моделей медицинского криоинструмента. На рисунке 5.11 показан один из видов нейрохирургического криоинструмента. Он состоит из тонкой металлической трубки I (канюли). Внутри канюли находится холодопровод 2 и концентрически расположенная трубка для отвода испарившегося газообразного азота. По перефирии канюли расположены вакуумные полости, обеспечивающие инструменту тепловую изоляцию.
Рис 5.11 – Нейрохирургический криоинструмент Института физических проблем им. С.И. Вавилова Академии наук России 1 – канюля; 2 – трубчатый холодопровод; 3 – активированный уголь; 4 – отпайка; 5 – активный наконечник; 6 – пенопластовый резервуар для жидкого азота; 7 – ледяной шар Пенопластовый резервуар для жидкого азота вмешает до 100 мл жидкого азота. На конце канюли размером 2х2 мм нет тепловой изоляции ( 5активный наконечник), что способствует образованию, "ледяного шара" диаметром 8мм. Длина рабочей полости канюли 124 мм, диаметр 2 мм, масса инструмента 150 г. Вот как описывает процесс нейрооперации по поводу лечения болезни Паркинсона, выраженного расстройством двигательных функций, в институте неврологии Академии медицинских наук СССР. На уровне головы больного, лежащего на операционном столе, размещены рентгеновские аппараты. Осциллограф, предназначенный для регистрации биотоков мозга, и другая медицинская аппаратура соединены с ЭВМ, расположенной в Институте проблем управления АН СССР. Снимается небольшой кусочек кости черепа. Длинная тонкая канюля осторожно вводится в мозговую ткань. Как ориентироваться в святой святых человека, как провести канюлю через еще недостаточно изученные структуры? На основе законов стереометрии ведутся расчеты при этом условная координатная сетка мозга сопоставляется с координатной сеткой стереотаксического прибора. Лучи рентгеновских аппаратов контролируют положение канюли. В особо сложных ситуациях анализируется на ЭВМ, и хирургу поступает рекомендация на уточнение "прицела". Канюля достигла точки, в которой скрестились рентгеновские лучи. Точность – I мм. В мерный стаканчик из сосуда Дьюара переливается необходимое количество жидкого азота. Затем дымящаяся низкотемпературная жидкость переливается из стаканчика в пенопластовый резервуар прибора КДН – 8. Жидкий азот по холодопроводу достигает конца канюли. На конце размером 2х2 мм нет тепловой изоляции, поэтому образуется "ледяной шар" диаметром 8 мм. Криогенная температура воздействует на больные мозговые клетки. Возникающие ледяные кристаллики разрывают и разрушают их, мелкие кровеносные сосуды закупориваются. В то же время здоровые структуры сохраняются. Размеры очага воздействия зависят от количества жидкого азота. Важно отметить, что жидкий азот не повреждает мозговых тканей, через которые прошел криоинструмент – ведь канюля снаружи имеет совершенную теплоизоляцию. Инструмент остается теплым, когда на его активном наконечнике 77 К. "Ледяной шар" быстро тает, канюля вынимается, костяной кусочек ставиться на место, накладываются швы. Средняя продолжительность операции
– 2 ч. Масса погибших клеток со временем рассасывается, на этом месте образуется полость. Созданы отечественные криоинструменты для деструкции (разрушения) опухолей головы и шеи, конструкция которых позволяет (после введения в заданную область) их поворот для увеличения сферы воздействия на пораженные ткани. Удаление опухолей производится бескровно. Низкие температуры используются и при удалении миндалин. Инструмент . криодеструктор ) по конструкции и принципу действия схож с криоинструментом, используемым при нейрохирургических операциях. В Нижегородской (Горьковской) областной больнице им. Н.А.Семашко разработана стационарная автоматическая установка "Пингвин" для лечения заболеваний уха, горла, носа. В установке применяется сжиженный газ под давлением. Активная часть криоинструмента охлаждается до температуры 113 К. Криолечение используется для остановки кровотечений из уха, горла, носа, удаления полипов и т.п. Криолечение применяют и в офтальмологии. Низкие температуры, например, используются при проведении операции экстракции хрусталика: активная часть криоэкстрактора подводится к помутневшему хрусталику, который мгновенно примораживается к его наконечнику, затем извлекается. Криоэкстрактор используется также при извлечении из глаза посторонних немагнитных тел, например, осколков стекла. Криогенные температуры используется и в стоматологии, например, для умерщвления зубного нерва. В принципе криогенные температуры могут быть использованы во всех областях медицины. 5.3.2 Использование низких температур для консервирования живых тканей В практической медицине применяют такие методы лечения, как переливания крови, пересадку костного мозга, почек и т.д. Для этих целей, естественно, необходимо иметь запас живых тканей. Такой запас можно иметь при условии возможности их длительного хранения. Известно, что хранение при плюсовых температурах кроветворной ткани (костный мозг) приводит к полному погибанию живых клеток уже на пятнадцатые сутки. Оказалось, что при соответствующем их замораживании до низких температур они могут храниться достаточно долго. Для консервации здоровых живых тканей используют аппараты программного замораживания. Вот как описывается процесс замораживания костного мозга. Для исключения разрушения костной ткани, которое может наступить
при охлаждении из-за замерзании воды, находящейся в клетках и межклеточном пространстве, и образования кристаллов льда, губительно действующих на ткань применяют криопротекторы – защитную среду ( например, поливинилпирролидон ). После обработки криопротектором костный мозг в металлических контейнерах или стеклянных ампулах подвергается двухэтапному замораживанию до температуры жидкого азота. Равномерность охлаждения обеспечивается путем дозированного распыления жидкого азота. Вначале температура снижается со скоростью I градус в минуту, а затем – 10 градусов в минуту. Применяется и ультрабыстрое замораживание со скоростью 4 градуса в секунду. Выбранный режим поддерживается автоматически. Такой способ замораживания костной ткани препятствует ледообразованию и вода без кристаллизации переходит в стекловидное состояние, ткани не разрушаются. Перед трансплантацией костный мозг размораживается по специальной программе. Нормативный срок хранения костного мозга – три года (сохранность 80 – 85% клеток). Замороженный костный мозг можно перевозить на любые расстояния. Консервированные при температуре жидкого азота эритроциты хранятся достаточно долго (по некоторым сведениям более десяти лет). Рассмотрим еще один любопытный случай консервирования живых тканей – консервацию живого человека. Все нижеследующие действия начались после выхода в свет книги преподавателя – американского физика Р.Эттинджера (штат Мичиган) "Перспективы бессмертия", где он писал "Жить можно вечно, если использовать низкие температуры. Надо только хотеть этого". В США было создано "Нью-йоркское криогенное общество". И дело пошло. Первым клиентом на "вечную жизнь" стал семидесятитрехлетний профессор психологии Джеймс Бедфорд, обреченный на смерть от рака легких. Он попросил законсервировать его при низкой температуре в стальной капсуле. Капсула была погружена в жидкий азот. Такой поступок Д.Бедфорда видимо был совершен исходя из следующих соображений. Пройдет сто, двести или больше лет и медицина достигнет таких успехов, что "оттаявший" человек не только будет излечен, но и жить будет вечно. Вслед за Д.Бедфордом еще семь человек были подвержены такой консервации. Есть сведения о том, что в университете города Атланты (США) было заморожено 12 собак. Через два часа они были разморожены. Через полчаса после этого они начали ходить, а через несколько часов принимать пищу. Возможно ли за два часа окончательно заморозить их внутренние органы? Воздействие криогенных температур на отдельные клетки ткани и органы живого организма недостаточно изучены.
Известно, что банки почек, печени, сердца, селезенки, легких и эндокринных желез не созданы из-за того, что их пока сохранять не удается. Установлено, что при воздействии криогенной температуры на живой организм очень часто происходят необратимые процессы на клеточном уровне из-за потери воды, нарушения солевого равновесия, увеличения концентрации электролитов, появления кристаллов льда. Сказалось, что даже при высокой скорости замораживания в жидком азоте охлаждение замораживаемых тел будет происходить недостаточно быстро. Образующийся при этом лед разорвет ткани, а в замерзшей воде организма недопустимо повысится концентрация солей. Скованная глубоким холодом клетка не дышит, не получает питания, не развивается, не делится. Общебиологическая проблема длительной консервации отдельных органов и живых органов при криогенных температурах пока еще далека от разрешения. На сказанного видно, что вероятность оживления законсервированных людей очень низка. Недаром в свое время писали: "Hy и удивится же Берфорд, когда останется покойником".
Список использованных источников 1. Клименко А.П., Новиков Н.В. и др. "Холод в машиностроении" М. "Машиностроение" 1977г., 192с. 2. Патрунов Ф. "Холод и техника" "Московский рабочий" 1981г., 190с. 3. Осипьян Ю.А. "Шипы и розы сверхпроводимости" Международный ежегодник "Гипотезы прогнозы" Будущее науки №22, 1989г. М. "Знание" с. 63-80. 4. Бурдун Г.Д. "Справочник по международной системе единиц" "Издательство стандартов" М. 1972г. 231с. 5. Большая Советская Энциклопедия 3 издание т. 8,15,25,28 6. Физический энциклопедический словарь М. "Советская энциклопедия" 1983г.
6. Гидрорезание биологических тканей
конструкционных
материалов
и
6.1 Краткие сведения Применение энергии движущегося потока жидкости в технике достаточно изучено. Например, гидромеханизация земляных, горных и др. работ, очистка поверхностей изделий. Подобная технология в трансформированном виде более уверенно проникает и в область машиностроения, которую принято называть струйной обработкой материалов или гидрорезанием. Это новое слово в технологии обработки материалов предусматривает качественно иной подход к процессу резания: естественной жидкой средой обрабатывать машиностроительные материалы различной твёрдости искусственного происхождения. Технология гидрорезания (в рамках применяемости) предусматривает отход от традиционных методов обработки металлов, когда формообразование деталей сопряжено с резанием металлов металлами, почти исчерпавшим свои возможности. Она позволяет вырезать детали со сложными профилями без дополнительной обработки поверхности реза и достаточно высокой производительностью. В этом случае эффект резания достигается за счёт концентрации высокого уровня энергии в струе жидкости, исходящей под большим давлением (до 500 и более МПа) из сопла малого диаметра (доли миллиметра) с высокой скоростью, превышающей скорость звука. При этом расстояние от среза сопла до поверхности материала составляет несколько миллиметров, и плотность давления струи превышает прочность материала. Гидрорезание материалов производится двумя способами, которые отличаются отсутствием (жидкостное) или наличием абразива в среде рабочей жидкости (абразивно-жидкостное). Ввод абразива в струю увеличивает её технологические возможности за счёт увеличения режущей способности жидкостно-абразивной суспензии. При добавлении в воду измельчённой окиси кремния или других абразивных веществ можно разрезать твёрдые и прочные материалы значительной толщины. По некоторым данным: титановые сплавы до 30 мм со скоростью 40 мм/мин., бетон толщиной 250 мм со скоростью 25 мм/мин. Струёй воды без примеси абразива обрабатываются такие материалы, как текстиль, различные пластмассы, картон и т.п. со скоростью резания (в зависимости от толщины материала) от мм/мин. до м/мин. Кроме того, режущие свойства высоконапорной струи при жидкостном резании могут быть повышены путём подвода к струйной головке хладаген-
та, способствующего образованию в струе льдинок, придающих ей абразивные свойства. При абразивно-жидкостном резании материалов подвод хладагента также усиливает режущие свойства струи. При этом необходимо учитывать и направление воздействия струи на материал. Угол между направлением струи и обрабатываемой поверхностью – угол атаки – влияет на характер выполнения операций и производительность обработки: изменение этого угла от 00 до 900 при резании металлов приводит к улучшению режущих свойств струи, достигая своего максимального значения при угле 900. Важнейшие преимущества рассматриваемой технологии перед другими видами обработки следующие: отсутствие нагрева разрезаемых заготовок, что исключает термические напряжения и деформации обрабатываемого материала, не появляются вредные испарения и газы, присущие другим видам резания при обработке пластмасс, композиционных материалов и т.п., нет запылённости. К недостаткам гидрорезания относят: конструктивные трудности, возникающие при создании высокого давления жидкости, невысокая стойкость сопла и сложность его изготовления. Разработка технологии обработки машиностроительных материалов высоконапорной струёй воды была выполнена в 1960г. в США. Оборудование для реализации этой технологии появилось в 1971г., а абразивной суспензией в 1984г. Эффективность и экономичность гидрорезания различных материалов зависят от выбора оптимальных параметров процесса обработки: давления жидкости, диаметра сопла, расстояния от среза сопла до обрабатываемой поверхности, скорости взаимного перемещения режущей струи и заготовки. Преимущества гидрорезания, по сравнению с другими процессами разделения материалов, позволяют рассматривать их как перспективную технологию будущего не только в промышленности, но и для других областей человеческой деятельности. Это техническое достижение и навело на мысль о разделении биологических тканей не металлическими инструментами, а высоконапорной струёй жидкости, которая может оказаться наиболее подходящей для ведения подобных работ из-за естественного происхождения режущего инструмента. 6.2 Гидрорезание материалов в машиностроении В основу гидрорезания материалов положен своеобразный режущий инструмент – определённым образом сформированная высоконапорная тонкая струя жидкости. Жидкой средой, используемой в машинах для гидрорезания, в основном, является вода. В рассматриваемый период развития техники и технологий гидрорезание и лазерная резка машиностроительных материалов имеют
одну область применения и являются конкурирующими технологиями. В том и другом случаях режущий инструмент формируется в самой машине за счёт конструктивных особенностей соответствующих узлов, а затем, транспортируясь по энергетическому каналу или трубопроводам, подходит к узлу, где происходит его окончательное формирование. При применении обеих технологий отпадает необходимость в хранении, заточке и перестановке рабочего инструмента. При лазерной и гидрорезке материалов инструмент постоянно обновляется за счёт непрерывности его образования во времени. Установлено, что высоконапорная струя жидкости, встречаясь с обрабатываемой поверхностью на высокой скорости, деформируется и, в определённой мере, разрушаясь, отражается. Частичное отражение лазерного луча в процессе обработки материалов также закономерное явление. Не углубляясь в анализ достоинств и недостатков этих технологий, необходимо отметить, что лазерное излучение является широкоуниверсальным инструментом (резка, маркировка, упрочнение и т.п.), хотя и область применения высоконапорной струи жидкости не ограничивается только гидрорезанием. Например, в литературе описано упрочнение труднодоступных поверхностей сложной формы импульсными струями жидкости (ИСЖ). Рабочая жидкость имеет давление 180—360 МПа и выбрасывается из сопла со скоростью 150—700 м/с. Возможна и замена лазерного излучения струёй высоконапорной жидкости для контурной резки материалов на таких установках как Лазерпресс. Некоторым преимуществом гидрорезания перед лазерной резкой является отсутствие области термовлияния на кромках обработанных деталей, но не всегда это условие является определяющим. Так установлено, что при лазерной резке деталей из конструкционных сталей типа 20 и 30 ХГСА повышается их усталостная прочность и долговечность по сравнению с фрезерованными деталями, а сталь 12Х18Н1ОТ и сплав ОТ-4 имеют более низкие циклические свойства, чем образцы, вырезанные механическим способом. В конечном счёте области применения лазерной и гидротехнологии в машиностроении будут разделены экономическими данными. Однако непреложным фактором является то, что на сегодняшнем уровне развития машиностроения объём применения процесса гидрорезания (в США, Европе, странах АТР) расширяется и он постепенно занимает свою нишу. Рассмотрим некоторые особенности гидроинструмента.
