液电冲击波电极的放电分析

液电冲击波电极的放电分析

那军

那军（哈尔滨市第四医院碎石科黑龙江哈尔滨150026）

【中图分类号】R197.39【文献标识码】A【文章编号】1672-5085(2010)22-0210-02

【摘要】目的电极最佳放电。方法理论分析和试验测量。结果电极的最佳间隙减小电极放电的离散性，改善放电回路的特性参数。结论做到临床500次脉冲以内ESWL治疗尿路结石效果和效率。

【关键词】体外冲击波碎石术（ESWL）液电效应冲击波源电极最佳间隙目前，体外冲击波碎石机常用的波源有三种。液电冲击波源，压电晶体脉冲超声波源和电磁脉冲波源。通过总体分析和实际应用来看液电冲击波源的碎石效果和效率都有明显优势。缺点是冲击波的个波之间的均一性差，即离散大。下面就电极的工作过程加以分析。

电极的电弧放电过程分三个阶段：水间隙击穿接通——电容器电能向水间隙通道电弧放电——放电后期的汽泡脉动阶段。

水间隙击穿接通有先导击穿和热力击穿两种情况。先导击穿是当电极间隙在高电压作用下（电极表面电场强度必须超过每厘米几十千伏的“阀”值），尖端——尖端电极，形成极不均匀的电场，以获得必须的最大场强。电子向正尖端集聚产生电子雪崩，结果形成向电子雪崩的游离中心方向生长的先导。先导之一接通电极间隙，便完成了形成放电通道的过程。先导击穿延时很短（这里说的击穿延时是指在放电电极加上电压的瞬间到形成击穿放电通道之间的时间）。尖端场强主要决定于尖端曲率半径r和电压u。因尖端电极附近各种因素引起场的失真，电极表面粗糙度在形成先导过程中起重要作用。粗糙使电极表面的个别点容易形成汽泡，而汽泡的击穿就是先导形成的发起者。先导形成后，其发展决定于先导头部的场强，当场强低于某一临界值时，雪崩形成的终止使先导的生长也停止。先导头部场强降低有两个原因：一是因先导本身长度上的电压下降；二是因放电电极上的电压下降。因此电容器电压越高和电容器容量越大，先导越易于生长，生长的极限长度也越大。在先导击穿的情况下，击穿延时与液体静压力值无关。热力击穿是当电极间隙在低电压情况下，电极尖端的场强达不到形成先导的临界值。加在电极间隙的电压使水中有传导电流流过，这一电流虽然不大，但它能使电极附近的水受到加热，并发生汽化。结果在电极间隙中形成汽体“小桥”，沿着这个小桥进一步形成放电通道，发展为间隙击穿。热力击穿延时较先导击穿长，可达几毫秒，热力击穿的特征除电压较低外，就是击穿间隙不长和击穿延时随着液体静压力的增长而迅速增大。

放电通道形成并击穿后，电容器电能向水中电弧放电通道释放，放电电流达千安级。放电过程中，通道温度由低到高可迅速达到10000K。有一段高温变化不大，在放电接近完了时温度下降。通道电弧电阻在开始击穿阶段迅速降至最小值(毫欧级)，有一段保持最小值不变化，到临近放电终了时，由于电弧中等离子体冷却和冷却引起的去游离过程，通道电弧电阻又增大。电弧高温引起通道中压力升高，而且随即开始膨胀。在水中产生正冲击压力波，波形特征是上升前沿陡度较大，达到最大幅值后又近似e指数衰减下降。

