通用高频辐射安全增益设备

通用高频辐射安全增益设备

(一)本发明的名称：“通用高频辐射安全增益设备”。

(二)本发明属于电子学与辐射技术领域。

(三)对本发明的理解、检索、审查最相关的现有技术，是近十多年来 出现的非线性振荡电子技术。回顾非线性振荡的研究史(参见Kenndey M.P.，Chua L.O.，IEEE Trans.Circuits and Systems，33(1986)974)， 我们可以知道，虽然早在1927年荷兰无线电工程师Vander Pol等在三极管 振荡电路中就已看到“不规则的”现象，但由于当时技术不够发达，没有对这 种分叉—混沌现象给以重视。重要的倍周期分叉现象也直到1978年才由美 国物理学家Feigenbaum发现(参见M.J.Feigenbaum，J.Stat.Phys.，19、 25(1978)；21，669(1979))。1979年3位苏联学者提出了修正的范德坡 振荡器，发现了复杂输出(参见Zongh G.O.，Ayrom F.，Int.J.Circuit Theory Appl.，13(1985)93；程极泰，《自然杂志》，12(1989)668； Matsumoto T.et al.，IEEE Trans.Circuits and Systems，32(1985)797)。 1981年P.S.Linsay对含变容二极管的RLC振荡电路(附图1)进行实验研 究(Tang Y.S.et al.，IEEE Trans，Circuits and Systems，30(1983)， 620)。此二极管的电容随电压变化的规律是C＝C₀(1＋βV)^y，其中C₀，β和γ 是常数。当讯号发生器的输出电频较低时，RLC回路响应是线性的，有一 确定共振频率ν。将发生器调到此频率上，以讯号电压V为控制参量。当V 增至阈值V₁时，突然有二分频ν/2……，当V增至阈值V_n时，突然有2° 分频ν/2°，这些阈值V_n安Feigenbaum普适常数δ收敛。实验结果与理论 预计值比较列于表1。1984年L.O.Chua设想—3阶非线性自治电路 (Chua.L.O.et al.，Int.J.Circuit Theory Appl.，14(1986)315)，此电路可 与Lorenz混沌模型相比。1986年黄安山在Chua电路中发现“周期—混沌— 周期加(减)1律”，继而又在该电路中到了混沌消失时的边界(黄安 山，《电子学报》，18，2(1990)121)。实际上，在其他3阶自治电路，例 如仿Chua电路、双回路3阶自治电路中，都存在着相同现象。特别是在仿 Chua电路中遵循着一条完美的规律：从平衡点开始Hopf分叉由倍周期进 入混沌，然后从周期2开始经倍周期进入混沌，再后从周期3开始……(参 见Chua.L.O.，Madan R.N.，IEEE Circuits and Devices Magazine，1 (1988)3)。

对本发明的理解、检索、审查有参考作用的另外一项现有技术，就是对 高频辐射技术。这方面最重要的是轫致辐射技术，有关文献可参见 R.M.Sternheimer，Interaetion of radiation with matter，In Yuan and Wu (eds)“Methods of Eexperimental Physics”，Vol 5A，P.1，Academic Press，(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)。这些文献给出了快速电子 在介质的一个原子核上产生轫致辐射的截面计算式(即Bethe-Heitler公 式)，还给出几种常用介质的辐射长度x。和临界能量Ec的数值。高能电子 和光子在介质中产生电子—光子簇射，这是高能电子轫致辐射和高能光子产 生电子对组成的级联过程。有关文献可参见B.Rossi，High-energy Particles，Prentiee-Hall，New York，(1952)；唐孝威，物理学报，17，4 (1961)191；E.Longo et al.，Nuclear Instruments and methods，128 (1975)283；赵忠尧，phys.Rev.，75(1949)581；王淦昌等，物理学报， 11(1955)421；D.Miiller，Phys.Rev.，D5(1972)2677。在这些文献 中，有的给出用以近似表示入射光子的簇射纵向发展曲线的经验公式，有的 给出测量电子—光子簇射的方法并给出相应地实验曲线，还有的给出介质不 同深度的簇射次级电子数统计涨落的实验数据。

(四)本发明的目的，是想通过设计并建立一种新型装置。既能保证减 少或避免核辐射对于生物组织的伤害作用，提高核辐射应用的安全性，又能 保证适当增加核辐射的剂量并延长核辐射的使用时间，提高核辐射应用的有 效性。

