生物微波知識(shí)點(diǎn)
生物微波篇一：脈沖微波生物效應(yīng)的研究
脈沖微波生物效應(yīng)的研究
1、高功率微波（HighPowerMicrowave,HPM）是一項(xiàng)新興的技術(shù)，具有峰值功率極高，而平均功率相對(duì)較低的特點(diǎn)，其在民事與軍事方面的應(yīng)用尚在不斷的發(fā)展中，而在軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用更是受到了特別的重視。美國國會(huì)聯(lián)合經(jīng)濟(jì)委員會(huì)（JointEconomicCommittee）于1997年6月和1998年2月分別舉行了兩次有關(guān)HPM武器與美國經(jīng)濟(jì)關(guān)系問題的聽證會(huì)（1），由此反映出了當(dāng)前該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)和國防安全方面的重要性。隨著HPM技術(shù)的廣泛應(yīng)用，關(guān)于其對(duì)環(huán)境及人類健康有無影響及其如何防護(hù)的問題急需解決，而目前有關(guān)HPM生物效應(yīng)研究的公開報(bào)道較少。一方面由于HPM峰值功率極高，而平均功率則較低，因此其對(duì)生物體作用的機(jī)制與低功率微波可能有所區(qū)別；另一方面微波的生物學(xué)效應(yīng)與微波的頻率、峰值功率密度和平均功率密度等有密切關(guān)系，因此有必要對(duì)高功率微波的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行深入的研究，制定相應(yīng)的衛(wèi)生防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。本文采用國產(chǎn)高功率微波源，初步探討高功率微波脈沖輻射的生物學(xué)效應(yīng)。
2．材料與方法
2．1微波源采用國產(chǎn)新研制的高功率微波源(G瓦級(jí)，X波段)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察。
2．2動(dòng)物分組健康Sprague-Dawley大鼠6只和昆明種小白鼠35只（雌雄不拘）（由第四軍醫(yī)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物中心提供）用于實(shí)驗(yàn)。其中小白鼠按體重隨機(jī)分為兩組：痛閾反應(yīng)組（15只），游泳耐力組（20只）。后者再隨機(jī)配對(duì)分為兩組:實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組10只。
2．3實(shí)驗(yàn)方法先將動(dòng)物置于自制的塑料裝置內(nèi)后，再將動(dòng)物面向微波發(fā)射裝置放置。然后給予峰值功率密度55kW/cm2，平均功率密度688mW/cm2的脈沖微波作用,共100次脈沖，微波脈寬25ns，重復(fù)頻率50Hz，占空比1.25/106。微波輻照前、微波輻照后即刻測(cè)小白鼠的痛閾反應(yīng)，2小時(shí)后測(cè)游泳耐力，6小時(shí)后測(cè)大鼠視覺誘發(fā)電位（F-VEP）和視網(wǎng)膜電圖變化(ERG)。
小鼠痛閾采用熱板實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，即將小鼠放在熱板上（55℃±
0.5℃），用秒表開始計(jì)時(shí)，當(dāng)小鼠開始添后足時(shí)即刻停止計(jì)時(shí)，記錄時(shí)間，作為小鼠痛閾反應(yīng)時(shí)間。采用自身前后對(duì)照的方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，配對(duì)t檢驗(yàn)方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。
小鼠游泳耐力參照文獻(xiàn)上方法進(jìn)行，即將實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的小鼠尾部束一2g的重物（保險(xiǎn)絲）后放入深20cm的容器內(nèi)(水溫20℃±0.5℃)游泳，開始計(jì)時(shí)。當(dāng)小鼠頭部沉入水中10秒中不能浮出水面時(shí)即為體力耗竭，即刻計(jì)時(shí)，作為小鼠游泳時(shí)間。小鼠游泳時(shí)間越長，耐力越好。實(shí)驗(yàn)中注意避免小鼠扶在容器壁上進(jìn)行休息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用團(tuán)體t檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。
