連續(xù)THx波與材料相互作用的熱效應研究.pdf

1、太赫茲(THz)技術(shù)在生物醫(yī)學成像，環(huán)境監(jiān)測，安全檢測，反恐，通信，水分測量等方面具有很多大的應用潛力，也是目前世界上研究的熱點之一。要實現(xiàn)THz技術(shù)的廣泛應用，一方面需要高功率，高穩(wěn)定性，調(diào)諧方便，操作簡單，室溫運轉(zhuǎn)的THz輻射源，另一方面為了保障THz技術(shù)應用過程中的安全性，需要完善THz技術(shù)應用安全性的理論，制定相關(guān)的安全標準。目前，對THz技術(shù)應用安全性的研究主要是從熱效應的角度入手。水分對THz波具有較強的吸收，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波照射過程中，由于對THz波的吸收較強，可能會引起材料內(nèi)部溫度的較大變化，導致其正常的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
　　 本文從熱效應的角度，通過理論建模，研究了連續(xù)THz波照射下材料內(nèi)溫度場分布的情況，主要內(nèi)容和創(chuàng)新點如下：⑴綜述了THz技術(shù)的發(fā)展情況，主要特點，輻射源和探測器的種類，以及當前THz技術(shù)應用安全性的研究現(xiàn)狀與存在的問題，介紹了已經(jīng)存在的THz輻射安全標準。⑵建立了靜

3、態(tài)水與連續(xù)THz波相互作用的瞬態(tài)熱效應模型。在已經(jīng)報道的模型中，僅僅研究了穩(wěn)態(tài)的溫度場分布，與照射時間無關(guān)，并且對THz光源采用的是平面波近似，而利用光學方法產(chǎn)生的THz輻射源具有良好的相干性，更適于應用到生物醫(yī)學檢測中，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)熱效應模型，THz光束采用高斯型的能量分布形式，通過有限元法分析了連續(xù)THz波照射下水中溫度從開始變化到實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)的動態(tài)過程，給出了溫度分布與照射時間之間的聯(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。⑶建立了生物組織與連續(xù)THz波相互作用的熱效應模型。為了研究人體接受THz波照射時的情形，我們提出了連續(xù)THz波與人體皮膚相互作用的雙層模型。用雙層模型來代表皮膚的表皮層和真皮層的雙層結(jié)構(gòu)，通過選擇合適的邊界條件，求解生物熱傳導方程，對連續(xù)THz波照射下皮膚中的溫度變化進行了數(shù)值模擬，并詳細分析了影響溫度場的因素。對THz波與其他生物組織(牙齒，皮膚癌組織)相互作用時的熱效應進行了數(shù)值模擬。⑷