В процессе многолетнего применения электромагнитного излучения миллиметрового диапазона длин волн, наши специалисты установили, что эффективность работы аппаратов значительно возрастает при предварительном воздействии на рефлекторную зону других преформированных физических факторов:

1. Сочетанное применение магнитного поля в импульсном режиме и ЭМИ КВЧ с синхронной модуляцией.
2. Сочетанное применение лазерного излучения инфракрасного спектра в импульсном режиме и ЭМИ КВЧ с синхронной модуляцией.
3. Сочетанное применение электронейростимуляции рефлекторной зоны или энергетического канала в импульсном режиме и ЭМИ КВЧ с синхронной модуляцией.

Это привело к необходимости разработки новых принципов создания приборов, обеспечивающих сочетанное применение ЭМИ КВЧ и других преформированных физических факторов.

1. Особенности конструкции излучателя

Для сочетанного применения электромагнитного излучения крайне высокой частоты (ЭМИ КВЧ) и магнитного поля (МП) в аппаратах для низкоинтенсивной резонансной физиотерапии был разработан рупорный излучатель ЭМИ КВЧ, конструктивно объединенный с электромагнитом. Внешний вид предлагаемого устройства представлен на рис.1, схематическое изображение конструкции приведено на рис.2.

Рис. 1

Рис.2

Излучатель выполнен в виде пустотелой цилиндрической конструкции, внутри которой расположена электромагнитная катушка (поз.3, рис.2). Цилиндр выполняет функцию магнитопровода и изготавливается из электротехнической стали. Для создания магнитного поля в плоскости облучения (поз.В-В, рис.2) в рупоре выполнен магнитный зазор (поз. В), благодаря которому в пространстве рупора формируется магнитное поле заданной конфигурации. Индукция магнитного поля в зоне облучения определяется расстоянием от середины зазора до плоскости В-В и зависит от величины магнитного зазора и намагничивающей силы катушки [1].

Для подведения ЭМИ КВЧ к зоне облучения в центральном внутреннем стержне магнитопровода выполнен волновод (поз.1, рис.2) круглого сечения, плавно переходящий в коническую рупорную антенну (поз.2, рис.2). Для оптимизации условий распространения ЭМИ КВЧ в рупоре антенны, в магнитный зазор устанавливается вставка (поз.4, рис.2) из немагнитного материала с хорошей электропроводностью, например из латуни или алюминия. В этом случае исключается отражение электромагнитной волны от плоскости магнитного зазора. Электромагнитная энергия от генератора ЭМИ КВЧ распространяется по круглому волноводу к рупорной антенне и воздействует на облучаемую поверхность. Диаметр облучаемой поверхности, для контактного метода воздействия определяется максимальным диаметром рупорной антенны D_обл.

2. Определение индукции магнитного поля в зоне облучения

Особенностью сочетанного применения ЭМИ КВЧ и магнитного поля является то, что плоскость облучения В-В и плоскость магнитного зазора А-А не совпадают (рис.3). В этом случае необходимо выразить индукцию магнитного поля В_х в плоскости В-В через индукцию магнитного поля в плоскости магнитного зазора А-А и геометрические размеры рупора антенны (угол раскрыва рупора b и радиус апертуры Rр).

Рис. 3

Допуская, что магнитное поле в плоскости зазора А-А близко к однородному, величину индукции находим из соотношения:

,              (1)

где Ф_з-магнитный поток, пересекающий площадь рупора в сечении А-А; Rз - радиус середины сечения магнитного зазора.

Из рис.3 видно, что радиус сечения середины зазора Rз может быть выражен через апертуру Rр согласно выражению:

.    (2)

Величина индукции В_хр в точке С пересечения силовой линии магнитного поля с плоскостью облучения определится выражением:

В_xp = B_з cos a,           (3)

где

a = arcsin = arcsin (cos b),         (4)

отсюда следует, что a = 90° - b.

Для воздействия на рефлекторные зоны максимальная индукция магнитного поля в плоскости воздействия Вхр макс не должна превышать значения 0,05 Тл. Тогда величина магнитного потока, пересекающего плоскость зазора А-А находится из выражения:

,       (5)

и составляет Фз =113*10^-7 Вб при геометрических параметрах рупора антенны Rр=9 мм и b =30°.

