电介质准光学测试系统的实现及生物电磁学中的相关研究

论文题目: 电介质准光学测试系统的实现及生物电磁学中的相关研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 物理电子学

作者: 高源慈

导师: 刘盛纲

关键词: 介电常数,准光学开放腔,扫频测量,电磁生物效应

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 电介质材料研究与测量是基础科学研究中一个重要的组成部分。本文就电介质准光腔测试系统的设计与实现及生物电磁学领域的相关问题进行了探讨,主要完成了以下几点理论与实验及应用技术上的工作和创新: 1)从求解平凹型准光学开放腔(平凹腔)内电磁场分布出发,首次采用模式匹配理论对平凹腔与波导的缝隙耦合进行了分析,进而详细推导了平面镜口径、球面镜的曲率半径及腔长等腔体结构参数与基模谐振频率、品质因数、菲涅耳数等腔体性能的函数关系,系统地总结了考虑耦合缝隙尺寸时设计平凹腔的理论依据,根据该理论分析、设计了8mm波段平凹腔,利用HFSS软件对此缝隙耦合的平凹腔模型进行了计算机数值仿真,仿真结果很好地印证了理论计算结果。 2)根据理论模型加工制作了8毫米波段的平凹腔,将平凹腔与标量网络分析仪连接构建了介电参数测试系统;判别了平凹腔各谐振峰的模式数;测试了基模的性能指标;全面分析了影响测试精度的因素;估算了为达到相同测试精度时采用变频方法与变腔长法对频率分辨率或腔长分辨率的要求,由此推断在毫米波段变频方法比变腔长法更容易达到较高的测量精度。 3)由平凹腔内测试介质样品的基本模型出发详细推导了测试理论,辨析了报道中的理论差异,并将理论结果结合平凹腔测试系统对提纯后的核酸碱基、不同材料的细胞培养皿分别进行了测试。然后,针对微扰法具有测试大损耗介电参数能力较强、需要的测试样品量较少的特点,引入微扰理论探讨了准光腔测量大损耗介质的技术,对碳纳米管、石墨分别进行了介电参数测定,并和波导法的测试结果进行了对比。 4)根据目前生物学家和生物化学家对电磁波引起的电穿孔实验的报道,从电磁场在有耗生物电介质中散射的分析角度建立了多层结构的细胞与电磁场互作用的数学模型,根据该模型的数值计算结果探讨了电磁生物效应的频率特性,以此推断中低功率的毫米波不会引起过高的跨膜电压而导致细胞膜的电穿孔。 5)提出将人体组织作为空间辐射器的损耗介质负载考虑到辐射器的设计工作中,对医用微波辐射器性能进行更全面地优化。完成了微波辐射器的设计、加工制作及热图测量,形成了医用微波辐射器的研发体系,通过生产实践证明按照该方案设计的产品在临床应用时具有良好的工作特性。

论文目录:

摘要

Abstract

第一章 前言

1．1 研究背景

1．2 物质介电常数的理论描述

1．3 国内外研究现状

1．4 介质测试与应用研究中值得思考的问题

1．5 本文的研究内容和主要工作

第二章 准光腔的设计和数值模拟

2．1 引言

2．2 平凹腔内电磁场分布的理论分析

2．2．1 波动方程的傍轴近似解

2．2．2 平凹腔稳定振荡条件

2．2．3 平凹腔的基模特性

2．3 平凹腔的结构尺寸设计

2．3．1 平凹腔镜面的损耗计算

2．3．2 矩形波导与平凹腔的耦合分析

2．3．3 平凹腔的品质因数分析与镜面尺寸设计

2．4 平凹腔的数值模拟

2．5 本章小结

第三章 平凹型准光腔测量系统的构建与测试误差分析

3．1 引言

3．2 平凹腔实验系统的构建

3．2．1 平凹腔的制作

3．2．2 平凹腔测试系统

3．2．3 平凹腔的模式测定

3．3 准光腔品质因数的测量

3．3．1 品质因数测量原理

3．3．2 平凹腔Q值测量结果

3．3．3 平凹腔Q值测量精度分析

3．4 本章小结

第四章 准光腔结合标网测量介电参数的实验研究

4．1 引言

4．2 单层介质的准光腔测量

4．2．1 平凹腔单层介质电参数测量理论

4．2．2 大口径培养皿的介电参数测量

4．2．3 碱基的介电参数测量

4．3 准光腔测大损耗介质的探讨

4．3．1 准光腔测大损耗介质的微扰理论

4．3．2 大损耗介质测量的实验研究

4．3．3 大损耗介质测量的实验对比

4．4 本章小结

第五章 生物电磁学领域中的电介质相关问题研究

5．1 引言

5．2 电磁波与细胞互作用的建模分析

5．2．1 细胞模型的建立

5．2．2 细胞跨膜电压的计算

5．3 考虑电介质负载的医用辐射器设计

5．3．1 新型微波理疗辐射器的理论分析与设计

5．3．2 新型微波理疗辐射器的数值仿真分析

5．3．3 新型微波理疗辐射器的制造与测量

5．3．4 新型微波理疗辐射器的辐射热图测量

5．4 本章小结

第六章 未来工作展望

全文总结

参考文献

致谢

作者在攻读博士学位期间发表的主要论文

发布时间: 2005-09-23

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