RU2055529C1

RU2055529C1 - Sound pulse electromagnet irradiator

Info

Publication number: RU2055529C1
Authority: RU
Inventors: Юрий Владимирович Андриянов; Ольга Николаевна Андриянова
Original assignee: Юрий Владимирович Андриянов; Ольга Николаевна Андриянова
Priority date: 1992-10-13
Filing date: 1992-10-13
Publication date: 1996-03-10

Abstract

FIELD: conversion of electric energy. SUBSTANCE: device has membrane, spiral inductor, metal screen, which is disposed at the side being opposite to membrane and connected with internal wire of spiral inductor at its central part. Device also has pulse current generator, which is connected to external wire of spiral inductor and to metal screen at the area, located just the opposite external wire. Metal screen reduces inductivity of discharge circuit. EFFECT: improved reliability; prolonged service life; improved efficiency. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к технике преобразования электрической энергии в энергию звуковых импульсов, в частности, ударных волн, и может найти применение в океанологии, биологии, медицине, например, для разрушения почечных и желчных камней и т.д. The invention relates to techniques for converting electrical energy into energy of sound impulses, in particular shock waves, and can find application in oceanology, biology, medicine, for example, for the destruction of kidney and gallstones, etc.

Известны излучатели звуковых импульсов, содержащие искровой разрядник, подключенный через управляемый ключ к емкостному накопителю, и эллиптический рефлектор [1] Недостатком этих устройств является разброс параметров излучаемых звуковых импульсов от разряда к разряду. Кроме того, из-за эрозии электродов, подвергающихся в процессе разряда воздействию высоких температур и давлений, их приходится заменять через несколько тысяч импульсов. Known emitters of sound pulses containing a spark gap connected through a controlled key to a capacitive storage device, and an elliptical reflector [1] The disadvantage of these devices is the spread of the parameters of the emitted sound pulses from discharge to discharge. In addition, due to erosion of the electrodes subjected to high temperatures and pressures during the discharge process, they have to be replaced after several thousand pulses.

Наиболее близким к предлагаемому является электромагнитный излучатель звуковых импульсов, содержащий спиральный индуктор, подключенный к генератору импульсов тока, и металлическую мембрану, размещенную параллельно индуктору с одной его стороны и отделенную от него изолирующим слоем [2] Это устройство обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров излучаемых звуковых импульсов. Однако большая паразитная индуктивность разрядного контура, слагающаяся из индуктивности разрядника и соединительной линии, приводит к необходимости использовать высокое зарядное напряжение емкостного накопителя генератора импульсов тока (свыше 15 кВ) при получении фокусированных звуковых импульсов длительностью менее 1 мкс, амплитуда которых достаточна для разрушения почечных и желчных камней. С повышением напряжения снижается надежность и долговечность устройства. При низких напряжениях для достижения большой амплитуды звукового импульса необходимо увеличивать емкость конденсатора, а это приводит к увеличению длительности импульса, в результате снижается эффективность дробления камень разрушается на фрагменты большого размера и требуется увеличение числа импульсов, при этом усиливается травматическое воздействие на ткани. Кроме того, несимметричность токоподвода к спиральной катушке индуктора приводит к неоднородному распределению азимутальной компоненты магнитного поля по угловой координате, в результате усиливается неоднородность распределения давления на фронте генерируемого звукового импульса, что в ряде случаев нежелательно. Closest to the proposed one is an electromagnetic emitter of sound pulses containing a spiral inductor connected to a current pulse generator and a metal membrane placed parallel to the inductor on one side of the inductor and separated from it by an insulating layer [2] This device provides good reproducibility of the parameters of the emitted sound pulses. However, the large parasitic inductance of the discharge circuit, consisting of the inductance of the spark gap and the connecting line, leads to the need to use a high charging voltage of the capacitive storage of the current pulse generator (over 15 kV) when receiving focused sound pulses with a duration of less than 1 μs, the amplitude of which is sufficient to destroy the renal and biliary stones. With increasing voltage decreases the reliability and durability of the device. At low voltages, in order to achieve a large amplitude of the sound pulse, it is necessary to increase the capacitance of the capacitor, and this leads to an increase in the pulse duration, as a result, the crushing efficiency decreases, the stone is destroyed into large fragments and an increase in the number of pulses is required, while the traumatic effect on the tissue is enhanced. In addition, the asymmetry of the current supply to the spiral coil of the inductor leads to an inhomogeneous distribution of the azimuthal component of the magnetic field along the angular coordinate, as a result of which the inhomogeneity of the pressure distribution at the front of the generated sound pulse increases, which in some cases is undesirable.

