Пристрій для плазмової стерилізації виробів та інструментів

Изобретение относится к медицинской технике, а именно к стерилизаторам, использующим плазму газового разряда для стерилизации медицинских изделий и инструментов. В настоящее время в медицинской практике наиболее широко используются традиционные стерилизаторы, основанные на применении термического воздействия (вода, пар, воздух), химических агентов и различных видов излучения. Термические стерилизаторы, температура в которых поддерживается на уровне 120-180°С, повреждают изделия из термочувствительных материалов и сокращают срок службы металлического инструмента. Длительность цикла стерилизации в таких устройства х достигает двух часов. Химический метод, основанный на применении токсичных газов (например, окиси этилена), пригоден для стерилизации всех видов изделий и инструментов, используемых в медицине, однако опасен в эксплуатации. Кроме того, для дегазации простерилизованных изделий в этом случае требуется очень много времени - до 20 часов. Радиационные способы стерилизации (g-излучение или электроны с энергией 5-10 МэВ) очень дороги и сложны в эксплуатации, поэтому их применение оправдано лишь при обработке больших партий одноразовых инструментов и изделий. Одним из путей создания эффективного и безопасного в эксплуатации стерилизатора, позволяющего проводить стерилизацию в широком диапазоне температур за короткое время и без токсичных отходов, является применение плазмы газового разряда. Эта плазма образуется при протекании электрического тока через газ и/или пар и представляет собой квазинейтральную среду, состоящую из ионов, электронов, нейтральных молекул и атомов в основном и в возбужденном состоянии. Переходы атомов и молекул из возбужденного в основное состояние сопровождаются электромагнитным излучением, в частности, в ультрафиолетовой области. При стерилизации в плазме газового разряда положительный эффект достигается за счет комплексного воздействия на поверхность объекта стерилизации всех компонент плазмы: а) ультрафиолетового (УФ) излучения; .6) потоков ионов и электронов с энергиями, на порядки превышающими тепловые; в) потоков частиц, обладающих высокой химической активностью (возбужденные атомы и молекулы, свободные радикалы, ионы). Плазменные стерилизаторы можно условно разделить на две группы. Особенностью первой группы устройств является то, что плазма генерируется либо в отдельной камере, либо в части объема стерилизационной камеры, а затем диффундирует к месту расположения стерилизуемых изделий через плазмоводы либо перфорированные экраны (например, патенты США [1-7]). Это приводит к весьма существенным потерям заряженных и химически активных нейтральных частиц на этих элементах конструкции, а также к заметному уменьшению мощности ультрафиолетового излучения. В некоторых конструкциях (см. например, патенты США [3,7]) предполагается делать экраны непрозрачными для заряженных частиц, поскольку, по мнению авторов, основную роль играют химически активные нейтральные частицы. Следствием такого ослабления стерилизующи х свойств плазмы является значительное увеличение времени стерилизации. Следует также отметить большую объемную неоднородность частиц плазмы в стерилизационной камере, возникающую в процессе распространения плазмы за счет гибели заряженных частиц на стенках камеры и на стерилизуемых изделиях. Таким образом, отдаленные от места поступления плазмы в стерилизационную камеру изделия будут стерилизоваться более медленно, что также приводит к увеличению общего .времени стерилизации. Время стерилизации в таких системах достигает 1 ч. Существует е ще один недостаток указанных систем из-за большой пространственной неоднородности плазмы. Известно, что при стерилизации всегда происходят нежелательные изменения поверхности стерилизуемых изделий. Степень повреждения поверхности зависит прямо пропорционально от времени стерилизации и плотности плазмы. Поскольку при стерилизации пространственно-неоднородной плазмой общее время обработки определяется стерилизацией в зоне пониженной плотности, изделия, размещенные в зоне повышенной плотности, подвергаются избыточному воздействию, а следовательно, получают дополнительные повреждения (это особенно важно для изделий и инструментов из полимеров и резины). Ко второй группе относятся устройства, в которых плазма генерируется непосредственно в стерилизационной камере (см. например, патенты США [4,8,9], авт.