СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СРОКА СЛУЖБЫ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ ТРУБКИ ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МЕДИ В МЕДИЦИНСКИХ УСТАНОВКАХ
|
Введение 5
1 Литературный обзор 7
1.1 Строение газоразрядных трубок лазера на парах металлов 7
1.2 Газоразрядные трубки с электродами в холодных буферных зонах 8
1.3 Газоразрядные трубки с электродами в горячей зоне разрядного канала 10
1.4 АЭ на парах меди серий «Кулон» 11
1.5 Влияние температуры окружающей среды на параметры АЭ 12
1.6 Долговечность активного элемента 13
1.7 Особенности работы тиратронов как коммутатор в лазерах на парах меди 14
1.8 Накачка и инверсия в период ионизационной неравновесности плазмы 15
1.9 Особенности формирования излучения ЛИМ 17
1.10 Коэффициент полезного действия (КИД) 18
1.11 Импульсная мощность 19
1.12 Удельная энергия импульса генерации 20
1.13 Частота следования импульса (ЧСИ) 20
1.14 Ограничения энергетических характеристик ЛИМ 21
2 Медицинские установки на базе лазера на парах меди 24
2.1 Ирименение лазера на парах меди в медицине 24
2.2 Медицинская установка «Яхрома-Мед» 27
2.3 Лазер на парах меди «Малахит» 28
3 Экспериментальная часть 30
3.1 Экспериментальные исследование 30
3.2 Результаты исследования 36
4 Иатентное исследование 38
4.1 Анализ динамики патентования 38
4.2 Анализ патентообладателей 38
4.3 Анализ патентов 40
4.4 Выводы по патентному исследованию 41
5 Экология и устойчивое развитие 42
6 Экономическое обоснование 44
6.1 Основная идея 44
6.2 Анализ рынка 44
6.2.1 Иотребители 44
6.2.2 Конкуренты 45
6.2.3 SWOT - анализ 45
6.2.4 Динамика рынка медицинских лазеров 47
6.3 Затраты на техническое решение 47
6.4 Выводы по экономическому обоснованию 48
7 Инженерная этика 50
Заключение 52
Список использованной литературы 54
Приложение А 56
Приложение Б 57
Приложение В 74
1 Литературный обзор 7
1.1 Строение газоразрядных трубок лазера на парах металлов 7
1.2 Газоразрядные трубки с электродами в холодных буферных зонах 8
1.3 Газоразрядные трубки с электродами в горячей зоне разрядного канала 10
1.4 АЭ на парах меди серий «Кулон» 11
1.5 Влияние температуры окружающей среды на параметры АЭ 12
1.6 Долговечность активного элемента 13
1.7 Особенности работы тиратронов как коммутатор в лазерах на парах меди 14
1.8 Накачка и инверсия в период ионизационной неравновесности плазмы 15
1.9 Особенности формирования излучения ЛИМ 17
1.10 Коэффициент полезного действия (КИД) 18
1.11 Импульсная мощность 19
1.12 Удельная энергия импульса генерации 20
1.13 Частота следования импульса (ЧСИ) 20
1.14 Ограничения энергетических характеристик ЛИМ 21
2 Медицинские установки на базе лазера на парах меди 24
2.1 Ирименение лазера на парах меди в медицине 24
2.2 Медицинская установка «Яхрома-Мед» 27
2.3 Лазер на парах меди «Малахит» 28
3 Экспериментальная часть 30
3.1 Экспериментальные исследование 30
3.2 Результаты исследования 36
4 Иатентное исследование 38
4.1 Анализ динамики патентования 38
4.2 Анализ патентообладателей 38
4.3 Анализ патентов 40
4.4 Выводы по патентному исследованию 41
5 Экология и устойчивое развитие 42
6 Экономическое обоснование 44
6.1 Основная идея 44
6.2 Анализ рынка 44
6.2.1 Иотребители 44
6.2.2 Конкуренты 45
6.2.3 SWOT - анализ 45
6.2.4 Динамика рынка медицинских лазеров 47
6.3 Затраты на техническое решение 47
6.4 Выводы по экономическому обоснованию 48
7 Инженерная этика 50
Заключение 52
Список использованной литературы 54
Приложение А 56
Приложение Б 57
Приложение В 74
Трудно представить современную жизнь без применения лазеров. В научных экспериментах лазеры на парах металлов используются для наблюдения атмосферы, а в промышленности они незаменимы для выполнения сварки, резки, закалки, микрообработки и множества других операций, необходимых в обрабатывающей промышленности, машиностроении и авиастроении. Лазеры на парах меди находят применение в медицинской практике.
Лазер на парах меди (ЛИМ) представляет собой источник лазерного излучения видимого диапазона, требующий импульсного напряжения для работы. ЛИМ состоит из активного элемента - керамической трубки с встроенными электродами, генераторами меди и окнами для выхода излучения. Трубка заполнена буферным газом.
