Определение удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии головой человека рядом с Wi-Fi антенной
Пользователи мобильных электронных устройств (телефонов и прочих беспроводных устройств) подвергаются в той или иной мере воздействию СВЧ-излучения. В качестве меры поглощенного тканями человеческого чела электромагнитного излучения используется т.н. удельный коэффициент поглощения (specific absorption rate — SAR) . Для разработки более безопасных устройств инженеры могут рассчитать локальные значения SAR для модели головы человека, облучаемой СВЧ-антенной, с помощью инструментов программного пакета COMSOL Multiphysics®.
Использование коэффициента SAR для характеризации поглощения СВЧ-излучения
При использовании беспроводных устройств, наше тело подвержено воздействию СВЧ-энергии от антенн, входящей в их состав. Следовательно, необходимо понимать, каковы последствия воздействия электромагнитного излучения на здоровье человека. СВЧ-энергия, проникая в живые ткани, рассеивается в виде тепла, которое наше тело способно поглотить. Количество поглощенной энергии зависит от частоты этого сигнала.
При создании прототипов СВЧ-излучаталей их разработчики должны закладывать параметры, соответствующие требованиям безопасности. Это гарантирует, что уровень воздействия излучения от таких устройств не превысит максимально допустимого значения. Для оценки степени безопасности использования таких устройств, можно измерить уровень воздействия СВЧ-излучения, создаваемого ими, посредством SAR-тестирования. Изменение SAR позволяет получить объективные показатели для определения максимальной величины электромагнитного воздействия различных устройств. Коэффициент SAR вычисляется следующим образом:
где σ — электрическая проводимость материала, |E| — норма электрического поля (среднеквадратическая), а ρ — плотность живых тканей. Единицы измерения — ватт на килограмм (Вт/кг).
С помощью инструментов модуля Радиочастоты пакета COMSOL Multiphysics можно вычислить и проанализировать локальные значения коэффициента SAR в упрощенной модели головы и мозга человека, находящихся рядом с прямоугольной микрополосковой антенной, работающей в частотном диапазоне беспроводных сетей Wi-Fi. Такая модель позволит численно продемонстрировать процесс поглощения головой человека СВЧ-излучения, исходящего от антенны.
Визуализация распределения коэффициента SAR головы человека в приближенной модели головного мозга и напряженности электрического поля на поверзности прямоугольной микрополосковой антенны.
Моделирование облучения фантома человеческой головы СВЧ-излучением
В этой учебной модели используется CAD-геометрия человеческой головы, идентичная специальной антропометрической модели (specific anthropomorphic mannequin — SAM) головы человека, в соответствии со стандартной спецификацией IEEE, IEC и CENELEC по измерению удельного коэффициента поглощения электромагнитной энергии. Исходная геометрия была конвертирована во внутренний формат COMSOL Multiphysics с незначительными упрощениями, и для сокращения вычислительной сложности данной задачи она была уменьшена на 60%. За счет отрисовки эллипсоида была создана упрощенная форма мозга, а остальные части человеческой головы были определены как кортикальная костная ткань.
Антенна рядом с человеческой головой состоит из тонкого стоя металла, нанесенного на прямоугольную диэлектрическую подложку из FR4. На дне подложке также сделана металлизация для заземления. В интерфейсе Electromagnetic Waves, Frequency Domain (Электромагнитные волны, Частотная область) можно упрощенно представить металлические части антенны (микрополосковая линия питания, излучатель и заземление) как поверхности, задав ГУ Perfect Electric Conductor (Идеальный электрический проводник) в предположении незначительных потерь. Возбуждение задается посредством граничного условия Lumped Port, являющегося упрощенной версией ГУ Port (для возбуждения TEM-мод). В данном случае питание антенны осуществляется при помощи сосредоточенного порта с сопротивлением 50 Ом.
Для имитации испытания антенны в бесконечном свободном пространстве, фантом человеческой головы и антенна окружаются сферической воздушной областью с дополнительным слоем вдоль внешней границы, в котором используется условие Perfectly Matched Layer (PML). PML выступает в качестве «виртуальной» безэховой камеры, поглощая всю энергию волнового излучения и предотвращая ее нежелательное отражение.
Читайте также: Джинсовая ткань из сша
Вид расчетной области: фантом человеческой головы и прямоугольная микрополосковая антенна Wi-Fi. Выделенная на втором изображении область — это PML, половина доменов скрыта с целью наглядного представления внутренней области.
И наконец, для расчета коэффициента SAR на область головы добавляется условие Specific Absorption Rate (которое доступно, начиная с релиза COMSOL 5.5). Количество поглощенной СВЧ-энергии представляется величиной коэффициента SAR (который при добавлении указанного условия становится доступен в качестве переменной постобработки) вычисляется на основе расчетного распределения электрического поля и заданной плотности и проводимости человеческой головы.
Обратите внимание на то, что в этой модели применяется допущение об однородности всех материалов. Более реалистично вещество головного мозга описано в модели Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Brain model, в которой свойства разных типов живых тканей головы характеризуются интерполяционными функциями, основанными на импортированных данных МРТ-исследований.
