CN112625900A - 倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置，主要解决现有辐照装置不能同时得到高辐照效率和低辐照不均匀性的问题，其包括：谐振腔(1)、射频连接器(2)、耦合探针(3)、细胞样品(4)、旋转台(5)、容器托盘(6)、连杆(7)、X形支架(8)和配重(9)。射频连接器(2)安装在谐振腔(1)顶部并与谐振腔内部的耦合探针(3)相连，连杆(7)穿过X形支架(8)和谐振腔，两端分别连接容器托盘(6)和配重(9)，形成支撑组件，细胞样品(4)置于容器托盘上，谐振腔安装在旋转台(5)上。转动谐振腔使电场、磁场与细胞样品形成夹角，能够同时提高辐照效率并减小辐照不均匀性，显著改进电磁辐照细胞实验的辐照质量。

Description

倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置

技术领域

本发明属于生物电磁学实验技术领域，特别涉及一种电磁辐照装置，可用于培养细胞的电磁辐照实验，有效提高辐照效率，减小辐照不均匀性。

背景技术

电磁辐照装置用于研究军用和民用电磁设备的辐射对细胞的影响，目前电磁辐照细胞实验使用的辐照装置主要有波导腔、横电磁波小室和传输线，其中矩形波导腔能够实现对细胞样品的多种耦合，有较高的辐照效率和较小的辐照不均匀性，可以容纳较多的细胞样品，满足不同实验的需要，是目前常用的电磁辐照装置。

矩形波导腔主要包括谐振腔、耦合探针和细胞样品，细胞样品由培养皿、细胞培养液和细胞单层组成。谐振腔内部由入射波和反射波叠加形成驻波，电场振幅最大/磁场振幅最小和磁场振幅最大/电场振幅最小的位置沿波导的中轴线周期分布。细胞样品可以固定在电场振幅最大/磁场振幅最小或磁场振幅最大/电场振幅最小的位置，并使细胞样品平行于该位置的电场或磁场，由此组合出以下四种电磁辐照方式：

1.细胞样品置于电场振幅最大/磁场振幅最小位置，同时细胞样品和电场平行；

2.细胞样品置于电场振幅最大/磁场振幅最小位置，同时细胞样品和磁场平行；

3.细胞样品置于磁场振幅最大/电场振幅最小位置，同时细胞样品和电场平行；

4.细胞样品置于磁场振幅最大/电场振幅最小位置，同时细胞样品和磁场平行。

目前的电磁辐照装置普遍使用这四种电磁辐照方式，细胞样品平行或垂直于电场或磁场可以实现细胞样品对电磁能量的正交耦合，在辐照效率和辐照不均匀性上有各自的特点。如细胞样品置于电场振幅最大的位置且平行于电场时，电场能量的耦合效率较高，吸收功率在细胞样品中的分布较均匀；如果将细胞样品置于磁场振幅最大的位置且使其垂直于磁场，则可以获得更高的磁场能量的耦合效率，但吸收功率在细胞样品中分布的均匀性较差。电磁辐照装置的辐照效率正比于电磁能量的耦合效率，辐照不均匀性取决于吸收功率在细胞样品中分布的均匀性。在传统的电磁辐照装置中，辐照效率和辐照不均匀性相互关联且往往同向变化，提高辐照效率也会增大辐照不均匀性，减小辐照不均匀性则会降低辐照效率，从而无法同时实现较高的辐照效率和较小的辐照不均匀性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的不足，提出一种倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置，以倾斜耦合取代传统的正交耦合，使辐照效率和辐照不均匀性反向变化，实现在减小辐照不均匀性的同时，提高辐照效率。

为实施上述目的，本发明的倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置，包括：谐振腔、射频连接器、耦合探针、细胞样品，谐振腔由中心波导和两端的短路器连接组成，其特征在于：还包括有旋转台和一对支撑组件；

所述支撑组件，置于谐振腔的内部，其包括容器托盘、连杆、X形支架和配重，容器托盘固定在连杆上，连杆沿谐振腔的中轴线穿过X形支架和谐振腔与外部的配重连接，细胞样品置于容器托盘上，且关于耦合探针对称，配重通过连杆沿谐振腔的中轴线水平移动容器托盘；

所述谐振腔，其中心波导的顶部中心设有开孔，用于安装射频连接器，其内部中心放置耦合探针，耦合探针与射频连接器的内导体相连，在谐振腔中形成中心激励；该谐振腔安装在旋转台上，当其在旋转台上围绕自身的中轴线旋转时，支撑组件保持细胞样品水平，以在电场、磁场与细胞样品之间形成夹角，同时提高辐照效率并减小辐照不均匀性。

