Thiết kế, chế tạo hệ đo bức xạ điện từ và bước đầu ứng dụng trong nghiên cứu môi trường và trong y học

Với các trang thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm của viện Vật lý kỹ thuật – ĐHBK Hà Nội và các trung tâm y tế lớn trong nước chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ

Mai Hữu Thuấn

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐO BỨC XẠ ĐIỆN TỪ VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU MÔI

TRƯỜNG VÀ TRONG Y HỌC

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội - Năm 2012

MAI HỮU THUẤN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ ĐO BỨC XẠ ĐIỆN TỪ VÀ BƯỚC ĐẦU ỨNG DỤNG TRONG NGHIÊN CỨU MÔI

TRƯỜNG VÀ TRONG Y HỌC

Chuyên ngành: Vật lý kỹ thuật

Mã số: 62.44.17.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Trường Luyện

2 PGS TS NguyễnTrọng Lưu

Hà Nội - Năm 2012

khoa Hà Nội và viện Vật lý Kỹ thuật đã tạo điều kiện cho tôi được học tập và làm nghiên cứu sinh, đã quan tâm động viên tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lời cám ơn chân thành và sự kính trọng đối với PGS TS Nguyễn Trường Luyện và PGS TS Nguyễn Trọng Lưu, các thầy đã chấp nhận tôi là nghiên cứu sinh và hướng dẫn trong suốt quá trình tôi thực hiện bản luận án này Các thầy đã tận tình chỉ bảo cả về lĩnh vực khoa học cũng như trong cuộc sống Tôi đã học được rất nhiều từ những điều chỉ dẫn, những buổi thảo luận và từ nhân cách của các thầy Tôi cảm phục những hiểu biết sâu sắc về chuyên môn, những khả năng cũng như sự tận tình của các thầy Tôi cũng rất biết ơn sự kiên trì của các thầy đã đọc cẩn thận và góp ý kiến cho bản thảo của luận án Những kiến thức mà tôi nhận được từ các thầy không chỉ là bản luận án mà trên hết là cách nhìn nhận, đánh giá cũng như phương thức giải quyết vấn đề một cách toàn diện trong khoa học và sự trải nghiệm của cuộc sống Tôi luôn kính trọng và biết ơn các thầy

Tôi xin trân trọng cám ơn NGND-GS.TSKH Nguyễn Văn Trị và TTND- PGS.TS Dương Xuân Đạm đã kết nối liên ngành giữa vật lý ‎và y học đặt nền móng cho ngành vật lý điện tử y sinh bằng các công trình nghiên cứu từ cơ bản đến ứng dụng trong y học

Tôi xin trân trọng cám ơn PGS.TS Dương Ngọc Huyền, PGS.TS Phạm Ngọc Nguyên,TS Nguyễn Tuyết Nga, vá các đồng nghiệp, đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt quá trình thực hiện các thực nghiệm của luận án, đồng thời có những đóng góp gợi mở quý báu trong quá trình tôi hoàn thiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn ThS Bác Sỹ Nguyễn Văn Hương và các cộng sự bệnh viện K- Hà Nội đã giúp đỡ rất nhiều trong quá trình thực nghiệm tại bệnh viện

Tôi cũng trân trọng cảm ơn TS Nguyễn Văn Ba và các tình nguyện viên ở học viện Quân y 103 đã giúp đỡ rất nhiều trong quá trình làm thực nghiệm điện não… Tôi xin cảm ơn Ths Nguyễn Trọng Ánh đã giúp đỡ rất nhiều trong quá trình đo thực nghiệm trên các khu vực Hà Nội

trong quá trình hoàn thiện luận án

Tôi xin trân trọng cảm ơn các cán bộ nghiên cứu phòng Thí nghiệm Phân tích và

Đo lường Vật lý, thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường ĐHBK Hà Nội đã động viên, giúp

đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện các thực nghiệm cũng như thảo luận, giải thích kết quả thực nghiệm

Tôi xin trân trọng cảm ơn ban giám đốc viện Vật lý Kỹ thuật về sự ủng hộ to lớn

và những lời khuyên bổ ích trong suốt thời gian tôi làm nghiên cứu sinh

Cuối cùng, tôi muốn giành lời cảm ơn cho những người thân yêu nhất của tôi Bản luận án này là món quà quý giá tôi xin được tặng cho cha mẹ, vợ và các con thân yêu của tôi

Hà Nội, tháng 09 năm 2012 Tác giả luận án

Mai Hữu Thuấn

Tôi xin cam đoan đây là công trình của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Nguyễn Trường Luyện và PGS.TS Nguyễn Trọng Lưu Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng công bố trong bất kỳ một công trình nào