св. Че хословакии [12], акцептованные заявки на изобретение Японии Ή3,14]). Время стерилизации в этих устройствах ниже, чем в устройствах первого типа. Однако эти устройства имеют др угие недостатки. Конструкция, описанная в патенте США [8], представляет собой диэлектрическую камеру, вокруг которой расположен индуктор, присоединенный к ВЧ генератору. Зажигаемый разряд Η-типа локализуется в узком скин-слое около стенок камеры. Стерилизуемые изделия помещаются в центре камеры, куда плазма поступает, за счет диффузии из скин-слоя. Такая конструкция затрудняет стерилизацию изделий из ферромагнитных материалов, поскольку они чрезмерно нагреваются вихревыми токами. Кроме того, поскольку диэлектрические камеры, как правило, изготавливают из кварца или пирекса, они ненадежны в эксплуатации из-за их низкой прочности. Для генерации плазмы внутри стерилизационной камеры предполагается также использовать ВЧ разряд Ε-типа, который горит между электродом внутри камеры, на котором размещаются стерилизуемые изделия, и стенкой камеры (патент США [4]}. В патенте США [9] предлагается генерировать плазму внутри диэлектрической камеры со стерилизуемыми изделиями, помещенной во внутрь СВЧ резонатора. Основным недостатком обоих устройств является то, что плотность плазмы и степень однородности существенно зависят от типа и количества стерилизуемых изделий. Кроме того, возбуждение плазмы ВЧЕ и СВЧ полями (особенно СВЧ) внутри камеры будет, вызывать дополнительный нагрев изделий из материалов с большими диэлектрическими потерями. Кроме названных выше недостатков, отметим также общий недостаток всех, рассмотренных выше, конструкций, которые базируются на ВЧ или СВЧ разрядах. Наличие ВЧ и СВЧ генераторов и согласующих устройств усложняют и удорожают стерилизаторы, а их излучение представляет потенциальную опасность для обслуживающего персонала. Использование тлеющего разряда, зажигаемого между двумя плоскими электродами путем приложения напряжения 220 В, 50 Гц, предложено в авт.св. Чехословакии [12]. В акцептованной заявке Японии [13] используется высоковольтный тлеющий разряд постоянного тока, который зажигается между стенками камеры и держателями стерилизуемых изделий. Тлеющие разряды как постоянного напряжения, так и напряжения промышленной частоты, при предлагаемых геометриях электродов не обеспечивают приемлемых плотности и однородности плазмы, а их режимы очень чувствительны к количеству стерилизуемых изделий и материалам, из которых они изготовлены. Кроме того, наличие высокоэнергетичных ионных потоков в высоковольтном тлеющем разряде приводит к сильному нагреву и повреждению стерилизуемых изделий. Наиболее близким к заявляемому (прототипом) является устройство, предложенное в акцептованной заявке Японии [14]. Устройство содержит стерилизационную камеру, откачиваемую вакуумным насосом, систему напуска плазмообразуюшего газа, анод, полый катод, держатели для стерилизуемых изделий. Анод в виде плоского диска размещается в нижней части камеры, а полый катод - в вер хней части камеры. Держатели для стерилизуемых изделий установлены на изоляторах между анодом и полым катодом. Устройство работает следующим образом. Камеру заполняют стерилизуемы ми изделиями, откачивают вакуумным насосом и напускают плазмообразующий газ. Приложение постоянного напряжения между анодом и катодом вызывает зажигание тлеющего разряда. Для стерилизации используется плазма, которая образуется в промежутке между анодом и катодом в результате ионизации газа электронами, рожденными в полом катоде. Размещение стерилизуемых изделий на пути движений этих электронов затрудняет их распространение