RU2161505C1 - Способ стерилизации материалов при помощи свч-излучения с высокой напряженностью поля и устройство для реализации способа - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к системам для стерилизации с использованием электромагнитного излучения диапазона СВЧ. Способ стерилизации заключается в использовании маломощного источника СВЧ-излучения. Повышение напряженности поля СВЧ при помощи объемного резонатора обеспечивает уничтожение микроорганизмов. Стерилизуемый материал может перемещаться внутри резонатора. Устройство для реализации способа стерилизации состоит из магнетрона и объемного резонатора. Изобретение позволяет обеспечить возможность стерилизации диэлектрических или частично диэлектрических материалов без использования мощных генераторов СВЧ. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к способам и устройствам для дезинфекции и стерилизации материалов и предметов с использованием электромагнитного излучения диапазона СВЧ и предназначено для использования в простых и компактных установках.

Предшествующий уровень техники.

В медицинской практике часто возникает необходимость в стерилизации приборов, перевязочных материалов, зубных протезов и т.п., изготовленных полностью или частично из диэлектрических материалов. Используемые для этих целей методы, такие как кипячение в автоклавах, обработка паром, нагревание в жарочных шкафах обеспечивают практически 100% стерилизацию обрабатываемых материалов, но требуют длительного времени обработки, а нагрев до высокой температуры в течение достаточно долгого времени приводит к порче, например, таких материалов, как пластмассы.

Другие методы, не связанные с нагревом, такие, как помещение обрабатываемых материалов в раствор формалина, спирта и т.п. требуют еще более длительной выдержки, часто достигающей нескольких суток.

Третья группа методов связана с использованием источников УФ-излучения, например кварцевых ламп [см. патент США N 5547635, МКИ⁶ A 61 L 2/00, заяв. 10.11.1993, публ. 20.08.1996] , либо рентгеновского или даже жесткого гамма-излучения от мощных радиоактивных источников. УФ-излучение не обеспечивает требуемую в хирургической практике стерильность, т.к. стерилизуется только поверхность, а бактерии или споры, скрытые в порах или покрытые тонким внешним слоем, не прозрачным для УФ-излучения, остаются жизнеспособными. Рентгеновское или гамма излучение надежно стерилизуют материалы только при очень больших дозах, достигающих нескольких сот тысяч или даже миллионов рентген, что требует использования сложных и дорогих боксов для защиты персонала, а большие уровни облучения могут привести к изменению механических или оптических свойств обрабатываемых материалов.

Известен способ, в котором стерилизацию производят в газовых камерах с высокотоксичными газами (например, оксидом этилена), в комбинации с облучением СВЧ-излучением [патент США N 5209902, МКИ⁶ A 61 L 002/12, заяв. 25.02.1991, публ. 11.05.1993].

СВЧ-излучение в отношении стерилизации обладает несколькими преимуществами по сравнению с облучением УФ-излучением, рентгеновским или гамма-излучением.

Защита персонала от СВЧ-излучения большой мощности - задача несравненно более простая, чем в случае рентгеновского или гамма-излучения, т.к. обычного металлического экрана, толщиной в доли миллиметра, достаточно для полной защиты от СВЧ.

СВЧ-излучение сантиметрового диапазона длин волн (от 30 до 1 см) весьма слабо взаимодействует со многими диэлектрическими материалами, такими как стекло, керамика, многие пластмассы, ткани используемые для перевязки, т.е. эти материалы практически прозрачны для СВЧ. Это снимает проблему "скрытых полостей", упомянутую в случае УФ-излучения.

В то же время, СВЧ-излучение сантиметрового диапазона очень сильно поглощается водой, являющейся одним из основных компонентов любого микроорганизма (бактерии на 70-80% состоят из воды, содержание воды в спорах бактерий или в вирусах составляет 5-15%). Таким образом, действие СВЧ-излучения в некотором смысле "точечное", в отличие от УФ, рентгеновского или гамма излучения, одинаково действующих как на микроорганизмы, так и на подвергаемый стерилизации объект.