Иринцип работы ЛИМ заключается в том, что медь в неоне нагревается до температуры, при которой начинается ее испарение под воздействием электрической энергии. Активное вещество требует постоянного возбуждения для генерации лазерных импульсов в зеленом и желтом спектрах. Для выбора конкретных волн используется обычный фильтр. Для охлаждения активного элемента и резонатора в корпусе установки установлен вентилятор.
В последние годы лазеры на парах меди продолжают вызывать интерес своими уникальными характеристикам. В частности, исследования в области улучшения стабильности и качества лазерного излучения демонстрируют потенциальные значительные усовершенствования в медицинских установках на базе лазеров на парах меди. Внедрение новых материалов и конструктивных решений для активной области лазера, включая улучшение газоразрядной трубки способствует более эффективной генерации лазерных импульсов.
Особое внимание уделяется изучению характеристик лазерного излучения в условиях различной температурной и электрической накачки. Тщательное управление температурными режимами и оптимизация параметров разрядного контура позволяют значительно увеличить коэффициент полезного действия (КИД), улучшить стабильность работы лазера и увеличить срока службы.
Существенным недостатком лазера на парах меди является относительно небольшой срок службы газоразрядных трубок (ГРТ) ~ 500 часов, обусловленный уходом паров меди из активной зоны ГРТ в процессе работы лазера. Одним из возможных путей решения данной проблемы является повышение эффективности накачки активной среды ЛИМ при сохранении номинальной средней мощности генерации лазера, что обеспечивает возможность уменьшить рабочую температуру в ГРТ и сократить расход меди в процессе работы лазера.
В данном исследовании рассмотрен процесс накачки лазера на парах меди с небольшой активной областью. Было установлено, что для оптимизации параметров накачки необходимо учитывать не только ёмкость накопительных и обостряющих конденсаторов, напряжение высоковольтного выпрямителя и частоту импульсов возбуждения, но и индуктивность разрядного контура лазера. Введение дополнительной индуктивности в контур позволило увеличить эффективность накачки вдвое.
Целью данной работы является оптимизация параметров накачки активной среды лазера на парах меди.
В соответствии с поставленной целью будут решаться следующие задачи:
1. Изучить электрофизические процессы в разрядном контуре лазера на парах меди с помощью проведение литературного обзора по теме исследования.
2. Изучить существующие способы повышения срока службы газоразрядной трубки с помощью проведения патентного исследования.
3. Разработать технические решения по повышению эффективности накачки активной среды ЛИМ.
4. Иолучить экспериментальное подтверждение эффективности предлагаемых технических решений.
Лазер на парах меди (ЛИМ) представляет собой источник лазерного излучения видимого диапазона, требующий импульсного напряжения для работы. ЛИМ состоит из активного элемента - керамической трубки с встроенными электродами, генераторами меди и окнами для выхода излучения. Трубка заполнена буферным газом.
Иринцип работы ЛИМ заключается в том, что медь в неоне нагревается до температуры, при которой начинается ее испарение под воздействием электрической энергии. Активное вещество требует постоянного возбуждения для генерации лазерных импульсов в зеленом и желтом спектрах. Для выбора конкретных волн используется обычный фильтр. Для охлаждения активного элемента и резонатора в корпусе установки установлен вентилятор.
В последние годы лазеры на парах меди продолжают вызывать интерес своими уникальными характеристикам. В частности, исследования в области улучшения стабильности и качества лазерного излучения демонстрируют потенциальные значительные усовершенствования в медицинских установках на базе лазеров на парах меди. Внедрение новых материалов и конструктивных решений для активной области лазера, включая улучшение газоразрядной трубки способствует более эффективной генерации лазерных импульсов.
Особое внимание уделяется изучению характеристик лазерного излучения в условиях различной температурной и электрической накачки. Тщательное управление температурными режимами и оптимизация параметров разрядного контура позволяют значительно увеличить коэффициент полезного действия (КИД), улучшить стабильность работы лазера и увеличить срока службы.
Существенным недостатком лазера на парах меди является относительно небольшой срок службы газоразрядных трубок (ГРТ) ~ 500 часов, обусловленный уходом паров меди из активной зоны ГРТ в процессе работы лазера. Одним из возможных путей решения данной проблемы является повышение эффективности накачки активной среды ЛИМ при сохранении номинальной средней мощности генерации лазера, что обеспечивает возможность уменьшить рабочую температуру в ГРТ и сократить расход меди в процессе работы лазера.
В данном исследовании рассмотрен процесс накачки лазера на парах меди с небольшой активной областью. Было установлено, что для оптимизации параметров накачки необходимо учитывать не только ёмкость накопительных и обостряющих конденсаторов, напряжение высоковольтного выпрямителя и частоту импульсов возбуждения, но и индуктивность разрядного контура лазера. Введение дополнительной индуктивности в контур позволило увеличить эффективность накачки вдвое.
