RU2729198C1

RU2729198C1 - Устройство для электромагнитного облучения биологических объектов

Info

Publication number: RU2729198C1
Application number: RU2019145187A
Authority: RU
Inventors: Владимир Федорович Пьянков; Алексей Филиппович Копылов; Ольга Витальевна Крюкова
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2020-08-05

Abstract

Изобретение относится к СВЧ-технике и предназначено для исследования действия электромагнитного излучения на биологические объекты, применимо в биологии, медицине, сельском хозяйстве. В устройстве для электромагнитного облучения биологических объектов, состоящем из источника СВЧ-энергии, отрезка прямоугольного волновода с короткозамыкателем, камер из радиопрозрачного материала, невзаимного элемента, включенного между источником СВЧ-энергии и отрезком прямоугольного волновода, новым является то, что прямоугольный волновод выполнен в виде центрального и двух боковых отрезков одного рабочего сечения, при этом два боковых отрезка волновода подключены к двум открытым концам центрального соосно, а по центру широкой стенки центрального отрезка волновода установлена излучательная антенна, симметрично относительно которой в боковых отрезках расположены камеры из радиопрозрачного материала, а за ними в боковых отрезках волновода по центру их широких стенок установлены принимающие антенны, за которыми расположены подвижные короткозамыкатели, а между невзаимным элементом и излучательной антенной включены последовательно, по и против направления прохождения СВЧ-энергии, два направленных ответвителя, при этом к выходам направленных ответвителей и принимающих антенн подключены измерители мощности. Технический результат - повышение функциональности устройства и обеспечение контроля за процессом воздействия СВЧ-энергии на биологические объекты. 3 ил.

Description

Изобретение относится к СВЧ-технике и предназначено для исследования действия электромагнитного излучения на биологические объекты, применимо в биологии, медицине, сельском хозяйстве.

Известно устройство для облучения СВЧ-энергией объекта, расположенного в центре камеры (GB 1114938, опубл. 22.05.1968).

Недостатком устройства является возможность работы только с одним объектом, невозможность рассчитать количество поглощенной объектом СВЧ-энергии и плотность потока энергии, действующей на объект.

Ближайшим аналогом является устройство для облучения СВЧ-энергией объекта, содержащее источник СВЧ-энергии, отрезок прямоугольного волновода с короткозамыкателем, внутри которого расположены камеры из радиопрозрачного материала, а между источником СВЧ-энергии и отрезком прямоугольного волновода включен развязывающий элемент (RU 2022489, опубл. 30.10.1994).

Недостатком данного устройства является невозможность оценки и контроля количества поглощенной объектом СВЧ-энергии и плотности потока энергии, действующей на объект, а также низкая функциональность в связи с малым числом камер.

Техническим результатом изобретения является повышение функциональности устройства и обеспечение контроля за процессом воздействия СВЧ-энергии на биологические объекты.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для электромагнитного облучения биологических объектов, состоящем из источника СВЧ-энергии, отрезка прямоугольного волновода с короткозамыкателем, камер из радиопрозрачного материала, невзаимного элемента, включенного между источником СВЧ-энергии и отрезком прямоугольного волновода, новым является то, что прямоугольный волновод выполнен в виде центрального и двух боковых отрезков одного рабочего сечения, при этом два боковых отрезка волновода подключены к двум открытым концам центрального соосно, а по центру широкой стенки центрального отрезка волновода установлена излучательная антенна, симметрично относительно которой в боковых отрезках расположены камеры из радиопрозрачного материала, а за ними в боковых отрезках волновода по центру их широких стенок установлены принимающие антенны, за которыми расположены подвижные короткозамыкатели, а между невзаимным элементом и излучательной антенной включены последовательно, по и против направления прохождения СВЧ-энергии, два направленных ответвителя, при этом к выходам направленных ответвителей и принимающих антенн подключены измерители мощности.

Отличительные признаки в совокупности с другими признаками обеспечивают получение положительного эффекта, заключающегося в возможности контролировать процесс воздействия СВЧ-энергии на биологический объект, то есть позволяет оценивать и контролировать плотность попадающего на биологические объекты потока энергии внутри прямоугольного волновода и изменять ее в течение эксперимента, а также позволяет оценивать и контролировать величину поглощенной биологическими объектами СВЧ-энергии и, таким образом, осуществлять контроль за условиями воздействия. Увеличение числа камер из радиопрозрачного материала внутри волновода позволяет одновременно работать с большим числом биологических объектов. Подвижные короткозамыкатели, установленные с обеих сторон волновода, позволяют производить подстройку устройства по величине рабочей частоты, и по получению максимального уровня той или иной мощности (поглощенной, падающей, проходящей) в зависимости от характера задачи, решаемой при использовании установки.

