專利名稱：通用高頻輻射安全增益設(shè)備的制作方法
(一)本發(fā)明的名稱“通用高頻輻射安全增益設(shè)備”。
(二)本發(fā)明屬于電子學(xué)與輻射技術(shù)領(lǐng)域。
(三)對(duì)本發(fā)明的理解、檢索、審查最相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)，是近十多年來(lái)出現(xiàn)的非線性振蕩電子技術(shù)?；仡櫡蔷€性振蕩的研究史(參見(jiàn)KenndeyM.P.，Chua L.O.，IEEE Trans.Circuits and Systems，33(1986)974)，我們可以知道，雖然早在1927年荷蘭無(wú)線電工程師Vander Pol等在三極管振蕩電路中就已看到“不規(guī)則的”現(xiàn)象，但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，沒(méi)有對(duì)這種分叉—混沌現(xiàn)象給以重視。重要的倍周期分叉現(xiàn)象也直到1978年才由美國(guó)物理學(xué)家Feigenbaum發(fā)現(xiàn)(參見(jiàn)M.J.Feigenbaum，J.Stat.Phys.，19、25(1978)；21，669(1979))。1979年3位蘇聯(lián)學(xué)者提出了修正的范德坡振蕩器，發(fā)現(xiàn)了復(fù)雜輸出(參見(jiàn)Zongh G.O.，Ayrom F.，Int.J.CircuitTheory Appl.，13(1985)93；程極泰，《自然雜志》，12(1989)668；Matsumoto T.et al.，IEEE Trans.Circuits and Systems，32(1985)797)。1981年P(guān).S.Linsay對(duì)含變?nèi)荻O管的RLC振蕩電路(附

圖1)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究(Tang Y.S.et al.，IEEE Trans，Circuits and Systems，30(1983)，620)。此二極管的電容隨電壓變化的規(guī)律是C＝C0(1＋βV)y，其中C0，β和γ是常數(shù)。當(dāng)訊號(hào)發(fā)生器的輸出電頻較低時(shí)，RLC回路響應(yīng)是線性的，有一確定共振頻率ν。將發(fā)生器調(diào)到此頻率上，以訊號(hào)電壓V為控制參量。當(dāng)V增至閾值V1時(shí)，突然有二分頻ν/2……，當(dāng)V增至閾值Vn時(shí)，突然有2°分頻ν/2°，這些閾值Vn安Feigenbaum普適常數(shù)δ收斂。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)計(jì)值比較列于表1。1984年L.O.Chua設(shè)想—3階非線性自治電路(Chua.L.O.et al.，Int.J.Circuit Theory Appl.，14(1986)315)，此電路可與Lorenz混沌模型相比。1986年黃安山在Chua電路中發(fā)現(xiàn)“周期—混沌—周期加(減)1律”，繼而又在該電路中找到了混沌消失時(shí)的邊界(黃安山，《電子學(xué)報(bào)》，18，2(1990)121)。實(shí)際上，在其他3階自治電路，例如仿Chua電路、雙回路3階自治電路中，都存在著相同現(xiàn)象。特別是在仿Chua電路中遵循著一條完美的規(guī)律從平衡點(diǎn)開始Hopf分叉由倍周期進(jìn)入混沌，然后從周期2開始經(jīng)倍周期進(jìn)入混沌，再后從周期3開始……(參見(jiàn)Chua.L.O.，Madan R.N.，IEEE Circuits and Devices Magazine，1(1988)3)。
對(duì)本發(fā)明的理解、檢索、審查有參考作用的另外一項(xiàng)現(xiàn)有技術(shù)，就是對(duì)高頻輻射技術(shù)。這方面最重要的是軔致輻射技術(shù)，有關(guān)文獻(xiàn)可參見(jiàn)R.M.Sternheimer，Interaetion of radiation with matter，In Yuan and Wu(eds)“Methods of Eexperimental Physics”，Vol 5A，P.1，AcademicPress，(1961)；Particle Data Group，Review of Partide Properties，Rev.Mod.Phys，2(1980)52；J.Nishimura，handbuch der Physik，Vol.XLVl/2，1(Springer-Verlag，Berlin，1967)。