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1、对 X 射线断层扫描术和超级电容的研究摘 要：随着信息技术的飞速发展，电磁场与电磁波理论在通信、广播、电视、导航、电力系统、医用电子设备等方面有着越来越多的应用。我们在这里重点讨论电磁场与电磁波理论在医疗设备和电力系统两个方面的重要应用。在医疗设备方面，计算机断层扫描技术自发明以来不断革新，扫描时间缩短、精度增强。在电力系统方面，超级电容具有功率密度高、充放电时间短、循环寿命长、工作温度范围宽等优点，是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。关键词：X 射线断层摄影术 超级电容X 射线断层扫描术一、X 射线X 射线是波长介于紫外线和 射线之间的电磁辐射，波长很短，约为 0.01 纳米到
2、 10纳米之间。由德国物理学家 W.K.伦琴于 1895 年发现，故又称伦琴射线。伦琴射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。波长越短的 X 射线能量越大，叫做硬 X 射线，波长较长的 X 射线能量较小，称为软 X 射线。X 射线被发现后仅仅几个月内就被应用于医学影像。放射医学是医学的一个专门领域，它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像。X 射线的用途主要是探测骨骼的病变，但对于探测软组织的病变也相当有用。X 射线应用于医学诊断，主要依据 X 射线的穿透作用、差别吸收、感光作用和荧光作用。由于 X 射线穿过人体时，受到不同程度的吸收，如骨骼吸收的 X 射线量比
3、肌肉吸收的量要多，那么通过人体后的 X 射线量就不一样，这样便携带了人体各部密度分布的信息，在荧光屏上或摄影胶片上引起的荧光作用或感光作用的强弱就有较大差别，因而在荧光屏上或摄影胶片上（经过显影、定影）将显示出不同密度的阴影。根据阴影浓淡的对比，结合临床表现、化验结果和病理诊断，即可判断人体某一部分是否正常。于是，X 射线诊断技术便成了世界上最早应用的非刨伤性的内脏检查技术。二、 传统 X 射线技术传统的 X 射线技术仅仅生成一个物体的 2D 剖面。医院中最常用的方法叫做照相底板法。将一片照相底片放置于人体后，X 射线穿过人体内软组织（皮肤及器官）后会照射到底片，令这些部位于底片经显影后保留黑
4、色；X 射线无法穿过人体内的硬组织，如骨或其他被注射含钡或碘的物质，底片于显影后会显示成白色。光激影像板因容易数位化，在少部分医院已取代传统底片。另一方法是利用 X 射线照射在特定材质上以产生荧光，例如碘化钠。下图即为传统 X 射线技术生成的 2D 图片三、 X 射线断层扫描术（ CT）该扫描方式是通过单一轴面的射线穿透被测物体，根据被测物体各部分对射线的吸收与透过率不同，由计算机采集透过射线并通过三维重构成像。1.比尔定律医学诊断上主要利用 X 射线的穿透作用、差别吸收，依据是比尔定律。最简单形式的比尔定律是单色 X 射线通过均质材料I0和 I 是最初的的和最终的 x 射线强度， 是材料的线
5、性衰减系数， x 是射线路径的长度。如果有多个材料，公式变为其中每个增量 i 反映了一种材料的衰减系数 i和线性长度 xi。在一个使用单色 x 射线源的标准系统中用这个方程可以直接解决。如果使用多色的 x 射线源，需要更复杂的公式。2.CT 原理CT 是用 X 射线束对人体某部一定厚度的层面进行扫描，由探测器接收透过该层面的 X射线，转变为可见光后，由光电转换变为电信号，再经模拟/数字转换器转为数字，输入计算机处理。图像形成的处理有如对选定层面分成若干个体积相同的长方体，称之为体素。扫描所得信息经计算而获得每个体素的 X 射线衰减系数或吸收系数，再排列成矩阵，即数字矩阵，数字矩阵可存贮于磁盘或
