Содержание к диссертации
Введение
Раздел I. Исследование высокочастотного возбуждения углекислотного лазера 15
1.1. Особенности поперечного высокочастотного разряда 16
1.2. Исследование разрядной структуры системы высокочастотного возбуждения 22
1.2.1 Разрядная структура С02 лазера с ВЧ возбуждением 23
1.2.2 Поперечная неоднородность ВЧ возбуждения активной среды 27
1.2.3 Продольная неоднородность ВЧ возбуждения активной среды 35
1.2.4 Коррекция распределения напряжения вдоль электродов 37
1.3. Согласование электродной разрядной структуры с высокочастотным генератором ... 44
Раздел II. Исследование и разработка волноводного резонатора U - типа со стабильным модовым составом излучения 50
2.1 Простая модель стационарной генерации в волноводном резонаторе U -типа 52
2.2 Волноводные потери 55
2.3. Потери связи 58
2.4. Потери в зеркалах резонатора 63
2.5.Усиление слабого сигнала и мощность насыщения усиления 64
2.6. Экспериментальные исследования С02 лазера 66
2.7 Моделирование волноводного С02 лазера для лазерного хирургического аппарата ... 70
2.7.1 Результаты численного моделирования 70
2.7.2 Экспериментальная проверка адекватности численной модели 72
2.8 Разработка конструкции волноводного С02 лазера 74
2.8.1 Конструкция лазерного излучателя 74
2.8.2 Конструкция высокочастотного генератора 78
2.8.3 Результаты испытаний волноводного С02 лазера 80
Раздел III. Разработка серии лазерных хирургических аппаратов «Ланцет» 86
3.1. Система управления лазерного хирургического аппарата 90
3.1.1. Способ управления мощностью излучения С02 лазера 92
3.1.2. С02 лазер как объект управления 100
3.1.3. Результаты испытаний системы управления 105
3.1.4. Устройство системы управления лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет» 108
3.2. Конструкция лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет» 112
3.3. Результаты испытаний лазерных хирургических аппаратов 114
Заключение 120
Список литературы 126
- Исследование разрядной структуры системы высокочастотного возбуждения
- Согласование электродной разрядной структуры с высокочастотным генератором
- Моделирование волноводного С02 лазера для лазерного хирургического аппарата
- Устройство системы управления лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет»
Введение к работе
В настоящее время в России, как и за рубежом, сформировалось новое, быстро развивающееся направление медицины - лазерная медицина, использующая лазерные аппараты различного назначения.
Лазерная хирургия относится к числу отраслей медицины минимального вмешательства для лечения широкого круга заболеваний. Эффективность применения лазеров в хирургии связана с уникальными свойствами лазерного излучения - его монохроматичностью, когерентностью и высокой направленностью.
Исследования взаимодействия лазерного излучения с биологическими тканями, которые с начала 60-х годов ведутся в нашей стране и во многих странах мира выявили следующее:
Отсутствие прямого контакта инструмента с биологической тканью при проведении хирургического вмешательства с помощью луча лазера резко снижает опасность инфицирования оперируемых органов.
Излучение лазера убивает патогенную микрофлору и опухолевые клетки в зоне операционного разреза, чем уменьшается вероятность послеоперационных осложнений.
Лазерное излучение герметизирует кровеносные сосуды в зоне воздействия, позволяя во многих случаях получить практически бескровные разрезы и сохранить операционное поле сухим и чистым.
Лазерное излучение, сфокусированное до нескольких десятков микрон, оказывает минимальное термическое воздействие на биологические ткани, расположенные в непосредственной близости к зоне операционного вмешательства.
Высокая управляемость параметров лазерного излучения позволяет оптимизировать воздействие в зависимости от вида биологической ткани и формы патологии [1-4].
Наибольшее распространение в качестве инструмента лазерной хирургии получили углекислотные (С02) лазеры. Механизм воздействия излучения С02 лазера на биологические ткани, всегда содержащие в значительных количествах молекулы воды, связан с интенсивными полосами поглощения последней в инфракрасной области спектра. Благодаря высокому уровню поглощения биологической ткани на длине волны С02 лазера (10,6 мкм), практически вся энергия излучения преобразуется в тепло, что позволяет производить эффективное выпаривание биологической ткани в зоне операционного воздействия. Глубина проникновения излучения С02 лазера варьируется для различных видов биологической ткани от 1 до 50 мкм. В зависимости от мощности излучения и от размера пятна излучения на обрабатываемой ткани происходит ее рассечение или поверхностная коагуляция [5]. Глубина рассечения определяется, в основном, скоростью перемещения точки фокусирования лазерного луча по поверхности обрабатываемой ткани и может достигать нескольких миллиметров [2,4,6,7]. Таким образом, С02 лазер является превосходным режущим инструментом с незначительным повреждением окружающей ткани. Следует также отметить, что на сегодняшний день С02 лазер является наиболее технологичным, надежным (ресурс работы достигает нескольких тысяч часов) и эффективным (коэффициент полезного действия достигает 10-15%) лазерным устройством, позволяющим создавать надежную, компактную и при этом относительно недорогую медицинскую аппаратуру. Наиболее перспективным источником лазерного излучения с точки зрения компактности, энергетической эффективности и стабильности параметров являются С02 лазеры с резонаторами волноводного типа (волновод-ные С02 лазеры) с поперечным возбуждением активной среды высокочастотным электрическим разрядом, [8].
