Диссертация (1137125), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

- Виды спиральных замедляющих систем.78Первой особенностью замедляющих систем является возможностьконцентрации энергии замедленной волны пропорционально величинекоэффициента замедления. При этом энергия может быть определена по формулеW P0vгр,где P0 – поток мощности через поперечное сечение замедляющей системы, гр– групповая скорость электромагнитной волны.Втораяособенностьзамедляющихсистемсостоитввозможностидополнительной концентрации энергии в поперечном сечении структуры, чтовызвано поверхностным распределением области замедленной волны, котораяпропорциональна частоте и коэффициенту замедления (рисунок 5.1.2).Рисунок 5.1.2.

– Поверхностное распределение поля замедленной волны.В качестве третьей особенности замедляющих систем следует подчеркнутьвозможность поверхностного распределения поля при разных частотах икоэффициентах замедления, что позволяет их применять для относительнобольших и малых объемов биологических объектов и сред.Четвертой особенностью замедляющих систем является то, что взависимости от граничных условий и различного распределения в поперечномнаправлении, ее электромагнитное поле в большинстве случаев представлено ввиде гибридной волны, которую можно рассматривать в виде совокупности волнЕ- и Н-типов (рисунок 5.1.3).

В такой гибридной волне отношение электрическойэнергии к магнитной в волне E-типа, a также отношение магнитной энергии к79электрической в волне H-типа, равно квадрату коэффициента замедленияN 2WmeWeeWmmWem .Рис.5.1.3. – Распределение поля в спиралях с противоположнымнаправлением намотки.Данное свойство позволяет создавать медицинские излучатели и электродыс преимущественным сосредоточением электрического или магнитного поля взаданной области биоткани, что важно при проведении локальной физиотерапии.Пятаяособенностьзамедляющихсистемсостоитввозможностимногократной концентрации электрического и магнитного полей в связанныхструктурах,например,цилиндрическихилирадиальныхспираляхспротивоположным направлением намотки (рисунок 5.1.3, 5.1.4).Рисунок 5.1.4.

– Связанные цилиндрические спирали.Концентрацияэлектрическогополямеждуспиралямисбольшимзамедлением обеспечивает лучшие условия для терапии радиочастотныммагнитным полем, в то время как интенсивность электрического поля в биотканиуменьшена приблизительно в N2 раз. При этом дополнительное замедление можетпревысить основное замедление, обеспеченное изгибом проводников.80Шестая особенность замедляющих систем состоит в периодичности ихструктуры,чтоподчеркиваетформированиеэлектромагнитногополяпространственными (нулевой и первой) гармониками.

Когда все поле или егоэлектрическая или магнитная часть представлена суммой 1 пространственныхгармоник, энергия концентрируется в небольшом слое. Tолщина этого слояменьше 1/6 периода замедляющей системы, равной T (рисунок 5.1.5). Этопозволяет создавать медицинские излучатели на относительно низких частотах сзаданным проникновением энергии в биоткань.Рисунок 5.1.5 - Распределение поля 1пространственных гармоник.Седьмой особенностью замедляющихсистем являетсявозможностьинтенсивного излучения при условии, что фазовая скорость волны в структуременьше скорости распространения света в оптически плотной среде (биоткани)(рисунок 5.1.6).Рисунок 5.1.6. – Излучение замедленной волны в диэлектрическую среду.81Отсутствие излучения в поперечном направлении объясняется тем, что прирасстоянии между наведенными на проводниках противоположными зарядами итоками, меньшими половины длины волны в окружающем пространстве,создаваемое ими поле убывает с расстоянием от поверхности замедляющейсистемы.

Формально этот эффект проявляется в том, что при отсутствии потерь вокружающей среде составляющие напряженностей электрического и магнитногополей, образующие поток мощности в поперечном направлении, сдвинуты друготносительно друга по фазе на  2 [17, 90].Еслиотносительнаядиэлектрическаяпроницаемостьбиоткани,окружающей замедляющую систему, достаточно велика, то ее граница,параллельная поверхности замедляющей системы, частично экранирует полеволны, вызывая концентрацию энергии в зазоре между биотканью и замедляющейсистемой.