大鼠視覺電生理檢查按本實(shí)驗(yàn)室已建立的方法進(jìn)行[3]，采用自身前后對(duì)照的方法進(jìn)行觀察。
3．結(jié)果
微波輻照數(shù)秒鐘內(nèi)，多數(shù)小鼠呈驚呆狀，有的停止隨意走動(dòng)，反應(yīng)遲鈍，當(dāng)移動(dòng)塑料裝置時(shí)才恢復(fù)反應(yīng)。有的則煩躁不安，毛發(fā)豎立。大鼠因在固定裝置內(nèi)不能隨意運(yùn)動(dòng)，故僅能觀察到豎發(fā)現(xiàn)象。微波輻照后小鼠痛閾反應(yīng)時(shí)間明顯延長（P<0.05）。對(duì)小鼠游泳耐力、痛閾和對(duì)大鼠視覺電生理功能的影響見下表。微波對(duì)小鼠和大鼠形態(tài)學(xué)的影響尚在觀察中。
表1微波脈沖輻照對(duì)小鼠痛閾值的影響(s)(x±SD)
n
15
*P<0.05
表2微波脈沖輻照對(duì)小鼠游泳時(shí)間的影響(min)(x±SD)
n
10對(duì)照組4.925?2.419
實(shí)驗(yàn)組3.983?1.577微波輻照前15.30?5.0微波輻照后21.?13.42*
表2微波脈沖輻照對(duì)大鼠ERG、F－VEP波幅值的影響(μV)(x±SD)
ERGa波
ERGb波
FVEPP1波
n右眼6629.66
4．討論
微波對(duì)健康的影響已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，回顧性調(diào)查資料以及大量的實(shí)驗(yàn)觀察均證實(shí)微波對(duì)機(jī)體健康確有危害作用。大量的關(guān)于微波生物學(xué)效應(yīng)的研究主要側(cè)重于尋找可導(dǎo)致機(jī)體組織和功能明顯損傷的閾值。因此相關(guān)研究多采用高強(qiáng)度微波源，長時(shí)間、反復(fù)進(jìn)行暴露，從而導(dǎo)致組織形態(tài)學(xué)出現(xiàn)明顯改變。研究結(jié)論多比較明確，即微波的生物學(xué)效應(yīng)是由于熱效應(yīng)引起的。近年來低強(qiáng)度微波輻射對(duì)機(jī)體影響日益引起人們的重視，相關(guān)研究比較多，但尚無明確的結(jié)論。而關(guān)于高功率微波生物學(xué)效應(yīng)的研究則公開文獻(xiàn)報(bào)道很少。文獻(xiàn)及我們實(shí)驗(yàn)室前期實(shí)驗(yàn)觀察到微波的生物學(xué)效應(yīng)與微波的頻率、強(qiáng)度（平均功率密度）和作用時(shí)間密切相關(guān)。同樣頻率和強(qiáng)度的微波作用不同時(shí)間，可引起不同的生物學(xué)效應(yīng)。我們特別注意到當(dāng)短時(shí)間微波輻射尚不能引起動(dòng)物體溫的改變和敏感器官形態(tài)和功能改變時(shí)，離體細(xì)胞膜離子通道功能已經(jīng)發(fā)生明顯改變。進(jìn)一步的觀察還發(fā)現(xiàn)，高功率微波脈沖輻射可以使培養(yǎng)的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞增殖能力等發(fā)生改變。但是目前關(guān)于高功率微波脈沖輻射是否會(huì)引起生物學(xué)效應(yīng)尚無定論。
在前期實(shí)驗(yàn)觀察的基礎(chǔ)上，我們采用我國新研制的高功率微波源，觀察了高功率脈沖微波輻射的生物學(xué)效應(yīng)。本實(shí)驗(yàn)微波輻射的特點(diǎn)是峰值功率高（55kW/cm2）、平均功率相對(duì)低（688mW/cm2）、共進(jìn)行了100次脈沖輻射，累計(jì)作用時(shí)間短(2s)。該實(shí)驗(yàn)條件是今后工作可能實(shí)際應(yīng)用的，因此本實(shí)驗(yàn)具有一定的實(shí)用背景。在短時(shí)間高功率脈沖微波作用下，動(dòng)物的行為發(fā)生了明顯改變，表現(xiàn)為短時(shí)間反應(yīng)遲鈍，痛閾12.0±2.316.832.710.9±5.013.6±3.711.1±4.225.9±4.1109.4±左眼右眼左眼33.0±19101.1±34.230.4±3.531.6±7.5109.4±98.4±微波輻照前微波輻照后
