CS251815B1 - Měřič výkonu a energie neionizujícího záření, absorbovaného ve ztrátových prostředích - Google Patents

Abstract

Měřič je určen ke stanovení výkonu a energie elektromagnetického nebo jiného neionizujícího záření, jehož energie se při Interakci s prostředím mění v energii tepelnou. Jeho podstatou je, že v ozařovaném objektu nebo na jeho povrchu je umístěno teplotní čidlo spojené s převodníkem teplota-napětí, jehož výstup je přes derivační a vzorkovací obvod spojen s vyhodnocovacím zařízením. Uplajní se zejména při výzkumu vlivu mikrovlnného záření na biologické objekty, jako například vzorky buněčných suspenzi, ale při použití vhodných teplotních čiďel též přímo ve tkáních pokusných zvířat a lidí. Jinou vhodnou oblastí použití je stanovení lokálních absorbovaných dávek mikrovlnného záření při mikrovlnná hypertermii, používaná při léčbě zhoubných nádorů. Měřič je obecně možno použít ke stanovení výkonu a energie neionizujícího záření absorbovaného ve ztrátových prostředích nezávisle na frekvenci použitého záření.

Description

Vynález se týká zařízení pro měření výkonu a energie elektromagnetického nebo jiného neionizujícího záření, absorbovaného ve ztrátových prostředích, zejména v biologických objektech.

Při výzkumu vlivu elektromagnetického záření na biologické objekty, tj. například buněčné suspenze in vitro, tkáně pokusných zvířat nebo lidí, je třeba stanovit velikost výkonu záření, který je zkoumaným objektem absorbován, případně dávku absorbované energie.

V současné době, kdy se zájem soustředí zejména do oblastí mikrovln, se absorbovaný výkon určuje pomocí měřiče vysokofrekvenčního výkonu a měřící vlnovodové trasy, vybavené systémem směrových odbočnic, umístěných před a za expoziční komorou. Výkon absorbovaný se stanoví jako rozdíl mezi výkonem vstupujícím do expozičního prostoru a součtem výkonu odraženého a výkonu vystupujícího.

Nevýhodou popsaného zařízení je jednak značná pořizovací cena a vysoká mechanická nároky na zhotovení dílů, jednak relativní úzkopásmovost směrových odbočnic. K dalěím nevýhodám patří velká pracnost elektrického nastavení (vyvážení trasy) před vlastním měřením a zdlouhavost měření (je třeba stanovit tři dílčí výkony). Tímto způsobem lze měřit pouze integrální absorbovaný výkon, tj. výkon absorbovaný ve zkoumaném objektu jako celku.

Tyto dosavadní nevýhody odstraňuje měřič výkonu a energie neionizujícího záření, pra? cující na principu vyhodnocení rychlosti nárůstu teploty ozařovaného objektu, jehoý podstatou je, že v ozařovaném objektu nebo na jeho povrchu je umístěno teplotní čidlo spojené s převodníkem teplota - napětí, jehož výstup je přes derivační obvod a vzorkovací obvod spojen s vyhodnocovacím zařízením absorbovaného výkonu, přičemž výstup vyhodnocovacího zařízení absorbovaného výkonu je spojen přes obvod aritmetického součinu s indikátorem absorbované energie.

Výhodou popisovaného zařízení je skutečnost, že pracuje nezávisle na frekvenci absorbovaného elektromagnetického záření. Dovoluje dokonce stanovení absorbovaného výkonu a energie i u jiných druhů neionizujícího záření (například ultrazvuk, laserové záření) za podmínky, že absorbovaná energie se mění v ozařovaném objektu v energii tepelnou a způsobůje jeho měřitelné oteplení.

Zařízení je realizovatelné snadněji a s menšími finančními náklady, nežli zařízení využívající měřiče vysokofrekvenčního výkonu a systém směrových odbočnic. Popisovaná zařízení nevyžaduje primární cejchování známou hodnotou měřené veličiny.

