Содержание
Аннотация 3
1. Введение 4
2. Обзор литературы по УВЧ-электродам 6
3. Теоретическая часть 18
1. Получение необходимых соотношений
2. Результаты теоретического исследования
4. Экспериментальная часть 33
1. Методы экспериментального исследования ЗС
2. Метод измерения дисперсионных характеристик
3. Технические данные прибора Х1-42
4. Снятие экспериментальных данных
5. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных
исследований 41
6. Конструкция предполагаемого УВЧ-электрода 43
7. Охрана труда 46
1. Оценка возможных опасных и вредных факторов
2. Охрана труда при реализации проекта
3. Расчёт защитного экрана от СВЧ-электрода
8. Экологическая часть 76
1. Влияние СВЧ-электрода на население
9. Экономическая часть 88
10. Заключение 93
11. Список литературы 94
Аннотация
Выпускная квалификационная работа состоит из введения, обзора литературы по УВЧ-электродам, четырёх основных глав, охраны труда, экологической и экономической части, заключения и списка литературы.
В данной работе были исследованы теоретические и экспериментальные характеристики связанных цилиндрических спиралей и в результате были определены геометрические параметры замедляющей системы для разработки на её основе излучателя для УВЧ-физиотерапии с рабочей частотой 40 МГц и размером наружного диаметра 23 мм.
В экологической части и охране труда было оценено влияние излучения на человека и его защита.
В экономической части был произведён примерный расчёт стоимости данного проекта.
1. Введение
В данной дипломной работе исследуется возможность создания малогабаритных устройств (излучателей) для использования в медицине, в геологии, в физических исследованиях, в промышленности, в нагревательных установках, для контроля физических параметров материалов и окружающей среды, а также для обнаружения скрытых предметов и неоднородностей в электродинамических плотных средах.
Наиболее важными примерами применения являются следующие:
Физиотерапевтическое лечение людей и животных, а также радиоволновая диагностика различных заболеваний;
Обеспечение эффективного излучения и приема электромагнитной энергии при микроволновой топографии;
Обнаружение скрытых предметов и разведка недр;
Технологические процессы электромагнитного нагрева грунта, строительных материалов, жидкостей и других объектов большой толщины;
Радиосвязь в воде и под землей.
В качестве базовых были взяты двухпроводные спиральные замедляющие системы. Исследуемые малогабаритные излучатели созданы на основе новых подходов к использованию замедляющих структур и нетрадиционных конструктивных принципов введения в указанные излучатели электромагнитной энергии, что позволило отказаться от использования в них керамического заполнения.
Воплощенные в новых конструкциях оригинальные технические идеи позволяют:
Обеспечить точную локализацию электромагнитной энергии в облучаемом участке тела;
Обеспечить доступ к облучаемому участку тела только поля волны магнитного типа;
Установить излучатель вплотную к облучаемому (исследуемому) участку объекта;
Изменять площадь зоны облучения при нагруженном воздействии, выбирая переменный по длине излучателя зазор между излучателем и поверхностью облучаемого (исследуемого) участка объекта.
Малогабаритные излучатели безопасны для медперсонала и пациентов. Излучение энергии не происходит, если излучатель не приложен к общему участку. Существенно снижен уровень излучения микроволновой энергии в окружающее пространство.
Повышают комфортность проводимого лечения: малый вес, большой набор излучателей разных размеров с различным распределением электромагнитного поля, что позволяет обеспечить оптимальное воздействие на пораженный участок тела и повысит эффективность проводимой терапии.
Дешевы и высокотехнологичны. Новый метод создания замедляющих структур и принципов их возбуждения позволит достичь высокий точности изготовления, что исключает разброс параметров. Не требуется настройка излучателя на рабочую частоту в процессе производства и при эксплуатации.
В данной работе исследуется теоретические и экспериментальные характеристики малогабаритных излучателей.
Постановка задачи.
Исследовать теоретические и экспериментальные характеристики связанных цилиндрических спиралей.
В результате исследований определить геометрические параметры замедляющей системы (связанных цилиндрических спиралей) для разработки на ее основе излучателя для УВЧ-физиотерапии с рабочей частотой 40МГц и размером наружного диаметра 23мм.
2. 0бзор литературы по УВЧ - излучателям
В последние годы все более актуальной становится проблема конверсии СВЧ - техники, отличающейся высокой стоимостью и конструктивной сложностью. В этой связи необходимо более широко применять электромагнитный нагрев и создавать приборы на основе систем с распределенными постоянными, в частности замедляющих систем, позволяющих конструировать малогабаритные устройства на относительно низких частотах (вплоть до единиц мегагерц). При этом речь идет о многократном уменьшении резонансных размеров элементов, что существенно увеличивает эффективность использования.
