CZ19375U1 - Zařízení pro ozařování vzorku ultrazvukem - Google Patents

Description

Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem

Oblast techniky

Technické řešení se týká konstrukce zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem.

Dosavadní stav techniky

Pro aplikaci a zkoumání vlivu ultrazvukové energie na různé vzorky živé i neživé hmoty jsou využívána zařízení, na jejichž konstrukci je kladena řada požadavků. Především je to efektivní přenos energie a co nejpřesněji definovaná a rovnoměrné rozložená intenzita ultrazvukové energie v místě ozáření vzorku, vhodná manipulace se vzorkem a definované fyzikální podmínky za kterých je vzorek ozařován, jako je například poloha, teplota, tlak apod. K ozařování vzorků ultraiu zvukem jsou vesměs využívány nádrže vyplněné vhodně upravenou vodou, která má za úkol zprostředkovat akustický kontakt mezi generátorem ultrazvuku a ozařovaným vzorkem. Nádrže jsou opatřené vhodně konstruovaným držákem vzorku a dalšími doplňkovými zařízeními, která mají za úkol zajistit požadované fyzikální podmínky procesu, například teplotu.

Základním problémem takto konstruovaných zařízení pro ozařování vzorkuje interference emi15 tovanýeh ultrazvukových vln s vlnami odraženými zejména od stěn nádrže, která způsobuje vznik interferenčních produktů ve formě stojatých vln, a tím vznik obtížně definovatelných nehomogenit rozložení energie ultrazvukového pole. Tím je porušena jedna ze základních funkcí přístroje, tj. definovat a rovnoměrně rozdělit intenzitu ultrazvukové energie působící na vzorek. Z toho důvodu je problematika zamezení interferencí odražených ultrazvukových vln velmi důležitá pro

2» zajištění optimálních podmínek procesu ozařování. Vzhledem k tomu, že náplň nádrže, s výhodou odplyněná voda, se vyznačuje malým útlumem ultrazvuku, musí v současné době známá řešení využívat velké nádrže, ve kterých je ultrazvuk absorbován v dostatečném objemu vodní náplně, případně jsou stěny nádrží obkládány vhodnými absorbéry. Nádrže těchto zařízení mají objem o velikosti stovek litrů, čímž vzniká problém obtížné manipulace se zařízením a rovněž je náročné udržování stavu náplně v požadované kvalitě. Takto konstruované nádrže různých firem navíc nejsou určeny pro ozařování vzorků, ale především pro měření parametrů ultrazvukového pole.

Jiná v současné době známá řešení ultrazvukových ozarovačů jsou konstruována především pro výkonové aplikace s možností ozařovat vzorky většího objemu, které mohou případně i kontinuálně nebo přerušovaně ozařovačem protékat. Takováto řešení jsou určena především k průmyslovým aplikacím a pro výzkum účinků ultrazvuku na malé vzorky nejsou vhodná. To je možno dokumentovat například řešením dle spisu WO 2004/026452 „Method and tlirough-ílow cell for continuous treatment of free-ílowing compositions by means of ultrasound“. Patent CZ 283936 se týká způsobu dezintegrace buněčných disperzí nebo suspenzí pomocí ultrazvukových vibrací pro isolaci základních buněčných složek a popisuje zařízení, jehož účelem je dosažení dostatečné intenzity ultrazvukového pole, nikoliv však zajištění jednoznačně definovaných parametrů ultrazvuk o vého pole.

Patent JP 2007077341 „Ultrasound image inspection method and apparatus“ řeší problematiku zobrazování materiálových struktur ultrazvukem ve vodní nebo jiné lázni tak, aby samotný zob40 rázovaný předmět nepřišel do kontaktu s touto lázní, ale neřeší vůbec otázku rozložení intenzity ultrazvukového pole. Aplikace jc určena pro materiálovou defektoskopii především v elektrotechnickém průmyslu. Patenty US 4390026 a US 4501151 stejného názvu „Uhrasonic therapy applicator that measures dosage“ pojednávají o aplikaci výkonového ultrazvuku na vzorky, kde první nárokuje zařízení pro měření dávky ultrazvuku, kdežto druhý upřesňuje, že se jedná o tep45 lotní čidlo (snímač teploty). Řešení se nesnaží homogenizovat pole a korigovat jeho intenzitu působící na vzorek, ale definují pouze integrální dávku energie ultrazvuku na základě ohřevu speciální diferenciální teplotní sondy, umístěné v blízkosti vzorku v kapalině vyplňující aplikační nádrž. Popsaná zařízení neeliminují vznik interferencí a stojatých vln, cožje jejich nedostatek.

(7 19375 Ul

V současné době pak z dostupných pramenit není známa a popsána konstrukce ozařovacího systému, který by řešil problematiku interference odražených ultrazvukových vln vhodně voleným tvarem nádrže, což si klade za úkol předkládané konstrukční řešení.