Vynález blíže objasní přiložený výkres, kde je uvedeno blokové schéma zapojení. Zapojení měřiče výkonu a energie neionizujícího záření absorbovaného ve ztrátových prostředích sestává z teplotního čidla 2, umístěného uvnitř nebo na povrchu ozařovaného objektu χ, přičemž teplotní čidlo 2 je spojeno s převodníkem J teplota-napětí, jehož výstup je spojen přes derivační obvod £ a vzorkovací obvod 2 s vyhodnocovacím zařízením £ absorbovaného výkonu.

Vzorkovací obvod £ je spojen s výstupem časovacího obvodu 2· který je spojen rovněž se startovacím vstupem generátoru g záření. Mezi převodník J teplota-napětl a derivační obvod 1 je připojen indikátor g teploty. Na výstup časovacího obvodu 2 je připojen indikátor IQ doby expozice. Elektrický výstup vyhodnocovacího zařízení g absorbovaného výkonu a elektrický výatup indikátoru lg doby expozice jsou spojeny přes obvod H aritmetického součinu s indikátorem 12 absorbované energie.

Popisu funkce měřiče absorbovaného výkonu a energie předchází teoretický rozbor použitého měřícího způsobu. Tento rozbor je následující:

Popisovaný způsob měření je založen na, poznatku, že teplota ozařovaného objektu se mění s Sasem nelineárně, nejdříve narůstá relativně rychle, postupně se nárůst zpomaluje, až dojde k ustálení teploty na hodnotě, při které nastala rovnováha mezi energií přivedenou do objektu ve formě absorbovaného záření a součtem energie odvedené ve formě tepla do okolí s energií akumulovanou ve formě tepla v ozařovaném objektu. Podle zákona o zachování energie platí pro energii:

kde Q_p je % ίθ Q_a je energie přivedená energie odvedená do okolí energie akumulované ve formě tepla v objektu

V dimensi výkonu platí v každém časovém okamžiku:

kde Pp je absorbovaný výkon záření

P_Q je výkon odváděný z ozařovaného objektu do okolí ve formě tepla ?_a Je výkon v daném okamžiku spotřebovaný na nárůst teploty v objektu.

Vyjádření časová závislosti P a P a úpravou nabude vztah tvaru:

O © ^dt1 1 Γ ^dti Pp - m.c. .J = o

Řešením této rovnice je exponenciální funkce, která popisuje časový průběh nárůstu teploty ozařovaného objektu:

t, = p . íl . (i - * sTSTir I p t t kde t, je převýSení teploty ozařovaného objektu nad počáteční teplotu t₀, to jest H t - *o

R^ je teplotní odpor, charakterizující odvod tepla do okolí m je hmotnost ozařovaného objektu t je okamžitá teplota ozařovaného objektu c je měrné teplo ozařovaného objektu e je základ přirozených logaritmů

T je Sas oběhnuvěí od zahájení ozařování

Po derivování předchozího vztahu podle Sasu platí:

d<r dl d*P

-Γ

m.c.R^ •^CA a odtud pro absorbovaný výkon:

V

m.c.R.

Pp = m.c.e .

v okamžiku zahájení ozařování platí:

P = lim <“·<:.dl) =

P 7^.0+ ^d* .c.lim di

Slovně vyjádřeno, je možno výkon záření, absorbovaný ozařovaným objektem určit jako součin hmotnosti objektu, měrného tepla látky, z níž se objekt skládá a rychlosti nárůstu teploty objektu v okamžiku zahájení ozařování.

Měřič absorbovaného výkonu a energie, který využívá pro svou činnost shora odvozeného vztahu pracuje za provozu takto: Teplota ozařovaného objektu χ před započetím ozařování je ustálena na konstantní teplotě t_Q totožné a teplotou okolí. Teplotní čidlo 2 je umístěné na povrchu nebo uvnitř ozařovaného objektu χ. Má relativně malou hmotnost, takže jeho tepelná kapacita nemůže podstatně ovlivnit časový průběh změny teploty objektu při ozařování.