Замедление электромагнитной волны позволяет значительно уменьшить резонансные размеры элементов, а также концентрировать электромагнитную энергию около поверхности.
Варьируя частоту волны, замедление или конфигурацию замедляющей системы, можно изменять область концентрации энергии и характер ее распределения.
Замедление и затухание волны существенно зависят от параметров окружающей среды, а также от расстояния между проводниками замедляющей системы, что позволяет создавать принципиально новые измерительные устройства.
Волновые сопротивления замедляющих систем можно изменить в более широких пределах, чем сопротивления волноводов и полосковых линий, что наряду с фильтрующими свойствами существенно расширяет функциональные возможности замедляющей системы.
Особый интерес представляют связанные замедляющие системы, позволяющие получить очень большое замедление, которые, как и поперечная структура поля зависят в таких системах от типа возбуждаемой волны; при этом можно добиться практически полного пространственного замедления энергий электрического и магнитного полей.
Добротность резонансных элементов на связанных замедляющих системах практически не зависит от замедления и, следовательно, от степени миниатюризации этих элементов.
При фазовых скоростях волны (v) в замедляющей системе, больших скорости света в окружающей среде, возникает направленное излучение, реализуемое при поперечных размерах системы, существенно меньших размеров спиральных антенн. Указанные выше особенности замедляющей системы сделали возможным создание на их основе функциональных элементов радиоэлектронных схем, помехозащищающих фильтров, антенн, нагревателей, чувствительных элементов датчиков, обладающих новыми уникальными свойствами.
Эффект излучения нашел применение так же при создании нового поколения СВЧ - излучателей для физиотерапевтического воздействия. Уникальные возможности для осуществления связи в плотных средах, глубокого прогревания грунта и проведения физиотерапевтических процедур возникают при использовании антенн на поверхностных волнах. Принцип их действия состоит в том, что при замедлении n, меньшем  , в диэлектрике под углом φ к нормали, определяемым соотношением,  происходит интенсивное излучение волны.
Концентрация энергии поля в связанных замедляющих системах позволяет осуществлять локальную физиотерапию на частотах 27 и 40 МГц, а также создавать эффективные коагулирующие скальпели, работающие на частотах 2,4 ГГц и 915 МГц.
Современный уровень технологии и производства излучателей аналогичного функционального назначения (для микроволновой терапии) за рубежом и в России находятся примерно на одинаковой высоте.
Для более подробного сравнения исследуемого прибора с аналогами, ниже приводятся описания некоторых из них.
«Электрод для ВЧ и СВЧ терапии полостных органов».
Авторское свидетельство СССР # 12665548 А16 # 1/06 1985г.
Электрод, содержащий коаксиальный резонатор, соединенный с вводом электромагнитной энергии, отличающийся тем, что с целью повышения лечебного эффекта за счет обеспечения аксиально-несимметричного распределения интенсивности нагрева, внутренний проводник выполнен в виде цилиндрической спирали, внешний в виде цилиндра с продольной щелью, угловой размер которой плавно увеличивается от нуля на конце электрода со стороны ввода электромагнитной энергии до 180-360̊ на противоположном конце электрода.
Недостаток - слабая излучательная способность вследствие концентрации электромагнитного поля между внутренним и внешним проводниками.
На рис.2 представлена конструкция предлагаемого электрода; на рис.3 - сечение I на рис.2; на рис.4 - сечение по А-А на рис.2
1 - внутренний проводник,
2 - диэлектрическая втулка,
- внешний проводник,
- ввод электромагнитной энергии,
- металлическая скоба,
- диэлектрическая втулка.
Радиусы «а» внутреннего проводника 1 и «в» внешнего проводника 3 выбираются исходя из получения в месте подсоединения к коаксиальному вводу 4 волнового сопротивления z0, равного волновому сопротивлению коаксиального ввода 4 (50 или 75 Ом). При таких относительно низких волновых сопротивлениях, волновое сопротивление спиральной замедляющей системы, определяется выражением:
Где ε - относительная диэлектрическая проницаемость втулки 6.
-
Рисунок 2
|
Рисунок 3
|
Рисунок 4
|
«Однонаправленный излучатель с пассивным апериодическим отражателем».
М.Кл. А61 #5/02 11.4.1973.
Однонаправленный излучатель с пассивным апериодическим отражателем, выполненный в виде отрезка изогнутой поверхности, отличающейся тем, что с целью использования излучателя, в качестве малогабаритного аппликатора облегающего типа при ДЦП - терапии, изгиб отражателя выполнен поперек направления оси вибратора в целом.
Вибратор выполнен из проводника, изогнутого в двух плоскостях.