Совокупность перечисленных выше полезных свойств лазерного излучения обеспечивает лазерной аппаратуре широкое применение в разнообразнейших областях медицины:
общей хирургии, стоматологии, онкологии, гинекологии, оториноларингологии, нейрохирургии, офтальмологии, урологии, дерматологии, пластической хирургии и косметологии.
Во всем мире наблюдается интенсивный рост выпуска лазерных аппаратов хирургического назначения. Несколько десятков фирм России, США, Израиля, Италии, Германии, Франции, Японии и других стран производят лазерную аппаратуру всех типов. Рынок лазеров медицинского назначения занимает 20% от всего рынка лазеров и характеризуется годовым объемом продаж порядка 800 млн. долларов США [9-11]. Ежегодно продается до 7000 лазерных хирургических установок, из них порядка 2500 на основе С02 лазеров [11].
В России до недавнего времени серийно выпускались углекислотные хирургические лазерные установки «Скальпель-1», «Ромашка-1», «Ромашка-2», «Скальпель-3», базирующиеся на громоздких и устаревших в техническом отношении С02 лазерах с возбуждением разрядом постоянного тока. По своим техническим характеристикам, возможностям использования они значительно уступают зарубежным аналогам, совершенно не удовлетворяя потребностям динамично развивающейся отечественной лазерной медицины и сдерживая ее развитие.
Таблица В. 1 Отечественные и зарубежные лазерные хирургические аппараты на основе С02 лазера, выпускавшиеся серийно в 1990 г.
В таблице В.1 представлен перечень и основные технические характеристики отечественных и зарубежных лазерных хирургических аппаратов на основе С02 лазера, выпускаемых серийно на начало 1990 г.
Анализ таблицы В.1 показывает, что на начало 1990 года в СССР наметилось серьезное отставание в техническом уровне аппаратов для лазерной хирургии. Отечественные аппараты, выпускаемые серийно, уступали зарубежным аналогам по ряду параметров, прежде всего по массогабаритным параметрам и качеству фокусировки излучения на биоткани.
Кроме того, на рынке появился новый класс аппаратов - портативные аппараты средней мощности. Аппараты этого класса обеспечивали выполнение 80-90 % всех видов операций, при этом выгодно отличались малыми размерами, массой, стоимостью и обещали стать наиболее массовыми аппаратами для лазерной хирургии. Отечественные аппараты подобного класса не выпускались.
По информации врачей, отечественные аппараты имели и ряд эксплуатационных недостатков. Электропитание аппаратов осуществлялось от силовой электрической сети напряжением 380 В, а охлаждение - водопроводной водой, что требовало специального оборудования операционных. Оптико-механические манипуляторы отечественных аппаратов были тяжелы, отличались плохой подвижностью и были крайне ненадежны в эксплуатации. Это сильно осложняло работу хирурга, поскольку манипулятором непосредственно проводится тонкое операционное воздействие.
Главной причиной технического отставания отечественных лазерных аппаратов являлась малая эффективность применяемых С02 лазеров, а причиной эксплуатационных недостатков - низкий уровень конструирования.
Лазеры, применявшиеся в отечественных серийных аппаратах, отличались большими габаритами и массой, низкой удельной мощностью и низким КПД, что приводило к большим габаритно-массовым показателям, высокому энергопотреблению и тепловыделению аппарата. Низкое качество многомодового лазерного пучка не позволяло качественно сфокусировать излучение на биоткани и достичь высокой остроты «лазерного скальпеля».
Необходимость проведения ряда уникальных операций, выполняемых только с помощью лазеров, требовало приобретения дорогостоящей импортной аппаратуры, что связано с материальными расходами, непосильными для нашей медицины в ее нынешнем состоянии.
Для преодоления наметившегося отставания в техническом уровне и обеспечения отечественных врачей оборудованием мирового уровня в КБ приборостроения под руководством автора диссертации в начале 1990 года были начаты работы по созданию волновод-ных С02 лазеров с поперечным возбуждением активной среды высокочастотным электрическим разрядом, а на его основе - многофункциональных лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет» с мощностью излучения на биологической ткани от 20 до 80 Вт, максимально автономных, с минимальными требованиями к регламентным работам при обслуживании и эксплуатации, [12,13].
На основании вышеизложенного, целью диссертационной работы является:
Разработка теоретических основ проектирования волноводного С02 лазера с поперечным возбуждением активной среды высокочастотным электрическим разрядом и создание на его базе универсального портативного лазерного хирургического аппарата.
