CC BY
74
ИНИЦИИРОВАНИЕ СВЕЧЕНИЯ ВЛАЖНОГО ВОЗДУХА УФ-ФОТОНАМИ
B. Л. ВОЕЙКОВ, МГУ,
C.Ф. ЧАЛКИН, РКА, P.P. АСФАРАМОВ, МГУ
При изучении особенностей работы нового детектора одиночных фотонов [1], предназначенного для одновременной регистрации фотонов отдельно в видимой и УФ-областях спектра, нами была обнаружена существенная зависимость скорости счета фотонов (ССФ) от влажности воздуха в камере. Прибор оснащен двумя ФЭУ: ФЭУ-142, предназначенного для регистрации фотонов в УФ- и вакуумной УФ-областях спектра (УФ-ФЭУ), и ФЭУ-101, предназначенного для регистрации фотонов в видимой области (Вид-ФЭУ). Было обнаружено, что так называемый «темновой ток» УФ-ФЭУ (скорость счета импульсов в отсутствие в камере прибора, излучающего фотоны объекта) существенно возрастает с ростом влажности в камере воздуха. Кроме того, при наличии оптического контакта между двумя ФЭУ скорость счета фотонов Вид-ФЭУ также возрастает при работе УФ-ФЭУ, причем интенсивность роста зависит от влажности воздуха в помещении.
Целью настоящей работы было выяснение природы нового явления - сверхслабого свечения влажного воздуха, возникающего при работе УФ-ФЭУ.
Материалы и методы
На рис. 1 представлена блок-схема прибора «Биотоке 7с». Прибор оснащен двумя фотоэлектронными умножителями -ФЭУ-101, максимально чувствительным в области 380-490 нм и практически нечувствительным к фотонам с Я < 300 нм, и ФЭУ-142, предназначенным для исследований в вакуумной ультрафиолетовой (до Я = 112 нм) и ультрафиолетовой областям спектра. Мак-
симальная спектральная чувствительность 10 %) ФЭУ-142 лежит в диапазоне 200-250 нм, а чувствительность к фотонам с Л > 400 нм менее 0,1 %. Окна ФЭУ направлены друг на друга и расположены на расстоянии 5 см. Окно ФЭУ-101 выполнено из стекла (пропускание Л > 320 нм), а ФЭУ-142 - из М^2 (пропускание Л > 110 нм). Диаметр окон обоих ФЭУ равен 1 см. Рабочее напряжение на ФЭУ-142 составляло 1700 в (допустимое напряжение - до 2200 в), а на ФЭУ-101 - 800 в (допустимое напряжение - до 880 в). Фотокатоды обоих ФЭУ заземлены.
Камера для образцов представляет собой выполненную из дюралюминия цилиндрическую гильзу с двумя отверстиями на противоположных стенках. В режиме регистрации излучения от образца, помещенного во внутреннюю полость гильзы, она повернута отверстиями к окнам ФЭУ; для смены образца гильзу поворачивают на 90° так, что окна ФЭУ закрываются сплошной стенкой гильзы для предотвращения их засветки. Поворот гильзы осуществляется вращением светонепроницаемой крышки камеры для образцов.
Влажность и температуру воздуха в камере для образцов измеряли с помощью комбинированного зонда, присоединенного к сетевому микропроцессору ИВТМ-7 МК-С (ОАО «Практик-НЦ», Москва, Зеленоград). Зонд был встроен в крышку камеры. В ней также имелись отверстия для шлангов для продувания камеры газами, которые либо предварительно осушали пропусканием через колонну, заполненную сухим силикаге-лем, либо увлажняли при пропускании сквозь заполненную водой емкость. В ряде
экспериментов на дно камеры вне поля видимости ФЭУ устанавливали емкость с дистиллированной водой. В качестве газов использовали лабораторный воздух, баллонные газы: азот, аргон или гелий (категории не ниже «высокой чистоты») по отдельности или в смеси с лабораторным воздухом.
Результаты
Как видно из рис. 2, при включении УФ-ФЭУ скорость счета фотонов Вид-ФЭУ возрастает более, чем в 3 раза, по сравнению с таковой до включения УФ-ФЭУ, при влажности воздуха в камере около 20 %.
