ЛАЗЕРНО-ПЛАЗМЕННЫЙ ИСТОЧНИК ИОНОВ И ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК H01J27/24 

Изобретение используется в наукоемкой технологии, в электронике и может быть применено в медицине для электрофизической обработки газовой среды, преимущественно воздуха, в бытовых промышленных и других помещениях, в частности, в лечебных и/или оздоровительных целях, а также для обеззараживания воды.

Известно устройство, которое содержит источник питания, преобразователь исходной энергии (ПИЭ) в рабочие напряжения, электродную систему подвода рабочих напряжений к обрабатываемой среде, систему транспортировки конгломератов содержимого внутри обрабатываемой среды, активного воздействия на них, перераспределения в них электрических элементарных зарядов и подачи конгломератов обработанной газовой среды в объеме их потребительского использования. ПИЭ выполнен в виде последовательно и/или параллельно соединенных между собой блоков, преимущественно выпрямителя, генератора импульсов, преобразователя напряжения и умножителя, выходы которого соединены с ионизирующими электродами системы (ЭС) подвода рабочих напряжений к обрабатываемой среде. К указанным блокам подключена система локализованной в виде автономных блоков и/или распределенной между блоками и/или их составными узлами многоуровневой и многозвенной, внешней и/или внутриблочной обратной связи (ОС), составленной из узлов, содержащих звенья элементов отрицательной и/или положительной ОС, взаимосвязывающей блоки и/или составные узлы устройства. ЭС выполнена в виде совокупности направляющих, расположенных в нескольких поверхностях. На элементах направляющих размещены ионизирующие электроды произвольной формы (RU 2056174 [1]).

Недостатком известного устройства является то, что при его работе создается малая концентрация ионов молекулярного кислорода и практически отсутствует озон и отрицательные ионы атомарного кислорода. В результате устройством обеспечивается слабое терапевтическое и/или обеззараживающее воздействие.

Известен генератор отрицательных аэроионов, который выполнен в виде стальной сетки, образующей сферический сегмент, покрытый хромом на медном ободе, также покрытом хромом, в котором выполнены отверстия для крепления сетки. В узлах сетки размещены металлические шарики с отверстиями, в которых закреплены металлические иглы с максимально заостренными свободными концами. Иглы и шарики покрыты нитритом титана. Источник питания соединен непосредственно с генератором отрицательных аэроинов с помощью металлического шара с отверстиями, установленного в общей точке соединения трех спиц, прикрепленных к ободу через 120° (RU 2095097 [2]).

Недостатком известного устройства является то, что при его работе создается малая концентрация ионов молекулярного кислорода и практически отсутствует озон и отрицательные ионы атомарного кислорода. В результате устройством обеспечивается слабое терапевтическое и/или обеззараживающее воздействие.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей технической сущности является лазерно-плазменный источник ионов, содержащий оптический квантовый генератор с модулированной добротностью, систему фокусировки лазерного излучения на поверхности мишени, систему формирования ионного потока из лазерной плазмы, ионно-оптическую систему, ось которой нормальна поверхности мишени, и электрод с селектирующей щелью, расположенной в плоскости фокусировки первого порядка по углу, при этом система формирования ионного потока выполнена в виде двух соосных внутреннего и внешнего усеченных конусов, продолжения образующих которых пересекаются в одной точке, лежащей на поверхности мишени, боковые стенки электродов образуют канал формирования потока ионов, а ионно-оптическая система представляет собой гиперболоидную линзу, во входном и выходном электродах которой выполнены кольцевые щели, образующие вместе с каналом формирования тракт ускорения ионов (SU 1045778 [3]).

Недостатком известного устройства является использование лазера с модулированной добротностью, т.е. с малым временем существования плазмы, порядка 1 мксек, что не обеспечивает устойчивого горения непрерывного оптического разряда в воздушной и/или газовой среде для создания легких ионов, обеспечивающих терапевтическое и/или обеззараживающее воздействие. Кроме того, устройство создает ионы из вещества мишени, а не легкие ионы воздуха, которые нужны для этого.