Указанная цель требует постановки и решения следующих научно-технических задач:
создание эффективного С02 лазера, отличающегося малыми габаритами и массой, с высокой удельной мощностью излучения и высоким качеством лазерного пучка;
создание эффективных подсистем аппарата, в первую очередь, системы управления аппарата, обеспечивающей точный контроль и согласованное функционирование всех систем аппарата, управление работой аппарата с полным использованием имеющихся возможностей, а также безопасность при эксплуатации;
разработка конструкции аппарата, обеспечивающей удобство работы хирурга, компоновку всех составных частей с минимальными размерами аппарата в целом, стабильность параметров в широком диапазоне условий эксплуатации, а также технологичность при серийном изготовлении;
освоение экономически эффективного серийного производства, обеспечивающего высокое качество и надежность выпускаемых аппаратов.
Теоретической и практической разработке сформулированных задач посвящена данная работа, состоящая из трех разделов и заключения.
В первом разделе разработана простая модель поперечного высокочастотного разряда, учитывающая влияние приэлектродных слоев и проводимости столба плазмы. С помощью этой модели проведена оптимизация разрядной структуры с целью уменьшения неравномерности возбуждения активной среды в разрядных каналах лазера при изменении мощности высокочастотной накачки
Исследована система высокочастотного возбуждения С02 лазера. Разработана полностью металлическая волноводно-разрядная структура типа С+, которая, в отличие от структуры типа С, по своим характеристикам не уступает керамическим и металл окерамическим структурам и, в то же время, имеет низкую стоимость изготовления.
Предложен новый принцип согласования работы излучателя и высокочастотного блока питания, который позволяет повысить эффективность высокочастотной накачки.
Во втором разделе разработана модель волноводного С02 лазера с резонатором U -типа, базирующаяся на учете баланса потерь и усиления для различных мод волноводного резонатора. Особенностью модели является учет влияния активной среды по полуэмпирической модели, использующей определенные экспериментально интегральные характеристики активной среды - коэффициент усиления слабого сигнала и мощность насыщения.
Проведено моделирование и оптимизация параметров резонатора разрабатываемого лазера.
Разработана компактная, полностью металлическая конструкция излучателя лазера, а также конструкция транзисторного высокочастотного блока питания. Приведены результаты испытания изготовленного образца лазера, которые подтвердили соответствие параметров изготовленного лазера заданным требованиям.
Изготовлены образцы волноводного С02 лазера с высокочастотной накачкой. Произведенные измерения энергетических параметров и спектра излучения подтвердили адекватность разработанных моделей и эффективность выбранного способа селекции длины волны излучения.
В третьем разделе разработан способ управления мощностью излучения лазера с высокочастотным возбуждением; приведены описания общей компоновки и конструкции лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет» и их подсистем.
В заключении кратко сформулированы основные научно-технические результаты работы, выполнена оценка технико-экономического уровня разработанных лазерных аппаратов серии «Ланцет» и указаны области его применения.
Общая методика исследования базируется на известных положениях теории С02 лазера, математическом и компьютерном моделировании основных процессов, протекающих в разрабатываемом волноводном углекислотном лазере с поперечным высокочастотным возбуждением активной среды, на лабораторной отработке экспериментальных образцов с по-
следующей апробацией в медицинских учреждениях на соответствие требований Госстандарта России и Минздрава Российской Федерации. Научная новизна и практическая ценность выполняемой работы.
Разработана идентифицированная математическая модель поперечного высокочастотного разряда углекислотного лазера с учетом влияния приэлектродных слоев проводимости столба плазмы.
Выполнено исследование изменения толщины приэлектродных слоев высокочастотного разряда в условиях изменяющейся степени диссоциации молекул углекислого газа.
Проведена оптимизация разрядной структуры с целью уменьшения неравномерности возбуждения активной среды в волноводно-разрядных каналах лазера при изменении мощности высокочастотной накачки.
Разработана математическая модель волноводного С02 лазера с резонатором U - типа с учетом баланса потерь и усиления для различных мод волноводного резонатора.
Выполнено компьютерное моделирование и оптимизация параметров резонатора лазера.
Разработаны полностью металлическая волноводно-разрядная структура типа С+ для углекислотного лазера, которая по своим характеристикам не уступает керамическим и ме-таллокерамическим структурам типа С, но имеет меньшую стоимость изготовления.
Предложен принцип согласования работы излучателя и высокочастотного блока питания.
Разработан способ управления мощностью излучения лазера с высокочастотным возбуждением активной среды.
Разработана унифицированная в конструктивном и технологическом отношении серия лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет», которые по своим медико-техническим характеристикам соответствуют мировому уровню и превосходят все отечественные хирургические аппараты с углекислотным лазером, выпускаемые серийно.