Tác giả luận án

Mai Hữu Thuấn

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH 5

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ 6

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Bức xạ điện từ (BXĐT) 12

1.1.1 Khái quát về bức xạ điện từ (BXĐT) 12

1.1.2 Phương trình Maxwell về điện từ trường 15

1.1.3 Hàm sóng và mode sóng của BXĐT (Photon) 16

1.1.4 Phương trình cơ bản của hệ truyền dẫn vi ba 18

1.1.5 Các đại lượng đặc trưng 19

1.1.5.1 Trở kháng đặc trưng của môi trường 19

1.1.5.2 Hệ số phản xạ 21

1.1.5.3 Trở kháng vào 21

1.1.5.4 Công suất truyền 22

1.1.6 Thống kê lượng tử (thống kê photon) và cường độ của BXĐT 22

1.1.6.1 Năng lượng của phonton và điện tử 22

1.1.6.2 Mật độ photon 23

1.1.6.3 Cường độ BXĐT 24

1.2 Tương tác giữa BXĐT với khối chất - cơ thể sống 25

1.2.1 Khái niệm về khối chất 25

1.2.2 Cấu trúc điện tử trong khối chất 25

1.2.3 Vai trò của electron trong khối chất và trong quá trình tương tác bức xạ điện từ với khối chất 26

1.2.4 Tương tác BXĐT với khối chất 26

1.2.4.3 Cơ chế 27

1.2.4.4 Hệ quả 31

1.2.5 Ảnh hưởng của BXĐT không ion hóa đối với cơ thể sống 32

1.2.6 Tương tác của BXĐT cao tần với cơ thể sống 32

1.2.6.1 Hiệu ứng nhiệt của BXHF 33

1.2.6.2 Hiệu ứng phi nhiệt BXHF 35

1.3 Đại cương về sóng ngắn và vi sóng trong y học 37

1.3.1 Khái niệm về sóng ngắn và vi sóng 37

1.3.2 Quá trình ứng dụng và phát triển của sóng ngắn và vi sóng trong y học 37

1.3.3 Một số đặc điểm của vi sóng 38

1.3.4 Nguyên lý và ứng dụng điều trị sóng ngắn và vi sóng trên cơ thể sống 39

1.3.5 Tác dụng hiệu ứng nhiệt trong điều trị vi sóng 41

1.3.6 Tác dụng hiệu ứng phi nhiệt trong điều trị vi sóng 42

1.3.7 Cơ chế điều hòa nhiệt của cơ thể 42

1.3.8 Trị liệu bằng sóng ngắn và vi sóng chế độ xung 44

1.4 Tóm tắt tình hình nghiên cứu liên quan đến đề tài luận án 45

1 4.1 Sơ lược các công trình liên quan trên thế giới 45

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 47

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng 49

2.1.1 Sự phân bố cường độ bức xạ vi ba phơi nhiễm tại một số khu vực trên địa bàn thành phố Hà Nội 49

2.1.2 Công suất bức xạ của một số điện thoại di động 49

2.1.3 Ảnh hưởng của bức xạ vi ba trên cơ thể sống 49

2.2 Phương pháp nghiên cứu 50

2.1.2 Hệ truyền dẫn và đo lường công suất bức xạ vi ba 50

2.2.1.1 Máy phát tín hiệu chuẩn 4 – 151 50

2.2.1.4 Thiết bị đo điện trường đẳng hướng HI – 4455 54

2.2.1.5 Thiết kế thiết bị BK-HF-01 56

2.2.2 Đo bức xạ môi trường các khu vực trên địa bàn Hà Nội 62

2.2.3 Nghiên cứu hiệu ứng phi nhiệt và hiệu ứng nhiệt trên thỏ 62

2.2.4 Thực hiện một số phép đo trên điện thoại di động 63

2.2.5 Hiệu ứng nhiệt được ứng dụng trên 35 bệnh nhân 63

2.3 Kết luận chương II 64

CHƯƠNG III KẾT QUẢ CHẾ TẠO VÀ HOÀN THIỆN HỆ ĐO LƯỜNG TRUYỀN DẪN VIBA 3.1 Kết quả thiết kế và chế tạo hệ đo công suất bức xạ vi ba 65

3.1.1 Hệ chiếu BXHF 65

3.1.1.1 Bộ phối hợp trở kháng 65

3.1.1.2 Ống chiếu 69

3.1.2 Kết quả chế tạo thiết bị BK-HF-01 71

3.2 Kết luận chương 3 79

CHƯƠNG IV KHẢO SÁT SỰ PHÂN BỐ CÔNG SUẤT BỨC XẠ VI BA MÔI TRƯỜNG VÀ ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG 4.1 Khảo sát công suất bức xạ vi ba phơi nhiễm tại một số khu vực trên địa bàn Hà Nội 80

4.1.1 Kết quả đo công suất bức xạ vi ba tại khu vực Bách Khoa Hà Nội 80

4.1.2 Kết quả đo công suất bức xạ vi ba tại khu vực Phạm Ngọc Thạch – Chùa Bộc – Tôn Thất Tùng – Đông Tác 85

4.1.3 Kết quả đo 32 điểm khác nhau quanh khu vực đài truyên hình Hà Nội và truyền hình Việt Nam 87

4.1.4 Kết quả khảo sát chi tiết tại 32 điểm khu vực Cầu giấy Hà Nội 89

4.1.5 Kết quả đo 7 điểm khác nhau ở khu vực ngoại thành Hà Nội 91

4.1.8 Khảo sát sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian và khoảng cách tại

khu vực Cầu Giấy 98

4.2 Khảo sát công suất của một số điện thoại di động 102

4.2.1 Khảo sát công suất vi ba của đtdđ khi thực hiện cuộc gọi 103

4.2.2 Khảo sát công suất vi ba của đtdđ khi thực hiện tin nhắn 107

4.3 Kết luận chương 4 109

CHƯƠNG V BƯỚC ĐẦU NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA

BXCT LÊN CƠ THỂ SỐNG 5.1 Kiểm tra ảnh hưởng của bức xạ vi ba từ ĐTDĐ lên hệ thần kinh trung ương 111

5.2 Các nghiên cứu thực nghiệm ảnh hưởng của vi ba trên thỏ 116

5.2.1 Kết quả thực nghiệm kiểm tra tác dụng phơi nhiễm trên thỏ 116

5.2.2 Kết quả thực nghiệm trên thỏ (kiểm tra hiệu ứng nhiệt) khi chiếu liều cao lên thỏ 121

5.3 Kết quả điều trị trên bệnh nhân điều trị bằng vi sóng 124

5.3.1 Kết quả điều trị trong vật lý trị liệu hồi phục chức năng 124

5.3.2 Kết quả điều trị bằng thấu nhiệt vi sóng phối hợp trong điều trị ung thư 125 5.4 Kết luận chương 5 129

KẾT LUẬN 131

KIẾN NGHỊ 133

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 134

TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

BXCT High Frequency Electromagnetic

BXĐT Electromagnetic radiation Bức xạ điện từ

BTS Base transceiver station Trạm thu phát cơ sở (của

mạng di động) KH&CN Science and technology Khoa học và công nghệ

NIR Non-Ionizing Radiation Bức xạ không ion hóa SAR Specific Absorption Rate Suất hấp thụ riêng

TEmn Mode electromagnetic wave Mode sóng điện từ

TMmn Mode magnetic-field wave Mode sóng từ trường

UMTS Universal Mobile Telecommunications

System

Hệ thống mạng viễn thông điện thoại di động

EMI Electromagnetic interference Nhiễu điện từ

ISM Industrial, Scientific and Medical Công nghiệp, Khoa học

và Y tế

ICNIRP International Commission on

Nonionizing Radiation Protection

Hội đồng quốc tế về BX không ion hóa

EWG Environmental Working Group Nhóm nghiên cứu về môi

trường WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới

TĐ Rabbit to take flight of broadcastp power Tìm đường chạy trốn

tránh nguồn phát

TC Rabbit with one’s drooping ears Thỏ cụp tai

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Phổ BXĐT (Photon) 14

Bảng 1.2 Một số tham số sinh học 34

Bảng 1.3 Bảng tương quan giữa công suất và nhiệt độ 38

Bảng 1.4 Hằng số điên môi của một số tổ chức cơ thể tại các tần số cao 40

Bảng 1.5 Nhiệt dung riêng và mật độ của mô chất 43

Bảng 1.6 Độ sâu skin theo tần số trong mô người 43

Bảng 1.7 Bảng giá trị công suất quy đổi 45

Bảng 3.1 Kết quả đo Dmax và Dmin trong trường hợp không PHTK 67

Bảng 3.2 Kết quả đo Dmax và Dmin trong trường hợp dùng bộ PHTK chữ U 68

Bảng 3.3 Kết quả đo Dmax và Dmin trong trường hợp dùng bộ PHTK λ/4 69

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm mạch tách sóng 71

Bảng 3.5 Kết qủa đo thử nghiệm BK-HF-01 với các tần số khác nhau 74

Bảng 3.6 Kết qủa đo công suất bức xạ vi ba môi trường của BK-HF-01 75

Bảng 3.7 Kết quả đo công suất bức xạ môi trường của thiết bị BK-HF-01 và HI-4416 76

Bảng 4.1.1 Kết quả đo công suất bức xạ ở chế độ đo tức thời tại: ĐHBK-HN (13h 01/06/2009) 81

Bảng 4.1.2 Kết quả đo công suất bức xạ ở chế độ trung bình tại: ĐHBK HN (10h 01/06/2009) 82

Bảng 4.1.3 Kết quả đo tại các điểm thuộc khu vực Bách Khoa 83

Bảng 4.1.4 Kết quả tóm tắt đo công suất tại Phạm Ngọc Thạch, Chùa Bộc, Tôn Thất Tùng 86