Целью изобретения является повышение эффективности разрушающего воздействия на почечные и желчные камни при одновременном повышении надежности и долговечности устройства. The aim of the invention is to increase the effectiveness of the destructive effect on kidney and gallstones while increasing the reliability and durability of the device.

Достигается это тем, что в электромагнитный излучатель звуковых импульсов, содержащий спиральный индуктор, подключенный к генератору импульсов тока, и металлическую мембрану, размещенную параллельно индуктору с одной его стороны и отделенную от него изолирующим слоем, предлагается ввести металлический экран, установленный параллельно индуктору с другой его стороны, отделенный от него изолирующим слоем и электрически соединенный в средней части с внутренним выводом катушки спирального индуктора, при этом одна шина генератора импульсов тока соединена с экраном в зоне, расположенной напротив внешнего вывода катушки спирального индуктора. This is achieved by the fact that in the electromagnetic emitter of sound pulses containing a spiral inductor connected to a current pulse generator and a metal membrane placed parallel to the inductor on one side and separated from it by an insulating layer, it is proposed to introduce a metal screen mounted parallel to the inductor on the other side, separated from it by an insulating layer and electrically connected in the middle part to the inner terminal of the coil of the spiral inductor, with one pulse of the generator connected to a current screen in the zone situated opposite the outer terminal of the spiral coil inductor.

В конкретных формах выполнения предлагаемое устройство характеризуется следующими дополнительными признаками. In specific forms of execution, the proposed device is characterized by the following additional features.

Мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены в виде сферических сегментов. The membrane, spiral inductor and metal screen are made in the form of spherical segments.

Мембрана, спиральный индуктор и металлический экран выполнены плоскими. The membrane, spiral inductor and metal shield are made flat.

Катушка спирального индуктора выполнена в виде медной шины прямоугольного сечения, размещена в цилиндрическом стакане из изолирующего материала, глубина которого равна толщине медной шины, при этом в дне стакана установлены металлические втулки, проходящие сквозь дно и соединенные с началом и концом катушки, а пространство между витками залито эпоксидным компаундом. The coil of the spiral inductor is made in the form of a copper busbar of rectangular cross-section, placed in a cylindrical cup of insulating material, the depth of which is equal to the thickness of the copper busbar, while in the bottom of the cup metal bushings are installed, passing through the bottom and connected to the beginning and end of the coil, and the space between the turns flooded with epoxy compound.

Металлический экран снабжен металлической скобой, закрепленной на его краях, на которой установлен разрядник генератора импульсов тока. The metal screen is equipped with a metal bracket mounted on its edges, on which a current pulse generator is installed.

Достижение положительного эффекта в предлагаемом техническом решении обеспечивается посредством уменьшения индуктивности токоподвода к спиральной катушке индуктора за счет введения в устройство металлического экрана, размещенного с противоположной по отношению к мембране стороны индуктора и соединенного с катушкой и генератором импульсов тока так, как это указано в отличительных признаках. Achieving a positive effect in the proposed technical solution is achieved by reducing the inductance of the current supply to the spiral coil of the inductor by introducing into the device a metal screen placed on the opposite side of the inductor with respect to the membrane and connected to the coil and the current pulse generator, as indicated in the distinguishing features.

