Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при изготовлении корпусов для искусственных клапанов сердца, зубных имплантатов, катетеров, отдельных деталей для протезов суставов и т.д. Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники содержит источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру. В стенке вакуумной камеры выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов. В торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей для обрабатываемых изделий. Каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры для обрабатываемых изделий. Предлагаемое изобретение позволяет при более высокой производительности проводить равномерное ионное легирование (ионную имплантацию) поверхностного слоя множества одновременно обрабатываемых изделий с достижением необходимых глубины проникновения и концентрации имплантированных ионов. 6 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области медицинской техники и может быть использовано при изготовлении корпусов для искусственных клапанов сердца, зубных имплантатов, катетеров, отдельных деталей для протезов суставов и т.д.

Известны устройства для нанесения углеродных (алмазоподобных) покрытий на изделия медицинской техники, изготовленные, в частности, из титана (патенты GB 2287473, 1995 г. и US 5605714, 1997 г.). Нанесение углеродных покрытий происходит в вакуумной камере из газовой среды, содержащей ионы углерода, образовавшиеся при высокой температуре при разложении углеродсодержащих соединений. В указанных устройствах не обеспечивается однородность материала обрабатываемых изделий. Защитные свойства слоя углерода, нанесенного поверх металла, при длительной эксплуатации обработанных изделий снижаются. Кроме того, не исключается механическое разрушение поверхностного слоя при использовании обработанных изделий.

Известно также устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники содержит источник ионов, диафрагму и приемное устройство в виде вакуумной камеры, в торцевой части которой установлен с возможностью вращения диск с расположенными по периферии держателями для обрабатываемых изделий (опубликованная заявка DE 19730296, 1999 г.). Однако эта конструкция не обеспечивает равномерную и оптимальную обработку по всей поверхности одновременно обрабатываемых изделий и характеризуется невысокой производительностью.

Предлагаемое изобретение позволяет при более высокой производительности проводить равномерное ионное легирование (ионную имплантацию) поверхностного слоя множества одновременно обрабатываемых изделий с достижением необходимых глубины проникновения и концентрации имплантированных ионов.

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники согласно изобретению содержит источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру. В стенке вакуумной камеры выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов. В торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей для обрабатываемых изделий. Каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры (преимущественно наклонные) для обрабатываемых изделий.

В предпочтительном варианте исполнения устройство содержит источник углеродных ионов, при этом внутренние поверхности источника ионов, масс-сепаратора, формирователя пучка ионов и приемника-регистратора ионов облицованы графитом и имеют внешнее охлаждение. Вакуумная камера обычно имеет цилиндрическую форму и снабжена датчиком бесконтактного контроля температуры.

Диск может быть установлен на валу соединенном с двигателем, находящимся вне вакуумной камеры, при этом держатели для обрабатываемых изделий связаны с валом посредством фрикционной или зубчатой передачи.

Приемник-регистратор ионов может быть выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец закрыт и имеет коническую форму, при этом снаружи цилиндра расположен постоянный магнит с полюсными наконечниками.

Сущность изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематически показана конструкция предлагаемого устройства, на фиг.2 - вакуумная камера в разрезе по оси, вид сбоку, на фиг.3 - вакуумная камера, вид сверху. На фиг.4 изображен в разрезе узел соединения держателя для обрабатываемых изделий с диском вакуумной камеры. На фиг.5 - приемник-регистратор ионов. Фиг.6 демонстрирует два крайних положения, которые принимают в процессе ионно-лучевой обработки обрабатываемые изделия медицинской техники (в данном случае - корпуса искусственных клапанов сердца).

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники (Фиг.1) содержит источник 1 ионов, масс-сепаратор 2, формирователь 3 пучка ионов и вакуумную камеру 4. В стенке вакуумной камеры 4 (Фиг.2) имеется отверстие 5 для входа пучка 19 ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор 6 ионов. В торцевой части вакуумной камеры 4 (Фиг.2, 3) установлен с возможностью вращения диск 7 с нечетным числом равномерно расположенных по периферии диска держателей 8 для обрабатываемых изделий. Каждый держатель 8 (Фиг.4) представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска 7 с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части держателя 8 смонтированы опоры 9 (преимущественно наклонные) для обрабатываемых изделий.

