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Technischer Bereich
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Die
Erfindung betrifft die Konstruktion einer Einrichtung zur Bestrahlung
von Proben mit Ultraschall.
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Technischer Stand
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Für
die Applikation und Untersuchung des Einflusses der Ultraschallenergie
auf verschiedene Proben von lebender und toter Materie werden Einrichtungen
genutzt, an deren Konstruktion eine Reihe von Anforderungen gestellt
wird. Vor allem handelt es sich dabei um die Forderung hinsichtlich
einer möglichst effektiven Energieübertragung
und einer möglichst genau definierten und gleichmäßig
verteilten Intensität der Ultraschallenergie an der Probebestrahlungsstelle,
um eine geeignete Probenhandhabung sowie um die präzise
Definition der physikalischen Bedingungen, unter denen die Probe
bestrahlt wird, wie z. B. Lage, Temperatur, Druck u. s. w. Zur Bestrahlung
von Proben werden stets Behälter mit entsprechend aufbereitetem
Wasser verwendet, dessen Aufgabe es ist, den akustischen Kontakt
zwischen dem Ultraschallgenerator und der bestrahlten Probe zu vermitteln.
Die Behälter sind mit entsprechend konstruierten Probehaltern
und mit zusätzlichen Einrichtungen versehen, welche für
die Sicherung der geforderten physikalischen Bedingungen des Prozesses,
z. B. einer konstanten Temperatur, sorgen sollen.
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Das
Grundproblem der auf diese Art konstruierten Einrichtungen zur Bestrahlung
von Proben bildet die Interferenz der ausgestrahlten Ultraschallwellen
mit den vor allem von den Behälterwänden zurückgestrahlten
Wellen, welche die Entstehung von Interferenzprodukten in Form von
stehenden Wellen und somit die Bildung von schwer definierbaren
Inhomogenitäten der Verteilung von Energie des Ultraschallfeldes
verursacht. Damit ist eine der Grundfunktionen der Einrichtung,
und zwar die Definition und die gleichmäßige Verteilung
der Intensität der auf die Probe einwirkenden Ultraschallenergie,
gestört. Deshalb ist das Problem einer Verhinderung von
Interferenzen der zurückgestrahlten Ultraschallwellen für
die Sicherung optimaler Bedingungen des Bestrahlungsprozesses äußerst
wichtig. Da der Inhalt des Behälters, mit Vorteil entgastes
Wasser, sich durch eine geringe Ultraschalldämpfung auszeichnet,
müssen die z. Z. bekannten Lösungen große
Behälter verwenden, in denen der Ultraschall in einem entsprechend
großen Wasservolumen absorbiert wird, ge gebenenfalls werden
die Behälterwände mit geeigneten Absorbern belegt.
Das Volumen der Behälter solcher Einrichtungen zählt
Hunderte von Litern, was eine schwere Handhabung dieser Einrichtungen
zur Folge hat. Kompliziert ist auch die Frage der Erhaltung der
Behälterfüllung in der geforderten Qualität.
Die auf diese Art konstruierten Behälter verschiedener
Firmen sind außerdem nicht für die Bestrahlung
von Proben, sondern vor allem zur Messung der Kenngrößen
des Ultraschallfeldes bestimmt.
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Andere
gegenwärtig bekannte Lösungen von Ultraschallbestrahlern
sind vorwiegend für Leistungsanwendungen konstruiert und
gewähren die Möglichkeit einer Bestrahlung von
Proben größeren Volumens, die eventuell auch kontinuierlich
oder unterbrochen durch den Bestrahler fließen können.
Solche Lösungen sind vor allem für die industrielle
Verwendung bestimmt und somit für die Erforschung der Ultraschallwirkung
auf kleine Proben ungeeignet. Das kann z. B. anhand der Lösung
gemäß
WO 2004/026452 „Method
and through-flow cell for continuous treatment of freeflowing compositions
by means of ultrasound” dokumentiert werden. Die Patentschrift
CZ 283936 betrifft ein Verfahren
der Desintegration der Zellendispersionen oder der Suspensionen
mit Hilfe von Ultraschallvibrationen zur Isolierung der grundlegenden
Zellenbestandteile und beschreibt eine Einrichtung, deren Zweck
die Erreichung einer ausreichenden Intensität des Ultraschallfeldes,
nicht jedoch die Sicherung von eindeutig definierten Kenngrößen
des Ultraschallfeldes ist.
