книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике
.pdfСВЧ-ЭНЕРГЕТИКА
Под редакцией
Э. ОКРЕССА
ТОМ 3
ПРИМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
ВМЕДИЦИНЕ, НАУКЕ
ИТЕХНИКЕ
Перевод с английского
В. Г, ЛЛЫВИНЛ. Л. А. МУЗЕУС » 3 . Я. ПАСТРОНА
Под редакцией Э. Д. Ш Л И Ф Е Р А
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР»
МОСКВА 1971
М К Ж М А У Е РОШЕР ЕЫ01ЫЕЕР1Ш
Е<Ме<1 Ьу ЕКЫЕ5Т С. ОККЕ55
5РБ ЬаЪога1ог1ез 1псогрога1ес1 А ЗиЪз^агу оГ Уапап Аз80с1а1е5 1Лп 1 о п , Ыеш Легзеу
У О Ы 1М Е 2
АРРЫСАТЮЫ5
АСАБВМ1С Р Р Е 58 |
1ЛМБОЫ |
ЫЕ^Г УОРК |
|
1963 |
|
Рассмотрены взаимодействие СВЧ-колебаний с био логическими субстанциями, в частности с тканями ор ганизма, и вопросы СВЧ-терапии и диагностики. Описа ны наряду с применениями в военной технике при менения СВЧ-энергии в ядерной физике, в области синтеза веществ и ускорения химических реакций,
врешении проблем управления термоядерной реакцией
исоздания устройств непосредственного преобразова ния СВЧ-энергии в механическую энергию.
Редакция литературы
Инд. 3-3-12
СВЧ-ЭИЕРГЕТИКА
ТОМ 3
Редактор Я . В. Серёгина
Художественный редактор В. М. Варлаишн
Технический редактор Ф. X. Третьякова, Г. Б. Алюлина
Сдано в набор 27/У 1971 г. Подписано к печати 13/1Х 1971 г.
Бум. ки. жури. 84ХЮ8,/м*3.88 бум. 13,02 уел. печ. л..
Уч.мнзд. л. 11,97. Изд. .А® 20/6245. Цена 1 р. 50 к. Зак. 677.
ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» Москва, 1-й Рижский пер., 2
Московская типография № 11 Главлолнграфпрома Комитета по печати при Совете Министров СССР, Москва, 88, Угрешская. 12.
От редактора русского нзданн |
|
|
б |
Глава 5. Примем |
|
|
|
5.2. СВЧ-бнофизика |
|
|
7 |
5.2.1. Введение .................................................................... |
|
|
7 |
5.2.2. Радиационная биологмя, применения в медицине |
|
||
и опасности, связанные |
соблучением . . . . |
9 |
|
5.2.3. Применение СВЧ в биологических исследованиях |
33 |
||
5.2.4. Выводы................................................................................. |
|
|
44 |
5.3. Применение СВЧ-энергии в авиакосмической и военной |
|
||
технике . , |
|
|
46 |
5.3.1. Введение ....................................................................... |
|
|
46 |
5.3.2. Мощные электровакуумные приборы |
для фазиро |
|
|
ванных антенных решеток........................................... |
|
50 |
|
5.3.3. Сравнение варианта «усилитель на группу эле |
|
||
ментов антенны» с вариантом «отдельный усили |
|
||
тель на каждый элементантенны» |
|
60 |
|
5.3.4. Сфокусированная энергия С В Ч .............................. |
|
68 |
|
5.3.5. Питание аэрокосмических летательных аппара |
|
||
тов энергией СВЧ . . . |
|
|
77 |
5.3.6. Синтез мощных шумов |
|
|
100 |
5.3.7. Выводы.............................. |
|
|
109 |
5.4. Электронные СВЧ-ускорители |
|
|
ИЗ |
5.5. Ионизованные газы |
|
|
155 |
5.5.1. Введение..................................................... |
|
|
155 |
5.5.2. Химические реакции в СБЧ-разряде...................... |
159 |
||
5.5.3. Нагрев плазмы и ее удержание — управляемая |
|
||
термоядерная реакция |
......................................... |
|
182 |
5.5.4. Сверхвысокочастотные |
реактивные |
плазменные |
|
двигатели |
|
|
205 |
5.6. СВЧ-динамика |
|
|
223 |
5.6.1. Введение . . |
|
|
223 |
5.6.2. СВЧ-двигатели |
|
|
224 |
5.6.3. Волноводный транспорт |
|
|
236 |
Указатель авторов |
|
|
246 |
ОТ РЕДАКТОРА РУССКОГО ИЗДАНИЯ
Выпуском третьего тома завершается издание книги «СВЧ-энергетика».