6.2.1 Высоконапорная струя – режущий инструмент
Струя жидкости является незатопляемым режущим инструментом, который не требует замены в процессе работы. Но не всякая жидкостная струя пригодна для резания материалов. При истечении из сопла она должна обладать требуемым строением, геометрическими и гидродинамическими свойствами: давление струи в области контакта с обрабатываемой поверхностью должно быть выше, чем предел прочности материала заготовки.
Рисунок 6.1 - Принципиальная схема сверхзвуковой струи Критерием оценки гидравлических свойств струи и её структуры является компактность струи – способность струи не распадаться при движении и сохранять свою кинетическую энергию на определённом расстоянии от сопла. На рисунке 6.1 показана принципиальная схема сверхзвуковой струи. Из рисунка следует, что внешняя оболочка струи по истечении из сопла начинает расширяться под некоторым углом расходимости “Θ” и имеет неравномерное распределение массы. Струя окружена оболочкой, состоящей из капель жидкости, насыщенных воздухом, являющейся переходной зоной между воздушной и жидкой средами. Во внутренней области струи имеются два участка: начальный “ l н” и основной “ l о”. Начальный участок представляет собой сплошное самофо-
кусирующее ядро (стержень потока жидкости), движение которого соответствует скорости истечения жидкости из сопла. Основной участок имеет значительный размер по длине, и зона его распространения лежит за пределами начального участка. Этот участок характеризуется тем, что в продольном сечении по мере удаления от среза сопла скорость струи и её динамическое давление уменьшаются, а в поперечном сечении давление и скорость резко снижаются от максимума в центре струи до минимума в пограничной зоне. Этот участок имеет плотную внутреннюю структуру. Диаметр его в конечной точке равен нулю. Самый удалённый участок струи от сопла состоит из смеси распавшихся капель жидкости и воздуха. Он не имеет определённой структуры, и его энергетические параметры столь низки, что непригодны для технологических целей. Разделение материалов рекомендуется производить в зоне начального участка струи, расположив поверхность реза в непосредственной близости от среза сопла. Поверхностную обработку материалов (зачистка, полировка и т.п. операции) следует проводить в зоне основного участка струи. На гидродинамические свойства струи, её структуру и компактность оказывают влияние условия потока жидкости в подводящих каналах установок, параметры струйной головки и её сопла. Формирование струи начинается уже в подводящих каналах. Движение потока рабочей жидкости от мультипликатора до сопла по пути, включающему трубопроводы различных конфигураций, каналы устройств распределения и регулирования, сопряжено с неизбежными его возмущениями. Снижение эффекта возмущения струи, подходящей к сопловой головке при жидкостном резании предлагается в определённой мере устранять за счёт (см. рисунок 6.2) расположения перед соплом 5 штуцера 3, имеющих соосные отверстия. При этом рекомендуется соотношение dk/dc брать равным 10—15. Считается, что при l k/dk = 50—80 обеспечивается наибольшая компактность струи. Если же струйные головки имеют короткий подводящий канал, то в её конструкцию вводят успокоитель (см. рисунок 6.3), оставляя перед ним прямолинейный участок со свободным пространством длиной l 1=1,5—3 диаметрам канала. Длины l 2 и l 3 соответственно берутся равными 4—6 и 1,5—3 диаметрам канала.
Рис 6.2 - Сопловая головка со снижением эффекта возмущения струи за счет расположения штуцера 3 перед соплом 5 1 – корпус 2 и 4 – гайка
Рис 6.3 - Струйная головка с успокоителем 1 – корпус 2 – успокоитель 3 – гайка 4 – сопло
Состав рабочей жидкости также влияет на условия гидрорезания. Так введение абразива в высоконапорную струю позволяет повысить эффективность гидрорезания. В этом случае абразив за счёт ударно-царапающего воздействия увеличивает шероховатость контактируемой поверхности и приводит к появлению микротрещин, что способствует облегчению условий резания и повышению производительности обработки. Установлено, что частицы абразива, находящиеся на периферии струи воздействуют на обрабатываемую поверхность с силой в 3—4 раза больше по сравнению с каплями жидкости, имеющих ту же скорость и размеры. При абразивно-жидкостном резании материалов рекомендуются следующие числовые значения и соотношения элементов струйной головки (рисунок 6.4): расстояние от обрабатываемого материала до среза струйной головки – 1—4 мм; расстояние между струеформирующим соплом и отверстием в насадке l – 1,5—3 мм; dH/dc≈10 (dH – диаметр насадки, dc – диаметр струеформирующего сопла).
Рис 6.4 - Абразивно-жидкостная струйная головка 1 – штуцер, 2 – штуцер, 3 – корпус, 4 – втулка, 5 – гайка, 6 – сопло, 7 – насадка Конструктивные особенности струйной головки (взаиморасположение деталей головки, характер их соединения и герметизация), оказывая влияние на гидродинамические характеристики и компактность формируемой струи рабочей жидкости, определяют качество и надёжность её работы. Поэтому совершенствованию конструкции этого узла машин для гидрорезания материалов посвящено множество изобретений, которые рассматриваются ниже. 6.2.2 Конструкции струйных головок Существует множество конструкций струйных головок для гидрорезания материалов, что объективно свидетельствует о многообразии предъявляемых к ним эксплуатационных требований. Одновременно, указанное обстоятельство говорит и об отсутствии их оптимальных конструкций. Исходя из анализа существующих конструкций струйных головок, предложена следующая их классификация: по способу воздействия режущей струи на обрабатываемые материалы. Струйные головки для жидкостного гидрорезания материалов.
Струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов. Жидкостно-абразивные струйные головки. Струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости. Комбинированные сопловые головки. К первой группе относятся струйные головки, предназначенные для работы на высоких давлениях чистой струёй жидкости без использования дополнительных приёмов, увеличивающих производительность процесса гидрорезания. На рисунке 6.5 показаны представители струйных головок, относящиеся к этой группе и имеющие различные конструктивные решения. Вторая группа объединяет струйные головки, снабжённые конструктивными элементами, позволяющими улучшать динамические характеристики режущей струи (см. рисунок 6.6). Третью группу составляют жидкостно-абразивные струйные головки, в которых интенсификация процесса резки материалов осуществляется за счёт ввода абразива в рабочую струю. Наиболее совершенными считаются конструкции со свободным вводом абразива в рабочую струю жидкости с возможно наименьшими нарушениями их гидродинамических характеристик. На рисунке 6.7 представлены различные жидкостно-абразивные головки. В четвёртую группу сведены струйные головки, в конструкцию которых введены каналы для подвода хладагента, предназначенного для придания абразивных свойств рабочей жидкости. Это позволяет усилить режущие возможности струи за счёт образования льдинок в струе и, следовательно, повышения износостойкости соплового отверстия ввиду получения замороженного слоя на его поверхности. На рисунке 6.8 изображены представители этой группы головок. Комбинированные сопловые головки причислены к пятой группе В этих головках применены как хладагент, так и абразив для увеличения эффекта гидрорезания.
Рис 6.5 - Струйные головки для жидкостного гидрорезания материалов (пояснения в тексте)
Рис 6.6 - Струйные головки с улучшенными динамическими характеристиками для жидкостной обработки материалов (пояснения в тексте)
Рис 6.7 - Жидкостно - абразивные струйные головки (пояснения в тексте)
Рис 6.8 - Струйные головки с подводом хладагента с целью охлаждения истекающей жидкости (пояснения в тексте)
Рис 6.9 - Комбинированная сопловая головка (пояснения в тексте) Рассмотрим конструкции первой группы струйных головок, представленных на рисунке 6.5. Они предназначены для работы на высоких давлениях чистой струёй жидкости без использования дополнительных приёмов, увеличивающих производительность процесса гидрорезания. На рисунке 6.5 а показан общий вид устройства, в котором с целью обеспечения равномерного распределения напряжений в стенках сопла и уплотнительной прокладки и повышения надёжности работы устройства предлагаемый сопловой насадок снабжён двухступенчатым цилиндрическим
вкладышем с коническим выступом на конце, расположенным в отверстии уплотнительной прокладки, которая размещена на сопле, и регулировочной шайбой, установленной между торцами держателя и вкладыша, причём вкладыш меньшим диаметром расположен в держателе, а большим – в корпусе. Сопловой насадок содержит корпус 1, смонтированный в нём держатель 2, в котором установлено сопло 3, например, из сапфира, с наружной конической поверхностью и выходным отверстием 4, и уплотнительная прокладка 5 с отверстием 6. Срез сопла 3 расположен в одной плоскости с торцами 7 и 8 держателя 2 и корпуса 1. Насадок снабжён двухступенчатым цилиндрическим вкладышем 9 с коническим выступом 10 на конце, расположенным в отверстии 6 уплотнительной прокладки 5, размещённой на сопле 3, и регулировочной шайбой 11, установленной между торцами держателя 2 и вкладыша 9, причём вкладыш 9 меньшим диаметром расположен в держателе 2, а большим – в корпусе 1. Регулировочная шайба 11 обеспечивает возможность регулировки степени предварительного напряжения уплотнительной прокладки 5 в пределах 7—10 % по толщине, т.к. положение торца сопла 3 по высоте устройства в осевом направлении является неопределённым из-за посадки “на конус” в держатель 2. Деформация возникает при присоединении насадка к трубопроводу высокого давления за счёт смещения по оси насадка двухступенчатого вкладыша 9 в сторону сопла 3, при этом конический выступ 10 также деформирует прокладку 5, но в радиальном направлении. Устройство работает следующим образом. При подаче в насадок рабочей жидкости под давлением предварительно сжатая по оси за счёт подбора толщины регулировочной шайбы 11 уплотнительная прокладка 5 радиально деформируется жидкостью, равномерно нагружая торец сопла 3, т.к. условия деформации её аналогичны условию объёмно напряжённого состояния или трёхосному нагружению материала. Центральный конический выступ 10 на малой ступени двухступенчатого вкладыша 9 удерживает открытым канал, ведущий в полость сопла 3. Сопло 3, опираясь конической поверхностью на держатель 2, имеет условия псевдогидравлической поддержки, т.е. равномерно нагружено сжимающими его силами и удерживается в держателе 2 реакцией стенок его конической полости. Рабочая жидкость истекает под действием высокого давления через канал в сопле. Изобретение позволяет применять его для разделения различных материалов с помощью сопла с диаметром выходного отверстия 50—150 мкм путём размещения торца сопла в плоскости торцов держателя и корпуса, при этом обеспечивается возможность регулировки степени предварительного сжатия уплотнительной прокладки в пределах 7—10 % по толщине, достигается равномерное распределение напряжений в материалах сопла и уплотнительной прокладки от сил, возникающих при высоких гидравлических давлениях рабочей жидкости, а также обеспечивается возможность получения тех-
нологически простой и надёжной в работе регулируемой конструкции торцового уплотнения сопла при высоких гидравлических давлениях. Показанное на рисунке 6.5 б устройство по технической сущности и достигнутому результату наиболее близко к вышеописанной головке (см. рисунок 6.5 а). С целью упрощения конструкции и улучшения эксплуатационных характеристик (лёгкость замены сопла) предложена даннаяЭто конструкция. достигается тем, что в сопле для получения режущей струи жидкости, содержащем штуцер с закреплённым на нём держателем, в котором установлен вкладыш с наружной конической поверхностью и выходным отверстием, лежащим в одной плоскости с торцом держателя, торец штуцера выполнен со сферической поверхностью, контактирующей с торцом вкладыша. На чертеже (рисунок 6.5 б) изображено сопло в разрезе для получения режущей струи жидкости. Оно содержит штуцер 1 с закреплённым на нём держателем 2, в котором установлен вкладыш 3 с наружной конической поверхностью и выходным отверстием, лежащим в одной плоскости с торцом держателя 2. Торец штуцера 1 выполнен со сферической поверхностью, контактирующей с торцом вкладыша 3. Сопло работает следующим образом. Вкладыш 3, изготавливаемый из легированной нержавеющей инструментальной стали или из твёрдого сплава, имеет угол конуса 400. В держателе 2 выполнено соответствующее конусное отверстие, в которое вставляют вкладыш 3. Затем держатель 2 навинчивают на штуцер 1. При завёртывании держателя 2 вкладыш 3 с усилием прижимается к сфере торца штуцера 1, обеспечивая тем самым герметизацию соединения при прохождении по каналу сопла рабочей жидкости высокого давления. В данном устройстве уплотнение между штуцером 1 и вкладышем 3 с помощью сферы и плоскости происходит по линии, т.е. поверхность соприкосновения уменьшена до минимума. Это даёт возможность обеспечить герметичность соединения практически для любых давлений. Рассмотренное устройство также может быть усовершенствовано. Так, считают, что предыдущее устройство имеет следующие недостатки, мешающие применению вкладышей из твёрдых, но хрупких материалов, таких как сапфир, рубин или кварц: при непосредственном прижимании вкладыша к сфере штуцера приходится тщательно соразмерять усилие при затягивании держателя на штуцере, чтобы, создавая герметичность соединения, избежать раздавливания вкладыша сферой; сфера штуцера, к которой прижимается вкладыш при навинчивании держателя быстро истирается, и, следовательно, нуждается в периодической правке; недостаточная сминаемость сопрягаемых конусных поверхностей вкладыша и стального держателя при поджимании сферой штуцера и давлением рабочей жидкости вынуждает для предотвращения разрушения вкладыша и для обеспечения герметичности соединения точно изготавливать данные поверхности. Поэтому с целью по-
вышения надёжности и долговечности сопла предлагают конструкцию, показанную на рисунке 6.5 в. Указанная цель достигается тем, что сопло для получения режущей струи жидкости, содержащее штуцер со сферическим торцом, закреплённый на штуцере держатель и установленный в нём вкладыш с наружной конической поверхностью и выходным отверстием, снабжено соосно размещённой в держателе и охватывающей вкладыш втулкой из материала, более мягкого по сравнению с материалом держателя и вкладыша, установленной заподлицо с торцом вкладыша и контактирующей другим торцом со сферическим торцом штуцера, расположенным с зазором относительно обращённого к нему торца вкладыша. На рисунке 6.5 в схематически изображён общий вид сопла для получения режущей струи жидкости. Сопло содержит штуцер 1 со сферическим торцом 2, закреплённый на штуцере 1 держатель 3, в котором установлен вкладыш 4 с наружной конической поверхностью и выходным отверстием 5. Кроме того, сопло снабжено соосно размещённой в держателе 3 и охватывающей вкладыш 4 втулкой 6 из материала, более мягкого по сравнению с материалом держателя 3 и вкладыша 4, например, из латуни, установленной заподлицо с торцом вкладыша 4 и контактирующей другим торцом со сферическим торцом 2 штуцера 1, расположенным с зазором относительно обращённого к нему торца вкладыша 4. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Вкладыш 4, изготавливаемый из твёрдого сплава, рубина, сапфира или кварца, и выполненный с конусной наружной поверхностью, с углом 400, вставляется в латунную втулку 6 с образованием зазора между ним и сферическим торцом 2 штуцера 1. Латунная втулка 6 с вкладышем 4 устанавливается в держатель 3 конусной поверхностью, также равной 400. После этого держатель 2 навинчивается на штуцер 1. При этом верхний торец латунной втулки 6 прижимается к сферическому торцу 2 штуцера 1, образовывая зазор между вкладышем 4 и торцом 2, а втулка 6 плотно прилегает к конусной поверхности держателя 3. Герметичное и надёжное уплотнение вкладыша 4 происходит при прохождении через сопло высоконапорной струи жидкости, так как при этом твёрдый вкладыш 4 вдавливается в мягкую латунь втулки 6. Использование предлагаемого изобретения позволяет обеспечить условия техники безопасности при применении вкладышей из хрупких материалов. Для создания герметичности соединения не требуется точного изготовления установленного конуса вкладышей, что уменьшает их себестоимость. При поджимании верхнего торца латунной втулки к сфере штуцера последняя не изнашивается, а кроме того отпадает риск неосторожным движением раздавить вкладыш сферой штуцера. Изготовленное сопло для получения режущей струи жидкости применяется в опытном образце установки для резания высоконапорной струёй
жидкости. Предлагаемое сопло уже в течение полутора лет надёжно выдерживает давление до 4000 кг/см2, что соответствует максимальным возможностям для имеющегося на предприятии опытного образца гидрорезательной установки. На рисунке 6.5 г показана конструкция, изобретённая с целью повышения надёжности сопла в работе. Сопло содержит подводящий штуцер 1 с плоским торцом 2, закреплённый на штуцере 1 держатель 3 с расточкой 4. В расточке 4 держателя 3 установлен сопловый вкладыш 5 из сапфира, нажимная втулка 6 с радиальным каналом 7, уплотнитель держателя в виде резинового кольца 8 и коническая вставка 9 с осевым отверстием 10 и с цилиндрическим выступом 11, диаметр которого меньше диаметра соплового вкладыша 5, размещённого в расточке 12 втулки 6. Уплотнитель вкладыша 5 выполнен в виде плёночного покрытия 13 на торце выступа 11 конической вставки 9, выполненной из более мягкого материала, чем держатель 3 и вкладыш 5. Плёночное покрытие 13 выполнено из эластичного материала, например фторопласта или эластичного клея. Угол конусности вставки 9 составляет 600. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. При подаче жидкости в сопло под высоким давлением резиновое кольцо 8 деформируется и герметизирует винтовое соединение штуцера с держателем. Наличие радиального канала 7 во втулке 6 обеспечивает проход жидкости в зазор между втулкой 6 и держателем 3 и уравновешивает давление жидкости, воздействующее на сопловый вкладыш изнутри. Сформированная сопловым вкладышем струя жидкости проходит через отверстие 10 конической вставки 9 и направляется на обрабатываемый материал. Установка в держателе конической вставки с цилиндрическим выступом упрощает обработку опорной поверхности, контактирующей через плёночное покрытие с вкладышем, выполненным из износостойкого, но хрупкого материала, каким является сапфир. Выполнение уплотнителя вкладыша в виде плёночного покрытия из эластичного материала, например фторопласта или эластичного клея, обеспечивает необходимую герметизацию и выравнивает давление на поверхности вкладыша. Размещение вкладыша в расточке втулки упрощает его центровку. Выполнение цилиндрического выступа у конической вставки с диаметром, меньшим диаметра вкладыша, исключает образование в нём вмятин от вкладыша и возможность перекоса при смещении вкладыша. Предлагаемое изобретение обладает высокой надёжностью в работе и позволяет производить резку материалов струёй жидкости под давлением до 300 МПа. Одним из недостатков этой конструкции является удаление от поверхности обработки среза соплового вкладыша 5 элементом 9 в держателе 3, ограничивающим её технологические возможности.