Bảng 4.1.5 Kết quả đo trên 32 điểm cạnh các đài truyền hình khu vực Quận Đống Đa -Hà Nội 87

Bảng 4.1.6 Kết quả đo sơ bộ tại khu vực Cầu Giấy 90

Bảng 4.1.7 Kết quả khảo sát vào buổi tối tại vị trí CG02 (265 Cầu Giấy) 91

Bảng 4.1.8 Kết quả khảo sát tại 7 điểm Ngoại thành Hà Nội 92

Bảng 4.2.1 Gía trị công suất tức thời của điện thoại Nokia- 2610 khi gọi trong 32s đầu 103 Bảng 4.2.2 Gía trị công suất tức thời của điện thoại Nokia- 8250 trong 80s đầu 104

Bảng 4.2.3 Gía trị công suất tức thời của điện thoại di động Motorola

Bravo-MB520 trong 80s đầu 105

Bảng 4.2.4 Kết quả kiểm tra công suất bức xạ của 38 điện thoại di động 106

Bảng 4.2.5 Phân bố công suất của 3 điện thoại di động gửi và nhận tin nhắn 107

Bảng 4.2.6 Kết quả kiểm tra công suất bức xạ của 38 điện thoại di động khi gửi tin và nhận tin nhắn 108

Bảng 5.1 Tổng hợp kết quả điện não đồ của 10 tình nguyên viên 115

Bảng 5.2 Kết quả thực nghiệm trên thỏ phơi nhiễm BXCT lần thứ I, thực hiện ngày 30/03/2009) tại PTN Cộng hưởng ĐHBK Hà Nội 117

Bảng 5.3 Kết quả theo dõi thỏ sau phơi nhiễm lần II 118

Bảng 5.4 Trạng thái thỏ nghiên cứu khi chiếu các liều bức xạ vi ba (12/05/2011) 119

Bảng 5.5 Sự thay đổi thành phần máu thỏ trước và sau chiếu 120

Bảng 5.6 Trạng thái thỏ nghiên cứu khi chiếu các liều bức xạ vi ba (12/07/2011) 122

Bảng 5.7 Sự thay đổi thành phần máu thỏ trước và sau chiếu khi chiếu 122

Bảng 5.8 Kết quả xét nghiệm hóa sinh (12/07/2011) tại khoa sinh hóa Bệnh viên TƯQĐ -108 123

Bảng 5.9 Kết quả đánh giá tổng thể trên 35 bệnh nhân điều trị tại bệnh viện TƯQĐ-108 124

Bảng 5.10 Kết quả điều trị của bệnh nhân Vi Văn B 126

Bảng 5.11 Kết quả đánh giá tổng thể trên 35 bệnh nhân sau điều trị đợt I 127

Bảng 5.12 Kết quả đánh giá sau ba đợt điều trị 127

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Phổ bức xạ điện từ 14

Hình 1.2 Nghiệm tổng quát của hệ phương trình Maxwell trong các hệ truyền dẫn 17

Hình 1.3 Sóng điện từ trong không gian tự do 18

Hình 1.4 Cấu trúc nano trung tâm 2[Fe – 3S] 25

Hình 1.5 Mô hình tương tác của BXĐT với khối chất 26

Hình 1.6 Phân cực điện tử trong tương tác [BXĐT – KC] 27

Hình 1.7 Chuyển dời lượng tử 29

Hình 1.8 Xác suất chuyển dời cảm ứng (induced transition) 30

Hình 1.9 Mô tả phân tử nước bị lực điện trường tác dụng 33

Hình 1.10 Minh họa hiệu ứng phi nhiệt do cơ chế phân cực điện tử 35

Hình 2.1 Máy phát 4 - 151 50

Hình 2.2 Sơ đồ khối hệ thống chiếu BXCT 51

Hình 2.3 Bộ PHTK /4 52

Hình 2.4 Hệ đo Hi-4455 55

Hình 2.5 Ảnh ăng ten thu 57

Hình 2.6 Sơ đồ mạch tách sóng 58

Hình 2.7 Ảnh Casy 524 010 60

Hình 2.8 Bộ hiển thị tín hiệu đo 61

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý của BK-HF-01 61

Hình 3.1 Ảnh bộ PHTK /4 65

Hình 3.2 Hệ chiếu và đầu đo HI-4455 70

Hình 3.3 Ảnh giao diện màn hình phần mềm của cassy 72

Hình 3.4 Ảnh thiết bị BK-HF-01 74

Hình 4.1.1 Sơ đồ các trạm BTS tại khu vực Bách khoa 80

Hình 4.1.2 Các điểm đo trên khu vực Phạm Ngọc Thạch,Chùa Bộc, Tôn Thất Tùng 85

Hình 4.1.3 Bản đồ các điểm đo cạnh các đài truyền hình ở Hà Nội 87

Hình 4.1.4 Sơ đồ khảo sát và ảnh các trạm BTS khu vực Cầu Giấy 89

Hình 4.2.1 Ảnh BK-HF-01 đo công suất bức xạ của ĐTDĐ ở trạng thái nghỉ 102

Hình 5.1 Ảnh các tình nguyện viên kiểm tra điện não khi gọi đtdđ 111

Hình 5.2 Hình ảnh tín hiệu điện não 112

Hình 5.3 Ảnh thực nghiệm chiếu vi ba trên thỏ 117

Hình 5.4 Ảnh các thỏ chiếu tần số 218 MHz tại phòng TN Cộng Hưởng Từ 119

Hình 5.5 Ảnh các thỏ chiếu với công suất cao trên máy phát sóng ngắn Megapulse Senior- 265 tần số 27,12 MHz 122

Hình 5.6 Ảnh máy WE-2102 tần số 2450 MHz và máy 915 MHz tại bệnh viên K- Hà Nội 125

DANH MỤC CÁC ĐỒ THỊ

Đồ thị 1.1 Hàm thực nghiệm các đại lượng của hàm













p

a

Q 2 28

Đồ thị 2.1 Các đặc tuyến tìn hiệu cần xử lý 60

Đồ thị 3.1 Đặc tuyến tách sóng của diode         z f D sin2 71

Đồ thị 3.2 Các đặc tuyến tín hiệu 73

Đồ thị 3.3 Phân bố cường độ điện trường của BK-HF-01 theo thời gian 75

Đồ thị 3.4 Kết quả phân bố công suất bức xạ môi trường của BK-HF-01 theo thời gian 77

Đồ thị 3.5 Kết quả ở chế độ tức thời của BK-HF-01 (kích thích bằng điện thoại di động) 77

Đồ thị 4.1.1 Phân bố công suất bức xạ tức thời của môi trường tại: ĐHBK HN 81

Đồ thị 4.1.2 Phân bố công suất bức xạ trung bình của môi trường tại: ĐHBK HN 82

Đồ thị 4.1.3 Kết quả đo công suất trên 32 điểm cạnh các đài truyền hình 88

Đồ thị 4.1.4 Sự phụ thuộc của P theo t tại điểm 135 Hoàng Văn Thái 93

Đồ thị 4.1.5 Sự phụ thuộc của P theo t tại điểm số 4 Phạm Ngọc Thạch 93

Đồ thị 4.1.6 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo khoảng cách dọc đường TĐN 05/09/2009 94

