Интерференционные явления в слоистых структурах и их применение в задачах приема сигналов и диагностики неоднородных сред (1097557), страница 22
Текст из файла (страница 22)
В то же самоевремя исследования по взаимодействию излучений с биологическими объектами различнойсложности и в различной физической постановке, позволяют существенным образомпродвигатьсяв этом направлении. Кроме того, получаемые при проведении такихисследований результаты часто могут быть использованы для решения конкретныхпрактических задач диагностики, лечения или направленного изменения свойств (мутации)биологических объектов.Не вдаваясь здесь и в дальнейшем в этом разделе в биологические и медицинскиеподробности полученных результатов, поскольку это не входит в цели настоящего доклада(подробную информацию можно получить из материалов публикаций по этой тематике,приведенных в конце доклада), ограничимся лишь иллюстрацией эффективностииспользования полученных нами результатов и методик анализа распространения ивзаимодействия электромагнитных волн с неоднородными средами, в случаях, когдаобъектами исследования являются биологические объекты различной сложности.Одно из направлений наших исследований было связано с изучением взаимодействияэлектромагнитных излучений ММ-диапазона с кожным покровом, который с одной стороныявляется самым первым препятствием (или проводником) для проникающего в биологическийобъект излучения, а с другой, имея функциональную связь с организмом в целом, можетслужить первичным сигнальным элементом для управления определенными функциямиорганизма или отдельных его структурных составляющих.
И в том и в другом случае, первой,определяющей направление дальнейших исследований, задачей являлось выяснениеособенностей формирования распределения поля электромагнитной волны в кожном покрове,которое по - существу определяет как эффективность и механизмы воздействия излучения наструктурные составляющие последнего, так и проникающие свойства самого излучения.Анализ строения кожного покрова давал все основания для моделирования его слоистойсредой, каждый слой которой характеризуется некоторой комплексной диэлектрическойпроницаемостью. В силу схожести или различия по своим электрофизическимхарактеристикам кожный покров мог быть промоделирован многослойной структурой счислом слоев от двух до семи.
Таким образом, на первом этапе формально задача сводилась кисследованию интерференционных явлений в многослойной структуре с заданными в первомприближении электрофизическими характеристиками и толщиной слоев. Далее нами, по существу, был использован, описанный выше, иерархический подход, в соответствии скоторым, сопоставляя результаты измерений с расчетными, производилось усложнениеисходной модели. В результате проведенных исследований были получены близкие к79реальным картины распределения напряженности СВЧ-поля по слоям кожного покрова,оценен пространственный энерговклад и соответствующая ему картина пространственногораспределения температуры в слоях.
В результате решения уравнения теплопроводности былаустановлена динамика и интенсивность разогрева кожного покрова и критерии теплового(разрушающего и неразрушающего) и не теплового (информационного) воздействия(локальное увеличение температуры не превышает величины 0,10 K) в зависимости отинтенсивности и частоты СВЧ-поля и физического состояния кожного покрова. Былоустановлено, что эффективность этих воздействий определяющим образом зависит как отсостояния кожного покрова, так и от, что наиболее существенно, от характераинтерференционной картины электромагнитного поля в кожном покрове, посколькуинтерференционные явления в многослойной кожной ткани могут быть причиной появлениялокальных “горячих точек”, напряженность поля и температура в которых, могут существеннопревышать средние значения.
Учитывая, что кожный покров пронизан капилярами инервными окончаниями, при определенной пространственной локализации “горячие точки”могут быть причиной нарушения, например, билогических ритмов организма.Исследования биоэффективности воздействия ММ-излучений на растения и животныеорганизмы, проведенные по отработанным методикам и с учетом особенностей формированияраспределения СВЧ-полей, также показали на возможность управления определенными ихбиологическими характеристиками.
Так, например, проведенные исследования установилиусловия, при которых была реализована возможность влиять на скорость вегетативногоразмножения такого высшего растения, как вольфия (используемой в качестве тест - объекта)и насекомого-дрозофилы. Была установлена также возможность и определены условия, прикоторых можно управлять иммуногенными свойствами коклюшного микроба, что можетсущественным образом способствовать созданию противококлюшной вакцины, обладающейстабильно высокой протективной активностью и низкой остаточной токсичностью.Таким образом, проведенные исследования со всей очевидностью показывают нанеобходимость не только учета интерференционных явлений при взаимодействииэлектромагнитных излучений с биологическими объектами, но и на возможностьнаправленного формирования интерференционной картины для целевого воздействия иуправления их состоянием и свойствами.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.Проведенокомплексноетеоретическоеиэкспериментальноеисследованиеинтерференционных явлений и физических закономерностей при распространении ивзаимодействии электромагнитных волн со слоисто–неоднородными средами.