Исходя из того, что недостатком сопла (рисунок 6.5 б) является необходимость высокоточной обработки держателя штуцера, вкладыша, т.к. незначительное отклонение оси конических поверхностей держателя и вкладыша от оси штуцера приведёт к разгерметизации устройства, автором изобретения предлагается конструкция сопла, показанная на рисунке 6.5 д. Целью изобретения является повышение надёжности в работе устройства. Указанная цель достигается тем, что в сопле для получения режущей струи жидкости, содержащем подводящий штуцер, закреплённый на нём держатель с конусообразным гнездом и размещённый в последнем выходным торцом вкладыш с сопловым отверстием, выходной торец вкладыша выполнен сферическим. Кроме того, подводящий штуцер выполнен с конусообразным гнездом, а входной торец вкладыша выполнен сферическим и размещён в последнем. На фиг. 1 изображено сопло для получения режущей струи жидкости, общий вид (вкладыш со сферическим выходным торцом); на фиг. 2 – то же, вкладыш со сферическим входным и выходным торцами. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит подводящий штуцер 1, закреплённый на нём держатель 2 с конусообразным гнездом 3 и размещённым в гнезде 3 выходным торцом вкладыш 4 с сопловым отверстием 5. Выходной торец вкладыша 4 выполнен сферическим. Штуцер 1 выполнен с конусообразным гнездом 6, а входной торец вкладыша 4 выполнен сферическим и размещён в последнем. Сопло работает следующим образом. При завёртывании держателя 2 происходит самоустановка вкладыша 4 относительно конических поверхностей гнезд 3 и 6 при этом вкладыш 4, прижимаясь с усилием к коническим поверхностям гнезд 3 и6, обеспечивает герметизацию вкладыша 4 при прохождении рабочей жидкости через подводящий штуцер 1 в сопловое отверстие 5 вкладыша 4. Такое уплотнение штуцера1, держателя 2 и вкладыша 4 с помощью сферы и плоскости происходит по линии, т.е. поверхность соприкосновения уменьшена до минимума, что обеспечивает надёжную герметизацию соединения и уменьшает требования к точности изготовления вкладыша, держателя и штуцера. Снижение требований к точности изготовления сопла сокращает срок изготовления сопл и снижает их стоимость. Ниже приводится (рисунок 6.5 е, фиг. 1, 2, 3) конструкция, в которой авторы изобретения предлагают вариант по герметизации вкладыша с сопловым отверстием. Цель изобретения – повышение надёжности и эффективности работы сопловой головки. На фиг. 1 представлено устройство, общий вид; на фиг. 2 – шайба, вид с торца; на фиг. 3 – вариант выполнения уплотнительного элемента. Сопловая головка для получения высоконапорной струи жидкости содержит составной корпус 1, с каналом 2 для подвода жидкости и выполнен-
ным на торце цилиндрическим гнездом 3. В гнезде 3 корпуса установлен вкладыш 4 с сопловым отверстием 5, выполненным из материала, обеспечивающего получение гладкой поверхности соплового отверстия и обладающего высокой износостойкостью, например из ситаллов, кварцевого песка и т.п. Составные части корпуса 1 соединены, например, при помощи резьбы. В корпусе 1 выполнено гнездо 6, в котором расположен выходной торец вкладыша 4 и уплотнительный элемент 7, размещённое между торцовой поверхностью вкладыша и держателем. В качестве уплотнения может быть использована притёртая к поверхности корпуса торцовая поверхность вкладыша 4. Между стенкой гнезда 3 корпуса 1 и вкладышем 4 по всей его длине выполнена замкнутая кольцевая полость 8. Для герметичности соединения между составными частями корпуса расположено уплотнение 9. Между торцами вкладыша 4 и гнезда 3 установлена шайба 10, в которой выполнены радиальные каналы 11, расположенные на торце шайбы 10, обращённом к вкладышу 4. Через каналы 11 шайбы 10 кольцевая полость 8 сообщается с каналом 2 для подвода жидкости. Сопловая головка работает следующим образом. Вкладыш 4, изготовленный из ситалла, кварцевого стекла или другого аналогичного материала, размещают в гнезде 3 корпуса 1. При подаче в сопловое отверстие 5 вкладыша 4 рабочей жидкости под давлением через канал 2 корпуса 1 жидкость через каналы 11 в шайбе 10 поступает в кольцевую полость 8, равномерно нагружая торец и наружную поверхность вкладыша сжимающими его силами. Рабочая жидкость истекает под действием высокого давления через сопловое отверстие 5 во вкладыше 4, при этом достигается равномерное распределение напряжений в стенках вкладыша от сил, возникающих при высоких гидравлических давлениях рабочей жидкости. Устройство рассчитано на работу при давлении рабочей жидкости до 650 кг/см2. Полная разгрузка вкладыша от давления высоконапорной струи жидкости в заявленной сопловой головке позволяет использовать для изготовления вкладыша менее прочные и более дешёвые материалы, например ситаллы, кварцевое стекло и т.п., что существенно снизит себестоимость изделия. При этом величина давления рабочей среды не ограничивается прочностью вкладыша и может быть повышена до любого требуемого значения. Разрушения вкладыша при повышении давления не произойдёт, т.к. давление на внутреннюю поверхность вкладыша будет полностью уравновешиваться давлением на его наружную поверхность. Ниже дана конструкция, предусматривающая повышение качества реза и срока службы сопла. Это достигается тем, что предлагаемое устройство снабжено трубчатым стеклянным капилляром и трубчатой прокладкой из эластичного мате-
риала, при этом выходной канал выполнен в капилляре, который закреплён в корпусе через прокладку. На рисунке 6.5 ж изображено предлагаемое устройство для отрезки режущей струёй жидкости высокого давления. Устройство содержит стеклянный капилляр, имеющий утянутый конец 2 и закреплённый в металлическом корпусе 3 сужающимся на выходе отверстием 4. Корпус 3 имеет кольцевой выступ 5 для подключения сопла к гидросистеме. Трубчатая эластичная прокладка 6 исключает протекание жидкости между корпусом 3 и капилляром 1 и хрупкое разрушение последнего от соприкосновения с металлическим корпусом при подаче в капилляр жидкости под высоким давлением. Прокладка 5 выполнена сплошной и имеет выступающие концы с обеих сторон корпуса 3, что исключает повреждение капилляра при сборке сопла. Капилляр 1 закреплён в корпусе 3 запрессовкой, что создаёт сжимающие напряжения, которые компенсируют растягивающие напряжения, возникающие от давления рабочей жидкости. Сопло обеспечивает получение компактной не распыляющейся струи жидкости с высоким режущим действием. Струя может прорезать лакокрасочные и полимерные покрытия толщиной 200-300 мкм при давлении жидкости 300-400 кг/см2. Следующая конструкция показана на рисунке 6.5 з. Целью изобретения является повышение надёжности герметизации, упрощение конструкции, улучшение гидродинамических характеристик струи и повышение производительности. Указанная цель достигается тем, что в сопловом насадке, содержащем штуцер и закреплённый в нём с помощью резьбового соединения держатель с установленным в нём соплом, согласно изобретения, выходной торец штуцера и входной торец сопла выполнены в виде конических сопрягаемых поверхностей. Кроме того, с целью улучшения эксплуатационных характеристик, сопло выполнено с двухступенчатой цилиндрической наружной поверхностью. На рисунке 6.5 з изображён общий вид другой конструкции. Она содержит штуцер 1 и закреплённый на нём с помощью резьбового соединения держатель 2 с установленным на нём соплом 3. Выходной торец штуцера 1 и входной торец сопла 3 выполнены в виде конических сопрягаемых поверхностей. Кроме того, сопло 3 выполнено с двухступенчатой цилиндрической наружной поверхностью и может быть изготовлено из легированной, нержавеющей стали или из твёрдого сплава. Внутренняя поверхность сопла 3 имеет двухступенчатую коническую форму, переходящую в цилиндр. Первая ступень конуса является посадочной и соединяется с конусом на торце штуцера 1. Вторая ступень конуса, переходящая в цилиндр, обеспечивает необходимую гидродинамическую характеристику режущей струи. В держателе 2 выполнены два соосных отверстия, в которые свободно установ-
лено сопло 3. Затем держатель 2 навинчивается на штуцер 1. При завёртывании держателя 2 сопло 3 своей внутренней конической посадочной поверхностью с усилием прижимается к конусу на торце штуцера 1, обеспечивая тем самым герметизацию соединения при прохождении по каналу сопла 3 рабочей жидкости высокого давления. В данном устройстве уплотнение между штуцером 1 и соплом 3 с помощью конических поверхностей малых диаметральных размеров приводит к значительному уменьшению усилия зажима и появлению заклинивающей силы в радиальном направлении по сопряжённым коническим поверхностям при прохождении жидкости высокого давления по каналу (впускному отверстию) штуцера 1. Всё это даёт возможность обеспечить герметичность соединения практически для любых давлений. Обеспечение герметизации зоны высокого давления за счёт жёсткого соединения по коническим поверхностям сопла 3 и штуцера 1 упрощает конструкцию, исключая дополнительные уплотнительные элементы и необходимость изготовления конической посадочной поверхности на торце держателя 2, а также улучшает гидродинамические характеристики струи, повышая тем самым производительность процесса гидрорезания. Таким образом, использование данного изобретения позволяет упростить конструкцию; уменьшить количество соединений каналов высокого давления и площадь соприкосновения по диаметру уплотняемых поверхностей, что повышает надёжность герметизации; улучшить гидродинамические характеристики струи; повысить производительность процесса гидрорезания; упростить технологию изготовления наружной поверхности сопла за счёт замены конической формы на двухступенчатую цилиндрическую; упростить сборку и разборку устройства с уменьшением времени выполнения этих операций, что улучшает эксплуатационные данные. По описанию можно судить, что в данное время рассматриваемая сопловая головка является наиболее рациональной конструкцией, обеспечивающей требуемую подготовку потока жидкости перед выбросом из рабочего отверстия сопла. В других рассмотренных конструкциях этому вопросу должного внимания не уделено. Вторая группа струйных головок, представленных на рисунке 6.6, имеет конструктивные элементы, позволяющие улучшать динамические характеристики режущей струи. На рисунке 6.6 а показана конструкция струйной головки, в которой (в отличие от головок, показанных на рисунке 6.5) рабочая жидкость получает закрутку с одновременным увеличением напора. Описание её конструкции и принципа работ приведено ниже. Целью изобретения является повышение режущих свойств струи и снижения энергозатрат. На рисунке 6.6 а изображено сопло для получения режущей струи жидкости.
Сопло для получения режущей струи жидкости содержит штуцер 1 со сферическим торцом 2 и осевым каналом 3 подачи жидкости. На штуцере 1 закреплён держатель 4. В держателе 4 установлены заподлицо вкладыш 5 с наружной конической поверхностью и выпускным каналом 6 цилиндрической формы с конической входной частью и охватывающая вкладыш 5 втулка 7 из мягкого материала, например латуни. Втулка 7 контактирует торцом 8 со сферическим торцом 2 штуцера 1, расположенного с зазором относительно обращённого к нему торца 9 вкладыша 5. В выходной части канала 3, выполненной в виде сужающегося конуса 10, штуцера 1 установлен завихритель в виде конической сужающейся по ходу движения жидкости пружины 11. Меньшее основание пружины 11 расположено за пределами канала 3 штуцера 1 на торце 9 вкладыша 5, а внутренний диаметр меньшего основания пружины 11 выбран равным диаметру отверстия поперечного сечения входной части канала 6 вкладыша 5 на входном торце. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Вкладыш 5, изготавливаемый из износостойкого материала, например алмаза, эльбора, сапфира, рубина, кварца или твёрдого сплава, и выполненный с конусной наружной поверхностью с углом 400, вставляется в латунную втулку 7. Латунная втулка 7 с вкладышем 5 устанавливается в держатель 4 конусной поверхностью, также равной 400. В канал штуцера 1 устанавливается завихритель, выполненный в виде конической пружины 11, после этого держатель 4 навинчивается на штуцер 1. При этом верхний торец латунной втулки 7 прижимается к сферическому торцу 2 штуцера 1, меньшее основание завихрителя – к обращённому к нему торцу вкладыша 5, а втулка 7 плотно прилегает к конусной поверхности держателя 4. При прохождении высоконапорной струи жидкости через канал 3 штуцера 1 она воздействует завихритель, герметично и надёжно уплотняет вкладыш 5 ко втулке 7. А нижние осаженные витки завихрителя препятствуют попаданию струи в кольцевое пространство между сферическим торцом 2 штуцера 1 и обращённого к нему торца вкладыша 5. Так как при постоянном шаге витков завихрителя проекция осевой линии витков на плоскость, перпендикулярную оси завихрителя, представляет собой Архимедову спираль, то жидкость получает закрутку с одновременным увеличением напора, который влияет на динамические характеристики струи, при этом коническая форма завихрителя создаёт условие получения струи с наибольшей скоростью по оси потока в момент прохождения отверстия вкладыша 5, что также улучшает динамические характеристики режущей струи. Предлагаемое сопло для получения режущей струи жидкости позволяет повысить режущие свойства струи при работе на более низких давлениях жидкости, что снижает энергоёмкость применяемого для создания высоконапорной струи оборудования.