汽泡脉动是在放电的后阶段，通道已形成汽泡，电能释放终了后，通道形成的汽泡开始时汽泡中的压力比水静压力高继续膨胀，当汽泡中压力等于水静压力时，前面膨胀推动水流仍惯性运动。只有在水的动能完全转变为汽泡位能时，汽泡才会停止膨胀。这时汽泡中的压力比液体静压小，而且小很多。所以在静压作用下，产生反向水运动，位能重新转变为反向移动流的动能。当汽泡闭合时，汽泡中压力激烈增长，在这压力作用下水会向后退转，这个过程可能以几个（1—3个）连续的衰减脉冲形式重复着，直到消失。分析电极的工作过程我们不难看出，汽泡脉动阶段与均一性放电无关。而当放电电路的集中参数电容和电感一定时，在隔离间隙开关调整好的情况下，液电冲击波的均一性主要取决于电极的水间隙每次击穿接通及电弧放电能否近似相同。

观察下面试验。我们给电容充电到能引起电极先导击穿的某“阀”值电压值，调整电极间隙由小开始逐渐增大。在电极间隙较小时，在高电压作用下电极间隙是先导击穿，延时很短，电极每次放电情况比较相同，均一性较好，但电容器电能向水中电弧放电的通道截面较小，水的汽化量较小，转换成冲击波的能量很小。随着两极间的距离增大到某一区间值范围，电极间隙仍保持先导击穿，延时很短，电极每次放电均一性较好，此时水中电弧放电的通道截面足够大，电容器电能将足够量的水汽化转换成机械能，这时的冲击波的峰值压力、上升前沿、脉冲半高宽度都处于最佳值范围。此时电极间隙是一个最佳间隙状态。再增大电极间隙，电极尖端的场强达不到形成先导的临界值，逐渐由先导击穿转化为热力击穿，延时很长，电极每次放电的均一性较差，在放电时延阶段，通过水间隙也开始大量泄漏能量。随着电极间隙的继续增大，泄漏能量迅速增大，效率明显下低。偶尔还会出现异常放电，这是偶尔电极间隙的大间距先导击穿所造成的，此时的冲击波的峰值压力很大，会对人体造成损伤。泄漏能量近似计算和电能转换机械能的效率的近似计算如注释。取不同电容值或改变充电电压或绝缘电极尖端做上述试验并总结得出以下结论：

（1）最佳间隙与电容值有关，随着电容值增大，最佳间隙距离也增大。与充电电压有关，随着充电电压的上升，最佳间隙距离也增大。电极尖端是否绝缘，也直接影响最佳间隙距离。

（2）时延尽管电容器的电容值和充电电压值保持恒定，时延仍然有很大的离散度，不过，从总的趋势分析，仍可得出下列一些有用的结论。时延随电极间隙增大而增长；电极尖端绝缘时，时延短，电容值小时尤其显著；时延与电压的关系要比时延与电容的关系更大，电压越高，时延越短。

（3）泄漏能量损耗电极不绝缘时，随着电极间隙的加大，泄漏能量迅速增大，效率降低；电极尖端绝缘后，得到了良好的改善。

（4）安装电极时要尽量减小接触电阻，使电能在电极的水间隙中有效的转换成机械能——冲击波。

（5）电极随着放电次数的增多，电极逐步损耗，正负极的尖端曲率半径r也发生变化；电极间隙也增大，导致每次放电的过程不同，转换能量下降，能量转换效率下降，均一性明显下降。

我多年通过对液电式体外冲击波碎石机的使用、调整和大量试验体会到，电极使用的好，就可以很大程度改善液电冲击波电极每次放电的均一性，在较低的治疗能量下，每人次治疗所要冲击的次数可降至400次至500次，在不增加人体损伤的情况下提高碎石效果和效率。

注释1：由于点火开关间隙压降小，水间隙上的电压与电容器上的电压可视为相同。泄漏能量Ws=Wo—Wj=1/2CUo2－1/2CUj2，Ws：泄漏能量，Wo：电容充电能量，Wj：水间隙击穿时电容器上的储能，Uo：电容充电电压，Uj：水间隙击穿时电容器上的电压。

注释2：由于存在泄漏能量所产生的效率uu=Wj/Wo×100%。

参考文献

[1]孙西钊.医用冲击波.北京：中国科学技术出版社，2006.

[2]张禄荪.体外冲击波碎石.上海：上海科学技术出版社，1999.