CS251892B1

CS251892B1 - A method of measuring the power of electromagnetic radiation absorbed in electrically lossy environments

Info

Publication number: CS251892B1
Application number: CS853797A
Authority: CS
Inventors: Arnost Sebela
Original assignee: Arnost Sebela
Priority date: 1985-05-27
Filing date: 1985-05-27
Publication date: 1987-08-13
Also published as: CS379785A1

Abstract

Způsob je založen na měření časové závislosti nárůstu teploty ozařovaného objektu. Pro- určení absorbovaného výkonu je využito- skutečnosti, že výkon absorbovaný v ozařovaném objektu je roven součinu hmotnosti objektu, měrného- tepla látky, z níž se objekt skládá, a rychlosti nárůstu teploty objektu v okamžiku zahájení ozařování. Absorbovaný výk-oln se určuje aritmetickým nebo· grafickým výpočtem z naměřeného průběhu tep-loty. Způsob měření je vhodný k vyhodnocení -absorbce výkonu elektromagnetického i jiných druhů neionizujícího záření v biologických a jiných ztrátových prostředcích.The method is based on measuring the time dependence of the increase in temperature of the irradiated object. To determine the absorbed power, the fact is used that the power absorbed in the irradiated object is equal to the product of the mass of the object, the specific heat of the substance of which the object consists, and the rate of increase in the temperature of the object at the moment of the start of irradiation. The absorbed power is determined by arithmetic or graphical calculation from the measured temperature curve. The measurement method is suitable for evaluating the absorption of the power of electromagnetic and other types of non-ionizing radiation in biological and other lossy media.

Description

Vynález se týká způsobu měření výkonu elektromagnetického záření, absorbovaného· v elektricky ztrátových prostředích, například. v biologických objektech.The invention relates to a method of measuring the power of electromagnetic radiation absorbed in electrically lossy environments, for example in biological objects.

Při výzkumu vlivu elektromagnetického záření na biologické objekty, tj. například buněčné suspenze in vitno, tkáně pokusných zvířat a lidí, je třeba stanovit velikost výkonu záření, který je zkoumaným objektem absorbován. V současné době není zmíněná tematika dostatečně propracována a nejsou známy dostatečné univerzální metody stanovení absorbovaných dávek elektromagnetického záření. Dosud známé metody používají jednak náročnou matematikou analýzu elektromagnetického· pole v ozařovaném objektu, přičemž postup řešení je závislý na geometrii a fyzikálních vlastnostech ozařovaného objektu, jednak jsou používány metody založené na měření ztrátnlvého výkonu. Při těchto metodách realizace měřicí aparatury je závislá ha frekvenci použitého elektromagnetického záření. Realizace aparatur v některých částech spektra (například v oblasti mikrovlnJ je značně nákladná a mechanicky náročná, v jiných částech spektra je vůbec těžko proveditelná, nikdy není aparatura dostatečně univerzální. Zmiňované aparatury umožňují větštoou pouze stanovení integrální hodnoty absorbovaného· výklenu na celý ozařovaný objekt, nikoliv stanovení lokálních hodnot.When researching the effect of electromagnetic radiation on biological objects, i.e., for example, cell suspensions in vivo, tissues of experimental animals and humans, it is necessary to determine the amount of radiation power absorbed by the object under investigation. At present, the aforementioned topic is not sufficiently developed and there are no sufficiently universal methods known for determining absorbed doses of electromagnetic radiation. The methods known so far use both a demanding mathematical analysis of the electromagnetic field in the irradiated object, with the solution procedure depending on the geometry and physical properties of the irradiated object, and methods based on measuring the power loss are used. In these methods, the implementation of the measuring apparatus depends on the frequency of the electromagnetic radiation used. The implementation of apparatus in some parts of the spectrum (for example, in the microwave range) is very expensive and mechanically demanding, in other parts of the spectrum it is difficult to implement at all, and the apparatus is never sufficiently universal. The aforementioned apparatus mostly only allows the determination of the integral value of the absorbed dose for the entire irradiated object, not the determination of local values.