Показанная на рисунке 6.6 б струйная головка позволяет получать подобные результаты, что и первая конструкция, но техническое решение иное. Целью изобретения является повышение режущих свойств струи жидкости. На фиг. 1 изображено сопло для получения режущей струи жидкости, на фиг. 2 – калибр, на фиг. 3 – разрез А-А фиг. 2. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит цилиндрический корпус 1 с осевым каналом 2 подачи жидкости. На торце корпуса 1 установлен калибродержатель 3 с крепёжными винтами 4. В канале 2 корпуса 1 последовательно установлены штуцер 5, втулка 6 и калибр 7. Калибр 7 имеет выпускной канал 8 с конусообразной входной 9 и цилиндрической выходной 10 частями. Конусообразная часть 9 канала 8 выполнена под углом не более половины угла конуса входной части 9 канала 8, а цилиндрическая часть 10 канала 8 смещена относительно плоскости наклона конусообразной входной части 9 канала 8 на величину не более половины его диаметра. Способ для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Жидкость под высоким давлением подаётся по каналу 2 корпуса 1, проходит через канал штуцера 5, втулку 6 и поступает во входную конусообразную часть 9 канала 8, закручивается против часовой стрелки и выходит через цилиндрическую часть 10 канала 8 в виде винтообразно закрученной струи. Закрутка струи жидкости повышает её кинетическую энергию и режущие свойства струи. Использование предлагаемого изобретения позволяет ускорить процесс разрезания материалов. Следующая конструкция струйной головки (см. рисунок 6.6 в) также предназначена для повышения режущих свойств струи рабочей жидкости на основе другого технического решения: втулка 3, имеющая отверстие с определённым соотношением между диаметром и длиной, позволяет увеличить плотность энергии на обрабатываемой поверхности. На фиг. 1 изображено предлагаемое сопло, общий вид, на фиг. 2 – узел 1 на фиг. 1. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит штуцер 1 со сферическим торцом, на котором закреплён держатель 2, соосно размещённую на нём втулку 3 и установленные в последней эластичный элемент 4 и вкладыш 5. Во втулке 3 выполнено отверстие 6 соосно входному отверстию 7 вкладыша 5. Диаметр отверстия 6 во втулке 3 равен dвт=(8—10)dвкл, а длина этого отверстия равна l вт=(40—50)dвкл, где dвкл – диаметр выходного отверстия вкладыша (мм). При диаметрах и длинах отверстия 6 во втулке 3, меньших или больших указанного оптимального интервала размеров периферийная зона струи
жидкости из сопла получается распылённой, что резко снижает режущие свойства струи. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Вкладыш 5, изготовленный из сапфира, рубина или алмаза, вставляют в уплотняющий полиуретановый элемент 4 и устанавливают его во втулке 3 с предварительным натягом. Металлическая втулка 3 с вкладышем 5 устанавливается в держатель 2 и навинчивается на штуцер 1. Жидкость под сверхвысоким давлением проходит через отверстие штуцера 1 внутрь втулки 3, а затем через отверстие 7 вкладыша 5 и отверстие 6 во втулке 3 формируется в высоконапорную режущую струю. Изобретение повышает качество герметизации между вкладышем и втулкой за счёт применения эластичного уплотняющего элемента, который плотно обхватывает вкладыш. А выполнение отверстия во втулке соосно выходному отверстию, равному 8—10 диаметрам выходного отверстия вкладыша и длиной 40—50 диаметров выходного отверстия вкладыша позволило получить эффект “успокоения” струи, т.е. увеличивается энергия высоконапорной струи, приходящаяся на единицу площади за счёт уменьшения факела и соответственно возрастают её режущие свойства. Ниже рассматриваемая конструкция, показанная на рисунке 6.6 г, даёт возможность проводить работы по очистке поверхностей технологического оборудования за счёт повышения эффективности работы сопловой головки. Целью изобретения является повышение эффективности работы сопловой головки за счёт увеличения дальнобойности свободной струи жидкости. На фигуре 1 изображена сопловая головка в разрезе; на фигуре 2 – график зависимости длины струи с постоянным динамическим напором от относительной длины цилиндрической части канала. Сопловая головка содержит корпус 1 цилиндрической формы с буртиком 2 и конической уплотняющей поверхностью 3. В корпусе 1 сопловой головки выполнен канал, состоящий из входного сужающегося в направлении потока жидкости участка 4 с углом конуса 13024’ и выходного цилиндрического участка 5, длина которого выбрана в интервале от пяти до десяти его диаметров. Сопловая головка выполнена из неметаллического материала. Корпус 1 сопловой головки конической поверхностью 3 устанавливается в гнездо 6 и прижимается к нему гайкой 7. Сопловая головка работает следующим образом. Моющая жидкость по трубопроводу 8 подаётся в конический сужающийся входной участок 4 канала корпуса 1 сопловой головки, где образуется неустановившийся турбулентный поток, в котором поперечные скорости частиц жидкости нарастают по мере уменьшения диаметра участка 4. На цилиндрическом участке 5 канала турбулентный поток успокаивается, поперечные скорости его снижаются и достигают минимальных величин на опре-
делённой длине участка 5, соответствующей согласно графику (см. фиг. 2) относительной длине, равной шести диаметрам канала. При этом, длина струи с тем же динамическим напором увеличивается на 70 % по сравнению со струёй, вытекающей из насадка, не имеющего цилиндрической части канала, и на 50 % по сравнению со струёй, вытекающей из насадка, имеющего относительную длину цилиндрической части, равную двум диаметрам канала. Если же найти на кривой точки, соответствующие 5 и 9 диаметрам канала, то окажется, что они лежат примерно на одной линии, где дальнобойность струи отличается от максимальной лишь на 10 %, поэтому в этих пределах может быть выбрана длина цилиндрического участка 5 канала. Струя моющей жидкости, вытекающая из цилиндрического участка 5 сопловой головки, обладает большой дальнобойностью, вследствие чего она эффективно очищает поверхность технологического оборудования и, в частности, поверхность коптильных камер от затвердевших смолистых веществ. На рисунке 6.7 представлена группа абразивно-жидкостных струйных головок, позволяющих интенсифицировать процесс резки материалов. На рисунке 6.7 а показана струйная головка, в которой абразивножидкостная струя окончательно формируется в отверстии 8 сопла 7, что естественно вызывает его ускоренный износ. Устройство для резки струёй жидкости содержит корпус 1, имеющий осевой канал 2 и смесительную камеру 3, в которой выполнены окна 4, являющиеся обрезом каналов 5, служащих для подвода в камеру абразива. В корпусе 1 с помощью гайки 6 закреплено сопло 7, отверстие 8 которого является продолжением камеры 3. Устройство работает следующим образом. Жидкость сверхвысокого давления через осевой канал 2 корпуса 1 попадает в смесительную камеру 3, в которую по каналам 5, выполненным по касательной к поверхности камеры 3 и под острым углом к ней, через окна 4 поступают абразивные частицы из средства подвода абразива. Струя жидкости, смешавшись с абразивом, через сопло 7 попадает на разрезаемое изделие и режет его. Такое расположение каналов 5 создаёт момент вращения струи вокруг оси сопла, что повышает скорость резания и обеспечивает равномерный износ поверхности выходного отверстия сопла 7. На рисунке 6.7 б, в, г, д показаны конструкции абразивно-жидкостных струйных головок, у которых предусмотрен свободный ввод абразива в рабочую струю жидкости сверхзвуковой скорости с возможно наименьшими нарушениями их гидродинамических характеристик. Ниже приведены описания упомянутых головок. На рис 6.7 “б” показан разрез гидрорезака и дано его описание. Цель изобретения – уменьшение габаритов устройства. Корпус 5 гидрорезака 4 имеет цилиндрическую наружную поверхность 6. Коническая смесительная камера 7 сообщается осевым каналом 8 с осевой магистралью 9 воды высокого давления, закреплённой к торцу 10 корпуса 5. Кроме того, наклонные каналы 11 и пересекающиеся с ними каналы 12, па-
раллельные каналу 8, сообщают смесительную камеру 7 с магистралью 13 абразивного песка, также закреплённой к торцу 10 и параллельной магистрали 9. Каналы 11 имеют выходы 14 на наружную цилиндрическую поверхность 6 корпуса 5. Выходы 14 снабжены съёмными заглушками 15, установленными со стороны цилиндрической поверхности 6 заподлицо с ней. В канал 8 встроено струеформирующее сопло 16, из которого истекает высокоскоростная струя 17 воды высокого давления, а в нижней части 18 корпуса 5 встроено абразивное сопло 19, из которого истекает высокоэнергетическая гидроабразивная струя 20. Устройство работает следующим образом. К гидрорезаку 4 по магистрали 9 подаётся вода высокого давления, истекающая из сопла 16 в канале 8 в виде струи 17, которая проходит через смесительную камеру, затем через сопло 19 в нижней части 18 корпуса 5 и соударяется с раскраиваемым материалом. Проходя через камеру 7 со сверхзвуковой скоростью, струя 17 завихряет воздух, находящийся здесь, и уносит его с собой, создавая в камере 7 разрежение. Ближайшие выходы 14 из каналов 11 на наружную поверхность 6 корпуса 5 закрыты заглушками 15, поэтому подсос воздуха в камеру 7 производится через каналы 12, выходящие на торец 10 и магистраль 13. Именно за счёт этого потока воздуха и происходит подача абразивного песка в смесительную камеру 7, где песчинки захватываются струёй 17 и разгоняются ею до высокой скорости, приобретая большую кинетическую энергию и становясь инструментом большой разрушающей (режущей) способности. Высокоэнергетическая гидроабразивная (смешанная) струя 20, истекающая из сопла 19 способна резать даже твёрдые материалы. Заглушки 15 могут сниматься для прочистки засорившихся каналов 11 и смесительной камеры 7. На рисунке 6.7 в показана жидкостно-абразивная эжекторная головка. Изобретение относится к абразивно-жидкостной обработке и может быть использовано для резки материалов высоконапорными абразивножидкостными струями. Цель изобретения – повышение производительности резки высоконапорной абразивно-жидкостной струёй за счёт снижения износа насадка. На фиг. 1 изображена струйно-абразивная эжекторная головка, разрез; на фиг. 2 – узел 1 на фиг. 1. Струйно-абразивная эжекторная головка содержит штуцер 1 с осевым каналом подачи рабочей жидкости, на которой с помощью резьбы наворачивается корпус 2. На выходной конец штуцера 1 с помощью накидной гайки 3 закрепляется калибродержатель 4, а к нижнему торцу корпуса 2 с помощью накидной гайки 5 закрепляется центрирующее эластичное кольцо 6, в отверстие которого установлен насадок 7. С боковой стороны корпуса 2 закрепляется штуцер 8 для подвода абразивной суспензии. Насадок 7 имеет радиальные каналы 9, которые расположены во внутренней полости 10 корпуса 2. В калибродержателе размещён калибр 11 для формирования высоконапорной жидкостной струи, который закрепляется с помощью винта 12.
Струйно-абразивная эжекторная головка работает следующим образом. Перед началом её работы производится настройка соосности истекающей из калибра 11 высоконапорной жидкостной струи с осью насадка 7. При подаче жидкости через внутренний канал штуцера 1 под рабочим давлением порядка 200—500 МПа ослабляют прижим эластичного центрирующего кольца 6 к торцу корпуса 2 с помощью гайки 5 и совмещают визуально ось истекающей струи из калибра 11 с осью насадка 7 путём радиального перемещения кольца 6, которое выполнено с радиальным зазором в накидной гайке 5. После совмещения этих осей закрепляют кольцо 6 гайкой 5. При подаче рабочей жидкости через внутренний канал штуцера 1, калибродержателя 4 и калибра 11 струя попадает в насадок 7. Одновременно по штуцеру 8 поступает абразивная суспензия самотёком за счёт эжекции, которая создаётся во внутренней полости 10 корпуса 2, или под давлением до 0,5 МПа. Абразивная суспензия через радиальное отверстие 9 засасывается в насадок 7, и высоконапорная абразивно-жидкостная струя поступает из него к разрезаемому изделию. Обеспечение предварительной настройки соосности уменьшает износ насадка: за счёт того, что абразивные частицы из высоконапорного абразивножидкостного потока, который протекает по насадку, не касаются стенок его внутреннего канала. Эти абразивные частицы не теряют своей кинетической энергии на износ насадка и с большой производительностью разрезают обрабатываемый материал. На рисунке 6.7 г изображена сопловая головка для резки абразивноводяной струёй. В корпусе 2 последовательно с передней стороны установлены водяное сопло высокого давления 6, внутренний цилиндр 12 и наконечник 9 абразивного сопла. Вода высокого давления поступающая из сопла 6, проходит через водяной канал 11 круглого сечения, выполненный в цилиндре 12, и в виде струи выбрасывается из наконечника 9. В корпусе 2 вокруг цилиндра 12 образована кольцевая камера 10 для абразивной суспензии. В камеру 10 выходит канал 13 для подвода этой суспензии. В цилиндре 12 со сдвигом по окружности выполнены отверстия 14 для подвода абразивного раствора. Через эти отверстия камера 10 сообщается с водяным каналом высокого давления 11. Отверстия 14 выходят в канал 11 по касательной. Сопло для гидроабразивной резки показано на рисунке 6.7 д. Воду под высоким давлением подают через питающую трубу 70 и отверстие 36 в наконечнике 40. При этом струя воды проходит через смесительную камеру 35, в результате чего в зоне 34, которая сообщается с камерой распыления 51 создаётся вакуум. Камера 51 сообщается через каналы 33 с камерой 50, в которую через трубу 60 подают абразивный порошок. При падении из камеры 50 в камеру 51 масса порошка разрыхляется с помощью выступов 32, в результате чего происходит равномерное смешивание порошка с потоком воды. Конструкция сопла повышает срок службы смесительной камеры вследствие уменьшения неравномерного износа.
