宽频带治疗仪的设计及治疗机理研究

引言

人体对于红外线有着区别于其它物质的特征吸收光谱,因此,理想的理疗效果的实现,不仅要考虑到表面吸收,更重要的是要考虑到内在吸收,因此,必须采用宽频带辐射进行辐照才能产生强共振,强吸收和强内热效应.

1　普通辐射与宽频带辐射特性

从黑体、灰体的热辐射分布曲线可见,这类曲线是一条最高处只对应于一个唯一波长的光滑曲线,只有一个峰值,其分布规律遵循普朗克公式,即

式(1)中,Mλ为光谱辐射出射度(W.cm-2.μ-1);λ为波长(μm);T为绝对温度(K);C1为第一辐射常数(3.7415×104W.cm-2.μ4);C2为第二辐射常数(1.43879×104μ.K).

图1中曲线1为典型的黑体辐射分布曲线而周围环境的实际辐射一般为灰体,其发射率虽然低于黑体,但其光谱辐射出射度的分布规律与同温度的黑体相似(见图1中的曲线2).上述的黑体和灰体,其辐射特性只具有一个峰值,根据辐射温度T,便可利用维恩位移定律计算其峰值波长λm,即

式(2)中,λm为峰值波长(μm);T为绝对温度(K).对于黑体的全波段的辐射出射度,即包括所有波长在内的总辐射出射度与黑体温度T的4次方成正比,即斯蒂藩——玻耳兹曼定律:

式(3)中,M为辐射出射度(W.cm-2);σ为斯蒂藩——玻尔兹曼常数(5.67×10-12W.cm-2.K-4);T为绝对温度(K).

对于灰体辐射源,它的辐射出射度和同一温度下的黑体的辐射出射度的比值叫做法向全发射率ε,则实际物体的辐射出射度为目前国内外生产制造的各种加热器,如碳化硅板、金属管状加热器、直热式导电膜加热管、直热式加热片等,其辐射光谱均遵循上述热辐射定律,即只有一个峰值的单峰辐射曲线.然而,宽频带辐射则不同,它是在特定的波段范围内,光谱辐射出射度相等或相近的一种辐射特性,其综合辐射光谱为类似于“巨型波”的平滑曲线.究其实质,是若干个具有不同照射面积和不同峰值波长的单峰辐射曲线叠加而成的.

2　宽频带辐射加热器的设计

宽频带辐射理疗仪的核心是宽频带辐射加热器,分单源体和多源体两种.

2.1　单源体宽频带辐射加热器

将一只加热器的辐射表面积人为地分成若干个对称部分,考虑到辐照度的均匀性,对称部分面积该相等,而不同面积的辐射温度不同,则根据式(5)便可设计出宽频带辐射加热器.

式(5)中,An、Bn、Cn分别为各自同一辐射出射度的分割区面积;M为辐射出射度.

图2是具有两个分割区的高、低温区的光谱辐射出射度分布曲线.能谱上出现的特征带是由于环境大气中的水蒸汽、CO2等的吸收干扰造成的(国家红外质检中心测试).设计中,高温区面积与低温区面积之比为2∶3.从图2中可见,无论整个包络面积(辐射出射度),还是单位波长所对应的高度(光谱辐射出射度),图2(b)为图2(a)的2/3.叠加的结果,其综合辐射光谱不再是一条只有一个峰值的单峰辐射谱,而是一条平滑的宽频带辐射谱.