Название заявки:

Разработка макета плазменного устройства для обработки биологических тканей на основе эффекта слияния стримеров

Описание конечного продукта:

Наименование продукта: плазменное устройство для обработки биологических тканей холодной плазмой атмосферного давления.

Назначение: генерация холодной плазменной струи атмосферного давления с повышенным содержанием биологически активных радикалов для исследований в области плазменной медицины, включая антибактериальную обработку, стерилизацию и стимуляцию заживления ран.

Основные потребительские характеристики:

• Режим работы: холодная плазменная струя, температура газа в зоне воздействия не превышает 40°C.

• Конфигурация разряда: два встречных стримерных разряда противоположной полярности с синхронизацией на основе внутренней оптической обратной связи.

• Увеличенный выход биологически активных радикалов (OH, атомарный кислород, оксид азота) и длины холодной плазменной струи по сравнению с традиционной схемой одиночных стримеров при сопоставимых энергозатратах.

• Механизм биологического действия: воздействие является комплексным и включает не только химически активные частицы, но и электрическое поле высокой напряжённости, локально усиленное в области слияния стримеров, а также ультрафиолетовое излучение, генерируемое плазмой в полосах N₂ и NO и ОН.

• Биологическая активность: антибактериальное действие в отношении микроорганизмов, характерных для раневых инфекций.

• Конструктивное исполнение: компактное устройство (до 5 кг), работающее от сети питания 220 В и не требующее дополнительных расходных материалов. Есть теоретическая возможность для автономного режима работы от аккумулятора в полевых условиях.

• Области применения: Устройство предназначено для использования в нескольких направлениях плазменной медицины, где востребовано сочетание низкой температуры, антибактериального эффекта и стимуляции регенерации тканей. К ним относятся лечение хронических и острых ран, дерматология, стоматология и стерилизация.

Технологии: Н2. Медицина и технологии здоровьесбережения --> Технологии воздействия на живые организмы --> Электромагнитные, оптические и тепловые воздействия

Соответствие приоритетам национальных проектов технологического лидерства (НПТЛ): Новые технологии сбережения здоровья —> Медицинские изделия —> Медицинские изделия для манипуляции / восстановления тканей / органов человека

Обоснование соответствия приоритетам национальных проектов технологического лидерства:

Проект направлен на создание макета плазменного устройства для обработки биологических тканей, что непосредственно соответствует приоритетам национального проекта «Новые технологии сбережения здоровья» в части разработки медицинских изделий для восстановления тканей человека.

В настоящее время российский рынок медицинских источников холодной плазмы развит слабо и представлен единичными моделями от научных групп, что создает критическую зависимость от импортных технологий в стратегически важной области лечения хронических ран, ожогов и послеоперационных осложнений. Отечественные производители только начинают вывод на рынок первых серийных устройств, ставя своей стратегической целью импортозамещение в этом секторе

Предлагаемое решение использует эффект слияния двух стримеров разной полярности усиливающий генерацию биологически активных радикалов. Такой подход формирует задел для создания отечественных медицинских плазменных устройств нового поколения, способных составить конкуренцию зарубежным аналогам и способствовать достижению технологического лидерства России в области плазменной медицины.

Ключевые слова:

Холодная плазма, атмосферное давление, стример, волна ионизации, плазменная струя, газовый разряд, оптическая синхронизация разрядов, активные формы кислорода, активные формы азота, ультрафиолетовое излучение, спектроскопическая диагностика, электрическое поле, антибактериальная обработка, плазменная медицина, лабораторный макет

Аннотация проекта:

Источники холодной плазмы являются перспективным инструментом биомедицины, но в России их производство практически отсутствует. Развитие этой области сдерживает проблема низкой эффективности генерации биологически активных радикалов и ограниченной длины холодной плазменной струи у существующих источников. Проект направлен на решение этой проблемы за счёт использования эффекта слияния двух встречных стримеров противоположной полярности. В рамках проекта будет разработан лабораторный макет с системой оптической синхронизации разрядов. Предполагается, что слияние стримеров позволит увеличить выход радикалов (OH, O, NO) и длину струи. Для проверки этой гипотезы будут проведены спектроскопическая диагностика, измерение концентраций H₂O₂ и нитрат-ионов в жидкости, а также микробиологические тесты. Результатом станет количественная оценка усиления химической и биологической активности по сравнению с традиционной одноразрядной схемой. Областью применения разработки является плазменная медицина, а потенциальными потребителями — исследовательские центры и компании, разрабатывающие медицинские плазменные технологии.