В предпочтительном варианте исполнения устройство содержит источник 1 углеродных ионов, при этом внутренние поверхности источника ионов 1, масс-сепаратора 2, формирователя 3 пучка ионов и приемника-регистратора 6 ионов облицованы графитом и имеют внешнее охлаждение (на чертежах не показано). Графитовая облицовка позволяет избежать примесного легирования изделий посторонними ионами, которые могли бы образоваться при ударе ионов углерода о внутренние поверхности устройства в случае их изготовления из материала иного, чем углерод (графит). Ионное легирование углеродом в медицинской технике преимущественно используется для обработки изделий из титана или сплавов на его основе. Однако предлагаемое устройство без изменения его конструкции может применяться для ионно-лучевой обработки изделий из других металлов и другими ионами.

Вакуумная камера 4 обычно снабжена датчиком 10 бесконтактного контроля температуры и в наиболее удобном конструктивном исполнении имеет цилиндрическую форму. Однако форма вакуумной камеры может быть полусферической, сферической или призматической с сечением в виде правильного многоугольника (на чертежах не показано). Датчик 10 бесконтактного контроля температуры обрабатываемых изделий 20 позволяет регулировать процесс обработки, если для достижения требуемых конечных показателей легирования будет необходима весьма длительная обработка, которая может сопровождаться значительным повышением температуры.

Диск 7 может быть установлен на валу 11, соединенном с двигателем 12, находящимся вне вакуумной камеры 4. Держатели 8 для обрабатываемых изделий связаны с валом 11 посредством фрикционной или зубчатой передачи, то есть получают вращение от того же двигателя 12 (Фиг.2, 4). При этом стержень каждого из держателей 8 установлен на диске 7 в подшипнике 13, размещенном в толще диска 7. Нижний конец держателя 8 снабжен широким тонким роликом 21 (или шестерней). В торце вакуумной камеры 4 в зазоре между стенкой камеры и диском размещено кольцо 22, которое может быть гладким (для фрикционного сцепления с роликом 21) или может иметь внутренние зубцы (для зубчатого соединения с соответствующей шестерней).

Описанный вариант передачи вращения от двигателя 12 на диск 7 и каждый из держателей 8 не является единственно возможным. Допустимо размещение двигателя внутри вакуумной камеры под диском и/или оснащение держателей автономными средствами вращения (на чертежах не показано).

В верхней части держателя 8 смонтированы опоры 9 для обрабатываемых изделий. Обычно (в частности, при обработке кольцевых корпусов искусственных сердечных клапанов) на одном держателе 8 устанавливают три наклонных опоры 9. Но при обработке изделий другой конфигурации и других размеров для большего удобства может использоваться и другое количество опор на одном держателе, в том числе установленных без наклона. Угол, под которым устанавливают наклонные опоры 9 относительно держателя 8, зависит от геометрической формы легируемых ионами изделий.

Приемник-регистратор 6 ионов может быть выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов 14 которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец 15 закрыт и предпочтительно имеет коническую форму. Снаружи торец 15 контактирует с водоохлаждаемым основанием 16, а также соединен с прибором 17 для измерения тока пучка ионов. Снаружи цилиндрической поверхности приемника-регистратора 6 ионов расположен постоянный магнит с полюсными наконечниками 18. Магнит служит для подавления медленных вторичных частиц, образующихся при столкновении ионов с внутренними поверхностями приемника-регистратора 6 ионов и вносящих искажения при измерении тока пучка ионов.

Работа устройства для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники описывается на примере легирования ионами углерода титановых кольцевых корпусов 20 искусственных сердечных клапанов.

В источнике 1 ионов ионизируется рабочее углеродсодержащее вещество (например, в разрядной камере с помощью эмитируемых с катода электронов). В масс-сепараторе 2 происходит разделение ионов по массе и выделение тех из них, которые будут использоваться для обработки изделий (например, ионов углерода-12). С помощью формирователя 3 пучка ионов осуществляют формирование пучка шириной, достаточной для одновременного облучения всех изделий, размещаемых на одном держателе 8. Отверстие 5 для входа пучка ионов в вакуумную камеру 4 также имеет достаточные размеры. Все указанные операции производят в условиях высокого вакуума.

