連續(xù)THx波與材料相互作用的熱效應(yīng)研究.pdf

1、太赫茲(THz)技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像，環(huán)境監(jiān)測(cè)，安全檢測(cè)，反恐，通信，水分測(cè)量等方面具有很多大的應(yīng)用潛力，也是目前世界上研究的熱點(diǎn)之一。要實(shí)現(xiàn)THz技術(shù)的廣泛應(yīng)用，一方面需要高功率，高穩(wěn)定性，調(diào)諧方便，操作簡(jiǎn)單，室溫運(yùn)轉(zhuǎn)的THz輻射源，另一方面為了保障THz技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中的安全性，需要完善THz技術(shù)應(yīng)用安全性的理論，制定相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)。目前，對(duì)THz技術(shù)應(yīng)用安全性的研究主要是從熱效應(yīng)的角度入手。水分對(duì)THz波具有較強(qiáng)的吸收，而許多材料(比

2、如生物組織中)都具有較高的含水量，因此在接受THz波照射過(guò)程中，由于對(duì)THz波的吸收較強(qiáng)，可能會(huì)引起材料內(nèi)部溫度的較大變化，導(dǎo)致其正常的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
　　 本文從熱效應(yīng)的角度，通過(guò)理論建模，研究了連續(xù)THz波照射下材料內(nèi)溫度場(chǎng)分布的情況，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：⑴綜述了THz技術(shù)的發(fā)展情況，主要特點(diǎn)，輻射源和探測(cè)器的種類，以及當(dāng)前THz技術(shù)應(yīng)用安全性的研究現(xiàn)狀與存在的問(wèn)題，介紹了已經(jīng)存在的THz輻射安全標(biāo)準(zhǔn)。⑵建立了靜

3、態(tài)水與連續(xù)THz波相互作用的瞬態(tài)熱效應(yīng)模型。在已經(jīng)報(bào)道的模型中，僅僅研究了穩(wěn)態(tài)的溫度場(chǎng)分布，與照射時(shí)間無(wú)關(guān)，并且對(duì)THz光源采用的是平面波近似，而利用光學(xué)方法產(chǎn)生的THz輻射源具有良好的相干性，更適于應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)中，但這類光束的能量分布是高斯型的；本文中我們提出了瞬態(tài)熱效應(yīng)模型，THz光束采用高斯型的能量分布形式，通過(guò)有限元法分析了連續(xù)THz波照射下水中溫度從開(kāi)始變化到實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，給出了溫度分布與照射時(shí)間之間的聯(lián)系。這也為

4、研究THz波與生物組織的相互作用打下了基礎(chǔ)。⑶建立了生物組織與連續(xù)THz波相互作用的熱效應(yīng)模型。為了研究人體接受THz波照射時(shí)的情形，我們提出了連續(xù)THz波與人體皮膚相互作用的雙層模型。用雙層模型來(lái)代表皮膚的表皮層和真皮層的雙層結(jié)構(gòu)，通過(guò)選擇合適的邊界條件，求解生物熱傳導(dǎo)方程，對(duì)連續(xù)THz波照射下皮膚中的溫度變化進(jìn)行了數(shù)值模擬，并詳細(xì)分析了影響溫度場(chǎng)的因素。對(duì)THz波與其他生物組織(牙齒，皮膚癌組織)相互作用時(shí)的熱效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。⑷