值明顯降低,小鼠的游泳耐力時(shí)間較對(duì)照組延長（未達(dá)到顯著性差異），但大鼠視覺電生理學(xué)未見顯著性改變。初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,高功率脈沖微波暴露可以對(duì)動(dòng)物產(chǎn)生一定的急性生物學(xué)效應(yīng),由于暴露的時(shí)間短，吸收功率低，而機(jī)體溫度的調(diào)節(jié)變化需要的時(shí)間相對(duì)較長，因此動(dòng)物的生物學(xué)效應(yīng)可能與神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)激反應(yīng)有關(guān)。這種生物學(xué)效應(yīng)可能是可逆的，因此在微波暴露6小時(shí)后大鼠的視網(wǎng)膜功能和視神經(jīng)傳導(dǎo)功能與實(shí)驗(yàn)前已無明顯的改變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果提示我們即便是極短時(shí)間的高功率微波暴露，同樣是有危險(xiǎn)的。文獻(xiàn)上關(guān)于高功率脈沖微波的生物學(xué)效應(yīng)研究結(jié)果多是陰性，可能與所采用的實(shí)驗(yàn)條件和觀察指標(biāo)有關(guān)。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與我室前期采用離體細(xì)胞的研究結(jié)果是一致的，因此我們認(rèn)為應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)高功率微波，特別是今后國防或國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中可能應(yīng)用的微波輻射條件下的生物學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究，進(jìn)一步明確高功率微波的生物學(xué)效應(yīng)及其可能機(jī)制，從而為高功率微波的應(yīng)用和防護(hù)提供根據(jù)。
生物微波篇二：微波加熱
1緒論
微波與無線電波、電視信號(hào)、雷達(dá)通訊、紅外線、可見光等一樣，都屬于電磁波，不同之處在于這種電磁波的波長在1mm~1m之間，與其它電磁波相比，其波長是很短的，所以稱之為微波。微波技術(shù)首先應(yīng)用于通訊、廣播、電視技術(shù)中。1945年，美國雷神公司的培西?史賓賽在偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)可以利用微波來烹飪食物，從此便拉開了利用微波的熱效應(yīng)對(duì)材料進(jìn)行加熱的序幕。直到60年代末，微波加熱在食品工業(yè)、橡膠工業(yè)首次獲得成功。從此，微波能作為一種新興能源，在加熱、烘干、食品加工、殺蟲滅菌、生物醫(yī)學(xué)等方面得到越來越廣泛的應(yīng)用。
1.1微波加熱介紹
微波加熱與普通方式加熱相比，屬于兩種截然不同的加熱方式。通常一般的加熱器用電、煤氣、木炭火進(jìn)行加熱，它是在被加熱材料的外部產(chǎn)生熱，然后再通過傳導(dǎo)材料對(duì)內(nèi)部加熱，這樣不僅加熱速度慢，而且受熱不夠均勻，熱效率也比較低。而微波加熱的基本工作原理是：介質(zhì)材料由極性分子和非極性分子組成，在電磁場(chǎng)作用下，這些極性分子從原來的隨機(jī)分布狀態(tài)轉(zhuǎn)向依照電場(chǎng)的極性排列取向。而在高頻電磁波作用下，這些分子取向按交變電磁場(chǎng)的變化而變化，這一過程致使分子的運(yùn)動(dòng)和相互磨擦從而產(chǎn)生熱量。此時(shí)交變電磁場(chǎng)的場(chǎng)能轉(zhuǎn)化為介質(zhì)內(nèi)的熱動(dòng)能，使介質(zhì)溫度不斷升高。這就決定了微波加熱具有加熱均勻、速度快、熱效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好，可以進(jìn)行選擇性加熱、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)�？梢钥闯雠c傳統(tǒng)的加熱技術(shù)相比，微波加熱技術(shù)無疑具有極大的吸引力和廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景，并將逐步取代傳統(tǒng)的加熱技術(shù)。