Впервых двух томах этой книги были рассмотрены состояние современной техники в области генерирования, передачи и выпрямления, а также вопросы применения СВЧ-энергии в различных процессах, используемых в промышленности.
Втретьем томе читатель найдет разнообразную инфор мацию о применении энергии СВЧ-колебаний в биофизи ке, физике и медицине, аэрокосмической технике, плаз менной химии и ряде других областей.
Непрерывное расширение сферы применения СВЧколебаний приводит к появлению новых терминов, кото рые подчас кажутся весьма произвольными и даже объеди няющими не вполне совместимые в прошлом понятия. При переводе это обстоятельство вызывало определенные трудности. Тем не менее ряд таких терминов и кратко сформулированных понятий, не имеющих прямого экви валента в русском языке, пришлось сохранить (напри мер, «СВЧ-динамика», «СВЧ-биология» и др.). На это читатель, вероятно, обратил внимание еще при прочте нии первого и, особенно, второго томов.
Содержание третьего тома охватывает лишь те области применения СВЧ-энергии, в которых уже накоплен опре деленный опыт. О некоторых других применениях в тех
случаях, где это сочтено целесообразным, упоминается в примечаниях.
Перевод третьего тома выполнен В. Г. Алыбиным (разд. 5.5), Л. А. Музеус (разд. 5.4 и 5.6) и Э. Я- Пастроном (разд. 5.2—5.3).
Э. Ш л и ф е р
Глава 5
ПРИМЕНЕНИЯ
5.2. СВЧ-БИОФИЗИКА
5.2.1. ВВЕДЕНИЕ Ш в а н
За последние два десятилетия появилось множество различных применении техники СВЧ в медицине и био логии. Все эти применения можно классифицировать следующим образом:
А. Проблемы СВЧ-медицины. 1. СВЧ-диатермия. Энергию СВЧ эффективно используют для лечения не которых заболеваний проникающим теплом.
2.Опасность излучения радиолокационных систем. По результатам обширных исследований разработаны пре дельно допустимые уровни облучения для обслуживаю щего персонала.
3.Применение в диагностике. Применение энергии СВЧ в диагностических целях пока еще исследовано не достаточно. Однако эффект затухания СВЧ-энергии в ор
ганизме человека использовали для выявления некото рых физиологических характеристик организма.
Б. Проблемы СВЧ-биологии. 1. Электрические свой ства. Определяемые на сверхвысоких частотах электри ческие свойства биологически важных соединений связа ны с некоторыми общими характеристиками биологиче ских систем, такими, как содержание воды, макромоле^ кул, липидов ит. п. Таким образом, по измерениям ди электрической проницаемости и проводимости на СВЧ часто молено определять некоторые свойства тканей. Зна ние электрических свойств тканей является обязательной предпосылкой для решения многих задач медицины, и п частности тех. которые сформулированы в п. Л. Кром^
того, важно понимать, как эти свойства связаны со струк турой и функциями исследуемой биологической системы.