Tyto· dosavadní nevýhody odstraňuje způsob měření výkonu elektromagnetického záření absorbovaného v elektricky ztrátových prostředcích, při kterém se vzorek zkoumané látky nebo zkoumaný objekt jako celek podrobuje elektromagnetickému záření, které se v něm absorbuje a vyvolává nárůst teploty, jehož podstatou je, že teplota se snímá a absorbovaný výkon P_pse vyhodnocuje podle vzorce:These previous disadvantages are eliminated by the method of measuring the power of electromagnetic radiation absorbed in electrically lossy media, in which the sample of the substance under investigation or the object under investigation as a whole is subjected to electromagnetic radiation, which is absorbed in it and causes an increase in temperature, the essence of which is that the temperature is measured and the absorbed power P _p is evaluated according to the formula:

r. ,. , d t ,r. ,. , d t ,

P„ -= m . c . lim (--), τ-Ο_χ ^dT kde m je hmotnost vzorku zkoumané látky c je měrné teplo zkoumané látky t je okamžitá hodnota teploty ozařované látky τ je čas, měřený od okamžiku zahájení ozařováníP„ -= m . c . lim (--), τ-Ο _χ ^dT where m is the mass of the sample of the investigated substance c is the specific heat of the investigated substance t is the instantaneous value of the temperature of the irradiated substance τ is the time measured from the moment of the start of irradiation

Výhodou popisovaného způsobu měření je skutečnost, že je nezávislý na frekvenci absorbovaného elektromagnetického záření. Metoda umožňuje realizaci univerzálního· měřicího· zařízení, které je snadněji technicky realizovatelné než u jiných metod měření, a to s menšími náklady. Způsob dovoluje stanovení absorbovaného výkonu i u jiných neionizujících druhů záření, tam, kde absorbovaný výkon se mění inia tepelnou energii, například u ultrazvukového záření a laserového záření. Další výhodou způsobu je to, že výstupní hodnota je dána absolutně, to znamená, že měření nevyžaduje předchozí cejchování známou hodnotou měřené veličiny. Způsob umožňuje stanovení lokálních hodnot absorbovaného· výkonu u větších ozařovaných celků, které mohou být vyjádřeny například formou tak zvaných jednotek SAR, což je výkon absorbovaný na jednotku hmotnosti.The advantage of the described measurement method is the fact that it is independent of the frequency of the absorbed electromagnetic radiation. The method enables the realization of a universal measuring device that is easier to technically realize than other measurement methods, and at lower costs. The method allows the determination of the absorbed power also for other non-ionizing types of radiation, where the absorbed power varies with thermal energy, for example, for ultrasonic radiation and laser radiation. Another advantage of the method is that the output value is given absolutely, i.e. the measurement does not require prior calibration with a known value of the measured quantity. The method enables the determination of local values of the absorbed power for larger irradiated units, which can be expressed, for example, in the form of so-called SAR units, which is the power absorbed per unit mass.

Způsob objasní příklad provedení a jeho matematické zdůvodnění. Zkoumaný objekt, kterým může být větší homogenní ozařovaný celek, například vzorek ozařované buněčné suspenze v kývete, nebo vhodně volený homogenní element většího, i nehojmo·genního celku, například část tkáně ozařovaného zvířete při biologických pokusech, se podrobí elektromagnetickému záření například z generátoru velmi vysokých frekvencí. Působením elektromagnetického záření dojde ve zkoumaném objektu k nárůstu teploty, který je funkcí absorbovaného výkonu. Nárůst teploty se snímá teplotním čidlem, umístěným uvnitř nebo· na povrchu ozařovaného objektu a zaznamenává nlapříklad zapisovačem. Absorbovaný výkon P„ se vyhodnotí podle vzorce:The method will be illustrated by an example of an embodiment and its mathematical justification. The object under investigation, which may be a larger homogeneous irradiated unit, for example a sample of an irradiated cell suspension in a cuvette, or a suitably selected homogeneous element of a larger, even non-tumorous unit, for example a part of the tissue of an irradiated animal in biological experiments, is subjected to electromagnetic radiation, for example from a very high frequency generator. The action of electromagnetic radiation causes an increase in temperature in the object under investigation, which is a function of the absorbed power. The increase in temperature is sensed by a temperature sensor placed inside or on the surface of the irradiated object and recorded, for example, by a recorder. The absorbed power P„ is evaluated according to the formula:

idtidt

Pp — m . c . lim (------) n ' drPp — m . c. lim (------) n 'dr

Vzorek bude dále matematicky zdůvodněn podle uvedených předpokladů:The sample will be further mathematically justified according to the following assumptions:

Teplotu uvnitř ozařovaného objektu je micáoo vzhledem k vhodné volbě velikosti ozařovaného objektu a jeho teplotní vodivosti považovat za vyrovnanou v celém jeho objemu, v každém okamžiku průběhu ozařcvání.The temperature inside the irradiated object can be considered to be uniform throughout its volume at every moment during the irradiation process, given the appropriate choice of the size of the irradiated object and its thermal conductivity.

Teplota ozařovaného objektu před zahájením ozařování je ustálena na hodnotě t₀, tj. nemění se působením jiných vlivů a je shodná s teplotou okolí objektu.The temperature of the irradiated object before the start of irradiation is stable at the value t ₀ , i.e. it does not change due to other influences and is identical to the temperature of the object's surroundings.

Teplotní čidlo je konstruováno tak, že jeho· hmotnost je relativně malá vůči hmotnosti ozařovaného objektu, takže jeho tepelná kapacita nemůže podstatně ovlivnit časový průběh změny teploty ozařozaného objektu v průběhu ozařování.The temperature sensor is constructed in such a way that its weight is relatively small compared to the weight of the irradiated object, so that its heat capacity cannot significantly affect the time course of the temperature change of the irradiated object during irradiation.

Popisovaný způsob měření je založen na poznatku, že teplota ozařovaného objektu se mění s časem nelineárně, nejdříve narůstá relativně rychle, postupně se nárůst zpomaluje, až dojde k ustálení teploty na hodnotě, při které nastala rovnováha mezi energií přivedenou do objektu ve formě absorbovaného' záření a součtem energie odvedené ve formě tepla do okolí s energií akumuloivanou ve formě tepla v ozařovaném objektu. Podle zákona o zachování energie platí pro energii:The described measurement method is based on the knowledge that the temperature of an irradiated object changes non-linearly with time, initially increasing relatively quickly, gradually slowing down until the temperature stabilizes at a value at which equilibrium is reached between the energy introduced into the object in the form of absorbed radiation and the sum of the energy dissipated in the form of heat to the surroundings with the energy accumulated in the form of heat in the irradiated object. According to the law of conservation of energy, the following applies to energy:

Qp ~ Qo + Qa, kdeQp ~ Qo + Qa, where

Q_p je energie přivedenáQ _p is the energy supplied

Q_o je energie odvedená do· okolíQ _o is the energy dissipated to the surroundings

Q_a je energie akumulovaná ve farmě tepla v objektu a odtud pro absorbovaný výkon:Q _a is the energy accumulated in the heat farm in the building and hence for the absorbed power:

dt drdt dr

V dimenzi výkonu platí v každém časovém okamžikuIn the performance dimension, at any point in time,

Pp = P„ + P_a kdePp = P„ + P _and where

P_p je absoirbovaný výkon zářeníP _p is the absorbed radiation power

P_o je výkon odváděný z ozařovaného objektu do okolí ve formě tepla,P _o is the power dissipated from the irradiated object to the surroundings in the form of heat,

P_a je výkon v daném okamžiku spotřebovaný na nárůst teploty objektuP _a is the power consumed at a given moment to increase the temperature of the object

Vyjádřením časové závislosti bývá vztah tvaru:The expression of time dependence is usually a relationship of the form:

P„ a P_a nadti drP„ and P _and above

dti drchildren of Dr.