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Das
Patent
JP 2007077341 „Ultrasound image
inspection method and apparatus” löst das Problem
der Veranschaulichung der Materialstrukturen mit Hilfe von Ultraschall
in einem Wasser- oder einem anderen Bad so, damit der eigentliche
veranschaulichte Gegenstand mit diesem Bad nicht in Kontakt kommt,
und lässt die Frage der Intensitätsverteilung
des Ultraschallfeldes vollkommen außer Acht. Die An wendung
ist für die Materialdefektoskopie, vorwiegend in der elektrotechnischen
Industrie, bestimmt. Die USA-Patentschriften
US 4390026 und
US 4501151 mit gleichem Wortlaut der Überschrift „Ultrasonic
therapy applicator that measures dosage” haben die Applikation
des Leistungsultraschalls auf Proben zum Gegenstand, wobei die erste
eine Einrichtung zur Messung der Ultraschalldosis beansprucht, wogegen
die zweitgenannte präzisiert, dass es sich um einen Temperaturgeber
(Temperaturfühler) handelt. Die Lösung stellt
sich nicht zur Aufgabe das Ultraschallfeld zu homogenisieren und
die Intensität dessen Einwirkung auf die Probe zu korrigieren, sondern
bestimmt lediglich die integrale Dosis der Ultraschallenergie aufgrund
der Erwärmung einer speziellen Wärmesonde, die
in der Nähe der Probe in der den Applikationsbehälter
anfüllenden Flüssigkeit angebracht ist. Die beschriebene
Einrichtung eliminiert nicht die Entstehung der Interferenzen und
der stehenden Wellen, was ein Mangel dieser Patente darstellt.
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Gegenwärtig
ist aus den zugänglichen Quellen keine Konstruktion des
Bestrahlungssystems bekannt und beschrieben, die das Problem der
Interferenz reflektierender Ultraschallwellen infolge einer zweckgerechten
Wahl der Behälterform löst, und gerade dass stellt
sich die unterbreitete Konstruktionslösung zur Aufgabe.
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Gegenstand der Erfindung
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Das
genannte Ziel wird durch die Konstruktion der Einrichtung zur Ultraschallbestrahlung
von Proben erreicht, die aus einem mit einer Bindeflüssigkeit
gefülltem Behälter besteht, in dessen Innenraum eine
Ultraschallquelle angebracht ist, in der Achse derer Ausstrahlungskenngröße
in einem Halter die bestrahlte Probe haftet, wobei das Wesen der
Lösung darin besteht, dass mindestens eine der Seitenwände
des Behälters in einer anderen Richtung als parallellaufend
mit der Achse des aus der Ultraschallquelle ausgestrahlten Ultraschallstrahls
gebildet ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführung der Einrichtung ist in der
Bahn der Ultraschallschwingungen von der Ultraschallquelle in Richtung
des Probenhalters mindestens eine Abschirmblende angebracht, die
als ein hohler Körper in Form eines Kegelstumpfes ausgebildet
sein kann, dessen kleinere Grundfläche der Ultraschallquelle
zugewandt ist, wobei die Fläche der Eingangsöffnung
der kleineren Grundfläche der Abschirmblende gleichgroß oder
kleiner ist als die bestrahlte Fläche der Probe.
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Vorteilhaft
ist ebenfalls, wenn sowohl die Ultraschallquelle als auch der Halter
der Probe in einer Bindeflüssigkeit gegenseitig verstellbar
in Achsrichtung des ausgestrahlten Ultraschallstrahls lagern, wobei
sie in den Armen haften können, die mittels Haltern im
Ständer befestigt sind.