2. СВЧ-методы исследования «связанной» воды. Ди электрические проницаемости суспензий, содержащих макромолекулы, на СВЧ зависят от состояния воды, свя занной с поверхностью макромолекулярных структур в растворе. СВЧ-мётоды исследования связанной воды спо собствуют изучению структуры нормальной и связанной воды и лучшему пониманию взаимодействия макромоле кулярных компонентов, таких, как ферменты и белки, с окружающей их средой.
На сегодняшний день опубликовано много экспери ментальных данных по диэлектрической проницаемости и проводимости. Они характеризуют поведение тканей и суспензий, содержащих клетки и макромолекулы, во всем СВЧ-диапазоне. При этом оказывается возможным также связать эти параметры со структурой и составом биологических систем. Таким образом, в настоящее вре мя в большинстве случаев известны биофизические пара метры, которые управляют основными процессами взаимо действия и поглощения сверхвысоких частот в тканях. Знание этих параметров — необходимое условие для пол ного понимания биологического воздействия СВЧ и, кроме того, может оказаться полезным для разработки некоторых диагностических методов.
И все же полная цепочка явлений, которые опреде ляют положительный эффект СВЧ-терапии, пока остается неясной. Представляется вероятным, что терапевтиче ское действие обусловлено в первую очередь физиологиче скими процессами, стимулируемыми тепловой энергией СВЧ. Однако подробная картина изменений в кровоснаб жении и процессах метаболизма, вызываемых СВЧ-облу- ^ением, далеко не ясна. Поэтому об эффективности СВЧдиатермии в основном все еще судят на основании кли нического опыта. Относительно вредного действия СВЧ и источников опасности такого облучения наши знания более обширны. Многочисленные экспериментальные и теоретические работы в данной области хорошо дополняют друг друга, в результате чего оказалось возможным сфор мулировать предельно допустимые нормы СВЧ-облуче- ния.
5.2.2. РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ,
ПРИМЕНЕНИЯ В МЕДИЦИНЕ И ОПАСНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С ОБЛУЧЕНИЕМ
Шв а н
1.Электрические свойства тканей
на СВЧ
Для полного понимания процессов взаимодействия электромагнитного излучения с тканями тела человека надо знать электрические свойства этих тканей. Если такие свойства известны, то легко определить коэффи циенты поглощения, коэффициенты отражения на гра ницах между различными тканями, величину нагрева тканей, суммарное количество энергии, поглощаемой телом, и характеристики рассеяния.
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
Диэлектрическая |
проницаемость тканей тела при 37 °С |
|||||
|
|
|
Частота, Мгц |
|
|
|
|
100 |
200 |
400 |
1000 |
3000 |
8500 |
Мышцы |
71—76 |
56 |
52—54 |
49—52 |
45—48 |
4 0 -42 |
Сердечная |
|
59—63 |
52—56 |
_ |
_ |
_ |
мышца |
|
|||||
Печень |
76—79 |
50 -56 |
44-51 |
46—47 |
42—43 |
34 -38 |
Селезенка |
100—101 |
— |
— |
— |
— |
— |
Почки |
87—92 |
62 |
5 3 -55 |
— |
— |
— |
Легкие |
— |
35 |
35 |
— |
— |
— |
Кожа |
65 |
— |
46—48 |
43—46 |
40—45 |
36 |
Мозг . |
81 -83 |
— |
— |
— |
— |
— |
Жировая |
_ |
4 ,5 - 7 ,5 |
4—7 |
5,3—7,5 |
3,9—7,2 |
3 ,5 - 4 ,5 |
ткань |
||||||
Костный |
|
|
|
4,3 —7,3 |
4,2—5,8 |
4,4—5,4 |
мозг |
- |
- |
— |
|||
В табл. |
1 и 2 приведены значения относительной ди |