Podstata technického řešení

Uvedeného cíle je dosaženo konstrukcí zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem tvořeného nádrží, která je naplněna vazební tekutinou a v jejímž vnitřním prostoru je umístěn zdroj ultrazvuku, v ose jehož vyzařovací charakteristiky je umístěn v držáku ozařovaný vzorek, kde podstata řešeni spočívá v tom, že alespoň jedna z bočních stěn nádrže je vytvořena v jiném než rovnoběžném směru s osou ultrazvukového paprsku vyzařovaného ze zdroje.

io Vc výhodném provedení zařízení je v dráze ultrazvukového vlnění od zdroje směrem k držáku vzorku je umístěna alespoň jedna stínící clona, která muže být tvořena dutým tělesem ve tvaru komolého kužele, otočeného menší základnou ke zdroji ultrazvuku, přičemž velikost plochy vstupního otvoru v menší základně stínící clony je stejná nebo menší než je ozařovaná plocha vzorku.

i 5 Je rovněž výhodné, když jak zdroj ultrazvuku tak držák vzorku jsou uloženy ve vazební tekutině vzájemně přestavitelné ve směru osy vyzařovaného ultrazvukového paprsku, přičemž mohou být uchyceny na ramenech, která jsou pomocí objímek upevněna ve stojanu.

Novým uspořádáním stěn zařízení se zabezpečí vychýlení odražených vln mimo oblast, kde by mohly interferencemi ovlivňovat parametry ultrazvukového pole v blízkosti ozařovaného vzorku

2o a absorpci jejich energie ve vodní náplni nádrže mimo oblast umístění ozařovaného vzorku. Konstrukcí nového typu zařízení se dosahuje nového účinku v tom, že vlny, které by mohly způsobit interference jsou odstíněny a pohlceny v důsledku vhodného tvaru nádrže a vhodného tvaru a polohy stínících clon a tím nepůsobí na ozařovaný vzorek. Rozměry nádrže mohou být ve srovnání s doposud používanými ozarovacími systémy podstatně menší při dosažení lepší homogenity aplikovaného ultrazvukového poie. Řešení umožňuje snadný i ran spon a manipulaci se zařízením a výrazně šetří náklady na jeho náplň.

Popis obrázků na připoj ených výkresech

Konkrétní provedení zařízení podle technického řešení jsou schematicky znázorněna na připojených výkresech, kde:

obr. 1 je vertikální osový rez základním provedením zařízení s bočními stěnami vytvořenými směrem dostředně šikmo vzhůru, obr. 2 je půdorysný pohled na zařízení z obr. 1, obr. 3 je vertikální osový řez alternativním provedením zařízení s bočními stěnami vytvořenými směrem odstředně šikmo vzhůru, obr. 4 je půdorysný pohled na zařízení z obr, 3, a obr. 5 až obr. 8 jsou nárysy a půdorysy několika dalších možných tvarů nádrže zařízení.

Příklady provedení technického řešení

Zařízení podle obr. 1 je tvořeno nádrží i, která je vyplněna vhodnou vazební tekutinou 2, nejčastéji odplynčnou deionizovanou nebo odplyněnou vodou, a která sestává z nosné podstavy j_L a dostředně šikmo vzhůru vedených bočních stěn 12, vytvářejících v podstatě komolý jehlan. Ve vnitřním prostoru nádrže i je umístěn zdroj 3 ultrazvuku a v dráze vysílaných ultrazvukových vln držák 4 vzorku. Jak zdroj 3 ultrazvuku tak držák 4 jsou ponořeny ve vazební tekutině 2 a jsou uchyceny na ramenech 5, která jsou přestavitelné, například pomocí objímek 51, upevněna ve stojanu 6, takže lze měnit vzájemnou polohu zdroje 3 ultrazvuku a ozařovaného vzorku tak, aby •»5 vzorek byl umístěn v optimálním případě v ohniskové oblasti zdroje 3 ultrazvuku. Držák 4

CZ 19375 Uí vzorku může být vybaven různými funkcemi pro zajištění potřebných fyzikálních a chemických podmínek ozařování vzorku, jako je například termostatický systém pro udržení požadované teploty, kinematický systém, pohybující vzorkem v ultrazvukovém poli pro zajištění jeho rovnoměrného ozáření apod, V dráze ultrazvukového vinění směrem k držáku 4 vzorku jsou pro zvyše5 ní útlumu nežádoucích ultrazvukových vln umístěny v sérii dvě stínící clony 7 zhotovené ze vhodného absorpčního materiálu, například polyuretanového absorbéru. Stínieí clony 7 jsou vytvořeny ve tvaru komolého dutého kuželového tělesa 70, otočeného menší základnou 72 ke zdroji 3 ultrazvuku. Vstupní otvory 71 v menší základně 72 stínících clon 7 by pro dosažení optimálních výsledků zabránění interferenci neměly být vetší, než je ozařovaná plocha vzorku. Plocha ío vstupního otvoru 71 by měla být přibližně rovna ploše ozařovaného vzorku vzhledem k tomu, že příliš malý vstupní otvor 71_ by snížil intenzitu ultrazvukové energie ozařující vzorek. Uhel zešikmení bočních stěn 12 nádrže 1 a plášťů těles 70 stínících clon 7 je vhodně volen tak, aby docházelo k účinnému potlačení vzniku stojatých a interferenčních vln v důsledku vzájemného působení vyslaných a odražených ultrazvukových vln.