Дополнительный положительный эффект, достигаемый в предлагаемом устройстве, заключается в том, что введение металлического экрана обеспечивает более симметричное распределение магнитного поля вблизи мембраны и, следовательно, более равномерное распределение давления на поверхности фронта излучаемого импульса. An additional positive effect achieved in the proposed device is that the introduction of a metal screen provides a more symmetrical distribution of the magnetic field near the membrane and, therefore, a more uniform pressure distribution on the surface of the front of the emitted pulse.

На фиг.1а,б показаны варианты электрических схем устройства; на фиг.2а, б соответствующие варианты конструктивного выполнения электромагнитного излучателя звуковых импульсов для плоского индуктора. On figa, b shows options for electrical circuits of the device; on figa, b, the corresponding options for the design of the electromagnetic emitter of sound pulses for a flat inductor.

Устройство состоит из индуктора со спиральной катушкой 1, излучающей мембраны 2, отделенной от катушки изолирующим слоем 3, металлического экрана 4, соединенного в средней части с внутренним выводом катушки 1 и отделенного от витков катушки слоем изоляции 6 по всей остальной поверхности. Генератор импульсов тока 7, состоящий в простейшем варианте из высоковольтного импульсного конденсатора 8, управляемого разрядника 9 и блока запуска разрядника 10, подключен одной шиной к внешнему выводу 11 катушки 1, а второй шиной к металлическому экрану 4 в зоне, расположенной напротив внешнего вывода 11. Спиральная катушка 1 размещена в корпусе 12, выполненном, например, в виде цилиндрического стакана из изолирующего материала (фиг.2). В дне стакана установлены металлические втулки 13, 14, соединенные с началом и концом катушки 1. К втулке 13 крепится металлический экран 4, а к втулке 14 шина генератора импульсов тока, вторая шина которого крепится к внешнему краю металлического экрана в зоне расположения втулки 14. Катушка 1, укрепленная в корпусе 12 вместе со втулками 13, 14, например, эпоксидным компаундом, образуют вместе спиральный индуктор. Генератор импульсов тока может быть выполнен в едином блоке с излучателем. Для этого на металлическом экране укрепляется скоба 15, на которой установлен управляемый разрядник 9. Токоподводы 16 и 17 от импульсного конденсатора 8 и управляемого разрядника 9 образуют низкоиндуктивную полосковую линию. Перед мембраной можно установить акустическую линзу 18, обеспечивающую фокусирование звукового импульса. The device consists of an inductor with a spiral coil 1, a radiating membrane 2, separated from the coil by an insulating layer 3, a metal screen 4, connected in the middle part to the inner terminal of the coil 1 and separated from the turns of the coil by an insulation layer 6 over the entire remaining surface. The current pulse generator 7, consisting in the simplest version of a high-voltage pulse capacitor 8, a controlled arrester 9 and a triggering unit of the arrester 10, is connected by one bus to the external terminal 11 of the coil 1, and the second bus to the metal screen 4 in the area opposite the external terminal 11. The spiral coil 1 is placed in the housing 12, made, for example, in the form of a cylindrical glass of insulating material (figure 2). At the bottom of the glass, metal bushings 13, 14 are connected, connected to the beginning and end of the coil 1. A metal shield 4 is attached to the bush 13, and a current pulse generator bus is mounted to the bush 14, the second bus of which is attached to the outer edge of the metal shield in the area of the bush 14. The coil 1, mounted in the housing 12 together with the bushings 13, 14, for example, an epoxy compound, together form a spiral inductor. The current pulse generator can be made in a single unit with a radiator. To do this, a bracket 15 is mounted on the metal screen, on which a controllable spark gap 9 is installed. The current leads 16 and 17 from the pulse capacitor 8 and the controllable spark gap 9 form a low-inductance strip line. In front of the membrane, you can install an acoustic lens 18, providing focusing of the sound pulse.