Заявляемое устройство показано на следующих фигурах:

- фигура 1 - схематическое изображение заявляемого устройства с видом сверху на его конструкцию;

- фигура 2 - вид сбоку заявляемого устройства;

- фигура 3 - фотография общего вида установки, реализованной согласно заявляемому изобретению.

Заявляемое устройство для электромагнитного облучения биологических объектов (фигура 1 и фигура 2) содержит источник СВЧ-энергии 1, невзаимный элемент 2, центральный отрезок волновода 3, первый 4 и второй 5 боковые отрезки волновода одного рабочего сечения с центральным, подключенные к двум его открытым концам соосно.

В центре центрального отрезка волновода 3 установлена излучательная антенна 6. Симметрично излучательной антенне 6 в первом боковом отрезке волновода 4 расположены камеры из радиопрозрачного материала 7, 8, 9, и 10, закрепленные на радиопрозрачной стойке 11, предназначенные для размещения внутри них биологических объектов, а во втором боковом отрезке волновода 5 - камеры 12, 13, 14 и 15, закрепленные на радиопрозрачной стойке 16. За радиопрозрачными камерами в обоих боковых отрезках волновода (4 и 5) по центру их широких стенок установлены принимающие антенны 17 и 18 соответственно.

За принимающими антеннами 17 и 18 расположены короткозамыкатели 19 и 20, соответственно. Регулируя положения короткозамыкателей 19 и 20, можно подстраивать установку как по величине рабочей частоты, так и по получению максимального уровня той или иной мощности (поглощенной, падающей, проходящей, отраженной) в зависимости от характера задачи, решаемой при использовании установки.

Между невзаимным элементом 2 и излучательной антенной 6 последовательно, по и против направления прохождения СВЧ-сигнала, включены направленные ответвители 21 и 22 так, что ближайший к невзаимному элементу 2 ответвитель 21 осуществляет отбор части СВЧ-энергии, поступающей от источника 1 и подает ее на измеритель мощности 23, а следующий за ним ответвитель 22 осуществляет отбор части СВЧ-энергии, отраженной от излучательной антенны 6, и подает ее на измеритель мощности 24.

К выходам принимающих антенн 17 и 18 подключены измерители мощности 25 и 26, соответственно, которые позволяют измерить уровень мощности СВЧ-энергии, прошедшей через камеры из радиопрозрачного материала 7, 8, 9, 10 со стороны первого (поз.4) и через камеры 12, 13, 14, 15 со стороны второго (поз. 5) боковых отрезков волновода.

Устройство работает следующим образом.

От источника СВЧ-энергии 1 (фигура 1) СВЧ-энергия поступает на невзаимный элемент 2, который пропускает только падающую волну СВЧ-энергии и, таким образом, защищает источник СВЧ-энергии от перегрузки в режиме сильного отражения падающей СВЧ волны от излучательной антенны 6. В качестве такого элемента может быть использован СВЧ-вентиль, СВЧ-циркулятор или направленный ответвитель соответствующего диапазона длин волн СВЧ.

Далее СВЧ-энергия поступает на подключенный по направлению СВЧ-энергии к невзаимному элементу 2 направленный ответвитель 21, к которому подключен измеритель мощности 23, а затем - на направленный ответвитель 22, подключенный против направления прохождения СВЧ-энергии, к которому подключен измеритель мощности 24.

После направленного ответвителя 22 СВЧ-энергия поступает на излучательную антенну 6, расположенную в центре центрального отрезка волновода 3, и распространяется в этом отрезке волновода в две противоположные стороны - в сторону первого бокового отрезка волновода 4 и в сторону второго бокового отрезка волновода 5. При этом СВЧ-энергия пронизывает радиопрозрачные камеры 7, 8, 9 и 10, закрепленные на радиопрозрачной стойке 11 в первом боковом отрезке волновода 4, а также камеры 12, 13, 14 и 15, закрепленные на радиопрозрачной стойке 16 во втором боковом отрезке волновода 5.