Při přípravě zařízení k měření se po naplnění nádrže 1 odplyněnou vazební tekutinou 2 (destilovanou vodou) nastaví vzdálenost mezi držákem 4 vzorku a zdrojem 3 ultrazvuku tak, aby vzorek byl umístěn v ohniskové oblasti zdroje 3 ultrazvuku. Co nejblíže držáku 4 vzorku se umístí jedna či více stínících clon 7 a to tak, aby jejich vstupní otvory 71 (apertury) odpovídaly velikosti ozařovaného vzorku. Více stínících clon 7 je vhodné použít tehdy, pokud je ohnisková vzdálenost ultrazvukového zářiče výrazně, tj. více jak dvakrát, větší, než vzdálenost mezi rovinou proloženou obvodem vstupního otvoru 71 stínící clony 7 a držákem 4 vzorku. Výhodné je zkontrolování nastavení stínících clon 7 změřením akustického tlaku v oblasti držáku 4 vzorku s pomocí hydrofonu.

Popsaná konstrukce není jediným možným provedením zařízení podle technického řešení, ale jak je patrné z obr. 3 a obr. 5 až obr. 8, nemusí být boční stěny 12 nádrže 1 vytvořeny ve tvaru směrem nahoru se zužujícího komolého jehlanu, ale vnitřní prostor nádrže 1 se muže směrem nahoru rozšiřovat, popřípadě může mít nádrž 1 tvar komolého kužele nebo různých pravidelných ci nepravidelných mnohostěnů. Počet vkládaných stínících clon 7 může být různý v závislosti na druhu měření a vlastnostech měřeného vzorku, stejně tak nemusí být stínící clony 7 kuželového

3« tvaru, popřípadě nemusí být pro určitý typ měření vkládány vůbec. Bez vlivu na podstatu řešení muže být nádrž 1 zakryta odnímatelným víkem a ramena 5 či stojan 6 mohou být různých běžných konstrukcí, přičemž stojan 6 nemusí být uchycen v podstavě UL nádrže U

Průmyslová využitelnost

Zařízení podle technického řešení lze s výhodou využít zejména při výzkumu účinků ultrazvuko35 vé energie na neživou i živou hmotu, například v chemii pro zjišťování závislosti chemických reakcí na intenzitě aplikovaného ultrazvuku a v medicínském výzkumu při zjišťování účinků ultrazvuku na živé buňky, především v souvislosti s aplikací různých farmak,

Claims (5)

NÁROKY N Λ OCHRANU

1. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem tvořené nádrží (1), která je naplněna vazební to tekutinou a v jejímž vnitřním prostoru je umístěn zdroj (3) ultrazvuku, v ose jehož vyzařovací charakteristiky je umístěn v držáku (4) ozařovaný vzorek, vyznačující se tím, že alespoň jedna z bočních stěn (12) nádrže (1) je vytvořena v jiném než rovnoběžném směru s osou ultrazvukového paprsku vyzařovaného ze zdroje (3) ultrazvuku.

2. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku l, vyznačující se tím. 4? že v dráze ultrazvukového vlnění od zdroje (3) ultrazvuku směrem k držáku (4) vzorku je umístěna alespoň jedna stínící clona (7).

CZ 19375 Ul

3. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku2, vyznačující se tím, že stínící clona (7) je tvořena dutým tělesem (70) ve tvaru komolého kužele, otočeného menší základnou (72) ke zdroji (3) ultrazvuku, přičemž velikost plochy vstupního otvoru (71) v menší základně (72) stínící clony (7) je stejná nebo menší než je ozařovaná plocha vzorku.

5

4, Zařízeni pro ozařovaní vzorku uitra/vnkein podiv uěktciého z. nároků 1 až 3. vyzná čující se tím, že jak zdroj (3) ultrazvuku tak držák (4) vzorku jsou uloženy ve vazební tekutině (2) vzájemné přestavitelné ve směru osy vyzařovaného ultrazvukového paprsku.

5. Zařízení pro ozařování vzorků ultrazvukem podle nároku 4, vyznačující se tím, žz zdroj (3) ultrazvuku i držák (4) vzorku jsou uchyceny na ramenech (5), která jsou pomocí obío jímek (51) upevněna ve stojanu (ó).