CN109364377B - 一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，能够高效提升辐照腔内效应物场强的局部聚焦。该装置包括辐照腔和放置于辐照腔内的效应物，辐照腔具有上、下金属极板；效应物周围的辐照腔内局部区域填充有均匀介质，所述均匀介质的相对介电常数介于空气与效应物的相对介电常数之间；所述上、下金属极板之一具有弯折形成的尖端，该尖端靠近所述均匀介质并对应于效应物的聚焦位置。本发明的场强聚焦方式能够兼顾介质相对介电常数缓慢过渡、金属尖端处电流局部增强从而使得辐照腔内效应物内部的场实现了聚焦的效果。

Description

一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置
技术领域
本发明涉及一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置。
背景技术
血脑屏障(blood-brain barrier，BBB)结构是脑内结构最为复杂、作用最为重要的屏障之一，由毛细血管和微血管的内皮细胞、周细胞、基膜和星形胶质细胞终足共同组成，对循环血液中的各种物质具有严格的选择通透机制，保证脑内环境的高度稳定性以利于中枢神经系统的机能活动。然而BBB在阻止异物(包括微生物、病毒等)入侵脑组织而取得保护作用的同时，也阻止治疗药物进入脑病变区域(Kangchu Li等人发表在《Bioelectromagnetics》期刊2018年第39卷第60页，“EMP-induced BBB-disruptionenhances drug delivery to glioma and increases treatment efficacy in rats”)。因此，对于中枢神经系统疾病而言，药物有效吸收因BBB的存在而很难实现，严重制约了脑疾患的药物治疗的有效实施。而根据多年的研究可知，强电磁脉冲的辐照可以产生明显的生物效应(Mingjuan Yang等人发表在《Theriogenology》期刊2013年第80卷第18页，“Effects of electromagnetic pulse on polydactyly of mouse fetuses”)，可以打开BBB结构从而完成病变区域的药物吸收(王琦等人发表在《疾病控制杂志》期刊2003年第7卷第5期第404页，“脉冲式电磁辐射对大鼠血脑屏障影响的量效关系”)。
另一方面，结构与有界波模拟器(周璧华等人发表在《电波科学学报》期刊2011年第26卷第6期第1034页，“雷电电磁脉冲电场仪的标定研究”)相同的辐照腔可以在工作空间提供均匀的场。因此，当将作为效应物的人脑或者动物的大脑放入辐照腔内时，为了打开脑病变区域(即效应物的局部区域)的BBB结构，需要对该局部区域进行场强的聚焦，从而使得该区域接受到强电磁脉冲的辐照。因此，有必要对辐照腔内效应物场强聚焦方法进行研究。
发明内容
本发明提出一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，能够高效提升辐照腔内效应物场强的局部聚焦。
申请人在研究辐照腔内效应物内部场强聚焦方法时发现，当采用相对介电常数小于效应物相对介电常数的均匀介质来局部填充时，效应物内的场强增强；当辐照腔工作空间的上平行金属板下陷变形时，在下陷的尖端附近出现场局部增强的现象。将上述两者结合并基于三维的数值模拟结果，提出了一种辐照腔内效应物内部场强局部聚焦的新思路，能够兼顾介质相对介电常数缓慢过渡、金属尖端处电流局部增强从而使得效应物内的场强局部增强的优点。
本发明通过均匀介质的局部填充，实现了进入到非金属效应物内部的能量的增加；同时通过金属极板的变形，使得变形尖端附近的场局部增强，从而使得效应物内部某处出现了场强聚焦现象。
本发明的具体解决方案如下：
该装置包括辐照腔和放置于辐照腔内的效应物，辐照腔具有上、下金属极板；效应物周围的辐照腔内局部区域填充有均匀介质，所述均匀介质的相对介电常数介于空气与效应物的相对介电常数之间；所述上、下金属极板之一具有弯折形成的尖端，该尖端靠近所述均匀介质并对应于(最好正面指向)效应物的聚焦位置。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：
所述效应物在均匀介质内呈偏心设置，使得效应物的聚焦位置更靠近所述尖端。
设效应物的体积为v，则所述均匀介质的体积为55～65v；效应物到电磁波入射方向一侧的均匀介质表面(即图中左侧表面)的距离为50～60mm；效应物的外表面到尖端一侧的均匀介质表面(即图中上表面)的最近距离为21～23mm，该表面到尖端的距离为10～15mm；效应物内的聚焦位置与尖端的距离不超过50mm。
辐照腔的辐射入口区域设置为前窄后宽的前过渡段，使得电磁波经过前过渡段产生近似均匀的球面波，再到达辐照腔的工作空间时，在工作空间形成垂直极化的均匀场。
本发明的有益效果为：
局部均匀介质填充，避免了常规方案在辐照腔内形成均匀电磁场直接入射到效应物，难以有效实现效应物内能量的局部聚集的问题，实现了入射到效应物内的能量的聚集。
