RU2076752C1

RU2076752C1 - Electromagnetic apparatus

Info

Publication number: RU2076752C1
Application number: RU94007662A
Authority: RU
Inventors: А.Б. Орлов; В.И. Степаненко
Original assignee: Московский государственный авиационный институт
Priority date: 1994-03-05
Filing date: 1994-03-05
Publication date: 1997-04-10
Also published as: RU94007662A

Abstract

FIELD: radiotherapy, in particular, self-adjusted wide-band electromagnetic applicators, can find application in microwave hyperpyrexia and microwave radiometry for therapeutic and diagnostic purposes. SUBSTANCE: electromagnetic apparatus uses microwave energy generator 1 connected via transmission line 2 to microbandpass exciter 3 made in the form of a disk installed on the end face of hollow sealed dielectric cylinder 4, whose other end is installed on internal metal wall 5 and connected to two branch pipes 6 for circulation of coolant; made in external metal wall 7 is radiator 8 in the form of an iris diaphragm consisting of a set of metal arched plates 9; each of these plates is furnished with driven (10) and axial (11) pins, and rotary ring 12 with radial slots 13 for driven pins 10, the ring is installed for rotation in external wall 7 furnished with holes 14 for axial pins 11. EFFECT: reduced frequency dependence of reflection factor of radiating aperture on the contact surface of biologic tissue; reduced probability of surface burn at hyperpyrexia. 3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области лучевой терапии, в частности к самонастраивающимся широкодиапазонным электромагнитным аппликаторам, и может найти применение в СВЧ-гипертермии и СВЧ-радиотермии для лечебных и диагностических целей или при работе с мелкими лабораторными животными для исследования воздействия СВЧ-энергии на живой организм и обеспечивает повышение эффективности воздействия электромагнитного излучения и повышение электромагнитной безопасности облучения за счет высокого уровня согласования излучающей апертуры электромагнитного аппликатора на любой фиксированной частоте в пределах диапазона его рабочих частот. The invention relates to the field of radiation therapy, in particular to self-adjusting wide-range electromagnetic applicators, and may find application in microwave hyperthermia and microwave radiothermy for medical and diagnostic purposes or when working with small laboratory animals to study the effects of microwave energy on a living organism increasing the efficiency of exposure to electromagnetic radiation and increasing the electromagnetic safety of exposure due to the high level of coordination of the radiating aperture of the electron a magnetic applicator at any fixed frequency within the range of its operating frequencies.

Известна конструкция электромагнитного аппликатора (1), содержащая излучающие апертуры, выполненные в виде волноводных секций, заполненных диэлектриком с малыми потерями и большой диэлектрической проницаемостью. Данный электромагнитный аппликатор, работая в достаточно широком диапазоне частот, не может обеспечить в этом диапазоне эффективного согласования излучающих апертур с биологической тканью (согласование имеет место только на некоторой фиксированной частоте), в связи с чем не достигается эффективный локальный прогрев области (объема) биологической ткани на заданной глубине или поверхности и тем самым увеличивается вероятность поверхностного ожога при гипертермии, возможность нежелательного электромагнитного облучения соседних от области участков биологической ткани, а также не обеспечивается достоверность результатов при исследовании влияния электромагнитного излучения на живые ткани. Эти недостатки связаны с тем, что размеры апертуры аппликатора имеют фиксированные значения, а физико-химические свойства биологической ткани колеблются в широких пределах, при этом диэлектрическая проницаемость является величиной тензорной. В конструкции отсутствуют широкополосные элементы подстройки. A known design of the electromagnetic applicator (1), containing radiating apertures made in the form of waveguide sections filled with a dielectric with low losses and high dielectric constant. This electromagnetic applicator, working in a rather wide range of frequencies, cannot provide effective matching of radiating apertures with biological tissue in this range (matching takes place only at a certain fixed frequency), and therefore, effective local heating of the biological tissue region (volume) is not achieved at a given depth or surface, and thereby increases the likelihood of a superficial burn with hyperthermia, the possibility of unwanted electromagnetic radiation from neighboring Asti portions of biological tissue, and are not provided reliable results in the study of the influence of electromagnetic radiation on living tissue. These shortcomings are connected with the fact that the dimensions of the aperture of the applicator have fixed values, and the physicochemical properties of biological tissue vary widely, while the dielectric constant is a tensor value. The design lacks broadband tuning elements.

