Khảo sát, lựa chọn vật liệu tạo từ trường tập trung cho các đầu từ của thiết bị từ trị liệu - Đỗ Khoa Bình

Vật lý Đ. K. Bình, , L. H. Nam, “Khảo sát, lựa chọn vật liệu đầu từ của thiết bị từ trị liệu.” 170 KHẢO SÁT, LỰA CHỌN VẬT LIỆU TẠO TỪ TRƯỜNG TẬP TRUNG CHO CÁC ĐẦU TỪ CỦA THIẾT BỊ TỪ TRỊ LIỆU Đỗ Khoa Bình*, Trần Hy Bình, Nguyễn Sỹ Sửu, Lê Hải Nam Tóm tắt: Từ trị liệu là phương pháp điều trị và phục hồi chức năng cho bệnh nhân bằng cách sử dụng từ trường cường độ thấp (từ 0 đến 100 Gauss) và tần số thấp (từ 0 đến 100 Hz) tác động tới vùng cơ thể cần điều trị. Việc thiết kế, chế tạo thiết bị từ trị liệu cần phải chú ý tới việc hạn chế tới mức tối đa cường độ từ trường ở không gian xung quanh đầu từ, đồng thời, tăng cường độ từ ở phía trong đầu từ. Bài báo này trình bày phương pháp và kết quả khảo sát các vật liệu dùng để bọc phía bên ngoài đầu từ. Trên cơ sở kết quả thu được, lựa chọn vật liệu đáp ứng được yêu cầu kể trên. Từ khóa: Từ trị liệu, Cường độ, Vật liệu, Đầu từ. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt sinh ra quanh các điện tích chuyển động hoặc do sự biến thiên của điện trường hoặc có nguồn gốc từ các momen lưỡng cực từ. Xét về bản chất, từ trường và điện trường là các biểu hiện riêng rẽ của một trường thống nhất là điện từ trường [1]. Ở Việt Nam, điều trị bằng từ trường bắt đầu nghiên cứu vào năm 1980 tại Viện Quân y 108. Từ năm 1991 cho tới nay, Viện Vật lý Y Sinh học đã nghiên cứu chế tạo và đưa thiết bị từ trị liệu vào ứng dụng. Tuy nhiên, vấn đề hạn chế cường độ từ trường ở bên ngoài đầu từ nhằm tránh gây ảnh hưởng tới những người xung quanh và nâng cao hiệu suất tạo từ trường ở bên trong vẫn chưa được chú ý. Hiện nay, một số thiết bị từ trường trị liệu của nước ngoài đang sử dụng ở Việt Nam với công nghệ tạo từ trường tập trung làm giảm đến 85% lượng từ thông ở bên ngoài đầu từ và tăng cường độ bên trong. (a) (b) Hình 1. Đầu từ thông thường (a) và đầu từ có sử dụng công nghệ tạo từ trường tập trung (b). Tuy nhiên, công nghệ đó không được các hãng sản xuất công bố ra bên ngoài. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu tạo từ trường tập trung dựa trên việc khảo sát các vật liệu sẵn có trên thị trường tại Việt Nam. Bài báo được chia ra thành 4 phần. Phần 1 đặt vấn đề trong đó nêu rõ lý do cần nghiên cứu. Phần 2 là phương pháp khảo sát, gồm có lựa chọn vật liệu, phương pháp đo. Phần 3 là kết quả và thảo luận. Phần 4 là kết luận. 2. PHƯƠNG PHÁP KHẢO SÁT 2.1. Lựa chọn vật liệu Với các đầu từ được bọc bằng vỏ nhựa chỉ để đảm bảo tính thẩm mỹ, còn từ thông bị phân tán ra ngoài không gian xung quanh tương đối lớn. Nội dung cần giải quyết của bài Bên ngoài đầu từ Bên trong đầu từ Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 171 báo là lựa