Ситуация изменяется коренным образом, если квадратный корень изотносительнойдиэлектрическойпроницаемостибиотканименьшекоэффициента замедления волны N . В случае безграничной оптически плотнойсреды продольные составляющие напряженностей электрического и магнитногополейвнейоказываютсявфазессоответствующимипоперечнымисоставляющими, и средний по времени поток мощности в поперечномнаправлении становится больше нуля. Причем при отсутствии потерь в средевеличина потока мощности в поперечном направлении не зависит от поперечнойкоординаты (координаты x в случае плоской замедляющей системы). Отметим,что в рассматриваемом случае все составляющие поля зависят от времени t ипродольной координаты z как exp jt  jz  , где  – угловая частота,  –фазовая постоянная (комплексная при наличии излучения).Обозначая амплитуды составляющихEzиHzна обращенной кзамедляющей системе поверхности, как E0 и H 0 соответственно, для показаннойна рис.

5.1.6 системы получим следующие выражения для составляющих вектораПойнтинга в поперечном направлении:82Px  E02 0 0  H 02,22    2  2где  и  - поперечные постоянные, связанные с фазовой постоянной  иволновым числом в вакууме k соотношениями: 2   2  k 2  k 2  2 ; k 2   2 0 0 ,Аналогично получаем выражение для составляющей вектора Пойнтинга впродольном направлении:Pz  E02 0 0 2H.0 2  2 2  2Таким образом, в случае N   , угол  , показывающий направление излученияк продольной координате z, определяется по формуле cos  N /  . Тем самым,будучи независимым от геометрических размеров и периода ЗС, эффектизлучения достигается в широком диапазоне частот [90].Проанализированныеособенностизамедляющихсистемоткрываютширокие перспективы их использования в биологии и медицине [91].Уменьшение резонансных размеров электродов и отсутствие излучения вокружающее пространство позволяет сконцентрировать эффект терапии назаданнуюобластьбиологическогообъекта,обеспечиваяодновременнобезопасность медперсонала.В 1986 году научной группой профессора Пчельникова Ю.Н.

предложенэлектрод для ВЧ и СВЧ терапии трубчатых органов, содержащий корпус свмонтированным в него коаксиальным вводом энергии и излучателем в видекоаксиальногорезонатора,вовнешнем проводникекоторогопрорезаныпоперечные пазы, и диэлектрический колпак, установленный коаксиально, сзазором относительно внешнего проводника резонатора [92].В 1990 году этой же группой предложен электрод для микроволновойтерапии полостных органов, который содержит корпус и диэлектрический колпакцилиндрическойформы,вкоторомаксиальноразмещенизлучатель,83представляющий собой коаксиальный резонатор с внешним проводником,выполненным в виде цилиндрической спирали [93] (рисунок 5.1.7).Рисунок 5.1.7.

- Спиральный электрод для внутриполостной физиотерапии.Модифицированнаяконструкцияспиральногоизлучателядлявнутриполостной СВЧ-физиотерапии, предложена научной группой профессораПчельникова Ю.Н. в 1998 году. Она также содержит корпус с установленным внемкоаксиальнымвводомэлектромагнитнойэнергииикоаксиальнымрезонатором, и диэлектрический колпак цилиндрической формы. Однаковнешний проводник коаксиального резонатора выполнен в виде однозаходнойспирали, смещенной к одной из образующих на внутренней поверхностидиэлектрического колпака, с внешним диаметром, в 1,1...2 раза меньшимвнутреннего диаметра диэлектрического колпака, при этом поперечное сечениеспирали имеет форму усеченного круга, расположенного усеченной сторонойдиаметрально противоположно направлению смещения.Во втором варианте такого модифицированного излучателя внешнийдиаметр цилиндрической части поверхности внешнего проводника коаксиальногорезонатора равен внутреннему диаметру диэлектрического колпака, а внутреннийпроводник коаксиального резонатора выполнен в виде стержня с переменнымвдоль оси резонатора диаметром и полоски, расположенной вдоль плоской частивнешнего проводника резонатора, причем расстояние между внутреннимпроводникомиплоскойповерхностьювнешнегопроводникавыбранопеременным вдоль продольной оси резонатора, а спираль – с переменным шагомпо длине.84Кромевнутриполостнойфизиотерапии,такойизлучательможетприменяться для физиотерапевтического воздействия на верхние дыхательныепути, а при введении излучателя в крупные кровеносные сосуды или пищевод,может быть использован в качестве источника излучения для СВЧ – термографии[94].Несмотрянаочевидныепреимуществаспиральныхэлектродовиизлучателей, они имеют и отдельные недостатки.

