长脉冲微波热声效应的实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)电子科技大学物理电子学院 作者:刘啸宇

  微波热声效应是一种生物组织在微波脉冲信号的照射下向外辐射声波信号的特殊现象,产生的声波信号携带着生物组织对微波信号的吸收特性,以及生物组织吸收微波能后发生的一系列生物化学物理反应的变化等信息。本文介绍了电子科技大学设计、搭建的一套脉冲宽度6ms,功率约800W 的长脉冲微波热声效应实验系统,并介绍了初步实验研究结果。结果表在长脉冲条件下,微波热声效应与微波的脉冲特性有复杂的关联性,内涵丰富的物理化学机制,具有很大的潜在研究价值。

  微波热声效应(Microwave-Induced Thermo-Acoustic,MITA)是指生物组织在微波脉冲信号的照射下向外辐射声波信号的一种现象。这些声波信号包含生物组织对微波的吸收特性以及生物组织被照射后产生的一系列的生物化学物理参量变化特性,检测分析这些声波信号,就可以获得生物样品的信息,因此被认为是一种新型的生物样品检测技术。L.V.Wang和Krug研究小组利用MITA 技术在医学成像领域做了大量的理论和实验工作,并已成功用于乳腺癌的医疗诊断中。

  目前,微波热声效应研究中通常采用的微波信号的特性如下,中心频率2.45GHz,脉冲宽度0.5~2.0μs,峰值功率10~40kW,因此传统的微波热声效应中微波脉宽较短。本文介绍了电子科技大学设计、搭建的一套脉冲宽度6ms,功率约800W的长脉冲微波热声效应实验系统,并介绍了初步实验研究结果。

1、微波热声效应原理

  生物组织在微波的脉冲照射下,内部的极性分子会以极高的频率随微波振动摩擦,瞬间快速的摩擦会产生大量的热量,进而导致生物组织温度迅速升高,而温度迅速升高又会引发生物组织的迅速膨胀继而发生机械振动,产生微波热致声波信号。原理如图1所示,这些信号携带着生物组织对微波吸收特性。

微波热声效应原理图

图1 微波热声效应原理图

  在微波脉冲信号的照射下,生物组织由于电参数不同,对微波能的吸收也不同,因此会导致生物组织加热时受热不均匀。正是由于这种受热不均,生物组织在形体上产生热膨胀,这种弹性膨胀会产生压力波(即热生信号)。热生信号由组织内向四周传播,最后被超声波探测器探测。热生信号转换为压电信号,生物组织的信息最终可由压电信号来表征。

总结

  本文介绍了电子科技大学设计、搭建的一套脉冲宽度6ms,功率约800W 的长脉冲微波热声效应实验系统,并介绍了初步实验研究结果。通过对大量生物样品进行实验,分析实验结果总结得到以下规律:

  (1)以猪肉为代表的肉类生物样品,其微波热声信号明显,其频谱主要集中在250kHz附近。

  (2)以莴笋为代表的蔬菜生物样品,也有微波热声信号,但信号相对肉类生物样品的偏弱,频谱主要分布在90kHz,250kHz和330kHz周围,呈多频分布。

  (3)实验中未检测到液体以及含水量丰富的固体食品的微波热声信号。

  (4)声波信号的脉冲宽度较窄,小于微波的脉冲宽度。

  实验结果表明,微波激励不同类型的生物样品产生的声波信号不同,并且在长脉冲微波激励下,声波信号的脉冲宽度小于微波的脉冲宽度这与传统的微波热声效应理论并不十分吻合,因此有待开展进一步研究分析其机理。

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