Рассмотрим (рисунок 6.8) группу жидкостных сопловых головок с каналами для подачи хладагента, предназначенного приданию рабочей струе абразивных свойств за счёт образования льда и повышения износостойкости сопла за счёт получения замороженного слоя жидкости. Ниже описаны показанные на рисунке 6.8 конструкции подобных жидкостных струйных головок. Целью изобретения является повышение долговечности сопла для получения режущей струи жидкости (см. рисунок 6.8 а). Поставленная цель достигается тем, что в сопле для получения режущей струи жидкости, содержащем штуцер со сферическим торцом, закреплённый на штуцере держатель и установленный в нём соосно со штуцером вкладыш с наружной конической поверхностью и выходным отверстием, меньшее основание которого расположено в одной плоскости с торцом держателя, в держателе соосно со штуцером выполнена цилиндрическая полость, соединённая посредством канала, выполненного в держателе, с источником хладагента. На фигуре 1 изображено сопло для получения режущей струи жидкости, на фиг. 2 – разрез А-А на фиуре. 1. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит штуцер 1 со сферическим торцом, закреплённый на штуцере 1 держатель 2 и установленный в нём вкладыш 3 с наружной конической поверхностью и выходным отверстием 4. В держателе 2 соосно штуцеру 1 выполнена цилиндрическая полость 5 с диаметром, большим диаметра среднего участка вкладыша 3, соединённая посредством канала 6, выполненного также в держателе 2, с источником хладагента (не показан). Вкладыш 3 выполнен из материала с повышенной теплопроводностью, например, медь, алюминий. В качестве хладагента могут быть использованы углекислота или жидкий азот. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Перед подачей жидкости в штуцер 1 через канал 6 в цилиндрическую расточку 5 подаётся хладагент, который омывает вкладыш 3 и охлаждает его до температуры ниже 00С. Затем через штуцер 1 подаётся высоконапорный поток жидкости, который, проходя через охлаждённый вкладыш 3, образует на его стенках слой замёрзшей жидкости. Так как вкладыш 3 непрерывно охлаждается хладагентом, то разрушающийся вследствие воздействия на него высоконапорного потока слой замёрзшей жидкости постоянно восполняется, тем самым предохраняет от разрушения сам вкладыш 3 и, следовательно, повышает долговечность работы сопла. По сравнению с базовым объектом, в качестве которого принят прототип, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить долговечность сопла для получения режущей струи жидкости.
Цель изобретения – повышение износостойкости сопла путём интенсификации процесса образования по внутренней поверхности вкладыша слоя замороженной жидкости (см. рисунок 6.8 б). Указанная цель достигается тем, что в сопле для получения режущей струи жидкости, вкладыш выполнен из пористой металлокерамики с покрытием внутренней поверхности из высокотеплопроводного металла. При этом вкладыш выполнен из пористой бронзы с покрытием внутренней поверхности из меди. Пористая бронза и медь имеют близкие по величине коэффициента объёмного расширения и обеспечивают необходимую механическую устойчивость вкладышу. Наличие во вкладыше открытых пор увеличивает поверхность теплообмена, что повышает теплопроводность вкладыша и интенсифицирует процесс образования слоя замороженной жидкости на внутренней поверхности вкладыша. Выполнение вкладыша с покрытием внутренней поверхности из меди обеспечивает необходимую герметичность вкладыша и его соединения со штуцером. Повышение теплопроводности вкладыша также достигается возможностью выполнения медного покрытия с малой толщиной. На чертеже изображено сопло для получения режущей струи жидкости. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит штуцер 1 со сферическим торцом 2, закреплённый на штуцере 1 держатель 3 с соосной штуцеру 1 цилиндрической полостью 4, соединённой посредством канала 5 с источником хладагента (не показан). В полости 4 держателя 3 установлен вкладыш 6 с наружной конической поверхностью и выходным осевым отверстием 7. Вкладыш 6 выполнен из пористой металлокерамики с покрытием 8 внутренней поверхности из высокотеплопроводного металла. В качестве пористой металлокерамики может быть использована пористая бронза с пористостью 50—60 %, с покрытием 8 внутренней поверхности из меди толщиной 0,5—2 мм. В качестве хладагента используют жидкий азот или аммиак. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. Перед подачей жидкости в штуцер 1, в полость 6 по каналу 5 подаётся хладагент, например аммиак или жидкий азот, который омывает вкладыш 6 и охлаждает его ниже 00С. Затем через штуцер 1 подаётся высоконапорный поток жидкости, который, проходя через охлаждённый вкладыш 6 образует на его внутренней поверхности слой замороженной жидкости, защищающей вкладыш 6 от износа. Нагрев вкладыша 6 истекающей жидкостью компенсируется его охлаждением хладагентом, чему способствует пористая структура вкладыша 6 и малая толщина внутреннего покрытия, выполненного из высокотеплопроводного металла.
Данное техническое решение повышает износостойкость сопла и позволяет интенсифицировать процесс резки материалов струёй жидкости. Целью изобретения является повышение эффективности резания путём придания жидкости абразивных свойств за счёт образования льда, при этом долговечность сопла не снижается (см. рисунок 6.8 в). На фиг. 1 этого рисунка изображено сопло для получения режущей струи жидкости; на фиг. 2 – узел 1. Сопло для получения режущей струи жидкости содержит штуцер 1 с осевым каналом 2 подачи жидкости, закреплённый на штуцере 1 держатель 3 с полостью 4, сообщённой с каналом 5 подачи хладагента. В полости 4 установлен соосно штуцеру 1 конический вкладыш 6 с осевым выпускным каналом 7, меньшее основание которого расположено в одной плоскости с торцом держателя 3. Во вкладыше 6 выполнены наклонные к оси сопла каналы 8, сообщающие полость 4 держателя 3 с выходной частью осевого канала вкладыша 6. Вкладыш 6 выполнен из высокотеплопроводного материала, например меди. В качестве хладагента может использоваться жидкий азот, фреон, хладон и т.п. вещества. Для герметизации соединений используются прокладки 9. Сопло для получения режущей струи жидкости работает следующим образом. При подаче хладагента в полость 4 держателя 3 через канал 5 происходит охлаждение вкладыша 6. Поступающая через осевой канал 2 штуцера 1 жидкость намерзает на внутренней поверхности вкладыша 6, образуя защитный слой льда, который предохраняет вкладыш 6 от абразивного износа струёй жидкости. Струя жидкости, проходящая через осевой канал 7, захватывает также хладагент, поступающий по наклонным каналам 8 из полости 4, что приводит к образованию льда в струе жидкости. Изобретение позволяет повысить эффективность резания высоконапорной струёй жидкости за счёт образования в ней частиц льда и обеспечивает высокую износостойкость сопла за счёт образования на его внутренней поверхности ледяного защитного покрытия. Наклонное к оси сопла расположение каналов, сообщающих полость держателя с выпускной частью сопла, обеспечивает эжекционное введение хладагента в сопло и устраняет возможность выхода жидкости в полость держателя. Предлагаемое сопло позволяет интенсивнее производить резание листового материала наиболее эффективным для резания участком выходящей из сопла струи, что обусловлено удалением из конструкции сопла цилиндрического насадка, проходя по которому струя жидкости теряет скорость и напор. Целью изобретения по заявке на патент (см. рисунок 6.8 г) является также охлаждение рабочей жидкости.
Головка отличается центрально расположенной линий 12 подачи струи жидкости на насадке 13, которой укреплено режущее сопло 14. Линию 12 концентрически окружает труба 15 для подвода и отвода сжиженной низкокипящей охлаждающей среды. Трубу 18 концентрически окружает вакуумная изоляция 19 а также заключающий изоляцию 19 водоохлаждаемый кожух 20, 21, 22. На рисунке 6.9 приведена конструкция струйной головки, в которой присутствуют все ранее рассмотренные компоненты, дающие возможность увеличения эффективности процесса гидрорезания. Цель изобретения – повышение производительности и точности обработки устройством для резки струёй жидкости высокого давления. На рисунке 6.9 изображён общий вид устройства для резки струёй жидкости высокого давления. Устройство для резки струей жидкости высокого давления содержит корпус 1, сопло 2 с выходным каналом 3, полое кольцо 4, компрессор 5, вихревую трубку 6 (холодильник) и воздухопровод 7. В сопло 2 подаётся жидкость насосом, обеспечивающим давление истечения струи от 1500 до 7000 атм. В корпус 1 подаётся абразив под низким давлением 0,5 кг/см2 полое кольцо 4 служит для подачи охлаждённого воздуха в направлении струи 8 жидкости. Полое кольцо 4 устанавливается на корпусе 1 со стороны выходного канала 3 и соосно с ним посредством резьбового соединения 9. Чтобы охлаждённый воздух не нагревался проходя через полое кольцо 4, оно выполнено из теплозащитного материала, например текстолита. Воздух из компрессора 5 подаётся через вихревую трубку 6 по воздухопроводу 7 в полость 10, а оттуда через отверстия 11 в стенке 12 в направлении струи жидкости. Воздух от компрессора 5 проходит через вихревую трубку 6, охлаждается ниже 00С и охлаждённым подаётся через полое кольцо 4 в направлении струи жидкости. Устройство работает следующим образом. В сопло 2 подаётся жидкость насосом, обеспечивающим давление истечения струи от 1500 до 7000 атм. В корпусе 1 подаётся абразив, взвешенный в жидкости под низким давлением 0,5 кг/см2. Струя 8 жидкости, проходя через корпус 1, захватывает абразив. Под действием охлаждённого воздуха струя жидкости 8 переходит в твёрдое состояние (замерзает) и в таком твёрдом состоянии воздействует на обрабатываемую деталь. Вмёрзшие в струю абразивные зёрна, входя в контакт с обрабатываемой деталью, производят её разрезку. Выше рассмотренные конструкции сопловых головок для гидрорезания имеют свои преимущества и недостатки, но они все признаны на
уровне изобретений. Выбор типа струйной головки для тех или иных производственных условий производится специалистами исходя из конкретно поставленных задач. 6.2.3. Сопло струйной головки Конструктивные и технологические параметры сопла (форма, размеры и качество поверхности отверстия) оказывают значительное влияние на строение и гидродинамические характеристики струи. Сопло является элементом струйной головки, в котором происходит поджатие потока жидкости и её плавный переход в скоростной напор. Основной задачей оптимизации конструкции сопла является снижение потерь энергии, которые возникают при трении струи о стенки сопла и изменении размеров и формы поперечного сечения струи внутри сопла. Эти потери можно сократить за счёт использования сопла с определённым профилем и низкой шероховатостью стенок его отверстия. Считается, что тип сопла, показанный на рисунке 6.10 и имеющий конический профиль, оканчивающийся цилиндрическим участком, наиболее приемлем как с точки зрения рационального формирования струи, так и технологичности его изготовления.
Рис 6.10 Профиль отверстия сопла Этот тип сопла рекомендован для промышленного использования и его геометрические размеры могут быть рассчитаны в зависимости от конкретных условий применения. В рассмотренных выше струйных головках сопла (в подавляющем большинстве) имеют коническую или коническоцилиндрическую форму, показанную на рисунке 6.10. Высокая точность изготовления геометрических размеров и низкая шероховатость внутренней поверхности отверстия сопла – необходимые условия при их производстве.
6.2.4 Краткие гидрорезания
сведения
о
технологических
параметрах
Как и при любом виде обработки материалов экономичность процесса гидрорезания может быть достигнута за счёт выбора его оптимальных параметров: давление рабочей жидкости, формы и диаметра отверстия сопла, расстояния сопла от разрезаемой поверхности, скорости подачи, числа проходов (количество сопел, приходящихся на единицу длины реза) необходимых для резки материала. Давление жидкости оказывает наибольшее влияние на производительность гидрорезания. Процесс гидрорезания возможен в случае, когда давление струи жидкости на единицу площади поверхности реза превышает предел прочности обрабатываемого материала. При равных условиях дальнейшее повышение давления истекающей струи жидкости (из-за возрастания её кинетической энергии) приведёт к увеличению толщины разрезаемого материала за один проход. Давление рс, а затем и силы Рп, которые создаются струёй рабочей жидкости на поверхности контакта с обрабатываемой заготовкой, можно определить по формулам: рс=(0,5+ε)⋅10-6⋅ρ⋅Vc2, МПа Рп=(0,5+ε)⋅10-6⋅ρ⋅Ψ⋅fc⋅Vc2, Н где: рс – давление струи жидкости на обрабатываемой поверхности материала, ε - коэффициент сжатия струи, зависящий от профиля отверстия сопла (при коноидном профиле ε≈1), ρ - плотность рабочей жидкости, Vc – скорость струи рабочей жидкости, вытекающей из сопла, Ψ - коэффициент, учитывающий эффект растекания струи и изменения скорости струи по мере её удаления от сопла (Ψ=0,92÷0,96) fc – площадь поперечного сечения выходного отверстия сопла. Форма и диаметр выходного отверстия сопла. Они оказывают влияние на качество водяной струи и её компактность. Из формулы (1.2) видно, что при равных условиях работы увеличение fc и, следовательно, диаметра выходного сечения сопла приводит к возрастанию Рп. Это обстоятельство позволяет констатировать, что при заданных условиях работы за счёт увеличения диаметра выходного отверстия сопла можно разрезать и более толстые материалы, но в этом случае площадь контакта струи с металлом возрастает и увеличенная Рп воздействует на большую площадь и давление на единицу площади не изменится. Увеличение диаметра сопла приводит к повышенно-
му расходу рабочей жидкости и, следовательно, к возрастанию энергетических затрат на формирование струи. Обычно наибольший диаметр сопла при резании материалов не превышает 0,3 мм. Изменение диаметра отверстия сопла в меньшую сторону приводит к формированию струи с меньшим диаметром истечения. Высоконапорные струи уменьшенного диаметра при встрече с контактирующей поверхностью подвержены более быстрому распаду. Скорость подачи. Непрерывность любого вида резания материалов связана со скоростью относительного перемещения заготовки и инструмента (струи рабочей жидкости), численное значение которой зависит от свойств обрабатываемого материала. При равных условиях работы снижение скорости подачи приведёт к падению производительности обработки, а её увеличение к сокращению величены энергии приходящей на единицу обрабатываемой поверхности и, следовательно, к уменьшению возможной глубины резания. Формула для окончательного определения силы резания Рр, которая учитывает влияние скорости подачи: Рр=(0,5+ε)⋅10-6⋅ρ⋅Ψ⋅fc⋅Vc2(1-α)2, H где: α=Vn/Vc, Vn – скорость подачи. Дистанция между срезом сопла и поверхностью заготовки. Если учесть, что высоконапорная струя имеет наибольшую кинетическую энергию вблизи среза сопла, то чрезмерное удаление поверхности обработки от сопла может привести к исключению процесса гидрорезания. Число проходов определяется в зависимости от технических возможностей оборудования. При заданных условиях гидрорезание толстых материалов можно проводить за несколько проходов. Обеспечение производительной работы при гидрорезании возможно при оптимизации величин указанных параметров. Для более полного восприятия технологических возможностей гидрорезания ниже дана таблица сравнительных параметров термических и высоконапорного абразивно-водяного струйного резания металлов. Таблица 6.1 - Параметры термических и высоконапорного абразивноводяного струйного резания металлов Материал
Толщина Скорость резания в мм/мин в мм
Сталь углеродистая Сталь коррозионностойкая Алюминий
Плазма (500 А)
Лазер (1500 Вт)
5 20
4500 2000
2 40
600 500
2 40 130
2200 не режет 6000 не режет 1000 не режет то же 6000 не режет то же
Титан
1 30
6000 1200 не режет 6000 2000
Медь
5
2000
Абразивноводяная струя (3,5⋅108 Па) 200 50 450 15 800 80 10 850 45 300
6.2.5 Оборудование для гидрорезания Реализация новых технологических процессов возможна только при соответствующем оборудовании. Естественно перспективная технология резки материалов высоконапорной струёй жидкости инициировала и появление станков (устройств) для гидрорезания листовых материалов. В этих станках (устройствах) формообразование деталей может быть осуществлено: • перемещением заготовки относительно неподвижной режущей струи; • взаимным перемещением заготовки и струи; • перемещением струи относительно неподвижной заготовки. В первом случае заготовка укладывается на крестовом координатном столе и перемещается относительно режущей струи, которая совместно со струйной головкой может установочно перемещаться по отношению к обрабатываемой поверхности. Во втором случае заготовка перемещается с рабочим столом, двигающимся по одной координате, а струйная головка, имеющая возможность установочного перемещения относительно поверхности заготовки, по второй координате по порталу. В третьем случае струйная головка перемещается по обеим координатам (относительно неподвижного рабочего стола с заготовкой) совместно с порталом вдоль стола и по порталу поперёк его. В этом случае также возможно перемещение струйной головки роботом. Если учесть, что лазерная обработка материалов проводится с применением координатных столов (крестовых, портальных), осуществляющими описанные движения, то они же могут быть использованы для гидрорезания материалов путём замены лазерной фокусирующей головки на высоконапорную струйную. В этом случае излучатель и энергетический канал лазерных установок заменяются соответствующими узлами, присущими для гидрорезания. При развитии этой технологии и надлежащем подходе к решению возникающих при этом задач возможно создание многокоординатного оборудования для обработки объёмных деталей и установок для ручной обработки материалов. По мере развития гидрорезания подобно лазерным технологическим системам (ЛТС) появляются и технологические системы для гидрорезания (ТСГ). В общем случае станки для гидрорезания состоят из гидроузлов низкого и высокого давления, в котором давление жидкости повышается до уровня, требуемого для резания материалов; систем транспортировки жидкости высокого давления к струйной головке; координатного стола с ЧПУ; узла дозирования абразива; элементов регулировки и приёмника (уловителя) отработавшей струи жидкости.
