Устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения
DEVICE FOR MEASURING SPECIFIC ABSORBED POWER OF MICROWAVE ELECTROMAGNETIC EMISSION

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к области обеспечения электромагнитной безопасности и может быть использовано для непрерывного контроля получаемой дозы СВЧ-энергии на рабочих местах и в быту.
Уровень техники
Из существующего уровня техники известно устройство [1] для определения мощности излучения электромагнитного излучении (дозиметр). Устройство представляет собой одиночный детектор, измеряющий величину электромагнитного излучения, размещаемый на поверхности объекта, для которой необходимо определить удельную мощность излучения. При этом устройство регистрирует электромагнитное излучение, поступающее только со стороны детектора. Кроме того, не учитывается явление отражения СВЧ электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ) от поверхности объекта, на котором размещен детектор.
m
m
Известно устройство [2] для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения (СВЧ ЭМИ), содержащее материал, имитирующий биоткань, детекторы и устройство обработки и управления, в котором материал, имитирующий биоткань, расположен между двумя концентрическими диэлектрическими сферами разного радиуса, детекторы размещены группами по два, причем один из них размещен на внешней поверхности сферы большего радиуса, а другой - на внутренней поверхности сферы меньшего радиуса, на линиях, проходящих через центры детекторов и центр сфер, устройство обработки и управления размещено внутри малой сферы и соединено электрическими цепями с детекторами. Сферы изготовлены из прозрачного для электромагнитного излучения (неполярного) диэлектрика. При отсутствии СВЧ излучения пара детекторов настраивается таким образом, чтобы разность их показаний была равна нулю. При появлении СВЧ ЭМИ за счет поглощения в слое материала, имитирующего биоткань, возникает разность показаний детекторов, которая регистрируется устройством обработки и является величиной, характеризующей поглощенную дозу СВЧ ЭМИ. Материал, имитирующий биоткань, представляет собой вещество, состав которого подбирается таким образом, что удельная электрическая проводимость (σ), диэлектрическая проницаемость (ε) материала близки по величине к таковым для тканей человека или другого биообъекта. Предложенный в [2] способ размещения имитирующего материала и детекторов позволяет регистрировать электромагнитное излучение даже в тех случаях, когда оно поступает одновременно с нескольких направлений. Недостатком устройства является то, что при обработке результатов измерения не учитывается явление отражения падающей волны электромагнитного излучения на границе диэлектрик - материал, имитирующий биоткань. Т.е. детектор, расположенный на внешней сфере устройства, регистрирует не только падающую, но и отраженную волну. Мощность отраженной волны может составлять значительную часть мощности падающей, поэтому в результат измерений вносится существенная ошибка.
Наиболее близким техническим решением к данному предложению и принятым за прототип является устройство [3] для измерения удельной поглощенной мощности электромагнитного излучения в лабораторных условиях. Данное устройство содержит объем с материалом, имитирующим биоткань, измерительные детекторы и устройство обработки. Измерительные детекторы размещены по одну сторону и на расстоянии от объема с материалом, имитирующим биоткань. Один из детекторов измеряет мощность падающего электромагнитного излучения, другой - отраженного от материала, имитирующего биоткань. При этом направление распространения электромагнитной волны заранее определено. Устройство обработки и управления размещено вне зоны облучения и на основе сигналов, поступающих с измерительных детекторов, определяет удельную поглощенную мощность падающего излучения, которая будет равна разности значений мощностей падающей и отраженной волн. При таком подсчете поглощенной энергии предполагается, что в биоткани (а именно в теле человека, рядом с которым располагается такое устройство) поглощается вся неотраженная энергия падающей электромагнитной волны, что справедливо для частотного диапазона от 300 МГц и выше. Если частота действующего ЭМИ будет ниже, то результат измерений окажется завышенным. Таким образом, недостатком устройства [3] является существенное снижение точности измерений в случае, если частота падающей электромагнитной волны приближается к границам полосы пропускания антенн-детекторов (или, тем более, выходит за ее пределы). Кроме того, результат выполненных измерений будет верным только при определенном угле падения СВЧ ЭМИ на биоматериал, т.е. устройство [3], по сути, является однонаправленным. Недостатком является и то, что устройство обработки и управления размещено вне зоны облучения (в отдалении от детекторов), что не позволяет создать компактный прибор, т.е. устройство [3] предназначено лишь для проведения исследований в лабораторных условиях.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение точности измерений удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения.