Еще одним важным достоинством СВЧ-излучения при нагреве водосодержащих объектов является то, что в отличие от всех рассмотренных ранее способов стерилизации воздействие на объект осуществляется не снаружи, а изнутри - за счет тепловой энергии, выделяющейся в объеме самого микроорганизма. Многие микроорганизмы, особенно споры бактерий, имеющие иногда до 5 защитных оболочек, с высоким тепловым сопротивлением, препятствующим эффективному нагреву при внешнем воздействии, оказываются совершенно беззащитными перед даже небольшим внутренним тепловыделением, т.к. в этом случае защитные оболочки спор только облегчают задачу их уничтожения, препятствуя отводу тепла из внутреннего объема бактериальных спор.

Однако для получения СВЧ-излучения с напряженностью поля, достаточной для уничтожения микроорганизмов, требуется обычно использование мощных генераторов диапазона СВЧ-излучения и поэтому этот способ стерилизации не получил широкого распространения.

Раскрытие изобретения
В основу настоящего изобретения положена задача разработать простой, общедоступный метод стерилизации диэлектрических материалов при помощи электромагнитного излучения диапазона СВЧ без использования мощных и дорогих генераторов и не требующих сложных систем контроля и управления.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе стерилизации диэлектрических или частично диэлектрических материалов с помощью электромагнитного излучения СВЧ-диапазона используют источник СВЧ-излучения, мощностью от 100 Вт до 5 кВт, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают связь, между источником СВЧ-излучения и резонатором, размещают внутри резонатора подлежащие стерилизации материалы, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы: источник СВЧ-излучения - резонатор - стерилизуемые материалы, увеличивая напряженность электромагнитного поля внутри резонатора до величины, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов, таких как бактерии, споры или вирусы, за счет непосредственного поглощения ими энергии СВЧ, после чего поддерживают напряженность поля СВЧ на этом уровне в течение времени, достаточного для стерилизации размещенных материалов.

Для обеспечения необходимой электрической прочности резонатора, т.е. для исключения возможности газового пробоя) резонатор заполняют газом с высоким порогом пробоя (например, фреоном или элегазом) и/или при повышенном давлении по сравнению с атмосферным.

При стерилизации материалов с высоким содержанием влаги вначале внутри резонатора поддерживают напряженность поля СВЧ на уровне, достаточном для испарения влаги, после полного высыхания обрабатываемых материалов повышают напряженность поля СВЧ до уровня, обеспечивающего уничтожение малоразмерных биологических объектов.

В случае стерилизации изделий, размеры которых превышают размер области пучности стоячей волны внутри резонатора, для эффективной стерилизации материал перемещают в процессе стерилизации внутри резонатора таким образом, чтобы все части материала последовательно оказывались в области пучности.

Способ реализуется устройством, содержащим источник СВЧ-излучения, которое дополнено объемным резонатором, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого отличается не более чем на 20% от собственной резонансной частоты объемного резонатора, внутри которого расположен излучающий элемент СВЧ-магнетрона. В объемном резонаторе могут быть размещены системы перемещения стерилизуемых материалов и для заполнения резонатора газом с высоким порогом пробоя и/или при повышенном по сравнению с атмосферным давлением.

Сопоставительный анализ показал, что заявляемое решение отличается от прототипа тем, что используют источник СВЧ-излучения мощностью от 100 Вт до 5 кВт, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают связь, между источником СВЧ-излучения и резонатором, размещают внутри резонатора подлежащие стерилизации материалы, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы: источник СВЧ-излучения - резонатор - стерилизуемые материалы, увеличивая напряженность электромагнитного поля СВЧ внутри резонатора до величины, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов, что позволяет судить о соответствии критерию "новизна".

Сущность изобретения заключается в следующем
Для лучшего понимания сущности предлагаемого способа стерилизации необходимо провести некоторые оценки. Оценим напряженность поля СВЧ-излучения, необходимую для уничтожения микроорганизмов путем непосредственного нагрева содержащейся в них воды высокочастотным полем.