Одним из таких недостатковявляется малая эффективность излучения, вызванная наличием зазора междувнешним проводником резонатора и поверхностью облучаемого участка телапациента. Кроме того, симметричное распределение излучения по поперечномусечениюэлектроданепозволяетоказыватьлокальноевоздействиенаопределенный орган (например, на предстательную железу).5.2 Исследование электрода на основе отрезка замедляющей системы типа«ребристый стержень» в азимутально неоднородном экранеКомпенсировать указанные выше недостатки спиральных электродов иизлучателей удается, заменив спиральный проводник ребристым стержнем вазимутально неоднородном экране [95 - 97].

При этом некоторое уменьшениекоэффициента замедления приводит к пропорциональному снижению излучения вазимутальном направлении. На рисунке 5.2.1 показан вариант выполнения такогоэлектрода с конструкцией внешнего экрана в виде цилиндра с продольнымщелевым разрезом, угол раскрыва которого равномерно увеличивается от нуля состороны коаксиального ввода до угла 180-3600 на рабочем конце излучателя [98].Рисунок 5.2.1. – Вариант внутриполостного излучателя для урологии.85Наличие щелевого разреза у внешнего проводника приводит к ростуволнового сопротивления излучателя с увеличением углового размера щели.

Приэтом равномерное увеличение угла раскрыва позволяет обеспечить плавноеизменение волнового сопротивления излучателя, что с учетом поглощения волныв тканях тела обеспечивает его хорошее согласование с генератором. Посколькувнешний проводник оказывает экранирующее действие, интенсивность излучениянеравномерна по окружности и длине излучателя. Вне зависимости от величиныуглового размера продольной щели, интенсивность излучения максимальна вплоскости симметрии, проходящей через ее середину. Это позволяет, выбираязаконизмененияразмеращели,получатьтребуемоераспределениеинтенсивности электромагнитного поля, как по окружности, так и по длинеизлучателя.Практическая реализация описанного выше эффекта излучения возможнаблагодаря относительно большой диэлектрической проницаемости тела пациента(около 81) при замедлениях электромагнитной волны в структуре порядка 3...6.Геометрическая длина электрода выбрана равной 30мм (рабочая частота 2450МГц), диаметр электрода – 12 мм.

Количество ребер, укладывающихся на даннойдлине, при равенстве ширины ребра и расстояния между ними, выбрано равнымвосьми.Наличие зазора между внешним проводником резонатора и поверхностьюоблучаемого участка тела пациента может приводить к существенномууменьшениюинтенсивностиизлучения,вызванномукакрезкимспадомамплитуды поля электромагнитной волны от поверхности внешнего проводника,так и экранирующим действием поверхности тела. При заполнении внутреннегопространства излучателя многослойной диэлектрической средой с линейноуменьшающимся от поверхности ребристого стержня до поверхности внешнегоэкрана волновым сопротивлением, достигается его согласование с теломпациента, что увеличивает эффективность облучения [99 – 101].865.2.1 Компьютерное моделирование характеристик ребристого стержняПервые результаты компьютерных расчетов излучателя получены длямодели ребристого стержня без экрана с помощью программы Ansoft HFSS v.12.[58 – 61] (рисунок 5.2.2).Рисунок 5.2.2.

Характеристики

Список файлов диссертации