На защиту выносятся
Идентифицированная математическая модель поперечного высокочастотного разряда уг-лекислотного лазера, учитывающая влияние приэлектродных слоев и проводимости столба плазмы.
Идентифицированная математическая модель волноводного углекислотного лазера с резонатором U-типа, учитывающая баланс потерь и усиления для различных мод волноводного резонатора.
Компьютерные модели, с помощью которых выполнена оптимизация разрядной структуры и резонатора разрабатываемого лазера.
Способ управления мощностью излучения лазера с высокочастотным возбуждением активной среды.
Технические решения, защищенные патентами, положенные в основу разработанной конструкции лазерного хирургического аппарата «Ланцет» [14-20].
Теоретические основы разработки и разработанная на их базе серия универсальных лазерных хирургических аппаратов «Ланцет» («Ланцет», «Ланцет-2» и «Ланцет-3») созданы в рамках программы конверсии в соответствии с медико-техническими требованиями «Переносной лазерный хирургический аппарат» от 21.05.90 г. Разработка аппарата «Ланцет» производилась в рамках договора с Министерством Здравоохранения СССР. Разработка аппарата «Ланцет-2» велась за счет собственных средств ГУП «КБП». Разработка аппарата «Ланцет-3» велась в рамках международного научно-технического проекта и финансировалась Комиссией Европейских Сообществ.
Компактность и мобильность лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет» позволяют применять их поочередно в нескольких отделениях клиники:
в гинекологии (коагуляция эрозий, лечение острого гнойного мастита, коагуляция опухолей шейки матки и влагалища, удаление остроконечных кондилом, полипов шейки матки);
в онкологии (лечение предраковых заболеваний, выпаривание опухолей, абдоминальная онкология);
в дерматологии и косметологии (дермабразия, кожно-пластическая хирургия, удаление татуировок, гемангиом, бородавок, угрей и других новообразований, лечение гнойно-воспалительных заболеваний, трофических язв);
в офтальмологии (хирургия век и конъюнктивы, коагуляция опухолей глаза и орбиты);
в нейрохирургии (гемостаз и выпаривание опухолей);
в ожоговой хирургии (некрэктомия тканей при ожогах и отморожениях различной степени, обработка келлоидных рубцов);
в общей хирургии (гемостаз и обеззараживание ран, операции на печени и селезенке, резекция внутренних органов, лечение трофических язв различного генеза, выпаривание опухолей);
в оториноларингологии (хирургия гортани, трахеи и голосовых связок);
в урологии (хирургическое лечение гнойно-воспалительных заболеваний, удаление опухолей);
в стоматологии (хирургическая стоматология, челюстно-лицевая хирургия, лечение парадонтоза).
Основные теоретические результаты исследования были изложены в публикациях [21-24], а также докладывались на различных конференциях гг. Тулы, Санкт-Петербурга и Москвы.
Аппараты «Ланцет», «Ланцет-2» и «Ланцет-3» базируются на волноводных углеки-слотных лазерах с резонатором волноводного типа и поперечным высокочастотным возбуж-
дением активной среды. За создание теоретических основ разработки указанных лазеров коллектив разработчиков, в их числе и автор настоящей работы, был удостоен Премии Правительства СССР за 1989 г.
Исследование разрядной структуры системы высокочастотного возбуждения
Зажигание поперечного высокочастотного разряда в лазерах осуществляется с помощью разрядной структуры, содержащей электроды достаточной длины и другие элементы, образующие стенки разрядного канала. Электроды в разрядной структуре располагаются параллельно друг другу с некоторым промежутком. После подачи на электроды высокочастотного напряжения между ними зажигается разряд, заполняющий межэлектродный промежуток. Длина электродов разрядной структуры выбирается такой, чтобы обеспечить необходимое усиление активной среды лазера для получения заданной мощности излучения. Оптимальные условия для возбуждения активной среды и усиления индуцированного излучения обеспечиваются выбором специальной конфигурации электродов разрядной структуры.
В волноводных лазерах стенки разрядной структуры одновременно являются направляющей структурой для вынужденного излучения активных центров, т.е. выполняют функцию волновода. Важным параметром, характеризующим направляющие свойства разрядной структуры, является величина волноводных потерь для различных мод этого волновода. Исследования волновода и волноводного резонатора, разработанного лазера, а также исследо вания потерь и усиления излучения в этом резонаторе изложены в разделе II. Поэтому в данном разделе разрядная структура рассматривается как система, обеспечивающая оптимальные условия возбуждения активной среды С02 лазера высокочастотным разрядом.
Для волноводных С02 лазеров с накачкой поперечным высокочастотным разрядом разработано большое количество разрядных структур. Наибольшее распространение получили четыре типа разрядной структуры, поперечное сечение которых представлено на рис. 1.5.