На рис.5 изображен описываемый излучатель, общий вид; на рис.6 - то же, вид сверху.
Однонаправленный излучатель содержит вибратор 1 с построечными пластинами 2 и апериодический отражатель 3.
При проведении процедуры излучатель вплотную накладывают на облучаемый сустав или другую часть конечности, и, таким образом, создают вокруг облучаемой части конечности электромагнитное поле.
Рисунок 5
|
Рисунок 6
|
«Излучатель аппарата для микроволновой терапии»
Излучатель, содержащий металлическую трубку с коаксиально расположенным проводником, согласующий трансформатор и высокочастотный разъем, отличающийся тем, что с целью уменьшения рассеяния энергии в окружающее пространство, ограничение области облучения тела и повышения точности дозиметрии на конце коаксиального волновода укреплен металлический стакан с крышкой из высокочастотного диэлектрика, непосредственно соприкасающийся с поверхностью тела, а возбуждающийся штырь расположен в полости стакана.
На рисунке 7 показана схема устройства.
Волноводный излучатель представляет собой отрезок цилиндрического волновода 1, диаметр 11,5 см. Перпендикулярно оси волновода 1 на расстоянии четверти волны от его закороченного конца присоединена жесткая коаксиальная линия, состоящая из трубки 2 и центрального проводника 3. Для согласования входного сопротивления кабеля применен четвертьволновой трансформатор 4. Излучающая поверхность волновода закрыта крышкой 5. Для подключения излучателя с аппаратом имеется ВЧ разъем 6.
Рисунок 7
|
«Излучатель для аппаратов микроволновой терапии»
М.Кл. А61 # 5/02 25/12/1980
Изобретение относится к медицинской технике, а именно к излучателям для аппаратов микроволновой терапии и предназначено для физиотерапии внутриполостных восстановительных процессов, в частности, в отоларингологии при заболеваниях наружного и среднего уха. Его цель - улучшение терапевтического эффекта путем повышения дозирования.
Излучатель для аппаратов микроволновой терапии, содержащий заключенный в кожух четвертьволновый несимметричный диполь и питающий кабель, отличается тем, что с целью улучшения терапевтического эффекта путем повышения точности дозирования, он снабжен кольцевой поглощающей вставкой, установленной за диполем на питающем кабеле, а последний выполнен из высокочастотного диэлектрика.
На рис. 8 изображен чертеж излучателя в разрезе.
Рисунок 8
|
«Аппарат для терапии полем дециметровой волн».
М.Кл. А61 # 5/00 13.11.1973.
Аппарат для терапии полем дециметровых волн, содержащий автогенератор, блок питания, блок автоматики, дипольный излучатель с экраном, отличающийся тем, что с целью обеспечения постоянства дозы высокочастотной энергии при любой ориентации облучаемых частей тела, он снабжен измерителем мощности, а дипольный излучатель выполнен в виде ассиметричного сочетания не менее четырех плеч шириной 0,04-0,05, расположенных на расстоянии 0,24-0,25 на экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде ассиметричного сочетания четырех плеч шириной 0,04 - 0,05, расположенных на расстоянии 0,24 - 0,25 над экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде ассиметричного сочетания не менее четырех плеч шириной 0,04 — 0,05, расположенных на расстоянии 0,24 - 0,25 над экраном, имеющим коническую форму. Измеритель мощности выполнен в виде одного плеча направленного ответвителя, ориентированного на измерение падающей мощности.
На рисунке 9 изображена блок-схема описываемого аппарата; на рисунке 10 принципиальная схема измерителя мощности.
Аппарат содержит: Рис.9: 1 - автогенератор, колебательная система которого выполнена в виде двух коаксиальных контуров, расположенных по одну сторону от лампы 2 - измеритель, проходящий к пациенту 7 - коаксиальный кабель 14 - измеритель, имеющий два диполя, расположенных под углом 90 градусов друг к другу, 22 - блок питания аппарата, включающий в себя автотрансформатор и выпрямитель 23 - блок автоматики аппарата, содержащий биметаллическое реле выдержки времени, промежуточное и исполнительное реле, сигнальные лампы, процедурные часы с зуммером рис.10:
- петлевой коаксиальный направленный ответвитель, ориентированный на измерение падающей мощности.
- термопреобразователь энергии высокой частоты в энергию постоянного тока
6 - отрезок стандартной коаксиальной линии
8 - центральный проводник вторичного канала, представляющий собой петлю связи, нагруженную с одной стороны 4, с другой на резистор 9.
10 - резистор для согласования низкоомного сопротивления подогревателя с волновым сопротивлением вторичного канала
11, 12 - резисторы для калибровки шкалы 5 - измерительного прибора 13 - цилиндрический экран, укрепленный на 6
Рисунок 9
|
Рисунок 10
|
Теперь сравним исследуемое нами устройство с другими аналогами.