Известна конструкция электромагнитного аппарата (2), содержащая ряд самостоятельных волноводных аппликаторов, снабженных устройствами регулирования положения, которые через распределительное устройство связаны с источником электромагнитной энергии, выполненном на генераторе качающейся частоты. Известный электромагнитный аппарат обеспечивает относительно равномерный прогрев объема биологической ткани со сложной формой границы контура и со сложным неоднородным распределением физико-химических свойств ткани по объему, за счет формирования необходимого закона частотного облучения, являющегося функцией распределения физико-химических свойств ткани по объему. Однако раскрывы электромагнитных аппликаторов аппарата, т.е. излучающие апертуры, работая в достаточно широком диапазоне частот, являются согласованными только на некоторой фиксированной частоте со своими облучаемыми объемами или участками биологической ткани, поэтому имеет место высокая вероятность поверхностного ожога при гипертермии, а также возможность нежелательного облучения электромагнитным полем здоровых участков биологической ткани. A known design of the electromagnetic apparatus (2), containing a number of independent waveguide applicators equipped with position control devices, which through a switchgear are connected to a source of electromagnetic energy made on a oscillating frequency generator. The known electromagnetic apparatus provides relatively uniform heating of the volume of biological tissue with a complex shape of the contour boundary and with a complex inhomogeneous distribution of the physicochemical properties of the tissue by volume, due to the formation of the necessary law of frequency exposure, which is a function of the distribution of physicochemical properties of the tissue by volume. However, the openings of the electromagnetic applicators of the apparatus, i.e. Emitting apertures, operating in a fairly wide frequency range, are consistent only at a certain fixed frequency with their irradiated volumes or areas of biological tissue, therefore there is a high probability of surface burn with hyperthermia, as well as the possibility of unwanted exposure of healthy areas of biological tissue to the electromagnetic field.

Известна конструкция электромагнитного аппарата (3), содержащая излучатель, выполненный в форме круглого отверстия, прорезанного в внешнем металлическом экране, под которым расположен микрополосковый возбудитель, установленный на торец полого герметичного диэлектрического цилиндра, другой торец которого установлен на внутренней металлический экран и соединен с двумяпа трубками для циркуляции охлаждающей жидкости. Круглое отверстие является раскрывом антенны, непосредственно соприкасающееся с биологической тканью. Циркуляция охлаждающей жидкости необходима для избежания поверхностного ожога при гипертермии. A known design of an electromagnetic apparatus (3), comprising a radiator made in the form of a circular hole cut in an external metal screen, under which there is a microstrip exciter mounted on the end face of a hollow sealed dielectric cylinder, the other end of which is mounted on an internal metal screen and connected to two pipes for circulating coolant. The round hole is the opening of the antenna, directly in contact with biological tissue. Coolant circulation is necessary to avoid superficial burns during hyperthermia.

Недостатками известного технического решения являются невысокая эффективность воздействия электромагнитного облучения, формируемого аппликаторами, биологической ткани со сложной формой границы контура, расположенной на определенной глубине и со сложным законом распределения физико-химических свойств по объему ткани, а также невысокая электромагнитная безопасность электромагнитного аппарата. Это объясняется тем, что на границе соприкосновения излучающих апеpтур электромагнитных аппликаторов с биологической тканью имеют место отраженные волны, т.е. коэффициент отражения не равен нулю, поскольку диэлектрическая проницаемость биологической ткани является величиной комплексной, зависящей от физико-химических свойств ткани, а согласование может быть только на некоторой фиксированной частоте. Режим использования электромагнитного аппликатора является работа излучающей апертуры в ближней зоне в несогласованном режиме, т.е. имеют место отраженные волны со значительной амплитудой и случайной фазой, что приводит к изменению резонансной частоты излучающей апертуры, затягиванию частоты генератора, в свою очередь требует использования дополнительных развязывающих элементов; несогласование излучающей апертуры с биологической тканью приводит к необходимости повышения уровня мощности генератора для достижения необходимого результата, вследствие этого возникают нежелательные побочные явления, а именно облучение или прогрев близлежащих к облучаемой области тканей, значительному увеличению температуры контактируемой поверхности биологической ткани и соответственно к поверхностному ожогу при гипертермии и, следовательно, к необходимости повышения интенсивности охлаждения. The disadvantages of the known technical solution are the low efficiency of exposure to electromagnetic radiation generated by the applicators of biological tissue with a complex shape of the contour boundary located at a certain depth and with a complex law of distribution of physicochemical properties over the volume of tissue, as well as low electromagnetic safety of the electromagnetic apparatus. This is explained by the fact that reflected waves occur at the interface between the emitting apertures of the electromagnetic applicators and biological tissue, i.e. the reflection coefficient is not equal to zero, since the dielectric constant of biological tissue is complex, depending on the physicochemical properties of the tissue, and matching can only be at some fixed frequency. The mode of use of the electromagnetic applicator is the operation of the radiating aperture in the near zone in an inconsistent mode, i.e. there are reflected waves with significant amplitude and random phase, which leads to a change in the resonant frequency of the radiating aperture, delaying the frequency of the generator, in turn, requires the use of additional decoupling elements; the mismatch of the radiating aperture with the biological tissue leads to the need to increase the power level of the generator to achieve the desired result, as a result of this there are undesirable side effects, namely irradiation or heating of tissues adjacent to the irradiated region, a significant increase in the temperature of the contact surface of the biological tissue and, accordingly, to surface burns with hyperthermia and, therefore, to the need to increase the cooling intensity.

