CN109701162B - 一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置及其构建方法，基于介质透镜的聚焦原理来研究辐照腔内效应物内部场强局部聚焦，采用在辐照腔上、下两个平行板的内侧分别放置一定尺寸及一定介质参数的两个介质透镜，靠近介质透镜的效应物内测点的场出现局部增强，并且场强聚焦点与透镜聚焦点并非同一坐标位置(两个位置相近)。本发明克服了实现频率为0～200MHz左右场强聚焦的单凸透镜尺寸过大的技术难题，提高了靠近介质透镜的效应物内部测点的场强，达到了效应物内部测点的局部聚焦效果。

Description

一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置的构建方法

技术领域

本发明涉及一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置及其构建方法。

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，为了打开脑部病变的局部区域(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的局部聚焦方法进行研究。

介质透镜的聚焦作用在光学领域已经成熟，但将单个介质透镜直接应用于辐照腔的场强聚焦聚焦时，则不太适用。这是由于辐照腔内电磁波的频率范围在0～200MHz左右，理论上需要较大尺寸的透镜才能达到局部聚焦的效果，而辐照腔本身的尺寸有限。或许因此，基于介质透镜的辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦方式，国内外没有相关的报道。

发明内容

本发明提出一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置及其构建方法，提高了靠近介质透镜的效应物内部测点的场强，达到了效应物内部测点的局部聚焦效果。

申请人基于介质透镜的聚焦原理来研究辐照腔内效应物内部场强局部聚焦方法时发现，采用在辐照腔上、下两个平行板的内侧分别放置一定尺寸及一定介质参数的两个介质透镜时，靠近介质透镜的效应物内测点的场出现了局部增强的现象，并发现场强聚焦点与透镜聚焦点并非同一坐标位置(两个位置相近)，从而给出了一种辐照腔内效应物内部场强局部聚焦的新思路。

本发明采用的技术解决方案如下：

设坐标原点位于辐照腔工作空间的中心位置，x、y及z方向分别为工作空间的长度、高度及宽度方向，该辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置包括以xOz平面对称设置并分别贴合于上、下两个平行极板的上、下两个双曲透镜，每个双曲透镜自身以y轴中心对称，并沿y轴向辐照腔工作空间中心凸起；设上双曲透镜的凸起顶点的坐标为(0,y₀,0)，f为透镜焦点到该凸起顶点的距离，n₀为理论模型的透镜的折射率，相应的理论相对介电常数ε_r0＝n₀ ²；xOy平面上构成上双曲透镜的双曲线上的点(x,y,0)满足以下数学模型：

式中，a、b分别为双曲线实轴和虚轴的一半，且

实际透镜的相对介电常数最优解ε_r≠ε_r0，由以上数学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；

效应物的局部聚焦位置沿y轴靠近上、下两个双曲透镜任一的凸起顶点，距离不超过 30mm。

基于以上方案，本发明还进一步做了如下优化或示例选择：

上、下两个双曲透镜实际选择相对介电常数接近上述最优解ε_r的材质，例如：基于以上辐照腔工作空间和透镜尺寸，当输入的电磁脉冲为最高频率120MHz的高斯脉冲且脉冲的峰值为200MV时，建议上、下两个双曲透镜的主体介质材料均采用甘油，并由塑料容器封装。

该辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置的构建方法，包括以下步骤：

1)建立介质透镜模型

根据辐照腔和效应物的尺寸，在辐照腔内设置上、下两个双曲透镜，使其分别相应与上、下两个平行极板贴合；每个双曲透镜自身以y轴中心对称，并沿y轴向辐照腔工作空间中心凸起；效应物的局部聚焦位置沿y轴靠近上、下两个双曲透镜任一的凸起顶点，距离不超过30mm；

2)确定最优透镜介质

介质透镜模型确定后，多次改变介质透镜相对介电常数ε_r的值，进行扫描计算，得出相对介电常数ε_r的最优解；

3)选取适宜介质匹配模型

根据相对介电常数ε_r的最优解，选取最接近的透镜材料制作上、下两个双曲透镜，按照步骤1)构建实际的装置。

本发明的有益效果为：

(1)采用一组双曲凸透镜聚焦，回避了实现频率为0～200MHz左右场强聚焦的单凸透镜尺寸过大的技术难题，提高了靠近介质透镜的效应物内部测点的场强，达到了效应物内部测点的局部聚焦效果；

(2)在凸透镜尺寸受限的情况下，通过计算扫描优化，并结合实际中存在的介质，选择凸透镜介质参数的最优解。

附图说明

图1是具有非金属效应物、且辐照腔工作空间的上、下平行极板内侧有双曲透镜的侧视图。

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.辐照腔工作空间的上、下平行极板内侧的双曲透镜，7.非金属效应物，8.效应物内的测试点，9.上凸透镜的凸起顶点位置，10.上凸透镜边缘的位置。

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：

(a)该辐照腔中效应物内部场强局部聚焦的方式，主要由贴近辐照腔上、下两个平行板且向内凸起的两个相同的双曲透镜构成。

(b)设坐标原点位于辐照腔工作空间的中心位置，x、y及z方向分别为工作空间的长度、高度及宽度方向，对于紧贴辐照腔工作空间上平行板的上凸透镜，设其凸起顶端处的坐标为(0,y₀,0)，f为透镜焦点到双曲面的单凸透镜顶点的距离，则xOz平面上构成透镜的双曲线上的点(x,y,0)与透镜的折射率n之间的关系为