Необходимо отметить что, замедление электромагнитной волны вызывает концентрацию электромагнитного поля около поверхности замедляющей системы. Благодаря этому волна может распространяться около одного электрода без излучения в пространство.
Замедляющие системы все более широко проникают в область технологического нагрева благодаря удачному сочетанию положительных качеств антенных излучателей и параметров замедляющих систем.
В существующих излучателях имеется возможность локального нагрева больших объектов. В конструкции излучателей отсутствуют согласующие устройства в виде отрезков круглых волноводов с впадиной под прямым углом к коаксиальной линии длиной до 150 мм. От того, насколько точно выдержаны размеры волновода и коаксиала, зависит качество излучателя, характеризующее его согласование с трактом, то есть коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН), который определяет точность дозирования излучаемой мощности и является одной из характеристик излучателя.
В существующих излучателях круглый волновод для уменьшения размеров заполнен керамикой с высокой диэлектрической проницаемостью и малыми потерями. Величина диэлектрической проницаемости определяет расстояние от места пайки волноводов до закороченной стенки круглого волновода, которое должно составлять 1/4 рабочей длины волны. Несоблюдение рецептуры керамической массы вызывает изменение диэлектрической проницаемости, а это, в свою очередь, при неизменности расстояния до закороченной стенки, вызывает рост КСВН (КСВН определяет точность дозирования излучаемой мощности).
Производство керамических вставок является длительным и трудоемким процессом. Только для приготовления керамической массы и изготовления из нее заготовок требуется 8 операций и 15 единиц технологического оборудования, при этом каждая операция нуждается в контроле. Отжиг готовых заготовок требует 16,5 часа, несоблюдение графика отжига приводит к появлению в керамике трещин или пустот, длинные керамические стержни могут иметь прогиб. Все это ведет к увеличению КСВН и снижению качества излучателей.
На обожженную керамическую вставку необходимо нанести серебряную пасту. Максимальный нагрев приходится на границу серебра и керамики, что не всегда соответствует расположению пораженного участка. Изменить распределение поля по длине участка невозможно. Диаметр полостных излучателей не может быть сделан менее 15 мм. Излучатель невозможно изгибать под нужным углом, что бывает крайне необходимо при использовании его в ряде случаев практической физиотерапии.
Известные полостные излучатели имеют аксиально-симметричное распределение поля, поэтому, например, при воздействии на предстательную железу, облучению подвергаются как пораженные ткани, так и здоровые. В известных конструкциях принципиально невозможно получить аксиально-несимметричное распределение поля.
У известного излучателя для микроволновой терапии, содержащего металлическую трубку с коаксиально расположенным проводником, согласующий трансформатор и высокочастотный разъем, расположенные в металлическом стакане с крышкой из высокочастотного диэлектрика существует недостаток, который заключается в больших размерах излучателя, приводящих к увеличению облучаемой области, а также недостаточной эффективности воздействия из-за отражения энергии от тела, вызванного большой диэлектрической проницаемостью последнего.
Наиболее близким к предполагаемому является излучатель, содержащий диэлектрический корпус, на котором установлен коаксиальный ввод энергии, соединенный с коаксиальным резонатором, внешний проводник которого выполнен в виде цилиндрической спирали и диэлектрический колпачок, фиксирующий зазор между спиралью и поверхностью тела. Недостатком этого устройства является необходимость обеспечивать зазор между излучающим проводником замедляющей системы и поверхностью тела, что сопровождается уменьшением эффективного излучения.
Таким образом, не существует излучателей, могущих осуществлять такой способ излучения (приема) электромагнитной энергии высоких и сверхвысоких частот, который позволяет увеличить эффективность излучения при физиотерапевтическом воздействии, диагностике и других процессах, связанных с излучением электромагнитной энергии в биологические тела и другие диэлектрические объекты, а так же приемом излучения из указанных объектов, что влечет за собой расширение сферы использования излучателей и их функциональных возможностей.
Предложенный излучатель позволяет реализовать такой способ излучения (приема) электромагнитной энергии высоких и сверхвысоких частот.
Поставленная задача решается тем, что при реализации способа излучения (приема) электромагнитной энергии в биологические тела (из тел) и другие диэлектрические объекты снаружи (внутрь) облучаемого объекта вдоль поверхности касания располагают излучатель, в котором формируют замедленную электромагнитную волну гибридного типа с фазовой скоростью, превышающей скорость распространения плоской волны в объекте, и обеспечивают доступ к облучаемому участку объекта только поля волны магнитного типа, экранируя облучаемый участок тела от поля волны электрического типа.
|