Предложенный электромагнитный аппарат, содержащий генератор СВЧ-энергии, соединенный отрезком линии передачи с микрополосковым возбудителем, установленным на торец герметичного диэлектрического цилиндра, другой торец которого соединен с двумя патрубками для циркуляции охлаждающей жидкости и установлен на внутренний металлический экран, с противоположной стороны микрополоскового возбудителя размещен внешний металлический экран с излучателем, выполненным в форме круглого отверстия, при этом генератор СВЧ-энергии выполнен с возможностью изменения частоты излучения, круглое отверстие излучателя выполнено в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин, каждая из которых снабжена ведомым и осевым штифтами, и поворотного кольца с радиальными прорезями под ведомые штифты, которое установлено с возможностью вращения во внешнем металлическом экране, снабженном отверстиями под осевые штифты, причем микрополосковый возбудитель выполнен в форме диска, а отрезок линии передачи выполнен на основе коаксиальной линии и установлен перпендикулярно микрополосковому возбудителю, при этом центральный проводник коаксиальной линии гальванически соединен с ним, а внешний проводник коаксиальной линии гальванически соединен с внутренним металлическим экраном. The proposed electromagnetic apparatus containing a microwave energy generator connected by a transmission line segment with a microstrip exciter mounted on the end face of a sealed dielectric cylinder, the other end of which is connected to two nozzles for cooling fluid circulation and mounted on an internal metal screen, an external microstrip exciter is placed a metal screen with a radiator made in the form of a round hole, while the microwave energy generator is made with possible In order to change the radiation frequency, the round hole of the emitter is made in the form of an iris diaphragm consisting of a set of metal arcuate plates, each of which is equipped with driven and axial pins, and a rotary ring with radial slots under the driven pins, which is mounted to rotate in an external metal screen, equipped with holes for axial pins, moreover, the microstrip pathogen is made in the form of a disk, and the length of the transmission line is made on the basis of a coaxial line and perpend circularly to the microstrip pathogen, the central conductor of the coaxial line being galvanically connected to it, and the outer conductor of the coaxial line being galvanically connected to the inner metal shield.

Технический результат изобретения выражается в уменьшении частотной зависимости коэффициента отражения излучающей апертуры электромагнитного аппликатора от контактируемой поверхности облучаемой биологической ткани пpи одновременном уменьшении вероятности поверхностного гипертермического ожога и увеличении электромагнитной безопасности для биологического объекта в целом. The technical result of the invention is expressed in a decrease in the frequency dependence of the reflection coefficient of the radiating aperture of the electromagnetic applicator on the contact surface of the irradiated biological tissue while reducing the likelihood of surface hyperthermic burn and increasing electromagnetic safety for the biological object as a whole.

Для улучшения эксплуатационных возможностей электромагнитного аппликатора за счет электромеханической перестройки диаметра излучающего отверстия с управлением через электронный коммутатор при одновременном исключении присутствия обслуживающего персонала в зоне СВЧ-излучения в период перестройки, между внешним металлическим экраном и поворотным кольцом установлен исполнительный элемент, выполненный в виде металлического хомута, охватывающего поворотное кольцо, связанное с внешним металлическим экраном через элементы, передающие от устройства управления на концы хомута синхронные встречно направленные и разные по амплитуде электрические колебания. To improve the operational capabilities of the electromagnetic applicator due to the electromechanical adjustment of the diameter of the emitting hole controlled by an electronic switch while excluding the presence of maintenance personnel in the microwave radiation zone during the adjustment period, an actuator made in the form of a metal clamp is installed between the external metal screen and the rotary ring, enclosing a rotary ring connected to an external metal screen through elements transmitting ie from the control device on the clamp ends of the synchronous opposite directions and different electrical fluctuations in amplitude.

