Устройство для микроволновой обработки биологических систем

Н У С 8 ИДЕТЕЛ СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЭ(56) Авторское У 1436033, кл. видетельст 01 Н 22/О о элементамройств. /ПЭнергия раво эле х де 8,улина с 54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙБРАБОТКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ57) Изобретение относится к технике 71) Харькическогоика" и Хаации и злозяйства ск ор ко ества моло ский инсти Ьикации се А.В,БутенкА.Мартынов(088.8) о СССР 1987 радио СВЧ-измерений и может быть использовано для исследования воздействияКВЧ-излучения (37-78 ГГц) на биологические обьекты. Цель изобретенияповышение производительности обработки. Устройство содержит диэлектрический волновод цилиндрической формы,состоящий из стержня .1 и двух взаимно эксцентрических полых цилиндров2 и 3, образующих оболочку, диэлектрическая проницаемость которой меньше диэлектрической проницаемостистержня 1, Цилиндры 2,3 установленыс возможностью вращения один относительно другого и относительно стержня 1, Цель достигается путем регулирования и оптимизации продольногокоэффициента затухания КВЧ-энергиивдоль оси диэлектрического волновода.3 ил.Изобретениеотносится к устройствам для облучения биологических систем радиоволнами СВЧ-диапазона и может быть использовано для исследова 5ния воздействия КВЧ-излучения (37 -78 ГГц) на биологические объекты,Целью изобретения является повыше ние производительности обработки путем регулирования и оптимизации продольного коэфАициента затухания ЫКВЧ-энергии вдоль оси ДВ.На Аиг,1 и 2 показано устройстводля микроволновой обработки биологических систем при двух различных положениях цилиндров относительностержня, разрез; на Аиг. Э - один извариантов устройства.Устройство состоит из стержня 1и первого 2 и второго 3 цилиндров.Устройство работает следующим образом.Цилиндры 2 и 3 выполнены из одного материала: радиопрозрачного диэлектрика, диэлектрическая проницаемость которогоменьше диэлектрической проницаемости Я, материала стержня 1. Цилиндр 2 надет настержень 1, а цилиндр 3 надет на цилиндр 2 и выполнены с возможностьювращения один относительно другоготаким образом, что цилиндр 2 вращается относительно стержня 1, а цилиндр 3 - вокруг цилиндра 2. Вовремя работы устройства стержень 1вместе с цилиндрами 2 и 3 расположены в облучаемой биологической среде(БС), При расположении цилиндров 2и 3, как показано на Аиг.1,устройство эквивалентно обычной круглой диэлектрической линии передачи,так какпрактически вся КВЧ-энергия сосредоточена вблизи поверхности стержня 1внутри цилиндров 2 и 3, которые (всовокупности) Аормируют равнотолшинную оболочку свокругстержня 1 с Я,) Е,Оптимальным режимом микроволновойобработки БС является такой режим,при котором КВЧ-мощность равномерно50распределена по всей поверхности БСс плотностью потока мощности 10 мкВт//см , которая является энергетическим порогом чувствительности простейших биологических систем (споры,микроорганизмы и т.п.).Продольный вдоль оси стержня,погруженного в биологическую среду,коэААициент 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 поверхностнаямощность гораздо больше требуемой(10 мкВт/см ), а падение мощностивдоль стержня по этой же причинедостаточно велико и, следовательно,эААективный облучаемый объем БС)1 О мкВт/см ) мал,Максимальная производительностьустройства - количество БС, поглощающей в течение необходимого времениКВЧ-энергию, достижима при вполнеопределенном значении С(, которое2зависит от свойств облучаемой среды,геометрических размеров стержня имощности КВЧ-генератора.Оптимизацией коэААициента с( мож 2но добиться максимальной производительности устройства:1 Р= --- е2 Р,МОКСгде е - число Непера (основание натурального логарифма);Р - мощность КВЧ-генератора;Р - пороговая плотность потока КВЧ-мощности для биологической среды (Р 10 мкВт/см= О,1 Вт/м).