工作空间上极板下陷变形、出现尖端点，在该尖端出现电流局部增强的现象，从而出现尖端附近场强局部增强的效果。
以上两方面的结合，使得本发明的场强聚焦方式能够兼顾介质相对介电常数缓慢过渡、金属尖端处电流局部增强从而使得辐照腔内效应物内部的场实现了聚焦的效果。
附图说明
图1是具有非金属效应物、效应物周围局部填充绝缘均匀介质且辐照腔上金属板下陷的侧视图。
图中，1.辐照腔的馈源位置，2.辐照腔前过渡段，3.辐照腔工作空间下陷的上极板，4.上极板的下陷尖端，5.辐照腔工作空间的下极板，6.辐照腔后过渡段，7.非金属效应物，8.效应物周围局部填充的均匀介质，9.位于下陷尖端正下方的效应物内的测试点(效应物的聚焦位置)。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明进一步说明。
本发明一方面采用相对介电常数小于辐照腔内非金属效应物相对介电常数的绝缘介质，来局部填充效应物附近的周围空间，即用于填充的介质的相对介电常数大于空气的介电常数，但小于效应物的介电常数。当电磁波从激励源出发，经过辐照腔的前过渡段产生了近似均匀的球面波，再到达辐照腔的工作空间时，在工作空间形成了垂直极化的均匀场，当该均匀场穿透填充的介质、再到达效应物表面时，由于介质相对介电常数的缓慢增加的过渡变化，与无介质填充相比，进入效应物内的透射波出现了增强现象。另一方面，将辐照腔工作空间的上金属极板进行下陷变形，在靠近介质局部填充的位置上方形成尖端点。电磁波在辐照腔内传输的过程中，构成辐照腔工作空间的上金属极板的内侧表面上有表面电流存在；当该极板下陷变形时，在尖端点出现了电流密集的现象，从而导致尖端附近电场局部增强。将上述均匀介质局部填充与上金属板下陷变形相结合，就可以使得辐照腔内效应物内部的场出现增强现象。因此，本发明的场强聚焦方式能够兼顾介质相对介电常数缓慢过渡、金属尖端处电流局部增强从而使得效应物内的场强局部增强的优点。
具体如图1所示结构：辐照腔工作空间的高度为500mm；工作空间的上极板在2/5～3/5位置处下陷；效应物由半径15mm的介质半球及长度为165mm的介质圆柱构成，介质的相对介电常数为50；构成效应物的半球的球心位于下陷尖端的正下方，球心与工作空间的上极板之间的垂直距离为217mm，与下陷尖端的垂直距离为50mm，选择该球心为测试点；效应物周围填充了x、y及z方向(图中垂直于纸面的方向即z方向)尺寸分别为250mm、150mm及200mm的均匀介质，均匀介质的体积与效应物的体积之比为60.63；效应物到电磁波入射方向一侧的均匀介质表面(即图中左侧表面)的距离为57.5mm，效应物的外表面到尖端一侧的均匀介质表面(即图中上表面)的最近距离为22mm，均匀介质的上表面到尖端之间的垂直距离为13mm，填充介质的相对介电常数为8。
本发明试验效果的过程如下：(1)在辐照腔的前端加上最高频率约为120MHz的高斯脉冲，将效应物放置到常规的辐照腔内；(2)将均匀介质填充到效应物周围，效应物内测点电场的峰值变为无介质填充时的1.5倍；(3)在(2)的基础上，再将辐照腔工作空间的上金属极板进行下陷变形，此时效应物内测点电场的峰值至少变为无介质填充及无极板下陷变形时的3.6倍以上，从而实现了效应物内聚焦的实现。
本发明的说明书已经对发明内容给出了充分的说明，各组件的具体参数可以根据实际需求设定，普通技术人员足以通过本发明说明书的内容加以实施。在权利要求的框架下，任何基于本发明思路的改进都属于本专利申请的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，包括辐照腔和放置于辐照腔内的效应物，辐照腔具有上、下金属极板；辐照腔的前端开口作为辐照腔的馈源位置，其特征在于：效应物周围的辐照腔内局部区域填充有均匀介质，所述均匀介质的相对介电常数介于空气与效应物的相对介电常数之间；所述上、下金属极板之一具有弯折形成的尖端，该尖端靠近所述均匀介质并对应于效应物的聚焦位置。
2.根据权利要求1所述的实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，其特征在于：所述效应物在均匀介质内呈偏心设置，使得效应物的聚焦位置更靠近所述尖端。
3.根据权利要求1所述的实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，其特征在于：设效应物的体积为v，则所述均匀介质的体积为55～65v；效应物到电磁波入射方向一侧的均匀介质表面的距离为50～60mm；效应物的外表面到尖端一侧的均匀介质表面的最近距离为21～23mm，该处均匀介质表面到尖端的距离为10～15mm；效应物内的聚焦位置与尖端的距离不超过50mm。
4.根据权利要求1所述的实现辐照腔内非金属效应物内部场强聚焦的装置，其特征在于：辐照腔的辐射入口区域设置为前窄后宽的前过渡段，使得电磁波经过前过渡段产生近似均匀的球面波，再到达辐照腔的工作空间时，在工作空间形成垂直极化的均匀场。
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