н
в
Технический результат достигается тем, что устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения, содержащее первый материал, имитирующий биоткань, первый измерительный детектор, измеряющий мощность СВЧ электромагнитного излучения, и второй измерительный детектор, идентичный первому измерительному детектору, устройство обработки данных и управления, дополнительно содержит второй материал, имитирующий биоткань, третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор, идентичные первому измерительному детектору, и корпус в форме прямоугольного параллелепипеда из прозрачного для СВЧ электромагнитного излучения (неполярного) диэлектрика, причем первый материал, имитирующий биоткань, размещен под частью внутренней поверхности первой грани корпуса, первый измерительный детектор расположен на внешней поверхности первой грани корпуса над частью первого материала, имитирующего биоткань, второй материал, имитирующий биоткань, прилегает к нижней поверхности первой грани корпуса и расположен рядом с первым материалом, имитирующим биоткань, второй измерительный детектор расположен на участке внешней поверхности первой грани корпуса, к которой не прилегает снизу ни первый материал, ни второй материал, имитирующие биоткань, на нижних поверхностях первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, расположены третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор соответственно, причем третий измерительный детектор расположен вне проекции первого измерительного детектора на нижнюю поверхность материала, устройство обработки и управления расположено внутри корпуса и соединено электрическими цепями с каждым из измерительных детекторов соответственно, а толщины первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, равны глубинам проникновения электромагнитного излучения для нижней (h) и верхней (h) граничной частоты регистрируемого измерительными детекторами диапазона (полосы пропускания) СВЧ электромагнитного излучения соответственно, которые определяются из следующих выражений:
и
,
где
н
н
- ω=2πf - нижняя граничная частота СВЧ электромагнитного излучения, Гц,
в
в
- ω=2πf - верхняя граничная частота СВЧ электромагнитного излучения, Гц,
0
-7
- μ=4π⋅10 Гн/м - магнитная постоянная,
m
- ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, имитирующего биоткань, отн. ед.,
0
-12
- ε=8,86⋅10 Ф/м - диэлектрическая постоянная,
m
- σ - удельная электрическая проводимость материала, имитирующего биоткань, См/м.
н
в
Совокупность существенных признаков предложенного устройства: второй материал, имитирующий биоткань, третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор, идентичные первому измерительному детектору, и корпус в форме прямоугольного параллелепипеда из прозрачного для СВЧ электромагнитного излучения (неполярного) диэлектрика, причем первый материал, имитирующий биоткань, размещен под частью внутренней поверхности первой грани корпуса, первый измерительный детектор расположен на внешней поверхности первой грани корпуса над частью первого материала, имитирующего биоткань, второй материал, имитирующий биоткань, прилегает к нижней поверхности первой грани корпуса и расположен рядом с первым материалом, имитирующим биоткань, второй измерительный детектор расположен на участке внешней поверхности первой грани корпуса, к которой не прилегает снизу ни первый материал, ни второй материал, имитирующие биоткань, на нижних поверхностях первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, расположены третий измерительный детектор и четвертый измерительный детектор соответственно, причем третий измерительный детектор расположен вне проекции первого измерительного детектора на нижнюю поверхность материала, устройство обработки и управления расположено внутри корпуса и соединено электрическими цепями с каждым из измерительных детекторов соответственно, а толщины первого материала и второго материала, имитирующих биоткань, равны глубинам проникновения электромагнитного излучения для нижней (h) и верхней (h) граничной частоты регистрируемого измерительными детекторами диапазона (полосы пропускания) СВЧ электромагнитного излучения соответственно, которые определяются из следующих выражений [4]:
и
,
где
н
н
- ω=2πf - нижняя граничная частота СВЧ электромагнитного излучения, Гц,
в
в
- ω=2πf - верхняя граничная частота СВЧ электромагнитного излучения, Гц,
0
-7
- μ=4π⋅10 Гн/м - магнитная постоянная,
m
- ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала, имитирующего биоткань, отн. ед.,
0
-12
- ε=8,86⋅10 Ф/м - диэлектрическая постоянная,
m
- σ - удельная электрическая проводимость материала, имитирующего биоткань, См/м.
