авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Низкоинтенсивное электромагнитное излучение миллиметрового диапазона воды и водных растворов

На правах рукописи

КОЗЬМИН Алексей Сергеевич

НИЗКОИНТЕНСИВНОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ

ИЗЛУЧЕНИЕ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА

ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ

01.04.04 – физическая электроника

03.01.02 – биофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Волгоград – 2011

Работа выполнена в Институте Радиотехники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, Кислов Владимир Владимирович;

доктор физико-математических наук, профессор Бецкий Олег Владимирович.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Ильин Евгений Михайлович;

доктор физико-математических наук, профессор Гапеев Андрей Брониславович.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Саратовский государст венный технический университет».

Защита диссертации состоится « 24 » ноября 2011 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.05 при Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Лени на, 28 в ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государст венного технического университета.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета _ О.А. Авдеюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Электромагнитное излучение (ЭМИ) мил лиметрового диапазона длин волн является предметом исследования физики и биофизики. Миллиметровый (крайневысокочастотный (КВЧ) диапазон длин волн от 1 до 10 мм или частоты от 30 до 300 ГГц включает длинноволновую часть терагерцового (ТГц или ТГЧ) диапазона. ТГц диапазон охватывает часто ты от 100 ГГц до 10 ТГц (в длинах волн – от 3 мм до 30 мкм), нижняя граница определена частотно-временным ограничением (от 100 ГГц и выше) электрон ных переходов в полупроводниковых структурах, а верхняя – максимальной длиной волны квантовых переходов лазерных структур.

Электромагнитным излучением пронизано все окружающее нас простран ство. Источником слабого ЭМИ являются окружающая среда и биологические объекты. Показано, что живые объекты обладают, во-первых, способностью ге нерировать собственное КВЧ излучение и, во-вторых, сами реагируют на внеш нее КВЧ и ТГц облучение [1].

В ТГц области определен диапазон лечебных частот и средств, используе мых в медицинской практике. Новое перспективное направление в физиотера пии, было названо «терагерцовая (ТГЧ-) терапия».

На протяжении последних лет накоплен большой экспериментальный ма териал, позволивший разделить все эффекты воздействия электромагнитного излучения на живые организмы на два больших класса: тепловые и нетепловые.

Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, нагрев тканей при этом пре вышает величину 0,1 °С, при меньшей мощности - «низкоинтенсивное излуче ние», наблюдается нетепловой эффект.

Процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных по лей, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с эксперимен тальными данными, а эффекты при низкоинтенсивном облучении, остаются слабо изученными.

Биофизические свойства волн ТГц диапазона проявляются при взаимодей ствии с физическими и биологическими средами. Известно, что основной ми шенью при облучении миллиметровым излучением является вода. В работе [2] показано, что предварительно облучённая в КВЧ и ТГЧ диапазонах вода при обретает новые уникальные свойства. Этот эффект получил название «память воды» [3].

При всём многообразии работ, посвященных изучению КВЧ и ТГц излуче ния, до сих пор остаются не раскрытыми характеристики и механизмы действия этого излучения на физико-химические свойства воды и водных растворов. Вы явление эффектов ЭМИ КВЧ и ТГц диапазонов является актуальной задачей физической электроники.

Разработка новых нетрадиционных методов генерации и усиления колеба ний в терагерцовом диапазоне длин волн представляет важную и актуальную задачу для широкого использования этого излучения в различных областях нау ки и техники, в частности, для биофизических исследований. В данной работе изучается один из возможных подходов к решению этой задачи.

Целью работы является изучение электромагнитных свойств воды и жид костей с различными физико-химическими свойствами в КВЧ и ТГЧ диапазо нах на биологически значимых частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

При реализации поставленной цели решены следующие задачи:

создана экспериментальная установка на базе сверхчувствительных уз кополосных радиометров и генераторов ЭМИ;

исследованы собственные электромагнитные излучения воды и водных растворов на частотах 61,2 ГГц;

118 ГГц и 150 ГГц;

исследованы радиофизические эффекты («радиофизический отклик») воды и водных растворов после их облучения на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц;

исследованы времена восстановления («время релаксации») исходного уровня электромагнитного излучения (величины собственного излучения) по сле облучения воды и водных растворов;

исследованы поляризационные эффекты «радиофизического отклика»

дистиллированной воды;



исследованы радиофизические эффекты при внутрижидкостном облуче нии различных жидкостей на частоте 61,2 ГГц;

проведен сравнительный анализ собственного излучения, «радиофизи ческого отклика» и «времени релаксации» исследованных жидкостей на раз личных частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

Научная новизна работы заключается в следующем:

обнаружено новое физическое явление – эффект «долгоживущих» низ коинтенсивных электромагнитных колебаний в КВЧ и ТГЧ диапазонах длин волн воды и водных растворов;

установлено, что после облучения воды и водных растворов на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц интенсивность вынужденного излучения достоверно выше, чем собственное излучение каждой жидкости – эффект «переизлучения»;

установлено, что «время релаксации» различается у исследованных жидкостей и зависит от продолжительности предварительного облучения;

«радиофизический отклик» не связан с тепловым эффектом. Излучение электромагнитных волн исследованных жидкостей определяется межмолеку лярными взаимодействиями воды с растворёнными в ней веществами.