В структуре типа А [30] разрядный канал 2 образован диэлектрическим волноводным блоком 3. Поэтому все стенки канала - диэлектрические. Высокочастотный разряд в этой структуре зажигается с помощью наружных электродов 1. Достоинствами структуры типа А является высокая стойкость диэлектрических стенок к воздействию плазмы газового разряда, и, следовательно, высокая стабильность химического состава газовой смеси. Кроме того, элементы волноводного блока, выполненные из одного материала, имеют одинаковый коэффициент линейного расширения, что позволяет обеспечить при работе лазера высокую стабильность модового состава излучения за счет стабильности формы волноводного канала и высокой селективности полностью диэлектрического волновода. Недостатками данной структуры являются повышенное напряжение на электродах 1 и повышенная температура активной среды. Это вызвано тем, что здесь требуется вводить мощность в разряд и отводить тепло из разрядного канала через диэлектрические стенки. Серьезным недостатком структуры типа А является высокая стоимость изготовления волноводного блока. разрядной структуры, определяемая стоимостью изготовления диэлектрических стенок 3, несколько ниже, чем стоимость структур типа А и АВ.
В структуре типа С (полностью металлическая структура) [42], в отличие от ранее упомянутых структур, все стенки разрядного канала, выполнены из металла. Из них две противоположные стенки образованы металлическими электродами 1, на которые подается раз-нополярное высокочастотное напряжение, а две другие стенки 4, также металлические, находятся в электрическом и тепловом контакте с корпусом лазера. В этой структуре вывод тепла из разрядного канала осуществляется через соединенные с корпусом стенки 4, а также через электроды 1, имеющие тепловой контакт с корпусом лазера в виде малого по величине промежутка между корпусом и электродами. Теплопередача в этом промежутке определяется теплопроводностью газовой смеси, площадью и шириной промежутка d. Надежная изоляция электродов 1 от корпуса в этом промежутке достигается за счет того, что его ширина меньше размаха дрейфовых колебаний электронов d 2ds. В этих условиях ионизация газа в промежутке не происходит. Особенность данной структуры заключается в том, что электроды 1 образуют симметричную длинную линию, а в структурах типа А, АВ и В - несимметричную. Поэтому структура типа С требует применения симметрирующего согласующего устройства, т. к. высокочастотные генераторы обычно имеют несимметричный выход.
Среди представленных разрядных структур полностью металлическая структура имеет наименьшую стоимость изготовления. Это связано с отсутствием диэлектрических элементов с поверхностями, обработанными с высоким классом шероховатости. В то же время, эта структура с незащищенными металлическими стенками имеет два серьезных недостатка: 1) низкая стабильность химического состава газовой смеси; 2) низкая стабильность модового состава излучения и высокие волноводные потери.
В разделе II показано, что волновод типа С имеет одинаково высокие волноводные потери, как для основной моды, так и для мод более высокого порядка. Именно с низкой се лективностью волновода этого типа связана низкая стабильность модового состава излучения. Там же показано, что для повышения стабильности модового состава излучения необходимо использовать положительные свойства волновода типа А. С этой целью на поверхности всех четырех металлических стенок волноводно-разрядного канала необходимо получить диэлектрическое покрытие с толщиной, превышающей толщину в нем скин-слоя, рассчитанного для частоты излучения. Это усовершенствование разрядной структуры одновременно решает и проблему стабильности химического состава газовой смеси.
К недостаткам структуры типа С следует отнести высокую неравномерность электрического поля по сечению разрядного канала, вызывающую неравномерность возбуждения активной среды. Однако неравномерность возбуждения вдоль разрядного канала в этой структуре ниже, чем в других типах структур с диэлектрическими стенками.
При разработке волноводного С02 лазера в качестве базовой структуры была использована структура типа С, которая была доработана в части повышения стабильности модового состава излучения и стабильности химического 4 состава газовой смеси, как было указано выше. Кроме того, металлическая структура разработанного лазера реализована по принципу «плотной упаковки» в двухканальном варианте для формирования волноводного резонатора U- типа. В результате этого была получена усовершенствованная волноводно-разрядная структура типа С+. Нарис. 1.6 представлен упрощенный вид поперечного сечения этой структуры.
