CC BY
23
СВЧ-диагностика влияния физических воздействий на электромагнитные характеристики воды
A.A. Барзов1, А. Л. Галиновский1, H.H. Сысоев1, А. Э. Постельга2, А. Д. Усанов2,0, Д. А. Усанов2, A.B. Хахалин1
1 Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет,
Центр гидрофизических исследований. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
2 Саратовский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского, кафедра физики
твердого тела. Россия, 410012, Саратов, ул. Астраханская, д. 83.
E-mail: а [email protected]
Статья поступила 19.01.2012, подписана в печать 16.02.2012.
Количественно определены изменения характеристик воды, предварительно подверженной ударным нагрузкам, при воздействии на нее переменного магнитного поля, а именно диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, с использованием СВЧ-системы, допускающей решение обратной задачи. Приведены результаты измерений оптического спектра воды в режиме «на пропускание», подверженной ударной нагрузке, в сравнении с оптическим спектром дистиллированной воды.
Ключевые слова: ударные нагрузки, диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь, вода, магнитное поле.
УДК: 537.636:537.226.86. PACS: 41.20.Jb.
Введение
Известно, что в результате энергетического воздействия на различные жидкости, в частности воду, происходит изменение их характеристик, связанных с молекулярной структурой исследуемой гидросреды. Представляет интерес изучение изменений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь, которые интегрально позволяют оценить вариативность электромагнитных и иных свойств изучаемого объекта, подвергнутого энергетическому воздействию той или иной физической природы.
В связи с этим в настоящей работе исследуется влияние на данные характеристики воды двух разнородных видов физического воздействия:
1) ударного взаимодействия сверхскоростной ультраструи воды, имеющей плотность потока мощности ~ 1 МВт/мм2, с твердотельной (алмазной) мишенью;
2) относительно энергетически слабого — переменного низкочастотного (3—10 Гц) магнитного поля.
Кроме этого рассмотрено изменение диэлектрических характеристик воды, подвергнутой ультраструйному воздействию, к последующему влиянию переменного магнитного поля.
Ранее было установлено, что первый гидромеханический тип воздействия — ультраструйная обработка воды существенно изменяет ее физико-химические, биологические и другие свойства [1, 2].
Результаты второго, магнитного воздействия на свойства воды рассматривались в работах [3-5]. В частности сообщалось об обнаружении влияния переменного низкочастотного (3-10 Гц) магнитного поля на частоту сердечных сокращений дафнии — водяного рачка, используемого в качестве биоиндикатора. Было сделано предположение, что это связано с влиянием переменного магнитного поля на физические характеристики воды.
В качестве эффективного способа определения изменений характеристик воды при данных типах физического воздействия на нее использовался волновод-ный метод измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь. В работе [6] в результате использования волноводного метода измерений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь было показано, что воздействие переменного низкочастотного магнитного поля приводит к уменьшению диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь воды, при этом изменение свойств воды до некоторого устойчивого состояния происходит в течение определенного времени после начала воздействия магнитного поля. После прекращения воздействия магнитного поля эти величины через некоторый период времени возвращалась в исходное состояние.
Целью настоящей работы явилось количественное определение изменений диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь воды, предварительно подверженной ультраструйным ударным нагрузкам, а также воздействию на нее переменного магнитного поля.
1. Теоретический анализ комплексного коэффициента отражения
При теоретическом анализе рассматривалось распространение ТЕю(Ню) волны в волноводе и ее отражение от слоя воды III, ограниченного диэлектрической вставкой II (рис. 1). Измеряемая структура состояла из слоя диэлектрика толщиной Ь с диэлектрической проницаемостью и полубесконечного слоя воды с диэлектрической проницаемостью ет.
Выражение для комплексного коэффициента отражения электромагнитной волны от полубесконечного слоя воды в волноводе, ограниченного диэлектрической
16 ВМУ. Физика. Астрономия. М 3
Рис. 1. Схема установки: / — генератор качающейся частоты Р2-65; 2 — индикатор Я2Р-67 КСВН и ослабления; 3 — измеряемая структура; 4, 5 — направленные ответвители; 6 — источник переменного магнитного поля; I — незаполненная область волновода, II - диэлектрическая вставка толщиной L, III — полубесконечный слой воды
вставкой, может быть представлено в виде [5]
exp(27rfL)(7rf - 70) (7 + + (70 + 7rf)(7 - 7rf)
R* =
s = ^[ßtheor(/;. Ctt„ tgi) - Äexp(/;)]2,
(2)
Решение обратной задачи состоит в том, чтобы найти такие значения искомых параметров, при которых сумма 5 будет иметь наименьшее значение. В точке минимума суммы 5 ее частные производные равны нулю. После дифференцирования 5 по параметрам сш и ¡5 и приравнивания к нулю частных производных дБ/де^ и дБ/д^ 5 в точке минимума получаем систему двух уравнений
dS
д_ = 2 [ßtheor (/;. tg 5) - йехр(//)] X ¿^Шеог(/м Ею.