Рассмотрим для дальнейшего сравнения случай нагрева водосодержащего материала в обычной бытовой СВЧ-печи мощностью P = 1 кВт. Пусть характерный размер образца R (радиус) = 1 см, объем = 4.2 см, содержание воды в материале 100%.

Оценим поглощающую способность данного объема воды. В соответствии с известной формулой объемная плотность мощности потерь энергии СВЧ в диэлектрике пропорциональна квадрату напряженности поля, частоте поля, диэлектрической проницаемости и тангенсу угла диэлектрических потерь облучаемого материала.

W = (E²·ε_o·ε·ω·tgδ)/4π (1),
где W - объемная плотность мощности потерь энергии СВЧ-поля,
E - напряженность поля (средняя за период) СВЧ-излучения,
ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала,
ε_o = 8,85 · 10^-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума,
ω - угловая частота СВЧ-излучения,
tgδ - тангенс угла диэлектрических потерь для вещества материала.

Для случая СВЧ-печи излучаемая мощность P=1 кВт соответствует напряженности поля E = 200 - 400 В/см (в зависимости от внутреннего объема печи). Подставляя среднее значение E = 300 В/см, ε = 80 (для воды при комнатной температуре), ω/2π = 2.45 ГГц, tg δ = 0,1 (для частоты 2.45 ГГц и комнатной температуры воды), получаем W = 80 Вт/см³. Это означает, что при нахождении в поле СВЧ-излучения с частотой 2.45 ГГц и напряженностью E = 300 В/см каждый грамм воды поглощает мощность 80 Вт, которая идет на нагрев воды.

Определим скорость нагрева образца воды радиусом 1 см. Для этого надо оценить потери энергии. Потери энергии происходят за счет теплопередачи окружающему воздуху и за счет теплового излучения. Потери за счет теплопередачи пропорциональны площади поверхности образца, градиенту температуры и коэффициенту теплопроводности
q = λ·S·gradT (2),
где g - мощность тепловых потерь с поверхности образца
S - площадь поверхности образца
grad Т - градиент температуры, в нашем случае примерно равный разнице температур между образцом воды и окружающим воздухом, отнесенный к характерному размеру задачи (т.е. к радиусу образца, что допустимо для грубой оценки по порядку величины).

Для воздуха λ = 0.023 Вт/м·К, пренебрегая тепловым сопротивлением границы вода-воздух получаем потери энергии за счет теплопередачи q = 0.05 Вт при разнице температур вода-воздух 80 градусов К. В случае нахождения образца воды на какой-либо диэлектрической поверхности эти потери будут несколько больше (за счет большей теплопроводности поверхности), но не превысят 0.5 Вт.

Потери на тепловое излучение при температуре поверхности воды Т = 373 К (т.е. температуре кипения) не превышают
q = S·σ·T⁴ (3),
где q - мощность потерь энергии за счет теплового излучения
S - площадь поверхности
Т - абсолютная температура поверхности
σ = 5.7·10^-8 Вт/м²К⁴ - излучательная способность абсолютно черного тела, что дает в нашем случае потери на тепловое излучение q = 1.4 Вт.

Таким образом, суммарные потери энергии не превышают в любом случае 2 Вт и, соответственно, оказываются много меньше (примерно на два порядка величины меньше) подводимой к образцу энергии СВЧ, которая составляет в соответствии с объемом образца около 340 Вт и этими потерями можно в первом приближении пренебречь.

В этом случае для нагрева образца массой около 4.2 грамм на 80 градусов (т. е. от комнатной до температуры кипения) потребуется энергия в соответствии с теплоемкостью воды (составляющей 4.2 Дж/г) равная 1400 Дж и время нагрева составит около 5 секунд.

Рассмотрим теперь аналогичную задачу для случая, когда размеры образца воды уменьшены от 1 см до 1 мкм (т.е. в 10000 раз), что соответствует среднему характерному размеру микроорганизмов. В этом случае, т.к. система все еще остается макроскопической (т.е. включающей по крайней мере несколько миллионов молекул и размеры системы все еще много больше средней свободной длины пробега молекул воздуха), все вышеприведенные формулы для тепловых потерь остаются в силе.

