基本信息
- 项目名称：
- GSM频段电磁辐照细胞效应实验设备
- 来源：
- 第十一届“挑战杯”国赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 随着移动电话、无线网络等无线设备的迅速普及，电磁辐射对生命健康的影响日益受到社会的广泛关注。常用频段，如835～915MHz，1800～1900MHz，2430～2470MHz的电磁辐射对生物从个体到细胞的效应是国际生物电磁学界的研究重点。 目前，国际生物电磁学的研究普遍需要针对实验要求研制专用设备。为推进GSM频段移动通讯设备电磁辐照细胞效应的实验研究，为GSM频段电磁辐照安全标准的制定提供可靠数据，我们研制了本系统。
- 详细介绍：
- 随着现代无线通讯技术的飞速发展，移动电话、无线网络等无线设备迅速普及。由此带来的电磁辐射对生命健康的影响日益受到社会的广泛关注。在众多频率中，常用频段，如835～915 MHz，1800～1900 MHz，2430～2470 MHz的电磁辐射对生物从个体到细胞的效应是国际生物电磁学界的研究重点。目前，国际生物电磁学的研究普遍需要针对实验要求研制专用设备。为推进GSM频段移动通讯设备电磁辐照细胞效应的实验研究，为GSM频段电磁辐照安全标准的制定提供可靠数据，我们研制了本系统。 系统为培养细胞在900 MHz电磁辐照下产生的生物效应的实验研究提供电磁辐照环境和温度环境。以单片机控制信号源和功放模块实现了连续波和脉冲调制波两种标准的实验辐照波形。以标准尺寸的900 MHz矩形波导作为辐照箱，以反相双源激励方式建立均匀的驻波场分布。功率检测模块测量激励源的反射功率，根据入射功率和反射功率之差得到细胞的吸收功率，作为剂量分析的基础。该实验系统通过加温模块和测温模块，辅以内置空气循环系统，为细胞提供可控和稳定的温度环境。 本系统填补了国内相关设备研制的空白，为GSM频段细胞层次生物电磁学实验奠定了设备基础。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- ★设计发明目的：随着诸如移动电话、无线网络等无线设备的迅速普及，电磁辐射对生命健康的影响日益受到社会的广泛关注。常用频段，如835～915MHz，1800～1900MHz，2430～2470MHz的电磁辐射对生物从个体到细胞的效应是国际生物电磁学界的研究重点。 ★目前，国际生物电磁学的研究普遍需要针对实验要求研制专用设备。为推进GSM频段移动通讯设备电磁辐照细胞效应的实验研究，为GSM频段电磁辐照安全标准的制定提供可靠数据，我们研制了本系统。 ★基本思路：系统为培养细胞在900MHz电磁辐照下产生的生物效应实验研究提供可测控的辐照剂量和温度环境。 ★创新点：1、系统填补了国内相关设备研制的空白。2、系统实现了无人值守的实验过程和数据记录。3、辐照箱采用内部空气加热和循环方案，取代了传统的辐照箱外置温控系统，同时采用了数字模糊逻辑算法，极大地提高了加温速度和温度控制的准确性。4、辐照箱实现了不受电磁波干扰的波导内温度直接测量，改善了温度测量精度，同时也显著减小了设备体积和规模。5、系统主板采用完全自主设计的8位PPI并行总线协议，数据传输速度是现有SPI总线的8倍以上。 ★技术关键：数字化控制技术、波导辐照腔内置空气加热循环技术、模糊温控算法、电磁兼容技术和电磁屏蔽技术。 ★主要技术指标：1、辐照源频率调整范围880～915MHz，功率调整范围0～5000mW；2、温度调整范围环境温度～50 ℃，控制精度0.1 ℃，温度稳定度± 0.06 ℃
科学性、先进性
- 作品的科学性表现在系统的研发过程中：★我们在广泛调研考察和与实验人员交流的基础上，研制了本系统。对数字控制电路做了仿真验证，并采用有限元法Ansoft HFSS电磁仿真软件优化射频电路，合理分配电路板空间并采用电磁屏蔽措施解决了数字电路和射频电路的电磁兼容问题，对波导辐照箱的激励源采用时域有限差分法XFDTD仿真优化，提高功率传输系数和辐照效率。通过上述工作，保证了整个系统的质量和可靠性 先进性：★系统设计了综合控制平台，集中所有控制平台于控制箱。系统全数字化控制，系统界面由液晶显示，流程合理，操作方便 ★系统实现了多重辐照条件设定，并提供了系列化的可调参数，可以灵活选择并组合，便于开展大规模系统性实验，研究各种辐照环境中的细胞效应 ★系统预留有升级插槽，可根据用户的实际需求添加相应的模块，实现附加功能，如产生随机干扰磁场、电场干扰脉冲等 ★科技查新结果说明，国内外尚未有人研制出包括综合控制平台、多重辐照条件设定、波导辐照箱内空气加热和循环技术、直接温度测量技术的同类实验系统
