亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器图文精.docx

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亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器图文精

1llO仪器仪表学报第3l卷

3高压纳秒脉冲发生器的研制

高压纳秒脉冲发生器的原理框图如图3所示,该装置主要由高压直流电源、纳秒脉冲形成系统和脉冲整形及计数系统三大部分组成。

纳秒脉冲形成系统

…………….企…………….

钮刮里h—习■刭一传:

感厶畸器ryt

图3高压纳秒脉冲发生器基本原理框图

Fig.3Thebasicprinciplesofthehish—voltage

nanosecondpulsegenerator

高压纳秒脉冲发生器基本原理:

高压直流电源通过限流保护电阻向LC形成线网络充电,在达到自击穿开关阈值电压时,自击穿开关瞬间击穿并在匹配负载（50Q处产生幅值为充电电压一半的高压纳秒方波脉冲。

电流传感器在放电回路中采集脉冲电流,经过滤波、脉冲整形处理电路引入脉冲计数器,在脉冲输出重复频率一定时,通过计数器内置继电器控制整个装置的电源输入,从而实现本装置治疗时间窗口可控。

3.1高压直流电源

为减小装置的体积和重量,满足医用设备便携、简单可靠特性,高压直流电源采用高压恒流源（天津东文DW—IX303.1FlD。

输出电压:

DCO一+30kV;最大输出电流:

lmA,电源配有电流、电压显示模块和调节电位器,并具有过压、过流保护模块。

通过调节电源输出电流来控制LC形成线网络的充电速度,进而控制自击穿开关的闭合频率,最终实现装置输出脉冲重复频率可调,便于寻找最佳肿瘤细胞治疗剂量。

3.2纳秒脉冲形成系统

纳秒脉冲形成系统主要由LC网络、自击穿开关和负载电阻组成。

高陡度方波脉冲所包含的高频分量将有助于肿瘤细胞内电处理效应,进一步提高肿瘤细胞凋亡率及治疗效果,因此如何提高输出脉冲上升沿陡度是本装置的关键技术之一。

根据电路理论¨…,脉冲的上升时间与杂散电感成正比,因此本装置主要从两个方面提高方波前沿的陡度。

一方面在设计过程中,选择优质无感电容、电阻;合理布线,尽量减小回路所包含的面积,以减小回路杂散电感。

另一方面,设计低导通时延的高性能自击穿开关。

3.2.1LC网络

高压电容选用无感陶瓷电容（西安九元CT8-1。

电容值200pF,充分考虑裕度,电容耐压值选40kV。

LC网络中电感的精确度直接影响输出脉冲的脉宽、上升沿及网络阻抗匹配,因此绕制精确度较高的电感是改善装置输出波形质量的关键因素。

LC网络阻抗设定为50Q,由网络阻抗公式Z=（∥C”2,则电感值￡取500nH。

电感由漆包线在制定好的塑料骨架上绕制而成,由经验公式（1¨引:

￡=哇嘎,

式中:

b为线圈长度;o为线圈半径;17,为线圈匝数;p。

为真空磁导率。

‰为长岗系数。

取口=4.2mm、b=39.7mm、n=18、KⅣ=0.88（查长冈系数表可得。

所绕制电感线圈均由TH2816型宽频LCR数字电桥进行测量矫正。

装置独特的使用铜板共地接线方式。

Lc网络的电感、电容均匀分布在铜板之上,构成一个网络模块,整体效果美观。

可根据需要添加或减少模块来改变装置输出脉冲脉宽,进而寻找诱导肿瘤细胞凋亡的最佳脉宽参数。

3.2.2自击穿开关

自击穿气体火花开关具有较高的击穿电压且重量较轻、击穿电压便于控制等优点。

结合装置实际情况,研制出圆柱平球头电极开关,单个电极长度30mm,直径10mm,倒角4mm,开关电极间距2mm,并根据J.C.Martin公式¨驯计算出开关击穿延时在1.5n8以内,满足设计要求。

利用COMSOLMultiphsics有限元分析软件仿真分析开关模型静电场下（30kV的电场分布,如图4所示。

开关间隙最大场强为15.8kV/mm,电场不均匀系数为1.053。

配6=（24.58d+6.7￣/剐∥（2

式中:

U“起始击穿电压/kV;6:

空气相对密度;d:

距离间彬cm∥:

电场不均匀系数。

图4气体开关静电场分布

Fig.4Electrostaticfielddistributionofthegas

switch

第5期姚陈果等:

一种诱导肿瘤细胞凋亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器

11ll

由稍不均匀电场静态击穿电压式（2可得:

