Устройство для генерации ударных ультразвуковых импульсов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 175422 51)5 В 06 В 1/О ЕИЗ ИСА ТЕ ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Институт общей физики АН СССР (72) Г,А.Аскарьян, М,Г,Королев и А.В.Юркин (56) РГГосрез о 1 Ейгосогрогеа ЯЬосМ Юане Ойотгрву ЕсИт, В,А. ВеЫег., 1987, СпогеЫИ Ичпцзтопе, М У, Ебпбогдл, 1 опбоп;Аскарьян Г.АКлебанов Л,Д, КЭ, 1986, т,15, В 11, с.2167.(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЕНЕРАЦИИ УДАРНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ИМПУЛЬСОВ (57) Использование: акустика больших мощностей и ударных импульсов, медицина, маИзобретение относится к акустике больших мощностей и ударных импульсов и позволяет генерировать и фокусировать мощные ударные ультразвуковые импульсы, которые могут быть использованы для исследования нелинейных акустических явлений и .свойств сред, для структурообразования и упрочнения в материаловедении и машиностроении, для ийи- циирования реакций и получения новых соединений, для деструктивного воздейст-. вия и дробления инородных тел в медицине и биологиинапример камней в почках, пузырях, для воздействия на опухоли, тромбы, сосуды, мышцы и т,п,Известны устройства для генерации и фокусировки мощных ударных ультразвуко-." вых импульсов, содержащие источниК им- пульсов энергии, энерговыделяющий элемент и заполненный средой объем, с выпуклой наружу поверхностью дна или боко 2териаловедение, машиностроение, Сущность изобретения. устройство содержит источник импульсов энергии. энерговыделяющий элемент и заполненный средой объем, выполненный с выпуклой наружу поверхностью дна, Под дном объема со средой установлена опора, В промежутке между дном объема и опорой введен имперсионный слой, в котором размещен энерговыделяющий элемент. Энерговыделяющий элемент выполнен в виде металлизированной пленки или пакета металлизированных пленок, или в виде слоя краски, 2 з.п. ф-лы, 3 ил. 8 вой стенки, В качестве источника импульсбв энергии обычно используют заряженную емкость или импульсный источник света (лазер, лампа-вспышка), а в качестве энерговы- д деляющего элемента излучающего мощные ультразвуковые импульсы; искровой разрядник в жидкости, импульсно вскипающий слой среды и т,п, При этом для фокусировки звукового импульса используют акустиче- ЬЭ ские зеркала илинзы.- 1 ЯИзвестно устройство для генерации и 0 фокусировки мощных импульсов, состоящее из искрового:разрядника, помещенного в жидкости в одном из фокусов части эллипюпай соидального зеркала, а второй фокус совмещен с зоной приема (использования) импульса. В другом устройстве звуковой импульс от искрового разряда фокусировался акустической линзой.Однако это устройство характеризуетсянизкой эффективностью из-за малого телесного угла сбора импульса и из-за большого пути прохождения импульса, ослабляющего его ударные свойства из-за поглощения высоких частот,Известно устройство, в котором использовано т,н, активное зеркало, одновременно излучающее и.фокусирующее звуковой импульс. В нем импульсный луч лазера проходйт через жидкость и падает на поглощающий слой, нанесенный на вогнутую поверхность, и Вызывает поверхностное взрывное вскипание либо проходит через прозрачную изогнутую поверхность, входит в сильно поглощающую свет жидкость и рождает поверхностное взрывное вскипание. Хотя в этих случаях путь импульса от зеркала-источника к фокусу минимален, однако это устройство обладает существенными недостатками: либо необходимо проведение света лазера через жидкость к слою поглощения, что является серьезной помехой для использования этого устройства, затрудняющей помещение объекта воздействия, либо необходима сильно поглощающая жидкость (вредные или красящие добавки, подбор длины волны света), В ряде случаев затруднено использование лазера из-за его малого КПД, больших размеров и стоимости установки.Цель изобретения - увеличение мощности ударнбго импульса и повышение надежности путем создания простого и эффективного устройства, способного к многовариантному применению для реше ния различных задач по использованию МОЩНЫХ ИМПУЛЬСОВ.