Новизна предлагаемых в инновационном проекте решений:

Научная новизна проекта заключается в применении эффекта управляемого слияния двух встречных стримеров противоположной полярности для синергетического увеличения выхода биологически активных радикалов и длины холодной плазменной струи. В отличие от традиционных источников плазменных струй, где генерация активных частиц лимитирована током в канале одиночного разряда, в предлагаемой схеме при слиянии стримеров формируется замкнутая токовая цепь, которая обеспечивает локальное усиление электрического поля и более эффективное возбуждение и диссоциацию молекул без повышения температуры газа. Более того, ожидается повышение безопасности такого устройства, поскольку большая часть тока в плазме будет замыкаться в стороне от обрабатываемой поверхности. Работы, посвященные взаимодействию стримеров с целью усиления химической активности холодной плазмы, в научной литературе практически отсутствуют.

Техническая новизна состоит в коммутации независимых источников разрядных импульсов, порождающих 2 взаимодействующих стримера без сложных систем их принудительной синхронизации. Вместо этого предлагается использовать внутреннюю оптическую обратную связь: ультрафиолетовое излучение от одного разряда инициирует пробой во второй разрядной камере, обеспечивая синхронизацию стримеров, либо эту роль выполнит независимый источник излучения. Такой подход упрощает схему питания и повышает надежность работы устройства.

Технологическая новизна связана с созданием лабораторного макета плазменного источника, реализующего новый физический принцип. Макет позволит впервые экспериментально оценить выигрыш в эффективности генерации радикалов и протяжённости струи по сравнению со схемой с одним стримером, что формирует основу для разработки медицинских устройств нового поколения.

Задел по тематике проекта:

Работа над проектом опирается на многолетний цикл исследований волн ионизации в длинных разрядных трубках, выполненных на базе СПбГУ. Ключевые результаты задела:

• Экспериментальная база и методики: Созданы и отлажены экспериментальные стенды для генерации, регистрации и анализа волн ионизации. Освоены методики регистрации x-t диаграмм, измерения мгновенных скоростей и потенциалов фронта волны, коэффициентов затухания, а также спектроскопической диагностики метастабильных атомов в послесвечении пробоя.

• Основные научные результаты:

  • Установлен экспоненциальный характер затухания потенциала фронта и мгновенной скорости волн ионизации.

  • Обнаружено, что масштабы экспоненциального затухания скорости и потенциала не совпадают. Их величины получены для широкого диапазона условий во всех не радиоактивных инертных газах.

  • Определены ключевые элементарные процессы, ответственные за деактивацию метастабильных атомов неона в послесвечении пробоя, и измерены характерные времена их распада.

  • Ключевой задел: экспериментально обнаружен и задокументирован (в дипломной работе и двух докладах на PPPT-11) эффект взаимодействия встречных волн ионизации, который лежит в основе предлагаемого проекта. Разработаны методы одновременной регистрации электродинамических и кинетических параметров волн ионизации, а также оптическая диагностика плазмы.

Основные публикации и работы, относящиеся к тематике проекта

Статьи в рецензируемых журналах:

1. V.V. Zaletov, A.I. Shishpanov, Y.Z. Ionikh. Phys. Complex Systems 5 (2024) 129-134

2. A.I. Shishpanov, V.V. Zaletov, P.S. Bazhin. Bull. Lebedev Phys. Inst. 51 (2024) 256-261

Доклады на конференциях:

1. A.I. Shishpanov, V.V. Zaletov. Experiments on ionization waves collisions in long discharge tubes. XI International conference Plasma Physics and Plasma Technology. September 15 - 19 2025. Minsk. Belarus. Book of Abstracts 27.