Заявляемые в качестве изобретений лазерно-плазменные источники ионов и излучения направлены на обеспечение устойчивой генерации отрицательных ионов с высокой их концентрацией в воздухе, которые можно использовать для лечения различных заболеваний и обеззараживания воздуха.

Указанный результат достигается тем, что лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит лазер инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему, установленную на пути лазерного излучения, и устройство поджига оптического разряда в фокальной области фокусирующей системы, параметры которой выбирают из условия χR≤2,

где χ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, М^-1;

R - расстояние от точки фокуса фокусирующей системы до центра разряда, М.

Указанный результат достигается тем, что лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит лазер инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему, установленную на пути лазерного излучения, устройство поджига оптического разряда в фокальной области фокусирующей системы и устройство для формирования газового потока, направленного от фокусирующей системы к ее фокальной области.

Указанный результат достигается также тем, что лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит устройство для формирования газового потока, выполненное в виде сопла.

Указанный результат достигается также тем, что лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит устройство для формирования газового потока, выполненное в виде полого тора с соплами симметрично расположенными по его поверхности, обращенной к фокальной области.

В заявляемом устройстве для генерации отрицательных ионов используется создаваемый с помощью лазера непрерывный оптический разряд. Непрерывный оптический разряд (НОР) представляет собой тип лазерной плазмы со значениями температуры до 20000°К и электронной плотностью до 10¹⁸ см^-3. Благодаря этому он является эффективным источником заряженных частиц и мощного излучения в видимом и ультрафиолетовом диапазонах спектра, инициирующего целый ряд плазмо- и фотохимических процессов в окружающем разряд атмосферном воздухе. В результате воздух вблизи горящего оптического разряда насыщается важными для здоровья человека компонентами: отрицательными ионами атомарного и молекулярного кислорода, кислородными комплексами, озоном и окисью азота. Следует отметить, что эти же компоненты образуются в горах под действием солнечного излучения, но там их концентрация на несколько порядков меньше, чем у горящего НОРа. Поэтому неизменно отмечалось, что 40-60 сек пребывания около оптического разряда оказывают сильное благотворное воздействие на организм человека благодаря указанным выше компонентам, а также ультрафиолетовому и видимому излучению плазмы оптического разряда, что вероятно связано с комплексным характером воздействия и значительным усилением обменных процессов в клетках и тканях организма.

Для получения НОРа используется излучение мощного лазера инфракрасного излучения, работающего в непрерывном или импульсно-периодическом режимах. Например, для газоразрядного СО₂-лазера, работающего на длине волны 10,6 мкм, мощность должна быть выше 2,7 кВт. Получить НОР в атмосферном воздухе при меньших значениях мощности затруднительно. При этом для получения НОРа в атмосферном воздухе лазерный пучок должен быть сфокусирован линзой или какой-либо другой фокусирующей системой с фокусным расстоянием, выбираемым из условия χR≤2;

где χ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, a R - расстояние от точки фокуса фокусирующей системы до центра разряда, т.е. до той точки пространства, где предполагается получить разряд. Обычно фокусное расстояние фокусирующей системы колеблется в пределах от 3 до 25 см. При фокусных расстояниях менее 3 см фокусирующая система будет находиться слишком близко от горящей плазмы и быстро выйдет из строя. А при фокусных расстояниях свыше 25 см НОР не может стабильно гореть, так как нарушается условие электродинамической стабилизации разряда. Дело в том, что для стационарного горения НОРа в режиме электродинамической стабилизации необходимо выполнение следующих 2-х условий:

1) интенсивность лазерного излучения в плазме разряда должна быть выше порогового значения S_m для данного газа и

2) интенсивность лазерного излучения S вглубь разряда от передней кромки (где всегда S=S_m) должна возрастать несмотря на поглощение его плазмой оптического разряда, а это возможно только в том случае, если увеличение интенсивности лазерного излучения в плазме оптического разряда за счет подфокусировки лазерного пучка будет перекрывать уменьшение S за счет поглощения лазерного излучения плазмой НОРа.