Спиральная катушка 1 может быть выполнена либо в виде одной спирали (фиг. 1б), либо в виде двух и более параллельно идущих спиралей (фиг.1б). Во втором случае внутренние выводы всех спиралей соединены вместе и подключены к центру экрана, а внешние выводы спиралей подключены каждая к одному выводу своего конденсатора, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к разряднику. В случае многоспиральной катушки можно к каждой спирали подключать отдельный конденсатор, при этом все конденсаторы коммутируются через общий разрядник (фиг. 2а), но можно включить и один конденсатор, как это показано на фиг.2б. The spiral coil 1 can be made either in the form of a single spiral (Fig. 1b), or in the form of two or more parallel spirals (Fig. 1b). In the second case, the internal leads of all the spirals are connected together and connected to the center of the screen, and the external leads of the spirals are each connected to one terminal of their capacitor, the second leads of which are connected together and connected to the spark gap. In the case of a multi-spiral coil, a separate capacitor can be connected to each spiral, while all capacitors are switched through a common spark gap (Fig. 2a), but one capacitor can also be turned on, as shown in Fig. 2b.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Конденсатор 8 предварительно заряжается от источника постоянного напряжения (не показан). При подаче импульса запуска от блока запуска 10 на разрядник 9 последний пробивается и в цепи, состоящей из катушки 1, металлического экрана 4, разрядника 9, конденсатора 8, протекает импульс тока с амплитудой 1, который создает вблизи поверхности мембраны магнитное поле с амплитудой Н. Импульс магнитного давления (μ Н²/2) ·τ ускоряет мембрану, которая возбуждает в среде звуковой импульс (здесь μ=4π· 10^-7, τ длительность импульса). Этот импульс может быть сфокусирован линзой 18 в фокальной зоне малых размеров, в которой амплитуда давления увеличивается во много раз.The capacitor 8 is pre-charged from a constant voltage source (not shown). When a start pulse is applied from the start block 10 to the spark gap 9, the latter breaks through and a current pulse with an amplitude of 1 flows through a circuit consisting of a coil 1, a metal shield 4, a spark gap 9, a capacitor 8, which creates a magnetic field with an amplitude H near the membrane surface. magnetic pressure pulse (μ H ^2/2) · τ accelerates membrane which excites sound pulse in the medium (here μ = 4π · 10 ^-7, τ pulse duration). This pulse can be focused by the lens 18 in the focal zone of small sizes, in which the pressure amplitude increases many times.

Амплитуда давления пропорциональна квадрату амплитуды тока в разрядном контуре, а при заданной начальной энергии в контуре максимальна для контура, имеющего коэффициент затухания в диапазоне от 0,35 до 0,9. Ток в контуре и коэффициент затухания возрастают с уменьшением полной индуктивности контура, при этом для контура из массивных проводников (толщина проводников больше толщины скин-слоя) максимально достижимый коэффициент затухания составляет 0,5. Для того, чтобы обеспечить величину γ в указанном диапазоне необходимо уменьшать зазор между мембраной и индуктором, а также величину паразитной индуктивности контура, слагающуюся из индуктивности разрядника и токоподводов от генератора импульсов тока к индуктору. Введение металлического экрана позволяет уменьшить величину паразитной индуктивности и обеспечить затухание в контуре в указанном выше диапазоне значений. При достаточной близости экрана к спиральной катушке распределение тока по поверхности экрана оказывается достаточно равномерным, что обеспечивает улучшение равномерности распределения магнитного давления по поверхности мембраны. The pressure amplitude is proportional to the square of the amplitude of the current in the discharge circuit, and for a given initial energy in the circuit is maximum for a circuit having a damping coefficient in the range from 0.35 to 0.9. The current in the circuit and the attenuation coefficient increase with a decrease in the total inductance of the circuit, while for a circuit of massive conductors (the thickness of the conductors is greater than the thickness of the skin layer), the maximum attainable attenuation coefficient is 0.5. In order to ensure the value of γ in the specified range, it is necessary to reduce the gap between the membrane and the inductor, as well as the value of the stray inductance of the circuit, consisting of the inductance of the spark gap and current leads from the current pulse generator to the inductor. The introduction of a metal shield can reduce the stray inductance and provide attenuation in the circuit in the above range of values. With sufficient proximity of the screen to the spiral coil, the current distribution over the surface of the screen is quite uniform, which improves the uniformity of the distribution of magnetic pressure over the membrane surface.

