CN104941069A - 一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，该发生器通过LRC放电电路产生脉冲电流，产生的脉冲电流通入阿基米德螺旋线圈产生脉冲磁场，在线圈的表面区域产生平行于线圈平面的感应电场。该感应电场幅值高、分布均匀、覆盖范围仅为线圈所在区域。该线圈贴近于体表的肿瘤组织时，感应电场集中于线圈所覆盖范围的组织，而不会对周围正常组织产生影响，可以达到无接触、无创、精确治疗肿瘤的目的。

Description

一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器

技术领域

本发明涉及生物电磁技术领域，具体涉及一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器。

背景技术

恶性肿瘤已成为威胁人类生命健康的最主要疾病，然而目前肿瘤的主要治疗手段还停留在传统的外科手术治疗、放射治疗和化学治疗，传统的治疗方法都存在较大的副作用。脉冲电场治疗肿瘤需要将电极针插入体内，对人体构成创伤和生物相容性等问题。然而，脉冲磁场治疗肿瘤具有无接触、无疼痛、无伤害等优点。脉冲磁场在生物组织内产生感应电场和感应电流是其产生生物效应的主要机理，脉冲磁场在细胞内所产生的感应电流与磁场相互作用的力密度将细胞破坏，感应电流会直接作用于细胞膜，电流对细胞表面有电化效应，该效应会影响激素-受体的相互作用、腺苷酸酶活性、钙离子浓度和膜的离子运输能力，甚至使细胞膜破裂，从而影响细胞的生理功能，抑制细胞生长。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，该装置通过LRC放电电路产生脉冲电流，产生的脉冲电流通入阿基米德螺旋线圈产生脉冲磁场，在线圈的表面区域产生平行于线圈平面的感应电场。该感应电场幅值高、分布均匀、覆盖范围仅为线圈所在区域。该线圈贴近于体表的肿瘤组织时，感应电场集中于线圈所覆盖范围的组织，而不会对周围正常组织产生影响，这样可以达到无接触、无创、精确治疗肿瘤的目的。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，实质上是一种基于变化率高达4.3×10¹⁰A/s的脉冲电流发生器和阿基米德螺旋线圈构成的脉冲磁场发生器，该发生器能够在线圈表面区域产生高强度均匀感应电场，该发生器包括高压电源系统、脉冲电流形成系统、放电开关、散热系统、磁场线圈。

所述电源系统，包括高压电源模块、充电电感和充电电阻。所述高压电源模块的正极通过导线与充电电感一端连接，充电电感的另一端通过导线与充电电阻的一端连接，充电电阻的另一端通过导线与脉冲电流形成系统的储能电容的正极连接，储能电容的负极利用导线与高压电源模块的负极连接并接地。

所述脉冲电流形成系统包括储能电容、放电开关和放电电阻。所述储能电容的正极与放电开关的正电极连接，放电开关的负电极与放电电阻的一端连接，放电电阻的另一端与磁场线圈中的阿基米德螺旋线圈圆心端连接，阿基米德螺旋线圈的圆周端与储能电容的负极利用导线连接并接地，脉冲电流形成系统与阿基米德螺旋线圈构成一个电流通路。

所述散热系统包括散热风扇和气流导向装置，散热风扇和气流导向装置的电源线均与市电电源线连接，由市电直接供电工作。所述散热装置使用风冷的方式给充电电阻和放电电阻散热。

所述磁场线圈为阿基米德螺旋线圈，阿基米德螺旋线圈有圆周端和圆心端两个端口，圆心端与放电电阻的一端连接，圆周端与储能电容的负极连接并接地。

进一步的，所述高压电源模块将220V交流电转换为最高电压30kV的直流电，最大直流电流为24mA。

进一步的，所述放电开关是自行研制的自击穿空气开关，所述放电开关包括放电电极、充气装置、气压测量仪。所述放电电极密封在气腔内，通过充气装置对气腔的气压进行调节，通过气压测量仪所显示的气压可计算出放电开关的击穿电压。所述放电正负电极之间的介质为空气，通过充气装置和气压测量仪调节正负电极之间空气的气压来调节该系统的击穿电压。当开关电极之前的场强达到击穿电压时，开关立刻导通。通过调节开关正负电极之间空气介质的压强来调节开关的击穿电压，放电电极上的电压上升速度是由充电电源的充电速度来决定，由此来调节开关的放电频率。

