CS251892B1

CS251892B1 - Method of electromagnetic radiation's power measuring absorbed in electrically dissipation medium

Info

Publication number: CS251892B1
Application number: CS853797A
Authority: CS
Inventors: Arnost Sebela
Original assignee: Arnost Sebela
Priority date: 1985-05-27
Filing date: 1985-05-27
Publication date: 1987-08-13
Also published as: CS379785A1

Abstract

Způsob je založen na měření časové závislosti nárůstu teploty ozařovaného objektu. Pro- určení absorbovaného výkonu je využito- skutečnosti, že výkon absorbovaný v ozařovaném objektu je roven součinu hmotnosti objektu, měrného- tepla látky, z níž se objekt skládá, a rychlosti nárůstu teploty objektu v okamžiku zahájení ozařování. Absorbovaný výk-oln se určuje aritmetickým nebo· grafickým výpočtem z naměřeného průběhu tep-loty. Způsob měření je vhodný k vyhodnocení -absorbce výkonu elektromagnetického i jiných druhů neionizujícího záření v biologických a jiných ztrátových prostředcích.The method is based on measuring time dependence temperature increase of the irradiated object. The determination of the absorbed power is The fact that the power absorbed in the irradiated object is equal to the product of the mass object, the specific heat of the substance from which it is object composed, and the rate of temperature rise object at the moment of irradiation. Absorbed the olefin is determined by arithmetic or · a graphical calculation from the measured one temperature. The measurement method is suitable for evaluation -absorption of electromagnetic power and others types of non-ionizing radiation in biological and other loss-making means.

Description

Vynález se týká způsobu měření výkonu elektromagnetického záření, absorbovaného· v elektricky ztrátových prostředích, například. v biologických objektech.The invention relates to a method for measuring the power of electromagnetic radiation absorbed in electrically lossy environments, for example. in biological objects.

Při výzkumu vlivu elektromagnetického záření na biologické objekty, tj. například buněčné suspenze in vitno, tkáně pokusných zvířat a lidí, je třeba stanovit velikost výkonu záření, který je zkoumaným objektem absorbován. V současné době není zmíněná tematika dostatečně propracována a nejsou známy dostatečné univerzální metody stanovení absorbovaných dávek elektromagnetického záření. Dosud známé metody používají jednak náročnou matematikou analýzu elektromagnetického· pole v ozařovaném objektu, přičemž postup řešení je závislý na geometrii a fyzikálních vlastnostech ozařovaného objektu, jednak jsou používány metody založené na měření ztrátnlvého výkonu. Při těchto metodách realizace měřicí aparatury je závislá ha frekvenci použitého elektromagnetického záření. Realizace aparatur v některých částech spektra (například v oblasti mikrovlnJ je značně nákladná a mechanicky náročná, v jiných částech spektra je vůbec těžko proveditelná, nikdy není aparatura dostatečně univerzální. Zmiňované aparatury umožňují větštoou pouze stanovení integrální hodnoty absorbovaného· výklenu na celý ozařovaný objekt, nikoliv stanovení lokálních hodnot.When investigating the effect of electromagnetic radiation on biological objects, such as cell suspensions in vitro, tissues of test animals and humans, it is necessary to determine the magnitude of the radiation output absorbed by the object. At present, the subject is not sufficiently sophisticated and there are no known universal methods of determining absorbed doses of electromagnetic radiation. The prior art methods use both the mathematical analysis of the electromagnetic field in the object to be irradiated, and the procedure is dependent on the geometry and physical properties of the object to be irradiated, and methods based on the measurement of power loss are used. In these methods of realization of the measuring apparatus is dependent on the frequency of used electromagnetic radiation. The realization of apparatuses in some parts of the spectrum (for example in the microwave area is very expensive and mechanically demanding, in other parts of the spectrum it is hardly feasible at all, the apparatus is never sufficiently universal). determination of local values.