作为优选，所述X形支架由刚性透波材料制成，其包括等长的四壁和导管，该四臂以短路器的横截面顶点作为支点，另一端垂直固定在导管的四周。

作为优选，所述短路器与中心波导的连接处采用法兰固定，其径向长度为四分之一波导波长，且在中轴线穿过的位置开有用于嵌入X形支架中导管的开孔。

作为优选，所述连杆插入X形支架的导管，穿过短路器的开孔。

作为优选，所述配重，其两端设有用于调节细胞样品水平放置的调平螺母，该配重总质量为细胞样品质量的10倍到20倍，以克服X形支架的导管和连杆之间的摩擦力。

作为优选，所述旋转台包括底座、台口、滑轨、刻度指针、刻度盘，底座水平放置，台口承载谐振腔沿滑轨旋转，并通过刻度指针在刻度盘上标示出旋转角度。

本发明与现有技术相比有以下优点：

1)本发明通过中心激励和细胞样品的对称放置，使细胞样品数量加倍，提高了辐照效率，同时不影响辐照不均匀性。

2)本发明通过配重和连杆移动细胞样品，可以将细胞样品置于电场振幅最大/磁场振幅最小的位置、磁场振幅最大/电场振幅最小的位置，以及二者之间的任何位置，在每个位置均可实现细胞样品对电磁能量的正交耦合和倾斜耦合。

3)本发明在固定细胞样品的位置以后，通过旋转台与支撑组件调整倾斜耦合时细胞样品与电场、磁场的夹角，改变电磁场能量的耦合效率和吸收功率在细胞样品中的分布，从而控制辐照效率和辐照不均匀性。在很大的夹角范围内，倾斜耦合的辐照效率均高于正交耦合，辐照不均匀性均小于正交耦合，通过在设定范围内连续调整夹角，可以在提高辐照效率的同时减小辐照不均匀性，获得远优于传统正交耦合的辐照质量。

附图说明

图1为本发明的装置外部结构图；

图2为本发明中谐振腔内部放置一对细胞样品的结构图；

图3为本发明中谐振腔内部放置两对细胞样品的结构图；

图4为本发明的旋转台结构图；

图5为本发明实施例的辐照效率仿真结果图；

图6为本发明实施例的辐照不均匀性仿真结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述：

参照图1和图2，本实例提供的一种倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置，包括谐振腔1、射频连接器2、耦合探针3、细胞样品4、旋转台5、容器托盘6、连杆7、X形支架8和配重9。其中，谐振腔1安装在旋转台5上；谐振腔1由中心波导11和短路器12通过法兰连接，径向长度为1.5λ_g，其中λ_g为工作频率的波导波长，谐振腔1的工作频率可以覆盖GSM1800和GSM1900频段即1710.2MHz～1989.8MHz，短路器12的径向长度为0.25λ_g，与中心波导11的接缝位于中心波导11空载时内壁径向电流为零的位置，抑制接缝电流的漏辐射；射频连接器2贯穿安装在中心波导11的顶部中心开孔处，本实施例中射频连接器2为N50K接头，其内芯在中心波导11内部并连接耦合探针3，将外接同轴电缆引入的电磁能量注入谐振腔1的中心波导11内，以形成中心激励，生成TE₁₀₃模式的驻波分布，磁场振幅最大/电场振幅最小的位置和电场振幅最大/磁场振幅最小的位置都在谐振腔1的中轴线上，空载时，磁场振幅最大/电场振幅最小的位置位于耦合探针3两侧0.25λ_g处，电场振幅最大/磁场振幅最小的位置位于耦合探针3两侧0.5λ_g处，两个位置的电场方向和磁场方向都在谐振腔1的中心波导11横截面上，电场方向平行于耦合探针3，磁场方向垂直于耦合探针3；细胞样品4包括直径为35mm的培养皿、3.1mL的细胞培养液和细胞单层；X形支架8的四臂和导管材料为聚苯乙烯，等长的四臂位于短路器12的横截面，一端支撑在横截面的顶点，另一端支撑导管，导管在短路器12的中轴线上，短路器12在中轴线穿过的位置开孔用于嵌入导管，连杆7插入导管，与容器托盘6和配重9形成刚性连接，构成支撑组件；本实施例中，配重9的质量为100g，重力力矩为0.022N·m，能有效克服导管和连杆7之间的摩擦力，进一步调节配重9两端的调平螺母，精确保持容器托盘6水平放置；细胞样品4置于容器托盘6上，在短路器12和中心波导11做法兰连接时内置于中心波导11中，沿中心波导11的中轴线水平抽拉配重9，可以调整细胞样品4的位置；本实施例预先优化了细胞样品4的位置，淘汰了其它如电场振幅最大/磁场振幅最小的位置，综合实现了较高效率的电场能量耦合和磁场能量耦合。