Практическая значимость работы заключается в том, что:

выявленные закономерности излучения дистиллированной воды и вод ных растворов в КВЧ и ТГц диапазонах, позволяют понять результаты биофи зических экспериментов проводимых в ММ-диапазоне длин волн;

зарегистрированные вынужденные излучения («переизлучение») у всех исследованных жидкостей создают основу для использования обнаруженного эффекта с целью создания новых методов и приборов в терагерцовом диапазоне длин волн;

применение сверхчувствительных радиометров открывает новые воз можности для создания методов дистанционного анализа и исследования рас творов и происходящих в них процессов.

Реализация результатов исследования. Работа велась в рамках НИР:

«Исследование физических механизмов взаимодействия низкоинтенсив ных терагерцовых волн с биологическими объектами и разработка рекоменда ций для построения электронных устройств широкого применения» (Шифр «Маятник»), выполняемая на базе Фрязинского филиала Института Радиотех ники и Электроники им. В.А. Котельникова РАН;

«Регистрация радиофизического отклика от воды и водных растворов веществ, имитирующих биологическую ткань, с помощью узкополосных мил лиметровых радиометров», выполняемая по программе фундаментальных ис следований президиума РАН №20 («Создание и совершенствование методов химического анализа и исследования структуры веществ и материалов»), вы полняемая на базе Фрязинского филиала Института Радиотехники и Электро ники им. В.А. Котельникова РАН.

Результаты исследования включены в достижения ИРЭ им. В.А. Котельни кова РАН за 2010 год.

Достоверность результатов исследования обусловлена: адекватностью выбранных методов исследования, необходимым объёмом и статистической обработкой экспериментальных данных, строгой аналитической аргументацией полученных теоретических положений на основе классических физических за конов, сопоставлением экспериментальных и литературных данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Показано, что вода и водные растворы имеют различные собственные излучения на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

2. Обнаружено, увеличение интенсивности электромагнитного излучения (эффект «переизлучения») у всех исследованных жидкостей на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц после облучения на тех же частотах. «Переизлучение» не связано с тепловым эффектом.

3. Обнаружено, наличие различного «времени релаксации» у исследован ных жидкостей на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

4. Обнаружено, что отражение ЭМИ от поверхности исследованных жид костей на частоте 61,2 ГГц составляет 5-10%.

5. Показано, что у облученных жидкостей отсутствует эффект поляризации на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

По области исследования диссертация соответствует специальностям 01.04.04 «Физическая электроника» (пункт 4 – «Физические явления в твердо тельных микро- и наноструктурах, молекулярных структурах и кластерах;

про водящих, полупроводниковых и тонких диэлектрических пленках и покрытиях»

и 03.01.02 «Биофизика» – («биоэнергетика, биофизика сложных систем»).

Апробация результатов. Результаты исследования докладывались: на 14 ом Российском симпозиуме с международным участием «Миллиметровые вол ны в медицине и биологии» (Москва, 2007 г.);

на 17-ом Международной Крым ской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии (Ук раина, 2007 г.);

на конкурсе молодых ученых им. И.В. Анисимкина (Москва, 2008 г.) Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных ра бот, из них две – тезисы докладов на Всероссийских, Международной научно технических конференциях, шесть – статьи, из них четыре в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ. Список работ приведен в конце авторе ферата.





Личный вклад автора. Диссертант полностью выполнил эксперимен тальное исследование в соответствии с задачами, поставленными научным ру ководителем: создал экспериментальную установку, провел многочисленные эксперименты, обработал, провел численные расчеты и проанализировал полу ченные результаты исследований. Основные научные результаты, содержащие ся в диссертации, опубликованы.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора лите ратуры, главы «методы и объекты», двух глав, отражающих собственные экс периментальные исследования и их обсуждение, заключения, списка исполь зуемой литературы. Материалы диссертации изложены на 135 страницах, ил люстрированы 33 рисунками и 9 таблицами. Библиографический список цити руемой литературы содержит 132 источника.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определена науч ная новизна и практическая значимость работы, сформулированы цели исследо вания и положения, выносимые на защиту.

Первая глава является обзором литературы по теме диссертации. В ней приведен анализ диапазонов электромагнитных волн. Перечислены основные физические особенности электромагнитных колебаний ММ-диапазона, которые отличают их от колебаний остальных участков спектра. Рассмотрены различия между волнами КВЧ и ТГЧ диапазонов. Представлены основные физико химические свойства воды. Приведены данные о влиянии ЭМИ на воду. Систе матизированы основные результаты применения волн ММ-диапазона в меди цине, биотехнологии, сельском хозяйстве. Рассмотрены имеющиеся основные механизмы и модели действия ЭМИ КВЧ и ТГЧ диапазонов на живые объекты, воду и водные растворы. Рассмотрены имеющиеся литературные данные об эффектах возникающих при облучении в КВЧ и ТГЧ диапазонах воды и водных растворов. Описаны принципы работы сверхчувствительных радиометров.