微波加熱設(shè)備一般由微波功率源、應(yīng)用器、波導(dǎo)元件、饋能結(jié)構(gòu)、傳感和控制五部分組成，其中產(chǎn)生微波的微波功率源是微波技術(shù)設(shè)備的心臟。微波功率源性能的好壞往往決定著整體設(shè)備的性能，所以提高微波功率源的性能在微波技術(shù)設(shè)備性能提升中具有很大作用。然而，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)輸出功率及頻率都不夠穩(wěn)定的情況，從客觀方面的因素來看，有微波功率源的制造工藝問題，有微波管本身設(shè)計(jì)中存在問題或微波管理論的限制等；從主觀方面的因素來看，有的是控制算法不妥，有的是系統(tǒng)設(shè)計(jì)有缺陷或是負(fù)載情況復(fù)雜導(dǎo)致微波管工作狀態(tài)不穩(wěn)定等�？傊�，微波技術(shù)作為在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的新技術(shù)還是有許多不成熟、需要改進(jìn)的地方。只有充分彌補(bǔ)微波技術(shù)設(shè)備的不足之處，微波技術(shù)才能在工業(yè)應(yīng)用中走得更深更廣。
雖然家用微波爐方面的溫度控制研究對(duì)工業(yè)行業(yè)的微波加熱器有一定的借鑒意義，但需要注意的是家用微波爐在工作之前，都需要由用戶確定事物的類型和數(shù)量，并預(yù)置工作時(shí)間。在這種操作方式下，操作人員需要根據(jù)加熱材料的介電特性、數(shù)量等有關(guān)因數(shù)去手動(dòng)設(shè)定微波功率和工作時(shí)間。這樣不僅操作顯得麻煩，而且工作功率和工作時(shí)間的設(shè)定也要在實(shí)踐中針對(duì)不同材料加以摸索才能掌握。另外，微波爐的功率調(diào)整是脈動(dòng)性質(zhì)的，如果將這一功率調(diào)整方案應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域?qū)?huì)帶來嚴(yán)重的電網(wǎng)污染和大量的電能浪費(fèi)，與國家建設(shè)節(jié)約型社會(huì)的方針是格格不入的。因此，在這樣的一個(gè)背景下研究和實(shí)現(xiàn)工業(yè)微波加熱溫度的智能控制就顯得尤為迫切和重要，提高工業(yè)用微波功率源輸出功率的穩(wěn)定度已成為微波技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中能更加廣泛應(yīng)用所迫切需要解決的問題之一。
1.2微波加熱的現(xiàn)狀
20世紀(jì)60年代以后，微波作為一種新型能源在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，拓成了一個(gè)分支技術(shù)。如化學(xué)研究中的應(yīng)用，有催化領(lǐng)域，有機(jī)合成，合成某些射性藥劑以及干燥等方面；在醫(yī)療方面，各種微波治療儀的成功研制與應(yīng)用，顯示出微波醫(yī)學(xué)具有不可估量的潛在生命力；基于微波的材料處理方面的技術(shù)發(fā)也是日新月異，如陶瓷燒結(jié)，木材干燥，微波染色等等。盡管微波作為一種新型能源在上述領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，由于強(qiáng)電磁場(chǎng)的存，在微波場(chǎng)下的溫度測(cè)量依然是個(gè)技術(shù)難題。而溫度顯然是個(gè)重要的參數(shù)，如波誘導(dǎo)催化反應(yīng)機(jī)理以及微波催化劑作用機(jī)理的研究不是很深入，主要原因就是微波場(chǎng)中的溫度無法準(zhǔn)確測(cè)量。因此，微波場(chǎng)中溫度測(cè)量技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步動(dòng)微波在其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。由于溫度參數(shù)在微波熱處理中的重要性，人們經(jīng)在各類微波爐，微波反應(yīng)釜，微波治療儀等很多存在微波場(chǎng)的領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了對(duì)度的檢測(cè)。這些溫度檢測(cè)檢測(cè)技術(shù)中有常規(guī)的如熱電偶溫度傳感器，也有熱敏晶體管及集成電路溫度傳感器。然而在微波場(chǎng)中，由于強(qiáng)電磁場(chǎng)存在，金屬材料作的測(cè)溫探頭及導(dǎo)線在高頻電磁場(chǎng)下產(chǎn)生感應(yīng)電流，由于趨膚效應(yīng)和渦流效應(yīng)得自身溫度升高，對(duì)測(cè)量造成嚴(yán)重干擾，使得溫度顯示值產(chǎn)生很大的誤差或者無法進(jìn)行穩(wěn)定的溫度測(cè)量。