Для обеспечения автоматического согласования (уменьшения коэффициента отражения) излучающей апертуры электромагнитного аппликатора с облучаемой биологической тканью, повышения точности определения физико-химического состава биологической ткани при диагностировании при одновременном уменьшении уровня излучаемой аппликатором СВЧ-мощности и использовании компьютерной системы обработки и управления аппликатором в разрыв отрезка линии передачи, соединяющий генератор СВЧ-энергии с микрополосковым возбудителем, включено согласующее устройство, содержащее последовательно соединенные датчик модуля, датчик фазы и блок сопряжения, который содержит перестраиваемые реактивные элементы соответственно последовательной и параллельной ветвей, причем параллельно перестраиваемому реактивному элементу последовательной ветви подключен датчик разности напряжений, выход которого подключен к первому входу блоку управления, при этом устройство содержит первый и второй исполнительные блоки, выходы которых подключены к перестраиваемым реактивным элементам последовательной и параллельной ветвей соответственно, первый выход блока управления подключен ко входу второго исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента параллельной ветви, а второй выход датчика фазы подключен ко входу первого исполнительного блока перестраиваемого реактивного элемента последовательной ветви и второму входу блока управления, третий вход блока управления подключен к второму выходу датчика модуля, при этом второй выход блока управления подключен к устройству управления. To ensure automatic matching (reduction of the reflection coefficient) of the radiating aperture of the electromagnetic applicator with the irradiated biological tissue, to increase the accuracy of determining the physicochemical composition of biological tissue during diagnosis while reducing the level of microwave power emitted by the applicator and using a computer system for processing and controlling the applicator to break the line segment the transmission connecting the microwave energy generator with the microstrip exciter is included as appropriate a device containing a series-connected sensor of the module, a phase sensor and an interface unit, which contains tunable reactive elements of respectively serial and parallel branches, and a voltage difference sensor connected to the tunable reactive element of the serial branch, the output of which is connected to the first input of the control unit, while the device contains the first and second actuating units, the outputs of which are connected to tunable reactive elements of the serial and parallel branches, respectively, the first output of the control unit is connected to the input of the second actuator unit of the tunable reactive element of the parallel branch, and the second output of the phase sensor is connected to the input of the first actuator unit of the tunable reactive element of the serial branch and the second input of the control unit, the third input of the control unit is connected to the second the output of the sensor module, while the second output of the control unit is connected to the control device.

На фиг.1 изображена конструкция электромагнитного аппликатора, на фиг.2
конструкция ирисовой диафрагмы с поворотным кольцом, на фиг.3 схема узла поворотного кольца с металлическим хомутом; на фиг.4 функциональная блок-схема самонастраивающегося управляемого согласующего устройства.Figure 1 shows the design of the electromagnetic applicator, figure 2
design of an iris diaphragm with a rotary ring; Fig. 3 diagram of a knot of a rotary ring with a metal clamp; 4 is a functional block diagram of a self-adjusting controlled matching device.

Электромагнитный аппарат (фиг.1 и 2) содержит генератор 1 СВЧ-энергии, соединенный отрезком линии передачи 2 с микрополосковым возбудителем 3, установленным на торец полого герметичного диэлектрического цилиндра 4, другой торец которого установлен на внутренний металлический экран 5 и соединен с двумя патрубками 6 для циркуляции охлаждающей жидкости, во внешнем металлическом экране 7 микрополоскового возбудителя 3 выполнен излучатель 8 в форме круглого отверстия. Круглое отверстие излучателя 8 выполнено в виде ирисовой диафрагмы, состоящей из набора металлических дугообразных пластин 9, каждая из которых снабжена ведомым 10 и осевым 11 штифтами, и поворотного кольца 12 с радиальными прорезями 13 под ведомые штифты 10, которое установлено с возможностью вращения во внешнем металлическом экране 7, снабженным отверстиями 14 под осевые штифты 11, причем микрополосковый возбудитель 3 выполнен в форме диска, а отрезок линии передачи 2 выполнен на основе коаксиальной линии и установлен перпендикулярно микрополосковому возбудителю 3, при этом центральный проводник 15 гальванически соединен с ним, а внешний проводник 16 гальванически соединен с внутренним металлическим экраном 5. The electromagnetic apparatus (FIGS. 1 and 2) contains a microwave energy generator 1 connected by a segment of a transmission line 2 with a microstrip exciter 3 mounted on the end face of a hollow sealed dielectric cylinder 4, the other end of which is mounted on an internal metal screen 5 and connected to two nozzles 6 for the circulation of coolant in the external metal screen 7 of the microstrip pathogen 3 is made emitter 8 in the form of a round hole. The round hole of the emitter 8 is made in the form of an iris diaphragm, consisting of a set of metal arcuate plates 9, each of which is equipped with a driven 10 and axial 11 pins, and a rotary ring 12 with radial slots 13 under the driven pins 10, which is mounted for rotation in an external metal a screen 7 provided with holes 14 for axial pins 11, and the microstrip pathogen 3 is made in the form of a disk, and the length of the transmission line 2 is made on the basis of a coaxial line and is installed perpendicular to the micro the pathogen 3, while the Central conductor 15 is galvanically connected to it, and the outer conductor 16 is galvanically connected to the inner metal screen 5.

