Устройство для микроволновой обработки биологических систем

 

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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

Ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ L

:i

) .Р

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4626383/24-09 (22) 27.12.88 (46) 23.08.90 ° Бюл. 11- 31 (71) Харьковский центр научно-технического творчества молодежи "Практика" и Харьковский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (72) В.Д.Искин, А.В.Бутенко, Е.В.Степула и М.А.Мартынов (53) 621 317.39 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1436033, кл. G О1 N 22/00, 1987, Справочник по элементам радиоэлектронных устройств. /Под ред.

В.Н.Дулина. — М.: Энергия, 1978, с. 446. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ

ОБРАБОТКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ (57) Изобретение относится к технике

„„SU„„1587429 А 1

151)5 G 01 N 22/00

СВЧ-измерений и может быть использовано для исследования воздействия

КВЧ-излучения (37-78 ГГц) на биологические обьекты. 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.

1587429

Изобретение относится к устройствам для облучения биологических систем радиоволнами СВЧ-диапазона и может быть использовано для исследова5 ния воздействия КВЧ-излучения (37—

78 ГГц) на биологические объекты.

Целью изобретения является повышение производительности обработки путем регулирования и оптимизации продольного коэффициента затухания Ы

КВЧ-энергии вдоль оси ДВ.

На фиг.1 и 2 показано устройство для микроволновой обработки 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. 2р

Устройство работает следующим образом.

Цилиндры 2 и 3 выполнены из одно го материала: радиопрозрачного диэлектрика, диэлектрическая проницае- 25 мость которого меньше диэлектрической проницаемости Я, 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

l(SC), При расположении цилиндров 2 и 3, как показано на фиг.1,устройство эквивалентно обычной круглой ди- 4р электрической линии передачи,так как практически вся КВЧ-энергия сосредоточена вблизи поверхности стержня 1 внутри цилиндров 2 и 3, которые (в совокупности) формируют равнотол- 45 шинную оболочку с Е вокруг стержня 1 с E.,) Е, Оптимальным режимом микроволновой обработки БС является такой режим, при котором КВЧ-мощность равномерно

5Р распределена по всей поверхности БС с плотностью потока мощности 10 мкВт/

/см, которая является энергетичесй ким порогом чувствительности простейших биологических систем (споры, микроорганизмы и т.п.).

Продольный вдоль оси стержня, погруженного в биологическую среду, коэффициент затухания о/ хотя и 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 мошности вдоль стержня по этой же причине достаточно велико и, следовательно, эффективный облучаемый объем БС (объем, попадающий в условие Р )

)1О мкВт/см ) мал, Максимальная производительность устройства — количество БС, поглощающей в течение необходимого времени

КВЧ-энергию, достижима при вполне определенном значении (, которое

2 зависит от свойств облучаемой среды, геометрических размеров стержня и мощности КВЧ-генератора.

Оптимизацией коэффициента с(мож2 но добиться максимальной производительности устройства:

1Р ег

2Р,.макс где е — число Непера (основание натурального логарифма);

Є— мощность КВЧ-генератора;

Р— пороговая плотность потока

КВЧ-мощности для биологической среды (P„ 10 мкВт/см = 0,1 Вт/м ).

При этом максимальный объем облучаемой БС

Рг

V макс, Р е и где 4- поперечный (вдоль оси Х, нормальной к оси Z вглубь БС) коэффициент затухания (a(= 2 ° 10 м " )..

При распространении вдоль электрического волновода поверхностной

КВЧ-волны большая часть КВЧ-энергии сконцентрирована в так называемом эффективном диаметре который, как правило, в полтора — два раза превышает диаметр центрального диэлектрического стержня, При наружном диаметре цилиндра 3, большем, чем эффективный диаметр диэлектрического волновода ДВ, потери КВЧ-энергии е z мин малы, так как взаимодействие КВЧ-поля с БС практически отсутствует.

При расположении ципиндров 2 и 3, как показано на фиг,2, потери КВЧэкспоненциальных зависимостей КВЧмощности (при больших o(), так и почти равномерного (вдоль оси Z) облучения БС (при малых а ;в этом случае могут быть реализованы методики, использующие стоячие волны КВЧ-излучения) .