Высокое давление жидкости создаётся насосами высокого давления или мультипликаторами, приводимыми в действие насосами низкого давления. При этом выходное давление жидкости увеличивается по отношению к входному в соотношении от 10:1 до 20:1 и выше. Для равномерного истечения жидкости из сопла с постоянной скоростью и давлением в систему подключается ресивер или аккумулятор жидкости высокого давления, предназначенные для сглаживания пульсации давления, возникающих при работе насоса высокого давления или во время реверса поршней мультипликатора. Рассмотрим конструктивные особенности некоторых станков (установок), предназначенных для осуществления процесса гидрорезания. При их описании цифровые обозначения элементов конструкций, нанесённых на рисунках, пояснены в соответствующих текстах. По заданию ГКНТ СССР в ЭНИМСе в сотрудничестве с НИАТом и Савеловским НПО “Прогресс” создана установка для гидрорезания плоских машиностроительных материалов сложной конфигурации в плане (см. рисунок 6.11. а – общий вид, б – гидросхема установки)
Рис 6.11 Установка для гидрорезания плоских машиностроительных материалов (пояснения в тексте) Из рисунка 6.11 б видно, что принципиальная гидросхема этой установки подобна ранее рассмотренным схемам. Естественно, и принцип работы системы формирования высоконапорной режущей струй у них схожи. Так и здесь масло из бака 1 под давлением 20 МПа, создаваемым регулируемым аксиально-поршневым насосом, через гидрораспределитель 2 подаётся в полости низкого давления мультипликатора 5 “масло-вода”, расположенного в агрегате высокого давления 3 устройства. В состав агрегата 3 входят также система обратных клапанов 4, ресивер 6 и отсечной клапан 7.
Вода, подаваемая из бака 11, проходя через фильтр, под некоторым давлением подаётся в соответствующие полости цилиндров высокого давления мультипликатора. Оттуда высоконапорная жидкость через ресивер 6 и отсечной клапан 7 поступает к соплу 8 и направляется на обрабатываемую поверхность листа. После разрезки заготовки 9, оставшаяся энергия струи гасится в уловителе 10 и оттуда перетекает в агрегат подготовки воды 11. Струйная головка относительно заготовки перемещается при помощи широкодиапазонных цифровых электрогидравлических приводов типа Г69-8 (ШЭГП разработки ЭНИМС) по заданной программе. Краткие технические характеристики установки: Давление в системе высокого давления, МПа
до 480
Диаметр сопла струйной головки, мм
0,1 ÷ 0,5
Максимальная скорость движения сопловой головки, м/мин
60
Дискретность перемещения, мм
0,01
Мощность приводного электродвигателя, кВт
30
Ширина реза струёй воды, мм
0,1 ÷ 0,3
Размеры стола, мм
500 × 1000
На рисунке 6.12 показана установка, предназначенная для резки материалов высоконапорной струёй воды.
Рис 6.12 Установка для гндрорезания с охлаждением рабочей жидкости (пояснения в тексте)
Отличительной особенностью этой установки является введение в её конструкцию узла охлаждения рабочей жидкости 7, которое позволяет придать струе абразивные свойства за счёт образования льдинок. Гидросхема её типовая: масло из бака 1 нагнетается в полость низкого давления мультипликатора 4 через распределитель 3 насосом 2. Вода из бака 5 подаётся в соответствующие цилиндры высокого давления мультипликатора 4. По трубопроводам высокого давления 6, охлаждаясь в охладителе 7, высоконапорная струя жидкости подаётся к струйной головке 11. Для обеспечения гибкости трубопровода высокого давления в его конструкцию введены шарниры 10. Истечение воды из сопла происходит при давлении 100-350 МПа. Для повышения интенсивности снятия материала при одновременном уменьшении затрат на техническое обслуживание воду перед выходом из сопла изобарически охлаждают до (-10)-(-20)оС с целью образования ледяных кристаллов. При данных условиях вода остаётся в жидком состоянии и только при выходе из сопла часть воды кристаллизуется в лёд, вследствие чего сопло не подвергается абразивному воздействию кристаллов льда. Оборудование для струйной обработки материалов изготавливается в странах Европы, Америки и потребляется во многих странах мира. Ниже приведена таблица 6.2 основных технических характеристик установок для струйной обработки, поставляемых европейскими фирмами (по состоянию на июль 1995 г.). Основные технические характеристики для установок струйной обработки, поставляемых европейскими фирмами (по состоянию на июль 1995г.)
Таблица 6.2 Максимальные размеры обрабатываемых деталей
Компоновка и конструкция
Поьная тол -ма
Др. меПода- тоды Связь компоча аб- обравки рази-ва ботПР ки
ABB IR WateJet Abra (Ш) Alba Bystronic (Ш) Camtec Coman (И) Durrkopp Edel Systemtechnic EsabHancock Flexicon* Flow Foracon GHT
або чие столы
Плоских
+
+
2÷2
+
+
2÷3
По заказу
Определяется размерами рабочих столов
+
+
Объём-ных
+
2,2 ÷ 4 3÷8
+
3÷4
+
+
3,5 ÷ 7
+
+
2,5 ÷ 8
2,5 ÷ 8 ÷ 0,5
+
+
3÷8
3 ÷ 8 ÷ 0,4
+
3÷6
2÷3÷1
+
3÷6
2÷3÷1
2÷6
2 ÷ 6 ÷ 0,45
+ +
+
3÷4
GrobWerke Hethon Innoweld (A) Jet CutSystem (Ш) Kohler (Ш)
+
По заказу
+
+
По заказу
+
+1
÷
2 ÷ 2 ÷ 0,6
0 Обычно поставляется только насос, рабочие головки, трубопроводы и система водоподготовки В зависимости от типа установки
K rauseBiagosch K
÷ 10 ÷ 1,5
uka L ectra L ST/EL B* (A) L VD Scharring shause n M echanic S ystems* (B) M etec R eic R idder R itschka S uchard a* (A)
÷3
Продажа установок, бывших в употреблении
,5 ÷ ÷ 15 6 ÷ 1,2
÷3
+
÷3
+ +
о зак азу ÷2 ÷2
По заказу
,5 ÷ 3
R otech Basel* (Ш) T rumpf T SK Kamphoff U hde
W
По заказу ÷4
÷4
,3 ÷ 3, 3 ÷0, 6
+
÷6
и ,5 ÷ 2 бо- ÷ 0,5 лее W По + TB заказу Национальная принадлежность фирм: Ш – Швейцария, А – Австрия, В – Великобритания. Фирмы без указания национальной принадлежности являются германскими. Установки способны обрабатывать такие материалы, как конструкционная и легированная сталь, алюминий, термодуропласты, стекло- и углепластики, слоистые материалы с наполнителем, твёрдые и мягкие пенопласты, резину. Исключения составляют установки фирм Grob-Werke и Hethon, обрабатывающие только неметаллические материалы. Фирмы осуществляют только сбыт установок, остальные фирмы – производство и сбыт. oma
+
Крупнейшими мировыми фирмами-производителями станков для гидрорезания в настоящее время являются американские Flow International, Ingersoll-Rand, имеющие филиалы в Европе и немецкие Trumpf, Bystronic. Основными потребителями этих станков в Европе и Америке являются авиакосмическая и автомобильные промышленности; средняя стоимость одной установки в 1992 г. составляла 162000 $, а к 1999 г. предположительно возрастёт до 176 000 $ в связи с усовершенствованием конструкции и ЧПУ.
В таблице 6.3. дана динамика роста продаж гидроструйных установок до 1999 г.
од
Таблица 6.3. КоличеПродаство отгружаемых устано- жи, млн. долл. вок, шт.
989 990 991 992 993 994 995 996 997 998 999
Темпы роста продаж, %.
877
140,2
-
889
143,4
2,3
814
132,0
-7,9
806
130,9
-0,9
840
137,9
5,4
885
146,9
6,5
951
159,6
8,7
1030
174,8
9,5
1118
192,0
9,8
1218
211,5
10,1
1324
232,7
10,0
Там же даны сведения о состоянии и прогноз распределения гидроабразивных станков по регионам мира (см. табл.6.4.) Таблица 6.4. Регионы, %
од СШ
Европа
АТР
19,6
62,5
14,8
19,2
62,7
14,9
А 989 990
П рочие 3, 1 3, 2
991 992 993 994 995 996 997 998 999
19,1
62,5
15,1
18,8
62,6
15,2
18,7
62,8
14,9
18,6
62,9
14,8
18,4
62,9
15,1
18,1
63,1
15,2
17,7
63,4
15,3
17,7
63,4
15,3
17,8
63,3
15,3
3, 2 3, 4 3, 6 3, 7 3, 6 3, 6 3, 6 3, 6 3, 6
6.3 Гидрорезание в медицине Применение физических и химических явлений в качестве основ технологических процессов имеет тенденцию к расширению в различных областях машиностроительного производства и начинает проникать в другие сферы нашей деятельности. Процесс взаимопроникновения различных областей знаний, обогащая их, инициирует генерирование плодотворных идей, которые служат основой для нетрадиционного решения практических задач. Так, например, достижения в области технических наук, при творческом подходе, могут быть использованы и с успехом используются в области медицины. 6.3.1 Биологические образования как объект для обработки резанием Подобно машиностроительным материалам биологические ткани и образования имеют различную сопротивляемость резанию, но со своими особенностями. Если конкретная марка машиностроительного материала, имеющая присущие ей прочностные характеристики оказывает соответственное противодействие резанию , то для рассечения биологических тканей и образований принятого типа (в силу его строения) необходимо прилагать различные усилия в зависимости от глубины воздействия режущего инструмента. Под биологическими тканями понимают системы клеток, схожих по строению, функциям и происхождению, в состав которых входят межклеточные вещества и структуры - продукты конечной жизнедеятельности. У животных различают четыре типа тканей: пограничная или эпителий, соединительная, мышечная и нервная. К тканям также относят кровь и лимфу (жидкие ткани). Даже поверхностное знакомство с биологическими тканями и образованьями позволяет представить сложность их строения. Для примера на рисунке 6.13 показано схематическое изображение микроскопического строения кожи человека. Этот пример показывает, что мы имеем дело с материалами особого структурного состава, в которых более прочные слои переходят в менее прочные и их резание сопряжено с определенными трудностями выбора режимов резания.
Рис 6.13 Схематическое изображение микроскопического строения кожи человека (на разрезе) I – эпидермис, II – дерма (собственно кожа), III – подкожная жировая клетчатка, 1 – роговой слой эпидермиса, 2 – 6азальный, шиповатый, зернистый и блестящий слои эпидермиса, 3 – мышца, поднимающая волос, 4 – стержень волоса, 5 – сальная железа, 6 – нервные окончания, 7 – потовая железа с выводным протоком, открывающимся на поверхности кожи, 8 – кровеносный сосуд. 6.3.2 Гидрорезание биологических тканей Мы уже знаем, что высоконапорная струя жидкости должна иметь возможность создавать на поверхности обрабатываемого материала давление, превышающее предел его прочности. Прочностные характеристики машиностроительных материалов достаточно изучены и даны в соответствующих справочниках. Биологические же ткани с этой точки зрения мало изучены. Поэтому освоение гидрорезания биологических тканей должно быть сопряжено с проведением экспериментальных работ по получению статистических данных, дающих возможность определения режимов их резания.
Метод резания биологических тканей и образований высоконапорной струей жидкости - один из видов их обработки. Он начинает входить в медицинскую практику, являясь альтернативной технологией традиционным способам рассечения тканей. 6.3.2.1 Применение трансплантатов
высоконапорной
для
изготовления
Разработка совершенной технологии изготовления трансплантатов из биологических тканей, базируется на принципе щадящего физического воздействия, обеспечивающего сохранность клеточных структур. Поэтому технологии с различного рода термическими воздействиями (например, лазерная технология), сопровождающими процесс рассечения биологической ткани, в настоящий отрезок времени считаются для этих целей малопригодными, из-за ожоговых повреждений клеточных структур в зоне воздействия. Указанное послужило толчком для поисков других методов рассечения биологических тканей. Экспериментально было установлено, что наиболее привлекательным для перспективных разработок, является технология рассечения биологических тканей при помощи высоконапорной струи жидкости (гидрорезание). При использовании этой технологии, рассечение выполняется без побочного нагрева поверхности биологической ткани, следовательно исключается термические повреждения клеточных структур. Кроме того, этот способ позволяет вырезать трансплантаты из различных видов биологической и синтетической ткани, как плоские по форме, так и пространственные детали (при соответствующей конструкции рабочей части устройства). Манипуляции струей не вызывают физических трудностей, а сам метод является сравнительно экономичным. Первые опыты гидрорезания тканей были проведены на примитивных устройствах с малыми рабочими давлениями (до 15 МПа) жидкости. В итоге были получены неутешительные результаты исследований (гидротация клеток в зоне разреза). Для проведения дальнейших экспериментальных работ было создано устройство для гидрорезания, позволяющее изменять основные параметры, влияющие на процесс рассечения биологических тканей. Небольшое число экспериментов, проведенных на этих установках, позволили установить, что удовлетворительные данные (при визуальном осмотре) можно получить при рассечении ткани со следующими режимами: диаметр отверстия сопла около 0.16 мм, рабочее давление 30.0 - 35.0 МПа. При этом наблюдалось, что снижение рабочего давления приводит к гидротации биологической ткани. Эти первоначальные
наблюдения дают основание предполагать, что при равных условиях, изменяя рабочее давление, можно определить границы качественного улучшения характеристик в зоне разреза. При этом надо учесть, что изменение диаметра сопла также влияет на качество разреза. При равных давлениях изменение диаметра сопла в меньшую сторону улучшает его качество. Считается, что задачей бедующих экспериментов является нахождение оптимальных режимов за счет изменения давления режущей жидкости и диаметра сопла, из которого вытекает жидкость, создавая при этом такие условия, при которых струя жидкости имеет параметры, превышающие предел прочности рассекаемой ткани. 6.3.2.2 Хирургические устройства для гидрорезания Рассмотрим некоторые запатентованные устройства для гидрорезания биологических тканей и образований. Конструктивные особенности устройства для жидкостной хирургии представлены на рисунке 6.14 а.