现有核辐射应用技术由于生物安全方面的原因受到了种种限制。原子核 的放射性衰变产生出几种电离辐射，它们的能量的典型值为每个粒子或每个 量子几百万电子伏。当这种辐射通过物质时，在它们路径上会留下一条电离 了的原子的踪迹。即使很少量的电离也可能严重地破坏一个灵敏的系统，譬 如生命细胞或者晶体管等。实验观察已经表明，全身受到的剂量在25rem以 下不产生可观察的影响。当剂量超过100rem后，对造血机构的破坏就变得 明显起来；超过800rem，就发生严重的消化系统失常。如果剂量比500rem 大得多，那么一般来说经过几天或几星期就会死亡。

对于现有核辐射应用技术来说，提高核辐射的有效性与提高核辐射的安 全性，这是难以解决的矛盾。本发明能够为人们提供一种兴核辐射之利、避 核辐射之弊的新技术解决方案。

(五)观从工作原理和基本构成两方面介绍本发明的内容。

1、工作原理

本发明的基本设计思想：由于低频辐射波的量子能量较小，通常不产生 明显的电离，对生物组织的伤害极微，而高频辐射的量子能量较高，常产生 较多的电离，对生物组织的伤害较大，因此，我们可通过设计并建立一种新 的装置，产生具有多种频率、具有演变性的辐射源，进而设计并建立深度控 制系统，将高频辐射波限制在生物病变组织范围内，而在生物正常组织范围 内将辐射波簇射为级联低频过程。

下面的讨论将给出本发明设想的科学基础，

本发明的基础由RLC振荡电路系统构成。本发明所以要采用非线性电 路，是由于有不少实验和理论分析(前面已列出有关文献)已表明，许多非 线性器件，电路和系统能够呈现一种远比经典电路所呈现的直流稳态响应、 周期响应、子谐波响应、超谐波响应和殆周期(准周期)响应更为复杂的响 应，而这种复杂响应与生物体的复杂响应是相适应的。

从前面提及的非线性振荡电路实验结果，我们可断定：i)随着分叉级 数n的增加，非线性振荡以z(n)倍周期而递增；ii)在第n级分叉上，非 线性振荡由z(n)个分叉波迭加而成。这里z(n)取整数值。关于这一 点，可参见本发明人李宗诚在《1994年全国自动化控制理论学术论文集》 发表的论文“自组织控制系统分析方法：分叉一混沌信号与N级分频谱变 换”，还可参见本发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《数据采集与 处理》上发表的论文“关于非平衡信号的采样间隔和频率”。

在将非线性电路引入探测器或加速器的条件下，由非线性振荡电路实验 结果，我们可以看到：电子具有N级分叉波动性；第n级分叉波的频率应 为ν/z(n)、波长应为z(n)λ。特别地，当n→∞，电子具有混沌波动 性；当n＝0，电子其有de Broglie波动性。

根据电子光学所确认的如下事实：A)在电场和磁场中控制电子运动轨 迹的规律(最小作用量原理)与折射率有变化的化学媒质中控制光线的规律 (费马原理)之间的相似性；B)L.V.德布罗意于20世纪20年代揭示了电子 的波动性及其与光波的相似性；进而，考虑到电磁级联簇射及其它高能多光 子过程，我们可看到，在将非线性电路引入发射器的条件下，光子将具有倍 周期演变性，而且以分叉一混沌波为基本演变形式。关于这一点，可参见本 发明人李宗诚在1994年将要出版的学术刊物《光谱学与光谱分析》上发表 的论文“N级分叉一混沌光子模型及其演化波谱研究”。本发明人给出如下两 个重要结论：

①根据Feigenbaum分叉间距等比关系(见M.J.Feigenbaum，J.Stat. Phys.，19.25(1978)；21，669(1979))。

               Δ_n/Δ_n＋1→δ＝4.669201609…… 则N级分叉光子的速度应为 <math> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>&delta;</mi> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>3</mn> <mi>c</mi> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>4</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>&CenterDot;</mo> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>N</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>c</mi> </mrow> </math> <math> <mrow> <mo>=</mo> <mi>c</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math> 式中，η₀为未分叉时段[t₀，t₁]在一特定演变时段[t₀，t]中所占的比重，且0≤ η₀＜1；η₁为一级分叉时段[t₁，t₂]在一特定演变时段[t₀，t]中所占的比重，且0≤ η₁＜1。

②N级分叉波的频率和波长应为 <math> <mrow> <msub> <mi>&nu;</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>N</mi> <mo>}</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>&nu;</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mi>z</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&bull;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math> <math> <mrow> <msub> <mi>&lambda;</mi> <mrow> <mo>{</mo> <mi>n</mi> <mo>}</mo> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mi>&lambda;</mi> <mo>[</mo> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>+</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mn>1</mn> <msup> <mi>&delta;</mi> <mrow> <mi>n</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mfrac> <mi>z</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&eta;</mi> <mn>1</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>]</mo> </mrow> </math>