根据实验需要的细胞数量，可以采用一对或两对细胞样品4，实验中使用一对细胞样品4时，如图2所示，将其对称放置在耦合探针3两侧并使细胞培养液的中心位于磁场振幅最大/电场振幅最小的位置；实验中使用两对细胞样品4时，如图3所示，每侧叠放三个培养皿，只有上、下培养皿加载细胞培养液和细胞单层，上、下两层细胞培养液的中心关于磁场振幅最大/电场振幅最小的位置对称。

参照图4，旋转台5包括底座51、台口52、滑轨53、刻度指针54、刻度盘55。底座51水平放置，台口52可以沿着滑轨53从0°转动到90°，0°表示台口水平，90°表示台口竖直；台口52承载并带动谐振腔1旋转，刻度指针54固定在台口52上，刻度盘55固定在底座51上，刻度指针54在刻度盘55上标识出谐振腔1的旋转角度，旋转角度即为电场方向与细胞样品4垂直方向的夹角，同时也是磁场方向与细胞样品4水平方向的夹角，夹角为0°和90°时实现细胞样品对电磁能量的正交耦合，夹角在0°到90°之间时实现细胞样品对电磁能量的倾斜耦合。

本实施例的效果可以通过以下仿真进一步说明：

一.仿真条件

操作系统：Windows 7 64位；

处理器：Intel Core i7-3770k 3.5GHz四核处理器；

仿真软件：XFDTD 6.3.8.4电磁建模与求解器。

二.仿真内容

采用XFDTD软件对上述实验装置进行建模，模型包括谐振腔、射频连接器、耦合探针、细胞样品和支撑组件，采用自适应网格剖分，细胞样品以0.2mm分辨率剖分，细胞单层由单层网格表示，其余组件以1mm分辨率剖分。谐振腔工作频率为1800MHz，组件材料的电导率、介电常数和质量密度如表1所示。

本实施例的辐照效率AV和辐照不均匀性CV、MD都基于比吸收率SAR作统计量化。SAR为单位质量的细胞吸收的电磁功率，辐照效率AV定义为细胞单层中SAR分布的平均值与谐振腔的入射功率的比值，辐照不均匀性CV定义为细胞单层中SAR分布的标准偏差与平均值的比值，辐照不均匀性MD定义为细胞单层中的局部SAR与SAR平均值的最大差值。

表1组件材料在1800MHz的电导率、介电常数和质量密度

组件(材料)	电导率σ(S/m)	相对介电常数ε<sub>r</sub>	质量密度ρ(kg/m<sup>3</sup>)
				细胞培养液(DMEM)	2.5	71	1000
培养皿(聚苯乙烯)	0.001	2.5	-
				连杆(橡木)	0.12	6	-
胶垫(橡胶)	0.005	2.35	-

仿真1，倾斜波导谐振腔影响辐照效率的实验如下，分别使用一对细胞样品和两对细胞样品，调整谐振腔的旋转角度即倾斜角度γ从0°变化到90°，在0°到2°之间以(1/3)°为间隔，在2°到15°之间以1°为间隔，在20°到80°之间以10°为间隔，在80°到90°之间以(10/3)°为间隔，对每个倾斜角度γ的模型做电磁辐照的仿真，计算辐照效率AV，结果如图5。图5的横轴为谐振腔的倾斜角度γ，纵轴为辐照效率AV，其中：曲线A表示一对细胞样品的结果，曲线B表示两对细胞样品的结果。结果表明，对于一对细胞样品，γ在7°到89°时的辐照效率AV高于传统的正交耦合即0°和90°的辐照效率AV，γ在40°时辐照效率AV取最大值；对于两对细胞样品，γ在4°到89°时的辐照效率AV高于传统的正交耦合即0°和90°的辐照效率AV，γ＝30°时辐照效率AV取最大值。

仿真2，倾斜波导谐振腔影响辐照不均匀性的实验如下，分别使用一对细胞样品和两对细胞样品，调整谐振腔的旋转角度即倾斜角度γ从0°变化到90°，在0°到2°之间以(1/3)°为间隔，在2°到15°之间以1°为间隔，在20°到80°之间以10°为间隔，在80°到90°之间以(10/3)°为间隔，对每个倾斜角度γ的模型做电磁辐照的仿真，计算辐照不均匀性CV、MD，结果如图6。图6的横轴为谐振腔的倾斜角度γ，纵轴为辐照不均匀性CV、MD，其中：曲线C和曲线D分别表示一对细胞样品的辐照不均匀性CV、MD；曲线E和曲线F分别表示两对细胞样品的辐照不均匀性CV、MD。结果表明，随倾斜角度γ从0°增大到90°，一对和两对细胞样品的辐照不均匀性CV、MD都是先减小后增大，γ在4°到80°时的辐照不均匀性CV、MD要小于传统的正交耦合即0°和90°时的取值，γ＝7°时辐照不均匀性CV取最小值，γ＝9°时辐照不均匀性MD取最小值。