Выборка областей для условия Specific Absorption Rate .
Анализ воздействия СВЧ-излучения и расчет коэффициента SAR в области головы человека
Ниже приведены графики распределения коэффициента SAR в голове человека, расположенной рядом с Wi-Fi антенной. Наибольшее значение коэффициента SAR наблюдается на поверхности, обращенной к полю падающего СВЧ-излучения. Как правило, коэффициент SAR зависит от положения антенны и диэлектрических свойств. Человеческое тело имеет разные значения диэлектрических свойств (проницаемость и проводимость), которые к тому же являются частотнозависимыми и неоднородными в пространстве. И проводимость, и диэлектрическая проницаемость тканей человеческого тела влияют на количество поглощенного излучения. Значение коэффициента SAR возрастает при увеличении резистивных потерь.
График распределения коэффициента SAR на частоте 2.45 ГГц.
В контексте данной модели также интересно оценить диаграмму направленности системы. Для многих привычно, что такая диаграмма для стандартной микрополосковой антенны должна показывать основное направление излучения сигнала — по нормали к поверхности подложки. Но ниже показаны результаты для излучаемого прямоугольной микрополосковой антенной поля (в дальней зоне), которое в данной системе искажено в силу отражения сигнала от человеческой головы.
Искаженные 2d-диаграмма направленности в плоскости xy (слева) и 3d-диаграмма направленности (справа) излучения в дальней зоне для прямоугольной микрополосковой антенны, расположенной рядом с головой человека, на частоте 2.45 ГГц. Для наглядной визуализации 3d-паттерна рядом с головой масштаб и положение на графике выше были изменены.
Таким образом, значение коэффициента SAR, которое представляет особый интерес для проектировщиков беспроводных устройств, легко получить с помощью COMSOL Multiphysics. После проведения моделирования коэффициент SAR можно также рассчитать для произвольного объема в любой части расчетной области. При создании электронных мобильных устройств, важно определить количество излучения, которое будет поглощаться человеческим телом. Пользователи программного пакета COMSOL Multiphysics и модуля Радиочастоты получают быстрый и наименее затратный метод разработки устройств в соответствии с требованиями безопасности.
Дальнейшие шаги
Для ознакомления с рассмотренной моделью по расчету SAR в человеческой голове, расположенной рядом с Wi-Fi антенной, нажмите кнопку ниже. При этом вы откроете страницу примера в Галерее моделей и приложений, в которой вы найдете подробную документацию с пошаговыми инструкциями по сборке и MPH-файл, который можно скачать при наличии действительной лицензии на программный пакет.
Читайте также: Как сшить беретку своими руками из ткани простой способ
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ
ПОГЛОЩЕНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ВЕЩЕСТВЕ. При исследовании взаимодействия рентгеновских лучей с веществом (твердым, жидким или газообразным) регистрируется интенсивность прошедшего или дифрагированного излучения. Эта интенсивность интегральна и связана с различными процессами взаимодействия. Чтобы отделить друг от друга эти процессы, используют их зависимости от условий эксперимента и физических характеристик исследуемого объекта.
Эффект рассеяния рентгеновских лучей связан с тем, что силы переменного электромагнитного поля, создаваемого пучком рентгеновских лучей, приводят в колебательное движение электроны в исследуемом материале. Колеблющиеся электроны испускают рентгеновские лучи той же длины волны, что и первичные, при этом отношение мощности лучей, рассеянных 1 г вещества, к интенсивности падающего излучения приближенно составляет 0,2. Этот коэффициент несколько увеличивается для рентгеновских лучей с большой длиной волны (мягкое излучение) и уменьшается для лучей с малой длиной волны (жесткое излучение). При этом сильнее всего рассеиваются лучи в направлении падающего пучка рентгеновских лучей (и в обратном направлении) и слабее всего (в 2 раза) в направлении, перпендикулярном первичному.
Фотоэффект возникает, когда поглощение падающего рентгеновского излучения сопровождается выбросом электронов. После выброса внутреннего электрона происходит возврат к стационарному состоянию. Этот процесс может происходить либо без излучения с выбросом второго электрона (эффект Оже), либо сопровождаться характеристическим рентгеновским излучением атомов материала (см. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ). По своей природе это явление аналогично флюоресценции. Рентгеновская флюоресценция может происходить только при воздействии характеристического рентгеновского излучения какого-либо элемента на преграду из более легкого элемента (с меньшим атомным номером).
Суммарное поглощение рентгеновских лучей определяется суммированием всеми видами взаимодействия, ослабляющими интенсивность рентгеновского излучения. Для оценки ослабления интенсивности рентгеновского излучения при прохождении через вещество используют линейный коэффициент ослабления, характеризующий уменьшение интенсивности излучения при прохождении через 1 см вещества и равный натуральному логарифму отношения интенсивностей падающего и прошедшего излучения. Кроме того, как характеристику способности вещества поглощать падающее излучение используют толщину слоя половинного поглощения, т.е. толщина слоя, при прохождении через который интенсивность излучения уменьшается вдвое.