Математически это условие горения НОРа в режиме электродинамической стабилизации разряда можно написать в следующем виде: (здесь χ - коэфициент поглощения плазмой на длине волны излучения лазера, r - радиус поперечного сечения лазерного пучка в том месте, где локализуется НОР; α - полуугол схождения сфокусированного лазерного пучка).

Если выполнены приведенные выше условия по мощности лазерного излучения и условия его фокусировки, то можно осуществить одним из способов принудительное поджигание оптического разряда в области фокуса, так как простой фокусировкой лазерного излучения современных газоразрядных лазеров, работающих в непрерывном режиме, осуществить пробой атмосферного воздуха невозможно. Принудительное поджигание НОРа в области фокуса можно осуществить либо пробоем воздуха, либо электрическим пробоем, либо, наконец, кратковременным внесением металлической проволоки в область фокусировки луча и созданием очага плазмы в парах металла.

Этого недостатка лишен более сложный конструктивно лазерно-плазменный источник ионов и излучения со стационарно горящим оптическим разрядом в режиме газодинамической стабилизации.

Действительно, использовать оптический разряд в режиме электродинамической стабилизации очень удобно, так как нет необходимости в использовании каких-либо специальных способов и средств стабилизации горения разряда. Однако этот режим имеет значительные ограничения, обусловленные существованием предельных значений мощности лазерного пучка и давления газа, при достижении которых НОР гаснет. Кроме того, невозможно получить НОР в длиннофокусных системах. Все указанные ограничения носят принципиальный характер и практически не позволяют получать мощных стационарных оптических разрядов в режиме электродинамической стабилизации из-за нарушения условия

Однако такой вариант реализации лазерно-плазменного источника ионов и излучения имеет определенный недостаток, связанный с тем, что ввиду налагаемых ограничений на условия существования НОРа он располагается в ограниченной области вблизи фокусирующей системы, что бывает не всегда удобно при его эксплуатации.

Все указанные трудности можно обойти, если воспользоваться газодинамическим режимом стабилизации оптического разряда, при котором стационарное горение плазмы оптического разряда в сфокусированном лазерном пучке осуществляется потоком газа (воздуха, кислорода, аргона, гелия и др.).

В этом случае принципиальная схема получения стационарного горящего оптического разряда будет несколько иной. Она представлена на фиг.2. В данном случае можно использовать лазер инфракрасного излучения сколь угодно большой мощности. Лазерный пучок с помощью линзы, служащий одновременно входным окном соплового блока, фокусируется в некоторой точке, расположенной вблизи выходного сечения сопла, но за его пределами. Поток стабилизирующего оптического разряда газа с известным расходом поступает в сопловой блок, сначала обдувая и соответственно охлаждая линзу, а затем проходит через сопло, создавая поток стабилизирующего газа в области фокусировки лазерного пучка. Поджиг разряда, как и в предыдущем случае, осуществляется кратковременным введением металлической мишени в область фокусировки лазерного пучка либо пробоем газа электрическим разрядом или лазерным излучением. После зажигания оптического разряда в фокусе линзы от него навстречу лазерному лучу начнет распространяться волна светового горения (ВСГ). С увеличением сечения светового пучка ее скорость будет падать и поэтому в конце концов она автоматически остановится в том сечении сфокусированного лазерного пучка, где скорость распространения ВСГ окажется равной скорости потока стабилизирующего газа.

При этом распространение волны светового горения по газу примет стационарный характер.

Переход к режиму газодинамической стабилизации оптического разряда создает благоприятные условия для дальнейшего увеличения параметров плазмы разряда (температуры, электронной плотности, коэффициента поглощения лазерного излучения и интенсивности ультрафиолетового излучения).