Je konstruováno tak, že samo nereaguje na elektromagnetické zářeni (tj. elektromagneticky stíněno). Reaguje pouze na změnu teploty ozařovaného objektu χ. V okamžiku0 je aktivován časovači obvod 2, který spustí generátor £ elektromagnetického záření a zároveň vyěle krátký vzorkovací impuls do vzorkovacího obvodu 2· ^v témže okamžiku začíná ejtpozice objektu χ a jeho teplota začíná narůstat vlivem absorbované energie. Teplota je snímána teplotním čidlem 2·

Rychlost nárůstu teploty v okamžiku těsně po zahájení expozice je ve shodě s výěe citovaným vzorcem úměrná absorbovanému výkonu. Teplotní čidlo 2 reaguje na změnu teploty změnou některé z elektrických veličin (proud, napětí, odpor).

Zmšnaje zpracována převodníkem J teplota - napětí tak, že na jeho výstupu je napět^ jehož velikost je přímo úměrné teplotě ozařovaného objektu χ. Toto napětí, které nese informaci o časové závislosti teploty objektu X po zahájení ozařování, je derivováno podle času derivačním obvodem 2 a derivované napětí je zpracováno vzorkovacím obvodem 2*

Vzorkovací obvod je aktivován vzorkovacím impulsem z čaaovacího obvodu 2 tak, že sejme hodnotu derivovaného průběhu v okamžiku zahájení expozice. Sejmuté hodnota je zafixována ve vnitřní paměti vzorkovacího obvodu 2 a zpracována vyhodnocovacím zařízením 2 absorbovaného výkonu.

Vyhodnocovací zařízení 2 absorbovaného výkonu obsahuje programovatelný obvod aritmetického součinu (analogový nebo digitální), kterým se provede součin

P = m.c.lim di P Τ*ΰ+ ď?

Konstanty m a c se zadají zvenčí podle látkového složení ozařovaného objektu. Tím se dosáhne toho, že na výstupu vyhodnocovacího zařízení 2 absorbovaného výkonu bude informace odpovífající absorbovanému výkonu, které může být například číselně zobrazena. Indikátor 2 teploty, připojený na výstup převodníku J teplota - napětí, provádí číselné zobrazení okamžité teploty ozařovaného objektu χ.

Indikátor 10 doby expozice zobrazuje číselně čas uplynuvší od započetí expozice. Elektrický výstup vyhodnocovacího zařízení 2 absorbovaného výkonu a elektrický výstup indikátoru 10 doby expozice se aritmeticky násobí v obvodu χχ aritmetického součinu a je číselně zobrazen na indikátoru H, absorbované energie.

V závěru popisu funkce je třeba připomenout, že popisované zařízení umožňuje přede* vším měření lokálních hodnot absorbovaného výkonu a energie. Pojem ozařovaný objekt nemusí být ztotožňován s celkovým objemem ozařovaného vzorku (např. buněčná suspenze v kyvetě, tkáň pokusného zvířete). Ozařovaný objekt ve smyslu shora uvedeného teoretického rozboru může být ztotožněn s vhodně voleným objemovým nebo hmotným elementem ozařovaného vzorku. Přitom velikost tohoto elementu je vymezena právě volbou jeho hmotnosti m. Při volbě m = 1, potom záření měří výkon a energii absorbovanou na jednotku hmotnosti a to v místě, kde je umístěno teplotní čidlo 2*

Claims (2)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Měřič výkonu a energie neionizujícího záření absorbovaného ve ztrátových prostředcích, zejména v biologických objektech na bázi vyhodnocovací časové závislosti nárůstu ozařovaného objektu, vyznačený tím, že v ozařovaném objektu (i) nebo na jeho povrchu je umístěno teplotní čidlo (2) spojené s převodníkem (3) teplota-napětí, jehož výstup je přes derivační obvod (4) a vzorkovací obvod (5) spojen s vyhodnocovacím zařízením (6) absorbovaného výkonu.
2. 2. Měřič podle bodu 1 vyznačený tím, že výstup vyhodnocovacího zařízení (6) absorbovaného výkonu a výstup indikátoru (10) doby expozice jsou spojeny přes obvod (11) aritmetického součinu s indikátorem (12) absorbované energie.