Сформулированы задачи, решению которых посвящена данная работа.

Вторая глава посвящена методам и объектам исследования. В ней пред ставлена разработанная схема экспериментальной установки и методика прове дения экспериментов на различных частотах. Перечислены жидкости, исполь зуемые в качестве объектов исследования. Описаны методики расчета и обра ботки полученных результатов.

Для измерения собственного излучения и влияния воздействия гигагерцо вого и терагерцового излучения на воду и водные растворы создана экспери ментальная установка, состоящая из: генератора, радиометра, волновода и чаш ки Петри изготовленной из медицинского полистирола. Схема эксперименталь ной установки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки: 1 – генератор, 2 – чашка Петри с исследуемой жидкостью, 3 – рупор, 4 – радиометр, 5 – блок питания радиометра, 6 – ПК Исследования воды и водных растворов проводились с помощью сверх чувствительных радиометров с фиксированной частотой КВЧ и ТГЧ диапазо нов (НПО «Исток», г. Фрязино). Выбор указанных частот 61,2;

118 и 150 ГГц основан на их широком практическом применении.

В экспериментах для облучения исследуемых жидкостей использовались генераторы: на частоте 61,2 ГГц – генератор миллиметрового излучения с пере страиваемой частотой в диапазоне 5378 ГГц (Г4-142);

на частоте 118 ГГц – ге нератор Г4-142М с измененной лампой (ЛОВ), диапазон перестройки частот 94120 ГГц;

на частоте 150 ГГц – генератор Г4-161 с источником электромаг нитного излучения типа «Гейзер» (ЛОВ-76), диапазон перестройки частот 125160 ГГц. Облучение жидкостей проводилось в режиме непрерывной гене рации с фиксированной частотой. Проведены также эксперименты, в которых облучение проводилось внутри исследуемых жидкостей. Для этих целей ис пользовался мобильный КВЧ генератор - «Аквастим» с аппликатором с фикси рованной частотой – 61,2 ГГц.

Плотность потока мощности излучения всех генераторов составляла ~ 3 мВт на 1 см2.

Время однократного облучения исследуемых жидкостей варьировалось от до 40 минут, а для дистиллированной воды оно составляло от 10 до 90 минут. Ре гистрация излучения жидкостей осуществлялась в течение 1 минуты после оконча ния облучения.

В качестве объектов исследования для измерения радиофизического сиг нала на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц были выбраны дистиллированная вода и биологически значимые жидкости с различными физико-химическими характе ристиками. В частности, водный бидистиллят;

водопроводная вода;

физраствор (0,9% водный раствор NaCl);

1-моль водный раствор KCl;

1-моль раствор моче вины в воде;

96% этиловый спирт;

40% водный раствор этилового спирта – водка;

40% водный раствор этилового спирта с добавлением дигидроквертици на (С15Н12О7) – (ДГК) в концентрации 50 мг/л;

обогащенная кислородом вода – «OxiVital» (содержание кислорода 60 мг/л, минерализация 11 мг/л).

Проведены четыре серии экспериментов, в которых исследовались все указан ные жидкости в КВЧ и ТГЧ диапазонах. В общей сложности проведено более измерений.

Обработка результатов измерений.

Визуализация и обработка экспериментальных данных проводилась с помо щью персонального компьютера и специального программного обеспечения (СПО).

В данных программах по оси абсцисс откладывается время проведения измерений, а по оси ординат напряжением на выходе Усилителя Низкой Часто ты (УНЧ) радиометра в Вольтах. Напряжение на выходе УНЧ в вольтах умно женное на 100 даёт эффективную температуру исследуемого объекта в Кельви нах.

Тэфф (К) = UУНЧ (В) Из величины Тэфф используя формулу Тя = Тэффк [4] можно получить ра диояркостную температуру, где к, — коэффициент отражения по мощности на частоте Из формулы видно, что напряжение на выходе радио метра прямо пропорционально радиояркостной температуре т.е. величине элек тромагнитного излучения исследуемого объекта. В данной работе представле ны относительные величины сигнала радиометра, перевод значения напряже ния на выходе радиометра в радиояркостную температура не производился.

Порядок расчета величины собственного излучения исследуемых жидко стей проводился следующим образом. На первом этапе вычислялось относи тельное значение собственного излучения жидкостей, путем вычитания из ус редненного значения фонового сигнала – «П» и дистиллированной воды – «Д»

средних величин собственного излучения исследуемых жидкостей – «Х».

При изучении влияния внешнего ЭМИ на исследуемую жидкость – «ра диофизический отклик», вычислялась разница (Хоблуч – Х) между максимумом отклонения – «Хоблуч» и контролем – «Х».