获奖情况及鉴定结果
- 该作品在第七届“挑战杯”陕西省大学生课外学术科技作品竞赛中获特等奖。 通过科技查新，表明国内尚无GSM频段电磁辐照细胞效应实验系统设计的的公开文献报道。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 转让
作品可展示的形式
- 图片 录像 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势：★安全性好、精确度高、实验效率高、易于操作、实验环境要求低和便于根据用户的需求进行升级扩展 适应范围：★本系统适用于国内外进行生物电磁学系统性研究的机构、制定手机辐射标准的相关部门和相关医疗机构和环保组织。另外系统集成有射频功率检测模块，可以整合此模块，对某一环境中超过一定强度的辐射发出预警，将此推向民用市场。 推广前景与效益预测：★健康是人们永恒关注的话题。目前人们对无线设备的使用已经作为一种生活方式，成为人们日常生活中不可缺少的一部分。这些无线设备在带给人们便利的同时，另一方面产生的电磁辐射却给人们的健康带来巨大隐患。全社会都迫切期望了解电磁辐射到底会给人体带来怎样的危害。它关系到手机等无线设备辐射标准的制定、环境保护等重大社会课题，因而国内外有众多的科研院所和医疗机构进行大量的实验研究。所以本系统有着非常广阔的市场空间。 ★本系统成本在8000元左右，预计市场售价为5万元，相对于国外同类系统数十万元的售价，具有很强的市场竞争力。
同类课题研究水平概述
- ★目前国内尚无在研的GSM频段电磁辐照细胞效应实验系统。 ★关于同类的实验系统，国际上一些实验室的做法是，从不同途径购进或研发各个模块，如瑞士联邦工学院2000年研制的细胞实验电磁辐照系统是分别采购信号发生、功率放大、频谱分析仪、波导辐照箱和环境控制箱等设备进行组装开发，这种方法虽然各个独立模块性能指标优良，但是一方面采购价格昂贵，波导辐照腔费用为4万欧元，环境控制箱采购和维护费用为60万人民币。另一方面各独立模块兼容性和联试效果不佳，造成实验过程中如功率和温度等参数的稳定性较差，影响了实验效果，降低了结果的可信度和实验质量。各个设备组合后比较凌乱，信号产生及控制和测量设备分散，平台较多，不利于实验操作，必须有专人职守，不易安排长期如持续数天的实验，影响了实验开展。 ★在辐照控制和测量方面，有些设备采用数字控制电路和模拟控制电路混用，如美国马里兰州大学2006年研制的一套900 MHz细胞实验电磁辐照系统，这些设备只能提供点频或有限几个频率的电磁辐照，辐照功率选择范围较小，调制信号的频率和脉宽选择范围也不大，而且频率和功率的调整互相影响，不利于开展各种辐照频率和功率下的系统性实验，无法获得规律性发现。 ★在细胞环境温度控制方面，目前有些设备，如瑞士联邦工学院研制的系统，采用波导辐照箱内置于恒温箱的做法，由于环境控制箱容积有限，辐照箱的外尺寸有严格限制，适用于1800～1900MHz和2430～2470MHz频段的波导，而900MHz波导辐射箱的长度最少为450mm，已经无法置于环境控制箱，而且，为了对细胞环境的温度进行准确计算，需要提供波导内空气温度均匀分布，需要将波导开孔吹气，而开孔又影响了波导中的电磁波驻波场分布，从而降低了辐照剂量的评估结果。另一些设备，如美国马里兰州大学研制的系统，采用波导辐照箱外水循环加热的方式下，细胞环境升温很慢，延迟了辐照实验开始时间，而辐照开始时细胞状态容易已经改变，影响了作为效应基础的细胞质量，降低了实验的可信度。 ★在细胞环境温度测量方面，由于现有的设备均采用外置的加热方式，波导辐照箱中电磁波对温度传感器和电路引线有明显的加热和干扰作用，所以现有设备无法在箱内放置温度传感器，只能根据波导辐照箱外部的温度对细胞环境温度进行近似测量，影响了测量结果的精确度，对热效应和非热效应的甄别造成困难。