tgi)
de<,
= 0,
os
dig 5
= 2 ^[йШеог(/м сш, tgi) - Äexp(/;)] X
(3)
;=i
tgi) n
x atg5
• ехр(27(/1)(7</ + 7)(70 + 7^) + (70 - 7^)(7 - 1л)' _ (1)
где 7 = у^^¡т — ш2е%соЦо — постоянная распространения электромагнитной волны в волноводе, заполненном водой, с* = сш( 1 — / — комплексная диэлектрическая постоянная, сш — диэлектрическая проницаемость, тангенс угла диэлектрических потерь воды, 70 — постоянная распространения в пустой части волновода, 7^ — постоянная распространения волны в отрезке волновода с диэлектриком, а — размер широкой стенки волновода, со и д - электрическая и магнитная проницаемости вакуума.
2. Методика проведения СВЧ-диагностирования
Эксперимент проводился на установке, схема которой представлена на рис. 1, в диапазоне частот от 26 до 37.5 ГГц.
В качестве источника переменного магнитного поля на частотах от 3 до 20 Гц источником поля использовался вращающийся диск диаметром 25 см, на котором радиально были прикреплены чередующиеся по полярности постоянные магниты с осью намагничивания, перпендикулярной плоскости диска. Амплитуда переменного магнитного поля В внутри камеры вблизи ее дна составляла 30 мТл.
Возможность теоретического описания зависимости коэффициента отражения йшеог от частоты СВЧ-из-лучения / и измерения этой зависимости позволяет решить так называемую обратную задачу: определить параметры воды по этим зависимостям.
3. Решение обратной задачи по результатам измерений
Для решения обратной задачи была измерена зависимость коэффициента отражения $(/) от частоты СВЧ-излучения / и рассчитывалась сумма квадратов отклонений экспериментальных значений коэффициента отражения Яехр(/) от теоретических йшеог(/) [6]:
;=1
где си, а tg 5 — искомые параметры обратной задачи.
где Яшоог(/мсш< 5) находится из выражения (1). Из решения системы уравнений (3) определяются две искомые величины сш и
4. Результаты исследований и их обсуждение
В расчетах задавались следующие параметры диэлектрической вставки: толщина 20 мм, диэлектрическая проницаемость с =2.1. Диэлектрик именно с такими параметрами использовался в эксперименте.
На рис. 2 представлены результаты определения по описанной выше методике зависимости диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь контрольного и опытного образцов воды от времени воздействия переменного магнитного поля частотой 10 Гц и амплитудой 30 мТл. Из приведенных на этом рисунке результатов видно, что с момента включения поля (/ = 0) с указанными выше параметрами в течение 70 мин наблюдалось уменьшение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь воды. Затем изменения прекращались, и в течение 20 мин наблюдений указанные величины оставались постоянными. При последующем выключении магнитного поля, которое производилось через 90 мин, наблюдалось увеличение диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь воды и их возврат к прежнему значению в течение примерно 80 мин. При указанных параметрах переменного магнитного поля максимальное обратимое относительное изменение диэлектрической проницаемости контрольного образца воды составило около 0.31%, а относительное изменение тангенса угла диэлектрических потерь — около 0.16%.
На рис. 2 также представлены результаты определения по описанной выше методике зависимости диэлектрической проницаемости воды, подверженной ударной нагрузке, при рабочем давлении величиной Р = 300 МПа, в переменном магнитном поле с частотой О, = 10 Гц и амплитудой В = 30 мТл (сплошная кривая) и тангенса угла диэлектрических потерь воды в переменном магнитном поле с частотой П = 6 Гц и амплитудой В = 30 мТл (пунктирная кривая) от времени воздействия магнитного поля.
ФИЗИКА КОНДЕНСИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА
33
Ei
30.260 30.235 28.625 28.600 28.575 28.550 28.525 28.500' 28.475 28.450 28.425 28.400
tg 8(Р = 300 МПа) г(Р = 300 МПа) ___-
^^^^ .....