Изобретения позволяет в нужных случаях обойтись без лазера, а лазерный вариант изобретения гораздо удобнее и эффективнее для применения, чем прототип,Сущность изобретения состоит в использовании в качестве энерговыделяющего элемента металлической или металлизированной пленки, взрываемой при электроразрядах или лазерном воздействии, помещаемой в иммерсионном слое между выпуклым наружу дном и поддоном или при лазерном воздействии на слой поглощения, нанесенного на внешнюю часть вогнутого дна. Тонкое дно выполняет две Функции: обеспечивает выпуклую Форму и сглаженную поверхность взрывающейся пленки, передает удар в среду и изолирует ее от электрических полей или лазерного излучения, Дно может быть сделано из штампованного диэлектрика или металла. Изобретение позволяет в нужных случаях обойтись без лазера, что упрощает и удешевляет устройство, а лазерный вариант изобретения, использующий луч сзади фо 20 25 30 35 40 45 50 ходит нагрев, перегрев и взрывное испаре 55 5 10 15 кусирующего дна, гораздо удобнее и эффективнее для применения, чем прототип.На фиг,1 изображено устройство с использованием электровзрыва металлизированной пленки, общий вид; на фиг.2 - устройство с использованием металлизированной пленки, взрываемой воздействием мощной вспышки света, общий вид; на фиг.З - устройство с использованием слоя поглощающей краски, нанесенной нэ наружную сторону выпуклого дна, импульсно нагреваемой при воздействии мощной вспышкой света и взрывающей слой прилегающей жидкости, общий вид,Устройство для генерации мощных ударных импульсов (фиг,1) содержит электрическую емкость 1, подключенную через замыкатель 2, выполненный в виде ключа; с одной стороны к цепи зарядки, состоящей иэ зарядного устройства 3 и сопротивления 4, и с другой стороны прямо или через разрядник к металлизированной лавсановой пленке 5 через электроды 6, расположенные на опоре 7 Дно 9 и опора 7 примыкают к объему 8 со средой, содержащей объект 10 воздействия, Пленка 5 помещена в слой иммерсионной жидкости, передающей удар взрыва в среду,Устройство для генерации мощных ударных импульсов (фиг.2) содержит лазер 1 или иной импульсный мощный источник света, дающий мощный имйульс или последовательность импульсов в луче, проходящем через опору 7 к металлизированной пленке 5 (или стопке из нескольких пленок),прижатых к опоре дном 9 с промежутком между дном и опорой, заполненным иммерсионной жидкостью. Устройство (фиг.З) содержит лазер 1 или иной импульсный источник света, дающий один или последовательность импульсов света в луче 2, проходящем через опору 7 на слой краски 5; нанесенной на внешнюю сторону выпуклого наружу дна или стенки 9 и граничащей со слоем жидкости, вскипающей при нагреве слоя краски Устройство работает следующйм образом.При быстром энерговыделении происние слоя металлизации или слоя жидкости, примыкающей к слою металлизации или слою краски, нагреваемой светом. При этом гладкость и выдержка нужной формы пленки и слоя краски обеспечиваются формой дна и опоры, а большие начальные давления- большими концентрациями энерговыделения. в узком слое. Формирование ударной волны нэ вогнутой поверхности вызывает ее схождение к фокусу, находящемуся нарасстоянии, близком к радиусу кривизны Дж. Наблюдалисьимпульсыдавлениявсотповерхности. фокусировка осуществляется ни атмосфер, вызывающие сильное деструкв площадку малых размеров, определяемых тивное действие.дифракцией и нелинейной рефракцией зву- П р и м е р 3. Создано устройство, оснока, В случае дифракции радиус пятна в фо ванное на воздействии лазерного импульса кусе аРъР ро, где Г - фокусное расстояние; на слой термостойкой краски, нанесенной фо Я /О - угол дифракционной расходи- на внешнюю сторону выпуклой сферичемости; Я, - эффективная длина волны зву- ской поверхности. Поверхность изготавликового импульса; О - размер излучающего валась штамповкой из металлической зеркала, 10 фольги толщиной 0,1 - 0,2 мм (в данном слуПри этом фронт импульса может быть. чае - титановая фольга) или из штампованкороче времени полного энерговыделения ной диэлектрической пленки (в данном из-за обострения процесса взрыва при пе- случае - триацетатной пленки).