当开关

内充有0.496MPa干燥空气,且LC形成线网络充满30

kV电压时,自击穿火花气体开关瞬间击穿,并在匹配负

载电阻处产生15kV高压纳秒脉冲。

开关顶部安装有

进、出气阀,通过调节密闭气体气压即可调节开关击穿电压,从而实现装置输出脉冲幅值连续可调。

根据仿真模型制作的开关实物图如图5所示。

图5

自击穿气体火花开关实物照片

Fig.5

Thepicturesoftheauto・breakdowngasswitch

3.2.3负载电阻

负载电阻选用超高频高电流氧化膜无感电阻（咸阳秦华RY—GDL,该电阻超高频性能稳定,能够响应网络输出的高压纳秒脉冲信号。

阻值50Q+l%,能精确匹配LC形成线网络阻抗,避免困折反射引起的脉冲波形振

荡。

3.3脉冲整形及计数系统

为了实现纳秒脉冲电场治疗时间窗口及剂量可控,

装置采用自制电流传感器采集高压纳秒脉冲信号H“,传感器以圆环形硅钢片为骨架,外径28.35mm,内径

13.9mm。

上面均匀缠绕150匝铜质漆包线（西0.65

toni。

为了滤除传感器信号中的负半波部分,传感

器信号经过二极管IN4007引入到RC脉冲整形电路。

再经过光电隔离及555脉宽调制电路,传感器采集到的高压纳秒脉冲就变为可被脉冲计数器（上海卓一电子ZYCA8—11识别的毫秒级低压脉冲信号,该计数器具有拨码开关设定功能,配合计数器内置继电器可实现装置输出脉冲个数可设定的智能化控制,在输出脉冲莺复频率一定情况下,最终实现装置治疗时间窗口可控。

脉冲整形及计数电路的原理框图如图6所示。

传

卜

脉冲

』

』

卜\

感

脉冲计数器

矿

-7/

光电隔离

--3/

555脉宽调制

旷

整形

器

图6脉冲整形及计数系统示意图

Fig.6

Blockdiagramofthepulseshapingandcountingsystem

4

高压纳秒脉冲发生器性能测试

整个装置紧凑设计,连线、焊接、布局都尽力减小引

入电感,研制出的高压纳秒脉冲发生器实物如图7所示。

整个装置尺寸:

440

iTlm×370mill×220

mill,重量为7.5

kg,有效满足了医学实验研究便携件的要求。

图7

高压纳秒脉冲发生器实物图

Fig.7

Photographofthehish—voltagenanosecondpulsegenerator

选择一个LC网络模块（8级Lc网络,自击穿气体火花开关内充满0.49MPa干燥洁净空气,当高压恒流源充电电压为30kV时,气体开关瞬间击穿。

采用美国Tektronic公司DP04054型数字荧光示波器和P6015A型高压探头对装置输出高压纳秒脉冲波形进行测试。

得到如图8所示方波脉冲,脉冲幅值15kV、上升沿10啮、半高宽脉宽200ns,脉冲波形稳定、无明显毛刺,与理论输出波形基本一致。

一

遥馨

脉宽,m

图8脉冲发生器输出实测波形

Fig.8

Measuredwaveforlnofthepulsegenerator

5

诱导肿瘤细胞凋亡窗口参数选择实验

研究

纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞凋亡机理是多参数（脉

第５期姚陈果等：

一种诱导肿瘤细胞凋亡的多参数可调高压纳秒脉冲发生器ｔｉｏｎｓＰｌａｓｍａｌｌｌ３诱导细胞凋亡的窗口参数，为研究纳秒脉冲电场诱导肿瘤细胞的凋亡效应及其窗口参数选择规律奠定了基础。

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ａｐｏｐｔｏｓｉｓｉｎｄｕｃｔｉｏｎａｎｄｔｕｍｏｒｇｒｏｗｔｈｉｎｈｉｂｉｔｉｏｎＵ，ＣＨＥＮＸ，ｅｔａｌ，Ｎａｎ－ｔｏ［４］ＮＵＣＣＩＴＥＬＬＩＲｏｓｅｅｏｎｄｐｕｌｓｅｄＬ，ＰＨＱＵＥＴＹ【Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ（１）：

２８６－２９２．ｏｎＰｌａｓｍａＳｃｉｅｎｃｅ，２００２，３０ｅｌｅｃｔｒｉｃｆｉｅｌｄｓｃａｕｓｅｍｅｌａｎｏｍａｓａｎｄＢｉｏｐｈｙｓｉｃａｌｓｅｌｆ－ｄｅ—ｓｔｒｕｅｔ［Ｊ］．ＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈＣｏｍ・作者简介姚陈果，２００３年于重庆大学电气工程学院获得博士学位，现为重庆大学教授、博士生导师。

主要从事生物医学的电工新技术研究。

ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２００６：

３４３。

３５１－３６０．［５］ＳＣＨＯＥＮＢＡＣＨＫＨ．ＫＡＴＳＵＫＩＳ，ＳＴＡＲＫＲ