2、基本构成

本发明“通用高频辐射安全增益设备”主要由电致级联簇射器、控制器和 深度检测器组成。见附图2。它可以被盾作是高频辐射安全增益控制系统。

电致级联簇射器，是产生具有多种频率，具有级联演变性辐射源的主要 器件，它应由电子级联簇射、电子圈加速器和介质层构成，如附图3所 示。电子级簇射是本发明中最具独特性的元件之一，它以RLC非线性振 荡电路为基础，可发射级联簇射电子，如附图4所示。电子圈加速器 (ERA)是在电子圈中俘获并加速离子数方案。介质层可由原子核场组成。

本发明采用的控制系统是以高频辐射深度作为被控制量的反馈控制系 统。这种控制系统主要用于对生物病变组织的高频辐射过程。电致级联簇射 过程包含高频辐射，这种辐射在深度上的随机性会使辐射对生物组织的纵向 深度相对于防护标准尺寸有偏差。为消除这种辐射深度偏差，需要采用辐射 深度自动控制系统对级联簇射过程进行深度控制。将高频辐射限制在整个级 联簇射过程的某一时程内，从而将高频辐射限制在生物病变组织范围内。附 图5为辐射深度反馈控制系统。为实现辐射深度控制，需要事先确定生物病 变组织底层相对于生物表皮的深度的给定值(锁定值)，将检测的辐射深度 值与给定值比较，得到深度偏差。控制器根据偏差信号给出相应的操纵信号 控制级联簇射器，使高频辐射对于生物组织的深度等于给定值。

(六)与现有辐射应用技术相比，本发明主要有三个优点：

1、由于本发明采用电致级联簇射器，进而采用辐射深度控制系统，这 就将高频辐射限制在整个级联簇过程的某一时程内，从而提高辐射应用技术 的安全性；

2、由于本发明采用电致级联簇射器，进而采用辐射深度控制系统，这 就保证在不伤害生物正常组织的前提下对生物病变组织(或变异部位)加大 高频辐射剂量并延长(或减少)高频辐射时间，以而提高辐射应用技术的有 效性；

3、本发明的通用性较强，即可以改制为电致级联簇射安全诊断仪，从 而应用于医学诊断领域；也可以改制为电致级联簇射安全机，从而应用 于医疗、生物等领域；还可以改制为新型安全示踪仪、农用新型安全杀虫 器、工业用新型安全测量计和探伤仪、生物用新型安全培养器，等等。

严格说来，本发明提供的是一个新产品系列。

(七)实现本发明的最好方式如下：

首先，为产生具有级联演变性的强流电子束，可引入RLC非线性电路 系统以改进现有电子。级联演变性电子束的流强为1kA～1mA，束径为5 ～20cm，束流能量为10³-10⁸J，电子数密度一般可达10¹³～10¹⁵cm^-3。

其次建立电子圈加速器(ERA)。此加速器的运行如附图6所示。由图 可见，先将未中和的级联演变电子束注入到一个有轻度聚焦作用的纵向磁场 中形成电子圈，尔后，磁场强度随时间上升，以便使圈的长、短半径都得到 压缩，并将圈中的电子能量进一步提高。此时，由于电子与剩余气体分子碰 撞，产生了大量离子，这样离子被圈中的势垒所俘获，一方面中和了电子的 空间电荷力，使圈保持形状；另一方面也提供了被加速的离子。此后，就需 要将级联演变电子圈和它俘获的离子同时加速。加速有两种方式，一是使用 加速腔产出沿磁力线方向的电场，一是使用沿纵向距离逐渐减弱的磁场径向 分量的洛伦兹力。显然，能够以多大的加速率进行加速，受到由最大电场决 定的使离子保持在电子圈内的保持能力所限制。

又次，为建立反馈式辐射深度控制系统，我们可建立超声波深度传感 器，就是说，利用超声振动来检测生物病变组织的厚度。超声振动是以气 体、液体或固体为介质的机械振动。其振动频率超出音频范围，即高于2万 赫。超声振动由变送器产生，变送器将振荡器输出的电信号转换为相应的超 声振动，超声波变送器分为磁致伸缩型和压电型两种。附图7是用超声波测 量生物病变组织深度的原理图。变送器置于生物表皮上面，使超声波可穿过 生物病变组织而至另一面。超声波达到另一面后再返射回到变送器。在相同 条件下，超声波在病变组织内的往返时间取决于病变组织的厚度。若往返时 间恰好等于超声振动的周期，就会产生共振。在共振时，变送器加给振荡器 的负荷会突然改变，随之使振荡器电流相应改变。通过指示器记下电流改变 时的振荡频率，就可确定超声波往返一次所需的时间，从而测出病变组织的 厚度和深度。

表1