Устройство для микроволновой обработки биологических систем Советский патент 1990 года по МПК G01N22/00 

Фиг. 2

Изобретение относится к устройствам для облучения биологических сие- тем радиоволнами СВЧ- диапазона и может быть использовано для исследования воздействия КВЧ-излучения (37 - 78 ГГц) на ,биологические объекты.

Целью изобретения является повьппе ние производительности обработки путем регулирования и оптимизации продольного коэффициента затухания с КВЧ-энергии вдоль оси ДБ.

На фиг.1 и 2 показано устройство для микроволновой обработк-и биологических систем при двух различных положениях цилиндров относительно стержня, разрез; на фиг. 3 - один из вариантов устройства.

Устройство состоит из стержня 1 и первого 2 и второго 3 цилиндров.

Устройство работает следующим образом.

Цилиндры 2 и 3 выполнены из одного материала: радиопрозрачного диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которого 2 меньше диэлектрической проницаемости , материала стержня 1. Цилиндр 2 надет на стержень 1, а цилиндр 3 надет на цилиндр 2 и выполнены с возможностью вращения один относительно другого таким образом, что цилиндр 2 вращается относительно стержня 1, а цилиндр 3 - вокруг цилиндра 2. Во время работы устройства стержень 1 вместе с цилиндрами 2 и 3 расположены в облучаемой биологической среде |(БС). При расположении цилиндров 2 и 3, как показано на фиг.1,устройство эквивалентно обычной круглой диэлектрической линии передачи,так как практически вся КВЧ-энергия сосредоточена вблизи поверхности стержня 1 внутри цилиндров 2 и 3, которые (в совокупности) формируют равнотол- щинную оболочку с Е ч вокруг стержня с Е, 8 ,

Оптимальным режимом микроволново обработки БС является такой режим, при котором КВЧ-мощность равномерно распределена по всей поверхности БС с плотностью потока мощности 10 мкВ /см, которая является энергетическим порогом чувствительности простейших биологических систем (споры, микроорганизмы и т.п.).

Продольный вдоль оси стержня, погруженного в биологическую среду, коэффициент затухания о/ хотя и

5

0

5

мал. по сравнению с затуханием в БС, однако это затухание достаточно велико, чтобы обеспечить относительную равномерность облучения БС,окружающей стержень. Это приводит к относительному перегреву участков БС, расположенных ближе к генератору, т.е. поглощаемая ими поверхностная мощность гораздо больше требуемой (10 мкВт/см), а падение мощности вдоль стержня по этой же причине достаточно велико и, следовательно, эффективный облучаемый объем БС (объем, попадающий в условие Р ; 10 мкВт/см) мал. . Максимальная производительность устройства - количество БС, поглощающей в течение необходимого времени КВЧ-энергию, достижима при вполне определенном значении о( , которое зависит от свойств облучаемой среда, геометрических размеров стержня и мощности КВЧ-генератора.

Оптимизацией коэффициента но добиться максимальной производительности устройства:

0

5

мож1Рп

макС

2Р.где е - число Непера (основание натурального логарифма);

РГ - мощность КВЧ-генератора;

Р| - пороговая плотность потока КВЧ-мощности для биологической среды

0,1 Вт/м). При этом максимальный объем облу(Р 10 мкВт/см

чаемой БС

5

0

5

0

V

Рг макс

где d- поперечный (вдоль оси X, нормальной к оси Z, вглубь БС) коэффициент затухания ( а ).

При распространении вдоль электрического волновода поверхностной КВЧ-волны большая 4actb КВЧ-энергии сконцентрирована в так называемом эффективном диаметре который, как правило, в полтора - два раза превьппает диаметр центрального диэлектрического стержня. При наружном диаметре цилиндра 3, большем, чем эффективный диаметр диэлектрического волновода ДВ, потери КВЧ-энергии о/ мин малы, так как взаимодействие КВЧ-по- ля с ЕС практически отсутствует.

При расположении цилиндров 2 и 3, как показано на фиг,2, потери КВЧмощности л; ZM«Kc велики из-за взаимодействия КВЧ-излучения с биологической средой в зоне наименьшей толщины стенок цилиндров (эта зона обозначена пунктиром), причем толщина в этом положении цилиндров 2 и 3 гораздо меньше половины эЛЛективного диамет- Ра ДВ.