這些文獻(xiàn)給出了快速電子在介質(zhì)的一個(gè)原子核上產(chǎn)生軔致輻射的截面計(jì)算式(即Bethe-Heitler公式)，還給出幾種常用介質(zhì)的輻射長(zhǎng)度x。和臨界能量Ec的數(shù)值。高能電子和光子在介質(zhì)中產(chǎn)生電子—光子簇射，這是高能電子軔致輻射和高能光子產(chǎn)生電子對(duì)組成的級(jí)聯(lián)過(guò)程。有關(guān)文獻(xiàn)可參見(jiàn)B.Rossi，High-energyParticles，Prentiee-Hall，New York，(1952)；唐孝威，物理學(xué)報(bào)，17，4(1961)191；E.Longo et al.，Nuclear Instruments and methods，128(1975)283；趙忠堯，phys.Rev.，75(1949)581；王淦昌等，物理學(xué)報(bào)，11(1955)421；D.Miiller，Phys.Rev.，D5(1972)2677。在這些文獻(xiàn)中，有的給出用以近似表示入射光子的簇射縱向發(fā)展曲線的經(jīng)驗(yàn)公式，有的給出測(cè)量電子—光子簇射的方法并給出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線，還有的給出介質(zhì)不同深度的簇射次級(jí)電子數(shù)統(tǒng)計(jì)漲落的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
(四)本發(fā)明的目的，是想通過(guò)設(shè)計(jì)并建立一種新型裝置。既能保證減少或避免核輻射對(duì)于生物組織的傷害作用，提高核輻射應(yīng)用的安全性，又能保證適當(dāng)增加核輻射的劑量并延長(zhǎng)核輻射的使用時(shí)間，提高核輻射應(yīng)用的有效性。
現(xiàn)有核輻射應(yīng)用技術(shù)由于生物安全方面的原因受到了種種限制。原子核的放射性衰變產(chǎn)生出幾種電離輻射，它們的能量的典型值為每個(gè)粒子或每個(gè)量子幾百萬(wàn)電子伏。當(dāng)這種輻射通過(guò)物質(zhì)時(shí)，在它們路徑上會(huì)留下一條電離了的原子的蹤跡。即使很少量的電離也可能嚴(yán)重地破壞一個(gè)靈敏的系統(tǒng)，譬如生命細(xì)胞或者晶體管等。實(shí)驗(yàn)觀察已經(jīng)表明，全身受到的劑量在25rem以下不產(chǎn)生可觀察的影響。當(dāng)劑量超過(guò)100rem后，對(duì)造血機(jī)構(gòu)的破壞就變得明顯起來(lái)；超過(guò)800rem，就發(fā)生嚴(yán)重的消化系統(tǒng)失常。如果劑量比500rem大得多，那么一般來(lái)說(shuō)經(jīng)過(guò)幾天或幾星期就會(huì)死亡。
對(duì)于現(xiàn)有核輻射應(yīng)用技術(shù)來(lái)說(shuō)，提高核輻射的有效性與提高核輻射的安全性，這是難以解決的矛盾。本發(fā)明能夠?yàn)槿藗兲峁┮环N興核輻射之利、避核輻射之弊的新技術(shù)解決方案。
(五)觀從工作原理和基本構(gòu)成兩方面介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
1、工作原理本發(fā)明的基本設(shè)計(jì)思想由于低頻輻射波的量子能量較小，通常不產(chǎn)生明顯的電離，對(duì)生物組織的傷害極微，而高頻輻射的量子能量較高，常產(chǎn)生較多的電離，對(duì)生物組織的傷害較大，因此，我們可通過(guò)設(shè)計(jì)并建立一種新的裝置，產(chǎn)生具有多種頻率、具有演變性的輻射源，進(jìn)而設(shè)計(jì)并建立深度控制系統(tǒng)，將高頻輻射波限制在生物病變組織范圍內(nèi)，而在生物正常組織范圍內(nèi)將輻射波簇射為級(jí)聯(lián)低頻過(guò)程。
下面的討論將給出本發(fā)明設(shè)想的科學(xué)基礎(chǔ)，本發(fā)明的基礎(chǔ)由RLC振蕩電路系統(tǒng)構(gòu)成。本發(fā)明所以要采用非線性電路，是由于有不少實(shí)驗(yàn)和理論分析(前面已列出有關(guān)文獻(xiàn))已表明，許多非線性器件，電路和系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)一種遠(yuǎn)比經(jīng)典電路所呈現(xiàn)的直流穩(wěn)態(tài)響應(yīng)、周期響應(yīng)、子諧波響應(yīng)、超諧波響應(yīng)和殆周期(準(zhǔn)周期)響應(yīng)更為復(fù)雜的響應(yīng)，而這種復(fù)雜響應(yīng)與生物體的復(fù)雜響應(yīng)是相適應(yīng)的。
