Device for precision positioning of low temperature plasma sources

E. M. Konchekov; Кончеков Е. М.; A. S. Konkova; Конькова А. С.; A. V. Knyazev; Князев А. В.; A. P. Glinushkin; Глинушкин А. П.; S. V. Gudkov; Гудков С. В.

doi:10.31857/S2686740024050118

Устройство для прецизионного позиционирования источников низкотемпературной плазмы

Авторы: Кончеков Е.М.¹, Конькова А.С.¹, Князев А.В.¹, Глинушкин А.П.¹, Гудков С.В.¹
Учреждения:
1. Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Выпуск: Том 518, № 1 (2024)
Страницы: 69-74
Раздел: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
URL: https://journal-vniispk.ru/2686-7400/article/view/282896
DOI: https://doi.org/10.31857/S2686740024050118
EDN: https://elibrary.ru/HXCPAB
ID: 282896

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

В последние годы применение низкотемпературной плазмы в биомедицинских и сельскохозяйственных исследованиях вызывает значительный интерес благодаря способности плазмы эффективно стерилизовать, модифицировать поверхности и генерировать активные формы кислорода и азота. Точное позиционирование источников плазмы и характеризация режимов работы источников являются первоочередными задачами при внедрении в реальную практику. В работе представлено универсальное устройство для позиционирования источников плазмы и измерительной аппаратуры. Устройство изготовлено методом послойного наплавления (3D-печать), обладает относительно высокой прочностью конструкции при отсутствии металлосодержащих элементов. Разработанное устройство позволяет с высокой точностью позиционировать активные элементы источников плазмы над объектами различных размеров и состава, а также позволяет имплементировать чувствительные методы диагностики характеристик плазмы и изменения параметров обрабатываемых объектов.

Ключевые слова

низкотемпературная плазма, источники плазмы, измерительный стенд, 3D-печать

Полный текст

Применение плазменных технологий в последние годы вызывает большой интерес и широко освещается в научной литературе [1−3]. Это прежде всего связано с развитием технологической базы, поспособствовавшей появлению энергоэффективных компактных решений [4], и получением перспективных результатов исследований в области взаимодействия низкотемпературной плазмы с биологическими объектами. Наиболее активно развивающимися областями являются плазменная медицина и плазменное сельское хозяйство, в которых источники такой плазмы используются для угнетения или стимуляции жизнеспособности клеток, обработки поверхности материалов с целью стерилизации или изменения адгезионных свойств, генерации в жидкостях биологически активных соединений [5–7]. В таких исследованиях низкотемпературную плазму (НТП) зачастую называют нетермальной или холодной.

Как показывают многочисленные исследования, результаты взаимодействия НТП с биологическими объектами и жидкостями могут вызывать разнообразные отклики и варьироваться в самых широких пределах, что зависит от большого числа параметров как источников НТП, так и условий проведения обработки [8, 9]. Одними из ключевых факторов, определяющих результат прямого взаимодействия НТП с клетками или биотканями и его воспроизводимость, являются энергетические характеристики НТП (вкладываемая в разряд энергия, мощность и длительность микроразрядов), дистанция между активным электродом, задающим плазменное воздействие, и обрабатываемым объектом. Таким образом, на стадии разработки методик и протоколов обработки критически важным является прецизионное позиционирование рабочего устройства источника НТП, а также регистрация характеристик плазменного образования: спектры свечения плазмы и спектры поглощения УФ-излучения в обрабатываемой среде для определения скорости наработки биологически активных соединений; распределение электрического поля; величина и длительность тока в разрядных каналах и т.п. [10−16]. Для решения данного ряда задач нами было разработано и изготовлено универсальное устройство, позволяющее как позиционировать электроды различных типов источников НТП относительно объекта обработки, так и размещать вблизи них компоненты измерительной аппаратуры.