Согласование электродной разрядной структуры с высокочастотным генератором
Известно, что в лазерах с высокочастотным возбуждением существует проблема согласования импеданса разрядной структуры с выхо дом высокочастотного генератора. Существование этой проблемы связано, прежде все- Рис. 1.22. Схема нагруженного генератора го, с тем, что мощность высокочастотного генератора, поступающая в нагрузку, сильно зависит как от импеданса нагрузки, так и от выходного импеданса генератора. Из теории электрических цепей известно, что в качестве схемы замещения нагруженного генератора гармонических колебаний можно использовать схему, представленную на рис. 1.22 , на которой U0 - комплексное напряжение на разомкнутых зажимах генератора; Z0 = R0 +7 Х0 - импеданс генератора; Z= R +j Х- импеданс нагрузки. Очевидно, что в нагрузке выделяется мощность При изменении Z и Z0 величина Р может изменяться в широких пределах. Максимальное значение мощности в нагрузке достигается при Х -Х09 т. е. когда импеданс нагрузки комплексно сопряжен с импедансом генератора Z = R0 -jXQ. Тогда выражение (1.21) можно за писать в виде: x=-x. Коэффициент полезного действия генератора при импедансе нагрузки, комплексно сопряженном с импедансом генератора, составляет всего 50 %, поскольку на внутреннем сопротивлении генератора R0 рассеивается та же мощность, что и в нагрузке. С увеличением R мощность в нагрузке падает, но растет КПД. Х=-Х0. (1.24) В цепях связи обычно используют генераторы с чисто активным внутренним сопротивлением Z0 = R0 = 50 Ом, а сопротивление нагрузки выбирают равным внутреннему сопротивлению генератора (согласованная нагрузка)
При согласованной нагрузке падение напряжения на ней независимо от частоты всегда равно половине напряжения генератора. Тем самым сохраняются соотношения между амплитудами и фазами частотных составляющих сигнала, т. е. сохраняется его форма. В энергетических системах, где чрезвычайно важен высокий КПД, напротив, стремятся к тому, (1.25) Несмотря на то, что высокочастотная накачка осуществляется, как правило, на одной, фиксированной частоте, в большинстве случаев в лазерах с высокочастотным возбуждением применяется первый принцип (1.24), когда внутреннее сопротивление генератора и сопротивление разрядной структуры, трансформированное согласующей цепью, равны 50 Ом, а соединение генератора с разрядной структурой осуществляется с помощью коаксиального кабеля с волновым сопротивлени 1) Известно, что особенностью разрядной структуры лазера как нагрузки высокочастотного генератора является различная величина импеданса до поджига разряда и во время горения разряда. Кроме того, импеданс разрядной структуры меняется при управлении выходной мощностью лазера посредством изменения мощности высокочастотной накачки (см. рис. 1.25). В этом случае подключение генератора по принципу (1.24) требует применения очень сложной адаптивной согласующей цепи, которая должна отслеживать все изменения импеданса разрядной структуры [48]. 2) Нет необходимости при согласовании добиваться передачи в нагрузку макси мальной возможной мощности генератора jPmax. Нетрудно изготовить генератор с максимальной мощностью Ртах, превышающей требуемую мощность в нагрузке PL. Тогда при повышении сопротивления нагрузки до некоторой величины R R0 мощность, выделяющаяся в ней, снизится до требуемой величины Р = PL, а КПД генератора повысится (Л 50 %). 3) При обычно используемых для со единения генератора с нагрузкой длинах ка беля (If X) и приемлемой его добротности не следует опасаться возникновения в нем Рис. 1.25. Область значений импеданса разрядных структур Zs, изменяющегося при изменении мощности высокочастотной накачки. 1 - лазер типа В; 2 - лазер типа С+. Значения импеданса получены расчетным путем с помощью (1.4), (1.10), (1.17). Точки -о- соответствуют значениям импеданса до зажигания разряда. стоячих волн. Потери в коаксиальном кабеле можно легко компенсировать повышением КПД генератора при R R0. 4) Поскольку при работе лазера импеданс разрядной структуры может принимать значения, ограниченные некоторой конечной областью, то опасные режимы работы выходных каскадов генератора, работающего на несогласованную нагрузку, можно исключить за счет использования соединительного кабеля заданной и фиксированной длины. Таким образом, подключение высокочастотного генератора к разрядной структуре газового лазера целесообразно осуществлять по второму принципу (1.25), [49], когда выполняются условия: Здесь для выполнения неравенства (1.25) используются трансформирующие свойства четвертьволнового отрезка соединительного кабеля Требуемая в соответствии с (1.27) величина R обеспечивается согласующей цепью 2, рис. 24, к которой подключена разрядная структура 1 с импедансом Zs. Кроме преобразования импеданса разрядной структуры, согласующая цепь до возникновения разряда должна обеспечивать напряжение необходимое для его зажигания. Для этих целей существует множество согласующих цепей, например [45,46]. Автором была использована согласующая цепь с частичным включением параллельного резонансного контура, детально описанная в [46]. Выводы. 1. В разделе I исследована модель поперечного ВЧ-разряда. При этом разрядная структура рассмотрена как система, обеспечивающая оптимальные условия возбуждения ВЧ-разрядом активной среды С02 лазера. 2. Показано, что в канале лазера имеется некоторое значение проводимости плазмы, при котором сопротивление и относительная емкость ВЧ-разряда имеют минимум. 3. Получена усовершенствованная цельнометаллическая волноводно-разрядная структура типа С+, реализованная по принципу «плотной упаковки», которая является следствием доработки структуры типа С в части повышения стабильности модового состава излучения и стабильности химического состава газовой смеси. 4. Разработана численная модель, с помощью которой исследована неравномерность электрического поля и ее влияние на неравномерность возбуждения активной среды. Показано, что неравномерность напряженности электрического поля вблизи электродов можно уменьшить скруглением углов электродов, а зоны разрядного канала с повышенной на пряженностью электрического поля перекрываются приэлектродными слоями, которые не участвуют в процессе возбуждения активной среды. 5. Получены оптимальные значения корректирующих индуктивностей, существенно уменьшающие продольную неравномерность накачки. Оптимизация схемы коррекции выполнена с помощью численной модели, учитывающей влияние плазмы разряда. 6. Получены численные ограничения на параметры разрядной цепи, которые являются условием согласования импеданса разрядной структуры с выходом высокочастотного генератора.