Изучено ипроанализировано влияние электрофизических и структурных параметров слоистых ислоисто-неоднородных сред на их волновые характеристики, определяющие формированиеинтерференционной картины распространяющихся в них электромагнитных волн.Определены условия и получены аналитические соотношения, позволяющие оптимальнымобразом решать задачи приема электромагнитных излучений и диагностики неоднородныхсред:1.
Определены условия, при которых реализуется максимальная крутизна зависимостиволновых характеристик неоднородной среды (коэффициентов отражения, пропускания ипоглощения) от вариации ее электрофизических и структурных параметров. Определено80полное поле локальных экстремумов коэффициента поглощения волновой энергии в среде споглощением.2. Получены аналитические выражения и определены условия обеспечения полногопоглощения волновой энергии в слое с поглощением.
Показано, что реализация полногопоглощения волновой энергии в слое с поглощением возможно лишь при условии егорасположения между средами с различными волновыми характеристиками.3. Предложено для обеспечения полного поглощения волновой энергии вслабопоглощающемслоепроизвольнойтолщиныиспользовать“многослойныйинтерференционный поглотитель” волновой энергии, представляющий собой многослойныеинтерференционные структуры с различным числом слоев, обрамляющие слабопоглощающийслой. Получены аналитические соотношения, позволяющие синтезировать такие структуры сзаданными спектральными характеристиками.4.
На основе явления волноводной дисперсии (зависимости величины импеданса СВЧволновода от длины волны и его размера) предлжен способ обеспечения полного поглощенияволновой СВЧ-энергии в сильноотражающих средах (металлы) с помощью согласующейструктуры с минимально возможным числом слоев (один слой) или минимально возможнойсуммарной волновой толщиной (меньше четвертьволновой).5. Предсказано теоретически существование нового класса не резонансныхмногослойных интерференционных структур - “тонкослойных интерференционных структур”,отличающихся от известных рядом уникальных, присущих только структурам этого класса,волновых и структурных свойств.
Проанализированы и обоснованы физические принципы,позволившие развить теорию анализа и синтеза таких структур.6. Показано существование и определены структурные и волновые критерии“длинноволновой интерференционной границы”, за которой в спектрах отражения ипропусканияпространственно-неоднородныхсредотсутствуютинтерференционныеэкстремумы и среду можно считать сплошной (однородной), характеризуемую эквивалентнымпоказателем преломления. Получены соотношения, позволяющие определять длинноволновуюграницу и эквивалентный показатель преломления для пространственно-неоднородных сред.7. Показано, что для слоев со слабой пространственной неоднородностью показателяпреломленияn(z) в области длинноволновой интерференционной границы, эквивалентнымявляется показатель преломления, равный произведению двух глобальных экстремальныхзначений функцииn(z) ,нормированному на показатель преломления среды, из которойраспространяется волна.8. Обнаруженоиисследованоновоеявлениенестационарногоотраженияэлектромагнитных волн с изменяющейся амплитудой и (или) фазой от интерференционныхпросветляющих структур.
Показана возможность использования этого явления для получениясверхкоротких оптических импульсов, сжатия импульсов и преобразования фазовоймодуляции оптического излучения в амплитудную.9. Предложены новые экспериментальные методики “переменной нагрузки” и “полевогозондирования” для диагностики на СВЧ материалов с однородным и пространственнонеоднородным распределением электрофизических параметров.8110.
Экспериментальноотработана“иерархическая”методикаисследованиядисперсионных свойств и пространственной неоднородности показателя преломления и потерьв тонких диэлектрических пленках в оптическом диапазоне.11. Проведено теоретическое и экспериментальноеисследование и определеныоптимальные условия для кросс-модуляционного широкополосного приема ИК-излучений, всхеме с СВЧ-смещением на внутреннем фотоэффекте в полупроводниках с учетомпространственной и динамической неоднородностей распределения в них фотоносителейзаряда.12.
Теоретически и экспериментально исследована и определены оптимальные условиякросс-модуляционной двухрезонаторной схемы с СВЧ-смещением, для приема ММ-излученийна эффекте “разогрева” носителей заряда в полупроводниках.13. Экспериментально обнаружено, объяснено и изучено новое явление лазернойстимуляции нестационарного поглощения СВЧ-энергии в полупроводниках. Показанавозможность использования этого явления для диагностики электрофизических параметровполупроводников.14. Созданы, экспериментально исследованы и внедрены в промышленность одно идвухволновые ИК-радиометры для контроля и измерения поверхностного распределениятемпературы и структурных изменений твердых тел и температуры быстроистекающихвысокотемпературных газовых потоков.15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