Сущность изобретения заключается в повышении точности измерения устройством удельной поглощенной мощности СВЧ ЭМИ благодаря тому, что первый измерительный детектор, расположенный на внешней поверхности первой грани корпуса из прозрачного для СВЧ ЭМИ (неполярного) диэлектрика регистрируют суммарное значение мощностей падающей и отраженной от первого материала, имитирующего биоткань, СВЧ электромагнитных волн, а второй измерительный детектор, расположенный на внешней поверхности первой грани корпуса, измеряет мощность только падающей СВЧ электромагнитной волны
1
1
1
1
in
ref
in
ref
A=k×P=k×(P+P)=k×(P+P),
2
2
2
2
in
in
A=k×P=k×P=k×P,
где
1
2
- A, A - показания первого и второго измерительных детекторов соответственно,
1
2
1
2
- k и k - коэффициенты преобразования первого и второго измерительных детекторов соответственно, при этом k=k=k (детекторы идентичны),
1
2
- P и Р - мощности электромагнитного излучения, регистрируемые первым и вторым измерительным детектором соответственно,
in
- P - мощность падающей волны СВЧ электромагнитного излучения,
ref
- P - мощность отраженной волны СВЧ электромагнитного излучения.
abs
В этом случае мощность «проникшего» в материал, имитирующий биоткань (т.е. «поглащаемого» в нем) электромагнитного излучения P, определяется следующим выражением:
abs
in
ref
2
1
P=P-P=2Р-P.
abs
Следует иметь в виду, что если частота падающей электромагнитной волны не выходит за пределы полосы пропускания антенн-детекторов, а нижняя граничная частота этого диапазона превышает ~300 МГц [4], практически вся энергия P будет поглощена в теле человека, рядом с которым расположено предлагаемое устройство (приборы, содержащие материал, имитирующий биоткань, предназначаются именно для обеспечения безопасных для здоровья человека условий жизни). В этом случае в первом и втором материалах, имитирующих биоткань, если их толщина выбрана в соответствии с вышеприведенными требованиями, поглощение энергии СВЧ ЭМИ, разумеется, будет неполным.
н
в
Если же частота воздействующего на устройство СВЧ ЭМИ выходит за границы полосы пропускания измерительных детекторов или нижняя граница полоса пропускания превышает вышеуказанное значение (~300 МГц), такой простой расчет поглощенной энергии СВЧ ЭМИ может дать значительную ошибку. Использование в предлагаемом устройстве дополнительных элементов: второго материала, имитирующего биоткань, и третьего и четвертого измерительных детекторов, идентичных первому и второму детекторам, - позволяет повысить точность выполняемых измерений благодаря контролю соответствия частоты действующего СВЧ ЭМИ рабочему диапазону частот устройства. Этот контроль осуществляется благодаря измерению мощности СВЧ ЭМИ, прошедшей через первый и второй материалы, имитирующие биоткань, с помощью третьего и четвертого измерительных детекторов соответственно. Толщины первого и второго материалов имитирующих биоткань, равны глубинам проникновения электромагнитного излучения для нижней (h) и верхней (b) граничной частоты регистрируемого измерительными детекторами диапазона (полосы пропускания) СВЧ ЭМИ соответственно, определяемым формулами, приведенными выше (на этих частотах мощность СВЧ ЭМИ падает в е раз). Результат, полученный для третьего измерительного детектора, может быть записан в виде
3
2
1
abs1
A3=k×P=k×(2P-P-P),
где
3
- А - показания третьего измерительного детектора,
3
- Р - мощность электромагнитного излучения, регистрируемая третьим измерительным детектором,
abs1
- P - мощность СВЧ ЭМИ, поглощенной в первом материале, имитирующем биоткань.
Откуда получим значение поглощенной в первом материале, имитирующем биоткань мощности СВЧ ЭМИ
abs1
2
1
3
P=(2P-P-P).
Показания четвертого измерительного детектора запишутся в виде
4
2
1
abs2
A4=k×P=k×(2P-P-P),
где
4
- А - показания четвертого измерительного детектора,
4
- Р - мощность электромагнитного излучения, регистрируемая четвертым измерительным детектором,
abs2
- P - мощность СВЧ ЭМИ, поглощенной во втором материале, имитирующем биоткань.