經(jīng)過20年的發(fā)展，微波加熱技術(shù)的重要的技術(shù)難關(guān)突破后，將微波能大規(guī)模運(yùn)用與各個(gè)工業(yè)，醫(yī)療，科研等領(lǐng)域中，取代傳統(tǒng)的加熱方式是大勢(shì)所趨，這自然而然的'要求有準(zhǔn)確可靠的微波加熱溫度控制系統(tǒng)的出現(xiàn)。雖然家用微波爐面的溫度控制研究對(duì)通用行業(yè)的加熱器有一定的借鑒意義，但需要注意的是家微波爐在工作之前，都需要由用戶確定事物的類型和數(shù)量，并預(yù)置工作時(shí)間。能查到的相關(guān)資料中，大多數(shù)溫度控制主要還處于手動(dòng)控制狀態(tài)，在這種操作方式下，操作人員需要根據(jù)加熱材料的介電特性，數(shù)量等有關(guān)因數(shù)去手動(dòng)設(shè)定微功率和工作時(shí)間。這樣不僅操作顯得麻煩，而且工作功率和工作時(shí)間的設(shè)定也在實(shí)踐中針對(duì)不同材料加以摸索才能掌握�？販匦Ч�，精度和可靠性都較低，加熱過程容易出現(xiàn)過熱，或著不能達(dá)到即定的加熱效果。針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)一種PLC控制的溫度自動(dòng)控制的微波加熱系統(tǒng)。
雖然微波技術(shù)在工業(yè)加熱中的應(yīng)用并沒有其在通訊領(lǐng)域中應(yīng)用的那么廣泛，也沒有占有太多市場(chǎng)份額，還不能完全取代一些傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，但微波技術(shù)作為一個(gè)新興的科技產(chǎn)業(yè)，已顯示出了它在工業(yè)應(yīng)用中的強(qiáng)勁優(yōu)勢(shì)和潛力，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。
1.2.1控制器的發(fā)展
就國內(nèi)一些工業(yè)用微波設(shè)備來看，控制部分多用PLC來實(shí)現(xiàn)。相比較而言，在工業(yè)控制領(lǐng)域PLC的優(yōu)秀性能是顯而易見的，可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、功能強(qiáng)大、編程簡(jiǎn)單。但是PLC的價(jià)格過高，考慮到成本很多設(shè)備也選擇單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)控制功能。參考文獻(xiàn)就將凌陽SPCE061A單片機(jī)用在了微波加熱設(shè)備中，取得了較好的效果。但是，目前的發(fā)展趨勢(shì)是用以32位的ARM系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)，工業(yè)級(jí)的ARM芯片組合一些外圍元器件，如電源管理芯片，看門狗芯片，A/D芯片等，可使嵌入式控制系統(tǒng)的整體性能能達(dá)到微波功率應(yīng)用控制系統(tǒng)的要求。參考文獻(xiàn)[5]就采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STR730F芯片設(shè)計(jì)了一套微波磁控管控制系統(tǒng)，無論處理精度和運(yùn)算速度都比單片機(jī)系統(tǒng)要快得多。
1.2.2磁控管陽極電源的改進(jìn)
目前，大多數(shù)微波磁控管電源采用普通的工頻電源，經(jīng)變壓器升壓，整流和簡(jiǎn)單濾波得到直流高壓，這種方法體積大、效率低、紋波大，電感和電容工作在高壓狀態(tài)，價(jià)格比較高。
2微波加熱器整體結(jié)構(gòu)
2.1磁控管控制系統(tǒng)主結(jié)構(gòu)分析
磁控管是一種諧振型正交場(chǎng)振蕩器，是微波技術(shù)中的一種高功率微波源，以松下2M210-M1磁控管為例進(jìn)行分析，其電源系統(tǒng)如圖2.1所示。
