ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЧ-БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
68 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
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).
Номер ампулы
1 2 3 4 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Таблица 1 Исследуемый объект
Пустая ампула Дистиллированная вода
Раствор NaCl 5 % Раствор NaCl 1 %
Гексан Толуол Ацетон Изопропиловый спирт (ИПС) NaCl N2SO4 CuSO4 H2SO4 Дистиллированная вода Этилацетат Бутанол Бензиловый спирт Диоксан + H2O (0,8/0,2) Диоксан + H2O (0,415/0,585)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 69
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 „т“) растворов противоположны по отношению к уровню ω0, 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).
ω0, о.е.
1,25
1,2 1,15 т
1,1 1,05
1 3 4 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 № ампулы 0,95
п
0,9
0,85
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 εв (табл. 2).
Номер ампулы 1 2 3 4 5 6 7 8
Таблица 2 εв (по ГОСТ) 37,00—40,00 (использовалось значение 37,00)
54,95 53,33 51,02 56,17 58,16 58,88 58,68
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2. Цель исследования — установить связь уровня информационного сигнала (цифры со штрихом) со значениями εв
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
70 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
органических веществ (цифры) при ВЧ-ближнепольном зондировании их растворов. Как видно из рисунка, наблюдается корреляция значений ε и нормированных значений показаний прибора, а именно: с увеличением значения ε повышается уровень относительной частоты прибора.
εв
67
8 ω, о.е.
2′ 3′
5
7′ 8′ –0,10
55 2 4′ 5′ 6′ 3
–0,09
4 50
–0,08
45 –0,07
40 1 1′
–0,06
Рис. 2
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования. Электродинамическую задачу ВЧ-ближнепольного зондирования будем анализировать исходя из схемы, приведенной на рис. 3.
Блок Z регистрации
εв ВЧ-антенна
dэфф
ε*в
Рис. 3
ВЧ-антенна расположена в однородном верхнем полупространстве (Z > 0) с действи-
тельным значением диэлектрической проницаемости ε. Нижним полупространством (Z < 0),
которое характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью вещества
ε∗в = εв − iε∗в∗ будем считать исследуемый физический объект (раствор в ампуле). Такая среда будет поглощать энергию электромагнитного поля ВЧ-антенны. Это поглощение описывает-
ся законом Бугера [2]
IZ = I0 exp(−αZ ) ,
(1)
где
α=
4π λ
ε∗в∗
—
коэффициент
поглощения
электромагнитного
поля
веществом
на
единицу
длины. При оценке коэффициента α и глубины проникновения электромагнитного поля ВЧ-
антенны в вещество для нашей модели наиболее важным является определение природы это-
го поглощения — является оно резонансным или нерезонансным.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 71
Нерезонансное поглощение определяется потерями энергии электромагнитного поля при его взаимодействии со свободными зарядами в веществе, концентрация которых определяет
проводимость последнего σв. Для этого случая ε∗в∗ , а значит и α, определяются как
ε∗в∗
=
σв ωεв
,
α
=
4π λ
σв ωεв
.
(2)
Резонансное поглощение характеризуется энергетическими потерями поля при взаимо-
действии его со связанными зарядами в веществе (дипольными моментами атомов и моле-
кул). В этом случае εв и ε∗в∗ определяются через дисперсионные соотношения Крамерса-
Кронинга [2] как ε (ω) и ε∗в∗ (ω) .
Обратимся теперь к параметрам ВЧ-антенны из работы [1]. Излучение антенны в воздухе (при отстройке) происходит на частоте f = 4⋅106 Гц, что соответствует длине волны λ = 75 м. Отношение диаметра антенны D = 25 мм к длине волны получается менее 0,0001. Для таких
параметров антенны резонансное поглощение в воде и водных растворах можно не учиты-
вать.
Что касается нерезонансного поглощения, то этот процесс характеризуется эффектив-
ной глубиной проникновения dэфф (рис. 3) электромагнитного поля в вещество, которую можно определить из формулы (1) как:
αZ → αdэфф = 1 → dэфф =
1. α
(3)
Ниже приведены значения α дистиллированной воды 9 %-ного раствора NaCl для элек-
тромагнитного поля с частотой, равной единицам мегагерц (соизмеримой с частотой
ВЧ-антенны), взятые из работы [3], и значения dэфф (данные по σH2O и σNaCl из работы [3] —
усредненные). σH2O = (10–4—10–5)См⋅м–1 → α = 4,7⋅10–2м–1 → dэфф =2,1⋅102 м. σNaCl = (2,6—3,3) См⋅м–1 → α = 1,41⋅104 м–1→ dэфф =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 еди-
ниц-десятков сантиметров [4].
