电磁场B样条间断有限元方法

在计算电磁学领域,时域间断有限元算法(DGTD)一般基于模型空间的不规则网格划分和单元上高阶多项式插值计算。同样的插值阶数,二维空间四边形网格划分比三角形网格划分具有更少的自由度和更高的计算效率。然而,传统基于等参变换和多项式张量积插值的基函数空间在四边形单元上仅具有低阶完备性,且稳定性和精度受网格畸变影响较大。为此,提出了一种基于不规则四边形网格的高阶B样条插值DGTD方法,用于Maxwell方程的求解。文章采用的B样条基不仅具有高阶多项式空间的插值完备性,而且完全消除了单元内部自由度。此外,Maxwell方程离散系统的各系数矩阵还具有精确的解析形式。使用该方法分析腔体的本征模和楔形体的电磁散射,结果表明,相较于COMSOL软件最大允许时间步长提高2.5倍,计算所需未知量减少25%,证实了本文算法的高稳定性和高精度特点。

SC双波源脉冲微波相互垂直复合辐照对大鼠重要组织器官生物效应的影响

本文研究了S和C波段双波源沿相互垂直方向同时辐照时,脉冲数对大鼠血液、脑、睾丸、心脏和肝脏组织的影响,并与相同电磁暴露水平条件下的单波源电磁暴露生物效应进行了比较。结果表明:当空间场强幅值为44.84kV/m,脉冲数为2、5、20和200时,辐照组大鼠的血常规、血清睾酮、谷丙转氨酶(Alanine aminotransferase,ALT)和谷草转氨酶(Aspartate aminotransferase,AST)含量等指标与Control组及Sham组相比均未发生明显变化(p>0.05)。辐照组大鼠的脑、睾丸、心脏和肝脏组织形态正常,细胞核面积统计结果及睾丸组织的Johnson评分结果与Control及Sham组相比均无明显差异(p>0.05),没有发现明显的病理损伤。辐照组大鼠4个组织中的促凋亡蛋白Bax的含量均随脉冲数增加呈非线性增加趋势,具有脉冲微波辐照在非热效应下的场效应特征。当脉冲数大于2时,脑和睾丸组织出现了明显的凋亡响应(p?0.05),而心脏和肝脏组织在脉冲数达到20时才出现明显的凋亡响应(p?0.05),这主要是因为脑和睾丸的内场场强幅值(分别为11.3 kV/m和10 kV/m)高于心脏和肝脏组织的内场场强幅值(分别为5.73 kV/m和5.33 kV/m)。在电磁暴露水平基本相同的情况下,复合辐照与两波源单独辐照所产生的凋亡响应之间无显著性差异(p>0.05)。

电磁生物效应辐照和检测系统及其应用

电磁波广泛应用于医疗、通讯等诸多领域,而且应用的频率和功率也在逐渐增大。电磁波对生物体的影响也受到人们的广泛关注,相关研究也在进行中。文献报道中电磁波辐照生物体的辐照条件(如极化方向、波矢方向等)不够详尽,作用于生物体内部的电磁照射量无法比较。本文详细报道了可用于辐照活体动物和离体细胞、蛋白质,长波到短波波段的电磁辐照系统和可用于测定电磁照射量的检测系统及其性能,简述了应用这些设备仪器已进行的电磁生物效应研究。这将为进一步研究电磁生物效应及其应用提供可靠的硬件支撑。

可控电磁暴露量的动物受照平台

设计了用于射频电磁场生物效应研究的活体辐照平台。该平台包括动物器官电磁暴露量控制和微波源2个子系统。器官电磁暴露量控制系统的主要功能是,根据实验要求合理控制辐照系统使被辐照对象体内重要器官的电磁暴露剂量达到实验设定值。微波源提供功率稳定可调的辐照场。该辐照系统的主要特点是能够根据对象体内电磁暴露剂量的要求自动控制辐照场以满足实验要求,无须辐照后再作剂量分析。该辐照平台在辐照时即可知动物器官的电磁辐照剂量并可以提供电磁场均匀度较好的电磁辐照空间,将为电磁生物效应剂量学研究提供了可靠、方便的电磁辐照设备。