上述仿真1和仿真2的结果表明，若以辐照效率AV为主要参考指标，为了满足辐照不均匀性CV小于30％的一般性实验要求，谐振腔的倾斜角度γ的可取范围为2°至30°。不同倾斜角度γ下的辐照效率AV取值如表2所示。

表2不同倾斜角度γ下的辐照效率AV取值

从表2可以看出，一对细胞样品的实验中，γ＝40°时的最大辐照效率AV是γ＝0°取值的24.7倍、γ＝90°取值的9.19倍；两对细胞样品的实验中，γ＝30°时的最大辐照效率AV是γ＝0°取值的25.3倍、γ＝90°取值的12.3倍。

若以辐照不均匀性CV、MD为主要参考指标，对于一对细胞样品或两对细胞样品的实验，本发明可取的最优倾斜角度γ＝8°，不同倾斜角度γ下的辐照不均匀性CV、MD取值如表3所示。

表3不同倾斜角度γ下的辐照不均匀性CV、MD取值

从表3可以看出，本发明取最优倾斜角度γ＝8°的结果与传统正交耦合时的取值相比：

对于一对细胞样品的辐照不均匀性CV：γ＝8°取值比γ＝0°取值减小了46％，γ＝8°取值比γ＝90°取值减小了47％；

对于一对细胞样品的辐照不均匀性MD：γ＝8°取值比γ＝0°取值减小了37％，γ＝8°取值比γ＝90°取值减小了49％；

对于两对细胞样品的辐照不均匀性CV：γ＝8°取值比γ＝0°取值减小了44％，γ＝8°取值比γ＝90°取值减小了35％；

对于两对细胞样品的辐照不均匀性MD：γ＝8°取值比γ＝0°取值减小了31％，γ＝8°取值比γ＝90°取值减小了44％。

选择最优倾斜角度γ＝8°时，从表2可知，一对细胞样品的辐照效率AV提高到γ＝0°取值的3.2倍、γ＝90°取值的1.2倍；两对细胞样品的辐照效率AV提高到γ＝0°取值的4.7倍、γ＝90°取值的2.3倍。

以上述实施为例，为本发明较佳的实施方式，但本发明不仅仅适用于该方式，其他任何未背离本发明的原理下所作的改变、替代，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种倾斜波导谐振腔电磁辐照细胞实验装置，包括：谐振腔(1)、射频连接器(2)、耦合探针(3)、细胞样品(4)，谐振腔(1)由中心波导(11)和两端的短路器(12)连接组成，其特征在于：还包括有旋转台(5)和一对支撑组件；

所述支撑组件，置于谐振腔(1)的内部，其包括容器托盘(6)、连杆(7)、X形支架(8)和配重(9)，容器托盘(6)固定在连杆(7)上，连杆(7)沿谐振腔(1)的中轴线穿过X形支架(8)和谐振腔(1)与外部的配重(9)连接，细胞样品(4)置于容器托盘(6)上，且关于耦合探针(3)对称，配重(9)通过连杆(7)沿谐振腔(1)的中轴线水平移动容器托盘(6)；

所述谐振腔(1)，其中心波导(11)的顶部中心设有开孔，用于安装射频连接器(2)，其内部中心放置耦合探针(3)，耦合探针(3)与射频连接器(2)的内导体相连，在谐振腔中形成中心激励；该谐振腔(1)安装在旋转台(5)上，当其在旋转台上围绕自身的中轴线旋转时，支撑组件保持细胞样品(4)水平，以在电场、磁场与细胞样品(4)之间形成夹角，同时提高辐照效率并减小辐照不均匀性。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述X形支架(8)由刚性透波材料制成，其包括等长的四壁和导管，该四臂以短路器(12)的横截面顶点作为支点，另一端垂直固定在导管的四周。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述短路器(12)与中心波导(11)的连接处采用法兰固定，其径向长度为四分之一波导波长，且在中轴线穿过的位置开有用于嵌入X形支架(8)中导管的开孔。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述连杆(7)插入X形支架(8)的导管，穿过短路器(12)的开孔。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述配重(9)，其两端设有用于调节细胞样品(4)水平放置的调平螺母，该配重(9)总质量为细胞样品(4)质量的10倍到20倍，以克服X形支架(8)的导管和连杆(7)之间的摩擦力。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转台(5)包括底座(51)、台口(52)、滑轨(53)、刻度指针(54)、刻度盘(55)，底座(51)水平放置，台口(52)承载谐振腔(1)沿滑轨(53)旋转，并通过刻度指针(54)在刻度盘(55)上标示出旋转角度。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述细胞样品(4)，根据实验需要的细胞数量，采用一对或两对。

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