Đồ thị 4.1.7 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian tại vị trí CG01 ngày 25/06/2009 95

Đồ thị 4.1.8 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian tại vị trí CG01 ngày 05/12/2009 96

Đồ thị 4.1.9 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian tại vị trí CG02 ngày 24/06/2009 96

Đồ thị 4.1.10 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian tại vị trí CG02 ngày 01/12/2009 97

Đồ thị 4.1.11 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian tại vị trí CG02 ngày 15/12/2009 97

Đồ thị 4.1.12 Sự phụ thuộc của P theo t tại điểm PNT 05 (16/12/2010) 98

Đồ thị 4.1.13 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian và khoảng cách dọc theo đường Cầu Giấy ngày 02/12/2009 99

Đồ thị 4.1.14 Sự thay đổi cường độ BXĐT theo thời gian và khoảng cách dọc theo đường Chùa Hà ngày 04/12/2009 100

Đồ thị 4.2.1 Phân bố công suất của điện thoại di động (Nokia- 2610) 103

Đồ thị 4.2.2 Phân bố công suất của điện thoại di động (Nokia- 8250) 104

Đồ thị 4.2.3 Phân bố công suất của điện thoại di động Motorola Bravo(MB520) 105

Đồ thị 4.2.4 Phân bố công suất của 3 điện thoại di động gửi và nhận tin nhắn 107

ĐẶT VẤN ĐỀ

Bức xạ điện từ cao tần (BXCT) đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực KH&CN và đời sống kinh tế xã hội như thông tin, truyền hình, chuẩn đoán hình ảnh và vật lý trị liệu trong Y tế, công nghệ vật liệu – hoá dầu, v.v…Hiện tại, tất cả chúng ta đều đang phải tiếp xúc trực tiếp với các BXCT và ảnh hưởng của BXCT đối với sức khỏe con người ngày càng biểu hiện rõ hơn BXCT hay còn gọi là vi ba được xếp vào loại bức xạ không ion hoá Nó không phá huỷ các tổ chức cơ thể một cách trực tiếp, nhưng nó lại có thể gây những mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với sức khỏe con người, điều mà chỉ trong những năm gần đây mới được phát hiện [58, 60, 64, 80] BXCT có lượng tử Photon (h  10-4eV) tương thích với phần lớn những biến đổi trong các cấu trúc điện tử - phân tử và chức năng của tổ chức cơ thể sống Chính vì thế mà BXCT có khả năng gây nên các hiệu ứng sinh học trong các tổ chức của cơ thể sống (cả có lợi và

Trong đời sống thực tế hàng ngày hiện nay, bức xạ vi ba trực tiếp tác động mạnh nhất lên con người chính là từ đài cơ sở và các máy điện thoại di động cầm tay

Ảnh hưởng của vi ba đối với sức khoẻ con người hiện là mối quan tâm sâu rộng của các nhà khoa học, các cộng đồng dân cư và đông đảo những người hàng ngày

sử dụng máy điện thoại di động Ở nhiều nước trên thế giới, các đài cơ sở không

được ủng hộ bởi cộng đồng dân cư sống xung quanh trong phạm vi trực tiếp nhìn thấy thiết bị phát [58, 63, 64]

Căn cứ vào kết quả nghiên cứu bước đầu và kinh nghiệm thực tế trong những năm gần đây, các viện nghiên cứu và các nhóm chuyên gia đang hướng trọng tâm nghiên cứu ảnh hưởng của vi ba đối với sức khoẻ con người vào các vấn đề cụ thể như: ảnh hưởng của vi ba lên hệ thần kinh trung ương, hệ tuần hoàn máu, chuyển hóa, miễn dịch…khả năng kích thích tăng trưởng các khối u và ung thư; khả năng kích thích đột biến và sai lạc chromosom, tăng sinh tế bào, tổn thương DNA và sai lạc gen, tổn thương mắt và thính giác [8, 12, 14, 126,132]

Tình hình thực tế là kết quả nghiên cứu khoa học cho đến thời điểm hiện nay chưa thể giải đáp đầy đủ mối quan tâm của mọi người: chưa minh chứng được là vô hại, nhưng cũng chưa xác định rõ có hại như thế nào Việc nghiên cứu một cách cơ bản, thực tế, liên ngành và toàn diện về ảnh hưởng của vi ba đối với cơ thể sống chỉ mới thực sự bắt đầu từ những năm gần đây (không chỉ ở Việt Nam mà cả trên thế giới cũng ít các công trình nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực này) và chưa đi đến hồi kết thúc [65]

Đây là một vấn đề nghiên cứu mới, hiện đại và có tính thời sự Để có các nghiên cứu cụ thể trên về ảnh hưởng của vi ba đối với sức khoẻ con người cần phải có các thiết bị chuyên dụng về cao tần Một vấn đề rất khó khăn do điều kiện trong nước chưa có cơ sở nào sản xuất và thương mại các thiết bị về lĩnh vực trên, các thiết bị nhập ngoại lại có giá thành rất cao và phần lớn là những thiết bị phục vụ cho đo lường viễn thông và an ninh quốc phòng Với các trang thiết bị hiện có tại phòng thí nghiệm của viện Vật lý kỹ thuật – ĐHBK Hà Nội và các trung tâm y tế lớn trong

nước chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ đo bức xạ điện từ

và bước đầu ứng dụng trong nghiên cứu môi trường và trong y học”

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

- Thiết kế và chế tạo hệ đo lường vi ba

- Nghiên cứu sự phân bố công suất bức xạ vi ba môi trường (một số khu vực trên địa bàn Hà Nội) và của một số loại điện thoại di động

- Bước đầu nghiên cứu ảnh hưởng của hiệu ứng nhiệt và phi nhiệt lên cơ thể sống:

 Đối với hệ thần kinh, hệ máu và một số ứng dụng trong điều trị, khảo sát sự phụ thuộc của hiệu ứng vào các thông số chủ yếu của vi ba như tần số, cường độ bức xạ, thời gian chiếu

 Phát hiện một số hiệu ứng vi ba tác dụng lên thỏ và bệnh nhân

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

1) Hệ truyền dẫn đo lường vi ba

2) Công suất bức xạ vi ba:

+ Công suất phơi nhiễm bức xạ vi ba tại một số khu vực trên địa bàn thành phố

Hà Nội

+ Công suất bức xạ của một số loại điện thoại di động

3) Ảnh hưởng của bức xạ vi ba trên cơ thể sống

Ảnh hưởng của hiệu ứng phi nhiệt từ bức xạ phơi nhiễm và điện thoại di động lên thỏ và tình nguyện viên

Phạm vi nghiên cứu rộng, liên ngành có tính ứng dụng trong cộng đồng dân cư, trong giáo dục, trong y tế, , nên luận án tập trung vào chế tạo thiết bị chính xác để hoàn thành hệ truyền dẫn và đo lường công suất bức xạ vi ba để kiểm tra mức phơi nhiễm môi trường bức xạ và bước đầu nghiên cứu một số hiệu ứng của vi ba trên cơ thể sống như thỏ và người

Phương pháp nghiên cứu:

Thiết kế, chế tao, đo công suất bức xạ vi ba và làm một số xét nghiệm y sinh: 1) Nghiên cứu thực hiện dựa trên các thiết bị tiêu chuẩn đã có trong phòng thí nghiệm

và các trung tâm y tế hàng đầu Thiết bị được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ, truyền dẫn và thu phát vi ba Các thiết bị này đã được Viện đo lường Việt Nam kiểm định, đạt độ chính xác, ổn định cao và được phép sử dụng để đo bức xạ môi trường (cường độ điện trường, công suất vi ba) và sự phụ thuộc của nó vào thời gian và không gian, để xác định mức độ phơi nhiễm bức xạ từng vùng, từng thời điểm

và so sánh các kết quả ở những khu vực nội và ngoại thành Hà Nội

2) Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ vi ba của điện thoại di động khi thực hiện cuộc gọi và tin nhắn, bằng cách đo công suất bức xạ vi ba ở chế độ tức thời, trung bình của các bức xạ từ điện thoại di động, đồng thời kiểm tra những biến đổi trên

hệ thần kinh trung ương bằng điện não đồ của các tình nguyện viên trước và sau khi tiến hành các cuộc gọi

3) Nghiên cứu hiệu ứng phi nhiệt và hiệu ứng nhiệt trên thỏ Thực nghiệm với liều phơi nhiễm (tần số 200 MHz và 218 MHz) và liều cao trên các sóng ngắn ứng dụng trong y tế, quan sát biểu hiện toàn cơ thể thỏ và làm xét nghiệm máu, hóa sinh trước và sau khi chiếu các liều vi ba

4) Khảo sát hiệu ứng nhiệt của bức xạ vi ba, ứng dụng trong điều trị trên các bệnh nhân điều trị tại bệnh viện trung ương quân đội 108 và bệnh viện K Hà Nội

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

Ý nghĩa khoa học:

1) Đây là một vấn đề nghiên cứu mới, hiện đại và có tính thời sự, đặc biệt lần đầu tiên ở Việt Nam “đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của của bức xạ vi ba lên môi trường sống và cơ thể sống” được đưa vào luận án tiến sỹ Các kết quả nghiên cứu

đã khẳng định rõ về biểu hiện định tính và định lượng giữa các đại lượng đặc trưng cho bức xạ vi ba (cường độ bức xạ, vùng tần số, thời gian phơi nhiễm, v v.)

và các thông số sinh học như điện não, xét nghiệm máu, hóa sinh, v v

2) Mở đầu cho một hướng nghiên cứu có tính chất cơ bản (tìm ra các cơ chế, hiệu ứng có lợi và hiệu ứng có hại trong tương tác BXĐT với cơ thể sống) trong điều kiện Việt Nam

Ý nghĩa thực tiễn:

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đã đưa ra một số cảnh báo về mức độ phơi

nhiễm môi trường bức xạ vi ba, một số khuyến cáo cho những người thường xuyên tiếp xúc bức xạ vi ba nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng có hại (giảm thiểu thời gian phơi nhiễm, tần suất tiếp xúc với bức xạ vi ba), đóng góp một số kết quả nghiên cứu cho ứng dụng trong y tế

Kết cấu của luận án:

Luận án bao gồm 133 trang được trình bày trong các phần sau:

Các danh mục

Đặt vấn đề

Chương I Tổng quan

Chương II Phương pháp nghiên cứu

Chương III Kết quả chế tạo và hoàn thiện hệ đo lường truyền dẫn vi ba Chương IV Khảo sát sự phân bố công suất bức xạ vi ba môi trường và điện thoại di động

Chương V Bước đầu nghiên cứu ảnh hưởng của BXCT lên cơ thể sống

Kết luận, kiến nghị

Danh mục các công trình, Tài liệu tham khảo, Phụ lục

Chương I TỔNG QUAN 1.1 Bức xạ điện từ (BXĐT)

1.1.1 Khái quát về BXĐT

BXĐT đã được phát kiến, nghiên cứu và ứng dụng từ rất lâu Tuy nhiên, tác dụng và hiệu ứng của nó đối với khối chất (KC-vật liệu và cơ thế sống) và khi ứng dụng nó vào KH&CN và đời sống xã hội cho đến nay vẫn còn nhiều vấn đề chưa sáng tỏ và đang là vấn đề rất thời sự

James C.Maxwell, với hai luận điểm nổi tiếng của mình, đã đặt nền tảng lý thuyết về sự tồn tại của BXĐT (1864) Cùng thời gian này Young và Fresnel

đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng ánh sáng có bản chất sóng Bức xạ nhiệt là loại BXĐT được biết từ thời thượng cổ, phổ biến khắp nơi, được phát

ra từ các vật nóng (như mặt trời, ngọn lửa, đèn nóng sáng, bếp lò, cơ thể người v.v…) đã được nghiên cứu thực nghiệm rất kỹ bởi Kirchhoff (1859), Stefan – Boltzmann (1879), Wien (1893), Max Planck (1900) Heinrich Hertz, sau 9 năm tập trung nghiên cứu BXĐT của tia lửa điện giữa hai điện cực đã công bố thế giới một thực nghiệm chứng minh trực quan nổi tiếng về sự lan truyền của BXĐT thấp tần (1888) William C.Röntgen, khi nghiên cứu hiện tượng phóng điện trong chân không, đã phát kiến một loại BXĐT lạ, gọi là tia

X, ở Đại học Würzburg, Đức (1895) và nhận giải thưởng Nobel Vật lý đầu

tiên vào năm 1901 [31, 77, 84, 88]

Cho đến cuối thế kỷ 19, với những thành tựu lớn lao như vừa nêu và những

nỗ lực hết sức cả thực nghiệm và lý thuyết, Vật lý cổ điển chủ yếu là nhiệt động lực học cổ điển, đã không thể nào lý giải được các sự kiện BX nhiệt của vật đen, nói rộng hơn là các định luật tương tác giữa BXĐT với KC Cuộc khủng hoảng này trong lịch sử BXĐT đã dẫn đến sự ra đời của nền Vật lý Lượng tử, bắt đầu từ những luận điểm của Max Planck (1900), Albert Einstein (1905) và De Broglie (1924) Tương tác giữa BXĐT với KC và ứng dụng của

nó được quyết định và chỉ có thể giải thích đầy đủ bởi Bản chất lượng tử với

“Lưỡng tính Sóng – Hạt” của BXĐT Đặc tính cơ bản này của BXĐT vượt ra

khỏi những khái niệm quen biết của Vật lý cổ điển vốn thường ăn sâu trong tiềm thức của mọi người chúng ta trong đời sống hàng ngày và đôi khi rất khó hiểu đối với nhiều người Tính “sóng” của BXĐT, đó là sóng điện từ (SĐT) Tính “hạt” của BXĐT, đó là hạt photon - hạt cơ bản của BXĐT (còn gọi là

quang tử) Nói cách khác, BXĐT là một chùm hạt photon Đó là một chùm tia kết hợp hoặc không kết hợp: Kết hợp nếu là chùm tia BXĐT do phát xạ cảm ứng của KC, không kết hợp nếu là chùm tia BXĐT do phát xạ tự nhiên Cũng

như electron, photon không phải là một hạt cổ điển mà cũng không phải là một sóng cổ điển [18,133]