6、光盘中。经数字/模拟转换器把数字矩阵中的每个数字转为由黑到白不等灰度的小方块，即像素，并按矩阵排列，即构成 CT 图像。所以，CT图像是重建图像。每个体素的 X 射线吸收系数可以通过不同的数学方法算出3.设备组成CT 设备主要有以下三部分：1.扫描部分由 X 线管、探测器和扫描架组成；2.计算机系统，将扫描收集到的信息数据进行贮存运算；3.图像显示和 存储系统，将经计算机处理、重建的图像显示在电视屏上或幅照相机将图像摄下。X 射线源和探测器阵列被包含在一个圆形结构里，可以缓慢地绕病人 360 度旋转，每次从不同的角度记录 X 射线衰减的图案，仪器如下图：一个 CT 扫描仪使用的 X 射线源通过
7、狭缝形成扇束，能够包围全部待测物体，同时又只有几毫米薄。另一端由 700 个探测器阵列捕获信息，构成一个图案。通常，每一个解剖薄面都会记录 1000 个这样的图案。在现今的技术中，这个过程不到 1 秒就能实现。给一个身体部位，如胸部或者头部，形成一个图像，只需要大概 10 秒就能完成。4.图像重建对于每一个解剖面，CT 扫描仪生成 7105 个测量值（1000 个角度700 个探测仪） 。每一个测量值都代表窄光束在 X 射线源和探测器之间的吸收与衰减。商业的 CT 机使用叫做滤波反投影法的技术来重现图案。CT 图像是由一定数目由黑到白不同灰度的像素按矩阵排列所构成。这些像素反映的是相应体素的
8、X 线吸收系数。与 X 线图像所示的黑白影像一样，黑影表示低吸收区，即低密度区，如含气体多的肺部；白影表示高吸收区，即高密度区，如骨骼。但是 CT 与 X 线图像相比，CT 的密度分辨力高，即有高的密度分辨力。因此，人体软组织的密度差别虽小，吸收系数虽多接近于水，也能形成对比而成像。这是 CT 的突出优点。所以，CT 可以更好地显示由软组织构成的器官，如脑、脊髓、 、肺、肝、胆、胰以及盆部器官等，并在良好的解剖图像背景上显示出病变的影像。CT 图像是层面图像，常用的是横断面。为了显示整个器官，需要多个连续的层面图像，如下图所示。通过 CT 设备上图像的重建程序的使用，还可重建冠状面和矢状面的层
9、面图像，可以多角度查看器官和病变的关系。5.优点与危害第一，计算机断层扫描为我们提供被测物品的完整三维信息；第二，由于电脑断层的高分辨率，不同物体对射线的吸收和透过率不同，即使是小于 1%的密度差异也可以区分出来；第三，由于断层成像技术提供三维图像，依需要不同，可以看到轴切面，冠状面，矢切面的影像，如下图所示。除此之外，任意切面的图像均可通过插值技术产生。这给医学诊断、工业检测和科研带来了极大的便利。但是 CT 扫描带来的危害也必须引起重视。CT 主要的危害来自于射线源，高能射线源能对人体组织及环境造成不可逆转的破坏，即使是医用的 X 射线 CT，多次的累积使用，X射线依然会对患者被照组织产生
10、一定的影响。扫描虽有广泛的适应范围，但仍有限度。虽然发现病变的敏感性极高，但在定性诊断上仍有很大的限制。由于机测定的是物理参数，即人体组织对 X 线的衰减值或物理密度，医生就是根据正常组织和异常组织呈现的衰减值差异作为诊断的依据，如果衰减值无差异，再大的肿瘤也无法鉴别。可见 CT 扫描尽管有许多优越性，但也有其局限性，只有与其他设备，其他诊断手段相配合，才能充分发挥其作用。超级电容一、概述超级电容器，又名电化学电容器，双电层电容器、黄金电容、法拉电容，是从上世纪七、八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。它不同于传统的化学电源，是一种介于传统电容器与电池之间、具有特殊性能的电源
11、，既像电容一样能储存电能，但是同时比电池充放电更快速。它主要依靠双电层和氧化还原假电容电荷储存电能，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。二、储能限制能量密度 W经常用瓦特小时每千克 (Wh/kg)作单位，1 瓦特小时 = 3.6 103 焦耳。.因此，设备的能量容量以质量进行标准化。对于电池，W在铅酸蓄电池的 30 Wh/kg 到锂电池的 150Wh/kg 之间。相比之下，传统电容的 W仅仅超过 0.02 Wh/kg。让我们来看看