Значение поглощенной во втором материале, имитирующем биоткань, мощности СВЧ ЭМИ можно найти из следующей формулы:
abs2
1
4
P=(2P2-P-P).
Если измеренные третьим и четвертым детекторами значения мощности удовлетворяют условиям
2
1
-1
Р3≤(2Р-P)×e,
2
1
-1
Р4≥(2Р-Р)×е,
то частота регистрируемого устройством СВЧ ЭМИ не выходит за границы полосы пропускания измерительных детекторов и рассчитанное по результатам снятых показаний измерительных детекторов устройством обработки и управления значение удельной поглощенной мощности верно. Если же эти условия не удовлетворяются, это означает, что частота действующего СВЧ ЭМИ вышла за пределы полосы пропускания и следует использовать устройство с другими антеннами в измерительных детекторах. Так как все элементы устройства достаточно миниатюрны (в измерительных детекторах могут использоваться печатные антенны) и располагаются внутри корпуса (за исключением первого и второго измерительных датчиков), устройство может быть доступно для широкого применения в различных условиях.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Осуществление изобретения
н
в
Устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения содержит первый материал 1, имитирующий биоткань, первый измерительный детектор 2 и второй измерительный детектор 3, идентичный первому измерительному детектору 2, устройство 4 обработки данных и управления, третий измерительный детектор 5 и четвертый измерительный детектор 6, идентичные первому измерительному детектору 2, второй материал 7, имитирующий биоткань, и корпус 8 в форме прямоугольного параллелепипеда из прозрачного для СВЧ ЭМИ (неполярного) диэлектрика, первый материал 1, имитирующий биоткань, размещен под частью внутренней поверхности первой грани корпуса 8, первый измерительный детектор 2 расположен на внешней поверхности первой грани корпуса 8 над частью первого материала 1, имитирующего биоткань, второй материал 7, имитирующий биоткань, прилегает к нижней поверхности первой грани корпуса 8 рядом с первым материалом 1, имитирующим биоткань, второй измерительный детектор 3 расположен на участке внешней поверхности первой грани корпуса 8, к которой не прилегает снизу ни первый материал 2, ни второй материал 7, имитирующие биоткань, на нижних поверхностях первого материала 2 и второго материала 7, имитирующих биоткань, расположены третий измерительный детектор 5 и четвертый измерительный детектор 6 соответственно, причем третий измерительный детектор 5 расположен вне проекции первого измерительного детектора 2 на нижнюю поверхность материала 1, устройство 4 обработки и управления расположено внутри корпуса 8 и соединено электрическими цепями с каждым из измерительных детекторов 2, 3, 5, 6 соответственно, а толщины первого материала 2 и второго материала 7, имитирующих биоткань, равны глубинам проникновения электромагнитного излучения для нижней (h) и верхней (h) граничной частоты регистрируемого измерительными детекторами диапазона (полосы пропускания) СВЧ электромагнитного излучения соответственно, которые определяются из следующих выражений:
и
,
В предлагаемом устройстве использованы стандартные элементы современной техники.
н
в
3
Работает устройство следующим образом. СВЧ ЭМИ воздействует на устройство, мощность падающего электромагнитного излучения определяется вторым измерительным детектором 3 (корпус 8 устройства изготавливается из прозрачного для СВЧ ЭМИ (неполярного) диэлектрика и практически не отражает падающую электромагнитную волну). Первый измерительный детектор 2 измеряет не только мощность падающей электромагнитной волны, но и мощность электромагнитной волны, отраженной от первого материала 1, имитирующего биоткань. Третий измерительный детектор 5 определяет мощность прошедшего через первый материал 1, имитирующий биоткань, СВЧ ЭМИ. Четвертый измерительный детектор 6 регистрирует мощность прошедшего через второй материал 1, имитирующий биоткань, СВЧ ЭМИ. Толщина первого материала 1, имитирующего биоткань, выбирается равной глубине проникновения электромагнитного излучения для нижней граничной частоты (h) регистрируемого диапазона СВЧ ЭМИ, на которой мощность СВЧ ЭМИ ослабляется в е раз [4]. Толщина второго материала 7, имитирующего биоткань, выбирается равной глубине проникновения электромагнитного излучения для верхней граничной частоты (h) регистрируемого диапазона СВЧ ЭМИ. Если коэффициенты преобразования всех четырех измерительных детекторов идентичны, результат измерений А для третьего измерительного детектора 5 может быть записан в виде
3
3
1
abs1
A=k×P=k×(2P2-P-P),
где
1
2
3
- P, Р, Р - мощности СВЧ ЭМИ, поступающие на входы первого измерительного детектора 2 и второго измерительного детектора 3 и третьего измерительного детектора 5 соответственно,
abs1
- P - мощность, поглощенная в первом материале 1,
- k - коэффициент преобразования измерительного детектора.