ОПИСАНИЕ УСТРОЙСТВА

Поставленные задачи обусловливают основные требования при разработке модели и изготовлении устройства:

1) изготовление элементов из диэлектрических материалов для минимизации систематической ошибки регистрации распределения электрических полей;

2) возможность точного позиционирования рабочего устройства источника НТП в цилиндрической системе координат (степень свободы по высоте и углу поворота);

3) возможность прецизионного и независимого перемещения в двух плоскостях предметных столиков-держателей, на которых размещаются образец и измерительные элементы;

4) возможность работы с объектами размером от 1 см³ до 1 дм³;

5) жесткость конструкции и возможность юстировки в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

Общий вид модели устройства представлен на рис. 1. Все элементы, за исключением штока, утяжелителя основания и ряда крепежных элементов, изготовлены методом послойного наплавления (FDM). Для изготовления использовался 3D-принтер VolgoBot A4 PRO. Особенностями данного принтера являются высокая точность при печати (минимальная толщина слоя – 0.03 мм), а также наличие термостатированной и конвекционной камеры, в которой производится построение моделей, что обеспечивает улучшение когезии и противодействие межслоевым деформациям.

Рис. 1. Модель устройства: вид спереди (а), вид сбоку (б), вид сверху (в); 1 – шток; 2 – крепежный элемент; 3 – фиксатор; 4 – втулка для крепления исследуемого объекта (электрода); 5 – канавка для выставления угла поворота; 6 – муфта для вертикального перемещения предметных столиков; 7 – предметный столик; 8 – механизм горизонтальной юстировки; 9 – муфта для горизонтального перемещения предметных столиков; 10 – платформа; 11 – юстировочные ножки; 12 – компенсационный элемент.

В качестве основного материала был выбран ABS-пластик. Данный вид материала является распространенным при 3D-FDM-печати благодаря его свойствам и стоимости. Отличительной особенностью ABS-пластика является его растворимость в ацетоне, что позволяет изготавливать крупногабаритные элементы по частям.

Основание стенда состоит из: утяжелителя; штока, на который устанавливается основная часть стенда; кожуха и крепежного элемента штока. В качестве утяжелителя основания используется плита из оргстекла массой 5 кг. Плита помещена в кожух. Предварительно в плите было выполнено сквозное отверстие, через которое проходит шток.

В верхней панели кожуха предусмотрено отверстие, в которое установлен шток и крепежный элемент для его фиксации. Также в боковой панели кожуха предусмотрены отверстия для установки дополнительного подиума. Подиум выполняет две функции: продление верхней плоскости для размещения крупных объектов (например, мешалки), которые необходимы в процессе исследований, и хранение сопутствующих предметов.

В качестве штока 1 используется стержень диаметром 18 мм. Выбор обусловлен применением стандартного крепежного элемента для дополнительной фиксации стержня в основании и требованием к повышенной прочности, чтобы избежать рисков, связанных с деформацией штока под нагрузкой, вызванной весом основной части стенда. Крепежный элемент 2 имеет более высокую прочность, так как выполнен с применением литейных форм в промышленных условиях.

Для повышения прочности и обеспечения точности позиционирования основной части вдоль штока был изготовлен набор колец разной высоты. На каждое кольцо нанесено значение его высоты. К штоку с помощью дополнительных элементов крепится основная часть стенда через два боковых стержня. Вдоль штока производится перемещение в вертикальной плоскости основной части, для этого фиксаторы 3 снабжены винтами.

В основной части предусмотрено отверстие, в котором размещается втулка для установки рабочего устройства НТП (электрода) и угла его поворота относительно предметных столиков. Корпус рабочего устройства фиксируется во втулке нейлоновыми винтами. Сама втулка также может быть зафиксирована в основной части с помощью нейлоновых винтов.

Втулка 4 имеет радиально расположенные канавки с шагом в 15 градусов. На корпусе выполнены две симметричные канавки 5. Это позволяют осуществлять поворот втулки с рабочим устройством с точностью 7.5 градусов (половина цены деления).