2. A.I. Shishpanov, V.V. Zaletov. Ionization waves forming a capacitive discharge at low and moderate gas pressures. XI International conference Plasma Physics and Plasma Technology. September 15 - 19 2025. Minsk. Belarus. Book of Abstracts 42.

Дипломная работа:

• Залетов, В.В. Экспериментальное исследование характеристик волн ионизации, возникающих в низкочастотном емкостном разряде: магистерская диссертация. – СПбГУ, 2025.

Конкурентные преимущества создаваемого продукта, сравнение технико-экономических характеристик с основными аналогами, в том числе мировыми:

К числу наиболее известных медицинских устройств на основе холодной атмосферной плазмы, сертифицированных для клинического применения, относятся плазменные джеты kINPen MED (neoplas-med.eu Германия) и SteriPlas (adtechealthcare.com Великобритания), устройство на основе диэлектрического барьерного разряда PlasmaDerm VU-2010 (plasmaderm.de Германия), а также система Canady Helios Cold Plasma (usmedinnovations.com США). Все перечисленные аппараты сертифицированы как медицинские изделия для лечения хронических ран и продемонстрировали клиническую эффективность.

kINPen MED — наиболее изученный представитель класса устройств на основе плазменных струй атмосферного давления. Он работает на аргоне, генерирует холодную плазменную струю с температурой 35–38 °C и сертифицирован как медицинское изделие класса 2a для лечения хронических ран и патоген-индуцированных кожных заболеваний. В SteriPlas тоже используется аргон в качестве рабочего газа. Устройство применяется в клинической практике более 18 лет, опубликовано свыше 85 рецензируемых исследований. Canady Helios CHCP — система холодноплазменной абляции мягких тканей, которая формирует нетермический плазменный джет в потоке гелия, применяемый интраоперационно для обработки хирургического края после удаления солидной опухоли. PlasmaDerm VU-2010 представляет собой устройство, основанное на прямом диэлектрическом барьерном разряде (DBD-разряд), формирующее холодную плазму непосредственно на коже пациента. Электрическое поле, создаваемое прибором, обеспечивает, по заявлениям производителя, уникальную глубину проникновения терапевтического воздействия.

На российском рынке серийно производимые медицинские устройства данного класса практически отсутствуют. Единственным зарегистрированным медицинским прибором является аппарат «Гелиос», генерирующий холодную плазму с температурой до 35 °C и предназначенный для обработки живых тканей. Ряд отечественных научных групп ведёт разработку новых устройств — в частности, аппарат холодной плазмы IQ-Plasma компании «Профмедгрупп» и плазменный аппарат для лечения открытых ран и кожных заболеваний, созданный учеными Пермского политехнического университета. Следует отметить, что подробные технические характеристики и результаты независимых испытаний большинства российских разработок в открытой научной печати практически не представлены, что отражает начальную стадию формирования отрасли и затрудняет объективное сопоставление.

По совокупности характеристик разрабатываемое устройство будет обладать рядом принципиальных отличий от существующих аналогов. Во-первых, в отличие от kINPen MED, SteriPlas, Canady Helios и «Гелиос», использующих инертные газы (аргон или гелий), в предлагаемом макете в качестве основного рабочего газа предполагается использование атмосферного воздуха. Это исключает необходимость в баллонах с инертными газами, снижает эксплуатационные расходы и упрощает конструкцию.

Во-вторых, ключевым физическим отличием является использование двух встречных стримерных разрядов противоположной полярности с синхронизацией на основе внутренней оптической обратной связи. Данная конфигурация не имеет прямых аналогов среди известных медицинских устройств холодной плазмы. В предлагаемой схеме за счёт слияния стримеров ожидается увеличение протяженности холодной плазменной струи и локальное усиление электрического поля в области пересечения, что должно привести к повышению выхода биологически активных радикалов без увеличения вложенной мощности.

В-третьих, двухразрядная конфигурация обеспечивает возможность управления формой и площадью зоны обработки путем изменения угла пересечения струй. Ни один из известных аналогов не предоставляет такой гибкости.