Рис 6.14 Схематическое строение устройств для гидрореэания биологических тканей (пояснения в тексте)
Устройство, схематично показанное на фиг. 1, 2 рисунка 6.14 а, содержит баллон 1, заполненный сжатым газом 11, компрессионный резервуар 2, заполненный газом 11, магистраль 3, соединяющую баллон 1 и резервуар 2, и соединительный узел 4, установленный в распределительной трубке 6, по которой жидкость 21 поступает в хирургическую насадку 5. В полости резервуара 2 установлена упругая мембрана 7' и мягкий контейнер 7 для жидкости 21. Пространство между мембраной 7' и мягким контейнером 7 заполнено газом 31, отделено от газа 11 мембраной 7'. По ходу магистрали 3 установлен регулятор, контролирующий давление газа, поступающего из баллона 1 в сосуд 2. Струей жидкости, вырывающейся из насадки 5 можно производить рассечение тканей. Регуляторы 8,13,14 дозируют давление газа 11 в компрессионном резервуаре 2. 12 - контрольный манометр. На рисунке 6.14 б дана схема устройства для разрушения опухолей мозга с помощью водяной струи. Устройство содержит напорную камеру 2; сосуд 4 с физиологическим раствором, размещаемый внутри камеры 2; соединительную трубку 6, соединяемую одним концом с выпускным отверстием сосуда 4; эжекционную иглу 14, в которой имеется регулятор 12, перекрывающий - открывающий трубку 6, и которая с возможностью замены присоединяется ко второму концу трубки 6, всасывающую трубку 16, которая установлена параллельно игле 14. Сопло 14а на переднем конце иглы 14 изогнуто таким образом, чтобы водяная струя, выбрасываемая из этого сопла, падала на внутреннюю стенку 16а трубки 16 с противоположной стороны относительно сопла. Давление в камере 2 повышается путем нагнетания в нее безопасного газа и при этом происходит сжатие сосуда 4, в результате чего физиологический раствор из сосуда выбрасывается через сопло и эффективно разрушает опухоль. В камеру 2 безопасный газ через трубку 21 подается из баллона 18 через редуктор 20 с манометрами низкого и высокого давления 19. Схематическое строение гидроскальпеля дано на рисунке 6.14 в. Скальпель со струей жидкости изготовлен из двух частей, имеет простую конструкцию и содержит ручной наконечник 11, образующий часть одноразового использования, предназначенную контролируемой струи физиологического раствора под давлением, и неподвижное устройство для создания для создания давления этого физиологического раствора. Ручной наконечник 11 присоединен к мешочку 13 с физиологическим раствором и давление этого раствора создается при помощи сжатого газа, содержащегося в резервуаре 15. Во время операции он отсасывается через канал 19, присоединенный к устройству 21. Блок управления 22 позволяет управлять всеми параметрами этого скальпеля. 23,24,25 - измерительные приборы. Давление газа, подаваемого в замкнутую полость 14 через канал 16 регулируется прибором 26.
Все описанные устройства имеют одну характерную особенность - стерильная рабочая среда выдавливается из гибкой емкости газом в трубку, подводящую ее к струйной головке, из которой выбрасывается рабочая струя, служащая хирургическим инструментом. Продолжительность работы устройства определяется объемом рабочей жидкости в емкости, давлением, диаметром и формой сопла. В заключение необходимо отметить, что даже краткое изложение некоторых проблем гидрорезания биологических тканей наталкивает на мысль о необходимости подбора параметров высоконапорной струи для конкретных операций. По нашему мнению, применение энергии высоконапорной струи жидкости для рассечения биологических образований и тканей требует сформирования научной концепции, проведения необходимых исследований, создания устройств и разработки практических методик; применение гидрорезания для моделирования трансплантатов взамен их ручной резке металлическими инструментами возможно при наличии простейших установок. Предварительные эксперименты, проведенные на опытных установках для гидрорезания тканей, дают основу для разработки руководящих материалов для оптимизации режимов резания высоконапорной струей жидкости. Если применение гидрорезания для обработки промышленных материалов базируется на станках, имеющих достаточно отработанные конструкции узлов, то устройства для рассечения биологических образований и тканей находится только на начальной стадии своего развития и практического применения. Поэтому при создании медицинских устройств для гидрорезания, на наш взгляд, необходимо учитывать накопленный опыт в машиностроении в этой области. Практика хирургического использования гидроскальпеля показывает, что для этих целей применяют различные специальные конструкции (см. рисунок 6.14) установок. Не исключена возможность использования установок с типовыми схемами, применяемыми на станках для гидрорезания промышленных материалов. При этом должны быть учтены требования для медицинского оборудования. Первая попытка создания такого устройства привела к тому, что на нее получено положительное решение о выдаче патента на изобретение (Заявка № 96110678/14 (017184) от 07.06.96 г.). Как в случае лазерного рассечения тканей, так и при их гидрорезании возникают специфические проблемы, без решения которых трудно рассчитывать на широкое его применение. Так, например, для защиты соседних органов и тканей, не подлежащих резекции, необходимо такое дозирование энергии высоконапорной струи, которое даст возможность делать только послойное их рассечение, что приведет к излишнему расходу режущей жидкости и, следовательно, к необходимости удаления этого объема из
оперируемой полости. При рассечении за один проход возникает необходимость гашения остаточной энергии струи. Без надежного решения этих вопросов при гидрорезании биологических образований и тканей остается надеяться только на опыт, наблюдательность и соответствующую реакцию исполнителя. В этом случае хирург не имеет той обратной связи, сообщающей о податливости тканей резанию, как в случае работы с металлическим скальпелем. Практически еще не изучено влияние гидратации клеток поверхности резания на ход событий послеоперационного периода.
Список использованных источников 1. Тихомиров Р.А., Гусенко В.С. Гидрорезание неметаллических материалов. Киев, "Техника", 1984г., 150 с. 2. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 597427 Бюл.№10 от 15.03.78 г. (Н.Н.Бураго, В.Б.Темкин, Г.А.Цыпкин) 3. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 686772 Бюл.№35 от 25.09.79г. (В.А.Новиков) 4. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 942806 Бюл.№26 от 15.07.82г. (О.К.Хаптурин, С.Ф.Абрамов, В.А.Новиков) 5. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1199271 А Бюл.№47 от 23.12.85г. (А.Н.Граков,В.Н.Макаров,Л.А.Захаров) 6. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 952351 Бюл.№31 от 23.08.82г. (Д.А.Юнусов) 7. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1260027 Бюл.№36 от 30.09.86 г. (Б.П.Новиков, А.И.Пахомов, О.А.Мягков, А.И.Никитин, В.П.Гаврилов) 8. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 619333 Бюл.№30 от 15.08.78г. (Н.В.Волков,А.П.Тупицин,Б.П.Налетов) 9. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 835500 Бюл.№21 от 07.06.81г. (Р.А.Тихомиров) 10. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1228915 А1 Бюл.№17 от 07.05.86 г. (В.А.Сухорученко) 11. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1245349 А1 Бюл.№27 от 23.07.86 г. (Р.А.Тихомиров, Ю.В.Ковалев, Е.Н.Петухов, С.Ф.Абрамов, В.А.Моисеев)
12. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1819735 А1 Бюл.№21 от 07.06.93 г. (А.Н.Архипов, В.А.Новиков, А.Н.Савватеев, В.Г.Шонин)
13. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1450873 А1 Бюл.№2 от 15.01.89 г. (Н.И.Нидзельский, А.М.Ершов) 14. Описание изобретения к потенту свидетельству РФ 2019391 С1 Бюл.№17 от 15.09.94 г. (В.Е.Книжник) 15. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1822813 А1 Бюл.№23 от 23.06.93г. (А.К.Больбот, В.В.Туркот, В.Н.Смола и Т.К.Стародубцева) 16. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1516328 А1 Бюл.№39 от 23.10.89 г. (Е.Н.Петухов, Р.А.Тихомиров, Ю.В.Ковалев и И.Д.Стариков) 17. Заявка №3 - 66112 Япония 18. Заявка №3 - 111172 Япония 19. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1100003 А Бюл.№24 от 30.06.84 г. (Е.Н.Шапкин) 20. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1158245 А Бюл.№20 от 30.05.85 г. (Е.Н.Шапкин) 21. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1243831 А1 Бюл.№26 от 15.07.86 г. (Е.Н.Шапкин) 22. Заявка №38 09 292 ФРГ 23. Описание изобретения к авторскому свидетельству СССР 1599162 А1 Бюл.№38 от 15.10.90 г. (Л.П.Морозов, С.М.Козлов и О.Л.Морозова) 24. Зайченко И.З. Применение высоконапорной струи жидкости для резания материалов. Ж. Станки и инструмент №4, 1988г., с. 25-27. 25. Барабанов М.В., Иванов Г.М., Свешников В.К., Шапиро И.И. Профильная резка материалов высоконапорной струей воды. Ж. Вестник машиностроения №4, 1992г., с45-47. 26. Ю.М.Руднев Автоматическое резание высоконапорной абразивно-водяной струей деталей из толстолистового материала. Ж. Автоматизация и современные технологии №4, 1994г., с.11-13. 27. Патент Германии 298618 28. Патапов В.А. Струйная обработка: состояние и перспективы развития в Европе и мире. Ж. Машиностроитель №1, 1996 г., с.36-41. 29. Популярная медицинская энциклопедия 2-ое издание. Ташкент. Главная редакция Узбекской Советской энциклопедии. 1989 г. 30. Патент Японии 5058339 В4 31. Патент Японии 5-53498 32. Заявка на патент (Япония) 3-65177 33. Патент Франции 2706276 А1 34. Федоров С.Н., Терегулов Н.Г., Канюков В.Н., Харлов А.И., Винярский В.Ф. Гидрорезание и его развитие в медицине. Уфа-Оренбург, 1998 г., 98 с.
7 Металлические сплавы с памятью Железный инструмент начали применять еще в первом тысячелетии до нашей эры и с тех пор он использовался как для созидания, так и для разрушения. На заре железного века (в начале нашей эры) римский сочинитель Плиний Старший в своей “Естественной истории” писал: “Железные рудокопы доставляют человеку превосходнейшее и зловреднейшее орудие. Сим орудием выстраиваем дома, разбиваем камни и употребляем железо на все прочие надобности. Но тем же железом производим брани битвы и грабежи и употребляем оное не только вблизи, но мечем то из машинных рук, то в виде оперенных стрел”. И сейчас, как в годы седой старины, только в несоизмеримо возросших размерах, мы употребляем различные стали и сплавы на основе железа как в мирных, так и военных целях. Однако 2,5 тысячелетнее развитие металлургии характеризуется не только количественным, но качественным совершенствованием металлических материалов. Мы знаем, что век чистого железа давным-давно прошел. В наше время нам ежедневно приходится сталкиваться с гораздо более широким толкованием железного века, именуемым веком металлов. Появляются стали и сплавы, обладающие новыми механическими свойствами, а то и качествами пока нам неизвестными: открываются новые свойства известных металлов, создаются сплавы с необычными свойствами. Эта лекция будет посвящена сжатому сообщению о сплавах, способных восстанавливать первоначальную форму после пластических деформаций. 7.1 Сплавы с эффектом памяти формы. Советские металлурги Г.В. Курдюмов и Л.Г. Хандорсон в 1948 г. предложили тип сплавов, которые наделены способностью даже после значительных пластических деформаций восстанавливать первоначальную форму при нагреве до определенной температуры. В 1980 г. это изобретение было признано открытием и стало известно как эффект Курдюмова (эффект восстановления заданной конфигурации или эффект памяти формы). Описываемый эффект практически воспроизводится следующим образом. Предварительно заготовке из такого сплава, например проволоке, придают требуемую форму. Затем ее нагревают и охлаждают. После чего ее выпрямляют. При последующем нагреве проволока обязательно примет свою первоначальную конфигурацию
Природу этого явления доктор физико-математических наук В. Лихачев популярно объясняет следующим образом: “Если детали, сделанные из обычных металлов (да и вообще из любых материалов, имеющих кристаллическое строение), вынуждает изменять форму только внешняя сила (после того как пройдет рубеж “упругость-пластичность” и начинаются перескоки атомов в соседние узлы кристаллической решетки), то в сплавах, обладающих памятью формы, может кардинально перестраиваться сама кристаллическая решетка. В этих металлах при определенной температуре происходит фазовый переход – так называют особую реакцию в твердой фазе без переноса вещества. Например, в кобальте при таком переходе кубическая решетка превращается в гексагональную, в сплавах медь – марганец из кубической в тетрагональную. Сложные реакции (их называют мартенситными) происходят в сплавах титан-никель, индий-таллий, они присущи аустенитным и железомарганцевым сталям, многим другим веществам. Мартенситные реакции обратимы. При нагреве образца они идут в одну сторону, при охлаждении в обратную. Более того, некоторые из них, если можно так сказать, “сверхобратимы”. Ведь ниоткуда не следует, что при обратном фазовом переходе все атомы должны возвращаться строго по тем траекториям, по которым они уже шли в прямом процессе. Действительно, даже смешно подумать о том, что при конденсации пара молекулы воды должны собраться в те же самые капельки, в тех же местах, откуда они когда-то испарились. Между тем, у кристаллов с памятью формы именно так все и происходит. Каждый атом безошибочно находит “знакомое место”, как по весне журавль свое гнездовье. Механизм этого явления не ясен. Происходящее при мартенситных превращениях физические процессы столь сложны, что специалисты говорят о генетических свойствах кристаллов. Несмотря на неполную ясность физических процессов механизма этого явления, оно входит в нашу практическую жизнь. В 1958 г. впервые был получен сплав с эффектом памяти формы – нитинол. Нитинол – это сплав никеля и титана. Он достаточно сложен в производстве. Для достижения требуемой переходной температуры соотношение никеля и титана в сплаве должно выдерживаться с высокой точностью (до тысячных долей). У этого сплава фазовые переходы идут выше комнатной температуры, но ниже точки кипения воды. Если же никелид титана легировать железом, то диапазон температур простирается в интервале от комнатной до температуры кипения жидкого азота. Необходимая чистота производства обеспечивается за счет применения вакуумных печей и сложного вспомогательного оборудования. Поэтому, широкое применение нитинола лимитируется его высокой стоимостью, а иногда и инертностью нашего мышления. Но поиски путей снижения стоимости производства нитинола продолжаются. И некоторые фирмы, например “Спешл металс корпорейшн” (США), намерены приступить к
промышленному производству нитинола с приемлемой коммерческой стоимостью. Появляются относительно более технологичные и дешевые запоминающие сплавы. К таковым можно отнести и тройные композиции медь– алюминий–никель или медь–алюминий–цинк. У этих сплавов амплитуда деформации составляет 5-10% их линейного размера, а в некоторых случаях достигает и 30%. Сплавы железо–марганец, титан-никель-палладий, фазовые переходы в которых идут при температуре порядка 800-900 К, обладают широким диапазоном рабочих температур. Имеются также относительно дешевые в производстве запоминающие сплавы на основе меди, облачающие высокой электропроводимостью. 7.2 Решение инженерных задач с использованием сплавов с эффектом памяти формы и практика их использования Для решения инженерных задач сплавы с эффектом памяти формы могут быть использованы в механизмах, в конструкциях которых заложены перемещения, вызываемые теплом. Так, например, нитинол используется в устройствах противопожарной защиты, а в некоторых фирмах он применяется для герметизации стыков летательных аппаратов, подводных лодок и предотвращения утечки радиации на атомных электростанциях. Возможно соединение различных труб из однородных или разнородных материалов при помощи муфт, изготовленных из сплавов с эффектом памяти формы. Так, соединение стальных труб с соответствующими размерами стенок муфтой с толщиной тела лишь 2 мм может выдерживать высокое давление (в пределах сотни атмосфер). Запоминающие сплавы с высокой электропроводностью на основе меди применяют в автоматах защиты электросетей, которые при ее перегрузке (повышении температуры) отключают сеть и снова восстанавливают соединение при падении температуры токопроводящих жил до нормы. Они также используются в целом ряде устройств - от роботов до систем терморегулирования в теплицах. Обсудим еще одну область возможного применения рассматриваемых сплавов. Рассмотрим случай, когда пластине из такого сплава предварительно задана выпуклая форма. Затем она нагрета так, что становится напряженной и негибкой. Последующее охлаждение до температуры, лежащей ниже определенной критической точки, приводит к резкому изменению ее кристаллической структуры, позволяющей легко деформировать эту пластину. Так, если выпрямленную пластину из сплава с эффектом памяти формы поместим между подвижной и защемленной частями механизма и нагреем ее , то она быстро вернет себе первоначальную форму (выпуклую), выделив при этом определенное количество энергии. Подвижная часть механизма (относительно защемленный) переместится на расстояние, равное
величине выпуклости пластины. По мнению специалистов, такие пластины площадью 6 см2 способны развивать усилие до 27 тонн. Механизм с рабочим элементом из сплава нитинол может создать усилие до 100 тыс. т/м2. Рассмотренным механизмом с рабочим элементом из сплава с эффектом памяти формы может быть пресс с ограниченным ходом рабочего узла, но с очень высокими характеристиками удельного давления. Есть тепловые двигатели, энергетическим элементом которых служат изогнутые ленты из запоминающего форму сплава. Первый такой двигатель построил американский инженер – изобретатель Вэнке. Тепловые двигатели с рабочим элементом, обладающим эффектом памяти формы, получили название мартенситных в силу того, что все они основаны на мартенситных превращениях в кристаллических решетках тех или иных сплавов, склонных в определенных условиях проявлять эффект памяти. Суть их функционирования заключается в том, что соответствующим образом подготовленный рабочий элемент сначала деформируют сравнительно небольшим усилием, а затем нагревают, зарождая мартенситный фазовый переход, и в процессе восстановления его формы получают полезную работу. Конструкции тепловых двигателей с рабочими элементами, обладающими эффектом памяти формы, разнообразны и существуют множество различных модификаций. Рассмотрим несколько из них. На рисунке 7.1 (а) показана схема роторного мартенситного двигателя. Из рисунка видно, что он состоит из внутреннего и наружного колец со смешенными осями О1 и О2, соединенными между собой стержнями, выполненными из металла с памятью формы. Левые стержни, расположенные в холодной зоне с температурой Т0 сдеформированы, а правые, находящиеся в теплой зоне с температурой Т, соответствующей уровню фазового перехода сплава стержней, “выпрямлены” (приняли заданную форму). Из-за разных механических свойств левых и правых стержней возникает постоянный крутящий момент. Когда кольца вращаются, рабочие элементы попеременно то сжимаются, то растягиваются. На рисунке7.1 (б) схематично показана конструкция мартенситного двигателя, представляющего собой два цилиндрических шкива, смонтированных на параллельных осях и связанных между собой лентой из материала с памятью формы. Если ленту, как видно из рисунка, с одной стороны нагреть, а противоположную ее ветвь охладить, то система начнет двигаться, приводя во вращение шкивы и оси на которых они жестко смонтированы. К осям можно подсоединять различные механизмы. На рисунке7.1 (в) показана схема мартенситного двигателя, создающего возвратно-поступательное движение детали S-S. В нем два рабочих элемента Ι и ΙΙ из материала с памятью формы соединены с деталью S-S и соответствующими неподвижными частями механизма.
