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《电子科技大学》 2005年
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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

高源慈  
【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。
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