При конкретном выполнении предлагаемого устройства диаметр стержня ! равен, например, 7 мм, а сам стержень изготавливают из плавленного кварца марки КВ (Я, = 3,8). Цилиндры

2 и 3 изготавливают из тефлона (Я = а

2) или пенопласта (Я = 1,8). При этих, и Я эффективный диаметр получаемой диэлектрической линии передачи на частоте 37 ГГц составляет

15 мм (в пределах этого диаметра сконцентрировано 95 НВЧ-мощности, передаваемой по ДВ). Диаметр первого цилиндра 2 выбирают равным 15 мм, а расстояние между наружной образующей поверхности цилиндра 2 и осью отверстия (т.е. осью внутренней образующей поверхности цилиндра 2 или, что то же самое, осью стержня 1) выбирают равным 11 мм,Диаметр цилиндра

3 выбирают равным 30 мм, а расстояние между осями цилиндров 2 и 3— равным 7 мм. Тогда при расположении цилиндров, как показано на фиг,1,диаметр ДВ равен 30 мм (т.е. вдвое больше указанного значения), а a(z

"10 мм . При расположении цилиндров, как показано на фиг.2, толщина диэлектрической оболочки, отделяющей стержень от БС, со=тавляет всего

1 мм, о(z „, „,"-0,61 мм " . Во всех про(О, 1 мм- .

Расчет показывает, что для достижения максимальной производительности значение c(должно быть (при указанных условиях и параметрах уст-3 ройства) порядка 10 мм, что, как следует из приведенных оценок,находится в пределах регулирования устройства и, следовательно, вполне достижимо.

Формула из обре тания

1587429 мощности о(z „„, велики из-за взаимодействия КВЧ вЂ излучен с биологичес— кой средой в зоне наименьшей толшины стенок цилиндров (эта зона обозначена пунктиром), причем толщина в этом

5 положении ципиндров 2 и 3 гораздо меньше половины эффективного диаметра ДВ.

Во всех промежуточных взаимных положениях цилиндров 2 и 3 коэффициент e Z принимает также промежуточм и и 2 ((,с д < у l r p ич p M необходимое оптимальное значение c( для достижения максимальной производи — 15 тельности микроволновой обработки биологической среды может быть выбрано путем плавного поворота цилиндров .2 и 3 один относительно другого и стержня 1. 20

При выбранном оптимальном значении (равноэнергетич еского облучения всей поверхности БС, соприкасающейся с наружной поверхностью цилиндра 3, достигают равномерным пос- 25 тоянным вращением цилиндров 2 и 3 относительно оси стержня 1 при неизменном фиксированном взаимном расположении цилиндров 2 и 3.

Вариантом предлагаемого устройства является также его выполнение,ког— да (наружный) цилиндр 3 выполнен с плоским участком (рабочей поверхностью) образующей наружной поверхности (фиг. 3) для исследования плоских биологических систем (гелеобраэной суспенэии микроорганизмов, культуры клеток, биологической ткани и т ° п.). .При этом угловую ориентацию (вокруг оси) цилиндра 3 стабилизиру- 4О межуточных положениях 10 мм " (a(( ют (например, наружными стопорными винтами), а расстояние от плоской поверхности цилиндра 3 до поверхности стержня 1 (именно это расстояние определяет потери err ) регулиру- 45 ют поворотом только цилиндра 2 вокруг стержня 1 при неизменном угловом положении стержня 1 и цилиндра 3. В этом случае облучаемая поверхность

БС (совпадающая с рабочей, плоской 5О поверхностью цилиндра 3) остается всегда горизонтальной и поднимается или опускается в зависимости от угла поворота цилиндра 2 вокруг стержня Устройство для микроволновой обра1. Такой вариант выполнения устройст- ботки биологических систем, выполненва позволяет регулировать и изменять ное в виде диэлектрического волновода распределение ИВЧ-мощности вдоль оси цилиндрической формы, состоящего из стержня 1, т,е, вдоль одной координа- стержня и оболочки, диэлектрическая ты БС, добиваясь как явно выраженных проницаемость которой меньше диэлект1587429

Фиа1

Составитель А. Михайлов

Техред М.Дидык Корректор М,Пожо

Редактор О.Юрковецкая

Заказ 24)7 Тираж 491 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по.изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, И-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101 рической проницаемости стержня, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения производительности .обработки, оболочка выполнена в виде двух взаимно эксцентрических полых цилиндров, установленных с воэможностью вращения один относительно другого и стержня.