При этом максимальный объем облучаемой БСРг7макс Р е фигде 4 - поперечный (вдоль оси Х, нормальной к оси Е, вглубь БС) коэА- фициент затухания ( о(= 2 1 О м " ).При распространении вдоль электрического волновода поверхностной КВЧ-волны большая часть КВЧ-энергии сконцентрирована в так называемом эА- фективном диаметре который, как правило, в полтора - два раза превышает диаметр центрального диэлектрического стержня, При наружном диаметре цилиндра 3, большем, чем эфАективный диаметр диэлектрического волновода ДВ, потери КВЧ-энергии е з мин малы, так как взаимодействие КВЧ-поля с БС практически отсутствует,При расположении ципиндров 2 и 3, как показано на Аиг,2, потери КВЧэкспоненциальных зависимостей КВЧмощности (при больших о( ), так ипочти равномерного (вдоль оси 2) облучения БС (при малых а ;в этом случае могут быть реализованы методики,использующие стоячие волны КВЧ-излучения),При конкретном выполнении предлагаемого устройства диаметр стержняравен, например, 7 мм, а сам стержень изготавливают из плавленногокварца марки КВ ( Я., = 3,8). Цилиндры2 и 3 изготавливают из тефлона (Я =а2) или пенопласта ( Е = 1,8) Приэтих Я, и сэффективный диаметрполучаемой диэлектрической линии передачи на частоте 37 ГГц составляет15 мм (в пределах этого диаметрасконцентрировано 95 НВЧ-мощности, передаваемой по ДВ). Диаметр первого цилиндра 2 выбирают равным 15 мм,а расстояние между наружной образующей поверхности цнпиндра 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 цилиндра3 выбирают равным 30 мм, а расстояние между осями цилиндров 2 и 3 -равным 7 мм. Тогда при расположениицилиндров, как показано на фиг.1,диаметр ДВ равен 30 мм (т.е. вдвое больше указанного значения), а с10 мм . При расположении цилиндров, как показано на фиг.2, толщинадиэлектрической оболочки, отделяющейстерженьот БС, со:тавляет всего1 мм о , с 0,61 мм-" . Во всех про(0,1 мм-,Расчет показывает, что для достижения максимальной производительности значение с( должно быть (приуказанных условиях и параметрах уст-Ьройства) порядка О мм -, что, какследует из приведенных оценок,находится в пределах регулирования устройства и, следовательно, вполне достижимо,Формула изобретения 55587429мощности о(, велики из-за взаимодействия КВЧ-излучения с биологической средой в зоне наименьшей толщиныстенок цилиндров (эта зона обозначена пунктиром), причем толщина в этом5положении ципиндров 2 и 3 гораздоменьше половины эффективного диаметра ДВ.Во всех промежуточных взаимныхположениях цилиндров 2 и 3 коэффициент а принимает также промежуточные значения: сс ( о(,причемнеобходимое оптимальное значение с(для достижения максимальной производи тельности микроволновой обработки биологической среды может быть выбранопутем плавного поворота цилиндров.2 и 3 один относительно другого истержня 1. 20При выбранном оптимальном значении о( равноэнергетического облучения всей поверхности БС, соприкасающейся с наружной поверхностью цилиндра 3, достигают равномерным постоянным вращением цилиндров 2 и 3относительно 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 сплоским участком (рабочей поверхностью) образующей наружной поверхности (фиг.3) для исследования плоских биологических систем (гелеобраэной суспенэии микроорганизмов, культуры клеток, биологической ткани ити,). При этом угловую ориентацию(вокруг оси) цилиндра 3 стабилизиру омежуточных положениях 10мм- ( ( ( ют (например, наружными стопорнымивинтами), а расстояние от плоскойповерхности цилиндра 3 до поверхности стержня 1 (именно это расстояние определяет потеРи а ) Регулируют поворотом только цилиндра 2 вокруг стержня 1 при неизменном угловомположении стержня 1 и цилиндра 3. Вэтом случае облучаемая поверхностьБС (совпадающая с рабочей, плоской 50поверхностью цилиндра 3) остаетсявсегда горизонтальной и поднимаетсяили опускается в зависимости от углаповорота цилиндра 2 вокруг стержня Устройство для микроволновой обра. 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 диэлект