Форма экрана определяется формой индуктора. В случае индуктора, выполненного в виде сферического сегмента, металлический экран также выполняется в виде сферического сегмента. В плоском случае металлический экран выполняется плоским в виде диска. The shape of the screen is determined by the shape of the inductor. In the case of an inductor made in the form of a spherical segment, the metal screen is also made in the form of a spherical segment. In the flat case, the metal screen is flat in the form of a disk.

В п.3 формулы изобретения описан вариант выполнения индуктора с плоской спиральной катушкой. В этом случае целесообразно выполнить витки катушки в виде шин прямоугольного сечения, при этом обеспечивается минимальный объем, занимаемый магнитным полем индуктора, и технологичность крепления катушки индуктора в изолирующем корпусе, выполненном в виде стакана. In paragraph 3 of the claims describes an embodiment of an inductor with a flat spiral coil. In this case, it is advisable to make the coil turns in the form of rectangular busbars, while ensuring the minimum volume occupied by the magnetic field of the inductor and the adaptability of mounting the inductor coil in an insulating casing made in the form of a cup.

В п.5 формулы описан вариант компактного размещения генератора импульсов тока совместно с излучателем. Отметим, что в этом случае удобным оказывается подключение многоспиральной компланарной катушки к конденсаторам через общий разрядник. Paragraph 5 of the formula describes a compact arrangement of the current pulse generator together with the emitter. Note that in this case it is convenient to connect a multispiral coplanar coil to capacitors through a common spark gap.

В известных устройствах увеличение амплитуды давления при заданной длительности импульса осуществляют увеличением зарядного напряжения. При этом возникают проблемы обеспечения электрической прочности. Надежность устройства снижается с увеличением зарядного напряжения. Это также относится и к долговечности. В предлагаемом устройстве те же давления достигаются при более низком зарядном напряжении, чем в известных устройствах, поэтому оно обладает более высокой надежностью и долговечностью. Кроме того, уменьшение индуктивности спирального индуктора приводит к укорочению длительности импульса давления, а это обеспечивает разрушение камня на более мелкие фрагменты, т.е. повышается эффективность разрушающего воздействия. In known devices, the increase in pressure amplitude at a given pulse duration is carried out by increasing the charging voltage. This raises the problem of ensuring electrical strength. The reliability of the device decreases with increasing charging voltage. This also applies to durability. In the proposed device, the same pressures are achieved at a lower charging voltage than in known devices, therefore, it has higher reliability and durability. In addition, a decrease in the inductance of the spiral inductor leads to a shortening of the duration of the pressure pulse, and this ensures the destruction of the stone into smaller fragments, i.e. the effectiveness of the destructive effect is increased.

Claims

1. ELECTROMAGNETIC RADIATOR OF SOUND PULSES, comprising a spiral inductor connected to a current pulse generator and a metal membrane placed parallel to the inductor on one side of the inductor and separated from it by an insulating layer, characterized in that a metal screen is inserted in it, mounted parallel to the inductor on the other its sides, separated from it by an insulating layer and electrically connected in the middle part to the inner terminal of the coil of the spiral inductor, with one bus of the current pulse generator dinena with a screen in the zone situated opposite the outer terminal of the coil of the spiral inductor.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that it has a membrane, a spiral inductor and a metal screen made flat.

3. The emitter according to claim 1, characterized in that it has a membrane, a spiral inductor and a metal screen made in the form of spherical segments.

4. The emitter according to claims 1 and 3, characterized in that the coil of the spiral inductor is made in the form of a copper bus bar of rectangular cross-section, placed in a cylindrical glass of insulating material, the depth of which is equal to the thickness of the copper bus, with metal bushings installed in the bottom of the glass passing through the bottom and connected to the beginning and end of the coil, and the space between the turns of the spiral is filled with epoxy compound.

5. The emitter according to claims 1, 3 and 4, characterized in that the metal screen in it is equipped with a metal bracket fixed at its edges, on which a current pulse generator is installed.