В электромагнитном аппарате (фиг.3) между внешним металлическим экраном 7 и поворотным кольцом 12 установлен исполнительный элемент 17, выполненный в виде металлического хомута, охватывающего поворотное кольцо 12, связанного с внешним металлическим экраном 7 через контактные элементы 18, передающие от устройства управления 19 на концы 20 исполнительного элемента 17 синхронно встречно направленные и разные по амплитуде колебания. In the electromagnetic apparatus (Fig. 3), between the external metal screen 7 and the rotary ring 12, an actuating element 17 is installed, made in the form of a metal clamp covering the rotary ring 12, connected to the external metal screen 7 through contact elements 18, which transmit from the control device 19 to the ends 20 of the actuating element 17 are synchronously counter-directed and oscillations of different amplitude.

В электромагнитный аппарат (фиг.4) в разрыв отрезка коаксиальной линии передачи 2, соединяющей генератор 1 электромагнитной энергии с микрополосковым возбудителем 3, включено согласующее устройство, содержащее последовательно соединенные датчик модуля 21, датчик фазы 22 и блок сопряжения 23, который содержит перестраиваемые реактивные элементы 24 и 25 соответственно последовательной и параллельной ветвей, параллельно перестраиваемому реактивному элементу 24 последовательной ветви подключен датчик 26 разности напряжений, выход 27 которого подключен к первому входу 28 блока управления 29, устройство содержит первый и второй исполнительный блоки 30 и 31 соответственно, выходы 32 и 33 которых подключены к перестраиваемым реактивным элементам 24 и 25 последовательной и параллельной ветвям соответственно, первый выход 34 блока управления 29 подключен ко входу 35 второго исполнительного блока 31 перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви, второй выход 36 датчика фазы 22 подключен ко входу 37 первого исполнительного блока 30 перестраиваемого элемента 24 последовательной ветви и второму входу 41 блока управления 29, третий вход 38 блока управления 29 подключен к второму выходу 39 датчика модуля 21, второй выход 40 блока управления 29 подключен к устройству управления 19. In the electromagnetic apparatus (Fig. 4), in the gap of the segment of the coaxial transmission line 2 connecting the electromagnetic energy generator 1 with the microstrip exciter 3, a matching device is included containing the sensor module 21 in series, the phase sensor 22 and the interface unit 23, which contains tunable reactive elements 24 and 25, respectively, of the serial and parallel branches, parallel to the tunable reactive element 24 of the serial branch, a voltage difference sensor 26 is connected, the output 27 of which is It is connected to the first input 28 of the control unit 29, the device contains the first and second actuating units 30 and 31, respectively, the outputs 32 and 33 of which are connected to the tunable reactive elements 24 and 25 of the serial and parallel branches, respectively, the first output 34 of the control unit 29 is connected to the input 35 the second actuating unit 31 of the tunable reactive element 25 of the parallel branch, the second output 36 of the phase sensor 22 is connected to the input 37 of the first actuating unit 30 of the tunable element 24 of the serial branch and in oromu input 41 of control unit 29, a third input 38 of the control unit 29 is connected to the second output 39 of the sensor unit 21, the second output 40 of the control unit 29 is connected to a control device 19.

Электромагнитный аппарат работает следующим образом. The electromagnetic apparatus operates as follows.

СВЧ-энергия от генератора 1 через отрезок коаксиальной линии передачи 2 поступает на дисковый микрополосковый возбудитель 3, возбуждает его, и возбужденная энергия излучается через излучатель 8, выполненный в виде круглого отверстия, который непосредственно соприкасается с биологической тканью. Охлаждение поверхности биологической ткани с целью избежания поверхностного ожога при гипертермии происходит по двум патрубкам 6, один из которых входной, а другой выходной, в герметичном диэлектрическом цилиндре 4 осуществляется циркуляция охлаждающей жидкости, в частности воды. Microwave energy from the generator 1 through a segment of the coaxial transmission line 2 is supplied to the disk microstrip exciter 3, excites it, and the excited energy is emitted through the emitter 8, made in the form of a round hole that is in direct contact with biological tissue. The cooling of the surface of biological tissue in order to avoid superficial burns during hyperthermia occurs through two nozzles 6, one of which is the inlet and the other outlet, in the sealed dielectric cylinder 4, the cooling fluid, in particular water, is circulated.