Tyto· dosavadní nevýhody odstraňuje způsob měření výkonu elektromagnetického záření absorbovaného v elektricky ztrátových prostředcích, při kterém se vzorek zkoumané látky nebo zkoumaný objekt jako celek podrobuje elektromagnetickému záření, které se v něm absorbuje a vyvolává nárůst teploty, jehož podstatou je, že teplota se snímá a absorbovaný výkon P_pse vyhodnocuje podle vzorce:These previous disadvantages are overcome by a method of measuring the power of electromagnetic radiation absorbed in electrically lossy means by subjecting a sample of the test substance or the object as a whole to electromagnetic radiation absorbed therein and causing a temperature rise which is based on the temperature being sensed; the absorbed power P _p is evaluated according to the formula:

r. ,. , d t ,r.,. , d t,

P„ -= m . c . lim (--), τ-Ο_χ ^dT kde m je hmotnost vzorku zkoumané látky c je měrné teplo zkoumané látky t je okamžitá hodnota teploty ozařované látky τ je čas, měřený od okamžiku zahájení ozařováníP '= m. c. lim (-), τ-Ο _χ ^dT where m is the sample mass of the test substance c is the specific heat of the test substance t is the instantaneous temperature value of the irradiated substance τ is the time measured from the moment of initiation of the irradiation

Výhodou popisovaného způsobu měření je skutečnost, že je nezávislý na frekvenci absorbovaného elektromagnetického záření. Metoda umožňuje realizaci univerzálního· měřicího· zařízení, které je snadněji technicky realizovatelné než u jiných metod měření, a to s menšími náklady. Způsob dovoluje stanovení absorbovaného výkonu i u jiných neionizujících druhů záření, tam, kde absorbovaný výkon se mění inia tepelnou energii, například u ultrazvukového záření a laserového záření. Další výhodou způsobu je to, že výstupní hodnota je dána absolutně, to znamená, že měření nevyžaduje předchozí cejchování známou hodnotou měřené veličiny. Způsob umožňuje stanovení lokálních hodnot absorbovaného· výkonu u větších ozařovaných celků, které mohou být vyjádřeny například formou tak zvaných jednotek SAR, což je výkon absorbovaný na jednotku hmotnosti.An advantage of the described method of measurement is that it is independent of the frequency of absorbed electromagnetic radiation. The method makes it possible to realize a universal measuring device that is more technically feasible than other measuring methods at a lower cost. The method permits the determination of absorbed power for other non-ionizing types of radiation, where the absorbed power varies inia thermal energy, for example, ultrasonic radiation and laser radiation. Another advantage of the method is that the output value is given absolutely, that is, the measurement does not require prior calibration with a known value of the measured quantity. The method makes it possible to determine local values of absorbed power for larger irradiated units, which can be expressed, for example, in the form of so-called SAR units, which is power absorbed per unit weight.

Způsob objasní příklad provedení a jeho matematické zdůvodnění. Zkoumaný objekt, kterým může být větší homogenní ozařovaný celek, například vzorek ozařované buněčné suspenze v kývete, nebo vhodně volený homogenní element většího, i nehojmo·genního celku, například část tkáně ozařovaného zvířete při biologických pokusech, se podrobí elektromagnetickému záření například z generátoru velmi vysokých frekvencí. Působením elektromagnetického záření dojde ve zkoumaném objektu k nárůstu teploty, který je funkcí absorbovaného výkonu. Nárůst teploty se snímá teplotním čidlem, umístěným uvnitř nebo· na povrchu ozařovaného objektu a zaznamenává nlapříklad zapisovačem. Absorbovaný výkon P„ se vyhodnotí podle vzorce:The method will illustrate an exemplary embodiment and its mathematical justification. The object of interest, which may be a larger homogeneous irradiated unit, for example a sample of irradiated cell suspension in a rock, or a suitably selected homogeneous element of a larger, even nonhomogeneous unit, for example a tissue part of an irradiated animal frequencies. The effect of electromagnetic radiation in the object will increase the temperature, which is a function of absorbed power. The temperature increase is sensed by a temperature sensor located inside or on the surface of the object to be irradiated and recorded, for example, by a recorder. The absorbed power P 'is evaluated according to the formula:

idtidt

Pp — m . c . lim (------) n ' drPp - m. c. lim (------) n

Vzorek bude dále matematicky zdůvodněn podle uvedených předpokladů:Further, the sample will be mathematically justified according to the following assumptions:

Teplotu uvnitř ozařovaného objektu je micáoo vzhledem k vhodné volbě velikosti ozařovaného objektu a jeho teplotní vodivosti považovat za vyrovnanou v celém jeho objemu, v každém okamžiku průběhu ozařcvání.The temperature inside the object to be irradiated is considered to be equal throughout its volume, at any point in the course of the irradiation, given the appropriate choice of the size of the object to be irradiated and its thermal conductivity.

Teplota ozařovaného objektu před zahájením ozařování je ustálena na hodnotě t₀, tj. nemění se působením jiných vlivů a je shodná s teplotou okolí objektu.The temperature of the irradiated object before the irradiation is stabilized at t ₀ , ie it does not change due to other influences and is the same as the ambient temperature of the object.

Teplotní čidlo je konstruováno tak, že jeho· hmotnost je relativně malá vůči hmotnosti ozařovaného objektu, takže jeho tepelná kapacita nemůže podstatně ovlivnit časový průběh změny teploty ozařozaného objektu v průběhu ozařování.The temperature sensor is designed such that its weight is relatively small relative to the weight of the irradiated object, so that its heat capacity cannot substantially affect the time course of the temperature change of the irradiated object during irradiation.

Popisovaný způsob měření je založen na poznatku, že teplota ozařovaného objektu se mění s časem 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 akumuloivanou ve formě tepla v ozařovaném objektu. Podle zákona o zachování energie platí pro energii:The described method of measurement is based on the finding that the temperature of the irradiated object varies with time non-linearly, first it grows relatively quickly, gradually the growth slows down until the temperature stabilizes at a value at which the energy supplied to the object in the form of absorbed radiation and the sum of the energy dissipated in the form of heat to the environment with the energy accumulated in the form of heat in the irradiated object. Under the Energy Conservation Act, the following applies to energy:

Qp ~ Qo + Qa, kdeQp ~ Qo + Qa, where

Q_p je energie přivedenáQ _p is the energy supplied

Q_o je energie odvedená do· okolíQ _o is the energy transferred to the environment

Q_a je energie akumulovaná ve farmě tepla v objektu a odtud pro absorbovaný výkon:Q _a is the energy stored in the building's heat farm and from there for absorbed power:

dt drdt dr

V dimenzi výkonu platí v každém časovém okamžikuThe performance dimension applies at every point in time

Pp = P„ + P_a kdePp = Pn + P _and where

P_p je absoirbovaný výkon zářeníP _p is the absorbed radiation power

P_o je výkon odváděný z ozařovaného objektu do okolí ve formě tepla,P _o is the power dissipated from the irradiated object into the environment in the form of heat,

P_a je výkon v daném okamžiku spotřebovaný na nárůst teploty objektuP _a is the power used at any given time to increase the temperature of the object

Vyjádřením časové závislosti bývá vztah tvaru:Expression of time dependence is usually the relation of the form:

P„ a P_a nadti drP 'and P _and moreover dr

dti drdti dr

Řešením tét)o rovnice je exponenciální funkce, která popisuje časový průběh nárůstu teploty ozařovaného objektu:The solution of these equations is an exponential function that describes the time course of temperature increase of the irradiated object:

ti = P_p . R, . (1 - e ^m · ^c · ^Rt ) kde ti je převýšení teploty ozařovaného· objektu nad počáteční teplotu t₀, to jest ti = = t — t„ti = P _p . R,. (1 - e ^m · ^c · ^Rt ) where ti is the temperature rise of the irradiated object above the initial temperature t ₀ , ie ti = = t - t „