chọn vật liệu phù hợp để ép các đường sức từ chạy trong khoảng không gian của đầu từ, do đó, tăng giá trị cường độ từ bên trong đầu từ. Các vật liệu được chọn để khảo sát là: - Permaloi là hợp kim sắt - nikel, có độ từ thẩm rất cao trong vùng từ trường yếu (µ=15 000 - 60 000 H/m) và có lực kháng từ nhỏ (5 - 32 A/m). Permaloi được sử dụng có hàm lượng Nikel thấp, khoảng 40 - 50% và thường được dùng để làm máy biến áp [2]. - Sắt là vật liệu từ mềm, có độ từ thẩm cao (µ=20 000 - 21 500 H/m), lực kháng từ nhỏ (6,4 A/m). - Thép là hợp kim của sắt với carbon, có độ từ thẩm kém hơn (µ=3 000 - 8 000 H/m), lực kháng từ 10 - 65 A/m. - Đồng lá là vật liệu nghịch từ, hầu như không bị từ hóa. 2.2. Phương pháp đo 2.2.1. Mô tả hệ đo - Mạch phát tín hiệu điện với điện áp đầu ra dạng xung vuông, với điện áp có biên độ là 7 V và tần số 3 Hz nối với đầu phát từ trường - Đầu từ có điện trở dây quấn 6,2 Ω, đường kính bên trong là 19 cm, và đường kính bên ngoài là 23,5 cm. - Các vật liệu dùng thử nghiệm được cuốn bên ngoài xung quanh đầu phát từ trường. - Thiết bị đo LakeShore 410 Gaussmeter. Giá trị hiển thị của thiết bị khi chưa đo từ trường là 0,8 Gauss, tương ứng với từ trường Trái Đất và của các thiết bị điện tử khác. Hình 2. Thiết bị đo cường độ từ trường. 2.2.2. Tiến hành đo Đo lần lượt từng trường hợp với các vật liệu bọc xung quanh đầu từ khác nhau: - Khi chưa có bọc - Khi bọc bằng đồng - Khi bọc bằng thép - Khi bọc bằng permaloi - Khi bọc bằng sắt. Vật lý Đ. K. Bình, , L. H. Nam, “Khảo sát, lựa chọn vật liệu đầu từ của thiết bị từ trị liệu.” 172 Độ dày của các vật liệu bọc bên ngoài là 1 mm. Với vật liệu bọc bằng sắt, chúng tôi thay đổi độ dày lớp bọc bên ngoài là 1 mm, 2 mm, 3 mm. Và các vị trí đo thay đổi: đo bên trong đầu từ, đo bên ngoài với các khoảng cách khác nhau, đầu tiên để que đo sát mép đầu từ, sau đó thay đổi dần khoảng cách từ 1 đến 20 cm, ghi lại các giá trị cường độ từ trường hiển thị trên thiết bị đo. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Kết quả đo trong các trường hợp được thể hiện trong bảng 1 và đồ thị dưới đây: Bảng 1. Giá trị của cường độ từ trường phụ thuộc vào vị trí đo đối với các vật liệu khác nhau. Vị trí đo Cường độ từ trường đo được (Gauss) Chưa bọc Bọc đồng Bọc thép Bọc sắt Bọc permaloi Sát mép bên trong 75 74,9 85 89,3 87,1 Khoảng cách bên ngoài (cm) 0 41 36,4 15 4,3 2,2 1 26,9 22,4 9,9 4 2,2 2 17,6 13,4 8,1 3,8 2,1 3 12 10,1 6,2 3,2 1,9 4 9,9 9,7 4,8 3 1,8 5 7,3 7,1 4,4 2,7 1,8 6 5,5 6 3,9 2,4 1,8 7 5,2 5,2 3,4 2,2 1,8 8 4,6 4,3 3 2 1,5 9 3,9 4 2,5 1,8 1,5 10 3 3,4 2,2 1,6 1,3 11 2,8 3 1,9 1,4 1,2 12 2,5 2,5 1,8 1,3 1,2 13 1,9 2,4 1,6 1,2 1 14 1,8 2,1 1,4 1,2 1 15 1,8 1,9 1,4 1 0,9 16 1,4 1,6 1,2 0,9 0,8 17 1,3 1,5 1,2 0,9 0,8 18 1,2 1,4 1 0,9 0,8 19 1 1,3 0,9 0,8 0,8 20 0,9 1 0,8 0,8 0,8 Nhận xét: từ các kết quả đo được, chúng tôi nhận thấy, khi không sử dụng vật liệu bọc bên ngoài đầu từ, giá trị cường độ từ trường đo được ở bên trong đầu từ là 75 Gauss nhỏ hơn các trường hợp sử dụng vật liệu bọc có độ từ thẩm cao. Tuy nhiên, cường độ từ trường ở mép ngoài lại lớn nhất, bằng 41 Gauss, chỉ giảm đi 45,3% so với giá trị cường độ ở bên trong đầu từ. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 173 Với vật liệu bọc bên ngoài bằng đồng, là chất nghịch từ, thì cường độ từ trường bên trong đầu từ có độ lớn là 74,9 Gauss, giá trị này tương đương với khi không sử dụng vật liệu bọc. Còn giá trị cường độ từ đo được ở mép ngoài đầu từ là 36,4 Gauss, chỉ giảm đi 51,41% so với giá trị cường độ bên trong đầu từ. Với vật liệu bọc bên ngoài bằng thép, giá trị cường độ từ trường đo được bên trong đầu từ là 85 Gauss, tăng lên 13% so với khi không dùng vật liệu bọc. Còn giá trị cường độ từ trường sát mép ngoài đầu từ đo được là 15 Gauss, giảm đi 82,36% so với giá trị cường độ bên trong đầu từ. Hình 3. Đồ thị về sự phụ thuộc của cường độ từ trường vào vị trí đo đối với các vật liệu khác nhau. Với những vật liệu có độ từ thẩm cao như sắt, permaloi thì giá trị cường độ từ trường bên trong đầu từ tăng lên 16% đối với permaloi (87,1 Gauss) và 19% đối với sắt (89,3 Gauss) so với khi không dùng vật liệu bọc bên ngoài đầu từ (75 Gauss). Trong khi đó, giá trị cường độ từ trường ở mép ngoài vòng từ rất nhỏ, so với bên trong giảm tới 97,5% đối với permaloi (2,2 Gauss) và 95% đối với sắt (4,3 Gauss). Điều này chứng tỏ rằng từ thông ở bên ngoài đầu từ bị ép đi sát bề mặt của vật liệu bọc, ít bị thất thoát ra bên ngoài hơn, do đó, làm tăng cường độ từ trường bên trong đầu từ. Kết quả đo cường độ từ trường đối với trường hợp lớp bọc bằng sắt và có thay đổi độ dày được thể hiện trong bảng 2 dưới đây: Bảng 2. Giá trị của cường độ từ trường phụ thuộc vào các vị trí đo đối với vật liệu sắt có các độ dày khác nhau. Vị trí đo Cường độ từ trường đo được (Gauss) Chưa bọc Bọc sắt dày 1mm Bọc sắt dày 2mm Bọc sắt dày 3mm Sát mép bên trong 75 89,3 89,8 90,5 Khoảng cách bên ngoài (cm) 0 41 4,3 3,4 2,4 1 26,9 4 3,3 2,6 Vật lý Đ. K. Bình, , L. H. Nam, “Khảo sát, lựa chọn vật liệu đầu từ của thiết bị từ trị liệu.” 174 2 17,6 3,8 3,3 2,6 3 12 3,2 3,3 2,6 4 9,9 3 3 2,2 5 7,3 2,7 2,8 2,1 6 5,5 2,4 2,7 1,9 7 5,2 2,2 2,4 1,9 8 4,6 2 2 1,9 9 3,9 1,8 1,8 1,6 10 3 1,6 1,6 1,6 11 2,8 1,4 1,5 1,5 12 2,5 1,3 1,3 1,4 13 1,9 1,2 1,2 1,4 14 1,8 1,2 1,2 1,4 15 1,8 1 1 1 16 1,4 0,9 0,9 1 17 1,3 0,9 0,9 0,9 18 1,2 0,9 0,9 0,9 19 1 0,8 0,9 0,8 20 0,9 0,8 0,8 0,8 Từ kết quả đo đối với vật liệu bọc bên ngoài đầu từ bằng sắt với các độ dày thay đổi là 1 mm, 2 mm, và 3 mm, chúng tôi nhận