Рис. 1. Блок-схема прибора «Биотоке 7с» (масштаб не соблюден)
Рис. 2. Влияние УФ-ФЭУ на показания Вид-ФЭУ в зависимости от влажности воздуха в камере для образцов при наличии между ними оптического контакта. Абсцисса - время с начала эксперимента (сек), левая ордината - скорость счета фотонов (имп./сек), правая ордината - влажность ( %)
Рис. 3. Влияние повышения влажности воздуха в камере, в которую обращены окна Вид-ФЭУ и УФ-ФЭУ на скорость счета фотонов в видимой и УФ-областях спектра - левая ордината и на отношение ССФ в УФ- и видимой областях спектра - вторая правая ордината
Рис. 4. Влияние на скорость счета фотонов последовательной продувки камеры влажным воздухом, обогащенным аргоном (сектора № 1) и влажным воздухом (сектора № 2). Сектор № 0 - камера продувалась сухим воздухом, толстая стрелка в первом секторе № 1 - увеличение скорости продувки камеры
При снижении влажности воздуха в камере (пропускание сухого воздуха) наблюдается одновременное уменьшение скорости счета фотонов как Вид-ФЭУ, так и УФ-ФЭУ, причем скорость счета фотонов УФ-ФЭУ снижалась быстрее. При выключении тока сухого воздуха (отсчет времени
1500 сек), когда в камеру начал диффундировать более влажный лабораторный воздух, счет фотонов обоими ФЭУ начинает возрастать (рис. 2).
При пропускании через камеру воздуха со 100 %-й влажностью показания обоих ФЭУ при наличии контакта между ними
возрастают с увеличением влажности. При этом ССФ Вид-ФЭУ возрастает быстрее, чем ССФ УФ-ФЭУ, и многократно превышает последнюю. При влажности воздуха свыше 50 % ССФ Вид-ФЭУ приобретает ярко выраженный колебательный характер (рис. 2).
При длительной регистрации ССФ во влажной камере колебательный режим ССФ сохраняется в течение многих часов, причем наблюдаются как периоды высоко регулярных вспышек излучения, так и хаотические вариации ССФ.
При увеличении концентрации во влажном воздухе инертных газов (гелия, аргона) ССФ обоими ФЭУ возрастает, но скорость счета УФ-фотонов возрастает особенно резко и превышает таковую при продувке камеры обычным влажным воздухом (рис. 4).
При выключенном УФ-ФЭУ влияния влажности воздуха на показания Вид-ФЭУ зарегистрировано не было. Это видно из графика на рис. 5. В этом опыте на дно просушенной камеры устанавливали сосуд с водой и в течение длительного времени, когда влажность воздуха увеличивалась за счет испарения воды, регистрировали ССФ Вид-ФЭУ при выключенном УФ-ФЭУ. Как видно из этого рисунка, на фоне установивше-
гося в камере примерно стационарного уровня влажности воздуха около 62 % сразу после включения УФ-ФЭУ наблюдается резкий скачок ССФ Вид-ФЭУ, сопровождаемый интенсивными колебаниями ССФ как Вид-ФЭУ, так и УФ-ФЭУ. Включение УФ-ФЭУ сопровождается еще двумя интересными явлениями. Во-первых, сразу наблюдается постепенный рост температуры (почти на 2 градуса за последующие 3 часа), а также рост стационарного уровня влажности, по-видимому, связанный с повышением температуры.
Следует отметить, что на первом этапе эксперимента, когда работал только Вид-ФЭУ, температура в камере несколько снижалась, что было обусловлено, по-видимому, затратами энергии на испарение воды. Учитывая, что камера выполнена из металла и не теплоизолирована, столь сильное повышение температуры воздуха при включении УФ-ФЭУ свидетельствует о значительном освобождении энергии в ходе процессов, протекающих в воздухе при работе этого прибора.
Помимо приведенных выше данных следует указать и на ряд других феноменов, которые наблюдались при роботе УФ-ФЭУ.
Рис. 5. Отсутствие влияния влажности на показания Вид-ФЭУ при выключенном УФ-ФЭУ (до отметки времени 21600 сек.). Влияние работы УФ-ФЭУ на температуру и влажность воздуха в камере. Все графики представлены после их сглаживания по 60 точкам
Так, ССФ в УФ-области спектра значительно увеличивалась, если перед окном УФ-ФЭУ на расстоянии не более 1 см было установлено зеркало.
Как отмечалось, при работе обоих ФЭУ наблюдалось развитие колебательных режимов ССФ. При длительной регистрации ССФ в условиях постепенного нарастания влажности воздуха в камере (подобно условиям, при которых проводился эксперимент, иллюстрированный рис. 5) нередко колебания ССФ Вид-ФЭУ выходили на режим строго упорядоченных колебаний.