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Die
neue Anordnung der Wände der Einrichtung sichert die Ablenkung
der zurückgestrahlten Wellen aus dem Bereich, in dem sie
durch die Interferenzen die Kenngrößen des Ultraschallfeldes
in der unmittelbaren Nähe der bestrahlten Probe sowie die Absorption
deren Energie in der Wasserfüllung des Behälters
außerhalb des Anbringungsbereiches der bestrahlten Probe
beeinflussen könnten. Durch die Konstruktion der Einrichtung
neuen Typs wird eine neue Wirkung dadurch erreicht, dass die Wellen,
die Interferenzen bewirken könnten, infolge der zweckentsprechenden
Form des Behälters und der geeigneten Form und Lage der
Abschirmblenden abgeschirmt und absorbiert werden, und demzufolge
die bestrahlte Probe nicht beeinflussen. Die Behälterabmessungen
können im Vergleich zu den bisher verwendeten Bestrahlungs systemen
bei gleichzeitigem Erreichen einer besseren Homogenität
des angewandten Ultraschallfeldes bedeutend kleiner sein. Die Lösung
macht ferner einen leichten Transport und eine einfache Handhabung
der Einrichtung möglich und bedeutet eine wesentliche Einsparung
des Aufwandes für deren Füllung.
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Beschreibung der Abbildungen
auf den beigefügten Zeichnungen
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Konkrete
Ausführungsbeispiele der Einrichtung gemäß der
Erfindung sind auf den beigefügten Zeichnungen schematisch
veranschaulicht. Darauf zeigen:
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1 – einen
vertikalen Achsenschnitt durch die Grundausführung der
Einrichtung mit Seitenwänden, die zentripetal schräg
nach oben ausgebildet sind,
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2 – die
Draufsicht auf die Einrichtung von 1,
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3 – den
vertikalen Achsenschnitt durch eine alternative Ausführung
der Einrichtung mit Seitenwänden, die zentrifugal schräg
nach oben gerichtet sind,
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4 – die
Draufsicht auf die Einrichtung von 3 und
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5 bis 8 – Vorderansichten
und Grundrisse einiger weiterer möglicher Formen des Einrichtungsbehälters.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Einrichtung gemäß 1 besteht
aus einem Behälter 1, der mit einer geeigneten
Bindeflüssigkeit 2, meistenteils mit entgastem
und entionisiertem oder entgastem Wasser gefüllt ist, und
der sich aus einer tragenden Grundfläche 11 und
aus zentripetal schräg nach oben führenden Seitenwänden 12, die
im Grunde einen Pyramidenstumpf bilden, zusammensetzt. Im Innenraum
des Behälters 1 befindet sich eine Ultraschallquelle 3 und
in der Bahn der ausgestrahlten Ultraschallwellen ein Halter 4 der
Probe. Sowohl die Ultraschallquelle 3 als auch der Halter 4 sind
in eine Bindeflüssigkeit 2 getaucht und haften in
den Armen 5, die gegenseitig verstellbar, z. B. mittels
Haltern 51, im Ständer 6 befestigt sind,
sodass die gegenseitige Lage der Ultraschallquelle 3 und
der bestrahlten Probe derart gewechselt werden kann, damit sich
die Probe im optimalen Fall im Brennpunktbereich der Ultraschallquelle 3 befindet.
Der Halter 4 der Probe kann mit verschiedenen Funktionen
zur Sicherung der erforderlichen physikalischen und chemischen Bedingungen
der Probenbestrahlung ausgestattet sein, wie z. B. mit einem thermostatischen
System zur Einhaltung der erforderlichen Temperatur, mit einem kinematischen
System zur Verlagerung der Probe im Ultraschallfeld zur Sicherung
einer gleichmäßigen Bestrahlung usw. In der Bahn
der Ultraschallwellenbewegung in Richtung des Halters 4 der
Probe sind zwecks verstärkter Dämpfung der unerwünschten
Ultraschallwellen zwei aus einem geeigneten Absorptionsmaterial,
z. B. aus einem Polyurethanabsorber, gefertigte Abschirmblenden 7 hintereinander
angeordnet. Die Abschirmblenden 7 haben die Form eines
hohlen Kegelstumpfes 70, der mit seiner kleineren Grundfläche 72 der Ultraschallquelle 3 zugewandt
ist. Die Eingangsöffnungen 71 der kleineren Grundflächen 72 der
Abschirmblenden 7 dürften zur Erreichung optimaler
Ergebnisse bei der Verhinderung der Interferenzen nicht größer
als die bestrahlte Fläche der Probe sein. Die Fläche
der Eingangsöffnung 71 sollte etwa der Fläche
der bestrahlten Probe gleichen, da eine zu kleine Eingangsöffnung 71 die
Intensität der die Probe bestrahlenden Ultraschallenergie
verringern könnte. Der Abschrägungswinkel der
Seitenwände 12 des Behälters 1 und
der Ummantelung der Körper 70 der Abschirmblenden 7 ist
zweckentsprechend so gewählt, damit die Bildung der stehenden
und der Interferenzwellen infolge der gegenseitigen Einwirkung der
ausgestrahlten und der zurückgestrahlten Ultraschallwellen
wirkungsvoll gedämpft wird.