本发明采用以上技术方案后，主要具有如下的有益效果：

1、本发明采取充电电感和充电电阻进行充电，能够有效的抑制充电电流的突变和充电电流的幅值，使高压电源模块稳定持续的对储能电容进行充电，提高了电源的充电速度和仪器输出的重复频率。

2、本发明中脉冲电流形成系统采取紧凑型的布局结构方式，使充电电容与开关的长度之和等于放电电阻的长度，两者平行紧密排列，该布局方式使电路的杂散电感达到最小，提高感应电场的幅值。

3、本发明中充电电容的正极与放电开关正极连接，放置在底层，使操作人员难以触碰到高压，提高了仪器的安全性。

4、本发明设计了一种平面型阿基米德螺旋线圈，线圈一共7匝、外径为21mm，线圈通过PCB电路板的方式制作，覆铜厚度为70μm、宽度为10mm，在线圈的两个端点处设计过孔，该过孔用于将线圈串联到储能电容和放电电阻之间。在线圈表面1mm处产生的感应电场强度可达55.9kV/m，感应电场的均匀度达84％。

5、该装置采用标准化、模块化设计，结构简单，方便拆卸与组装。整机体积小，集成化程度高，操作简便，对于实验场地要求极低。

附图说明

本发明的装置可以通过附图给出的非限定性实施例进一步说明。

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明的电路原理图

图3为实例1的脉冲电流形成系统的布局结构图的正视图；

图4为实例1的脉冲电流形成系统的布局结构图的侧视图；

图5为实例1的阿基米德螺旋线圈示意图；

图6为实施例1的感应电场的分布图(线圈表面1mm处)。

图中：101为高压电源模块，102为充电电感，103为充电电阻，202为储能电容，202为放电电阻，3为放电开关，301为放电电极，302为充气装置，303为气压测量仪，4为散热系统，5为磁场线圈。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明范围内。

如图1～6所示，一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，主要包括电源系统1、脉冲电流形成系统2、放电开关3、散热系统4、磁场线圈5。

所述的电源系统，包括高压电源模块101、充电电感102、充电电阻103。所述的高压电源模块101为市购模块，其输出的最高电压幅值30kV、最大电流幅值24mA直流电。所述的充电电感102由导线缠绕环形纳米晶磁芯绕制，电感数值为5.2mH，用于限制高压电源模块101在储能电容放电瞬间的电流突变。所述充电电阻103为市购元件，其阻值为300kΩ，额定功率为200W，用于限制高压电源模101的充电电流幅值。所述高压电源模块101的正极通过导线与充电电感102一端连接，充电电感102的另一端通过导线与充电电阻103的一端连接，充电电阻103的另一端通过导线与脉冲电流形成系统2的储能电容201的正极连接，储能电容201的负极利用导线与高压电源模块101的负极连接并接地，对储能电容201进行充电。

所述的脉冲电流形成系统2包括储能电容201、放电开关3、放电电阻202。所述的储能电容201为市购元件，其额定容量为0.1μF、额定电压30kV，储能电容201的尺寸(直径φ×长度L)为φ30mm×L130mm。所述放电开关3为空气自击穿开关，通过调节开关气隙间空气的气压来调节放电开关3的击穿场强，放电开关3的击穿电压可在8～30kV之间调节，放电开关3的尺寸为φ50mm×L60mm。所述放电电阻202为市购元件，为无感电阻，阻值为25Ω，尺寸为φ26mm×L200mm。

所述储能电容201的正极与放电开关3的正电极连接，放电开关3的负电极与放电电阻202的一端连接，放电电阻202的另一端与磁场线圈5中的阿基米德螺旋线圈501圆心端连接，阿基米德螺旋线圈501的圆周端与储能电容201的负极利用导线连接并接地，脉冲电流形成系统2与阿基米德螺旋线圈501构成一个电流通路。当储能电容201的电压幅值达到放电开关3的击穿电压，产生的脉冲电流流经阿基米德螺旋磁场线圈501，在阿基米德螺旋磁场线圈501上产生时变的脉冲磁场，继而在阿基米德螺旋磁场线圈501附近区域产生感应电场。