Во всех промежуточных взаимных положениях цилиндров 2 и 3 коэффициент /2 принимает также промежуточные значения: /, мин«.,«кс,причем необходимое оптимальное значение /

экспоненциальных зависимостей КВЧ- мощности (при больших с/ ) , так и почти равномерного (вдоль оси Z) об- лучения БС (при малых cf ;в этом случае могут быть реализованы методики, использующие стоячие волны КВЧ-излучения) ,

При конкретном выполнении предпа- ,0 гаемого устройства диаметр стержня 1 равен, например, 7 мм, а сам стержень изготавливают из плавленного кварца марки KB ( , 3,8). Цилиндры

для достижения максимально й производи-,, - / « из ( тельности шкpoвoлнoвoй обработки био- э тих Т и логической средь, может быть выбрано.олучае и ди э л: :и ::сТой л редачи на частоте 37 ГГц составляет 15 мм (в пределах этого диаметра 20 сконцентрировано „95% КВЧ-мощнос- ти, передаваемой по ДБ). Диаметр первого циливдра 2 выбирают равным 15 мм, а расстояние между наружной образующей поверхности цилиндра 2 и осью от I f. . п

логической среды может быть выбрано путем плавного поворота цилиндров 2 и 3 один относительно другого и стержня 1.

При выбранном оптимальном значе° 2 равноэнергетического облунии

чения всей поверхности БС, соприкасающейся с наружной поверхностью цилиндра 3, достигают равномерным пос- 25 веостия (т «

. ™- о--Z- f ™г

менном фиксированном взаимном расположении цилиндров 2 и 3,

- ---V- r Ы1Х1 л

ЧТО то же самое, осью стержня 1) выбирают равным 1I мм.Диаметр цилиндра

. Г™-:--™-х ° - -, - метр Дй равен 30 мм (т.е. вдвое больше указанного значения). а V -v

-.in - „ -1 гт MU

iu MM . При расположении цилиндров, как показано на фиг.2, толщина диэлектрической оболочки, отделяющей стержень 1 от БС, со.-тавляет всего 1 мм, ,6l мм- . Во всех проностью) образующей наружной поверхности (фиг.З) для исследования плоских биологических систем (гелеобраэ- ной суспензии микроорганизмов,культуры клеток, биологической ткани и т.п.). При этом угловую ориентацию

(вокруг оси) циливдра 3 стабилизиру- 40 межуточныч положениях Щ-Ч-м ют (например, наружными стопорными ° о, м™ « винтами), а расстояние от плоской поверхности цилиндра 3 до поверхности стержня 1 (именно это расстоя с{,

Расчет показывает, что для достижения максимальной производительное- ние определяет „оТери 7)егулиру- ™ , должно быть („р„

n.,...r.....:.il:r,T.j :ря7г,-;:;г.:Го/::к-следует из приведенных оценок,находится в пределах регулирования устройства и, следовательно, вполне дос- 50 тижимо.

руг стержня 1 при неизменном угловом положении стержня 1 и цилиндра 3. В этом случае облучаемая поверхность БС (совпадающая с рабочей, плоской поверхностью цилиндра 3) остается всегда горизонтальной и поднимается или опускается в зависимости от угла

Устройство для микроволновой обраI. Такой вариант выполнения устройст-ботки биологических систем,выполненва.позволяет регулировать и изменятьное в виде дизлектрическог волновода

распределение КВЧ-мощности вдоль осициливдрической фор,, состоящего из

« ьсоордина-стержня и оболочки, диэлектрическая

ты ьс, добиваясь как явно выраженныхпроницаемость которой меньше диэлектФорму ла изобретения

с{,

Форму ла изобретения

рической проницаемости стержня, о т- личающееся тем, что, с целью повьшения производительности .обработки, оболочка выполнена в виде

двух взаимно эксцентрических полых цилиндров,, установленных с возможностью вращения один относительно другого и стержня.

Изобретение относится к технике СВЧ-измерений и может быть использовано для исследования воздействия КВЧ-излучения (37 - 78 ГГц) на биологические объекты. Цель изобретения - повышение производительности обработки. Устройство содержит диэлектрический волновод цилиндрической формы, состоящий из стержня 1 и двух взаимно эксцентрических полых цилиндров 2 и 3, образующих оболочку, диэлектрическая проницаемость которой меньше диэлектрической проницаемости стержня 1. Цилиндры 2, 3 установлены с возможностью вращения один относительно другого и относительно стержня 1. Цель достигается путем регулирования и оптимизации продольного коэффициента затухания КВЧ-энергии вдоль оси диэлектрического волновода. 3 ил.

Фиг.1