CN109632456B - 一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，提高了大型效应物内部大块区域的场强，达到了大型效应物内部测点场全局增强的效果。本发明在辐照腔工作空间上、下平板的间距减小可以增加工作空间的场强、以及电磁波在介质表面会发生反射和折射理论的基础上，研究辐照腔中大型效应物内部场强的全局增强方式时发现，采用在辐照腔工作下金属板上放置一定尺寸、形状及介质参数的介质块、效应物搁置在该介质块上、并给效应物加上介质套时，大型效应物内部的场出现了全局增强的现象，而且场强增强的效果在一定程度上要好于减小辐照腔工作空间上、下平行板的间距以及增加辐照腔激励源的电压峰值等常规手段。

Description

一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置
技术领域
本发明涉及一种辐照腔中大型非金属效应物内部场强全局增强的装置。
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，“Effectsof 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。考虑到人脑与大动物(如猪、牛等)的大脑的有些脑部疾病(如胶质瘤及阿尔茨海默症等)的病变区域不是脑部一点点区域，很可能分布在脑部的很大一块区域，因此为了打开这很大块病变区域的BBB结构，整个很大块病变区域都需要接受强电磁脉冲辐照。此外，考虑到放置在辐照腔工作空间中的人脑或者大动物的大脑与小动物(如老鼠、兔子等)的大脑相比，属于大型效应物，因此，有必要对辐照腔内大型效应物场强的全局增强(而不是全局增强)方法进行研究。
目前，辐照腔中效应物内部场强的全局增强方式，除了减小辐照腔工作空间上、下平行板的间距，增加辐照腔激励源的电压峰值等常规手段外，国内外并没有相关的其它方法的报道。
发明内容
本发明提出一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，提高了大型效应物内部大块区域的场强，达到了大型效应物内部测点场全局增强的效果。
申请人在辐照腔工作空间上、下平板的间距减小可以增加工作空间的场强、以及电磁波在介质表面会发生反射和折射理论的基础上，研究辐照腔中大型效应物内部场强的全局增强方式时发现，采用在辐照腔工作下金属板上放置一定尺寸、形状及介质参数的介质块、效应物搁置在该介质块上、并给效应物加上介质套时，大型效应物内部的场出现了全局增强的现象，而且场强增强的效果在一定程度上要好于减小辐照腔工作空间上、下平行板的间距以及增加辐照腔激励源的电压峰值等常规手段，最终给出了一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的新思路。
本发明采用的技术解决方案如下：
辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，设从辐照腔激励源到辐照腔工作空间的水平方向为长度方向，辐照腔工作空间平行的上、下金属板相对的方向为高度方向，与所述长度方向和高度方向均垂直的方向为宽度方向；该装置包括位于下部的绝缘介质块和位于上部的绝缘介质套，效应物放置于绝缘介质块上表面，并被罩于绝缘介质套内；绝缘介质块和绝缘介质套在长度方向、宽度方向上均以效应物为中心；
所述绝缘介质块的下端与下金属板贴合，绝缘介质块的宽度与辐照腔工作空间的宽度相同，并在宽度方向(±z方向)两侧分别超出效应物不少于80mm；
所述绝缘介质套的上端与上金属板贴合，下端与绝缘介质块的上表面相接；绝缘介质套的外围宽度及外围长度均与所述绝缘介质块相同；
绝缘介质套内部在长度方向和高度方向上与效应物保持间距，其中，长度方向(±x方向)绝缘介质套内壁两侧分别与效应物的距离小于或等于40mm～60mm，绝缘介质套内部在高度方向上与效应物的距离小于或等于30mm；
所述绝缘介质块和绝缘介质套的介质材料相同，其相对介电常数最优解εr由绝缘介质块和绝缘介质套的几何模型以及辐照腔工作空间尺寸和输入的电磁脉冲共同确定。
基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化或示例选择：
长度方向上靠近激励源的一侧称为左侧，远离激励源的一侧为右侧，所述绝缘介质套由位于效应物左、右两侧的左介质板、右介质板以及位于效应物上方的上介质板组成。
左介质板、右介质板以及上介质板可一体成型。
绝缘介质块的高度大于上介质板的高度。
绝缘介质套内部左、右两侧到效应物的距离相同。