磁控管發(fā)射微波時(shí)陰極需得到3.3V的燈絲電壓，陽極相對(duì)陰極具備4200V高壓而形成強(qiáng)電場(chǎng)。這樣陰極得到燈絲電壓向外發(fā)射電子。在電場(chǎng)作用下，電子從陰極飛向陽極。在磁控管中還存在磁場(chǎng)，方向與電場(chǎng)方向垂直，在磁場(chǎng)和電場(chǎng)共同作用下，電子延螺旋軌跡作輪擺式運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，在陽極諧振腔內(nèi)還存在高頻電場(chǎng)，在高頻電場(chǎng)作用下，電子繞陰極軸心旋轉(zhuǎn)，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度與高頻電場(chǎng)同步時(shí)，電子的直流能量交給高頻電場(chǎng)，維持高頻振蕩。這些高頻能量以微波的形式輸出，用于各種工業(yè)用途。
圖2.1微波爐電源控制系統(tǒng)
由上述分析可知，磁控管發(fā)出微波必須具備加熱燈絲、陽極直流高壓、激勵(lì)恒定磁場(chǎng)三個(gè)主要的工作條件。因此，磁控管電源也必須根據(jù)不同的要求分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2.1.1燈絲電源的設(shè)計(jì)
磁控管陰極的工作原理其實(shí)與真空電子管的陰極工作相似，都是向外發(fā)射電子。所以磁控管正常工作的一個(gè)必要的過程就是給陰極燈絲預(yù)熱。磁控管的燈絲電源都采用交流形式供電，由調(diào)壓變壓器和燈絲變壓器提供3.3V的燈絲電壓。為防止高頻能量從燈絲電路中泄漏出來，一般需在燈絲電路中加一高頻濾波電路，它由扼流線圈和電容組成。
2.1.2勵(lì)磁電源設(shè)計(jì)
連續(xù)波磁控管工作需要穩(wěn)定的磁場(chǎng)，所以需提供一組勵(lì)磁電源，依據(jù)調(diào)壓試驗(yàn)測(cè)定這組勵(lì)磁電源的電壓為60V直流電壓。這組電源由單相變壓器輸出的220V50Hz交流電變壓后，經(jīng)整流得到。另外，磁控管不能在無磁場(chǎng)的情況下啟動(dòng)。因此，必須再接通高電壓前，先接通磁場(chǎng)電路，并保證有足夠的磁感應(yīng)強(qiáng)度值，待片刻，再逐步減少勵(lì)磁電流獲得磁控管所需的輸出功率。
2.1.3陽極直流高壓電源
根據(jù)課題所研究磁控管參數(shù)，陽極電壓峰值為4.2kV，具體的調(diào)壓方式有很多種，包括半波倍壓整流、全波倍壓整流、電子調(diào)壓裝置、開關(guān)電源等，這些在論文的后續(xù)研究中會(huì)陸續(xù)提到。
在電源與磁控管的具體接線時(shí)，磁控管陽極接電源正極接地，陰極接電源負(fù)極，在陰極上產(chǎn)生一個(gè)負(fù)高壓，這樣做是因?yàn)殛枠O在磁控管的外圍，而陰極被包裹在陽極中央，若陽極
帶4.2kV的直流高壓，必定對(duì)系統(tǒng)的安全性是一個(gè)很大的威脅，所以電壓差不變的情況下陽極接地，在陰極上產(chǎn)生4.2kV的負(fù)高壓。
2.2微波爐電路原理圖
磁控管
圖2.2微波爐電路原理圖
微波爐的工作原理如圖2.2所示。
可編程序控制技術(shù)
3.1PLC的定義及特點(diǎn)
3.1.1PLC的定義
可編程序控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)，它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作命令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。
可編程序控制器及其有關(guān)的外部設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)成一個(gè)整體，易于擴(kuò)充其功能的原則而設(shè)計(jì)。
3.1.2PLC的特點(diǎn)
PLC是綜合繼電器接觸器控制的優(yōu)點(diǎn)及計(jì)算機(jī)靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)而設(shè)計(jì)制造和發(fā)展的，這就使PLC具有許多其他控制器所無法相比的特點(diǎn)。
1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)
2）通用性強(qiáng)，使用方便
3）采用模塊化結(jié)構(gòu)，使系統(tǒng)組合靈活方便
4）編程語言簡(jiǎn)單、易學(xué)，便于掌握
5）系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期短
6）對(duì)生產(chǎn)工藝改變適應(yīng)性強(qiáng)
7）安裝簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、維護(hù)工作量小