Пучок 19 ионов поступает в вакуумную камеру 4 через отверстие 5 в ее боковой стенке и проходит в диаметральном направлении над диском 7 на уровне обрабатываемых деталей, размещаемых на опорах 9 по одной или по несколько штук на каждом держателе 8. Расположение держателей 8 по периферии диска 7 должно быть таким, чтобы на одной диаметральной прямой находилось не более одного держателя 8. В противном случае держатель, расположенный ближе к отверстию 5 для входа пучка 19 ионов, будет хотя бы частично перекрывать поток ионов к более удаленному держателю, что приведет к неравномерной обработке ионами размещаемых на держателе изделий. Указанное условие соблюдается при нечетном числе держателей 8 равномерно расположенных по периферии диска 7 (см. Фиг.3). Однако при неравномерном расположении держателей на диске условие «не более одного держателя на одной диаметральной линии» можно выполнить и с четным числом держателей (на чертежах не показано).

Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники обеспечивает в режиме групповой обработки корпусов 20 сложное движение легируемых изделий внутри вакуумной камеры для максимально равномерного ионного легирования всех частей обрабатываемых изделий за счет более медленного вращения корпусов 20 вместе с диском 7 и за счет более быстрого вращения корпусов 20 вокруг стержня держателя 8 и их наклона по отношению к обеим осям вращения и направлению пучка 19 ионов.

Так как геометрическая форма корпусов 20 близка к полому цилиндру или короткой трубке, то оптимальным углом (α) их наклона к осям вращения является угол 45°, что проиллюстрировано на Фиг.6, где схематично представлены два крайних положения обрабатываемых корпусов 20. В Положении 1 легируются поверхности, обозначенные позицией А (выделенные более жирной линией). Поверхности Б при этом ионами не облучаются (находятся «в тени»). В Положении 2 легируются поверхности, обозначенные позицией Б, а "в тени" находятся поверхности, обозначенные позицией А.

Все элементы устройства, контактирующие с прямым потоком ионов углерода, выполнены только из титана и графита. Это позволяет избежать при легировании ионами углерода титановых корпусов 20 нежелательных примесей и обеспечивает чистоту процесса.

Ионное легирование или имплантация ионов углерода в титановый корпус искусственного клапана сердца повышает тромборезистентность клапана за счет лучшей (по сравнению с титаном) биосовместимости легированной углеродом поверхности с кровью, а также увеличивает его долговечность и КПД за счет снижения трения между корпусом и запирающими элементами клапана.

1. Устройство для ионно-лучевой обработки изделий медицинской техники, содержащее источник ионов, масс-сепаратор, формирователь пучка ионов и вакуумную камеру, в стенке которой выполнено отверстие для входа пучка ионов, а с противоположной стороны расположен приемник-регистратор ионов, при этом в торцевой части камеры установлен с возможностью вращения диск с расположенными по периферии диска держателями для обрабатываемых изделий, причем каждый держатель представляет собой стержень, установленный перпендикулярно поверхности диска с возможностью вращения вокруг собственной оси, а в верхней части стержня смонтированы опоры для обрабатываемых изделий.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на диске равномерно расположено нечетное число держателей, а опоры для обрабатываемых изделий смонтированы наклонно.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что содержит источник углеродных ионов, а внутренние поверхности источника ионов, масс-сепаратора, формирователя пучка ионов и приемника-регистратора ионов облицованы графитом.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумная камера имеет цилиндрическую форму.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что приемник-регистратор ионов выполнен в виде полого графитового цилиндра, один из торцов которого открыт и обращен в сторону отверстия для входа пучка ионов, а второй торец имеет коническую форму и снабжен водоохлаждаемым основанием, при этом снаружи цилиндра расположен постоянный магнит с полюсными наконечниками.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вакуумная камера снабжена датчиком бесконтактного контроля температуры.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что диск установлен на валу, соединенном с двигателем, находящимся вне вакуумной камеры, при этом держатели для обрабатываемых изделий связаны с валом посредством фрикционной или зубчатой передачи.