從前面提及的非線性振蕩電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可斷定i)隨著分叉級(jí)數(shù)n的增加，非線性振蕩以z(n)倍周期而遞增；ii)在第n級(jí)分叉上，非線性振蕩由z(n)個(gè)分叉波迭加而成。這里z(n)取整數(shù)值。關(guān)于這一點(diǎn)，可參見(jiàn)本發(fā)明人李宗誠(chéng)在《1994年全國(guó)自動(dòng)化控制理論學(xué)術(shù)論文集》發(fā)表的論文“自組織控制系統(tǒng)分析方法分叉一混沌信號(hào)與N級(jí)分頻譜變換”，還可參見(jiàn)本發(fā)明人李宗誠(chéng)在1994年將要出版的學(xué)術(shù)刊物《數(shù)據(jù)采集與處理》上發(fā)表的論文“關(guān)于非平衡信號(hào)的采樣間隔和頻率”。
在將非線性電路引入探測(cè)器或加速器的條件下，由非線性振蕩電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以看到電子具有N級(jí)分叉波動(dòng)性；第n級(jí)分叉波的頻率應(yīng)為ν/z(n)、波長(zhǎng)應(yīng)為z(n)λ。特別地，當(dāng)n→∞，電子具有混沌波動(dòng)性；當(dāng)n＝0，電子其有de Broglie波動(dòng)性。
根據(jù)電子光學(xué)所確認(rèn)的如下事實(shí)A)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中控制電子運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律(最小作用量原理)與折射率有變化的化學(xué)媒質(zhì)中控制光線的規(guī)律(費(fèi)馬原理)之間的相似性；B)L.V.德布羅意于20世紀(jì)20年代揭示了電子的波動(dòng)性及其與光波的相似性；進(jìn)而，考慮到電磁級(jí)聯(lián)簇射及其它高能多光子過(guò)程，我們可看到，在將非線性電路引入發(fā)射器的條件下，光子將具有倍周期演變性，而且以分叉一混沌波為基本演變形式。關(guān)于這一點(diǎn)，可參見(jiàn)本發(fā)明人李宗誠(chéng)在1994年將要出版的學(xué)術(shù)刊物《光譜學(xué)與光譜分析》上發(fā)表的論文“N級(jí)分叉一混沌光子模型及其演化波譜研究”。本發(fā)明人給出如下兩個(gè)重要結(jié)論①根據(jù)Feigenbaum分叉間距等比關(guān)系(見(jiàn)M.J.Feigenbaum，J.Stat.Phys.，19.25(1978)；21，669(1979))。
Δn/Δn＋1→δ＝4.669201609……則N級(jí)分叉光子的速度應(yīng)為c(N)=η0c+η12c+1δη13c+1δ2η14······+1δn-1η1(1+N)c]]>=c[η0+Σn-1N1δn-1η1(1+n)]]]>式中，η0為未分叉時(shí)段[t0，t1]在一特定演變時(shí)段[t0，t]中所占的比重，且0≤η0＜1；η1為一級(jí)分叉時(shí)段[t1，t2]在一特定演變時(shí)段[t0，t]中所占的比重，且0≤η1＜1。
②N級(jí)分叉波的頻率和波長(zhǎng)應(yīng)為ν{N}=ν[η0+Σa-1N1z(n)•1δn-1η1(1+n)]]]>λ{n}=λ[η0+Σn-1N1δn-1z(n)η1(1+n)]]]>2、基本構(gòu)成本發(fā)明“通用高頻輻射安全增益設(shè)備”主要由電致級(jí)聯(lián)簇射器、控制器和深度檢測(cè)器組成。見(jiàn)附圖2。它可以被盾作是高頻輻射安全增益控制系統(tǒng)。
電致級(jí)聯(lián)簇射器，是產(chǎn)生具有多種頻率，具有級(jí)聯(lián)演變性輻射源的主要器件，它應(yīng)由電子級(jí)聯(lián)簇射槍、電子圈加速器和介質(zhì)層構(gòu)成，如附圖3所示。電子級(jí)簇射槍是本發(fā)明中最具獨(dú)特性的元件之一，它以RLC非線性振蕩電路為基礎(chǔ)，可發(fā)射級(jí)聯(lián)簇射電子，如附圖4所示。電子圈加速器(ERA)是在電子圈中俘獲并加速離子數(shù)方案。介質(zhì)層可由原子核場(chǎng)組成。