Так как потери энергии пропорциональны площади поверхности (а в случае теплопередачи еще и градиенту температуры, который тоже возрастает пропорционально изменению масштаба примерно в 10000 раз), а поглощаемая энергия пропорциональна объему, потери энергии за счет теплопередачи и теплового излучения теперь значительно превышают поглощаемую энергию СВЧ.

В случае одиночной бактерии, находящейся в воздухе в поле СВЧ с напряженностью, характерной для бытовых СВЧ-печей, поглощаемая мощность равна 3.4 · 10^-10 Вт; теряемая за счет теплопередачи при (условном) нагреве на 80 градусов - 5·10^-6 Вт, а теряемая за счет теплового излучения при (условном) нагреве на 80 градусов - 1.4·10^-8 Вт.

Таким образом, теряемая в единицу времени за счет теплопередачи молекулам воздуха энергия на 4 порядка величины превышает поглощаемую энергию (потерями на тепловое излучение в случае бактерий можно пренебречь).

Это не позволяет сколько-нибудь существенно нагреть изолированную микроорганизма, находящуюся в поле излучения СВЧ с напряженностью, характерной для бытовых СВЧ-печей и, соответственно, нахождение микроорганизма в таком слабом поле практически никак не сказывается на их жизнеспособности (если только нет дополнительного фактора воздействия на микроорганизмы, такого, например как токсический газ как в патенте США N 5209902).

Для обеспечения существенного нагрева микроорганизма в поле СВЧ необходимо повысить напряженность поля в соответствии с формулой (1) по крайней мере в 100 раз (при прочих равных условиях). Такая напряженность поля позволяет добиться примерного равенства между поглощаемой и отдаваемой за счет теплопередачи и теплового излучения энергии для микроорганизма размером 1 мкм, т.е. в таком поле становится возможным сильный нагрев одиночных микроорганизмов.

Для эффективной стерилизации за счет непосредственного нагрева микроорганизмов воздействием СВЧ-излучения, напряженность поля СВЧ при работе на частоте 2.45 ГГц должна быть не менее 30 кВ/см.

Сама по себе задача повышения напряженности поля СВЧ до требуемого уровня не представляет больших трудностей. Для этого может быть использован объемный резонатор диапазона СВЧ с достаточно высокой добротностью.

В обычно используемых цилиндрических резонаторах, возбуждаемых на моде колебаний ТМ 010, напряженность электрического поля в центре резонатора согласно [А. Мак-Доналд. "СВЧ-пробой в газах", "Мир", М., 1969 г., стр. 167] составляет
E = P·Q/η·ω (4),
где P - мощность источника СВЧ-излучения,
Q - добротность резонатора,
ω - угловая частота СВЧ-излучения, а
η = 0,27·ε_o·V (5),
где
ε_o = 8,85 · 10^-12 Ф/м - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума;
V - объем резонатора, который обычно выбирается как V ~ λ³,
где λ - длина волны СВЧ-излучения в свободном пространстве.

Например, при P = 1 кВт, ω/2π = 2,45 ГГц, V = 1л, Q = 10³ напряженность электрического поля СВЧ внутри резонатора может достигать E ≈ 160 кВ/см.

Это примерно в 500 раз выше, чем в случае рассмотренного ранее примера нагрева в бытовой СВЧ-печи. В таком сильном электромагнитном поле поглощаемая микроорганизмом мощность значительно (примерно в 20 раз) превышает верхнюю оценку мощности тепловых потерь (при размере микроорганизма около 1 мкм).

Численно, в соответствии с формулой (1) поглощаемая 1 (одной) микроорганизмом с характерным размером 1 мкм мощность составляет 8.5 · 10^-5 Вт.

Пренебрегая в этом случае тепловыми потерями, можно оценить скорость нагрева микроорганизма. Эта скорость получается чрезвычайно высокой, что связано с тем, что при изменении линейного масштаба в 10000 раз объем уменьшился в 10¹² раз, в то же время подводимая мощность уменьшилась всего лишь в 340/8.5 · 10^-5 = 4·10⁶ раз.

