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《电磁脉冲作用人体的数值模拟和分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第16卷 第12期强激光与粒子束Vol.16,No.122004年12月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSDec.,2004文章编号:100124322(2004)1221581204X电磁脉冲作用人体的数值模拟和分析1112齐红星, 陈树德, 叶 红, 乔登江(1.华东师范大学物理系光谱学与波谱学教育部重点实验室,上海200062;2.西北核技术研究所,陕西西安710024)2 摘 要:建立色散介质3维真实人体模型,用色散介质时域有限差分((FD)TD)方法计算了强电磁脉冲(EMP)对人体的作用。结果表明,电磁脉冲对
2、人体的透入主要决定于脉冲前沿,受脉冲宽度的影响较小;透入体内的脉冲,相对辐照脉冲显著变窄;人体吸收的电磁能没有明显受到辐照脉冲能注量的影响;虽然人体从单个脉冲吸收的能量远低于用比吸收能定义的安全标准,但这种剂量的照射在离体培养的人肝细胞(L202)上却产生了明显的生物学效应,这意味着比吸收能难以作为人员安全评估标准。 关键词:色散介质时域有限差分法; 电磁脉冲; 三维真实人体模型; 比吸收能 中图分类号:TL71文献标识码:A 近来,电磁脉冲技术快速发展,电磁脉冲器件逐渐走向小型化和实用化。研究表明,强电磁脉冲对神经、视觉等重要的生理系统具
3、有很大的破坏力,认识电磁脉冲作用人体的规律对其防护和应用十分必要。由于实验上存在保障实验人体安全性的困难,直接对人体进行大量实验研究的可行性不高,我们从数值模拟的角度对这一问题进行了探讨。人体不仅具有复杂的几何结构,而且其电磁特性,尤其是电特性,非常复杂。数值计算中,这是需要解决的两个主要问题。本文从一女性尸体3维核磁共振图像得到人体解剖学上的空间结构,用多阶Debye关系拟合了人体主要组织的电性能的实验数据,从而建立了3维色散介质人体模型。进一步用色散介2[1]质时域有限差分((FD)TD)方法计算了典型核电磁脉冲对该人体模型的作用,结合核电磁
4、脉冲对人体细胞作用的实验,分析讨论了数值模拟的结果。1 模型和方法 根据Michigan大学VHP项目组在网上公布的一女性尸体的3维核磁共振图像,得到其中各种组织的空间分布,如图1所示。 将人体近似划分为17种组织,用计算网格模拟各种器官的形状,并在对应的空间位置作好组织类别标记。文献[2]测量了人体主要组织在不同频率下的电容率和电导率,并拟合出Cole2Cole表达式。这种表达式不利于时域计算,我们采用多阶(M=6)Debye关系式MΔεiσε=ε∞+∑+(1)Fig.1Crosssectionsofafemalecadaveri=1jωτ
5、ijω图1 女尸剖面图用最小二乘法对实验数据进行了重新拟合,从而建立了可用于时域计算的色散介质3维真实人体模型。[3]2[1] 本文的计算方法为时域有限差分(FDTD)法的改进方法(FD)TD。它采用添加辅助矢量的方法对本构关系进行了时域处理。过程如下 令辅助矢量ε0ΔεiPi=E(2)1+jωτiX收稿日期:2004202219;修订日期:2004208217基金项目:国家863计划项目资助课题;国家自然科学基金资助课题(5137030)作者简介:齐红星(1975—),男,博士生,主要从事电磁剂量学研究。©1995-2005Tsinghua
6、TongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1582强激光与粒子束 第16卷把它代入Maxwell旋度方程,得M5E5Pi¨×H=ε0ε∞+∑+σE(3)5ti=15t联立(2)式对应的时域方程5PiPi+τi=ε0ΔεiE(4)5t[4]和(3)式及另一Maxwell旋度方程,采用Yee交错网格差分化,得到时域场量更新方程。[5] 人体模型位于计算域的中心,为站立姿势,入射波从正面照射,在计算域的外围设置CPML吸收边界。选择的入射脉冲为-αt-βtE(t)=E0(e-e
7、)(6)7-18-1对E0,α,β取两组参数分别计算。第一组:E0=65kV,α=4×10s,β=6×10s;第二组:E0=52.5kV,α6-18-1=4.765×10s,β=6×10s。 能量吸收功率的计算公式为215D5Ewa(t)=σE(t)+E·-D·(7)25t5t2 计算结果 图2～5分别给出了人体头部、心脏、大腿和小腿中心沿身高方向的电场随时间的变化。从中可以看出,虽然两入射脉冲的半宽都大于20ns,但透入体内的主脉冲半宽都在20ns以内,明显窄于入射脉冲。这说明入射波中的低频成份更容易被外层组织屏蔽。与两种入射脉冲半宽比为8
8、形成鲜明对照的是,透入体内的主峰宽度差别很小。由于两入射脉冲的峰值一样,因此有理由认为脉冲对人体的透入主要决定于其前沿(即上升时56间)