3. Расчет магнитных проводимостей воздушного зазора

Точность расчета индукции магнитного поля в зоне облучения во многом зависит от точности расчета магнитной проводимости между боковыми поверхностями полюсов 1 и 2 (рис.4) или проводимости воздушного зазора с учётом поля выпучивания. Эта проводимость при определённых значениях воздушного зазора составляет более 80 % от основной проводимости между торцами полюсов.

Рис. 4

Известные расчетные формулы магнитной проводимости воздушного зазора получены при весьма упрощённой и заранее заданной форме линий магнитной индукции. При этом влияние ширины полюса на удельную боковую проводимость не учитывалось.

В [3], на основании экспериментальных данных введен поправочный коэффициент Кхг, позволяющий снизить погрешность расчёта удельных магнитных проводимостей воздушного зазора до величины 5-8 %.

Рис. 5

На рис.5 показана область воздушного зазора рассматриваемого магнитопровода. Здесь показаны также зоны поля выпучивания с обеих сторон магнитопровода с координатами X¢=  =4,8 мм и X¢¢=R₃=6 мм и соответствующие им удельные магнитные проводимости g¢_x и g¢¢_x. Проводимость g_рт учитывает магнитные потоки с ребра торца полюса. В соответствии с теорией магнитных цепей и, приемлемой для инженерной практики точностью расчётов, можно записать следующие выражения для определения магнитных проводимостей воздушного зазора:

G_з= М₀2pR_ср ,          (6)

где G_з - проводимость зазора между торцами полюсов;

G¢_x= М₀2pR_ср (g¢_x + g_р.т.) К _xг ,                      (7)

G¢¢_x= М₀2pR_ср(g¢¢_x /2 + g_р.т.) К _xг ,       (8)

где G¢_x и G¢¢_x  - проводимости, учитывающие магнитный поток между боковыми поверхностями полюсов и ребрами торцов слева и справа от оси магнитопровода (рис.5).

Тогда суммарная проводимость определится выражением:

G_då = G_d + G¢_x + G¢¢_{x .}     (9)

Для определения удельных проводимостей используются зависимости

графики которых приведены в [3]. В рассматриваемом случае целесообразно воспользоваться графиками, рассчитанными согласно теории Ротерса, поскольку эта теория имеет наилучшую достоверность получаемых результатов в области малых значений параметра  (от 1 до 5), а Кхг для этой теории равняется 0,97.

Результаты выполненных расчётов приведены в табл. 1.

4. Анализ и преобразование магнитной цепи

Конструкция и габаритные размеры электромагнита определяются функциональными особенностями устройства и параметрами магнитного поля, которое необходимо получить в плоскости облучения. В частности, размеры волновода и рупора рассчитываются исходя из условий распространения и излучения электромагнитной волны КВЧ. Так диаметр волновода равняется 3.6 мм, угол раскрыва рупора антенны 30⁰. Наружный диаметр магнитопровода в первом приближении целесообразно выбрать равным диаметру корпуса КВЧ генератора, который составляет 33 мм. Учитывая необходимость получения минимальной массы устройства, толщину стенок магнитопровода выбирается минимально возможной с учётом конструктивно-технологических ограничений и достижения минимальных магнитных сопротивлений.

Рис. 6

На рис.6, в качестве иллюстрации, представлена конструкция магнитной системы, на которой условно показано размещение катушки намагничивания. Как видно из рисунка магнитная цепь аксиально симметрична поэтому её можно привести к эквивалентной цепи П-образной формы, участки которой имеют магнитные сопротивления, зависящие от длины участка и площади поперечного сечения. Рассматриваемая магнитная цепь разбита на пять участков а-b, b-с, с-d, d-e, е-а. Средняя длина каждого участка иллюстрируется штриховой линией между соответствующими точками. Конструктивные размеры магнитной цепи приведены в табл.2.

Эквивалентный магнитопровод представлен на рис.4. Жирной линией условно показано расположение катушки намагничивания.

5. Расчёт магнитных сопротивлений эквивалентного магнитопровода

Рис. 7

Для магнитопровода (рис.4) полное комплексное сопротивление  равно сумме комплексных сопротивлений участков цепи и активного магнитного сопротивления зазора Rз, то есть:

Здесь  - удельные активное и реактивное магнитные сопротивления материала магнитопровода.