к аноду и, как следствие, ухудшает условия горения разряда и вызывает продольную неоднородность плазмы. Другим существенным недостатком является- сильная радиальная неоднородность плазмы, возникающая в результате радиальной неоднородности плотности электронов, выходящих из полого катода и производящих ионизацию газа. В основу изобретения поставлена задача усовершенствования устройства для плазменной стерилизации изделий и инструментов путем подсоединения вакуумной камеры устройства к минусу источника электропитания и размещения анода в отверстии вакуумной камеры, причем отношение площади указанного отверстия к площади внутренней поверхности вакуумной камеры не превышает 0,25, что обеспечивает получение с высокой энергетической эффективностью во всем объеме вакуумной камеры однородной плазмы, плотность и однородность которой слабо зависит от степени загрузки камеры стерилизуемыми изделиями.Сущность данного изобретения заключается в следующем. Вакуумная камера устройства, поскольку она находится под отрицательным потенциалом относительно анода, является катодом тлеющего разряда, который горит между ней и анодом. Плазма этого разряда отличается высоким коэффициентом использования заряженных частиц, возникающих вн утри полости камеры. В отличие от прототипа, где значительная часть ионов теряется на стенках камеры, не производя электронов, в заявляемом устройстве практически все ионы, образованные внутри полости камеры в результате ионизации газа, поступают на ее внутреннюю поверхность и производят электроны в результате ион-электронной эмиссии, Указанные первичные электроны ускоряются в катодном слое до энергий, соответствующих величине катодного падения потенциала и производят ионизацию газа. Причем, если в положительном столбе разряда, используемом в прототипе, быстрые электроны однократно проходят через плазму, теряя небольшую часть своей энергии, то в предлагаемом устройстве быстрые электроны используют практически всю свою энергию на ионизацию и возбуждение рабочего газа, поскольку они многократно осциллируют внутри полости вакуумной камеры, прежде чем попадают на анод, Это связано с тем, что камера является электростатической ловушкой для электронов, вылететь из которой они могут лишь через отверстие, соединяющее полость камеры с анодом. В результате многочисленных осцилляции быстрые электроны равномерно заполняют весь объем камеры, что обеспечивает высокую однородность плотности плазмы. По этой же причине загрузка камеры инструментом не влияет на параметры разряда Кроме того, максимальная энергия быстрых электронов внутри полости камеры превышает энергию максимумов сечения ионизации и возбуждения рабочего газа (или пара), и в этой области энергий вероятность неупругих процессов превышает вероятность упругих. По этой причине эффективность использования энергии внешнего источника для генерации заряженных и возбужденных частиц в заявляемом устройстве выше, чем в положительном столе разряда, используемого в прототипе, где из-за сравнительно низких энергий электронов большая доля энергии тратится на нагрев газа. Таким образом, стерилизация в предлагаемом устройстве обладает следующими преимуществами: однородность плазмы существенно выше, чем во всех известных конструкциях плазменных стерилизаторов; - размещение стерилизуемых изделий внутри вакуумной камеры не оказывает существенного влияния на параметры плазмы (плотность, однородность); достигается высокая энергетическая эффективность устройства, заключающаяся втом, что определенный уровень концентрации плазмы осуществляется при меньшем энерговкладе в плазму по сравнению с прототипом; - в отличие от прототипа функция распределения электронов плазмы, генерируемой в заявляемом устройстве, смещена в сторону больших энергий, что приводит к образованию большего количества активных нейтральных частиц (радикалы, возбужденные атомы и молекулы) и большей мощности УФ излучения при одной и той же концентрации плазмы. Покажем существенность признаков заявляемого решения и существенность его отличий. 