Прошедшая через радиопрозрачные камеры 7, 8, 9 и 10 в первом боковом отрезке волновода 4 СВЧ-энергия попадает на принимающую антенну 17, а прошедшая через радиопрозрачные камеры 12, 13, 14 и 15 во втором боковом отрезке волновода 5 СВЧ-энергия - на принимающую антенну 18. К выходу принимающей антенны 17 подключен измеритель мощности 25, а к выходу принимающей антенны 18 подключен измеритель мощности 26.

Короткозамыкатели 19 и 20 позволяют осуществить точную настройку предлагаемого устройства для облучения биологических объектов на рабочую длину волны источника СВЧ-энергии 1.

Пример конкретного выполнения установки представлен на фигуре 3. Установка для облучения биологических объектов с рабочей частотой 915 МГц и сечением прямоугольного волновода (3-5) равном 6,5×25,5 см, содержащая 8 камер из радиопрозрачного материала (на фигуре 3 не представлены), предназначенных для размещения в них биологических объектов, снабжена генератором в комплекте с усилителем в качестве источника СВЧ-энергии 1 и циркулятором как невзаимным элементом 2. Направленные ответвители коаксиального типа 21 и 22, рассчитанные на рабочий диапазон частот СВЧ-излучения 1-2 ГГц, обеспечивают ответвление 1/100 части мощности из основного канала в дополнительный канал. Измерители мощности 23-26 -типа М3М-18.

Расчет плотности потока энергии осуществляют по показаниям, снятым с принимающих антенн 17 и 18. Расчет плотности потока энергии (J мкВт/см²) производится по формуле (1):

где Р - показания с измерителя мощности 25 или 26, а - ширина волновода, b - высота волновода.

Расчет количества поглощенной биологическими объектами СВЧ-энергии проводят по показаниям, снятым с измерителей мощности 23, 24 25, 26. Измеряют показания при одних и тех же значениях мощности с измерителя мощности 23, то есть при одной и той же поданной мощности СВЧ-энергии. Расчет производят по формуле (2):

где Р_погл - это поглощенная мощность, Вт; Р₂₃ - показания измерителя мощности 23; Р₂₄ - показания измерителя мощности 24; Р₂₅ - показания измерителя мощности 25; Р₂₆ - показания измерителя мощности 26; 100 - коэффициент ответвления от основного потока СВЧ-энергии для направленного ответвителя.

По разнице снятых показаний поглощенной мощности при наличии в камерах биологических объектов и при их отсутствии судят о количестве поглощенной биологическими объектами СВЧ-энергии.

При этом полученное значение поглощенной биологическими объектами СВЧ-энергии необходимо разделить на число биологических объектов, чтобы узнать сколько СВЧ-энергии поглотил один биологический объект. При известной массе биологического объекта можно вычислить количество поглощенной СВЧ-энергии, мкВт/г.

Заявляемое устройство позволяет проводить работу одновременно с большим количеством биологических объектов за счет увеличения числа камер из радиопрозрачного материала, оценивать и контролировать плотность потока энергии, попадающей на биологические объекты, благодаря принимающим антеннам с присоединенными к ним измерителями мощности. Предложенное устройство позволяет рассчитывать количество поглощенной биологическими объектами СВЧ-энергии, благодаря тому, что можно регистрировать как падающую мощность, так и отраженную, и проходящую. Благодаря подвижным короткозамыкателям производят подстройку устройства по величине рабочей частоты и по получению максимального уровня той или иной мощности (поглощенной, падающей, проходящей, отраженной).

Claims

Устройство для электромагнитного облучения биологических объектов, состоящее из источника СВЧ-энергии, отрезка прямоугольного волновода с короткозамыкателем, камер из радиопрозрачного материала, невзаимного элемента, включенного между источником СВЧ-энергии и отрезком прямоугольного волновода, отличающееся тем, что прямоугольный волновод выполнен в виде центрального и двух боковых отрезков одного рабочего сечения, при этом два боковых отрезка волновода подключены к двум открытым концам центрального соосно, а по центру широкой стенки центрального отрезка волновода установлена излучательная антенна, симметрично относительно которой в боковых отрезках расположены камеры из радиопрозрачного материала, а за ними в боковых отрезках волновода по центру их широких стенок установлены принимающие антенны, за которыми расположены подвижные короткозамыкатели, а между невзаимным элементом и излучательной антенной включены последовательно, по и против направления прохождения СВЧ-энергии, два направленных ответвителя, при этом к выходам направленных ответвителей и принимающих антенн подключены измерители мощности.