3.2PLC的應(yīng)用和發(fā)展前景
3.2.1PLC的應(yīng)用
PLC是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)發(fā)展起來的一種通用的工業(yè)自動(dòng)控制裝置，它具有可靠性高、體積小、功能強(qiáng)、程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、靈活通用、維護(hù)方便等一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金、能源、化工、交通、電力等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱（PLC、機(jī)器人和CAD/CAM）之一。
3.2.2PLC的發(fā)展前景
為了適應(yīng)市場(chǎng)的各方面的需求，各生產(chǎn)廠家對(duì)PLC不斷進(jìn)行改進(jìn)，推出功能更強(qiáng)、結(jié)構(gòu)更完善的新產(chǎn)品。這些新產(chǎn)品總體來說，朝兩個(gè)方向發(fā)展：一個(gè)是向超小型、專用化和低價(jià)格的方向發(fā)展，以進(jìn)行單機(jī)控制；另一個(gè)是向大型、高速、多功能和分布式全自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，以適應(yīng)現(xiàn)代化的大型工廠、企業(yè)自動(dòng)化的需要。
3.3PLC的基本組成及工作原理
3.3.1PLC的基本組成
生物微波篇三：微波破壁技術(shù)
簡(jiǎn)介：細(xì)胞破壁方法有多種，這里提及的微波法破壁顯著區(qū)別于傳統(tǒng)的粉碎破壁方法。所謂微波破壁就是生物樣品吸收微波導(dǎo)致發(fā)熱膨脹而產(chǎn)生破壁的手段。
微波
微波是指頻率為300MHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱，即波長在1米（不含1米）到1毫米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的統(tǒng)稱。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為“超高頻電磁波”。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。微波萃取是利用電磁場(chǎng)的作用使固體或半固體物質(zhì)中的某些有機(jī)物成分與基體有效的分離，并能保持分析對(duì)象的原本化合物狀態(tài)的一種分離方法。
破壁
微波破壁的機(jī)理可從以下3個(gè)方面來分析：①微波輻射過程是高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)到達(dá)物料內(nèi)部的微管束和腺胞系統(tǒng)的過程。由于吸收了微波能，細(xì)胞內(nèi)部的溫度將迅速上升，從而使細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞壁膨脹所能承受的能力，結(jié)果細(xì)胞破裂，其內(nèi)的有效成分自由流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)中。通過進(jìn)一步的過濾和分離，即可獲得所需的萃取物。②微波所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)可加速被萃取組分的分子由固體內(nèi)部向固液界面擴(kuò)散的速率。例如，以水作溶劑時(shí)，在微波場(chǎng)的作用下，水分子由高速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)，這是一種高能量的不穩(wěn)定狀態(tài)。此時(shí)水分子或者汽化以加強(qiáng)萃取組分的驅(qū)動(dòng)力，或者釋放出自身多余的能量回到基態(tài)，所釋放出的能量將傳遞給其他物質(zhì)的分子，以加速其熱運(yùn)動(dòng)，從而縮短萃取組分的分子由固體內(nèi)部擴(kuò)散至固液界面的時(shí)間，結(jié)果使萃取速率提高數(shù)倍，并能降低萃取溫度，最大限度地保證萃取物的質(zhì)量。