Для определения времени возврата излучения жидкостей к исходному уровню («время релаксации»), после окончания однократного облучения про водились многократные измерения интенсивности излучения жидкостей с ин тервалом 1 минута. Таким образом, вычислялись усредненные значения вели чин «времени релаксации» для каждой жидкости по всей совокупности данных.

Из полученных значений величин собственного и вынужденного излуче ния, а также «времени релаксации» исследованных жидкостей составлялся ва риационный ряд, в котором рассчитывались усредненные значения и, используя методы статистической обработки, вычислялся доверительный интервал с ко эффициентом Стьюдента =0,05.

В третьей главе представлены результаты исследования собственного и вынужденного ЭМИ исследованных жидкостей на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц.

3.1 Электромагнитное излучение исследуемых жидкостей на частоте 61,2 ГГц В первой серии экспериментов, проводилось исследование собственного и вынужденного (после предварительного облучения) электромагнитного излу чения воды и указанных жидкостей. Регистрация ЭМИ осуществлялась до и по сле облучения – «радиофизический отклик» (величина эффекта «переизлуче ния») и время восстановления исходного уровня сигнала – «время релаксации»

в КВЧ диапазоне – 61,2 ГГц. В этой серии проведено более 165 измерений.

Установлено, что все исследованные жидкости имеют разное собственное излучение по отношению к фону излучению и к дистиллированной воде. Мак симальное собственное излучение имеет 1-моль раствор KCl, а минимальное имеет 96% этиловый спирт. Физраствор – 0,9% раствор NaCl, 1-моль раствор мочевины и водопроводная вода имеют близкие значения.

В результате исследования влияния предварительного облучения на ука занные жидкости обнаружено, что эффект «переизлучения» наблюдается у всех исследованных жидкостей. «Радиофизический отклик» для ряда жидкостей достоверно отличается, но для некоторых жидкостей, при одинаковом времени облучения, принимает близкие значения. Наибольшее значение «радиофизиче ского отклика» при 15 минутном облучении наблюдалось у воды насыщенной кислородом – «OxiVital», а при 20 40 минутах – у этилового спирта. Мини мальный «радиофизический отклик», на всех временах облучения, наблюдался у водки с добавлением дигидрокверцетина (ДГК) и водки.

Необходимо отметить однотипный характер зависимостей «радиофизиче ского отклика» от времени предварительного облучения у дистиллированной воды, водопроводной воды, растворов NaCl и мочевины. Для растворов NaCl, KCl и мочевины после 15 и 20 минут облучения, а после 30 минут у мочевины и водопроводной воды значения величин «радиофизического отклика» практиче ски совпадают.

Наряду с оценкой «радиофизического отклика», у исследованных жидко стей регистрировалось – «время выхода» или «время релаксации». Обнаружено, что «время релаксации» зависит от времени предварительного облучения для всех исследованных жидкостей. Характерно увеличение «времени релаксации»

по мере увеличения времени предварительного облучения. Наименьшее «время релаксации» в интервале 1540 минутах предварительного облучения имеет этиловый спирт, максимальное – в интервале 1530 минут имеет мочевина, а при 40 – водопроводная вода.

3.2 Электромагнитное излучение исследуемых жидкостей на частоте 118 ГГц Во второй серии экспериментов, проводилось исследование собственного и вынужденного электромагнитного излучения воды и водных растворов до и после облучения в ТГц диапазоне – на частоте 118 ГГц (рисунок 2). Исследо ванные жидкости указанны на рисунках 2;

3 и 4. Доверительный интервал =0,05.

В экспериментах обнаружено существование собственного излучения у всех исследованных жидкостей на частоте 118 ГГц. Собственное излучение жидкостей достоверно отличается по отношению к фону и к дистиллированной воде.

На рисунках 3 и 4 представлены результаты исследований предваритель ного облучения исследованных жидкостей, по оси абсцисс отложено время предварительного облучения (в минутах).

118 ГГц (П-Х) и (Д-Х) 0, min 0, min 0, Uвых УНЧ, В П-Х Д-Х -0, max -0, max -0, Д 0,9% NaCl Мочевина Oxy Vital Спирт Водка Водка + ДГК Водопровод KCl По оси ординат указана величина сигнала на выходе радиометра в Вольтах. Столбцы с диагональными линиями – обозначение сиг нала относительно фона. Столбцы с горизонтальными линиями – обозначение сигнала относительно дистиллированной воды.

Рисунок 2 – Рассчитанные относительные средние значения собственного излучения исследованных жидкостей (П–Х) и (Д–Х) на частоте 118 ГГц 118 ГГц (Хоблуч-Х) 0, Спирт 0, Мочев Водопровод NaCl 0,04 KCl Дистиллят 0, Oxy 0, Uвых УНЧ, В 0, Водка 0, Водка+ДГК 0, 0, 0, tобл = 40 мин tобл = 20 мин tобл = 30 мин tобл = 15 мин Д NaCl Oxy Спирт Водка Водка+ДГК Мочевина Водопровод KCl По оси ординат указана величина «радиофизического отклика» в Вольтах.