Чрезвычайно интенсивные колебания ССФ УФ-ФЭУ наблюдались при значительном обогащении влажного воздуха в камере гелием. Амплитуды таких колебаний достигала сотен тысяч импульсов за 1 сек, а колебания совершались с периодичностью в несколько секунд.
Обсуждение
Таким образом, при работе с детектором одиночных фотонов одновременно в видимой и УФ-областях спектра и оснащенном двумя ФЭУ с разной спектральной чувствительностью было обнаружено два основных эффекта, зависящих от влажности воздуха, заполняющего пространство между двумя ФЭУ. Во-первых, при наличии оптического контакта между окнами Вид-ФЭУ и УФ-ФЭУ при включении последнего повышалась скорость счета фотонов в видимой области спектра.
Во-вторых, влажность воздуха оказывала влияние на скорость счета фотонов УФ-ФЭУ и стабильность его показаний вне зависимости от наличия его контакта с Вид-ФЭУ. При минимальной влажности воздуха первый эффект был слабо выражен, а второй практически отсутствовал, и степень выраженности обоих эффектов возрастала с увеличением влажности воздуха. В доступной нам литературе сведений о таких явлениях обнаружить не удалось.
Обнаруженные эффекты не могут быть объяснены наводками в электронных схемах, влиянием влажности воздуха на работу электронных схем и другими артефак-
тами. Объяснение им следует искать исходя из того, что УФ-ФЭУ, находящийся под рабочим напряжением, воздействует на газовую фазу, с которой контактирует его окно. В то же время, поскольку показания Вид-ФЭУ при отсутствии его оптического контакта с включенным УФ-ФЭУ не зависят от влажности воздуха, его можно рассматривать как пассивный регистратор событий, происходящих в газовой фазе.
Для выяснения механизмов обнаруженных эффектов следует рассмотреть некоторые общие свойства фотоэлектронных умножителей, особенности конструкции ФЭУ-142 и проанализировать явления, при которых возможно возникновение сверхслабого излучения в наших экспериментальных условиях.
1. Известно, что в фотоумножителях за счет электронных ударов фотоэлектронами, разогнанными в электрическом поле до энергий, превышающих 100 эВ, возникает люминесценция остаточных газов и поверхности динодов. В спектре люминесценции представлены УФ-фотоны с энергией в несколько электрон-вольт, часть которых может направляться и в сторону фотокатода.
2. Контактирующее с воздухом окно ФЭУ-142 выполнено из кристалла М§Б2, который прозрачен вплоть до 110 нм и не является препятствием для фотонов, возникающих при работе ФЭУ. М§Б2 гигроскопичен, и при контакте с влажным воздухом на поверхности окна ФЭУ-142 образуется водяная пленка. Если поверхность, на которой сорбируется вода, представляет собой мозаику из частично положительных и частично отрицательных зарядов, то адсорбированная ею вода упорядочена. Поскольку молекулы воды представляет собой диполи, то в первом адсорбционном слое каждая молекула воды окружена со всех четырех сторон молекулами, дипольные моменты которых направлены относительно нее антипарал-лельно. На этом слое адсорбируется новый слой воды, который, в свою очередь, адсорбирует следующий и т.д. [4]. В результате поверхность может удерживать многие тысячи прилежащих друг к другу поляризо-
ванных монослоев воды [5, 6], и эта трехмерная вода отлична как от обычной жидкой воды, так и ото льда. Весьма вероятно, что водяная пленка на поверхности полированного кристалла М§Б2 также хотя бы частично многослойна и поляризована. Высокоэнергетические фотоны, возникшие при работе УФ-ФЭУ, неизбежно встречают ее на своем пути.
3. Под действием коротковолновой радиации 100 < Л < 190 нм (12,3-6,5 эВ) молекулы воды, как известно, диссоциируют на атом водорода и гидроксильный радикал (Н-О-Н ^ Н* + *ОН). Недавно выполненные расчеты свидетельствуют, что микрокапли и кристаллы чистой воды эффективно поглощают ультрафиолет с еще более низкой энергией - до 4 эВ (5), что также может сопровождаться гомолитичной диссоциацией молекул воды.