绝缘介质块和绝缘介质套实际选择相对介电常数接近上述最优解εr的材质，例如：对于后面实施例所限定的辐照腔工作空间、绝缘介质块和绝缘介质套尺寸以及输入的电磁脉冲参数，建议绝缘介质块和绝缘介质套的主体介质材料为甘油，由塑料容器封装。
本发明的有益效果为：
(1)采用在大型效应物下方放置一定厚度的介质块及给大型效应物加上介质套的方法，在减小辐照腔上、下极板之间间距的同时，又实现了效应物附近的介质填充，使得入射到效应物上的电磁波增强，从而解决了大型效应物内部场强全局增强的技术难题；
(2)在介质块及介质套尺寸受限的情况下，通过计算扫描优化，并结合实际中存在的介质，选择介质块和介质套的介质参数的最优解。两者结合，使得辐照腔内大型效应物内部的场实现了全局增强的效果。
(3)根据本发明的原理，可以预期当效应物为各向异性材质时，本发明同样适用。
附图说明
图1是具有非金属效应物、且辐照腔工作空间里有介质块及介质套在xOy平面上的侧视图。
图中，1.辐照腔的馈源位置，2.辐照腔前过渡段，3.辐照腔工作空间的上平行板，4.辐照腔工作空间的下平行板，5.辐照腔后过渡段，6.辐照腔工作空间中非金属效应物，7.下介质块，8.构成介质套的左侧介质板，9.构成介质套的右侧介质板，10.构成介质套的上介质块。此外，图中还有标注了xOy平面上效应物中的A、B、C、D及P这5个测点的位置。
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。
本发明的实现过程如下：
(1)定义从辐照腔激励源到辐照腔工作空间的水平方向为长度方向，辐照腔工作空间两个平行金属板的宽度方向为宽度方向，辐照腔工作空间的上、下平行金属板之间的方向为高度方向。在辐照腔的工作空间，贴近工作空间的下平行板放置一绝缘介质块(可称为“下介质块”)。
该介质块位于工作空间长度方向的中间位置，其宽度与工作空间的宽度相同，宽度方向上两侧分别超出大型效应物不少于80mm。
(2)将大型效应物放置在该介质块上。
(3)在辐照腔内给大型效应物加上介质套。将效应物长度方向上靠近激励源的一侧称为左侧，对应的远离激励源的一侧为右侧。该介质套由在效应物左/右两侧放置的两块介质板、以及效应物上方贴近辐照腔工作空间上平行金属板内表面的介质块(可称为“上介质块”或“上介质板”)构成。之所以划分下介质块和介质套两大部分，而不是一体件形式的空心介质块，是为了方便不同尺寸高度的效应物的放置和位置调整。
介质套的介质材料与下介质块相同，其相对介电常数均为εr；整个介质套的外围宽度及外围长度与下介质块相同；效应物左/右两侧的两块介质板尺寸完全相同，且都紧贴下介质块的上表面放置；左/右两侧介质板的长度相同，两个介质板之间空隙的长度大于效应物的长度，且与效应物的长度之差小于等于40mm～60mm，效应物与这两个绝缘介质长度方向的间距相同；上、下两个介质块之间空隙的高度与效应物的高度之差小于等于30mm；两侧的介质板对上介质块起支撑作用，为了减轻支撑，下介质块的高度大于等于上介质块的高度。
(4)选取不同的介质相对介电常数εr进行扫描优化计算，并结合实际中存在的介质的相对介电常数，选择介质参数的最优解。
如图1所示本发明实施例：坐标原点O位于辐照腔工作空间的中心位置，其工作空间y方向高度为500mm，x方向的长度为500mm，z方向(即垂直于xOy平面的方向)的宽度为410mm；大型效应物由半径104mm、z方向尺寸为200mm的介质圆柱构成，效应物z方向的中心位于z＝0的位置；效应物的相对介电常数为50；下介质块的长度为300mm，其长度比大型效应物的长度长92mm；下介质块的高度为210mm，宽度与辐照腔的宽度同宽。效应物放置于下介质块上；构成介质套的上介质块的长度和宽度与下介质块相同，上介质块的高度为60mm；构成介质套的两个介质板x方向的长度均为20mm，且两个介质板之间空隙的长度为260mm，与效应物的长度之差为52mm；上、下两个介质块之间留有的空隙的高度与效应物的高度之差为22mm。分别选择xOy平面上效应物中的A、B、C、D及P这5个测点为测试点，以及z＝80mm的平面上分别与A、B、C、D及P这5个测点对应的A′、B′、C′、D′及P′点为测试点。考虑到整个模型关于z＝0的平面对称，因此z＝80mm的平面上的场与z＝-80mm的平面上相同。在辐照腔的前端加上最高频率约为120MHz的高斯脉冲，脉冲的峰值为200MV。
具体环节介绍如下：
(1)在辐照腔的工作空间，贴近工作空间的下平行板放置一绝缘介质块(称为“下介质块”)，下介质块位于工作空间长度方向的中间位置。该介质块的宽度与工作空间的宽度相同，其长度比大型效应物的长度长92mm。
(2)将大型效应物放置在该介质块上。
(3)在辐照腔内给大型效应物加上介质套。该介质套由在效应物左/右两侧放置的两块介质板、以及效应物上方贴近辐照腔工作空间上平行金属板内表面的上介质块构成。