Таким образом, в нашей задаче физический объект (растворы) рассматривается как ве-
щество с характерным значением dэфф, обладающее диэлектрической проницаемостью εв и проводимостью σв, определяющими особенности процесса нерезонансного поглощения в этом веществе. Такую модель можно использовать не только для растворов. Это обстоятель-
ство 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 ком-
плексного сопротивления (импеданса) ВЧ-антенны, а значит и частоты ВЧ-генератора, ча-
стью колебательной системы которого она является. В результате этого влияния формируется информационный сигнал, соответствующий изменению частоты δω генератора в область „m“
или „n“ (см. рис. 1) относительно уровня опорной частоты, полученной от ампулы с дистил-
лированной водой ω0 = 2πf0. Для веществ, которые являются диамагнетиками либо парамагнетиками (к ним можно отнести исследуемые растворы), δω генератора будет определяться
через соотношение:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
72 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
δω =
δС Сэфф
ω0 ,
(4)
где δС — изменение емкостной составляющей импеданса антенны, Сэфф — эффективная ем-
кость ВЧ-антенны, которая отлична от емкости этой антенны в воздухе С0 [4]:
Сэфф =
εв D2 dэфф
.
(5)
Все вышеизложенное позволяет качественно объяснить результаты исследования физи-
ческих объектов с помощью метода ВЧ-ближнепольного зондирования.
На рис. 1 для области сигналов „m“ (неорганические растворы) в предположении, что
δω = (ωm – ω0) > 0, получим, воспользовавшись формулой (4):
δω
=
ω0
Cm − C0
C0
>0
(6)
С помощью формул (2), (3) и (5) выражение (6) можно преобразовать в неравенство, оп-
ределяющее уровни сигналов от неорганических растворов.
εmσm > ε′0σ0,
(7)
где εm и σm — соответственно диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ис-
следуемого вещества, а ε′0 и σ0 — дистиллированной воды.
Для области „n“ аналогичным образом получим неравенство для органических раство-
ров:
εnσ n < ε′0σ0.
(8)
Оценим условия (7) и (8) на примере конкретных растворов. Раствор NaCl (ампулы № 3 и 4)
εNaCl =εm = 5,9; σm = 3 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Очевидно, что эти данные обеспечивают выполнение неравенства (7), которое опреде-
ляет условие формирования отношения уровня сигнала ВЧ-антенны от неорганических рас-
творов к уровню дистиллированной воды.
Если обратиться к органическим растворам, то в качестве примера была рассмотрена
ампула №19 с раствором ацетона: εа =εn = 20,74; σn = 10–9 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =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 электроди-
намическая 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 ин-
формационного 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. Борн М., 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 73
Сведения об авторах
Юрий Александрович Балошин
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра физики
Анатолий Александрович Сорокин — канд. техн. наук, доцент; Балтийский государственный технический
университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра радиоэлек-
тронных систем управления, Санкт-Петербург;
E-mail: an_sor@mail.ru
Александр Николаевич Волченко — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра физики;
E-mail: wolf2684@mail.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 22.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
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).
Номер ампулы
1 2 3 4 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Таблица 1 Исследуемый объект
Пустая ампула Дистиллированная вода
Раствор NaCl 5 % Раствор NaCl 1 %
Гексан Толуол Ацетон Изопропиловый спирт (ИПС) NaCl N2SO4 CuSO4 H2SO4 Дистиллированная вода Этилацетат Бутанол Бензиловый спирт Диоксан + H2O (0,8/0,2) Диоксан + H2O (0,415/0,585)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 69
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 „т“) растворов противоположны по отношению к уровню ω0, 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).
ω0, о.е.
1,25
1,2 1,15 т
1,1 1,05
1 3 4 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 № ампулы 0,95
п
0,9
0,85
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 εв (табл. 2).
Номер ампулы 1 2 3 4 5 6 7 8
Таблица 2 εв (по ГОСТ) 37,00—40,00 (использовалось значение 37,00)
54,95 53,33 51,02 56,17 58,16 58,88 58,68
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2. Цель исследования — установить связь уровня информационного сигнала (цифры со штрихом) со значениями εв
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
70 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
органических веществ (цифры) при ВЧ-ближнепольном зондировании их растворов. Как видно из рисунка, наблюдается корреляция значений ε и нормированных значений показаний прибора, а именно: с увеличением значения ε повышается уровень относительной частоты прибора.
εв
67
8 ω, о.е.
2′ 3′
5
7′ 8′ –0,10
55 2 4′ 5′ 6′ 3
–0,09
4 50
–0,08
45 –0,07
40 1 1′
–0,06
Рис. 2
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования. Электродинамическую задачу ВЧ-ближнепольного зондирования будем анализировать исходя из схемы, приведенной на рис. 3.