Таким образом, скорость нагрева микроорганизма в сильном поле, создаваемом внутри резонатора более чем в миллион раз превышает скорость нагрева водяного образца радиусом 1 см внутри бытовой СВЧ-печи. Реально для нагрева микроорганизма до температуры кипения при напряженности поля, достигаемой внутри резонатора в приведенном выше примере, требуется время порядка 1 мкс.

Важно отметить, что в соответствии с формулой (1) для повышения подводимой к микроорганизму мощности кроме увеличения напряженности поля можно использовать зависимость угла диэлектрических потерь воды от частоты СВЧ-излучения. Эта зависимость имеет резонансный характер с максимумом при угловой частоте ω = 1/τ, где τ = 9.2 · 10^-12 с - время диэлектрической релаксации воды при температуре 20 градусов, что отвечает длине волны СВЧ-излучения около 1.7 см. На такой частоте вода имеет максимально возможное поглощение (tgδ ~ 1), которое более чем в 10 раз превышает поглощение на обычно используемой в бытовых СВЧ-печах частоте 2.45 ГГц (соответствующая длина волны 12 см). Учитывая, что угловая частота ω при переходе от длины волны 12 см к длине волны 1.7 см возрастает примерно в 7 раз суммарная эффективность нагрева возрастает почти на два порядка величины (см. формулу (1)).

Очень короткое время, необходимое для нагрева микроорганизма в случае СВЧ-поля высокой напряженности, имеет еще одно преимущество, связанное с тем, что процесс теплопередачи имеет довольно инерционный характер и при таком коротком времени нагрева (около 1 мкс) реальные потери энергии за счет теплопередачи будут существенно меньше оцененных ранее для случая стационарного равновесного нагрева, что помогает достичь необходимого баланса между поглощением и излучением энергии микроорганизма при меньшей напряженности поля СВЧ. Высокая скорость нагрева позволяет охарактеризовать такой способ стерилизации, как "тепловой взрыв микроорганизма изнутри".

Напряженность поля, необходимая для нагрева микроорганизма, оказывается достаточно высокой - порядка или даже в несколько раз выше порога пробоя воздуха при атмосферном давлении (составляющей в диапазоне СВЧ около 30 кВ/см). Эта проблема может быть легко решена при помощи заполнения резонатора каким-либо газом с высоким порогом пробоя (например, элегаз или фреон имеют порог пробоя при атмосферном давлении почти в 10 раз выше, чем воздух).

В случае установления сильной связи между источником СВЧ и объемным резонатором, образующаяся из магнетрона, объемного резонатора и стерилизуемого материала система является единым резонатором со своей резонансной частотой, добротностью и картиной распределения пучностей стоячей волны. Для резонаторов простых форм например цилиндрического, прямоугольного, коаксиального и некоторых других места расположения пучностей для разных типов возбуждаемых колебаний в принципе известны из литературы по СВЧ-технике, но т.к. сильная связь значительно искажает картину поля, даже в этих простых случаях требуется предварительное исследование распределения поля стоячей волны, которое может быть выполнено при помощи стандартных измерительных средств СВЧ (например при помощи СВЧ-зонда). После определения мест расположения пучностей стоячей волны в одну из пучностей помещают стерилизуемый материал, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы: источник СВЧ-излучения - резонатор - стерилизуемый материал, повышая тем самым напряженность поля в месте расположения образца до величины, обеспечивающей уничтожение микроорганизмов как на поверхности, так и внутри образца.

В случае организации перемещения стерилизуемого материала в достаточно значительных пределах внутри резонатора в процессе стерилизации предварительное исследование картины распределения поля СВЧ внутри резонатора может не проводиться, т.к. известно, что области пучности занимают по крайней мере половину объема обычно используемых резонаторов. В этом случае, т.к. процесс механического перемещения образца очень медленный по сравнению с временем установления частоты магнетрона, магнетронный генератор СВЧ будет успевать отслеживать изменение собственной резонансной частоты системы (резонансная частота, вообще говоря, зависит от места расположения образца внутри резонатора), поддерживая тем самым необходимый высокий уровень напряженности поля в каждый момент времени в процессе стерилизации.