В-четвертых, предлагаемая схема синхронизации разрядов на основе внутренней оптической обратной связи исключает необходимость в сложных внешних системах синхронизации и потенциально снижает требования к амплитуде напряжения на каждом из источников, что упрощает схемотехнику и повышает надежность.

Таким образом, разрабатываемый лабораторный макет занимает новую нишу среди устройств холодной плазмы, сочетая преимущества работы на воздухе, увеличение числа активных частиц за счет встречного слияния стримеров и управляемой геометрии зоны обработки.

Востребованность продукта на рынке:

Востребованность разрабатываемого устройства определяется совокупностью трех факторов: устойчивым ростом мирового и российского рынка медицинских устройств на основе холодной плазмы, обострением глобальной проблемы антибиотикорезистентности, стимулирующим поиск альтернативных методов лечения, и институциональным признанием плазменной медицины как самостоятельного научно-клинического направления.

Фактор 1. Мировой рынок холодной плазмы в здравоохранении демонстрирует устойчиво высокие темпы роста, обусловленные как расширением перечня клинически значимых применений – от обработки хронических ран и послеоперационных швов до стерилизации и противоопухолевой терапии, так и техническим прогрессом в разработке источников холодной плазмы. Драйверами роста выступают растущая потребность в неинвазивных и немедикаментозных методах лечения, ужесточение требований к инфекционной безопасности медицинских учреждений и интенсивные инвестиции в НИОКР со стороны как государственных, так и частных фондов. На мировой арене технология холодной атмосферной плазмы находится на этапе активного перехода от лабораторных исследований к клинической практике, что формирует благоприятную рыночную конъюнктуру для вывода на рынок новых устройств данного класса. Существуют ряд плазменных устройств, полностью сертифицированных для клинического применения и доступных для коммерческого использования. Наиболее яркие представители это kINPen MED (Грайфсвальд, Германия), PlasmaDermVU−2010 (Дудерштадт, Германия) и Adtec SteriPlas (Мидлсекс, Великобритания).

Российский рынок медицинских устройств на основе холодной плазмы находится на начальном этапе формирования, однако уже демонстрирует выраженный потенциал роста. Существующие приборы для обработки холодной плазмой выпускаются В России единичными экземплярами, и недоступны для массового использования. На Российском рынке «Гелиос» - единственный зарегистрированный медицинский прибор для обработки холодной плазмой. В 2025 г. учёные Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали плазменный аппарат для лечения открытых ран, послеоперационных швов и кожных заболеваний, что свидетельствует о возрастающем интересе академического сообщества к данной технологии и появлении отечественных научно-технических заделов. Дополнительным фактором, стимулирующим развитие рынка, является выход на рынок российских стерилизаторов на основе холодной плазмы, таких как «Стериплаз» (ООО «Лидкор»), которые в 2024 году были поставлены более чем в 40 медицинских учреждений 14 регионов страны. Указанные тенденции указывают на формирование в России полноценного сегмента плазменных медицинских устройств, способного занять существенную долю на фоне глобального роста рынка и обеспечить импортонезависимость по данному направлению.

Фактор 2. Кризис антибиотикорезистентности и потребность в альтернативных методах

Устойчивость микроорганизмов к противомикробным препаратам признана Всемирной организацией здравоохранения одной из глобальных угроз общественному здоровью. Рост числа мультирезистентных штаммов ведет к увеличению продолжительности госпитализации, повышению стоимости лечения и росту летальности. Данная ситуация стимулирует интенсивный поиск немедикаментозных антимикробных технологий, к числу которых относится холодная атмосферная плазма.

В научной литературе холодная плазма рассматривается как перспективная альтернатива традиционным антибиотикам благодаря многофакторному механизму воздействия на бактериальную клетку: окислительный стресс, вызываемый активными формами кислорода и азота, разрушение клеточной мембраны, повреждение нуклеиновых кислот и белков. Принципиально важным преимуществом является отсутствие формирования резистентности у микроорганизмов, что выгодно отличает плазменные технологии от химиотерапевтических антибактериальных средств. Указанные свойства создают объективные предпосылки для внедрения устройств холодной плазмы в клиническую практику, в том числе для обработки хронических ран, послеоперационных швов и дерматологической терапии.

