CC BY
27
УДК 53.083.92
Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЧ-БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрена электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов (на примере органических и неорганических растворов веществ в дистиллированной воде). Показано, что с поверхности физического объекта можно получать информацию о самом объекте и процессах, происходящих в нем. Информационный сигнал определяется, прежде всего, диэлектрической проницаемостью физического объекта.
Ключевые слова: электродинамическая модель, ВЧ-ближнепольное зондирование, диэлектрическая проницаемость, информационный сигнал.
Диагностика внутреннего состояния различных физических объектов актуальна для микроэлектроники, материаловедения, дефектоскопии, прикладной химии. Одним из наиболее успешных и перспективных методов такой диагностики может стать ВЧ-ближнепольное зондирование.
однако для более глубокого понимания метода и развития его возможностей в прикладных исследованиях необходимо построение относительно простой электродинамической модели, позволяющей качественно и количественно оценивать отклик ВЧ-ближнепольной измерительной системы при взаимодействии ее с исследуемым физическим объектом. По отклику можно судить о внутренней структуре этого объекта и ее изменениях под воздействием различных внешних факторов. Для этого обратимся к результатам экспериментальных исследований различных растворов веществ (органических и неорганических в дистиллированной воде), полученных нами с помощью измерительного комплекса и реализуемого в нем метода ВЧ-ближнепольного зондирования, которые подробно рассмотрены в работе [1].
Эксперимент № 1. Объект исследования — стеклянные ампулы, заполненные одинаковыми по объему различными растворами веществ в дистиллированной воде (табл. 1).
Таблица 1
Номер Исследуемый объект
ампулы
1 Пустая ампула
2 Дистиллированная вода
3 Раствор 5 %
4 Раствор 1 %
17 Гексан
18 Толуол
19 Ацетон
20 Изопропиловый спирт (ИПС)
21 ша
22 N2SO4
23
24 H2SO4
25 Дистиллированная вода
26 Этилацетат
27 Бутанол
28 Бензиловый спирт
29 Диоксан + H2O (0,8/0,2)
30 Диоксан + H2O (0,415/0,585)
Цель исследований — определение путем ВЧ-ближнепольного зондирования уровня информационного сигнала, получаемого от раствора в каждой ампуле, относительно выбранной нормы (опорная ампула № 25, заполненная дистиллированной водой). За уровень информационного сигнала примем относительную частоту ВЧ-генератора. Результаты исследований приведены на рис. 1, с его помощью можно сделать следующие выводы:
— уровни сигналов органических (область „п") и неорганических (область „да") растворов противоположны по отношению к уровню ш0, полученному от дистиллированной воды. Другими словами, возможно, используя ВЧ-ближнепольное зондирование, различать растворы различной природы;
— уровни сигналов определяются концентрацией растворенного вещества на единицу объема растворителя (см. рис. 1 — сигналы от ампул № 3 и 4, 29 и 30).
со1Ь o.e.
1,25
1,2 1,15
1,1
1,05
1
0,95
0,9 0,85
9 20 21
22
25 26 27 28 29 30
№ ампулы
Рис. 1
Эксперимент № 2 является своеобразным продолжением предыдущего исследования. Объект исследования — стеклянные ампулы с органическими жидкостями, представленные Государственным институтом прикладной химии (ГИПХ), причем, по согласованию с сотрудниками ГИПХ, содержание ампул было неизвестным.
Каждая ампула содержала органическое вещество в одинаковой концентрации на единицу объема растворителя (воды), были известны значения диэлектрической проницаемости вещества 8в (табл. 2).
Таблица 2
Номер ампулы £в (по ГОСТ)
1 37,00—40,00 (использовалось значение 37,00)
2 54,95
3 53,33
4 51,02
5 56,17
6 58,16
7 58,88
8 58,68
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2. Цель исследования — установить связь уровня информационного сигнала (цифры со штрихом) со значениями 8В
т
3
4
3
4
п
органических веществ (цифры) при ВЧ-ближнепольном зондировании их растворов. Как видно из рисунка, наблюдается корреляция значений 8 и нормированных значений показаний прибора, а именно: с увеличением значения 8 повышается уровень относительной частоты
прибора.
ю, о.е.
55
50
45
40 1
-0,07
-0,06
Рис. 2
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования. Электродинамическую задачу ВЧ-ближнепольного зондирования будем анализировать исходя из схемы, приведенной на рис. 3.
-эфф
Рис. 3
ВЧ-антенна расположена в однородном верхнем полупространстве (2 > 0) с действительным значением диэлектрической проницаемости 8. Нижним полупространством (2 < 0), которое характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью вещества
8в = 8в - ¿С будем считать исследуемый физический объект (раствор в ампуле). Такая среда будет поглощать энергию электромагнитного поля ВЧ-антенны. Это поглощение описывается законом Бугера [2]
12 = ¡0 ехр(-а7^ (1)
4п « ....
где а = —8в — коэффициент поглощения электромагнитного поля веществом на единицу X
длины. При оценке коэффициента а и глубины проникновения электромагнитного поля ВЧ-антенны в вещество для нашей модели наиболее важным является определение природы этого поглощения — является оно резонансным или нерезонансным.
Б
в
Нерезонансное поглощение определяется потерями энергии электромагнитного поля при его взаимодействии со свободными зарядами в веществе, концентрация которых определяет
тт **
проводимость последнего ов. Для этого случая вв , а значит и а, определяются как
вв , а = ---^. (2)
-вв К -вв
Резонансное поглощение характеризуется энергетическими потерями поля при взаимодействии его со связанными зарядами в веществе (дипольными моментами атомов и молекул). В этом случае 8в и вв* определяются через дисперсионные соотношения Крамерса-
Кронинга [2] как 8 (ю) и вв* (-) .