工频磁场离体生物效应辐照系统及其性能

采用理论设计与实验测量相结合,根据细胞培养箱和细胞培养板的尺寸等实验要求设计了50 Hz磁场辐照系统,并用二维检测平台测试了该辐照系统的性能。通过合理的选择亥姆霍兹线圈的尺寸和匝数等,适当调节信号输出幅度和功率放大器放大倍数,设计制造的50 Hz磁场辐照系统的磁感应强度大小为B=0.805 2I m T,磁场不均匀度小于1%的区域为｜x｜〈5 cm;｜y｜〈5 cm;｜z｜〈4 cm,不均匀度小于5%的区域为｜x｜〈10 cm;｜y｜〈10 cm;｜z｜〈5 cm;磁感应强度的变化范围为0-1.5 m T。50 Hz磁场辐照系统的线圈导线温度先升高,经过一定时间后能达到稳定,并且在辐照区域的温度等于空间温度。该辐照系统简单经济,操作方便,可长时间工作,磁场变化范围大且分布均匀区域较大,可为50 Hz磁场辐照离体细胞生物效应的相关研究提供一定范围的稳定磁场。

守恒无伪解麦克斯韦方程间断元研究:(Ⅰ)一维和二维情况

考察了电、磁场分量分别基于不同近似函数空间展开的一维和二维Maxwell方程间断元求解方法。结合中心数值通量和电、磁场分量近似函数空间的不同组合,构造了各种间断元算子。通过用这些算子在规则和不规则网格上编码分析一维和二维金属腔的谐振模式,详细考察了算子的收敛和伪解支持性,并据此对基函数进行了优选。算子在时域和频域对谐振模式的计算结果彼此符合良好。优选的Maxwell方程间断元算子不仅同时具备能量守恒和免于伪解的特性,且无需引入辅助变量,为设计高品质Maxwell方程间断元算法和研发相关电磁场模拟软件提供了支撑。

微波防护服开口对防护性能影响的计算

在中国人体解剖学模型基础上建立了着装状态连体衣防护服模型,并用时域有限差分法详细考察了0.3~3GHz微波辐射环境中良导体防护服对人体的防护特点,重点分析了良导体防护服上孔缝电磁泄露的基本规律及其对防护服防护效能的影响。主要得到了以下规律:良导体防护服上孔缝电磁泄露的主要原因为孔缝切断辐射场在防护服上产生的感应电流,当电磁波的电场极化方向与缝隙垂直时,电磁能量更容易发生泄漏;在0.3~3GHz范围内,防护服的防护效能随着频率的提高而增强;计算结果显示带有孔缝的良导体防护服屏蔽效能难以达到30dB,对防护效能要求较严格的防护服缝隙需要特殊处理。计算数据以及规律分析为防护服的设计提供了理论支持。

政治机关规范化建设的着力点

加强政治机关规范化建设，是依法治军的重要内容，是高标准完成政治工作任务的重要保证。因此，必须按照科学发展观的要求，切实抓紧抓好。

弱极低频磁场对Actin骨架组装效率的频率窗口效应初探

前期研究发现，50Hz弱磁场辐照能明显降低细胞的微丝含量和组装效率，对actin骨架形态也有明显影响．电磁生物学效应是否与辐照场频率相关，一直受到研究者的关注．单体球状肌动蛋白（G—actin）是带电结构，电磁场频率会影响其振荡频率并对微丝聚合效率产生影响．本文从细胞骨架形态和蛋白质两层次，采用免疫荧光技术考察0．4mT，在35～140Hz范围内5个频率的极低频磁场（ELF-MF）对FL细胞中纤维状肌动蛋白（F-actin）含量的影响，并采用荧光共振能量转移技术（FRET）验证效应最明显的频率对离体G-actin组装效率的干扰程度．结果显示，相比假辐照组，细胞中F—actin含量在50Hz辐照组下降T（34．66±3．141％，110Hz次之，而另外3组（35、70和140Hz）无显著性差异．同时利用FRET方法验证，在50Hz磁场辐照下，离体环境中G．actin组装成F．actin的效率较假辐照组、35和70Hz组显著降低．经初步分析，G-actin在弱ELF—MF中受到以洛伦兹力和感生电场力的合力为主的相关电磁力干扰，致使组装效率下降，且由于工频磁场周期与微丝组装周期的特殊相干性，在50Hz频率附近可能存在一个外磁场干扰actin骨架组装的频率窗口．

长期1.8 GHz电磁辐射对大鼠学习认知能力的影响

研究低剂量下长期不间断电磁辐射暴露对发育期Sprague Dawley(SD)大鼠学习认知能力的影响,为电磁暴露安全限值标准的确定提供实验依据。利用1.8 GHz电磁波对大鼠进行全天不间断辐照,白天8 h工作时间的剂量为0.40 W/kg,其余时间为0.08 W/kg,持续4周。通过水迷宫实验检测大鼠学习记忆能力,采用化学比色法检测大鼠海马组织中胆碱能标志物水平、单胺类神经递质水平、抗氧化物酶活性和氧化应激产物含量,并对海马组织进行切片、染色和观察。结果表明,实验组大鼠大脑内海马组织较假辐照组无显著性差异,但实验组大鼠胆碱酯酶含量降低,乙酰胆碱含量和乙酰胆碱转移酶的活性上升,神经递质多巴胺、5-羟色胺含量较假辐照组也显著增加。水迷宫结果显示,实验组大鼠行为上无显著性变化。长期低剂量电磁辐射会导致SD大鼠胆碱能系统与神经递质水平紊乱,但这些指标的变化没有引起大鼠学习记忆能力的下降,而且胆碱能系统标志物与神经递质水平在14 d后基本恢复正常。