Řešením tét)o rovnice je exponenciální funkce, která popisuje časový průběh nárůstu teploty ozařovaného objektu:The solution to this equation is an exponential function that describes the time course of the increase in temperature of the irradiated object:

ti = P_p . R, . (1 - e ^m · ^c · ^Rt ) kde ti je převýšení teploty ozařovaného· objektu nad počáteční teplotu t₀, to jest ti = = t — t„ti = P _p . R, . (1 - e ^m · ^c · ^Rt ) where ti is the temperature rise of the irradiated object above the initial temperature t ₀ , that is, ti = = t — t„

R_t je teplotní odpor, charakterizující odvod tepla do okolí m je hmotnost ozařovaného¹ objektu t je okamžitá teplota ozařovaného' objektu c je měrné teplo· ozařovaného objektu e je základ přirozených logaritmů r je čas uběhnuvší od zahájení ozařováníR _t is the thermal resistance characterizing the heat dissipation to the surroundings m is the mass of ^the irradiated object t is the instantaneous temperature of the irradiated object c is the specific heat of the irradiated object e is the base of natural logarithms r is the time elapsed since the start of irradiation

Po derivování předchozího vztahu podle času platíAfter differentiating the previous relation with respect to time, we have

V okamžiku zahájení ozařování pak platí:At the moment of starting irradiation, the following applies:

Pp = lim (m . c . --J = m . c . lim -r~*O_x ^dT r-*O_x ^dT Pp = lim (m . c . --J = m . c . lim -r~*O _x ^dT r-*O _x ^dT

Slovně vyjádřeno, je možno výkon záření, absorbovaný ozařovaným objektem vypočítat jako součin hmotnosti objektu, měrného tepla látky, z níž se objekt skládá a rychlostí nárůstu teploty objektu v okamžiku zahájení ozařování.In words, the radiation power absorbed by an irradiated object can be calculated as the product of the object's mass, the specific heat of the substance of which the object is composed, and the rate of increase in the object's temperature at the moment the irradiation begins.

Dále je uveden příklad provedení při praktickém vyhodnocení výsledků měření podle popisovaného· způsobu.An example of the practical evaluation of measurement results according to the described method is given below.

Po úpravě shora uvedených vztahů platí: 1 tát _ l Pp ^T_ ln _i — *n τι dr . in . c m . c . R_t což je rovnice přímky semilicigaritmiických souřadnicích.After adjusting the above relations, the following holds: 1 tát _ l Pp ^T _ ln _i — *n τι dr . in . cm . c . R _t which is the equation of a straight line in semilicigarithmian coordinates.

Při vyhodnocení absorbovaného výkonu se změřená závislost teplloty ozařovaného objektu na čase zobrazí graficky v lineárních souřadnicích a provede se její grafická derivace. Dostatečný počet bodů derivované křivky se převede doi semiliogaritmických souřadnic (r na ose x, l_n^— na ose ατ y a proloží se jimi přímka. Průsečík této přímky s osou y potom udává hodnotu l_n When evaluating the absorbed power, the measured dependence of the temperature of the irradiated object on time is displayed graphically in linear coordinates and its graphical derivative is performed. A sufficient number of points of the derived curve are converted into semi-arithmic coordinates (r on the x-axis, l _n ^— on the ατ y-axis) and a straight line is fitted through them. The intersection of this straight line with the y-axis then gives the value of l _n

P —^p ~ , ze které se provede algebraický výpočet absorbovaného výkonu P_p.P — ^p ~ , from which an algebraic calculation of the absorbed power P _p is performed.

Jiná mtožmost vyhodnocení absorbovaného výkonu, měřeného podle popisovaného způsobu, která se nabízí, je využití vazby měřicí aparatury se samočinným počítačem.Another possibility of evaluating the absorbed power measured according to the described method, which is offered, is the use of coupling the measuring apparatus with an automatic computer.

dh ₌ dt e_ dr dr ^p ' ¹ ' m . c . R_t dh ₌ dt e_ dr dr ^p ' ¹ ' m . c. R _t

Claims

Method for measuring absorbed power of electromagnetic radiation in electrically lossy environments, in which a sample of a test substance or a test object as a whole is subjected to electromagnetic radiation absorbed therein and causing a temperature rise, characterized in that the temperature is sensed and the absorbed power P _p is evaluated according to the formula

P _p - m. c. lim -)

Ιτ-Ό ,. ' ^ck >

where m is the mass of the irradiated substance sample c is the specific heat · of the substance to be examined t is the instantaneous temperature value of the irradiated substance τ is the time measured from the moment of irradiation.