Рисунок 3 – Зависимость «радиофизического отклика» исследованных жидко стей от времени предварительного облучения на частоте 118 ГГц Из рисунка 3 видно, что эффект «переизлучения» наблюдается у всех ис следованных жидкостей, при этом «радиофизический отклик» для большинства жидкостей достоверно отличается.

Результаты исследования «времени релаксации» представлены на рисун ке 4. Обнаружено, что «время релаксации» зависит от времени предварительно го облучения для всех исследованных жидкостей. Можно отметить достоверное возрастание «времени релаксации» по мере облучения. Вместе с тем, характер зависимости «времени релаксации» от времени предварительного облучения у ряда исследованных жидкостей достоверно отличается.

118 ГГц tвых Мочевина Водка+ДГК Дистиллят Водка Водопровод Oxy t вых, мин KCl NaCl Спирт tобл = 40 мин tобл = 20 мин tобл = 30 мин tобл = 15 мин Д NaCl Oxy Спирт Водка Водка+ДГК Мочевина Водопровод KCl По оси ординат отложено время возврата излучения жидкости после окончание облучения к исходному уровню («время релаксации») в минутах.

Рисунок 4 – Зависимость «времени релаксации» от времени предварительного облучения исследованных жидкостей на частоте 118 ГГц 3.3 Электромагнитное излучение исследуемых жидкостей на частоте 150 ГГц В третьей серии экспериментов, проводилось исследование собственного и вынужденного электромагнитного излучения жидкостей на частоте 150 ГГц.

Наименования исследованных жидкостей представлены на рисунках 5;

6 и 7.

Доверительный интервал с коэффициентом Стьюдента =0,05.

В результате проведенных экспериментов обнаружено, что у всех исследо ванных жидкостей существует собственное излучение на частоте 150 ГГц, при чем, у разных жидкостей оно достоверно отличается по отношению к фону и дистиллированной воде (рисунок 5).

150 ГГц (П-Х) и (Д-Х) 0, min 0,02 min 0, Uвых УНЧ, В 0 П-Х Д-Х -0, -0, max max -0, Д 0,9% NaCl Мочевина KCl Спирт Водка По оси ординат – сигнал на выходе радиометра в Вольтах.

Столбцы с диагональными линиями – обозначение сигнала от носительно фона. Столбцы с горизонтальными линиями – обо значение сигнала относительно дистиллированной воды.

Рисунок 5 – Рассчитанные относительные средние значения собственного из лучения исследованных жидкостей (П–Х) и (Д–Х) на частоте 150 ГГц На рисунках 6 и 7 представлены результаты влияния предварительного об лучения на различные жидкости, по оси абсцисс отложено время предваритель ного облучения (в минутах).

150 ГГц (Хоблуч-Х) 0, Спирт 0, Мочевина Водка 0, KCl 0,9% NaCl Uвых УНЧ, В 0,04 Дистиллят 0, 0, 0, tобл = 30 мин tобл = 15 мин tобл = 20 мин tобл = 40 мин Дистиллят 0,9% NaCl Спирт KCl Мочевина Водка По оси ординат – указана величина «радиофизического отклика» в Вольтах.

Рисунок 6 – Зависимость «радиофизического отклика» исследованных жидкостей от времени предварительного облучения на частоте 150 ГГц Из рисунка 6 видно, что величина «переизлучения» всегда больше собст венного излучения для всех исследованных жидкостей. Максимальные значе ния величины «радиофизического отклика» у всех исследованных жидкостей наблюдались после более длительного времени облучения.

Результаты измерений «времени релаксации» представлены на рисунке 7.

Обнаружено, что «время релаксации» зависит от времени предварительного облучения для всех исследованных жидкостей. Наибольшее «время релакса ции», у всех исследованных жидкостей наблюдалось после более длительного облучения. Вместе с тем, зависимость «времени релаксации» от времени пред варительного облучения для ряда исследованных жидкостей достоверно отли чается.

150 ГГц tвых Мочевина Водка Дистиллят 0,9% NaCl tвых, мин KCl 15 Спирт tобл = 40 мин tобл = 15 мин tобл = 30 мин tобл = 20 мин Дистиллят 0,9% NaCl Спирт KCl Мочевина Водка По оси ординат отложено «время релаксации» в минутах.

Рисунок 7 – Зависимость «времени релаксации» от времени предварительного облучения исследованных жидкостей на частоте 150 ГГц 3.4 Сравнительный анализ собственного излучения, «радиофизиче ского отклика» и «времени релаксации» исследованных жидкостей на час тотах 61,2;

118 и 150 ГГц Сравнивая результаты относительных (по сравнению с дистиллированной водой) средних значений собственного излучения исследованных жидкостей, полученные на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц установлено, что разные жидкости имеют различную интенсивность собственного излучения. Максимальное соб ственное излучение имеет раствор KCl на частотах 61,2 и 118 ГГц. Этиловый спирт имеет максимальное собственное излучение на частоте 150 ГГц, а водка и водка с добавлением ДГК на частоте 61,2 ГГц.