宽频电磁脉冲辐照大鼠体内电场分布的仿真计算

依据典型宽频电磁脉冲的频谱分布,构建了组织器官精细划分的大鼠色散电磁模型,计算得到两种宽频电磁脉冲辐照大鼠的体内电场分布。结果表明:宽频电磁脉冲作用下大鼠体内场强高度依赖于组织分布,不同波形也会导致体内电场分布不同;透入体内脉冲的脉宽大幅变窄,脉冲在10 kHz~1 MHz的低频能量损失严重;两种宽频电磁脉冲作用下大鼠重要组织器官的峰值场强是空间峰值场强的1%左右。本研究可为体内电场值与脉冲生物效应之间量效关系的确立提供理论依据和量化基础,同时可为宽频电磁脉冲作用生物体的仿真计算提供一定的方法参考。

1800 MHz微波辐照大鼠体内电场测量系统

为了获得微波辐照时动物体内的精确电磁受照剂量,设计制作了1 800 MHz微波辐照大鼠体内测量系统,测试了测量系统的方向性、测量范围、灵敏度和在不同介电特性溶液中的响应等参数。测量系统的电场测量范围为1.75~529.33 V/m、灵敏度0.20 V/m。测量系统相较于其它电磁暴露量测量设备,具有尺寸小、测量下限低的优点,在介质以及动物体内的电场测量上具有较大的优势。测量系统在不同溶液中的响应系数随着介质相对介电常数的增大而减小,且当相对介电常数大于20后渐趋于平稳。实验还测定了1 800 MHz微波辐照下大鼠大脑及肝脏组织的电场值,并与数值计算结果进行了比较,两者一致。

双波源同向交替入射下大鼠的电磁暴露仿真

利用电磁仿真研究了1.5 GHz和9.4 GHz双波源同向交替入射时,入射组合方式和交替时间间隔对大鼠全身平均比吸收率(SARw)和组织平均比吸收率(SARa)的影响,并与单波源入射时的SARw和SARa进行了比较。仿真结果表明:1.5 GHz与9.4 GHz双波源同方向交替入射时,大鼠模型的SARw值和SARa值均受到入射组合方式的影响,且随着交替时间间隔的增加呈现非线性升高趋势;入射总功率相同的情况下,双波源交替入射时的SARw值处于两个波源分别入射时的两个SARw值之间。而两交替入射波源均为背部入射短轴极化时睾丸组织SARa值比两个波源单独作用时的最大SARa值高出31.2%。脾脏的SARa值则在双波源交替背部入射(1.5 GHz,长轴极化;9.4 GHz,短轴极化)比单波源入射最大SARa值高出18.9%。

两种电磁场谱间断元方法的比较

时域间断元方法是近年来电磁场计算领域的重要进展之一。将基函数的插值点和数值积分点重合的质量集中技术是降低该间断元方法质量矩阵存储开销和提高计算效率的重要手段。通过谐振腔、带通滤波器以及光子晶体内的电磁场等数值算例,在四边形网格上比较了传统的质量集中算法和近来提出的Weight-Adjust算法之间的差异。计算结果表明,尽管两种方法的存储量一样,但Weight-Adjust算法具有更高的精度。

电磁场2.5维时域间断有限元方法

介质沿空间固定方向均匀分布的结构在电磁导波器件中有十分广泛的应用,对这类器件的分析通常被称为2.5D电磁问题。利用器件在固定方向介质分布均匀的特点,将电磁场量沿该方向进行空间傅里叶变换,可以把对三维问题的分析转化为两维问题求解,从而极大地减小计算开销。针对传统基于差分的2.5D电磁场算法在弯曲形状逼近上有阶梯误差的缺陷,本文提出了基于三角形网格的2.5D时域间断有限元方法(DGTD),并用它模拟了电偶极子与光纤的耦合效率和光子晶体光纤的色散特性。与基于规则网格的2.5D差分方法进行对比。结果表明,文中建立的2.5D DGTD方法对弯曲形状的模拟更加逼真,计算内存占用最大减少10.4%,计算精度最大相差0.011%,计算时间缩短74.9%,计算效率提高。