Устройство содержит магнетрон с относительно невысокой мощностью (от 100 Вт до 5 кВт), излучающий элемент которого расположен внутри объемного резонатора. Рабочая частота магнетрона может отличаться от резонансной частоты объемного резонатора не более чем на 20%.

Хотя устройство состоит всего из двух основных элементов: магнетрона и резонатора, предложенное для повышения напряженности поля СВЧ в целях стерилизации решение (т.е. организация сильной связи между магнетроном и резонатором и включение стерилизуемого материала в состав образующейся резонансной системы), а также способ стерилизации при помощи СВЧ-излучения с высокой напряженностью поля неизвестны из предшествующего уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "новизна".

Использование объемных резонаторов для СВЧ-пробоя газов известно уже несколько десятилетий [А.Мак-Доналд. СВЧ-пробой в газах, "Мир", М., 1969 г]. Обычно для этих целей конструируют сложные системы, содержащие достаточно мощный генератор СВЧ (обычно магнетронного типа мощностью до нескольких сотен кВт), волноводные линии передачи, СВЧ-нагрузку, ответвители для передачи незначительной доли излучаемой СВЧ-генератором мощности в резонатор, высокоточные системы настройки частоты, системы стабилизации частоты генератора и температуры резонатора, систему контроля мощности и т.п. Резонатор в таких установках связан с магнетронным генератором очень слабо через длинную цепь согласующих и регулирующих СВЧ-элементов. Соответствующие установки оказываются громоздкими и потребляющими значительную электрическую мощность. При этом собственно на возбуждение СВЧ-колебаний внутри резонатора уходит незначительная часть потребляемой всей установкой мощности. Между тем, все вышеупомянутые устройства и системы регулировки и контроля необходимы только для "чистоты физического эксперимента" и от них при использовании систем, содержащих объемный резонатор, на практике можно отказаться. Для этого следует установить между магнетроном и объемным резонатором сильную связь, что и реализовано в настоящем изобретении.

Метод настройки и стабилизации частоты магнетрона полым резонатором также известен достаточно давно. Суть этого метода заключается в том, что в резонансной системе магнетрона, сильно связанного с объемным резонатором, появляются дополнительные резонансные состояния при любом характере связи анодного блока магнетрона с резонатором [Д.В. Самсонов. "Основы расчета и конструирования магнетронов", М., "Советское радио", 1974, с. 167-194].

При этом в соответствии с принципом "минимального рассеяния", колебания системы "магнетрон - резонатор" возбуждаются на той частоте, на которой достигается наибольшее отношение запасенной энергии к общей энергии потерь за период, то есть на частоте, на которой добротность системы максимальна (см. там же). Так как добротность собственной резонансной системы магнетрона (обычное значение добротности < 100) много меньше добротности объемного резонатора (обычное значение 1000 - 10000 и более), колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы, образованной магнетроном и резонатором. Для этого, конечно, должна быть обеспечена "близость" резонансной частоты системы к собственной рабочей частоте магнетона. Необходимая степень близости зависит от конкретного типа использованного магнетрона и способа связи его с резонатором. Аналогичной способностью " самонастраиваться " на частоту конкретного объемного резонатора при условии сильной связи обладают и другие магнетроноподобные источники СВЧ. Это означает, что если магнетрон сильно связан с объемным резонатором и их собственные резонансные частоты с точностью порядка нескольких, не более 20% совпадают, колебания будут возбуждаться на резонансной частоте системы, образованной магнетроном и резонатором, без использования каких-либо механических или электрических устройств для настройки частоты. Конечно, абсолютное значение этой резонансной частоты подвержено температурным и временным изменениям, но взаимная настройка магнетрона и резонатора при этом сохраняется. Сильная связь в системе СВЧ-магнетрон - резонатор может быть установлена, например, если излучающий элемент СВЧ-магнетрона будет размещен в резонаторе.

В случае обеспечения этих условий внутри объемного резонатора начинается накопление энергии и образуется стоячая волна, имеющая максимумы и минимумы напряженности электрического поля, пространственное распределение которых зависит от конкретного типа объемного резонатора (цилиндрический, коаксиальный, прямоугольный и т.д.) и типа возбуждаемых колебаний.