Обратимся теперь к параметрам ВЧ-антенны из работы [1]. Излучение антенны в воздухе (при отстройке) происходит на частоте / = 4-106 Гц, что соответствует длине волны X = 75 м. Отношение диаметра антенны Б = 25 мм к длине волны получается менее 0,0001. Для таких параметров антенны резонансное поглощение в воде и водных растворах можно не учитывать.
Что касается нерезонансного поглощения, то этот процесс характеризуется эффективной глубиной проникновения ёэфф (рис. 3) электромагнитного поля в вещество, которую можно определить из формулы (1) как:
а1 ^ а^эфф = 1 ^ dэфф = —. (3)
а
Ниже приведены значения а дистиллированной воды 9 %-ного раствора №С1 для электромагнитного поля с частотой, равной единицам мегагерц (соизмеримой с частотой ВЧ-антенны), взятые из работы [3], и значения ^эфф (данные по ^н2о и о^а из работы [3] —
усредненные).
°н20= (10-4— 10-5)См- м-1 ^ а = 4,7-10-2м-1 ^ =2,1102 м.
о^а = (2,6—3,3) См-м-1 ^ а = 1,41-104 м-1^ ёэфф =7-10-5 м.
Как видно из этих соотношений, значения глубины проникновения электромагнитного поля в растворы (кроме дистиллированной воды) позволяют рассматривать ВЧ-зондирование как поверхностное, в отличие от метода СВЧ-зондирования с частотой электромагнитного поля в сотни мегагерц, при котором проникновение поля в вещество может достигать единиц-десятков сантиметров [4].
Таким образом, в нашей задаче физический объект (растворы) рассматривается как вещество с характерным значением ^эфф, обладающее диэлектрической проницаемостью 8в и проводимостью ов, определяющими особенности процесса нерезонансного поглощения в этом веществе. Такую модель можно использовать не только для растворов. Это обстоятельство и определяет основную специфику рассматриваемой электродинамической модели, а именно: поглощающая среда в ближней зоне ВЧ-антенны существенно влияет на квазистационарную компоненту поля этой антенны и, как следствие — приводит к изменению комплексного сопротивления (импеданса) ВЧ-антенны, а значит и частоты ВЧ-генератора, частью колебательной системы которого она является. В результате этого влияния формируется информационный сигнал, соответствующий изменению частоты 5ю генератора в область „т" или „и" (см. рис. 1) относительно уровня опорной частоты, полученной от ампулы с дистиллированной водой ю0 = 2п/0. Для веществ, которые являются диамагнетиками либо парамагнетиками (к ним можно отнести исследуемые растворы), 5ю генератора будет определяться через соотношение:
с- 5С
5ю = --ш0, (4)
Сэфф
где 5С — изменение емкостной составляющей импеданса антенны, Сэфф — эффективная емкость ВЧ-антенны, которая отлична от емкости этой антенны в воздухе С0 [4]:
Сэфф = —-. (5)
Все вышеизложенное позволяет качественно объяснить результаты исследования физических объектов с помощью метода ВЧ-ближнепольного зондирования.
На рис. 1 для области сигналов „т" (неорганические растворы) в предположении, что 5ю = (ют - ю0) > 0, получим, воспользовавшись формулой (4):
5ю = Ю0 Ст - С° > 0 (6)
С0
С помощью формул (2), (3) и (5) выражение (6) можно преобразовать в неравенство, определяющее уровни сигналов от неорганических растворов.
8тСт > 8'000, (7)
где 8т и от — соответственно диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость исследуемого вещества, а 8'0 и о0 — дистиллированной воды.
Для области „п" аналогичным образом получим неравенство для органических растворов:
8иО п < 8'000. (8)
Оценим условия (7) и (8) на примере конкретных растворов. Раствор №С1 (ампулы № 3 и 4)
Б ша =8т = 5,9; От = 3 С-мм-1, бН,0 = 8'0 = 75,9; О0 =10-4—10-5 С-мм-1.
Очевидно, что эти данные обеспечивают выполнение неравенства (7), которое определяет условие формирования отношения уровня сигнала ВЧ-антенны от неорганических растворов к уровню дистиллированной воды.
Если обратиться к органическим растворам, то в качестве примера была рассмотрена ампула №19 с раствором ацетона:
Ба =8п = 20,74; оп = 10-9 С-мм-1,
бН,0 = 8'0 = 75,9; 00 =10-4—10-5 С-мм-1.
Эти значения подтверждают справедливость условия (8) при формировании уровней сигналов от органических растворов.
Заключение. Рассмотренная на примере водных растворов количественная электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования подтверждает гипотезу о том, что достоверную информацию о веществе и процессах, происходящих в нем под воздействием различных факторов, можно получить с поверхности вещества, основываясь на уровне информационного сигнала, который связан со значениями диэлектрической проницаемости и проводимости этого вещества и их изменениями при наличии внешнего воздействия.
список литературы
1. Балошин Ю. А. и др. Метод диагностики функциональной активности тканей и органов биообъектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 3. С. 37—43.
2. БорнМ., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 865 с.
3. Самойлов В. О. Медицинская биофизика. СПб: Спец. лит., 2007. 560 с.
4. Кинг Р. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984. 824 с.
Юрий Александрович Балошин
Анатолий Александрович Сорокин —
Александр Николаевич Волченко
Сведения об авторах
д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики
канд. техн. наук, доцент; Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова, кафедра радиоэлектронных систем управления, Санкт-Петербург; E-mail: an_sor@mail.ru
аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра физики; E-mail: wolf2684@mail.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 22.06.11 г.