Следовательно, активное и реактивное магнитные сопротивления определяются выражениями:

Для вычисления этих сопротивлений необходимо предварительно определить удельные активные и реактивные магнтные сопротивления материала магнитопровода, которые зависят от величины индукции в магнитопроводе [3]. Поэтому вычислим индукцию магнитного поля на различных участках магнитопровода задаваясь индукцией на участке d-e (1-е расположения намагничивающей катушки). Величина индукции на участках определяется выражениями:

Результаты проведенных вычислений представлены в таблице 3.

Далее находим величины  и  используя [3] и результаты сводим в таблицу 4.

Полученные значения удельных реактивных магнитных сопротивлений для частоты  Гц необходимо пересчитать на частоту 100 Гц в соответствии с выражением:

где  - учитывает потери на вихревые токи и равно 3,41х10³ см/Гн [3].

Принимая во внимание, что  уравнение для   запишется в виде

Результаты пересчёта на частоту  Гц приведены в таблице 5.

Далее, используя результаты расчётов, приведенных в таблицах 4 и 5 вычисляем магнитные сопротивления  и  магнитопровода без зазора и результаты сводим в таблицу 6.

Далее вычисляем полное комплексное магнитное сопротивление магнитопровода и воздушного зазора и . Результаты расчётов, которые выполнены для различных значений величины воздушного зазора и индукции магнитного поля в среднем сердечнике магнитопровода сведены в таблицу 7.

Рис. 8

В качестве иллюстрации, на рис.8 построены зависимости для различных значений индукции в среднем сердечнике магнитопровода. По результатам выполненных расчётов строим эквивалентную схему магнитопровода, которая приведена на рис.7. В соответствии с эквивалентной схемой находим величину разности магнитных потенциалов в зазоре, необходимую для создания магнитного потока Фз:

Разность магнитных потенциалов  , создаваемая потоком Фо в среднем сердечнике магнитопровода, находится из выражения:

Приравняв эти выражения, получаем трансцендентное уравнение, связывающее общий магнитный поток в сердечнике Фо и величину воздушного зазора :

Решение этого уравнения находится графо-аналитическим методом, для чего вычисляем магнитный поток Фо в зависимости от величины зазора и строим график (рис.9). Потом вычисляем магнитный поток Фо по ранее заданной индукции В=1.3 Гн (при расчёте магнитных сопротивлений магнитопровода):

Рис. 9

В соответствии с построениями, представленными на рисунке 9 находим значение  удовлетворяющее уравнению для Фо. По найденной величине и используя графики на рисунке 6 определяем полное комплексное сопротивление магнитопровода для вычисленных значений индукции и магнитного зазора, которое равняется  1/Гн. Зная величину  определяем угол потерь:

Полные потери в магнитопроводе Рм составляют:

В этом выражении значение  берётся равным 1.11 согласно [3].

Намагничивающую силу катушки определим из выражения:

6. Расчет параметров намагничивающей катушки

При расчёте намагничивающей катушки задаются величиной допустимого тока протекающего по обмотке. В рассматриваемой задаче зададимся амплитудой допустимого тока Im=0.6А, тогда действующее значение будет равняться:

Зная величину допустимого тока, и принимая плотность тока в обмотке  [4], чтобы тепловой режим электромагнита был облегчённым, находим диаметр провода обмотки d_M.

Ближайший к расчетному стандартный диаметр обмоточного провода составляет 0.47 мм [5]. Выбираем провод ПЭВ-1, который характеризуется параметрами, приведенными в таблице 8.

Вычислим количество витков катушки намагничивания из соотношения:

Воспользуемся уравнением [3] для вычисления площади намотки: ,

где  -высота и длинна намотки; N-количество витков;  - коэффициент заполнения катушки медью.

Площадь намотки будет равна:  ,         (36)

принимаем Sн=120 м.

Задаёмся длиной намотки 1н=22 мм и вычисляем высоту намотки

   (37)

Далее определим активное сопротивление катушки, обусловленное потерям меди:

     (38)

и активное сопротивление обусловленное потерями в магнитопроводе

           (39)

а также реактивное сопротивление катушки

    .      (40)

Таким образом, полное сопротивление катушки равняется:

.       (41)

Угол между током и напряжением определяется формулой:

    (42)

Полная мощность потребляемая катушкой находится из выражения:

Активная мощность будет равна

        (44)

Полученные в расчёте параметры  являются исходными данными для проектирования источника питания катушки.

Заключение

Предложенный вариант конструкции излучателя и соответственно, новый сочетанный вариант применения ЭМИ КВЧ в клинической практике позволит расширить диапазон применения КВЧ терапии и повысить его эффективность.