электрической проницаемости е и удельного сопротив ления р, выраженного в единицах ом-см, для различных тканей. На основании этих данных можно сделать сле дующие выводы:
1. По своим электрическим свойствам все ткани можно разделить на две большие группы:
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
Удельное сопротивление тканей тела при 37 °С |
|
|||||
|
|
|
Частота, Мгц |
|
|
|
|
100 |
200 |
400 |
1000 |
3000 |
8500 |
Мышцы |
— |
95— |
85—90 |
75—79 |
4 3 -4 6 |
12 |
Сердечная |
|
105 |
|
|
|
|
|
95— |
85— 100 |
|
|
|
|
мышца |
|
— |
— |
— |
||
Печень |
154— 179 |
115 |
105— 130 |
98— |
4 9 -5 0 |
15—17 |
П О — |
||||||
|
|
150 |
85 |
106 |
|
|
Почки |
— |
90 |
— |
— |
— |
|
Легкие |
— |
160 |
140 |
— |
— |
— |
Кожа |
120— 140 |
— |
110—130 |
90— |
37—50 |
14 |
Мозг |
180— 195 |
|
|
110 |
|
|
— |
— |
— |
— |
— |
||
Жировая ткань |
— |
1050— 900—2800 |
6 7 0 - 440—900 |
240—370 |
||
Костный мозг |
|
3500 |
|
1200 |
|
|
— |
|
— |
1000— 445-860 210—600 |
|||
|
|
|
|
2300 |
|
|
а. Ткани, обладающие в диапазоне от 100 до 1000 Мгц диэлектрической проницаемостью 50—70 и удельным сопротивлением около-100 ом •см. Сюда относится мышеч ная ткань и ткани таких органов, как печень, почки и сердце. Эти ткани содержат большое количество воды (около 70%), а на долю макромолекул приходится около
25вес. %.
б.Ткани с меньшим содержанием воды имеют значи тельно меньшие диэлектрические проницаемости и более высокие удельные сопротивления. Сюда относятся жиро вая ткань, костная ткань и желтый костный мозг.
2.Диэлектрическая проницаемость и удельное со противление постепенно уменьшаются с ростом частоты от 100 до 1000 М гц. При дальнейшем повышении частоты
спад происходит более быстро [1, 2].
В настоящее время имеется сравнительно полное по нимание этих зависимостей. Электрические свойства на СВЧ не зависят от биологической структуры, в образо вании которой участвуют клетки и клеточные мембра ны [1, 2]. Клеточные мембраны имеют очень малую тол
щину и поэтому оказывают небольшое влияние на состав клетки. Вследствие этого емкость мембраны велика и со ставляет около 1 мкф/см2, а ее реактивное сопротивление на частотах выше 100 Мгц настолько мало, что величина тока не зависит от наличия или отсутствия этих мембран.- Таким образом, для наших целей можно считать, что биологическая ткань состоит просто из электролитов, содержащих макромолекулярные компоненты и липиды. Формулы, выведенные для таких электролитов, позво ляют удовлетворительно объяснить результаты измере ний [2]. Резкое уменьшение удельного сопротивления с частотой, особенно на частотах выше 1000 Мгц, и более слабое уменьшение диэлектрической проницаемости от ражают аналогичное поведение воды. Подробный анализ этого вопроса читатель найдет в работе [2].
II. Распространение электромагнитной волны в тканях
А. Коэффициент поглощения. Коэффициент погло щения по определению равен действительной части ком плексной постоянной распространения
? = а + /р, |
(I) |
где у определяется выражением
Т= -^ -(е*)'/г. |
(2) |
Здесь е * — комплексная диэлектрическая проницаемость
* |
. 60*. |
(3) |
е * = е - / |
— |
и X — длина волны излучения в вакууме. Коэффициент поглощения обратно пропорционален глубине проник новения Б
О = 1/2а. |
(4) |
В свою очередь величина!) равна расстоянию, на кото* ром поток лучистой энергии уменьшается в е = 2,7 раза. Данные, приведенные на фиг. 1, показывают, что излуче ние на частоте, значительно превышающей 3000 Мгц,