thấy giá trị cường độ từ trường ở mép bên trong đầu từ có tăng và giá trị cường độ từ trường ở mép bên ngoài giảm khi độ dày tăng lên, tuy nhiên, sự thay đổi là không đáng kể nên có thể kết luận rằng: tăng độ dày của lớp bọc bằng sắt không thay đổi nhiều về khả năng tạo từ trường tập trung bên trong đầu từ. 4. KẾT LUẬN Bằng phương pháp thực nghiệm và xử lý số liệu, chúng tôi đã tìm được những vật liệu có thể được sử dụng để làm vật liệu bọc bên ngoài đầu từ đáp ứng với những yêu cầu về hạn chế độ lớn của cường độ từ trường phía bên ngoài đầu từ và làm tăng giá trị cường độ bên trong. Vật liệu bọc bên ngoài có thể sử dụng sắt hoặc permaloi, và trong điều kiện của Việt Nam, chúng tôi chọn dùng vật liệu bằng sắt có độ dày 1 mm vì giá thành rẻ và dễ tìm, dễ gia công, và đáp ứng được yêu cầu giảm hơn 85% giá trị cường độ từ trường bên ngoài so với bên trong đầu từ. Độ dày của lớp bọc bên ngoài ít ảnh hưởng đến khả năng tạo từ trường tập trung bên trong đầu từ. Kết quả này giúp cho việc sản xuất các thiết bị từ trị liệu có thể đáp ứng với những yêu cầu về độ an toàn điện từ trong y tế, và cho kết quả tương đương so với công nghệ tạo từ trường tập trung đang được sử dụng trên các thiết bị do nước ngoài sản xuất. Lời cảm ơn: Nhóm tác giả cảm ơn sự tài trợ về kinh phí của Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Vũ Công Lập, Trần Công Duyệt, Dỗ Kiên Cường, Hà Viết Hiền, Nguyễn Đông Sơn, Lê Mạnh Hải, Nguyễn Thanh Phương, Huỳnh Việt Dũng, “Các tác nhân vật lý thường dùng trong vật lý trị liệu”, NXB-Y Học, 2005. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 53, 02 - 2018 175 [2]. https://www.slideshare.net/Thininh/chuong-9-vat-lieu-tu-12806819. ABSTRACT EVALUATION AND SELECTION OF MATERIALS FOR THE CONCENTRATION OF MAGNETIC FIELD IN SOLENOIDS OF MAGNETIC THERAPY EQUIPMENT Magnetic therapy is the treatment and rehabilitation method in which the body part requiring treatment is subjected to low intensity (0 to 100 Gauss) and low frequency (0 to 100 Hz) magnetic fields. The design and manufacturing of magnetic therapy equipment requires the maximum limit of magnetic intensity in the space outside the solenoids while at the same time, the magnetic intensity inside the solenoids increases. In this article, the survey method and results for materials to cover the solenoids will be presented. On the basic of the obtained results, the materials had meet the above criterial will be selected. Keywords: Magnetic therapy, Intensity, Material, Solenoids. Nhận bài ngày 19 tháng 09 năm 2017 Hoàn thiện ngày 09 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 26 tháng 02 năm 2018 Địa chỉ: Viện Vật lý Y Sinh học, 109A Pasteur - Phường Bến Nghé - Quận 1 – TPHCM. * Email: khoabinhys@gmail.com.