Некоторые жидкости имеют одинаковое собственное излучение на разных частотах, что характерно для водного раствора KCl на частотах 61,2 и 150 ГГц.

При анализе собственных излучений водопроводной воды и OxiVital на частоте 150 ГГц обнаружены одинаковые значения с дистиллированной водой.

Таким образом, разные жидкости проявляют различное собственное излу чение на разных частотах.

Сравнивая «радиофизический отклик» исследованных жидкостей на часто тах 61,2;

118 и 150 ГГц обнаружено, что разные жидкости имеют различный эффект «переизлучения» на этих частотах. Для большинства исследованных жидкостей максимальный «радиофизический отклик» наблюдался после облу чения на частоте 150 ГГц. Максимальная величина «радиофизического откли ка» на всех частотах наблюдалась у этилового спирта. Минимальное значения «переизлучения» на всех частотах среди всех исследованных жидкостей на блюдалось у водки с содержанием ДГК. Для большинства исследуемых жидко стей обнаружены минимальные значения на частоте 61,2 ГГц.

Максимальные значения «радиофизического отклика» на всех частотах на блюдались после более длительного времени облучения (при 40 минутах). На всех частотах при увеличении продолжительности предварительного облучения возрастала величина «радиофизического отклика». Однако разные жидкости проявляли различный эффект «переизлучения», в зависимости от времени об лучения на разных частотах, т.е. реакция жидкостей носила избирательный ха рактер.

Таким образом, «радиофизический отклик» в динамике отражает частоту, продолжительность предварительного облучения и свойства жидкости.

При сравнении «времени релаксации» исследованных жидкостей после облучения на различных частотах: 61,2;

118 и 150 ГГц обнаружено, что разные жидкости демонстрируют максимальное и минимальное «время релаксации» на различных частотах. Максимальное значение «времени релаксации» обнаруже но у раствора мочевины на частоте 150 ГГц, а минимальное значение – на час тоте 118 ГГц у этилового спирта.

Для всех исследованных жидкостей максимальные значения «времени ре лаксации» наблюдается после более длительного облучения. Минимальные зна чения «времени релаксации» для всех исследованных жидкостей всегда прояв ляется при наименьшем времени предварительного облучения Таким образом, можно видеть, что «время релаксации» зависит от частоты, длительности предварительного облучения и свойств жидкости.

«Радиофизический отклик» и «время релаксации» для исследованных жидкостей находятся в обратной зависимости: чем больше величина «радиофи зического отклика», тем меньше «время релаксации».

3.5 «Радиофизический отклик» и «время релаксации» при внутрижидкостном облучении на частоте 61,2 ГГц В четвертой серии экспериментов, для измерения отраженной мощности ЭМИ от поверхности исследуемых жидкостей, проводилось исследование вы нужденного электромагнитного излучения – «радиофизического отклика» и «времени релаксации» на частоте 61,2 ГГц дистиллированной воды, физраство ра (0,9% NaCl) и 96% этилового спирта при помещении рупора генератора в жидкость.

В результате проведенных экспериментов обнаружено, что после внутри жидкостного облучения исследуемых жидкостей величина «радиофизического отклика» больше на 5 – 10%, чем после внешнего облучения и достоверно воз растает при увеличении продолжительности облучения. Полученные данные показывают, что при внешнем облучении лишь 5-10% мощности отражается от поверхности исследуемых жидкостей.

«Время релаксации» исследованных жидкостей также как и «радиофизиче ский отклик» положительно коррелируют со временем облучения. В отличие от «радиофизического отклика», «время релаксации» исследованных жидкостей практически не меняется при внешнем и внутреннем облучении.

3.6 Контроль теплового эффекта в «радиофизическом отклике» на примере дистиллированной воды Для выяснения роли теплового эффекта в «радиофизическом отклике»

проведены контрольные эксперименты, в которых облучение проводилось на одной из частот – 61,2 или 118 ГГц, а регистрация вынужденного излучения осуществлялась на другой частоте – 118 или 61,2 ГГц, соответственно.

В результате проведенных экспериментов установлена основная законо мерность – облученная дистиллированная вода всегда «переизлучает» на часто те облучения. Это однозначно указывает на то, что обнаруженные нами эффек ты «радиофизического отклика» не связаны с нагревом исследованных жидко стей.

В четвертой главе обсуждаются полученные результаты экспериментов.

В работе впервые проводилось комплексное исследование ЭМИ в милли метровом диапазоне длин волн воды и водных растворов. В результате прове денных исследований установлено существование вынужденного предвари тельным облучением излучения исследованных жидкостей на частотах – 61,2;

118 и 150 ГГц.