л tg 8 (контроль) - V \ \ \ \ ^------ \ \ \ \ ч \ 1 Время / / / / / - У у У У / -! е(Р= 125 МПа) 1 \ ^^^ ! -- / / / / / / / _______
отключения ПМП е (контроль) tg 8(Р = 125 МПа) / ^ "
tgS 0.0233
0.0229
0.0155
0.0151
0.0147
0.0143
0.0139
0.0052
0.0048
0.0044
0.0040
0.0036
0 20 40 60 80 100 120 140 160 Г, мин
Рис. 2. Зависимость диэлектрической проницаемости контрольного образца воды; воды, подверженной ударной нагрузке, величиной Р = 300 МПа (3000 атм); воды, подверженной ударной нагрузке, величиной Р = 125 МПа (1250 атм) в переменном магнитном поле частотой = 10 Гц и амплитудой В = 30 мТл (сплошная кривая) и тангенса угла диэлектрических потерь воды (пунктирная кривая) от времени воздействия магнитного поля
20 £2, Гц
Рис. 3. Зависимости величин изменения диэлектрической проницаемости (а) и тангенса угла диэлектрических потерь (б) воды от частоты воздействия переменного магнитного с амплитудой 30 мТл и при времени воздействия 60 мин
На рис. 3 представлены результаты определения по описанной выше методике зависимости диэлектрической проницаемости воды, подверженной ударной
нагрузке, величиной Р = 125 МПа, в переменном магнитном поле с частотой О, = 12 Гц и амплитудой В = 30 мТл (сплошная кривая) и тангенса угла диэлектрических потерь воды (пунктирная кривая) от времени воздействия магнитного поля.
Из приведенных результатов видно, что с момента включения поля (f = 0) с указанными выше параметрами в течение 60 мин наблюдалось уменьшение е и tg 5 воды.
Следует отметить, что е воды, подверженной ударной нагрузке Р = 125 МПа, больше с контрольного образца воды на величину 0.0652; а с воды, подверженной ударной нагрузке Р = 300 МПа, больше е контрольного образца воды на величину 1.77; tg<5 воды, подверженной ударной нагрузке Р = 125 МПа, меньше tg<5 контрольного образца воды на величину 0.011, а tg<5 воды, подверженной ударной нагрузке Р = 300 МПа, больше tgi контрольного образца воды на величину 0.008.
При отключении ПМП значение с и tgi контрольного образца воды возвращается к исходному значению в течение 60 мин, тогда как значение е воды, подверженной ударной нагрузке Р = 125 МПа, при отключении ПМП приходит к значению, меньшему исходного на 0.008; а значение е воды, подверженной ударной нагрузке Р = 300 МПа, становится больше исходного на 0.0025. Значение же tg<5 воды, подверженной ударной нагрузке Р = 125 МПа, после отключения переменного магнитного поля (ПМП) через 60 мин становится меньше исходного на 0.0003; а для воды, подверженной ударной нагрузке Р = 300 МПа, возвращается к исходному значению.
На рис. 3 представлены зависимости величины изменения диэлектрической проницаемости (а) и тангенса угла диэлектрических потерь (б) воды от частоты воздействия переменного магнитного с амплитудой 30 мТл и при времени воздействия 60 мин для контрольного образца воды, а также для образцов, подверженных ударным нагрузкам Р = 300 МПа и Р = 125 МПа.
Из результатов, приведенных на рис. 3 видно, что изменение е при воздействии переменным магнитным полем на воду, подверженной ударной нагрузке Р = 125 МПа, в среднем меньше на 0.042; а для воды, подверженную ударной нагрузке Р = 300 МПа, в среднем меньше на величину 0.044, чем аналогичное изменение для контрольного образца воды. Изменение же tg<5 при воздействии переменным магнитным полем на воду, подверженную ударной нагрузке Р = 125 МПа, в среднем меньше на 0.00072; а для воды, подверженной ударной нагрузке Р = 300 МПа, в среднем меньше на величину 0.00079, чем аналогичное изменение для контрольного образца воды.
Кроме того, наблюдается частотный сдвиг на 2 Гц максимума изменения е и tg 5 воды в сторону больших частот переменного магнитного поля для воды, подверженной нагрузке Р = 125 МПа, и частотный сдвиг на 4 Гц максимума изменения tg<5 воды в сторону меньших частот переменного магнитного поля для воды, подверженной нагрузке Р = 300 МПа.