椭圆极化波对大鼠电磁暴露的数值模拟计算

以椭圆极化波作为波源进行大鼠电磁暴露数值模拟,比较了多个入射方向上大鼠电磁暴露的全身平均比吸收率(WBASAR)。结果发现,椭圆极化波的WBASAR随椭偏率的改变而变化,同时受到入射方向和旋向的影响。将此结果与同方向上线极化波的辐照结果比较发现:在入射功率相同的条件下,椭圆极化波和线极化波电磁暴露的WBASAR结果存在差异,且这种差异随着波源入射方向与大鼠体态的相对位置变化呈现出不同的特点。此外,波源的极化性质、辐照方式以及大鼠本身等因素,同样会使得大鼠重要组织的SAR分布规律产生较大的差异。因此,综合考虑线极化波与非线极化波的电磁暴露结果,可以对电磁暴露剂量进行更加全面的评估。本文的计算为动物电磁暴露剂量的评估提供了方法和数据上的补充。

宽频电磁脉冲多次辐照对雄性大鼠生殖系统的累积损伤与修复

在不同宽频电磁脉冲辐照条件(场强E=110、297、873 kV/m,每个场强下的脉冲个数N=5、10次)下周期性(2次/d)辐照雄性大鼠两周(共28次),辐照结束后分别于6 h、1、3、7、10 d取样检测大鼠的血清睾酮含量、睾丸组织中超氧化物歧化酶(Superoxidase dismutase,SOD)与丙二醛(Malondialdehyde,MDA)含量及生精细胞凋亡率、大鼠的精子顶体酶活性、精子存活率等生物指标,通过与相同辐照条件下的单次辐照结果进行对比,考察多次重复辐照对雄性大鼠生殖系统的累积损伤效应及随后的修复情况。结果表明,多次重复辐照对雄性大鼠生殖系统具有累积损伤作用,其累积效果与单次辐照剂量有关,场强越高,脉冲个数越多,累积损伤效应越明显。与单次辐照损伤类似,累积损伤可随照后时间的延长得到一定程度的修复。

0.4mT工频磁场对人羊膜成纤维细胞迁移的影响

探讨了0.4 m T工频磁场(Power frequency magnetic field,PFMF)暴露影响人羊膜成纤维(Human amniotic epithelial,FL)细胞迁移的分子机制。利用免疫荧光染色和western blotting方法检测了磁场暴露对FL细胞内黏着斑调控蛋白黏着斑激酶(Focal adhesion kinase,FAK)、桩蛋白(Paxillin)的分布、含量和部分关键活性蛋白的影响;通过细胞划痕实验,验证了磁场通过激活FAK从而激活细胞的迁移反应。结果表明:相较于对照组,PFMF暴露导致黏着斑总数量上升,并诱导信号蛋白FAK与桩蛋白更集中地分布在细胞边缘处,导致桩蛋白的总含量增加;FAK蛋白总含量无显著性变化,但其Y397磷酸化水平明显上调;用PD153035(PD)抑制表皮生长因子受体(Epidermal growth factor receptor,EGFR)的活性,或用FAK Inhibitor 14(FI)抑制Y397-FAK磷酸化,PFMF或表皮生长因子(Epidermal growth factor,EGF)引起的上述现象均消失;细胞划痕实验结果显示,PFMF促进了细胞的迁移,但当Y397-FAK被FI抑制后,PFMF对细胞迁移的促进效果几乎全部消失;PFMF引发的这些变化均与EGFR的配体EGF对细胞迁移产生的效果类似。0.4 m T工频磁场通过激活EGFR而激活黏着斑信号通路中的FAK、桩蛋白,调控黏着斑的形成与分布,在细胞前端协助片状伪足的延展,从而诱发细胞迁移。

动物体内三维电场测量系统

为准确获得微波辐照生物体内电磁暴露剂量,设计并制作了可用于测量1 800 MHz大鼠体内电场大小和方向的三维电场测量系统。测定了三维电场测量系统的方向性和灵敏度,并测定了空间电场大小、方向及三维分量。实验表明,三维电场测量系统具有较好的空间各向同性(<-3 dB),电场测量范围为0～605.95V/m,灵敏度为0.96 mV/m。该测量系统在不同介质中的响应系数随相对介电常数的增大而减小,当相对介电常数大于20时,测量系统的响应系数随相对介电常数增大呈缓慢线性减小。实验还测量了1 800 MHz微波辐照大鼠大脑和肝脏内的电场,并给出了组织器官内电场的方向。大鼠大脑内的电场测量值与理论值最大相差5.1%,肝脏电场测量值与理论值最大相差13.1%,电场测量值和模拟计算值吻合较好。