12、什么限制了 W的值，假设一个小的平行板电容器面积为 A、两板间距离为 d。简单起见，我们设电容额定电压为 1V（预期的最大击穿电压）。我们的目标是使能量密度 W最大化。对于平行板电容，C = A/d， 是绝缘材料的介电常数，使用方程式推倒出m 是导电板和电容里的绝缘材料的总质量。为了分析简单，我们假设平行板很薄，与绝缘材料相比它的质量可以忽略。如果材料的密度为 (kg/m3)，那么 m = Ad 并且为了使W最大，我们需要d尽可能小，但是我们也必须知道与介质击穿有关的约束条件。为了避免两个极板之间产生电火花，电场强度需要超过 Eds，这是绝缘材料的绝缘强度。在各种常用的电容绝缘材料中，云母是
13、Eds值最大的材料之一，近2 10 8 V/m.击穿电压Vbr与 Eds有关，V br = Edsd，所以假设电容额定电压1V， Vbr为2 V，因此形成50%的安全系数。因为Vbr = 2 V 、 Eds = 210 8 V/m，因此d的最小值为108 m或者 10 nm。对于云母， 约等于 60 、 = 3 10 3 kg/m3。忽略现实问题，构建一个导体间距只有10nm的电容，能量密度的表达式可以推导出W约为90 J/kg。将W转换成Wh/kg (除以 3.6 10 3 J/Wh)得 W= 2.5 10 2 (Wh/kg),这就展示了传统电容的储能限制。三、储能比较本节介绍超级电容与其他
14、储能产品的性能比较。下图介绍了各种产品不同的应用范围，横坐标是能流密度，纵坐标是能量密度，从中可以看到哪个地方是电池的应用范围，哪个地方是传统电容的应用范围，哪一块是超级电容的应用范围。我们知道电池的充放电大概在 1 小时到 10 个小时左右，而传统电容是作为滤波使用的，充放电是在 0.03 秒，但是超级电容就在 1 秒左右，基本上是从 0.1 秒到 10 秒。超级电容的能流密度和能量密度都非常高。超级电容是用物理的方法储能，电池是用化学反应的方法来储能，所以电池的反应时间会很长，超级电容可以快速的充放电，这是它的根本原因，也是超级电容的性能优势之所在。由于超级电容是将电荷储存起来，可以快速的
15、补充和释放，而电池则需要经过化学反应的方式进行充放电。超级电容是功率密集元件，但放电时间较短，电池是能量密集型元件，放电时间较长。下图是超级电容与电池的充放电次数比较：四、突出特点、优点及缺点1充电速度快，充电 10 秒10 分钟可达到其额定容量的 95%以上；2环使用寿命长，深度充放电循环使用次数可达 150 万次，没有“记忆效应” ；3大电流放电能力超强，能量转换效率高，过程损失小，大电流能量循环效率90%；4功率密度高，可达 300W/KG5000W/KG，相当于电池的 510 倍；5产品原材料构成、生产、使用、储存以及拆解过程均没有污染，是理想的绿色环保电源；6充放电线路简单，无需充电
16、电池那样的充电电路，安全系数高，长期使用免维护；7超低温特性好，温度范围宽-40 +70；8检测方便，剩余电量可直接读出；9容量范围通常 0.1F-1000F 。优点1.很小的体积下达到法拉级的电容量；2.无须特别的充电电路和控制放电电路；3.和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；4.从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；5.超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题。缺点1.如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；2.和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路。五、前景分析从结构上看，超级电容器主要由电极、电解质、隔膜、端板、引线和封装材料组成，其中电极、电解质和隔膜的组成和质量对超级电容器的性能起着决定性的影响，采用何种电极板和电解质材料将基本决定最终产品的类型与特性。与传统的电化学电池相比，超级电容器有很多好处。它可以无限制地接受无数次放电和充电，超级电容器