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Bei
der Vorbereitung der Einrichtung zur Messung wird nach dem Anfüllen
des Behälters 1 mit einer entgasten Bindeflüssigkeit 2 (destilliertes
Wasser) die Entfernung zwischen dem Halter 4 der Probe und
der Ultraschallquelle 3 so eingestellt, damit sich die
Probe im Brennpunktbereich der Ultraschallquelle 3 befindet.
In maximal möglicher Nähe zum Halter 4 der
Probe werden eine oder mehrere Abschirmblenden 7 so angebracht,
damit deren Eingangsöffnungen 71 (Aperturen) der
Größe der bestrahlten Probe entsprechen. Mehrere
Abschirmblenden 7 werden mit Vorteil dann verwendet, wenn
de Brennpunktentfernung des Ultraschallstrahlers deutlich, d. h.
mehr als doppelt so groß ist, als die Entfernung zwischen
der Ebene, die durch den Umfang der Eingangsöffnung 71 der
Abschirmblende 7 und dem Halter 4 der Probe gelegt
wurde. Empfehlenswert ist eine Überprüfung der
Einstellung der Abschirmblenden 7 durch eine Messung des
akustischen Drucks im Bereich des Halters 4 der Probe mit
Hilfe eines Hydrophons.
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Die
aufgezeichnete Konstruktion bildet nicht die einzig mögliche
Ausführung der Einrichtung gemäß der
Erfindung, sondern wie aus 3 und den 5 bis 8 hervorgeht,
brauchen die Seitenwände 12 des Behälters 1 nicht
unbedingt in der Form eines sich nach oben verengenden Pyramidenstumpfs
ausgebildet sein, sondern der Innenraum des Behälters 1 kann
sich nach oben zu erweitern, gegebenenfalls kann der Behälter 1 die
Form eines Kegelstumpfs oder verschiedener regelmäßiger
oder unregelmäßiger Vielflächner aufweisen.
Die Anzahl der verwendeten Abschirmblenden 7 kann je nach der
Messart und Eigenschaften der zu messenden Probe unterschiedlich
sein, die Abschirmblenden 7 brauchen übrigens
nicht unbedingt kegelförmig zu sein und können
bei einer bestimmten Art der Messung gänzlich fehlen. Ohne
Einfluss auf den Gegenstand der Lösung kann ferner der
Behälter mit einem abnehmbaren Deckel zugedeckt werden,
und die Arme 5 bzw. der Ständer 6 können
verschiedenartige gewöhnlich gebräuchliche Konstruktionsarten
aufweisen, wobei der Ständer 6 nicht an der Grundfläche 11 des
Behälters 1 befestigt zu sein braucht.
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Industrielle Verwendbarkeit
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Die
Einrichtung gemäß der Erfindung kann mit Vorteil
insbesondere bei der Erforschung der Wirkung der Ultraschallenergie
auf die tote und die lebende Materie, beispielsweise in der Chemie
zur Feststellung der Abhängigkeit der chemischen Reaktion
von der Intensität des angewandten Ultraschalls und in
der medizinischen Forschung zur Bestimmung der Einwirkung des Ultraschalls
auf lebendige Zellen, vor allem im Zusammenhang mit der Anwendung verschiedener
Heilmittel.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - WO 2004/026452 [0004]
- - CZ 283936 [0004]
- - JP 2007077341 [0005]
- - US 4390026 [0005]
- - US 4501151 [0005]