R_t je teplotní odpor, charakterizující odvod tepla do okolí m je hmotnost ozařovaného¹ objektu t je okamžitá teplota ozařovaného' objektu c je měrné teplo· ozařovaného objektu e je základ přirozených logaritmů r je čas uběhnuvší od zahájení ozařováníR _t is the temperature resistance, characterizing heat dissipation to the surroundings m is the mass of the irradiated object ¹ t is the instantaneous temperature of the irradiated object c is the specific heat · irradiated object e is the basis of natural logarithms r is time elapsed

Po derivování předchozího vztahu podle času platíAfter derivation of the previous relationship by time applies

V okamžiku zahájení ozařování pak platí:At the moment of initiation of irradiation:

Pp = lim (m . c . --J = m . c . lim -r~*O_x ^dT r-*O_x ^dT Pp = lim (m. C. --J = m. C. Lim -r ~ * O _x ^dT r- * O _x ^dT

Slovně vyjádřeno, je možno výkon záření, absorbovaný ozařovaným objektem vypočítat jako součin hmotnosti objektu, měrného tepla látky, z níž se objekt skládá a rychlostí nárůstu teploty objektu v okamžiku zahájení ozařování.In words, the radiation power absorbed by the irradiated object can be calculated as the product of the weight of the object, the specific heat of the substance of which the object is composed and the rate of temperature increase of the object at the time of irradiation.

Dále je uveden příklad provedení při praktickém vyhodnocení výsledků měření podle popisovaného· způsobu.The following is an exemplary embodiment for the practical evaluation of measurement results according to the method described.

Po úpravě shora uvedených vztahů platí: 1 tát _ l Pp ^T_ ln _i — *n τι dr . in . c m . c . R_t což je rovnice přímky semilicigaritmiických souřadnicích.After adjusting the above relations, the following applies: 1 melt _ l Pp ^T _ ln _i - * n τι dr. in. cm. c. R _t which is the equation of the line of semilicigarithmic coordinates.

Při vyhodnocení absorbovaného výkonu se změřená závislost teplloty ozařovaného objektu na čase zobrazí graficky v lineárních souřadnicích a provede se její grafická derivace. Dostatečný počet bodů derivované křivky se převede doi semiliogaritmických souřadnic (r na ose x, l_n^— na ose ατ y a proloží se jimi přímka. Průsečík této přímky s osou y potom udává hodnotu l_n When evaluating the absorbed power, the measured temperature dependence of the irradiated object over time is displayed graphically in linear coordinates and its graphical derivation is performed. The sufficient number of points of the derived curve is converted into i semiliogarithmic coordinates (r on x, l _n ^ - on the ατ y axis and they are intersected by a line. Then the intersection of this line with the y axis gives the value l _n

P —^p ~ , ze které se provede algebraický výpočet absorbovaného výkonu P_p.P - ^p - from which the algebraic calculation of absorbed power P _p is performed.

Jiná mtožmost vyhodnocení absorbovaného výkonu, měřeného podle popisovaného způsobu, která se nabízí, je využití vazby měřicí aparatury se samočinným počítačem.Another possibility of evaluating the absorbed power, measured according to the described method, is to utilize the coupling of the measuring apparatus to the automatic computer.

dh ₌ dt e_ dr dr ^p ' ¹ ' m . c . R_t dh ₌ dt e_ dr dr ^p ' ¹ ' m. c. R _t

Claims

Method for measuring absorbed power of electromagnetic radiation in electrically lossy environments, in which a sample of a test substance or a test object as a whole is subjected to electromagnetic radiation absorbed therein and causing a temperature rise, characterized in that the temperature is sensed and the absorbed power P _p is evaluated according to the formula

P _p - m. c. lim -)

Ιτ-Ό ,. ' ^ck >

where m is the mass of the irradiated substance sample c is the specific heat · of the substance to be examined t is the instantaneous temperature value of the irradiated substance τ is the time measured from the moment of irradiation.