В основной части также располагаются отверстия, симметричные относительно отверстия для втулки, через которые проходят штоки для вертикального перемещения предметных столиков. Механизм вертикального перемещения состоит из штока, муфты и дополнительного фиксатора. Вращательное движение муфты 6 превращается в вертикальное поступательное движение штока. Величина поворота определяется шагом резьбы. На муфте сделаны выступы, чтобы облегчить вращение и определять величину поворота с точностью до 15 градусов (половина цены деления). На штоках выполнены пазы, чтобы осуществлять при необходимости дополнительную фиксацию (винты закручиваются и осуществляют прижим балки с двух сторон); кроме того, винты в пазе выступают в роли направляющих при перемещении штока. Для предотвращения прокручивания штока вдоль их цилиндрической поверхности сделаны срезы. Отверстия в корпусе, через которые проходят эти штоки, также имеют такую форму. Дополнительный фиксатор удерживает муфту, блокируя перемещения в горизонтальной плоскости. Также фиксатор в нижней части имеет выступы, которые служат в качестве направляющих в пазах штока.

В нижней части штока отсутствует резьба, так как в этом месте устанавливается стандартный фиксатор. Через фиксатор пропускается балка квадратного сечения. Балка имеет квадратное сечение, чтобы предотвратить вращение. На конце балки размещается предметный столик 7. Перемещение предметного столика с балкой осуществляется либо через механизм горизонтального перемещения 8, либо вручную. В случае ручного перемещения зажимной винт ослабляется, балка проталкивается, после чего винт затягивается (на балке присутствует шкала, чтобы контролировать величину перемещения). Механизм горизонтального перемещения аналогичен механизму вертикального перемещения: вращение муфты 9 превращается в поступательное движение квадратной балки и, следовательно, перемещение предметных столиков. На квадратной балке жестко фиксируется переходная деталь: внутри деталь имеет квадратное отверстие, а снаружи — резьбу. Для повышения надежности крепления системы дополнительно изготовлены полые детали, которые установлены вокруг стандартных фиксаторов.

На одном из предметных столиков 7 устанавливается измерительный элемент, на другом – объект плазменной обработки. Если объект имеет значительные размеры, он может быть расположен непосредственно на платформе 10.

В основную часть стенда вмонтирован пузырьковый уровень. В ножках стенда 11 установлены регулировочные винты. С помощью уровня и регулировочных винтов осуществляется выравнивание корпуса в горизонтальной плоскости. Компенсационный элемент 12 является противовесом и минимизирует влияние моментов сил, возникающих в ходе эксплуатации устройства.

На рис. 2 представлен пример использования разработанного устройства. Источник НТП в режиме генерации аргоновой плазменной струи производит обработку водосодержащего объекта в чашке Петри. Одновременно с обработкой производится регистрация спектров свечения плазмы. Объект обработки и линза световода размещаются на разных предметных столиках, каждый из которых позволяет независимо позиционировать закрепленный объект в двух плоскостях.

Рис. 2. Применение устройства позиционирования для регистрации спектров свечения плазмы при одновременной обработке водосодержащего объекта. 1 – Активный элемент источника плазмы, 2 – плазменная струя, 3 – объект обработки, 4 – линза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Источники холодной плазмы атмосферного давления быстро приобретают все большее значение, поскольку они удобны в использовании, технологически просты и экологически чисты в задачах генерации активных форм кислорода и азота. Применение НТП может включать: модификацию поверхности, обеззараживание, стерилизацию и заживление ран. Рабочие режимы источника плазмы, особенно в медико-биологических приложениях, должны быть установлены в согласии с нормативными требованиями. По этой причине первоочередной задачей является характеризация и контроль параметров плазмы. В последнее время были разработаны и опробованы новые методы диагностики НТП, позволяющие получить характеристики, важные с точки зрения медицинских приложений. Одна из них – измерение электрического поля с помощью электрооптических кристаллов (эффект Поккельса) [17]. Несмотря на сложность такой диагностики, полученные данные важны для безопасного биомедицинского применения с потенциальным прямым воздействием плазмы. Разработанное в настоящей работе устройство позволяет с достаточной точностью получить, в том числе, информацию об электрических полях вокруг мишени на различных расстояниях, при этом минимизация воздействия полей на измерительную аппаратуру осуществляется путем помещения стенда в клетку Фарадея.

БЛАГОДАРНОСТИ

Авторы благодарят сотрудников отдела физики плазмы и теоретического отдела ИОФ РАН за консультацию в процессе выполнения работы, в частности Л.В. Колика, Д.В. Малахова, Н.Г. Гусейн-заде.