Коэффициент отражения от границы соприкосновения излучающего отверстия 8 аппликатора с биологической тканью является величиной частотно-зависимой, на модуль и фазу которого в свою очередь влияют эффективная диэлектрическая проницаемость подложки микрополоскового возбудителя 3ε_эфф, комплексная диэлектрическая проницаемость биологической ткани

. Оптимальный диаметр излучающего отверстия 8 аппликатора, функционально зависящий от трех параметров f, ε_эфф, ε

\binom{*}{m}

, определяется следующей формулой, также присущей и прототипу:

где f (ГГц), D (мм).The reflection coefficient from the boundary of the contact of the emitting hole 8 of the applicator with the biological tissue is a frequency-dependent quantity, the module and phase of which in turn are affected by the effective dielectric constant of the substrate of the microstrip pathogen 3ε _eff , the complex dielectric constant of the biological tissue

. The optimal diameter of the radiating hole 8 of the applicator, functionally dependent on three parameters f, ε _eff , ε

\binom{*}{m}

is determined by the following formula, also inherent in the prototype:

where f (GHz), D (mm).

Круглое излучающее отверстие 8 выполнено в виде ирисовой диафрагмы. При вращении поворотного кольца 12 с радиальными прорезями 13, в которые входят ведомые штифты 10, происходит смещение пластин 9 в радиальном направлении в зависимости от требуемого диаметра излучающего отверстия 8. The round radiating hole 8 is made in the form of an iris diaphragm. When the rotary ring 12 is rotated with radial slots 13, which include the driven pins 10, the plates 9 are displaced in the radial direction, depending on the required diameter of the radiating hole 8.

Изменяя частоту генератора 1 и варьируя диаметром излучающего отверстия 8, добиваются уменьшения коэффициента отражения от границы соприкосновения с биологической тканью. Таким образом, наличие двух степеней свободы регулирования параметров аппликатора позволяет уменьшить частотную зависимость коэффициента отражения излучающей апертуры электромагнитного аппликатора от контактируемой поверхности облучаемой биологической ткани и одновременно уменьшить вероятность поверхностного гипертермического ожога и увеличение электромагнитной безопасности для биологического объекта в целом. By changing the frequency of the generator 1 and varying the diameter of the radiating hole 8, they achieve a decrease in the reflection coefficient from the boundary of contact with biological tissue. Thus, the presence of two degrees of freedom in regulating the parameters of the applicator allows one to reduce the frequency dependence of the reflection coefficient of the radiating aperture of the electromagnetic applicator on the contact surface of the irradiated biological tissue and at the same time reduce the likelihood of surface hyperthermic burn and increase electromagnetic safety for the biological object as a whole.

Электромеханическое регулирование диаметра излучающего отверстия 8 происходит за счет подачи с устройства управления 19, выполненного, например, на основе электрического коммутатора на базе триггера, на контактные элементы 18, выполненные, например, на основе пьезоэлементов, синхронные встречно направленные и разные по амплитуде электрические колебания соответственно. Когда под действием амплитуды электрического колебания пьезоэлементы 18 удлиняются, концы хомута 17 сближаются, он плотно охватывает поворотное кольцо 12 и вместе с ним поворачивается на небольшой угол. Удлинение пьезоэлемента 18 определяется величиной амплитуды электрического колебания, т.е. один пьезоэлемент 18 с большей поданной на него амплитудой электрического колебания удлиняется больше, а другой пьезоэлемент 18 с поданной синхронно на него меньшей амплитудой электрического колебания удлиняется меньше, что и определяет направление вращения поворотного кольца 12, а это соответствует увеличению или уменьшению диаметра излучающего отверстия 8. При укорочении пьезоэлементов 18, а это происходит, когда электрические колебания сняты с них, концы хомута 17 расходятся, хомут разжимается и возвращается в исходное положение, освобождая при этом поворотное кольцо 12. Затем цикл повторяется. Для изменения направления вращения поворотного кольца 12 необходимо поменять местами амплитуды электрических колебаний, подаваемых на пьезоэлементы 18. Таким образом, электромеханическая перестройка диаметра излучающего отверстия 8 электромагнитного аппарата с управлением через электрический коммутатор 19 улучшает эксплуатационные возможности и одновременно исключает присутствие обслуживающего персонала в зоне СВЧ-излучения в период перестройки, а также возможность осуществлять компьютерную перестройку режимов работы электромагнитного аппарата. The electromechanical regulation of the diameter of the emitting hole 8 occurs due to the supply from the control device 19, made, for example, on the basis of an electric switch based on a trigger, to contact elements 18, made, for example, on the basis of piezoelectric elements, synchronous opposite directions and electric oscillations of different amplitudes, respectively . When, under the influence of the amplitude of electric oscillations, the piezoelectric elements 18 lengthen, the ends of the clamp 17 come closer, it tightly covers the rotary ring 12 and with it rotates by a small angle. The elongation of the piezoelectric element 18 is determined by the magnitude of the amplitude of the electric oscillation, i.e. one piezoelectric element 18 with a larger amplitude of electric oscillation applied to it is lengthened longer, and another piezoelectric element 18 with a smaller amplitude of electric oscillation applied simultaneously to it is lengthened less, which determines the direction of rotation of the rotary ring 12, and this corresponds to an increase or decrease in the diameter of the radiating hole 8. When shortening the piezoelectric elements 18, and this happens when the electrical vibrations are removed from them, the ends of the clamp 17 diverge, the clamp is unclenched and returns to its original position, freeing while waiting for the rotary ring 12. Then the cycle repeats. To change the direction of rotation of the rotary ring 12, it is necessary to interchange the amplitudes of the electrical vibrations supplied to the piezoelectric elements 18. Thus, the electromechanical adjustment of the diameter of the radiating hole 8 of the electromagnetic apparatus controlled by the electrical switch 19 improves operational capabilities and simultaneously eliminates the presence of maintenance personnel in the microwave radiation zone during the period of adjustment, as well as the ability to carry out computer adjustment of the operating modes of the electromagnet total apparatus.