4. Повышение ССФ в УФ-области спектра с возрастанием влажности воздуха в камере указывает, что в пленке воды развиваются процессы, при которых освобождается энергия в форме электронного возбуждения, что характерно для разветвленно-цепных реакций с участием кислорода. Если в пленке, поглотившей УФ-фотон, возникают свободные радикалы Н* и *ОН, они могут реагировать с кислородом с образованием перекисных радикалов, обеспечивающих рост и разветвление цепей. Вклад в развитие цепных процессов может вносить и недавно обнаруженная реакция окисления воды электронно-возбужденным (синглетным) кислородом до перекиси водорода с образованием малоустойчивых более высоких перекисей (НОООН, НООООН, НООНООО), которые могут порождать новые активные центры. Эту реакцию катализирует определенным образом организованная вода [7]. К тому же, если активные центры возникают в организованной среде, то освобождающаяся в ходе их реакций энергия электронного возбуждения может в ней накапливаться и даже «складываться» до более высоких уровней, соответствующих УФ-области спектра, что способствует возникновению новых активных центров.
Указанные выше особенности работы ФЭУ, в частности, ФЭУ-142, свойства раз-ветвленно-цепных процессов с участием кислорода позволяют с единых позиций объяснить все результаты, полученные при анализе влияния влажности воздуха на ССФ УФ-ФЭУ. В частности, возникновение колебательных режимов излучения может объясняться тем, что при высокой влажности воздуха толщина пленки достигает таких размеров, что инициированные в ней окислительные процессы сопровождаются столь интенсивным освобождением энергии, что пленка разрушается. Процесс затухает до формирования новой пленки.
Распространение возбуждения от тонкой пленки воды, адсорбированной на окне УФ-ФЭУ на расстоянии 5 см и, к тому же, с усилением является новым и неожиданным наблюдением, говорящим, что во влажном воздухе в мягких условиях может быть инициировано образование и размножение активных центров, протекание окислительных реакций разветвленно-цепного типа с участием кислорода. Возникновение колебательных режимов счета фотонов Вид-ФЭУ может быть обусловлено волнообразным переносом возбуждения по влажному воздуху, подобным тому, что наблюдается в реакциях Белоусова-Жаботинского в конденсированных фазах.
Весьма вероятно, что такие процессы реализуются во многих природных системах, где существуют упорядоченные пленки воды. В неживой природе к таким системам могут относиться водяные кластеры и микрочастицы льда, находящиеся в верхних слоях атмосферы, на которые воздействует космическая радиация. Не они ли лежат в основе полярных сияний? В пленках воды на гигроскопичных кристаллах сходные процессы возбуждает распад природных радио-
Т/-40 тт
изотопов, например, К . Не с этим ли связан терапевтический эффект спелеотерапии? В живой природе это явление может быть распространено еще в большей степени. Значительная часть клеточной воды, воды на поверхностях раздела клетка-среда, поверхностях раздела живая ткань-воздух структури-
рована и многослойна [8], а кванты энергии, достаточные для расщепления молекул воды, регулярно генерируется в ходе метаболических процессов в виде так называемого митогенетического излучения [2].
Указанное явление может обеспечивать организованное распространение возбуждения от локальных источников на значительные расстояния как в жидкой среде организма, так и в окружающей его среде, внося свой вклад в энерго-информационную целостность живых систем.
Библиографический список
1. Воейков В.Л., Чалкин С.Ф. Способ газового анализа и газоанализатор для его осуществления. Патент РФ на изобретение № 2235311, зарегистрирован 27 августа 2004 г.
2. Гурвич А.Г., Гурвич Л. Д. Митогенетическое излучение, физико-химические основы и приложения в биологии и медицине. - М.: Медгиз, 1945.
3. Новаковская Ю.В. Ультрафиолетовое излучение и роль воды в озоновом слое земли // Ломоносовские чтения.- М.: МГУ, хим. фак., 2002.
4. Ling G.N. A new theoretical foundation for the polarized-oriented multilayer theory of cell water and for inanimate systems demonstrating longrange dynamic structuring of water molecules // Physiol. Chem. Phys. & Med. NMR. 2003. 35. P. 91-130.
5. Pashley R.M., Kitchener J.A. Surface forces in adsorbed multilayers of water on quartz // J.Colloid and Interface Sci. - 1979. - 71. - P. 4910-500.
6. Fisher J.R, Gamble R.A., Middlchurer J. The Kelvin equation and the condensation of water // Nature. 1981. 290. P. 575-576.
7. Xu X., Muller R.P., Goddard W.A. 3rd. The gas phase reaction of singlet dioxygen with water: a water-catalyzed mechanism // Proc Natl Acad Sci USA. 2002. 99. P. 3376-3381.
8. Pollack G.H. Cells, gels and the engines of life. A new unifying approach to cell function // Ebner & Sons, Seattle, WA, USA. 2001. 320 pp.
