Комплекс апаратури та методик для вимірювання діелектричних характеристик поглинаючих середовищ методом відкритого кінця коаксіальної лінії. Характеристики випромінювання різних аплікаторів, що призначені для установок надвисокочастотної гіпертермії.
Аннотация к работе
У найбільшій мірі обом цим вимогам задовольняє метод вимірювання комплексної діелектричної проникності відкритим кінцем коаксіальної лінії, який отримав завдяки своїм унікальним особливостям доволі широке розповсюдження. Однак питання практичного застосування методу, що враховують особливості біологічних тканин, як середовищ з частотною дисперсією та поглинанням, недостатньо вивчені. Актуальність досліджень, виконаних в дисертаційній роботі, визначається необхідністю подальшого розвитку фізичних уявлень про звязок характеристик випромінювання і відбиття електромагнітних хвиль від відкритого кінця коаксіальної лінії з діелектричними параметрами оточуючого середовища, розробки на цій основі більш досконалих математичних моделей, що забезпечують точність методу разом з оперативністю. Усикова НАН України: “Дослідження взаємодії радіохвиль з природними обєктами та розробка методів дистанційної діагностики оточуючого середовища”, шифр “Равелін” (2000-2004 рр., номер державної реєстрації 0100U006443); “Дослідження електромагнітних полів у середовищах з поглинанням та частотною дисперсією з неявно вираженими границями шарів”, шифр “Ікар” (2002-2006 рр., номер державної реєстрації 0102U003138); “Радіофізичні методи та засоби у задачах моніторингу зовнішнього середовища і в біомедичних застосуваннях”, шифр “Ірідій” (2007-2011 рр., номер державної реєстрації 0106U11979), в яких автор був виконавцем. Відповідно до цього в роботі потрібно було розвязати наступні задачі: 1) отримати розвязок задачі знаходження адмітансу відкритого кінця коаксіальної лінії у плоскошаруватому середовищі при урахуванні довільної кількості мод вищого порядку, що збуджуються на апертурі, та розробити оптимальні обчислювальні алгоритми;Так, на прикладі зондування півпростору з діелектричними сталими метанолу и води зондами з хвильовим опором 50 Ом двох розмірів, типових для НВЧ діапазону, показано, що найбільшої величини похибки одномодового наближення можуть досягати при зондуванні води зондом діаметром 4 мм - до 18% по дійсній частині та до 35% по уявній частині діелектричної проникності. Показано, що у випадку вимірювання діелектричних характеристик тонких зразків на металевій основі урахування вищих мод, що збуджуються на апертурі, необхідне навіть для матеріалів з малими значеннями діелектричної проникності, для вимірювання якої на товстих зразках при тих же розмірах зонда и частоті цілком достатньо одномодового наближення. Наведені на рис.1 залежності модуля та фази коефіцієнту відбиття 4-мм зонду від товщини шару матеріалу з діелектричними параметрами e" = 3,1, e" = 0,015, обмеженого провідною площиною, на частоті 10 ГГЦ свідчать, що найбільш вагома різниця між результатами, отриманими за допомогою запропонованої моделі (МС) з урахуванням 10 вищих TM0n мод і одномодової (ОМ) має місце при товщині шару близько 0,4 мм, у той час як при товщині більше 3 мм вона стає незначною. Встановлено, що для середовищ з діелектричними параметрами, які змінюються від значень, властивих біологічним тканинам з низьким вмістом води (жирова, кісткова), до значень, відповідних деіонизованій воді в діапазоні частот від 2 до 18 ГГЦ, похибки, повязані з особливостями реальної геометрії задачі, суттєво менші за похибки внаслідок неврахованих вищих мод. Чисельне моделювання експерименту, у якому кінець зонда занурений на 3 мм в ацетон, що знаходиться в скляній склянці на металевій основі, показало, що при збільшенні відстані від границь апертури до дна і бічних стінок склянки до 6 мм на частоті 2,45 ГГЦ і до 8 мм на частоті 10 ГГЦ середовище, що зондується, може розглядатися як необмежене.В дисертаційній роботі було розвязано актуальну наукову задачу розробки ефективного метода вимірювання в НВЧ діапазоні комплексної діелектричної проникності поглинаючих середовищ, зокрема біологічних тканин. Основні результати полягають у наступному: · Одержано вираз для адмітансу відкритого кінця коаксіальної лінії, навантаженого на шарувату діелектричну структуру з втратами, що обмежена або ідеально провідною площиною, або діелектричним півпростором, який дозволяє оцінити внесок кожної з вищих мод, що збуджуються на апертурі. · За допомогою чисельного моделювання оцінено внесок до сумарної похибки вимірювання комплексної діелектричної проникності поглинаючих середовищ коаксіальними зондами факторів, що обумовлені особливостями реальної геометрії задачі: скінченністю діаметра фланця коаксіального зонда (чи його відсутністю), розмірами зразка, глибиною занурення зонда у середовище. · Отримано оцінки чутливості розглянутого метода при НВЧ діелектрометрії різних типів біологічних тканин; показано важливість правильного вибору розмірів зонда для конкретного типу тканини і частотного діапазону. · Розглянуто особливості вимірювання діелектричних характеристик тонких зразків; показано, що в цьому випадку урахування вищих мод необхідне навіть для матеріалів з малими значеннями діелектричної проникності, для вимірювання якої на товстих зразках при тих же розмірах зонда і част