В первом материале 1, имитирующем биоткань, поглощается мощность
abs1
2
1
3
P=(2P-P-P).
По аналогии, значение поглощенной во втором материале 7, имитирующем биоткань, мощности СВЧ ЭМИ
abs2
2
1
4
P=(2P-P-P),
4
где Р - мощность СВЧ ЭМИ, поступающая на вход четвертого измерительного детектора 6.
abs
Устройство 4 обработки и управления рассчитывает значение удельной поглощенной мощности СВЧ ЭМИ. Если частота падающей электромагнитной волны не выходит за пределы полосы пропускания всех четырех идентичных измерительных детекторов (2, 3, 5, 6), а нижняя граничная частота полосы пропускания превышает 300 МГц [4], практически вся энергия P будет поглощена в теле человека, рядом с которым расположено предлагаемое устройство (приборы, содержащие материал, имитирующий биоткань, предназначаются именно для обеспечения безопасных для здоровья человека условий жизни), т.е.
abs
in
ref
2
1
P=P-P=2P-P.
В этом случае в первом материале 1, имитирующем биоткань, и втором материале 7, имитирующем биоткань, если их толщина выбрана в соответствии с приведенными в описании технического результата требованиями, поглощение энергии СВЧ ЭМИ, разумеется, будет неполным. Величина измеренной удельной поглощенной мощности передается на устройство отображения. В случае достижения предельно допустимой дозы облучения подается звуковой или световой сигнал. Однако, если частота СВЧ ЭМИ выйдет за пределы полосы пропускания, точность измерений существенно снизится. Для контроля этого явления устройство 4 обработки и управления отслеживает выполнение неравенств
3
2
1
-1
Р≤(2Р-Р)×е,
4
2
1
-1
P≥(2P-P)×e.
Если какое либо из этих неравенств не будет удовлетворяться, будет выработан предупреждающий сигнал о необходимости применения устройства с измерительными другими детекторами. Так как все элементы устройства достаточно миниатюрны (в измерительных детекторах могут использоваться печатные антенны) и располагаются внутри корпуса (за исключением первого и второго измерительных датчиков), устройство может быть компактным и доступным для широкого применения в различных условиях.
Заявляемое устройство обладает новым качеством, отличающим его от прототипа [3] - более высокой точностью измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения с неопределенной частотой и заранее неизвестным направлением распространения электромагнитной волны.
Сравнение заявляемого устройства с аналогами [1] и [2] свидетельствует о преимуществе первого в точности измерения в связи с тем, что в аналогах не учитывается явление отражения СВЧ электромагнитной волны от поверхности биоматериала, что приводит к существенной погрешности при измерениях.
Список литературных источников
1. US Patent №4659984, U.S. C1. 324/695, Int. Cl. G01R 21/04 Passive integrating electromagnetic field dosimeter / Inventor: Doss J.D. Filed: Dec. 06, 1984, Date of Patent: April 21. 1987.
2. Пат. 2324948 Российская Федерация, МПК. G01R 29/08. Устройство для измерения удельной поглощенной мощности СВЧ электромагнитного излучения. / Симаков А.Б., Водохлебов И.Н. - 2006119814/09, заявл. 27.12.2007, опубл. 20.05.2008, Бюл. №14.
3. US Patent №5789929, U.S. Cl 324/642, Int. Cl. G01N 22/00. Method and device for nieasuring the specific absorption rate of electric power in a simulated human body. - / Inventor: E. Hankui. Filed: Dec. 16, 199, Date of Patent: Aug. 4, 1998.
4. J.M. Osepchyk, R.C. Peterson / Safety Standards for Exposure to RF Electromagnetic Fields // Browse Journals&Magazines. IEEE Microwave Magazine // June 2001. - Volume: 2. - Issue: 2. - P. 57-69.