本發(fā)明采用的控制系統(tǒng)是以高頻輻射深度作為被控制量的反饋控制系統(tǒng)。這種控制系統(tǒng)主要用于對(duì)生物病變組織的高頻輻射過(guò)程。電致級(jí)聯(lián)簇射過(guò)程包含高頻輻射，這種輻射在深度上的隨機(jī)性會(huì)使輻射對(duì)生物組織的縱向深度相對(duì)于防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)尺寸有偏差。為消除這種輻射深度偏差，需要采用輻射深度自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)級(jí)聯(lián)簇射過(guò)程進(jìn)行深度控制。將高頻輻射限制在整個(gè)級(jí)聯(lián)簇射過(guò)程的某一時(shí)程內(nèi)，從而將高頻輻射限制在生物病變組織范圍內(nèi)。附圖5為輻射深度反饋控制系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)輻射深度控制，需要事先確定生物病變組織底層相對(duì)于生物表皮的深度的給定值(鎖定值)，將檢測(cè)的輻射深度值與給定值比較，得到深度偏差。控制器根據(jù)偏差信號(hào)給出相應(yīng)的操縱信號(hào)控制級(jí)聯(lián)簇射器，使高頻輻射對(duì)于生物組織的深度等于給定值。
(六)與現(xiàn)有輻射應(yīng)用技術(shù)相比，本發(fā)明主要有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)1、由于本發(fā)明采用電致級(jí)聯(lián)簇射器，進(jìn)而采用輻射深度控制系統(tǒng)，這就將高頻輻射限制在整個(gè)級(jí)聯(lián)簇過(guò)程的某一時(shí)程內(nèi)，從而提高輻射應(yīng)用技術(shù)的安全性；2、由于本發(fā)明采用電致級(jí)聯(lián)簇射器，進(jìn)而采用輻射深度控制系統(tǒng)，這就保證在不傷害生物正常組織的前提下對(duì)生物病變組織(或變異部位)加大高頻輻射劑量并延長(zhǎng)(或減少)高頻輻射時(shí)間，以而提高輻射應(yīng)用技術(shù)的有效性；3、本發(fā)明的通用性較強(qiáng)，即可以改制為電致級(jí)聯(lián)簇射安全診斷儀，從而應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域；也可以改制為電致級(jí)聯(lián)簇射安全治療機(jī)，從而應(yīng)用于醫(yī)療、生物等領(lǐng)域；還可以改制為新型安全示蹤儀、農(nóng)用新型安全殺蟲器、工業(yè)用新型安全測(cè)量計(jì)和探傷儀、生物用新型安全培養(yǎng)器，等等。
嚴(yán)格說(shuō)來(lái)，本發(fā)明提供的是一個(gè)新產(chǎn)品系列。
(七)實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最好方式如下首先，為產(chǎn)生具有級(jí)聯(lián)演變性的強(qiáng)流電子束，可引入RLC非線性電路系統(tǒng)以改進(jìn)現(xiàn)有電子槍。級(jí)聯(lián)演變性電子束的流強(qiáng)為1kA～1mA，束徑為5～20cm，束流能量為103-108J，電子數(shù)密度一般可達(dá)1013～1015cm-3。
其次建立電子圈加速器(ERA)。此加速器的運(yùn)行如附圖6所示。由圖可見(jiàn)，先將未中和的級(jí)聯(lián)演變電子束注入到一個(gè)有輕度聚焦作用的縱向磁場(chǎng)中形成電子圈，爾后，磁場(chǎng)強(qiáng)度隨時(shí)間上升，以便使圈的長(zhǎng)、短半徑都得到壓縮，并將圈中的電子能量進(jìn)一步提高。此時(shí)，由于電子與剩余氣體分子碰撞，產(chǎn)生了大量離子，這樣離子被圈中的勢(shì)壘所俘獲，一方面中和了電子的空間電荷力，使圈保持形狀；另一方面也提供了被加速的離子。此后，就需要將級(jí)聯(lián)演變電子圈和它俘獲的離子同時(shí)加速。加速有兩種方式，一是使用加速腔產(chǎn)出沿磁力線方向的電場(chǎng)，一是使用沿縱向距離逐漸減弱的磁場(chǎng)徑向分量的洛倫茲力。顯然，能夠以多大的加速率進(jìn)行加速，受到由最大電場(chǎng)決定的使離子保持在電子圈內(nèi)的保持能力所限制。