Моделирование волноводного С02 лазера для лазерного хирургического аппарата
На базе созданной модели волноводного резонатора U -типа, с использованием экспериментальных результатов измерений начального коэффициента усиления и мощности насыщения на линии Р(20) (001-100), произведена оценка длины активной среды С02 лазера, необходимой для обеспечения выходной мощности 80-100 Вт. С учетом всех потерь, рассмотренных в подразделах 2.2. - 2.4 минимальная длина должна быть не менее 1,3 м. Для накачки такого лазера от ВЧ генератора потребуется мощность порядка 1000 Вт. Величину волноводных потерь в волноводе типа А длиной 1300 м можно снизить до 4 -5%, используя волноводно-разрядные каналы сечением не менее 5x5 мм. Рис. 2.11. Зависимости отношения усиления к потерям от удельного энерговклада w и длины волны излучения X в лазере с волноводом типа А, имеющем размеры 5x5x1300 мм. Эффективность селекции длины волны 10,59 мкм в таком лазере с разработанным нами селективным зеркалом иллюстрирует диаграмма на рис. 2.11, на которой представлено отношение усиления к потерям («Усиление/Потери») в зависимости от удельного энерговклада и от длины волны излучения. Из диаграммы видно, что обе ветви перехода (001-020) имеют достаточно малые величины «Усиление/Потери» по сравнению с линиями перехода (001-100) и вследствие этого генерация излучения на них невозможна. В тоже время, разница между величинами «Усиление/Потери» для линий R(18) (001-100) и Р(20) (001-100) существенно меньше. Поэтому возможность генерации на линии R(18) (001-100) полностью не исключена. Для оценки эффективности селекции низшей волноводной моды в рассматриваемом С02 лазере проведен расчет волноводных потерь в резонаторе с волноводами типов А, В, С, а также потерь связи в таком резонаторе для трех низших мод квадратного волновода. На диаграмме рис. 2.12 представлены результаты этого расчета. Из диаграммы видно, что основной вклад в потери для нежелательных мод вносят волноводные потери, а не потери связи. Это связано с относительно большой величиной поперечного сечения каналов. Из трех рассматри ваемых типов волноводов наименьшие Рис 2Л2-
Волноводные потери и потери связи в волноводные потери имеет волновод резонаторе с волноводами типов А, В и С. типа В, однако, селективные свойства такого волновода низкие. Волновод типа С также имеет низкую селективность, но в отличие от волновода типа В он имеет высокие потери на основной волноводной моде. Наилучшим волноводом, имеющим достаточно низкие потери для основной волноводной моды и высокие потери для остальных мод, является волновод типа А. То же самое можно сказать и о волноводе типа С с диэлектрическим покрытием металлических стенок. Таким образом, проблема качества пучка волноводного С02 лазера может быть решена за счет использование волновода типа С с диэлектрическим покрытием стенок разрядных каналов (С+). Конструкция излучателя С02 лазера, использовавшегося для экспериментальной проверки результатов моделирования, подробно описана в подразделе 2.8. Сечение волноводных каналов 5x5 мм2, длина каждого из каналов 650 мм. Все четыре боковые стенки волноводно-разрядных каналов образованы алюминиевыми деталями, имеющими зеркальные поверхности и покрытыми слоем А1203 путем термооксидирования. Внутри газового объема закреплены зеркала резонатора: три высокоотражающих зеркала и одно селективное «выходное» зеркало. Зеркала установлены так, что вместе с волноводными каналами они образуют волно-водный резонатор U-типа. На одном из торцов лазерной головки помещено согласующее устройство, обеспечивающее согласование импедансов газовых разрядов с выходным сопротивлением высокочастотных блоков питания. Внутренний объем лазерной головки заполнялся газовой смесью С02 : N2 : Не : Хе = 1 : 1 : 3 : 0,3. Для охлаждения корпус помещен в цилиндрический теплообменник с жидкостным охлаждением. Высокочастотные генераторы накачки, питающиеся от постоянного напряжения 27 В, работали на частоте 81 МГц и обеспечивали импульсно-периодический и квазинепрерывный режим работы лазера с управлением от внешнего генератора. Частота и длительность выходных радиоимпульсов блоков питания задавались параметрами внешнего управляющего сигнала. Светоделительное покрытие зеркала на подложке из ZnSe было выполнено на основе пары ZnSe/BaF2 (толщины слоев отличались от У А) с коэффициентом отражения R,(/ ), зависящим от длины волны излучения (см. подраздел 2.4). Получены спектральные характеристики излучения и параметры излучения в квазинепрерывном режиме [16]. Измерение спектров излучения проводилось спектрофотометром IR 810 в режиме высокого разрешения при многократном сканировании спектра с накоплением. Полученные спектры подтверждают эффективность выбранного способа селекции длины волны излучения. В спектре излучения одновременно присутствует несколько соседних линий полосы 10,6 мкм, что особенно выражено при низких уровнях возбуждения активной среды. Измерение мощности излучения проводились измерителем «FieldMaster» (головка LM100) фирмы Coherent, измерение мощности ВЧ-накачки - измерителем МЗ-56. Полученная зависимость мощности излучения от мощности накачки представлена на рис. 2.13.