1. Вакуумная камера обеспечивает необходимое для работы устройства давление газа и/или пара. 2. Поскольку вакуумная камера находится под отрицательным потенциалом относительно анода, она одновременно выполняет функцию катода тлеющего разряда, который зажигается и поддерживается между ней и анодом. 3. Источник электропитания обеспечивает зажигание и горение тлеющего разряда между анодом и вакуумной камерой в заданном режиме. 4. Расположение анода в отверстии вакуумной камеры достаточно малого диаметра обеспечивает горение тлеющего разряда в режиме многократных осцилляции быстрых электронов в объеме вакуумной камеры. 5. Если отношение площади отверстия, в котором расположен анод, к площади внутренней поверхности вакуумной камеры превышает 0,25; то большинство быстрых электронов уходит из полости вакуумной камеры, не совершив ни одной осцилляции, что приводит к резкому падению плотности частиц плазмы и увеличению ее неоднородности. 6. Устройство для размещения стерилизуемых изделий расположено внутри вакуумной камеры. Таким образом, каждый из рассмотренных признаков необходим, а совокупность достаточна для достижения технического результата. На фиг.1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства. Устройство содержит вакуумную камеру 1, которая откачивается форвакуумним насосом 2 через маслоулавливающую ловушку 3. В отверстии камеры через изолятор 4 установлен анод 5. Внутри вакуумной камеры смонтировано устройство 6 для размещения стерилизуемых объектов. Вакуумная камера имеет люк 7. для загрузки и выя грузки стерилизуемых изделий. Подача плазмообразующего газа или пара в вакуумную камеру осуществляется через натекатель 8. Плюс источника питания 9 подсоединен к аноду, а минус - к вакуумной камере. Устройство работает следующим образом. Стерилизуемые изделия помещают в вакуумную камеру 1 на устройство 6 через люк 7. Затем вакуумную камеру откачивают насосом 2 до рабочего давления, которое устанавливается с помощью катекателя 8. Затем включают источник питания, подающий напряжение между вакуумной камерой и анодом 5, благодаря чему в камере зажигается тлеющий разряд. Стерилизация происходит в результате воздействия на поверхность изделия всех компонент плазмы. Проверка принципов, положенных в основу заявляемого устройства осуществлялась на плазменном стерилизаторе с цилиндрической вакуумной камерой длиной 45 см и диаметром 30 см. Наиболее предпочтительным материалом для вакуумной камеры является нержавеющая сталь. На одном торце камеры находился люк для загрузки стерилизуемых изделий, к другому торцу через изолятор крепился анод. Исследовалось два варианта размещения анода. В первом варианте анод в виде диска находился внутри камеры на расстоянии не более 1 см от второго торца. При таком расположении анода режим горения разряда с осцилляцией электронов определялся отношением, площади анода к площади внутренней поверхности камеры. Во втором варианте, с которым и были проведены основные эксперименты, анод находился в отверстии торцевой стенки камеры. Камера откачивалась насосом до давления около 10 мм рт.ст., затем напускался рабочий газ. В качестве рабочего газа использовались водород, гелий, аргон, азот, кислород или из смеси, в том числе и атмосферный воздух. Применение фторхлорсодержащих газов, фенола (см. например, патенты США[10,11]) нецелесообразно из-за необходимости дополнительной очистки или дегазации поверхности простерилизованных изделий от токсичных веществ, образующихся в плазме. Плазма образуется в объеме вакуумной камеры при зажигании тлеющего разряда между анодом и вакуумной камерой. Плотность плазмы существенно зависит от рода газа и удельной мощности вводимой в разряд. Степень неоднородности плазмы в достаточно широком диапазоне давлений газа не зависит от давления. На фиг. 2 представлена зависимость плотности плазмы от давления рабочего газа (воздуха). Видно, что плотность плазмы слабо зависит от давления воздуха в пределах 10-1 -10-2 мм рт.