Миллиметровый диапазон электромагнитных волн (30 300 ГГц) является информативным диапазоном для исследования веществ в жидкой фазе. Этот диапазон соответствует частотам вращательных и либрационных переходов молекул и поэтому по изменению радиофизических параметров веществ можно определять малые изменения состава и молекулярной структуры растворов.

Особенно информативен этот диапазон для исследования водных растворов ор ганических и неорганических веществ [5].

Особого внимания заслуживает анализ эффекта «переизлучения» – спо собность предварительно облученной жидкости излучать электромагнитные волны в течение некоторого времени после прекращения облучения на частоте обучения, т.е. «памяти воды», которая проявляется после предварительного воз действия на неё КВЧ и ТГц волн. Иными словами, вода «помнит» факт её облуче ния и после выключения генератора выполняет функцию генератора КВЧ и ТГц волн в течение некоторого времени [7]. Это свойство воды и водных растворов получило экспериментальное подтверждение в наших исследованиях.

По нашему мнению, физический механизм формирования «переизлуче ния» воды, связан с сеткой водородных связей. Водородная связь между двумя молекулами воды характеризуется тем, что атом водорода, находящийся между двумя атомами кислорода, может занимать положение либо вблизи одного, ли бо вблизи другого атома кислорода Ох — (1/2)Н … (1/2)Н Оу т.е. протон можно рассматривать как частицу, туннелирующую между двумя потенциаль ными ямами, соответствующими параболическому потенциалу. Если атом во дорода (после поглощения кванта энергии ЭМИ) продолжительное время нахо диться на возбужденном энергетическом уровне, то реализуется эффект «памя ти», при испускании того же кванта (возвращении атома в основное состояние) наблюдается явление которые мы называем «переизлучением». Решение урав нения Шрёдингера для двух потенциальных ям параболического вида Ep=/·exp{-m/4·r2} (Дж), где – собственная частота колебаний про тона в потенциальной яме, m – масса протона позволяет рассчитать частоту пе рехода протона через барьер p = Ep/ (Гц).

В работе [8], приводятся данные моделирования молекулярных водных кластеров, показывающее, что спектр собственных частот этих образований на ходится в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах частот и частота перехода зависит от структуры кластеров воды. Следовательно, можно предпо ложить, что в этих диапазонах имеет место резонансное поглощение электро магнитного излучения данными образованиями. Резонансное взаимодействие излучения с протоном и кластерными структурами вызывает разрушение по следних и последующее их восстановление, что ведет к изменению водородных связей между молекулами воды, а в конечном итоге и в самой молекуле. Этот эффект подтверждает то, что, вода может являться универсальным носителем информации.

Излучение электромагнитных волн водой и водными растворами не только вызвано хаотическим тепловым движением, но и определяется межмолекуляр ными взаимодействиями воды с растворёнными в ней различными веществами.

Это взаимодействие влияет на величину собственного и вынужденного элек тромагнитного излучения жидкостей.

Таким образом, исследования и использование КВЧ и ТГц волн открывают новые широкие перспективы в исследовании и анализе химических веществ и реакций, а также в медицине, биотехнологии, ветеринарии и в сельском хозяй стве.

В заключении диссертации подведены итоги исследования, перечислены полученные результаты и выводы работы.

1. Исследованные жидкости: водный дистиллят;

водопроводная вода;

физ раствор – 0,9% водный раствор NaCl;

1-моль водный раствор KCl;

1-моль рас твор мочевины;

96% этиловый спирт;

40% водный раствор этилового спирта – (водка);

40% водный раствор этилового спирта с добавлением дигидрокверти цина (С15Н12О7) – (ДГК) в концентрации 50 мг/л;

обогащенная кислородом вода – «OxiVital» (содержание кислорода 60 мг/л, минерализация 11 мг/л) имеют собственное тепловое излучение на частотах 61,2;

118 и 150 ГГц. Собственное излучение исследованных жидкостей достоверно отличается.

2. Облученные жидкости «переизлучают»: наблюдается эффект вынуж денного излучения исследованных жидкостей – «радиофизический отклик» на частоте обучения (61,2;

118 и 150 ГГц). Интенсивность «переизлучения» досто верно выше собственного излучения.

3. «Радиофизический отклик» разных жидкостей достоверно отличается и зависит от состава жидкости, частоты и времени предварительного облучения.

«Радиофизический отклик» достоверно возрастает при увеличении продолжи тельности облучения.

4. Время восстановления исходного уровня электромагнитного излуче ния – «время релаксации» исследованных жидкостей зависит от продолжитель ности облучения. Максимальные значения «времени релаксации» наблюдались при наибольшем времени предварительного облучения. Минимальные значе ния «времени релаксации» для всех исследованных жидкостей проявлялись при наименьшем времени предварительного облучения. «Время релаксации» досто верно отличается у различных жидкостей и зависит от частоты и времени пред варительного облучения.