所述放电开关3包括放电电极301、充气装置302、气压测量仪303。所述放电电极301为黄铜制作，电极间距为2mm，圆边倒角为4mm。所述电极密封在气腔内，通过充气装置302对气腔的气压进行调节，通过气压测量仪303所显示的气压可计算出放电开关3的击穿电压。调节充气气压至0.496MPa，开关的静态击穿电压为30kV，放电开关3的导通速度为1ns。

所述散热系统包括散热风扇、气流导向装置，所述散热装置使用风冷的方式给充电电阻和放电电阻散热。

所述散热系统4包括散热风扇401、气流导向装置402。散热风扇401和气流导向装置402的电源线均与220V市电电源线连接，由市电直接供电工作。散热风扇401的功率为26W，为提高散热风扇401的散热效果，使用所述的气流导向装置402将气流导向充电电阻103和放电电阻202。

所述的磁场线圈5为阿基米德螺旋线圈501的表示为：

r(θ)＝a+b×θ

本实施例中，a＝1(mm)，b＝1/2π(mm/弧度)，θ的取值范围为0～14π。线圈通过PCB电路版方式印制而成，覆铜厚度为70μm，宽度为1mm，线圈匝间距离为0.5mm，共7匝，在线圈的两端分别设置一个过孔，用于焊接导线串联到脉冲电流形成系统2的储能电容201和放电电阻202之间。

本实施例中，脉冲电流发生器(串联磁场线圈后)的主要参数：脉冲电流幅值1040A，上升时间78ns，脉冲宽度1.8μs；阿基米德螺旋线圈501产生的磁场参数(线圈表面1mm处)：脉冲磁场幅值0.92T，上升时间78ns，脉冲宽度1.8μs，磁场的变化率1.1×107T/s；时变磁场产生的感应电场的主要参数(线圈表面1mm处)：感应电场幅值55.9kV/m，脉冲宽度20ns，电场均匀度84％。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，其特征在于，包括电源系统(1)、脉冲电流形成系统(2)、放电开关(3)、散热系统(4)和磁场线圈(5)；

所述电源系统(1)，包括高压电源模块(101)、充电电感(102)和充电电阻(103)；所述高压电源模块(101)的正极通过导线与充电电感(102)一端连接，充电电感(102)的另一端通过导线与充电电阻(103)的一端连接，充电电阻(103)的另一端通过导线与脉冲电流形成系统(2)的储能电容(201)的正极连接，储能电容(201)的负极利用导线与高压电源模块(101)的负极连接并接地；

所述脉冲电流形成系统(2)包括储能电容(201)、放电开关(3)和放电电阻(202)；所述储能电容(201)的正极与放电开关(3)的正电极连接，放电开关(3)的负电极与放电电阻(202)的一端连接，放电电阻(202)的另一端与磁场线圈(5)的阿基米德螺旋线圈(501)圆心端连接，阿基米德螺旋线圈(501)的圆周端与储能电容(201)的负极相连接并接地，脉冲电流形成系统(2)与阿基米德螺旋线圈(501)构成一个电流通路；

所述散热系统(4)包括散热风扇(401)和气流导向装置(402)；散热风扇(401)和气流导向装置(402)的电源线均与市电电源线对应连接；

所述磁场线圈(5)为阿基米德螺旋线圈(501)，阿基米德螺旋线圈(501)的圆心端与放电电阻(202)一端连接，阿基米德螺旋线圈(501)的圆周端与储能电容(201)连接并接地。

2.根据权利要求1所述的一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，其特征在于:

所述高压电源模块(101)将220V交流电转换为最高电压30kV的直流电，最大直流电流为24mA。

3.根据权利要求1所述的一种基于阿基米德螺旋线圈的高强度均匀感应电场发生器，其特征在于:

所述放电开关(3)自行研制的自击穿空气开关，包括放电电极(301)、充气装置(302)和气压测量仪(303)；所述放电电极(301)密封在自制气腔内，充气装置(302)对自制气腔的气压进行调节，利用气压测量仪(303)所显示的气压可计算出放电开关(3)的击穿电压；所述放电正负电极之间的介质为空气；放电电极上的电压上升速度是由充电电源的充电速度来决定，由此来调节开关的放电频率。