Дело в том, что при увеличении скорости потока должна возрасти и скорость распространения ВСГ по газу. Но это увеличение скорости ВСГ может произойти только за счет роста интенсивности лазерного излучения, которое происходит только в том случае, когда фронт ВСГ потоком сдвигается по лазерному пучку в направлении фокуса. Эксперимент подтверждает, что при увеличении скорости потока фронт волны светового горения перемещается ближе к фокусу, что приводит к увеличению интенсивности лазерного излучения на фронте ВСГ, разогреву плазмы настолько, чтобы тепловыделение во фронте ВСГ обеспечило скорость распространения волны, равной скорости газового потока.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования показали, что оптический разряд в режиме газодинамической стабилизации наряду со снятием верхнего предела по мощности луча и давлении газа позволяет значительно увеличить температуру плазмы и вкладываемую в разряд мощность. Кроме того, он снимает все ограничения на фокусировку и позволяет получить оптические разряды в длиннофокусных системах. Изменением скорости стабилизирующего разряд потока газа можно легко регулировать температуру плазмы стационарного горящего оптического разряда в широком диапазоне от 12000 до 20000°К. Отсюда следует, что стационарный оптический разряд в режиме газодинамической стабилизации обладает значительными преимуществами перед всеми другими типами стационарных разрядов. Это прежде всего рекордные значения плотности мощности в плазме (до 10⁶ Вт/см³), температуры плазмы, электронной плотности и излучательной способности плазмы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, простота подвода энергии к плазме, а также возможность получать стерильную и стабильную плазму во всех атомарных и молекулярных газах при давлениях 1 атм. и выше.

Совокупность этих преимуществ открывает огромные перспективы применения оптических разрядов в новейших наукоемких технологиях и в медицине. Она поможет решить трудные проблемы туберкулеза, бронхиальной астмы, атипичной пневмонии, аллергии, атеросклероза, гипертонии, различных кожных и других заболеваний человеческого организма. Таким образом, оптический разряд явится существенным дополнением к традиционным методам лечения человека.

Сущность заявляемого лазерно-плазменного источника поясняется примерами его реализации и чертежами. На фиг.1 показана принципиальная блок-схема устройства с электродинамической стабилизацией оптического разряда; на фиг.2 и 3 - варианты реализации устройства с газодинамической стабилизацией оптического разряда с различными устройствами для формирования стабилизирующего газового потока.

Лазерно-плазменный источник ионов и излучения с электродинамической стабилизацией содержит лазер 1 инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему 2, установленную на пути лазерного излучения, и устройство поджига оптического разряда 3 в фокальной области фокусирующей системы. Все указанные блоки могут быть выбраны из числа известных. Устройство может снабжаться приспособлением 4 для поглощения прошедшего сквозь оптический разряд 5 лазерного излучения.

Устройство работает следующим образом. Включается лазер 1, излучение которого с помощью фокусирующей системы 2 фокусируется в точке, выбранной в соответствии с условиями, приведенными в формуле изобретения.

После поджига разряда с помощью устройства 3 (например, внесением проволочки в область фокусировки лазерного излучения) образуется волна светового горения, которая распространяется по лазерному лучу в направлении к линзе, но она автоматически останавливается в том сечении сфокусированного лазерного пучка 5, где интенсивность лазерного излучения равна S_m и выполняется условие электродинамического механизма стабилизации разряда.

Лазерно-плазменный источник ионов и излучения с газодинамической стабилизацией содержит лазер 1 инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему 2, установленную на пути лазерного излучения, и устройство поджига оптического разряда 3 в фокальной области фокусирующей системы. Все указанные блоки могут быть выбраны из числа известных. Устройство может снабжаться приспособлением 4 для поглощения прошедшего сквозь оптический разряд 5 лазерного излучения. Кроме этого, лазерно-плазменный источник ионов снабжен устройством 6 для формирования газового потока, направленного от фокусирующей системы к ее фокальной области. Это устройство может быть выполнено в виде сопла (соплового блока) или в виде полого тора с соплами, симметрично расположенными по его поверхности, обращенной к фокальной области.