Фактор 3. Институциональное признание плазменной медицины

Плазменная медицина как самостоятельная междисциплинарная область сформировалась к середине 2000-х годов и получила институциональное оформление в 2009 году с учреждением Международного общества плазменной медицины (International Society for Plasma Medicine, ISPM). С этого момента проводятся регулярные международные конференции (International Conference on Plasma Medicine, ICPM), издаются специализированные рецензируемые журналы (Plasma Medicine), а тематические секции по плазменной медицине включены в программы ведущих научных форумов по физике плазмы и биомедицинской инженерии. Наличие развитой научной инфраструктуры и признанного профессионального сообщества снижает барьеры для вывода на рынок новых устройств данного класса и обеспечивает преемственность между фундаментальными исследованиями и клиническим внедрением.

Таким образом, совокупность рыночных, медико-биологических и институциональных факторов подтверждает своевременность и востребованность разработки лабораторного макета плазменного устройства медицинского назначения, основанного на предлагаемом физическом принципе.

Требования по патентной защите:

В рамках проекта планируется обеспечение правовой охраны разрабатываемого лабораторного макета плазменного устройства для обработки биологических тканей на основе эффекта слияния стримеров. Учитывая, что разработка представляет собой новое устройство, оптимальным объектом патентования является полезная модель (согласно ст. 1351 ГК РФ), что позволит получить патент в более короткие сроки и с меньшими затратами по сравнению с патентом на изобретение.

План патентования:

1. Патентный поиск (1-3 месяц реализации проекта): Проведение патентных исследований по базам Роспатента и международным базам для подтверждения мировой новизны предлагаемого технического решения — устройства на основе двух синхронизированных стримерных разрядов.

2. Подготовка и подача заявки (4–5 месяц реализации проекта): Составление полного пакета документов и подача заявки в Федеральную службу по интеллектуальной собственности (Роспатент).

3. Делопроизводство и получение патента (6–12 месяц реализации проекта): Сопровождение заявки на этапе формальной экспертизы. Оплата необходимых государственных пошлин.

Сведения об авторах и правообладателе: Автором (соавторами) разработки являются участник проекта Залетов Владислав Витальевич и сотрудник СПбГУ Шишпанов Александр Игоревич. Патентообладателем будет выступать заявитель (физическое лицо). Оплата всех патентных пошлин и поддержание патента будет произведена за счет средств гранта.

Цель выполнения проекта:

Существенное повышение эффективности генерации биологически активных радикалов и протяжённости холодной струи в атмосферном источнике холодной плазмы за счет использования синергетического эффекта слияния двух встречных стримеров разной полярности. Для этого будет разработан лабораторный макет устройства на основе двух диэлектрических каналов с системой синхронизации разрядов по внутреннему оптическому сигналу, и будет проанализирована возможность увеличения концентрации радикалов (OH, O, NO) и длины холодной струи за счет эффекта взаимодействия стримеров по сравнению с ситуацией, когда такого взаимодействия нет при тех же энергозатратах и без значительного повышения температуры газа. Создание лабораторного макета рассматривается как первый этап на пути к разработке полноценного коммерчески доступного медицинского устройства.

Задачи по проекту в рамках договора (соглашения) по программе «УМНИК»:

1. Провести спектроскопическую диагностику одиночного и взаимодействующих стримерных разрядов: измерить длину холодной струи, температуру газа, относительные концентрации биологически активных возбужденных частиц (OH-радикал, атомарный кислород, оксид азота и др.), дать оценку напряженности электрического поля в областях распространения стримеров до взаимодействия и в области их перекрытия.

2. Количественно оценить химическую активность плазмы в жидкости (концентрации H₂O₂, нитрат-ионов, pH) для обоих режимов и сопоставить полученные значения с литературными данными для известных аналогов медицинских источников плазменных струй (например, kINPen и др.).

3. Провести микробиологическое тестирование антибактериальной активности плазмы на стандартных тест-культурах микроорганизмов, характерных для раневых инфекций.