На рис. 4 представлен оптический спектр на пропускание (измеренный с помощью спектрофотометра «Shimadzu-MRS-5000», Япония) для различных образ-
17 ВМУ. Физика. Астрономия. ,Yj 3
т,%
90 80 70 60 50 40 30 20 10
0
1250 атм. 3000 атм. Контроль
200
400
600
800
1000 X, нм
Рис. 4. Оптический спектр на пропускание для различных образцов воды: контрольного и подверженной ударным нагрузкам Р=125 МПа (1250 атм) и Р = 300 МПа (3000 атм)
цов воды: контрольного образца и подверженной ударным нагрузкам Р = 125 МПа и Р = 300 МПа.
Из приведенных на этом рисунке результатов следует, что низкочастотный край полосы пропускания воды, подверженной ударным нагрузкам, сдвинут в длинноволновую область. Это свидетельствует о происшедших в результате этих нагрузок структурных изменениях воды, что подтверждается и результатами измерения ее диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.
Заключение
По результатам выполненных исследований можно сделать некоторые выводы и сформулировать предварительные обобщения.
1. Аппарат СВЧ-диагностирования позволяет количественно оценивать эффекты влияния различных по своей энергетике и природе физических воздействий на
структурно-молекулярные изменения воды. Эти изменения достоверно фиксируются путем изменения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь воды.
2. Изменения электрофизических параметров воды, фиксируемые путем СВЧ-диагностирования, по-видимому, связаны в первую очередь с соответствующими изменениями ее молекулярно-дипольной и кластерной структуры в результате как энергетически сильного ультраструйного ударно-динамического воздействия с плотностью потока мощностью ~ 1 МВт/мм2, так и относительно слабого энергетического воздействия переменным магнитным полем. В последнем случае имеет место достаточно выраженный кинетический (временной) характер этих изменений, в частности восстановление с течением времени электрофизических параметров воды.
Список литературы
1. Барзов A.A., Королев А.Ф., Пузанов B.C. и др. Струйная интенсификация функциональной активности жидкостей. Физическая гидродинамика. Препринт физ. ф-та МГУ. 2004. № 7.
2. Балашов O.E., Барзов A.A., Галиновский А.Л., Сысоев H.H. Физико-технологический анализ функциональных возможностей ультраструйного микросуспензирова-ния жидкостей. Физическая гидродинамика. Препринт физ. ф-та МГУ. 2010. № 4.
3. Усанов Д.А., Шишкин Г.Г., Скрипаль A.B., Усанов А.Д. 11 Биомед. радиоэлектроника. 2001. № 8. С. 57.
4. Усанов Д.А., Шишкин Г.Г., Скрипаль A.B., Усанов А.Д. // Биомед. технологии и радиоэлектроника. 2003. № 3. С. 59.
5. Усанов Д.А., Шишкин Г.Г., Скрипаль A.B. и др. // Пе-терб. журн. электроники. 2002. № 4. С. 38.
6. Усанов Д.А., Постельга А.Э., Усанов А.Д. // Физ. волновых процессов и радиотехн. системы. 2009. 12, № 1. С. 34.
Microwave diagnostics of physical effects upon water electromagnetic characteristics
A. A. Barzov1, A. L. Galynovskiy1, N.N. Sysoev1, A. E. Postelga2, A. D. Usanov2,11, D. A. Usanov2, A. V. Khakhalin1
1 Research Center of Hydrophysics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
2N.G. Chernyshevsky Saratov State University, Saratov 410012, Russia. E-mail: a [email protected].
Characteristics changes of water previously exposed to impact load were determined quantitatively under the influence of alternating magnetic field, namely dielectric conductivity and dielectric loss tangent, using microwave system which permits inverse problem solution. The results of water exposed to the impact load optical spectrum measurements in the transflective mode are set in comparison with distilled water optical spectrum.
Keywords: impact loads, magnetic field, permittivity, dielectric loss tangent, water. PACS: 41.20.Jb. Received 19 January 2011.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2012).
Сведения об авторах
1. Барзов Александр Александрович — докт. физ.-мат. наук, профессор; тел.: (499) 263-65-96, e-mail: [email protected].
2. Галиновский Андрей Леонидович — докт. физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 263-62-12, e-mail: [email protected].
3. Сысоев Николай Николаевич — докт. физ.-мат. наук, профессор, декан; тел.: (495) 939-10-97, e-mail: [email protected].
4. Постельга Александр Эдуардович — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (845-2) 51-14-30, e-mail: [email protected].
5. Усанов Александр Дмитриевич — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (845-2) 51-14-30, e-mail: [email protected].
6. Усанов Дмитрий Александрович — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой, академик МАН Bill; тел.: (845-2) 51-14-30, e-mail: [email protected].
7. Хахалин Андрей Владимирович — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; тел.: (495) 939-40-34, e-mail: [email protected].