Устройство функционирует следующим образом. Излучение лазера 1 определенной мощности с помощью фокусирующей системы 2 (например, соляной линзы), служащей одновременно входным окном (стенкой корпуса) сопла 6, фокусируется недалеко (в 3-10 см) от выходного сечения сопла. Поток стабилизирующего газа (в нашем случае воздуха) с небольшим расходом поступает от вентилятора или воздуходувки в корпус сопла. Он обдувает и охлаждает линзу, а затем сформированный соплом покидает сопловой блок и проходит через область фокусировки луча со скоростью примерно 1-3 м/сек. После этого осуществляется поджиг оптического разряда с помощью устройства 3 кратковременным введением металлической мишени в область фокусировки лазерного пучка. Плазменный факел, образовавшийся в парах испаренного металла, служит первоначальным очагом поглощения лазерного излучения. Возникшая при этом волна светового горения переходит в окружающий газ (воздух) и ее распространение по лазерному пучку завершается в некотором сечении пучка образованием стационарного горящего оптического разряда 5. После поджига мишень убирается и разряд продолжает гореть в струе атмосферного воздуха или другого газа. Лазерное излучение, прошедшее через плазму оптического разряда, поглощается водоохлаждаемой ловушкой 4. Путем увеличения скорости стабилизирующего разряд потока воздуха оптический разряд можно переместить в область фокусировки лазерного излучения. При этом температура плазмы, и интенсивность излучения оптического разряда, и лечебный эффект будут максимальными.

После поджига оптического разряда можно начать сеанс облучения пациента, который должен находиться на расстоянии 0,3-1,0 м от горящего разряда в защищающих глаза темных очках. Время облучения за сеанс не должно превышать 1 мин. Для более длительного воздействия на организм человека через органы дыхания, которое может составлять от 2 до 20 мин, между оптическим разрядом и пациентом размещаются жалюзи, которые предотвращают воздействие излучения на пациента, но сохраняют лечебный состав воздуха, которым пациент дышит.

Лазерно-плазменные источники легких отрицательно заряженных аэроинов и мощного излучения видимого и ИК-диапазона могут быть использованы для лечения различных заболеваний человека, а также для очистки и обеззараживания воды и помещений от вредителей, микробов и бактерий.

Использование: в наукоемкой технологии, в электронике, в медицине для электрофизической обработки газовой среды, преимущественно воздуха, в бытовых промышленных и других помещениях, в частности, в лечебных и/или оздоровительных целях, а также для обеззараживания воды. Сущность изобретения: лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит лазер инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему, установленную на пути лазерного излучения, и устройство поджига оптического разряда в фокальной области фокусирующей системы, параметры которой выбирают из условия

χR≤2;

где χ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, М^-1; R - расстояние от точки фокуса фокусирующей системы до центра разряда, М. В другом варианте реализации лазерно-плазменный источник ионов и излучения содержит лазер инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему, установленную на пути лазерного излучения, устройство поджига оптического разряда в фокальной области фокусирующей системы и устройство для формирования газового потока, направленного от фокусирующей системы к ее фокальной области. Техническим результатом изобретения является обеспечение устойчивой генерации отрицательных ионов с высокой их концентрацией в воздухе. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерно-плазменный источник ионов и излучения, содержащий лазер инфракрасного излучения, работающий в непрерывном или импульсно-периодическом режимах, фокусирующую систему, установленную на пути лазерного излучения, и устройство поджига оптического разряда в фокальной области фокусирующей системы, параметры которой выбирают из условия

χR≤2;

где χ - коэффициент поглощения плазмы на длине волны лазерного излучения, M^-1;

R - расстояние от точки фокуса фокусирующей системы до центра разряда, M.