Đặc trưng quan trọng nhất của photon (BXĐT) là năng lượng E và động lượng p của photon được xác định chính xác bởi tần số ν (hay bước sóng λ) của SĐT tương ứng được mô tả bởi hệ thức De Broglie (λ =h/p) nên:

Hình 1.1 Phổ bức xạ điện từ Bảng 1.1: Phổ BXĐT [6]

cao tần (còn gọi là vi ba) Trong và sau đại chiến II, việc nghiên cứu BXĐT cao tần (HF) được đầu tư rất lớn và phát triển mạnh cho đến ngày nay

Chính dựa trên cơ sở vật lý lượng tử của BXĐT, từ năm 1954 BX Maser và Laser (sau này được gọi chung là Laser) ra đời và phát triển mạnh mẽ cho đến ngày

nay trên toàn bộ phổ BXĐT từ HF cho đến UV Đây là loại BXĐT hoàn toàn kết

hợp, có độ hội tụ, độ tinh khiết phổ và cường độ BX rất cao – BX Laser trở thành

nhân tố quyết định trong kỹ thuật BXĐT hiện đại với tên gọi mới điện tử học lượng

tử hay còn gọi là quang tử học (Photonics – Quantum Electronics)

1.1.2 Phương trình Maxwell về điện từ trường

Trong quá trình nghiên cứu cũng như các tính toán về trường điện từ và sóng điện từ thì bên cạnh dòng điện dẫn còn có dòng điện dịch cũng đóng vai trò khá quan trọng Do đó hệ thống các phương trình Maxwell về điện từ trường trong trường hợp tổng quát được viết dưới dạng vi phân như sau:

B div

t

B E

rot

t

D J H rot

dòng điện dẫn và dòng dịch chạy qua mặt S được bao bọc bởi đường L Cường độ

từ trường sẽ có giá trị khác 0 khi có các dòng điện tích dịch chuyển (i dẫn  0) hoặc khi có sự biến thiên của điện trường E

theo thời gian (i dịch  0)

+ Phương trình (1.4) cho biết sự xuất hiện của điện trườngE

khi có sự biến thiên của từ trường B

theo thời gian và lưu số của cường độ điện trường theo thời gian (suất điện động cảm ứng) được xác định bởi tốc độ biến thiên của từ trường đi qua mặt S giới hạn bởi đường L

+ Phương trình (1.5) biểu thị thông lượng cảm ứng từ qua mặt kín bất kỳ có giá trị bằng 0 Hệ thức cho thấy bên trong mặt kín không có phần tử tích lũy năng lượng từ + Phương trình (1.6) cho biết thông lượng điện cảm qua mặt kín S bằng tổng điện tích q chứa trong đó Phương trình này cũng đồng thời mô tả điện trường tồn

tại quanh các điện tích và tuân theo định lý Gauss – Oxtrogradxki

+ Hệ thức (1.7) là các hệ thức liên hệ giữa cường độ điện trườngE

với véc tơ Dthông qua hằng số điện môi ε của môi trường cũng như giữa cường độ từ trường

Vm

As Vm

0 12

+ Giả thiết sóng điện từ trong không gian, hệ tọa độ Oxyz Khi đó tại mỗi điểm

trong không gian có sóng điện từ, các thành phần điện trường, từ trường có phương vuông góc với phương truyền sóng, biến thiên theo thời gian và không gian dưới

dạng hàm sóng:

Ψ(x,y,z,t) = ΨE,H(x,y,z,t) = E(x,y,z,t).H(x,y,z,t) (1.8) Trong đó E và H lần lượt là điện trường và từ trường của BXĐT Xác suất tìm thấy photon tương ứng được xác định là:

Ψ = (εE +μH )

Đây chính là biểu thức của mật độ năng lượng điện từ cổ điển của SĐT

Hàm sóng BXĐT truyền theo trục z thường được viết dưới dạng :

λg = v/ là bước sóng trong hệ truyền dẫn

A được gọi là hàm biên độ, biểu thức cụ thể của nó phụ thuộc vào

độ bất định Δz và Δp của photon theo nguyên lý bất định Heisenberg

.

2

z p

và vào mode sóng quy định bởi

nghiệm của hệ phương trình

Maxwell trong hệ truyền dẫn

Dây dẫn sóng Mode TEM

Ống dẫn sóng Mode TE mn

Hình 1.2: Nghiệm tổng quát của hệ phương trình

Maxwell trong các hệ truyền dẫn [5]

sóng từ ngang (TMmn) với các cặp chỉ số nguyên m, n = 0,1,2 …

Trong các hệ dẫn sóng (dây song hành hoặc dây đồng trục) chỉ có thể truyền dẫn

mode sóng điện từ ngang (TEM)

Trong không gian tự do có mode sóng điện từ ngang TEM00, là mode sóng phẳng

đơn sắc quen biết và đơn giản nhất với các biên độ là hằng số (hình 1.3) [5, 18]

2 cos )

cos(

) , (

) (

2 cos )

cos(

) , (

t H

kz t H

t z H

z T

t E

kz t E

t z E

m m

m m







Các thông số ν và λ chủ yếu do nguồn phát BXĐT quy định

Hình 1.3: Cấu tạo của mode sóng TEM 00 trong không gian tự do

1.1.4 Phương trình cơ bản của truyền dẫn vi ba

- Xét một hệ tổng quát: Sóng trên đường dây tải dài và không tổn hao (L1>>R1,

C1>>G1), phương truyền sóng z, trên đường dây không chứa nguồn phát Áp dụng

Hình 1.3 Sóng điện từ trong không gian tự do [15]

phương trình Kirchhoff và các phương trình Maxwell (1.3 và 1.4) tại mặt phẳng z ta thu được hệ phương trình tổng quát về mối liên hệ giữa điện áp tương đương điện trường và dòng điện tương đương từ trường trên đường dây dài là:

j t

z j p z

j t

e W

U e

W

U z

I

e U e

U z

)(

(1.14)

Hệ thức (1.14) chính là hệ phương trình cơ bản của truyền dẫn vi ba

Hệ phương trình trên có ý nghĩa tổng quát như sau: tại bất cứ một mặt phẳng z nào trong hệ truyền dẫn, sóng điện từ đều là tổng của hai sóng truyền ngược chiều nhau với cùng vận tốc pha v:

- Sóng tới : Ut(z) = Ute+jz truyền ngược chiều z (1.15)

- Sóng phản xạ : Up(z) = Upe-jz truyền cùng chiều z (1.16)

2

C L v

g

(1.17)

Với

r r r

r

c C

1 1

11

,

,

)(

)(

C

L L

z I

z U W

p t

p t

với L1, C1 lần lượt là điện cảm và điện dung của một đơn vị đường dây

1.1.5 Các đại lượng đặc trưng

1.1.5.1 Trở kháng đặc trưng của môi trường

Trong trường hợp sóng phẳng, điều hòa và lan truyền trong môi trường không tổn hao σ = 0, từ phương trình thứ nhất Maxwell có thể viết theo định luật Ampere như sau:

E j H

H H

j

k j

i H rot

z y

x y

z

y x

x y

H j

H j E j

H j E j

E j

E j H j

E j H j

k j i

::

tỷ số E / H của từng cặp tương ứng thì về phương diện vật lý‎ chúng có thứ nguyên trở kháng (Ω) Đại lượng vật lý‎ đó gọi là trở kháng đặc trưng của môi trường (Z0):

y

H

E H

E

; (1.22) Mặt khác hệ số pha  có giá trị    Do đó trở kháng đặc trưng Z0 có giá trị là:

1.1.5.2 Hệ số phản xạ

Hệ số phản xạ tại mặt phẳng z là tỷ số giữa điện áp sóng phản xạ và điện áp sóng tới:

z j z

j t

p z j t

z j p

e p e

U

U e

U

e U z

Như vậy hệ số phản xạ không thay đổi modul mà chỉ biến đổi pha một cách tuần

hoàn với chu kỳ không gian bằng

2

g

 Phương trình cơ bản có thể viết lại p(z) như sau:

j t z j p z j t

z j t z

j t z j p z j t

e W

U p e

W

U e

W

U e

W

U z I

e U p e

U e

U e

U z U

)(

)(

(

)]

(1[)

(

z p e

W

U z I

z p e

U z U

z j t

z j t





Như vậy với quá trình truyền sóng thì U(z), I(z) phụ thuộc vào p(z), do đó cũng

biến đổi tuần hoàn với chu kỳ

2

g

 như chu kỳ của p(z) [6]

1.1.5.3 Trở kháng vào

Trở kháng vào tại mặt z trên hệ truyền dẫn là tỷ số giữa điện áp và dòng điện tại

vị trí đó:

)(1

)(1)()(

)()(

z p

z p W z Z z I

z U z Z

1)

0(

p

p W Z z

W Z

Và tại vị trí z ta có: j z

F

F z j

e W Z

W Z e

p z

Z  

Biến đổi "phần tư bước sóng" :

)(

)4(

2

z Z

W z

Z  

1.1.5.4 Công suất truyền

Công suất truyền của bức xạ điện từ tại mặt phẳng z là công suất thực sự truyền tới phụ tải được tính theo công thức :

(2

1Re

2

p W

U z

Tức là : P(z) = (Ptới - Pphản) (1.37)

1.1.6 Thống kê lượng tử (thống kê photon) và cường độ của BXĐT

1.1.6.1 Năng lượng của phonton và điện tử

- Năng lượng của một photon và một điện tử, với tần số vi ba trong y tế là 2400MHz hay :

Hz

s m c

T

10.2400

/10.3







Như vậy: năng lượng photon rất lớn so với năng lượng của điện tử

Do đó năng lượng bức xạ điện từ tương tác với tổ chức chủ yếu là năng lượng của photon

- Bức xạ Radio RF có năng lượng ~ 10-7 eV

- Bức xạ cao tần (gồm VHF và UHF) có năng lượng ~ 10-6 eV 10-4 eV

- IR (Hồng ngoại) có năng lượng ~ 10-3 eV  1,3 eV

- Vis (Ánh sáng nhìn thấy) có năng lượng 1,6 eV  3,2 eV

Năng lượng các bức xạ điện từ trên hầu như không gây ra ion hóa vì E < 10 eV

hν 3 kT

Đây chính là định luật bức xạ Wien

* Với tần số thấp hơn (hν << kT, tần số nhỏ hơn tần số của bức xạ hồng ngoại):

hν/kT hν/kT

1 1 kT n(ν,T) =

e -1   hν , lúc này định luật Planck có dạng:

Với v là vận tốc photon trên phương z trong KC:

Đơn vị của cường độ BXĐT trong hệ SI: W/m2, trong đo lường bức xạ môi trường với công suất thấp thông thường tính theo đơn vị mW/cm2

hoặc mW/kg (tính cho liều hấp thụ trên cơ thể sống)

Công thức (1.49) phù hợp với biểu thức mật độ năng thông SĐT cổ điển (trong không gian tự do):

H E P v z u z

.)

()

r r

F m c

I =

Đây là công thức được sử dụng trong các phép đo thực nghiệm về cường độ điện trường cũng như công suất của bức xạ vi ba

1.2 Tương tác giữa BXĐT với khối chất - cơ thể sống

1.2.1 Khái niệm về khối chất

Khối chất (KC, chất đông đặc, Condensed Matter) là khối kết hợp vĩ mô gồm các nguyên tử có tương tác mạnh mẽ với

nhau, tạo nên các Vật liệu (Materials) và Cơ

thể sống (Organisms) với các đặc trưng

quan trọng là các trạng thái trật tự và các

hiệu ứng ‘tập thể’[4, 5]

1.2.2 Cấu trúc điện tử trong khối chất

Điện tử (electron) đóng vai trò chủ yếu,

không thể thay thế được, trong sự tạo thành

các nguyên tử và ion, trong các liên kết tạo

thành phân tử hay các đơn vị cấu trúc cơ bản

của KC (hình 1.4) luôn tuân theo nguyên tắc xắp xếp electron vào các quỹ đạo:

- Các electron luôn có xu hướng về trạng thái cơ bản (chiếm mức thấp nhất có thể được), theo nguyên lý‎ năng lượng cực tiểu

- Quy tắc Hund: Các electron cứ xếp spin song song với nhau (không cặp đôi) đến chừng nào có thể được [19, 23]

Hình 1.4 Cấu trúc nano trung

tâm 2[Fe – 3S]

1.2.3 Vai trò của electron trong KC và trong quá trình tương tác BXĐT-KC

Electron tạo ra các liên kết trong khối chất và là nhân tố quan trọng tạo ra các tương tác liên kết gồm có các tính chất vĩ mô của khối chất (tính năng đặc thù, hoạt tính đặc thù) Tương tác điện tử quy định cấu trúc và động lực điện tử của khối chất (tính chất của vật liệu, hoạt tính của mô sống)

Hơn thế nữa, những điện tử hoạt động (active, dynamic) – đó là những điện tử

lẻ, tức là điện tử có spin chưa cặp đôi trong KC, các điện tử này đóng vai trò quyết định trong các tương tác giữa KC đó với các nhân tố bên ngoài đặt vào, đặc biệt là với các photon – hạt cơ bản của BXĐT Trong các tương tác đó, sự xuất hiện hay biến mất của BXĐT (photon) bao giờ cũng gắn liền với các biến đổi trạng thái

lượng tử của điện tử trong KC

1.2.4 Tương tác BXĐT với khối chất

Bản chất của tương tác [BXĐT – KC] chính là tương tác giữa photon và

electron, là động lực làm biến đổi các liên kết tạo thành KC và làm biến đổi tính

năng (hay hoạt tính) của vật liệu (hay cơ thể sống)

Mặt khác, khoa học hiện đại cũng đã khẳng định rằng tính năng (hay hoạt tính)

của một KC và tương tác của BXĐT làm biến đổi nó xảy ra trước hết và chủ yếu tại

các tâm chức năng (Functional Center) hay tâm hoạt tính (Active Center, Active site) phân bố trong KC đó [26]

Trong đa số trường hợp, tâm chức năng của KC có cấu trúc nano Mỗi tâm chứa một số điện tử lẻ (điện tử hoạt tính) Như vậy tâm chức năng của hệ điện tử - phân

tử đảm trách một tính năng nhất định của KC, trong đó có tính năng tương tác với

BXĐT Trạng thái lượng tử của tâm chức năng được quy định bởi mức năng lượng của điện tử hoạt tính trong cấu trúc vi mô của tâm đó