5. «Радиофизический отклик» исследованных жидкостей: дистиллирован ной воды, физраствора и этилового спирта, после внутрижидкостного облуче ния больше на 5 – 10%, чем после внешнего облучения. «Время релаксации» не зависит от способа облучения.

6. «Радиофизический отклик» и «время релаксации» для исследованных жидкостей находятся в обратной зависимости: чем больше величина «радиофи зического отклика», тем меньше «время релаксации».

7. После облучения дистиллированной воды на всех частотах – 61,2;

118 и 150 ГГц отсутствует эффект поляризации.

8. «Радиофизический отклик» не связан с тепловым эффектом. Излучение электромагнитных волн различными жидкостями определяется межмолекуляр ными взаимодействиями воды и с растворёнными в ней различными вещества ми.

9. Выявленные закономерности излучения исследованных жидкостей в КВЧ и ТГЧ диапазонах открывают возможности для создания новых методов и приборов для химического анализа и исследований структуры веществ и мате риалов, для медицины, ветеринарии, сельского хозяйства.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных в ВАК РФ:

1. Бецкий О.В., Козьмин А.С., Яременко Ю.Г. Возможные применения тера герцовых волн // Биомедицинская радиоэлектроника. – 2008. - №3. -С. 48-56.

2. Козьмин А.С. Исследования процессов «переизлучения» водой и водными растворами низкоинтенсивного миллиметрового излучения // Нелинейный мир.

- 2008. - №4. - Т.6. - С. 243-245.

3. Бецкий О.В., Козьмин А.С., Хижняк Е.Е., Хижняк Е.П., Цыганов М.А., Яременко Ю.Г. Роль температурных градиентов и конвективно-диффузионных процессов в механизмах биологических эффектов миллиметровых волн // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2009. - №12. - С. 24-34.

4. Бецкий О.В., Козьмин А.С., Хижняк Е.Е., Хижняк Е.П., Яременко Ю.Г., Роль микроконвекции в тонких пограничных слоях жидких сред в механизмах биологических эффектов миллиметровых излучений нетепловых интенсивно стей // Биомедицинская радиоэлектроника. - 2010. - №5. - С. 34-38.

Статьи и материалы конференций:

1. Козьмин А.С., Яременко Ю.Г. Терагерцовые волны и перспективы их применения // Миллиметровые волны в биологии и медицине. - 2006. - №4(44).

- С. 67-75.

2. Хижняк Е.Е., Козьмин А.С. Влияние процесса испарения на динамику на грева пограничных слоев биологически значимых жидких сред при действии электромагнитных излучений миллиметрового диапазона длин волн // Милли метровые волны в биологии и медицине. - 2009. - №4(56). - С. 14-20.

3. Бецкий О.В., Кислов В.В., Козьмин А.С., Лебедева Н.Н., Будник М.И. и др. Терагерцовые волны и их применение в биологии и медицине // Сборник трудов 14 Российского симпозиума с международным участием «Миллиметро вые волны в медицине и биологии», Москва. - 2007. - С. 85-87.

4. Бецкий О.В., Кислов В.В., Козьмин А.С., Яременко Ю.Г. и др. Терагерцо вые волны и их применение // Сборник трудов 17-ой Международной Крым ской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Ук раина. - 2007. - Т.2. -С. 771-773.

Цитируемая литература:

1. Девятков Н.Д. Использование некоторых достижений электронной тех ники в медицине // Электронная техника, Сер.1. Электроника СВЧ. - 1970. Вып.4. - С. 130-153.

2. Девятков Н.Д., Кислов В.Я., Кислов В.В. и др. Обнаружение эффекта нормализации функционального состояния внутренних органов человека под воздействием активированной миллиметровым излучением воды // Миллимет ровые волны в биологии и медицине. - 1996. - №8. - С. 65-68.

3. Fesenko E. E., Geletyuk V.I, Kasachenko V.N., Chemeris N.K. Preliminary microwave irradiation of water solution changes their channel–modifying activity // FEBS Letters. - 1995. - V. 366. - P. 49-52.

4. Башаринов А.Е., Поляков В.М. и др. Измерение тепловых и плазменных излучателей в СВЧ-диапазоне. М.: Сов. радио, 1968. - 400 с.

5. Девятков Н.Д., Хургин Ю.И., Бецкий О.В. и др. Использование ММ спектроскопии для исследования межмолекулярных взаимодействий в раство рах // Нетепловые эффекты ММ-излучения. М.: ИРЭ АН СССР, 1981. - С. 5 25.

6. Гапочка Л.Д., Гапочка М.Г, Королев А.Ф. и др. Воздействие электромаг нитного излучения КВЧ- и СВЧ-диапазонов на жидкую воду // Вестн. МГУ.

Сер. 3. - 1994. - Т.35. - №4. - С. 71-76.

8. I. P. Buffey, W. Byers Brown, H. A. Gebbie. Icosahedral water clusters // Chem. Phys. Lett. - 1988. - V. 148. N 4. - P. 281-284.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.