③由于微波的頻率與分子轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率相關(guān)連，因此微波能是一種由離子遷移和偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)而引起分子運(yùn)動(dòng)的非離子化輻射能，當(dāng)它作用于分子時(shí)，可促進(jìn)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，若分子具有一定的極性，即可在微波場(chǎng)的作用下產(chǎn)生瞬時(shí)極化，并以24．5億次/s的速度作極性變換運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生鍵的振動(dòng)、撕裂和粒子間的摩擦和碰撞，并迅速生成大量的熱能，促使細(xì)胞破裂，使細(xì)胞液溢出并擴(kuò)散至溶劑中。在微波萃取中，吸收微波能力的差異可使基體物質(zhì)的某些區(qū)域或萃取體系中的某些組分被選擇性加熱，從而使被萃取物質(zhì)從基體或體系中分離，進(jìn)入到具有較小介電常數(shù)、微波吸收能力相對(duì)較差的萃取溶劑中。
微波破壁應(yīng)用
特點(diǎn)
微波破壁方法主要應(yīng)用于微波萃取。微波具有波動(dòng)性、高頻性、熱特性和非熱特性四大特點(diǎn)，這決定了微波萃取具有以下特點(diǎn)：1試劑用量少，節(jié)能，污染小。2加熱均勻，且熱效率較高。傳統(tǒng)熱萃取是以熱傳導(dǎo)、熱輻射等方式自外向內(nèi)傳遞熱量，而微波萃取是一種“體加熱”過程，即內(nèi)外同時(shí)加熱，因而加熱均勻，熱效率較高。微波萃取時(shí)沒有高溫?zé)嵩�，因而可消除溫度梯度，且加熱速度快，物料的受熱時(shí)間短，因而有利于熱敏性物質(zhì)的萃取。3微波萃取不存在熱慣性，因而過程易于控制。4微波萃取無需干燥等預(yù)處理，簡(jiǎn)化了工藝，減少了投資。5微波萃取的處理批量較大，萃取效率高，省時(shí)。與傳統(tǒng)的溶劑提取法相比，可節(jié)省50%~90%的時(shí)間。6微波萃取的選擇性較好。由于微波可對(duì)萃取物質(zhì)中的不同組分進(jìn)行選擇性加熱，因而可使目標(biāo)組分與基體直接分離開來，從而可提高萃取效率和產(chǎn)品純度。7微波萃取的結(jié)果不受物質(zhì)含水量的影響，回收率較高。基于以上特點(diǎn)，微波萃取常被譽(yù)為“綠色提取工藝”。
萃取儀器
1.智能化專家系統(tǒng):內(nèi)存100種國際通用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用方法,用戶也可以編輯、存儲(chǔ)、修改和刪除特定樣品的應(yīng)用方法。2.安全泄壓方式:非金屬聚合材料防爆膜和自動(dòng)泄壓雙重安全機(jī)制專利設(shè)計(jì),確保操作安全性和樣品完整性(保證元素回收率)。3.多重主動(dòng)安全控制:專利的非脈沖自動(dòng)微波能量控制,精確的溫/壓實(shí)時(shí)監(jiān)控,全罐溫/壓監(jiān)控,功頻匹配設(shè)計(jì)和微波場(chǎng)諧振均衡技術(shù)等確保對(duì)反應(yīng)過程精確控制。4.多重被動(dòng)安全保障:專利的高安全宇航復(fù)合纖維耐壓外套(垂直定向防爆設(shè)計(jì)),全自動(dòng)安全感應(yīng)門以及在任何異常情況下自動(dòng)切斷微波源等多重安全機(jī)制,確保安全。5.批處理量大:(已有大量客戶實(shí)際應(yīng)用)高壓容器最多可達(dá)40個(gè)樣品/批,且所有樣品獨(dú)立密閉,確保無交叉污染和樣品損失。應(yīng)用
在天然中的應(yīng)用：如從植物中提取茜素在環(huán)境分析中的應(yīng)用：如對(duì)土壤，沉積物和水中各種污染物的萃取在化學(xué)分析中的應(yīng)用：在石油化工中，微波萃取用于對(duì)聚合物及其添加物進(jìn)行過程監(jiān)控和質(zhì)量控制。
微波破壁歷史
1986年，匈牙利學(xué)者GanzlerK首先提出利用微波進(jìn)行萃取的方法。在微波萃取過程中，高頻電磁波穿透萃取介質(zhì)，到達(dá)被萃取物料的內(nèi)部，微波能迅速轉(zhuǎn)化為熱能而使細(xì)胞內(nèi)部的溫度快速上升。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)部的壓力超過細(xì)胞的承受能力時(shí),細(xì)胞就會(huì)破裂,有效成分即從胞內(nèi)流出，并在較低的溫度下溶解于萃取介質(zhì)，再通過進(jìn)一步過濾分離，即可獲得被萃取組分。
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