ст. Использование других газов и их смесей показало, что и для них плотность плазмы слабо зависит от давления газа в вакуумной камере. Плотность плазмы практически линейно растет с ростом удельной мощности, которая регулировалась в пределах 10-3 + 5·10 -2 Вт/см 3. Распределение плотности плазмы вдоль радиуса вакуумной камеры при различных давлениях воздуха демонстрируется на фиг.3. Из приведенных кривых видно, что радиальная неоднородность плазмы не превышает 25% в диапазоне давлений 2 · 10-2¸10-1 мм рт.ст. В указанном диапазоне давлений радиальная неоднородность слабо зависит от рода рабочего газа. Изменение поперечных размеров вакуумной камеры приводит к изменению диапазона давлений газа, в котором наблюдается малая радиальная неоднородность плазмы. Это связано с тем, что эффект осцилляции электронов, обеспечивающий высокую однородность плазмы, существует лишь в некотором диапазоне изменений произведения аЧр (р - давление, а - поперечный размер камеры). Продольная однородность плазмы слабо зависит от давления газа в диапазоне изменения давлений 10-2 + 2*10-1 мм рт.ст. Как радиальная, так и продольная неоднородность плазмы мало зависит от вводимой в разряд удельной мощности, если эта мощность изменяется в указанных выше пределах. Были проведены эксперименты по исследованию влияния отношения площади отверстия, в котором установлен анод Sa, к площади внутренней поверхности камеры SK, на характеристики плазмы. Установлено, что увеличение η > 0,25 приводит к резкому уменьшению плотности и увеличению неоднородности плазмы за счет увеличения ухода быстрых электронов из полости камеры. Для проверки качества стерилизации в заявляемом устройстве использовались различные культуры: E.coli, St.aureus, споры Вас. antracoidos, Bac.subtilis. вирус гепатита В. В качестве тест-объектов служили подложки из стали, никеля, меди, стекла, полистирола. Контрольные опыты проводились на разнообразных стоматологических инструментах. Определение стерильности тест-объектов и инструментов после обработки в плазме осуществлялось согласно требованиям методических рекомендаций по определению стерильности изделий медицинского назначения (приложение № 6 приказа МЗ СССР № 60, 17.01.79). Эксперименты, проведенные с различными плазмообразующими газами (водород, гелий, аргон, смеси кислород-азот), показали, что стерилизующие свойства плазмы, в основном, определяются плотностью плазмы. Основные исследования проводились со спорами Bac.subtilis, как наиболее устойчивыми к воздействию плазмы На фиг 4 приведена зависимость времени стерилизации, при котором наблюдается 100% стерилизация тест-объектов от плотности "воздушной" плазмы. Параметром является поверхностная плотность спор на тест-обьекте: 1 - 104 спор/см 2, 2-105 спор/см 2, 3-10 спор/см 2. Были также проведены исследования влияния белковой нагрузки, в качестве которой использовалась инактивированная лошадиная сыворотка, на эффективность плазменной стерилизации. Эксперименты проводились при плотности спор 104-108 спор/см 2 и белковой нагрузке 5-40%. Установлено, что наличие белковых примесей снижает эффективность стерилизации. Белковая нагрузка 5-10% при плотности 10 4-108 спор/смф2 увеличивает время стерилизации примерно на 50%. Но даже при плотности спор 10 спор/см и белковой нагрузке 5% время стерилизации не превышало 15 мин при плотности плазмы @ 1010см -3. При экспериментах на реальных инструментах инфицирование последних проводилось погружением в споровую взвесь с плотностью 106 спор/мл. При проверке стерилизации инструмента в прозрачной упаковке время стерилизации во всех опытах увеличивалось примерно вдвое. Температура стерилизуемых изделий в конце процесса стерилизации определяется параметрами плазмы и временем стерилизации. Максимальная температура изделий во всех проведенных опытах не превышала 70°С. В то же время, изменяя параметры плазмы можно повысить температуру изделий в конце процессе стерилизации до 180°С. Последнее обстоятельство дает возможность производить стерилизацию металлического инструмента комплексным воздействием плазменных факторов и тепла.