Физические механизмы рассеяния рентгеновского излучения и возникновения вторичного характеристического излучения различны, но во всех случаях зависят от количества атомов вещества, взаимодействующих с рентгеновским излучением, т.е. от плотности вещества, поэтому универсальной характеристикой поглощения является массовый коэффициент поглощения – истинный коэффициент поглощения, отнесенный к плотности вещества.
Коэффициент поглощения в одном и том же веществе падает с уменьшением длины волны рентгеновского излучения, однако при некоторой длине волны происходит резкое увеличение (скачок) коэффициента поглощения, после чего продолжается его уменьшение (рис.). При скачке коэффициент поглощения увеличивается в несколько раз (иногда на порядок) и на разную величину для различных веществ. Возникновение скачка поглощения связано с тем, что при определенной длине волны возбуждается характеристическое рентгеновское излучение облучаемого вещества, что резко увеличивает потери энергии при прохождении излучения. В пределах каждого участка кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны (до и после скачка поглощения) массовый коэффициент поглощения меняется пропорционально кубу длины волны рентгеновского излучения и атомного номера химического элемента (материала преграды).
Читайте также: Как сшить простые шторы из двух цветов ткани
Когда через вещество проходит немонохроматическое рентгеновское излучение, например, излучение со сплошным спектром, возникает спектр коэффициентов поглощения, при этом коротковолновое излучение поглощается слабее длинноволнового и по мере увеличения толщины преграды результирующий коэффициент поглощения приближается к величине, характерной для коротковолнового излучения. Если вещество состоит из нескольких химических элементов, то суммарный коэффициент поглощения зависит от атомного номера каждого элемента и количества этого элемента в веществе.
Расчеты поглощения рентгеновского излучения в веществе имеют большое значение для рентгенодефектоскопии. При наличии дефекта (например, поры или раковины) в металлической пластине интенсивность прошедшего излучения увеличивается, а при включении из более тяжелого элемента – уменьшается. Зная величину коэффициента поглощения, можно рассчитать геометрические размеры внутреннего дефекта.
Рентгеновские фильтры.
При исследовании материалов с помощью рентгеновского излучения интерпретация результатов усложняется из-за наличия нескольких длин волн. Для выделения отдельных длин волн применяют рентгеновские фильтры, изготовленные из веществ с различным коэффициентом поглощения для различных длин волн, при этом используется тот факт, что рост длины волны излучения сопровождается увеличением коэффициента поглощения. Например, для алюминия коэффициент поглощения рентгеновского излучения К-серии от железного анода ( l = 1,932 А), больше, чем для излучения К-серии от молибденового анода ( l = 0,708 А) и при толщине алюминиевого фильтра 0,1 мм ослабление излучения от железного анода в 10 раз больше, чем для излучения молибдена.
Наличие скачка поглощения на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны дает возможность получить селективно- поглощающие фильтры, если длина волны фильтруемого излучения, лежит непосредственно за скачком поглощения. Этот эффект используется для того, чтобы отфильтровать b -составляющую К-серии излучения, которая по интенсивности в 5 раз слабее a -составляющей. Если подобрать соответствующий материал фильтра так, чтобы a и b -составляющие были по разные стороны скачка поглощения, то интенсивность b -составляющей уменьшается еще в несколько раз. Примером может служить задача о фильтрации b -излучения меди, в которой длина волны a -излучения К-серии составляет 1,539, а b -излучения 1,389 А. В то же время на кривой зависимости коэффициента поглощения от длины волны скачок поглощения соответствует длине волны 1,480 А, т.е. находится между длинами волн a и b -излучений меди, в районе скачка поглощения коэффициент поглощения увеличивается в 8 раз, поэтому интенсивность b -излучения оказывается меньше интенсивности a -излучения в десятки раз.
При взаимодействии рентгеновского излучения с твердым телом могут возникать радиационные повреждения структуры, связанные с перемещением атомов. В ионных кристаллах возникают центры окраски, аналогичные явления наблюдаются в стеклах, в полимерах меняются механические свойства. Эти эффекты связаны с выбиванием атомов из равновесных положений в кристаллической решетке. В результате образуются вакансии – отсутствие атомов в равновесных положениях в кристаллической решетке и внедренные атомы, находящиеся в равновесном положении в решетке. Эффект окрашивания кристаллов и стекла под действием рентгеновского излучения является обратимым и в большинстве случаев исчезает при нагреве или длительной выдержке. Изменение механических свойств полимеров при рентгеновском облучении связано с разрывом межатомных связей.
Основным направлением изучения взаимодействия рентгеновского излучения с твердым телом является рентгеноструктурный анализ, с помощью которого исследуют расположение атомов в твердом теле и его изменения при внешних воздействиях.
- Свежие записи
- Балкон в многоквартирном доме: является ли он общедомовым имуществом?
- Штраф за остекление балкона в 2022: что это и как избежать наказания
- Штраф за мусор с балкона: сколько заплатить за выбрасывание окурков
- Оформление балконного окна: выбираем шторы из органзы
- Как выбрать идеальные шторы для маленькой кухни с балконом