Термоустойрегревныхтемпературах. Резкость(бризан- чивая краска (даже нитрокраска), почернетность) действия импульса можно менять, 15 ние и т,п. выдерживала несколько меняя крутизну фронта энерговыделения импульсов. Взрывной процесс создавался(уменьшение индуктивности цепи, укороче- - при вскипании тонкогоСлоя жидкостй, грание фронта импульса лазера) или уменьшая ничащей с поверхностью краски, стреми- фокусное расстояние. Возможно устройст- тельно нагреваемой лазерным импульсом.во с быстрой сменой пленки или с продер Опробован также режим" цуга гигантгиванием ленты пленки, Возможна ских лазерных импульСов, которые получареализация несколькихимпульсовс заряд-лись с тем же модулятором, но при чуть кой стопки пленок с изолирующими про- большей накачке, И в этом режиме наблюкладками и поочередным приложением далось сильное деструктивное воздействие потен циала.. 25 - фрагментация и осыпь камней, ОпробованП р и м е р 1. Создано устройство, осно- также взрыв плоского слоя с фокусировкойванное на электрическом взрыве металли- импульса акустической линзой.зированной пленки, Оно использовало ., Эффективностьдействия, компактность конденсатор емкостью 0,5 мкФ, разряжае- и простота устройства позволяют широко мой за время мкс на слой металлизации 30 использовать его в практике и технике. В обычной коммерческой металлизированной частности, оказалось возможным создать пленки, выпускаемой рулонами (слой метал- модуль для медицинских целей (литотриплизациитолщинойдесятыедолимкм, нане-. сия и др.) без необходимости использовасенный на лавсановую основу толщинойния ванн и погружения больных; модуль 20 - 30 мкм). Гладкая квазисферическая фор прижимается или вжимается прямо в"тело ма пленки создавалась прижатием дна, име- больного (которое служит рабочей средой) сющего сферическую форму после использованием тонкой согласующей протермоштамповки триацетатной пленки тол- кладки (малое количество жидкости, мягкая щиной 0,1 - 0,2 мм, В качестве иммерсион- сжимаемая капсула с жидкостью) или вообной жидкости использовали воду, спирт й 40 ще без согласовывающего слоя. Оказалось, т,п. При радиусу кривизны фокусирующего что и массы опоры достаточно небольшой углубления В=АЙ=6,5 см в зоне фокуса реги- для того чтобы обеспечить эффективную пестрировались импульсы давления,.доходя- редачу импульса вперед (достаточны слои щие до нескольких тысяч атмосфер в пятне вещества, толщиной не менее долей милли- размером несколько миллиметров. Наблю метра твердого покрытия слоя жидкости, далось сильное деструктивное воздействие клея, нескольких пленок, слоя гелия и т,п.), такого импульса на природные и искусст-: Такие модули можно использовать для венные материалы (стекло, плекс, кирпич, воздействия на материалы, например, для камни, в том числе извлеченные из пОчек, . создания новых структур; для залечивания пузырей и т.п,), 50 и купирования трещин.П р и м е р 2, Устройство, основанное на . Ф о р м у л а и 3 о б р е т е н и я лазерном взрыве металлизированной плен, Устройство для генерации ударных ки. Оно использовало неодимовый лазер, ультразвуковыхимпульсов,содержащееисдающий импульсный инфракрасный луч точникимпульсовэнергии;энерговыделяюдлиной волны 1 мкм, диаметром 4,5 см в 55 щий элемент и заполненный средой объем, режиме пассивной модуляции добротностивыполненный с выпуклой наружу поверхнопомещенным в резонатор кристаллом ОЕ с стью дна, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с Р-центром окраски. Импульс длительно- целью увеличения мощности ударных имстью 30-40 нс имел энергию, близкую к 10 пульсов и повышения надежности, под дномобьема со средой с промежутком установле1754226 полнен в виде пакета металлизированныхпленок,3.Устройство по пп,1 и 2, о тл и ч а ющ е е с я тем,.что поверхность опоры, кон 5 тактирующая с иммерсионным слоем, выполнена плоской или совпадающей поформе с поверхностью дна обьема со средой,ставитель Г. Аскарьяхред М.Моргентал Корректор А. Долинич Редактор Е, Копча 2842 Тираж ИИПИ Государственного комитета по из 113035, Москва, Ж, Ра оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужго агарина, 101 на опора, а в промежуток введен иммерсионный слОй, в котором размещен знерговыделяющий элемент, выполненный из металлизированной пленки или в виде слоя красителя.2. Устройство по п,1, Ь т л и ч а ю щ е ес я тем; что, с целью получения серии импульсов, знерговыделяющей элемент выПодписноеретениям и открытиям при ГКНТ СССРшская наб 4/5