Если же рабочие элементы попеременно нагревать или охлаждать (смотри рисунок), то деталь “S-S” механизма начнет свое возвратнопоступательное движение по ранее описанным причинам.
Рис 7.1 - Схемы тепловых двигателей с рабочим телом, обладающим памятью формы: а) роторный двигатель; б) ленточный двигатель; в) двигатель с возвратно – поступательным движением. Мартенситные тепловые двигатели имеют множество достоинств среди которых: - способность получать энергию при самом незначительном перепаде температур (до 1°C). Поэтому они могут работать при помещении их, например, в морскую воду за счет разницы температур между ее поверхностными и нижележащими слоями. - Отсутствие конструктивных ограничений на малые скорости ротора. Ротор этих двигателей может вращаться сколь угодно медленно, не теряя значения крутящего момента (усилия на валу). Даже при чрезмерной нагрузке, приводящей к остановке ротора двигателя, усилие на валу сохраняется. При соответствующей его разгрузке двигатель вновь начинает вращаться. Перегрузки для них безопасны и они могут применяться без промежуточных механизмов (редукторов и т.п.). - Легкость управления, характер которого зависит только от температур рабочих элементов. Имея соответствующую управляющую компьютерную программу можно подобрать режим работы для множества двигателей. Недостатком рассматриваемых двигателей является то, что охлаждение их требует дополнительных энергозатрат. В результате большая часть топлива тратится впустую. По этой причине они пока обладают низким КПД (не более 4 %).
7.3 Использование сплавов с эффектом памяти формы в медицине. По некоторым данным в настоящее время в развитых странах мира при различных операциях используют более 2.5 млн. металлических конструкций, вживляемых в организм. Однако, крепление их в живом организме производится при помощи различного рода винтов, гаек, спиц, пластин и т.д., что несомненно связано с введением в тело относительно объемных дополнительных инородных элементов. Эти элементы угнетают, а порой и наносят травмы окружающим тканям, оказывая отрицательное влияние на них. Они не всегда дают ожидаемый эффект. Известно, что одним из важных условий для применения любого металлического имплантанта является его приспособляемость к окружающим тканям и жидкостям организма. Появление сплавов с эффектом памяти формы привело к созданию щадящих имплантантов. Они обладают способностью создавать постоянное по величине напряжение и поддерживать его в течение длительного времени. При исследовании физико-механических свойств костных и мягких тканей в условиях деформации растяжением установлено, что эффект памяти свойственен и живым тканям организма. Специалистами сибирского физико-технического института им. В.Д. Кузнецова при Томском государственном университете совместно с хирургами Томска, Новосибирска, Тюмени, Москвы и других городов разработаны сплавы с памятью формы. Они позволяют создавать имплантанты с принципиально новыми функциональными свойствами, которые не разрушаются при многократном механическом воздействии, проявляют эластичные свойства и оказывают силовое сопротивление в течение длительного времени. Эти материалы применяются в различных областях практической медицины как-то: травматологии, общей хирургии, стоматологии, урологии, сосудистой хирургии и т.д. На рисунке7.2. изображены кривая изменения формы омегообразной скобы, в зависимости от температуры, применяемой в хирургической стоматологии, изготовленной из проволоки сплава титана и никеля ∅ 1.5 мм (7.2 (а)) и картина перестройки кристаллической решетки материала, обладающего памятью формы (7.2 (б)). Из рисунак7.2. (а) видно, что скобу нагретой до температуры 400° С (по описанию исследователей скобе придают омегообразную форму при температуре 400° С) после охлаждения до 10° С можно выпрямить. После чего хирург вводит проволоку в живую ткань. При нагреве ее до температуры тела (36° С) проволока принимает первоначальную заданную (омегообразную) форму.
Таким же образом такой проволоке при температуре 400° С можно придать необходимую форму (пружина и т.п.), охладить ее до температуры 10° С и выпрямить. После введения в организм проволоки она вновь примет вид, например пружины, выполняя заданную хирургом функцию. При выпрямлении имплантанта из этого материала не при 10° С, а выше, например при 36° С, она восстановит свою форму без дополнительного нагрева сразу же после снятия деформирующей силы. На рисунке7.2 (б) показана картинка явления, при котором в кристаллах с памятью формы каждый атом безошибочно находит свое место при всех манипуляциях , которые были описаны выше (область А соответствует высоким температурам, а М процессу охлаждения и т.д.).
Рис 7.2 - Эффект памяти формы а) эффект памяти формы на примере металлической омегообразной скобки, изготовленной из никелида титана; б) так перестраивается кристаллическая решетка материала, обладающего памятью формы. А - при высоких температурах, М-при охлаждении.
На рисунке 7.3 даны методы крепления костных обломков традиционным (7.3 (а)) и спиралью омегообразного вида с памятью формы (7.3 (б)) весом 0.5 грамма. Сращивание обломков в случае их фиксации спиралью с памятью формы происходит практически без образования костной мозоли (“кость в кость”), что позволяет сократить сроки лечения в несколько раз.
Рис 7.3 - Методы крепления костных обломков а) традиционный метод крепления костных обломков с помощью обычной металлической пластины и винтов: 1 - фиксирующая пластина с винтом, 2 - мягкая ткань, 3 – костная ткань, 4 – костная мозоль. б) фиксация костных обломков спиралью с памятью формы. На рисунке7.4 представлены возможные варианты конструкций имплантантов с памятью формы. На рисунке7.5 (а) и (б) показаны примеры использования имплантантов с памятью формы при лечении переломов локтевого отростка. Разработаны также имплантанты с памятью формы для ряда способов исправления деформации позвоночника. Они основаны на возможности имплантантов с памятью формы оказывать по величине постоянное силовое воздействие на позвоночник в течение всего периода лечения. На рисунке7.5 (в) дана рентгенограмма позвоночника с компрессионным переломом поясничного позвонка после фиксации коррегирующим имплантантом с памятью формы. Есть сведения о том, что больной с компрессионным переломом тела третьего поясничного позвонка после операции по коррекции кифотической деформации имплантантом с памятью формы на третьи сутки встал на ноги (пастельный режим отменен), а на двенадцатый день был выписан из больницы.
Рис 7.4 - Всевозможные варианты конструкций с памятью формы
Рис 7.5 - Приемы использования имплантатов с памятью формы а) закрытый перелом локтевого отростка; б) фиксация костных обломков элементом с памятью формы; в) динамическая фиксация позвоночника с помощью стяжки – фиксатора с памятью формы.
На рисунке 7.6 мы видим пористый сплав с памятью формы для замещения дефектов тканей организма. Он по структуре напоминает губчатую костную ткань. Поры и щелевые пространства в имплантанте легко заполняются мягкими костными тканями, а гармоническая связь между имплантантом и средой организма сохраняется. Такие имплантанты могут закрепляться на тканях организма.
Рис 7.6 - Пористый сплав с памятью формы для замещения дефектов тканей организма Материалы с памятью формы особенно успешно используются также в виде удобных в пользовании скобок, которые обеспечивают постоянное и равномерно распределенное давление. Такие скобки не требуют периодического подтягивания, что неудобно и вызывает болезненные ощущения.
Рассмотрим еще одно направление в медицине, где применяются сплавы с эффектом памяти формы. Это рентгенохирургия сосудов. Мы с вами уже рассматривали эндоскопы (лекция № 2), которые позволяют наряду с другими манипуляциями через дополнительный канал вводить устройства и элементы, позволяющие разрушать различные наросты в кровеносных сосудах и расширять их. Внутрисосудистая хирургия, имеющий медицинский термин эндовоскулярной, основывается на щадящем лечении, при котором страдания органов и тканей сводятся к возможному минимуму. Операции проводятся под местным наркозом без применения традиционного скальпеля, используя трубки-катетеры, вводимые внутрь сосуда через тонкие проколы. Наблюдение за движением катетера и проводимыми манипуляциями производят на экране рентгенотелевизионной установки. Поэтому этот метод называют рентгеноэндовоксулярной хирургией. Известным фактом является то, что после удаления наростов, бляшек и тромбов с внутренних стенок сосудов и их расширения не исключено, что через некоторое время сосуд вновь сузится. Это обстоятельство привело к мысли о необходимости каким-то способом укреплять стенку сосуда изнутри. Идея такого укрепления сосудов была заимствована из техники, а именно из области строительства туннелей, внутренняя полость которых укрепляется железобетонным каркасом. Для создания каркаса сосудов нужен был особый материал, обладающий биологической совместимостью с тканями организма, пластичностью, прочностью и антикоррозионными свойствами. Таким сплавом оказался нитинол, обладающий памятью формы. Притом наиболее подходящей формой каркаса оказалась спираль. По рассмотренной выше технологии проволока из нитинола сворачивалась в спираль с диаметром на десятые доли миллиметра большим диаметра сосуда, охлаждалась и выпрямлялась. Затем электрорентгенографом определялось место поражения сосуда, куда под наблюдением вводился катетер, в котором находился выпрямленная проволока нитинола (протез). Протез под контролем рентгена с большой точностью устанавливается на заданном месте, катетер удаляется. Нить нагревается до температуры крови и сворачивается в спираль, эластично расширяя стенки сосуда. Такой внутрисосудистый протез устанавливается на всю жизнь. Установлено, что через определенное время после установки протеза на нем вырастает очень тонкий (около 0.03 мм) слой новой молодой ткани неотимы. Сверху оно покрывается пленкой особых клеток. Тромбы на этой поверхности не образуются, так как участок поверхности сосуда в зоне протеза оказывается абсолютно гладкой. Такая операция называется рентгеноэндопротезированием. Пока еще возможности этого метода оперативного вмешательства в сосуды ограничены: оперирование производится в случаях, когда длина пораженного участка сосуда не превышает 20 см и не нарушен отток крови от места закупорки.
На рисунке 7.7 (а) мы видим снимок автора лечебной пружины профессора Рабкина, а на 7.7 (б) показаны каркасные пружины различного диаметра. Естественно, этими достижениями применения сплавов с эффектом формы памяти практическая медицина не ограничится. Будет совершенствоваться и расширяться диапазон их применения в рассмотренных областях, появятся и новые направления, где будут использоваться сплавы с уникальными свойствами.
Рис 7.7 - Использование проволочек с памятью формы при лечении закупорки сосудов а) автор лечебной пружины профессор Рабкин. б) так выглядят пружины Список использованных источников 1. Кишкин С.Т. /Будущее конструкционных материалов. Научно-популярная серия/ “Техника” № 3, 1989 г. Москва Издательство “Знание”, с. 64. 2. Коротаев А.Д., Гюнтер В.Э., Итин В.И. /Имплантанты с памятью формы./ ж. Наука в СССР № 2, 1989 г. с. 60-65. 3. Рабкин И.Е. /Рентгенохирургия сосудов./ ж. Наука в СССР № 4, 1988 г. с. 98-100. 4. Лихачев В. /Журавля – да в руки./ ж. Техника молодежи № 9, 1987 г. с. 2326. 5. Емельянов А.В. /Металл с памятью./ ж. Экономика. Техника № 4, 1990 г. с. 79.
Сведения об авторах КАНЮКОВ Владимир Николаевич Заслуженный врач Российской Федерации, Почетный работник Высшего профессионального образования, Академик РАМНТ, РАЕН, членкорресподент РАПК, заведующий кафедрой медико-биологической техники Оренбургского государственного университета, доктор медицинских наук, профессор ТЕРЕГУЛОВ Наугат Гиниятуллич Заслуженный деятель науки и техники республики Башкортостан, кандидат технических наук, доцент ВИНЯРСКИЙ Виктор Францевич Доцент кафедры медико-биологической техники Оренбургского государственного университета ОСИПОВ Валерий Владимирович Старший преподаватель кафедры медико-биологической техники Оренбургского государственного университета