4. Исследовать синергетический эффект взаимодействия разнополярных стримеров по совокупности измеренных физических, химических и биологических параметров и подготовить лабораторный макет к патентованию.

5. Разработать и изготовить экспериментальный макет, состоящий из двух диэлектрических каналов с независимыми импульсными источниками питания и системой синхронизации стримерных разрядов на основе внутренней оптической обратной связи. Подать заявку на патент полезной модели.

Область применения научно-технических результатов:

Разрабатываемый лабораторный макет относится к классу источников холодной плазмы атмосферного давления и предназначен для решения задач плазменной медицины и смежных областей, где требуется эффективная генерация биологически активных радикалов и высокоэнергетического излучения, а также воздействие посредством кратковременного локального возникновения высокой напряженности поля.

Ключевые области применения:

Плазменная медицина — обработка хронических и острых ран, трофических язв, послеоперационных швов с целью антибактериальной санации и стимуляции регенерации тканей; обработка кожных покровов при дерматологических заболеваниях.

Стерилизация — холодная плазменная стерилизация термочувствительных материалов, медицинского инструмента, поверхностей и полимерных изделий, не допускающих термической или химической обработки.

Биомедицинские исследования — использование макета как инструментальной платформы для изучения воздействия холодной плазмы на клеточные культуры, бактериальные биопленки и модельные биологические жидкости в лабораторных условиях.

Потенциальными потребителями результатов проекта на данном этапе выступают научно-исследовательские организации и университетские лаборатории, занимающиеся разработкой методов плазменной медицины и оценкой биоэффектов холодной плазмы.

Основные технические параметры, определяющие количественные, качественные и стоимостные характеристики продукции (в сопоставлении с существующими аналогами, в т.ч. мировыми):

В разрабатываемом устройстве в качестве рабочего газа будет использоваться атмосферный воздух, что исключает необходимость в баллонах с инертными газами и сменных расходных элементах, снижает эксплуатационные расходы и упрощает конструкцию. Для сравнения: ведущие сертифицированные аналоги обычно используют инертные газы: kINPen MED, SteriPlas, IQ-Plasma — аргон, Canady Helios Cold Plasma и «Гелиос» — гелий. Отказ от инертных газов снижает себестоимость процедуры и устраняет зависимость от расходных материалов, что является ключевым преимуществом для массового внедрения.

Температура плазменной струи в разрабатываемом устройстве не превысит 40 °C, что является общепринятым порогом безопасности для биомедицинских применений. Питание будет осуществляться от сети 220 В, 50 Гц; потребляемая мощность не превысит 30 Вт. Данные параметры сопоставимы с характеристиками существующих аналогов: kINPen MED имеет температуру струи 35–38 °C при мощности менее 3,5 Вт; аппарат «Гелиос» — температуру 30–45 °C при потребляемой мощности менее 20 Вт; IQ-Plasma — температуру до 40–45 °C. Таким образом, по температурному режиму продукция не будет уступает сертифицированным аналогам, а по энергопотреблению находится на сопоставимом уровне.

Ожидается, что длина холодной плазменной струи составит не менее 2 см. Это сопоставимо с опубликованными данными для воздушных плазменных джетов. Увеличение длины струи ожидается за счет эффекта слияния двух встречных стримеров противоположной полярности, образующих общую токовую цепь. Для сравнения: kINPen MED генерирует струю длиной порядка 1 см с эффективной площадью обработки около 1 см².

Конфигурация с использованием двух встречных стримерных разрядов не имеет прямых аналогов среди известных медицинских устройств холодной плазмы. За счёт слияния стримеров ожидается локальное усиление электрического поля в области пересечения и, как следствие, повышение выхода биологически активных радикалов без увеличения вложенной мощности. Двухразрядная конфигурация также обеспечит возможность изменения формы и площади зоны обработки путём регулировки угла пересечения струй. Ни один из известных аналогов не предоставляет такой гибкости.