考虑到辐照腔的上、下两个平行板长和宽的尺寸固定，故该双曲透镜外型的最大尺寸也固定。因此，在取合适的f后，可以根据(1)式，确定透镜的折射率n，进而得到介质透镜的相对介电常数ε_r＝n²。

另一方面，将(1)改写为双曲线的表达式

式中，a、b分别为双曲线实轴和虚轴的一半，且

当n和f的值固定后，上透镜在xOz平面上的双曲线的实轴和虚轴的一半就可以确定，根据(2)式，就可以画出xOz平面上双曲线的一个分支。

将上述双曲线的一个分支绕着其实轴旋转360°，就可以得到上凸透镜。

(c)将上凸透镜关于y＝0的平面作对称操作，就可以得到下凸透镜。

(d)上、下凸透镜确定后，将效应物靠近下凸透镜放置，改变介质透镜相对介电常数ε_r的值，进行扫描计算。并结合实际存在的介质的相对介电常数，选取ε_r的最优解，作为辐照腔内两个双曲凸透镜的相对介电常数。

如图1所示本发明实施例：坐标原点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方向的宽度为410mm；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凸透镜顶端的正上方，球心与工作空间的下极板之间的垂直距离为101 mm，与下凸透镜顶端的垂直距离约为20.5mm，选择该球心为测试点。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)假设在辐照腔内加上两个透镜后，工作空间剩余的高度约为339mm，即上、下凸透镜的中心厚度各80.5mm。由于工作空间平行板x方向的尺寸为500mm，因此取图1中透镜x轴方向的半径为r＝200mm。此时，对于xOz平面中上凸透镜边缘的位置，存在 x＝200mm及y-y₀＝80.5mm成立。透镜焦点到透镜凸起顶点的距离f取f＝170mm，根据(1)式可以计算得到n≈1.87，对应的ε_r≈3.5。

此外，根据n和f的值，根据(3)式可计算得到上透镜在xOz平面上的双曲线的实轴和虚轴的一半分别为a≈59.21mm、b≈93.62mm。根据(2)式，就可以画出xOz平面上双曲线 y>0的一个分支。

将上述双曲线的一个分支绕着其实轴旋转360°，就可以得到上凸透镜。

(2)将上凸透镜关于y＝0的平面对称过来，就可以得到下凸透镜。

(3)上、下凸透镜确定后，将效应物靠近下凸透镜放置，且效应物与下凸透镜顶端的垂直距离约为20.5mm，改变介质透镜相对介电常数ε_r的值，进行扫描计算，如表1所示。根据表1，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ε_r的最优解。此时，与无介质透镜存在时相比，效应物内测点的电场峰值已经变为无凸透镜时的2.29倍。实际操作时，可将甘油装在具有上述凸透镜外型的塑料容器中，来实现效应物内场强的局部聚焦。

表1为凸透镜介质参数不同时辐照腔内测点场的增加倍数对比。

表1

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 (1)

1.一种辐照腔中效应物内部场强的局部聚焦装置的构建方法，包括以下步骤：

1)建立介质透镜模型

根据辐照腔和效应物的尺寸，在辐照腔内设置上、下两个双曲透镜，分别记为上凸透镜、下凸透镜，使其分别相应与上、下两个平行极板贴合；每个双曲透镜自身以y轴中心对称，并沿y轴向辐照腔工作空间中心凸起；效应物的局部聚焦位置沿y轴靠近上、下两个双曲透镜任一的凸起顶点，距离不超过30mm；具体按照以下过程确定介质透镜模型；

设坐标原点位于辐照腔工作空间的中心位置，x、y及z方向分别为工作空间的长度、高度及宽度方向，对于紧贴辐照腔工作空间上平行板的上凸透镜，设其凸起顶点处的坐标为(0,y₀,0)，f为透镜焦点到双曲面的单凸透镜顶点的距离，则xOz平面上构成透镜的双曲线上的点(x,y,0)与透镜的折射率n之间的关系为

在确定f后，根据(1)式，确定透镜的折射率n，进而得到介质透镜的相对介电常数ε_r＝n²；

另一方面，将(1)式改写为双曲线的表达式

式(2)中，a、b分别为双曲线实轴和虚轴的一半，且

对于确定的n和f，上凸透镜在xOz平面上的双曲线的实轴和虚轴的一半是确定的，根据(2)式，画出xOz平面上双曲线的一个分支；

将所述双曲线的一个分支绕着其实轴旋转360°，即得上凸透镜；

将上凸透镜关于y＝0的平面作对称操作，即得下凸透镜；

2)确定最优透镜介质

介质透镜模型确定后，多次改变介质透镜相对介电常数ε_r的值，进行扫描计算，得出相对介电常数ε_r的最优解；

3)选取适宜介质匹配模型

根据相对介电常数ε_r的最优解，选取最接近的透镜材料制作上、下两个双曲透镜，按照步骤1)构建实际的装置。

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