Целью данной работы является оптимизация параметров накачки активной среды лазера на парах меди.
В соответствии с поставленной целью будут решаться следующие задачи:
1. Изучить электрофизические процессы в разрядном контуре лазера на парах меди с помощью проведение литературного обзора по теме исследования.
2. Изучить существующие способы повышения срока службы газоразрядной трубки с помощью проведения патентного исследования.
3. Разработать технические решения по повышению эффективности накачки активной среды ЛИМ.
4. Иолучить экспериментальное подтверждение эффективности предлагаемых технических решений.
На сегодняшний день рынок предоставляет широкий выбор лазерных устройств для лечения сосудистых заболеваний кожи. Основные различия между этими аппаратами заключаются в их выходных характеристиках и способах взаимодействия лазерного излучения с тканями.
Правильный выбор типа лазера и режима его работы позволяет минимизировать риск осложнений и ускорить процесс восстановления пациента. В частности, лазерный аппарат «Яхрома-Мед» показывает высокую эффективность и широко применяется, хотя его практическая эффективность составляет лишь 1%, что значительно ниже потенциальной. Поэтому развитие новых технологий для повышения эффективности лазеров остается актуальной задачей.
Исследования указывают на то, что глобальный рынок медицинских лазеров характеризуется нестабильностью, обусловленной сменой приоритетов — в настоящее время акцент смещается в сторону производства лазеров для промышленности и военных нужд.
Оптимизация параметров накачки лазерных установок включает правильный выбор емкости накопительных и сглаживающих конденсаторов, напряжения выпрямителя, частоты возбуждения и индуктивности разрядного контура для достижения максимальной средней мощности генерации. Ранее считалось, что индуктивность разрядного контура препятствует ускорению предымпульсных электронов, что ведет к заселению метастабильных состояний меди на фронте импульса и снижению энергоэффективности лазера. Поэтому индуктивность разрядного контура стремились минимизировать при оптимизации накачки.
Однако исследования показали, что введение индуктивности в разрядный контур удваивает среднюю мощность генерации, особенно в устройствах с небольшим разрядным каналом (до 14 мм для керамических и до 2-3 см для кварцевых каналов меди-лазеров), где диэлектрическая проницаемость каналов играет ключевую роль. В устройствах с более крупными разрядными каналами основной вклад в инверсию вносит собственная емкость разрядного канала, что требует минимизации индуктивности.
Поскольку медицинские установки на базе лазера на парах меди имеют газоразрядные трубки с небольшим рабочим объемом активной среды, существует возможность удвоить их эффективность при небольшой модернизации накачки. Более глубокая модернизация позволяет значительно повысить эффективность за счет устранения повторного нарастания тока через тиратрон с использованием управляемого коммутатора, который отключается после зарядки конденсатора Co, когда ток через тиратрон снижается до нуля.
Правильный выбор типа лазера и режима его работы позволяет минимизировать риск осложнений и ускорить процесс восстановления пациента. В частности, лазерный аппарат «Яхрома-Мед» показывает высокую эффективность и широко применяется, хотя его практическая эффективность составляет лишь 1%, что значительно ниже потенциальной. Поэтому развитие новых технологий для повышения эффективности лазеров остается актуальной задачей.
Исследования указывают на то, что глобальный рынок медицинских лазеров характеризуется нестабильностью, обусловленной сменой приоритетов — в настоящее время акцент смещается в сторону производства лазеров для промышленности и военных нужд.
Оптимизация параметров накачки лазерных установок включает правильный выбор емкости накопительных и сглаживающих конденсаторов, напряжения выпрямителя, частоты возбуждения и индуктивности разрядного контура для достижения максимальной средней мощности генерации. Ранее считалось, что индуктивность разрядного контура препятствует ускорению предымпульсных электронов, что ведет к заселению метастабильных состояний меди на фронте импульса и снижению энергоэффективности лазера. Поэтому индуктивность разрядного контура стремились минимизировать при оптимизации накачки.
Однако исследования показали, что введение индуктивности в разрядный контур удваивает среднюю мощность генерации, особенно в устройствах с небольшим разрядным каналом (до 14 мм для керамических и до 2-3 см для кварцевых каналов меди-лазеров), где диэлектрическая проницаемость каналов играет ключевую роль. В устройствах с более крупными разрядными каналами основной вклад в инверсию вносит собственная емкость разрядного канала, что требует минимизации индуктивности.
Поскольку медицинские установки на базе лазера на парах меди имеют газоразрядные трубки с небольшим рабочим объемом активной среды, существует возможность удвоить их эффективность при небольшой модернизации накачки. Более глубокая модернизация позволяет значительно повысить эффективность за счет устранения повторного нарастания тока через тиратрон с использованием управляемого коммутатора, который отключается после зарядки конденсатора Co, когда ток через тиратрон снижается до нуля.