При этом напряженность электрического поля СВЧ в местах расположения максимумов (так называемых "пучностей") значительно превышает напряженность поля, которую развивает магнетрон при излучении в свободном пространстве. Для высокодобротных резонаторов усиление напряженности поля может достигать очень больших величин, порядка 100 и более.

В обычных схемах использования объемных резонаторов для СВЧ-пробоя после достижения пробойной напряженности начинается газовый разряд, который распространяется на весь объем резонатора, в результате напряженность поля внутри резонатора резко снижается за счет диссипации энергии СВЧ образовавшимся газовым разрядом. Однако в случае использования генератора СВЧ относительно невысокой мощности и/или заполнения резонатора газом с высоким порогом пробоя напряженность поля оказывается достаточно высокой для уничтожения микроорганизмов, но недостаточно высокой для пробоя, что открывает возможность использования такого устройства для стерилизации. Стерилизуемый материал, помещаемый внутри резонатора, конечно несколько меняет собственную резонансную частоту системы, но т. к. диэлектрические потери большинства используемых в медицинской практике диэлектрических материалов (таких, например, как полиэтилен, стекло, керамика перевязочные материалы) в диапазоне СВЧ достаточно малы, существенного уменьшения добротности объемного резонатора не происходит. В этом случае СВЧ-магнетрон "самонастраивается" на частоту, соответствующую резонансной частоте системы магнетрон - резонатор - стерилизуемые материалы. При большой разнице между собственной рабочей частотой магнетрона и резонансной частотой системы, превышающей несколько процентов, колебания магнетрона могут возбуждаться на паразитной моде колебаний, что может привести к снижению эффективной излучаемой мощности, но так как магнетрон работает в этом режиме короткое время (не превышающее нескольких секунд), перегрева и выхода магнетрона из строя не происходит.

К сожалению, стерилизация материалов, содержащих открытые металлические части, предлагаемым способом представляется трудноосуществимой по причине пробоя газа, заполняющего резонатор, инициированного разрядом в зоне неоднородного поля вблизи поверхности металла при размещении его в области пучности. Это не позволяет достичь достаточно высокой напряженности поля, необходимой для эффективной стерилизации.

Стерилизация материалов, содержащих металлические части, покрытые диэлектриком, в соответствии с предлагаемым способом возможна.

Краткое описание фигур чертежей.

Работа устройства для реализации способа поясняется чертежом.

Устройство содержит СВЧ-магнетрон 1, излучающий элемент 2 которого размещен в полости объемного резонатора 3, где размещен стерилизуемый материал 4, имеющий в случае необходимости в своем составе вспомогательный элемент 5 для механического перемещения стерилизуемого материала внутри резонатора в процессе стерилизации.

Работает устройство следующим образом.

После подачи напряжения питания на магнетрон 1 за очень короткое время происходит установление частоты, соответствующей резонансной частоте системы магнетрон 1 - резонатор 3 - стерилизуемый материал 4. Далее происходит накопление энергии внутри резонатора 3 в течение ≈ 10^-6 сек до повышения напряженности поля до необходимой величины, после чего на поверхности и внутри стерилизуемого материала происходит уничтожение микроорганизмов за счет поглощения энергии СВЧ, содержащейся в них водой. При необходимости стерилизации образцов большого размера устройство дополняется вспомогательным элементом 5 для перемещения стерилизуемого образца через области пучности, установившейся внутри резонатора стоячей волны в процессе стерилизации. Для надежной стерилизации материал подвергается воздействию СВЧ на высоком уровне в течение нескольких секунд.

Пример конкретного использования.