Конечное устройство будет представлять собой компактный прибор массой до 5 кг, гелиработающий от стандартной сети 220 В и не требующий дополнительных расходных материалов. Отказ от газовых баллонов принципиально уменьшает габариты и повышает мобильность устройства. Установка для аналогичных устройств, работающих на аргоне или гелии, обычно представляет собой стеллаж высотой 0,5-1 метр с баллоном и требует особых условий хранения.

Приведенное сравнение является прогностическим и основано на предполагаемых характеристиках разрабатываемого макета. Окончательные параметры будут уточнены в ходе выполнения проекта.

На этапе выхода на рынок основными потребителями устройства станут медицинские учреждения, специализирующиеся на лечении хронических ран, ожогов и дерматологических заболеваний, а также стоматологические клиники. Кроме того, устройство будет востребовано в исследовательских лабораториях биомедицинского профиля в качестве инструмента для изучения воздействия холодной плазмы на биологические объекты.

Конструктивные требования (включая технологические требования, требования по надежности, эксплуатации, техническому обслуживанию, ремонту, хранению, упаковке, маркировке и транспортировке):
Экспериментальный макет будет выполнен в виде настольной лабораторной установки. Основными конструктивными элементами станут две независимые разрядные камеры, выполненные в виде диэлектрических каналов и закрепленные на механических держателях с возможностью изменения их взаимного положения в пространстве. Каждый канал будет оснащен собственным импульсным источником питания, а синхронизация их работы будет осуществляться за счет внутренней оптической обратной связи.

Диэлектрические каналы будут изготовлены из кварцевого стекла. Выбор кварца на начальном этапе обеспечит термостойкость, химическую инертность и удобство спектроскопической диагностики в видимом и ближнем УФ-диапазонах. Конструкция не будет накладывать ограничений на последующую замену материала каналов на полимеры (например, медицинский силикон) для приближения макета к портативному исполнению.

Внутренний диаметр каналов будет варьироваться в диапазоне от долей до единиц миллиметра, а длина — от 1 до 10 см. Конкретные значения будут подбираться в ходе экспериментов для достижения устойчивого стримерного разряда на воздухе при минимальном напряжении.

На каждом канале будет установлен один высоковольтный электрод, подключенный к импульсному источнику питания. Заземленные электроды (при необходимости) будут размещены в области пересечения струй с возможностью изменения их положения.

Держатели каналов обеспечат линейное перемещение вдоль трёх осей и поворот оси каналов относительно вертикали. Это позволит задавать угол пересечения плазменных струй в диапазоне от 0° (параллельные струи) до 90° и более, а также варьировать расстояние между соплами и обрабатываемой поверхностью от 1 до 10 см.

Рабочим газом в основном режиме будет атмосферный воздух. Однако конструкция также будет предусматривать возможность подключения баллонов с инертными газами (аргон, гелий) для сравнительных экспериментов. При работе на воздухе газ будет поступать в каналы самотеком или с помощью маломощного компрессора с регулируемым расходом. При использовании баллонов расход будет контролироваться стандартными ротаметрами.

Источниками питания будут два независимых импульсных генератора с выходным напряжением до 10 кВ, длительностью фронтов порядка десятков–сотен наносекунд и регулируемой частотой следования от 1 Гц до 50 кГц. Синхронизация реализуется за счёт внутренней оптической обратной связи. Макет также будет оснащен защитной клеткой Фарадея для снижения электромагнитных помех при спектроскопических измерениях.

Длительность непрерывной работы ожидается не менее 30 минут без перегрева элементов. Конструкция будет обеспечивать свободный доступ к каналам и электродам для их очистки или замены. Макет будет храниться в сухом отапливаемом помещении при температуре от +5 до +40 °C и относительной влажности не более 80%. Для транспортировки макет будет разбираться на основные узлы (каналы, держатели, источники питания) и упаковываться поэлементно.

Конструкция и схемотехника макета не накладывают принципиальных ограничений на миниатюризацию. Замена кварцевых трубок на полимерные, использование компактных источников питания и уменьшение габаритов механических узлов позволят в перспективе перейти к портативному ручному инструменту без изменения физического принципа работы.

На страницу проекта