При включении согласующего устройства электромагнитный аппарат работает следующим образом. When you turn on the matching device, the electromagnetic apparatus operates as follows.

Сигнал от генератора 1 СВЧ-энергии поступает на вход согласующего устройства, т. е. на вход датчика модуля 21, а с выхода согласующего устройства, т. е. с перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви, СВЧ-энергия поступает на микрополосковый возбудитель 3, электромагнитно связанный с излучателем 8. Одновременно на перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви поступает отраженная от апертуры излучателя 8 электромагнитная энергия. The signal from the microwave energy generator 1 is fed to the input of the matching device, i.e., to the input of the sensor module 21, and from the output of the matching device, i.e., from the tunable reactive element 25 of the parallel branch, the microwave energy is supplied to the microstrip exciter 3, electromagnetically connected to the emitter 8. At the same time, the tunable reactive element 25 of the parallel branch receives electromagnetic energy reflected from the aperture of the emitter 8.

В начале настройки согласующее устройство может находиться в одном из двух состояний: в области сходимости или в области несходимости. At the beginning of the setup, the matching device can be in one of two states: in the region of convergence or in the region of convergence.

Если фазовый сдвиг на выходе согласующего устройства положительный (Φ≥ 0), то устройство находится в области сходимости. Если фазовый сдвиг на выходе отрицательный, то устройство находится как в области сходимости, так и в области несходимости. При этом для выхода согласующего устройства в область сходимости необходимо обеспечить на его входе фазовый сдвиг положительным (Φ≥ 0). В первом случае (область Φ≥ 0) настройка производится следующим образом. По сигналам с датчиков модуля 21 и фазы 22 блок управления 29 выдает команды первому исполнительному блоку 30, воздействующему на перестраиваемый реактивный элемент 24 последовательной ветви, и второму исполнительному блоку 31, воздействующему на перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви блока напряжения 23. Перестройка реактивных элементов 24 и 25 производится до тех пор, пока сигналы с датчиков модуля 21 и фазы 22 не станут равны нулю, что соответствует выходу согласующего устройства в точку согласования. Если в начале настройки фазовый сдвиг на выходе согласующего устройства отрицательный, то блок управления 29 подключает первый исполнительный блок 30 к датчику 26 разности напряжения. Датчик 26 разности напряжений сравнивает напряжения U_вх и U_св, где U_вх - напряжение на входе блока сопряжения 23, U_св напряжение на перестраиваемом реактивном элементе 24 последовательной ветви, при этом сигнал на выходе датчика 26 разности напряжений равен нулю при равенстве напряжений U_вх и U_св. Последнее имеет место при:
b₂₄+b_н= ± ∞
b₂₅+b_н=-b₂₅/2
где: b₂₄ реактивная проводимость перестраиваемого реактивного элемента 24 последовательной ветви; b₂₅ реактивная проводимость перестраиваемого реактивного элемента 25 параллельной ветви; b_н - реактивная проводимость нагрузки. Под действием датчика 26 разности напряжений перестраиваемый реактивный элемент 25 параллельной ветви изменяется до выхода устройства в состояние U_вх U_св, при котором устройство находится в области сходимости, т.к. Φ<< 0. Дальнейшее изменение фазы осуществляется подстройкой перестраиваемого реактивного элемента 24 последовательной ветви блока сопряжения 23, который постоянно соединен с датчиком фазы 22. В момент перехода фазы через ноль согласующее устройство переходит в область сходимости, и блок управления 29 отключает датчик разности напряжений 26 от первого исполнительного блока 30 и подключает датчик модуля 21. Дальнейшая настройка согласующего устройства происходит по тому же алгоритму до выхода устройства в точку согласования.If the phase shift at the output of the matching device is positive (Φ≥ 0), then the device is in the region of convergence. If the phase shift at the output is negative, then the device is located both in the region of convergence and in the region of convergence. In this case, for the matching device to enter the region of convergence, it is necessary to ensure a positive phase shift (Φ≥ 0) at its input. In the first case (region Φ≥ 0), the adjustment is as follows. Based on the signals from the sensors of module 21 and phase 22, the control unit 29 issues commands to the first actuating unit 30, acting on the tunable reactive element 24 of the serial branch, and the second actuating unit 31, acting on the tunable reactive element 25 of the parallel branch of the voltage unit 23. Restructuring of the reactive elements 24 and 25 is performed until the signals from the sensors of module 21 and phase 22 become equal to zero, which corresponds to the output of the matching device to the matching point. If at the beginning of the adjustment the phase shift at the output of the matching device is negative, then the control unit 29 connects the first actuating unit 30 to the voltage difference sensor 26. The voltage difference sensor 26 compares the voltages U _in and U _sv , where U _in is the voltage at the input of the interface unit 23, U _{sv the} voltage at the tunable reactive element 24 of the serial branch, while the signal at the output of the voltage difference sensor 26 is zero when the voltage U _in and U _St. The latter occurs when:
b ₂₄ + b _n = ± ∞
b ₂₅ + b = -b _n _25/2
where: b ₂₄ reactive conductivity tunable reactive element 24 of the serial branch; b ₂₅ reactive conductivity tunable reactive element 25 of a parallel branch; b _n - reactive load conductivity. Under the action of the voltage difference sensor 26, the tunable reactive element 25 of the parallel branch changes until the device _{enters the} state U _in U U _sv , at which the device is in the region of convergence, because Φ << 0. A further phase change is carried out by adjusting the tunable reactive element 24 of the serial branch of the interface unit 23, which is constantly connected to the phase sensor 22. At the moment the phase passes through zero, the matching device goes into the convergence region, and the control unit 29 disconnects the voltage difference sensor 26 from the first execution unit 30 and connects the sensor of module 21. Further adjustment of the matching device occurs according to the same algorithm until the device reaches the matching point.

Таким образом, согласующее устройство обеспечивает согласование по реактивной и активной составляющим. Thus, the matching device provides coordination on the reactive and active components.

Claims

1. An electromagnetic apparatus comprising a microwave energy generator connected by a transmission line segment with a microstrip exciter mounted on the end of a sealed dielectric cylinder, the other end of which is connected to two pipes for cooling fluid circulation and mounted on an internal metal screen, an external microstrip exciter is placed on the opposite side a metal screen with a radiator made in the form of a round hole, characterized in that the microwave energy generator is made with possible In order to change the radiation frequency, the round hole of the emitter is made in the form of an iris diaphragm, consisting of a set of metal arcuate plates, each of which is equipped with driven and axial pins, and a rotary ring with radial slots under the driven pins, which is mounted to rotate in an external metal screen, equipped with holes for axial pins, moreover, the microstrip pathogen is made in the form of a disk, and the length of the transmission line is made on the basis of a coaxial line and a perp dicularly to the microstrip pathogen, while the central conductor of the coaxial line is galvanically connected to it, and the external conductor of the coaxial line is galvanically connected to the internal metal screen.

2. The apparatus according to claim 1, characterized in that an actuating element is installed between the external metal screen and the rotary ring, made in the form of a metal clamp covering the rotary ring connected to the external metal screen through contact elements made, for example, on piezoelectric elements, transmitting from the control device to the ends of the actuating element synchronous counter-directional and different in amplitude oscillations.

3. The device according to paragraphs. 1 and 2, characterized in that in the gap of the segment of the transmission line connecting the microwave energy generator to the microstrip exciter, a matching device is included, comprising a module sensor, a phase sensor and an interface unit, which contains tunable reactive elements of serial and parallel branches, respectively, in parallel to the tunable reactive element of the serial branch, a voltage difference sensor is connected, the output of which is connected to the first input of the control unit, at m the device contains the first and second actuating units, the outputs of which are connected to the tunable reactive elements of the serial and parallel branches, respectively, the first output of the control unit is connected to the input of the second actuating unit of the tunable reactive element of the parallel branch, and the second output of the phase sensor is connected to the input of the first actuating unit of the tunable the reactive element of the serial branch and the second input of the control unit, the third input of the control unit is connected to the second th sensor output module, the second output of the control unit is connected to the control device.