Использовался магнетрон с блоком питания от бытовых СВЧ-печей, имеющий мощность P = 800 Вт и частоту

ГГц, это позволило при λ = 12 см использовать резонатор, изготовленный из меди, объемом V = 0,7 л с добротностью Q около 10³. Материал для стерилизации с предварительно подсушенной культурой спороносной бактерии т.н. "сенной палочки", известной повышенной жизнеспособностью и трудно стерилизуемой традиционными методами (размер отдельного микроорганизма ≈ 2 мкм), размещен на поверхности на предметного стекла для микроскопа размером 5 на 2 см и толщиной 0.2 см. Перед помещением в резонатор на поверхности предметного стекла наблюдались как одиночные микроорганизма, так и колонии. После выдерживания в резонаторе в течение 3 секунд и немедленного после этого исследования под микроскопом никаких следов колоний, отдельных бактерий или спор бактерий обнаружено не было. При этом нагрев самого предметного стекла практически отсутствовал.

Предложенный способ позволяет использовать устройство, отличающееся компактностью и простотой конструкции, в нем нет необходимости в использовании каких-либо схем слежения, управления или контроля. Проблемы настройки магнетрона и резонатора на одинаковую частоту не возникает, и, соответственно, нет временной и температурной нестабильности, связанной с неточной настройкой частот.

Все это позволяет реализовать способ, используя устройство в медицине для быстрой стерилизации диэлектрических или частично диэлектрических материалов, а малогабаритность и простота конструкции устройства позволяют применить его даже в полевых условиях для стерилизации перевязочных и хирургических материалов от таких микроорганизмов, как бактерии и споры бактерий.

При этом допустимо использование влажных материалов, которые вначале высушиваются воздействием СВЧ на низком уровне напряженности поля (аналогично обычной СВЧ-печи), а после испарения воды, содержащейся в макроскопических количествах во влажных материалах, и перехода в силу этого резонатора в состояние высокой добротности, происходит стерилизация при высоком уровне напряженности поля.

Claims (7)

1. Способ стерилизации диэлектрических или частично диэлектрических материалов с помощью электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, отличающийся тем, что используют источник СВЧ-излучения мощностью от 100 Вт до 5 кВт, напряженность электромагнитного поля которого повышают, для чего используют объемный резонатор, устанавливают связь между источником СВЧ-излучения и резонатором, размещают внутри резонатора подлежащие стерилизации материалы, после чего возбуждают колебания на частоте, соответствующей резонансной частоте системы: источник СВЧ-излучения - резонатор - стерилизуемые материалы, увеличивая напряженность электромагнитного поля СВЧ внутри резонатора до величины, обеспечивающей уничтожение малоразмерных биологических объектов, таких, как бактерии, споры или вирусы, за счет непосредственного поглощения ими энергии СВЧ, после чего поддерживают напряженность СВЧ на этом уровне в течение времени, достаточного для стерилизации размещенных материалов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что во время поддержания напряженности поля СВЧ на уровне, обеспечивающем уничтожение малоразмерных биологических объектов, стерилизуемые материалы перемещают внутри резонатора.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что во время поддержания напряженности поля СВЧ на уровне, обеспечивающем уничтожение малоразмерных биологических объектов, резонатор заполняется газом или смесью газов с высоким порогом пробоя, например, как фреон и/или элегаз, или при повышенном по сравнению с атмосферным давлением.

4. Способ по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что при стерилизации влажных материалов вначале внутри резонатора поддерживают напряженность поля СВЧ на уровне, достаточном для испарения влаги, после полного высыхания обрабатываемых материалов повышают напряженность поля СВЧ до уровня, обеспечивающего уничтожение малоразмерных биологических объектов.

5. Устройство для осуществления способа стерилизации по пп.1 - 4, содержащее источник СВЧ-излучения, отличающийся тем, что устройство дополнено объемным резонатором, а в качестве источника СВЧ-излучения использован СВЧ-магнетрон, рабочая частота которого отличается не более чем на 20% от собственной резонансной частоты объемного резонатора, внутри которого расположен излучающий элемент СВЧ-магнетрона.

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что объемный резонатор дополнен системой перемещения стерилизуемых материалов внутри резонатора.

7. Устройство по п. 5 или 6, отличающееся тем, что объемный резонатор дополнен приспособлением для заполнения резонатора газом с высоким порогом пробоя и/или при повышенном по сравнению с атмосферным давлением.