Устройство системы управления лазерных хирургических аппаратов серии «Ланцет»
Система управления аппаратом должна обеспечивать возможность гибкого изменения алгоритма работы аппарата при большой функциональной насыщенности и минимальных габаритах. Кроме того, в конструктивном отношении узел управления должен вписываться в общее дизайнерское решение аппарата, что немаловажно для его успеха на рынке медицинских приборов.
Оптимальным решением при разработке системы управления является использование микрокомпьютерного управления. Система управления построена на микропроцессоре АТ89С52, 20 МГц, фирмы Atmel со встроенным программным запоминающим устройством (ПЗУ) объемом 8 К. Применена стандартная архитектура с 8-разрядной мультиплексной шиной. Применение микропроцессорного управления позволило резко уменьшить количество радиоэлементов, обеспечить, возможность гибкой корректировки алгоритма работы аппарата путем простой замены ПЗУ с записанной в него управляющей программой. Для оцифровки сигнала обратной связи применен 10 разрядный АЦП типа 1113ПА1 российского производства. Дополнительно в схеме перед АЦП имеется встроенный усилитель с переключаемым программно коэффициентом усиления. При установленной (заданной хирургом) мощности излучения более 4 Вт коэффициент усиления равен 1, при установленной мощности менее 4 Вт коэффициент усиления равен 10. Циклы вычислений (опрос клавиатуры, считывание показаний АЦП, проверка критерия аварийного состояния лазера, вычисление длительности импульсов накачки и др.) осуществляются по прерываниям. Частота прерываний составляет 2 кГц. Шаг программируемого таймера 82С54 фирмы Intel, управляющего длительностью импульсов накачки составляет 0.1 мкс. В системе управления предусмотрена долговременная память трех полных наборов рабочих параметров аппарата (режим излучения, мощность из лучения, время излучения, длительность импульсов, длительность пауз между импульсами, фокусировка). При отключенном сетевом электропитании память питается от встроенного аккумулятора, аккумулятор подзаряжается при включении электропитания. Память реализована на микросхеме 537РУ8 российского производства, объем памяти 2 К.
Система управления аппаратов серии «Ланцет» выполнена в виде конструктивно законченного герметичного узла - пульта управления, обеспечивающего выполнение следующих функций: выбор режима излучения аппарата (непрерывный, импульсно-периодический, суперимпульсный, моноимпульс); установка необходимых параметров аппарата (величины выходной мощности, времени работы на излучение, временных характеристик импульсно-периодического режима); выдача управляющих сигналов на дистанционное изменение размера пятна излучения на биоткани; формирование управляющих импульсов на включение модулей высокочастотного генератора накачки С02 лазера по сигналу, поступающему с ножной педали; стабилизация выходной мощности лазерного излучения путем широтно-импульсной модуляции (ШИМ) управляющих импульсов модуляции высокочастотного генератора по сигналу обратной связи, пропорциональному выходной мощности аппарата; аварийное отключение работы аппарата на излучение при выходе параметров излучения за допустимые пределы.
Управление режимом работы пульта управления - квазисенсорное с помощью гибкой клавиатуры.
Индикация режимов работы и установленных параметров в лазерных хирургических аппаратах серии «Ланцет осуществляется двумя способами. В аппаратах «Ланцет» и «Лан цет-2» она осуществляется с помощью светодиодных индикаторов, а в аппарате нового поколения «Ланцет-3» для этой цели применен графический жидкокристаллический дисплей G242 фирмы Seiko со встроенным контроллером. Размер поля дисплея - 240x128 пиксель. Применение графического дисплея позволяет сделать интерфейс системы гибким, динамичным и отображать большее количество информации. Гибкость такого решения состоит в том, форма подачи информации может быть изменена перепрограммированием системы без изменения аппаратной части. Отображаемая на дисплее информация может динамично меняться в зависимости от режима работы системы или в процессе диалога с оператором.