Bình thường, tập hợp N tâm chức năng trong một mẫu chất tuân theo gần đúng phân bố cân bằng thống kê nhiệt động tại nhiệt độ T của mẫu chất Mật độ tâm trong các mẫu chất rắn tinh thể không vượt quá 1018 /gram, còn trong các mẫu chất

cơ thể sống thường chỉ vào cỡ 1015

Dưới tác dụng cưỡng bức của vectơ điện trường E

của BXĐT các phân tử trong

KC điện môi bị phân cực

và trở thành những lưỡng

cực điện vi mô (hình

1.6) Khi điện trường

biến thiên , các lưỡng cực

này sẽ quay theo chiều

điện trường, trong quá

trình đó một phần năng

lượng của BXĐT bị hấp thụ chuyển thành nhiệt năng Theo lý thuyết điện từ: Công

suất đốt nóng điện môi ở tần số RF là:

2 2 2

2 2 0 2

1

2 1 0

Mô hình điện tử ở trạng thái bình thường trong tổ chức

Mô hình điện tử bị phân cực do tác dụng của điện trường E

Pe

Hình 1.6: Phân cực điện tử trong tương tác [BXĐT – KC]

2 2 1 2

1

2 1 2 2 1

)(

)(

0 1

2 0 2 1

0 0

r

2

;2

2

;

0 2

0 1

là nhiệt độ tuyệt đối của hệ

- Với khối chất là vật dẫn, thành phần từ trường H

biến thiên tuần hoàn theo thời gian

sẽ gây ra dòng xoáy (J

) và nó tỏa nhiệt Jun-Lenxơ Công suất đốt nóng cảm ứng do dòng này gây ra (nếu xem vật dẫn có dạng trụ với bán kính a và chiều dài l) là :

) ( 10

2

) / 2 (

Trong đó:  là độ từ thẩm của

môi trường dẫn; Ha là từ trường tại

bề mặt vật dẫn ; p là độ sâu skin của

Sự phân cực electron trong hệ

điện tử - phân tử làm làm tăng nhiệt độ của cơ thể hoặc làm thay đổi cấu trúc cân bằng điện giữa các hệ điện tử phân tử [4, 78]

Đồ thị 1.1 Hàm thực nghiện các

đại lượng của hàm Q( 2a/p)

Chuyển dời lượng tử

Khi phân tử, nguyên tử hấp thụ BXĐT, electron trong nguyên tử thay đổi trạng thái do hấp thụ năng lượng photon và chuyển lên mức năng lượng cao hơn (mức năng lượng kích thích) Hình 1.7 minh họa các kiểu chuyển dời điện tử trong KC dưới tác dụng của BXĐT

Điều kiện để có chuyển dời lượng tử là:

Một số tính chất quan trọng của chuyển dời lượng tử:

- Dưới tác dụng kích thích của BXĐT (photon) tới, điện tử hoạt tính trong KC chỉ có thể “chuyển lên” hay “chuyển xuống” giữa hai mức khi thỏa mãn điều kiện cộng hưởng lượng tử giữa hai bên:

Sóng tới tương tác – Electron

hấp thụ một photon và chuyển Electron trở về trạng thái cơ Chuyển dời mức lên trạng thái kích thích bản và phát xạ lại một photon không bức xạ

Hình 1.7 Chuyển dời lượng tử

E3 E3 E2 Trạng thái kích thích E2

E1 E1

E0 Trạng thái cơ bản E0

hγ

s, trong cơ thể sống nhiều điện tử có thể lưu lại lâu hơn tới cỡ 10-3s δt có ý

nghĩa là thời gian sống của điện tử ở mức kích thích, cũng có nghĩa là thời gian cần

thiết để điện tử hoàn thành việc chuyển dời về mức dưới Nói cách khác, δt chính là

thời gian tác dụng của photon lên điện tử, hay là thời gian đáp ứng của điện tử đối

với kích thích của photon

- Tác dụng kích thích của BXĐT, chuyển dời điện tử là chuyển dời cảm ứng với xác

suất “lên” và “xuống” bằng nhau (hình 1.8)

Hình 1.8 Xác suất chuyển dời cảm ứng (induced transition)

Điều cần đặc biệt chú ý là, xác suất chuyển dời lượng tử dưới tác dụng kích thích

của BXĐT đều là xác suất cảm ứng Xác suất này tỷ lệ với cường độ BXĐT Iν(z), tức

là với mật độ dòng photon tới kích thích mẫu chất, hay với mật độ photon có mặt trong mẫu chất Ta có:

tử hoạt tính) Theo điện tử học lượng tử thì:

ind

Nw N

Trong đó N là tổng số tâm chức năng hay tổng số điện tử hoạt tính của mẫu chất Bởi

vì wind ~ n(ν,T) và N ~ n(ν,T), cho nên ta có thể đánh giá hiệu quả tác dụng của BXĐT:

*

Hệ thức này cho thấy, hiệu quả tác dụng của BXĐT, số tâm chức năng của mẫu chất bị cưỡng bức chuyển lên trạng thái kích thích phụ thuộc rất mạnh vào mật độ

photon (n) có mặt trong mẫu chất đó

Nếu chúng ta xác định được các thông số của hệ điện tử - phân tử sẽ xác định được mức độ ảnh hưởng của BXĐT theo tần số, cường độ, thời gian tác dụng Từ đó

ta xác định được những liệu pháp cụ thể để vận dụng những hiệu ứng “có lợi” và hạn chế những tác dụng có hại của BXĐT đối với cơ thể sống

Đây là nguyên nhân sâu xa tạo ra sự thay đổi cấu trúc hệ điện tử - phân tử, làm phát sinh dòng điện dịch, dòng điện dẫn hay các ion trong tổ chức, làm biến đổi hoặc phá hủy cấu trúc tổ chức sinh học [3, 5, 96]

1.2.4.4 Hệ quả

Kết quả của tương tác BXĐT-KC xảy ra tại các tâm chức năng của khối chất, là tương tác photon với electron, kích thích các electron trong tâm chức năng lên trạng thái kích thích Nói cách khác là cơ chế cơ bản của tương tác bức xạ không ion hóa với khối chất tuân theo các hiệu ứng lượng tử sau khi electron nhận năng lượng photon, sẽ có các hệ quả sau:

+ Phát bức xạ điện từ (photon), là cơ sở cho nguyên lý laser

+ Hiệu ứng nhiệt: Năng lượng BXĐT bị hấp thụ và chuyển hóa thành nhiệt trong mẫu chất theo cả hai cơ chế phân cực điện tử (nhiệt chủ yếu là do phân cực điện tử)

và chuyển dời lượng tử Nhiệt này có ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu và mọi quá trình sinh học trong cơ thể sống

+ Hiệu ứng phi nhiệt Tác dụng kích thích của BXĐT gây ra những biến dị cấu trúc và trạng thái động lực của hệ điện tử chức năng và của cả mẫu vật liệu hoặc cơ thể sống Mức độ biến dị tùy thuộc vào năng lượng photon và cường độ BXĐT Hai