介质套的介质材料与下介质块相同，均为εr；整个介质套的外围宽度及外围长度与下介质块相同；效应物左/右两侧的两块介质板尺寸完全相同，且都紧贴下介质块的上表面放置；两侧介质板的长度相同，均为20mm，两个介质板之间空隙的长度为260mm，与效应物的长度之差为52mm；上、下两个介质块之间留有的空隙的高度为230mm，与效应物的高度之差为22mm；两侧的介质板对上介质块起支撑作用。
(4)放置在辐照腔工作空间的上、下介质块及介质套的几何模型确定后，改变介质的相对介电常数εr，进行扫描计算，所得各测点场强峰值与未使用本发明时所得的结果对比如表1和表2所示。根据表1和表2，并考虑到甘油(丙三醇)的相对介电常数为42.5、导电率为1×10-8S/m，可选择42.5为εr的最优解。此时，大型效应物内各测点的电场峰值与无介质块及介质套时的结果之比为2.0～7.78。实际操作时，可将甘油装在具有上述介质块及介质套外型的塑料容器中，来实现大型效应物内场强的全局增强。
表1为介质块及介质套介质参数不同时、在xOy平面上的A、B、C、D及P这5个测点场峰值与无介质块及介质头套情形时的比值。
表2为介质块及介质套介质参数不同时、z＝80mm的平面上分别与A、B、C、D及P这5个测点位置对应的A′、B′、C′、D′及P′测点的场峰值与无介质块及介质头套情形时的比值。
表1
Figure BDA0001904894780000051
表2
Figure BDA0001904894780000061
考虑到效应物的最大高度及辐照腔工作空间上、下平行板的间距，如果采用简单的减小工作空间上、下平行板间距来提高大型效应物内场强这种常规手段时，得到的效应物内测点场的峰值与减小间距前之比最大为2.4倍。而通过增加辐照腔激励源的电压峰值来提高大型效应物内的场这种常规手段，则会增加电压源的设计难度。因此，本发明在一定程度上优于上述两种常规手段。
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发明的权利范围。

Claims (6)

1.一种辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，设从辐照腔激励源到辐照腔工作空间的水平方向为长度方向，辐照腔工作空间平行的上、下金属板相对的方向为高度方向，与所述长度方向和高度方向均垂直的方向为宽度方向；其特征在于：
该装置包括位于下部的绝缘介质块和位于上部的绝缘介质套，效应物放置于绝缘介质块上表面，并被罩于绝缘介质套内；绝缘介质块和绝缘介质套在长度方向、宽度方向上均以效应物为中心；
所述绝缘介质块的下端与下金属板贴合，绝缘介质块的宽度与辐照腔工作空间的宽度相同，并在宽度方向两侧分别超出效应物不少于80mm；
所述绝缘介质套的上端与上金属板贴合，下端与绝缘介质块的上表面相接；绝缘介质套的外围宽度及外围长度均与所述绝缘介质块相同；
绝缘介质套内部在长度方向和高度方向上与效应物保持间距，其中，长度方向绝缘介质套内壁两侧分别与效应物的距离小于或等于60mm，绝缘介质套内部在高度方向上与效应物的距离小于或等于30mm；
所述绝缘介质块和绝缘介质套的介质材料相同，其相对介电常数最优解εr由绝缘介质块和绝缘介质套的几何模型以及辐照腔工作空间尺寸和输入的电磁脉冲共同确定。
2.根据权利要求1所述的辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，其特征在于：设长度方向上靠近激励源的一侧称为左侧，远离激励源的一侧为右侧，所述绝缘介质套由位于效应物左、右两侧的左介质板、右介质板以及位于效应物上方的上介质板组成。
3.根据权利要求2所述的辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，其特征在于：所述左介质板、右介质板以及上介质板一体成型。
4.根据权利要求2所述的辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，其特征在于：所述绝缘介质块的高度大于上介质板的高度。
5.根据权利要求2所述的辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，其特征在于：绝缘介质套内部左、右两侧到效应物的距离相同。
6.根据权利要求2所述的辐照腔中大型效应物内部场强全局增强的装置，其特征在于：所述绝缘介质块和绝缘介质套的主体介质材料为甘油，由塑料容器封装。
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