又次，為建立反饋式輻射深度控制系統(tǒng)，我們可建立超聲波深度傳感器，就是說(shuō)，利用超聲振動(dòng)來(lái)檢測(cè)生物病變組織的厚度。超聲振動(dòng)是以氣體、液體或固體為介質(zhì)的機(jī)械振動(dòng)。其振動(dòng)頻率超出音頻范圍，即高于2萬(wàn)赫。超聲振動(dòng)由變送器產(chǎn)生，變送器將振蕩器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的超聲振動(dòng)，超聲波變送器分為磁致伸縮型和壓電型兩種。附圖7是用超聲波測(cè)量生物病變組織深度的原理圖。變送器置于生物表皮上面，使超聲波可穿過(guò)生物病變組織而至另一面。超聲波達(dá)到另一面后再返射回到變送器。在相同條件下，超聲波在病變組織內(nèi)的往返時(shí)間取決于病變組織的厚度。若往返時(shí)間恰好等于超聲振動(dòng)的周期，就會(huì)產(chǎn)生共振。在共振時(shí)，變送器加給振蕩器的負(fù)荷會(huì)突然改變，隨之使振蕩器電流相應(yīng)改變。通過(guò)指示器記下電流改變時(shí)的振蕩頻率，就可確定超聲波往返一次所需的時(shí)間，從而測(cè)出病變組織的厚度和深度。
表權(quán)利要求
一、獨(dú)立權(quán)利要求(一)前后部分本發(fā)明屬于電子學(xué)與輻射技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有技術(shù)中與本發(fā)明主題密切相關(guān)的技術(shù)特征是利用快速電子在介質(zhì)中輻射7光子或X光子(軔致輻射技術(shù)特征)；以深度(或厚度)作為被控制量而建立反饋控制系統(tǒng)(深度控制技術(shù)特征)；利用超光波在媒質(zhì)中的傳播特性測(cè)量深度(超聲波厚度傳感技術(shù)特征)。(二)特征部分本發(fā)明的技術(shù)特征是設(shè)計(jì)并建造電致級(jí)聯(lián)簇射器，進(jìn)而將深度反饋控制系統(tǒng)引入高頻輻射實(shí)用系統(tǒng)，從而即可以提高輻射應(yīng)用技術(shù)的安全性，又可以提高輻射應(yīng)用技術(shù)的有效性。
二、從屬權(quán)利要求(一)引用部分引用的權(quán)利要求①設(shè)計(jì)并建造電致級(jí)聯(lián)簇射器。引用的權(quán)利要求②將深度反饋控制系統(tǒng)引入輻射實(shí)用系統(tǒng)。(二)特征部分對(duì)于引用的權(quán)利要求①，本發(fā)明附加的技術(shù)特征是以RLC非線性振蕩電路為基礎(chǔ)，改進(jìn)現(xiàn)有電子槍，以產(chǎn)生級(jí)聯(lián)簇射電子束；對(duì)于引用的權(quán)利要求①，本發(fā)明附加的技術(shù)特征是將改進(jìn)的新型電子槍引入電子圈加速器，以產(chǎn)生級(jí)聯(lián)光簇射；對(duì)于引用的權(quán)利要求②，本發(fā)明附加的技術(shù)特征是利用電致級(jí)聯(lián)簇射器和超聲波深度傳感器，將高頻輻射控制在生物病變組織范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明“通用高頻輻射安全增益設(shè)備”屬于電子學(xué)與輻射技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明通過(guò)設(shè)計(jì)并建造一種新型裝置，既可提高高頻輻射的安全性，又可提高高頻輻射的有效性。本發(fā)明將RLC非線性振蕩電路引入電子槍，從而將改進(jìn)的電子槍引入電子圈加速器，進(jìn)而對(duì)電致級(jí)聯(lián)簇射器引入深度反饋控制系統(tǒng)，以將高頻輻射控制在生物病變組織范圍內(nèi)。本發(fā)明具有較強(qiáng)的通用性，可廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷、醫(yī)療、生物工程、蟲害防治、工業(yè)探傷、測(cè)量和工業(yè)加工等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)A61N5/00GK1117837SQ94108979
公開日1996年3月6日 申請(qǐng)日期1994年8月29日 優(yōu)先權(quán)日1994年8月29日
發(fā)明者李宗誠(chéng) 申請(qǐng)人:李宗誠(chéng)