Блок Z регистрации
εв ВЧ-антенна
dэфф
ε*в
Рис. 3
ВЧ-антенна расположена в однородном верхнем полупространстве (Z > 0) с действи-
тельным значением диэлектрической проницаемости ε. Нижним полупространством (Z < 0),
которое характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью вещества
ε∗в = εв − iε∗в∗ будем считать исследуемый физический объект (раствор в ампуле). Такая среда будет поглощать энергию электромагнитного поля ВЧ-антенны. Это поглощение описывает-
ся законом Бугера [2]
IZ = I0 exp(−αZ ) ,
(1)
где
α=
4π λ
ε∗в∗
—
коэффициент
поглощения
электромагнитного
поля
веществом
на
единицу
длины. При оценке коэффициента α и глубины проникновения электромагнитного поля ВЧ-
антенны в вещество для нашей модели наиболее важным является определение природы это-
го поглощения — является оно резонансным или нерезонансным.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 71
Нерезонансное поглощение определяется потерями энергии электромагнитного поля при его взаимодействии со свободными зарядами в веществе, концентрация которых определяет
проводимость последнего σв. Для этого случая ε∗в∗ , а значит и α, определяются как
ε∗в∗
=
σв ωεв
,
α
=
4π λ
σв ωεв
.
(2)
Резонансное поглощение характеризуется энергетическими потерями поля при взаимо-
действии его со связанными зарядами в веществе (дипольными моментами атомов и моле-
кул). В этом случае εв и ε∗в∗ определяются через дисперсионные соотношения Крамерса-
Кронинга [2] как ε (ω) и ε∗в∗ (ω) .
Обратимся теперь к параметрам ВЧ-антенны из работы [1]. Излучение антенны в воздухе (при отстройке) происходит на частоте f = 4⋅106 Гц, что соответствует длине волны λ = 75 м. Отношение диаметра антенны D = 25 мм к длине волны получается менее 0,0001. Для таких
параметров антенны резонансное поглощение в воде и водных растворах можно не учиты-
вать.
Что касается нерезонансного поглощения, то этот процесс характеризуется эффектив-
ной глубиной проникновения dэфф (рис. 3) электромагнитного поля в вещество, которую можно определить из формулы (1) как:
αZ → αdэфф = 1 → dэфф =
1. α
(3)
Ниже приведены значения α дистиллированной воды 9 %-ного раствора NaCl для элек-
тромагнитного поля с частотой, равной единицам мегагерц (соизмеримой с частотой
ВЧ-антенны), взятые из работы [3], и значения dэфф (данные по σH2O и σNaCl из работы [3] —
усредненные). σH2O = (10–4—10–5)См⋅м–1 → α = 4,7⋅10–2м–1 → dэфф =2,1⋅102 м. σNaCl = (2,6—3,3) См⋅м–1 → α = 1,41⋅104 м–1→ dэфф =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 еди-
ниц-десятков сантиметров [4].
Таким образом, в нашей задаче физический объект (растворы) рассматривается как ве-
щество с характерным значением dэфф, обладающее диэлектрической проницаемостью εв и проводимостью σв, определяющими особенности процесса нерезонансного поглощения в этом веществе. Такую модель можно использовать не только для растворов. Это обстоятель-
ство 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 ком-
плексного сопротивления (импеданса) ВЧ-антенны, а значит и частоты ВЧ-генератора, ча-
стью колебательной системы которого она является. В результате этого влияния формируется информационный сигнал, соответствующий изменению частоты δω генератора в область „m“
или „n“ (см. рис. 1) относительно уровня опорной частоты, полученной от ампулы с дистил-
лированной водой ω0 = 2πf0. Для веществ, которые являются диамагнетиками либо парамагнетиками (к ним можно отнести исследуемые растворы), δω генератора будет определяться
через соотношение:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
72 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
δω =
δС Сэфф
ω0 ,
(4)
где δС — изменение емкостной составляющей импеданса антенны, Сэфф — эффективная ем-
кость ВЧ-антенны, которая отлична от емкости этой антенны в воздухе С0 [4]:
Сэфф =
εв D2 dэфф
.
(5)
Все вышеизложенное позволяет качественно объяснить результаты исследования физи-
ческих объектов с помощью метода ВЧ-ближнепольного зондирования.
На рис. 1 для области сигналов „m“ (неорганические растворы) в предположении, что
δω = (ωm – ω0) > 0, получим, воспользовавшись формулой (4):
δω
=
ω0
Cm − C0
C0
>0
(6)
С помощью формул (2), (3) и (5) выражение (6) можно преобразовать в неравенство, оп-
ределяющее уровни сигналов от неорганических растворов.
εmσm > ε′0σ0,
(7)
где εm и σm — соответственно диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ис-
следуемого вещества, а ε′0 и σ0 — дистиллированной воды.
Для области „n“ аналогичным образом получим неравенство для органических раство-
ров:
εnσ n < ε′0σ0.
(8)
Оценим условия (7) и (8) на примере конкретных растворов. Раствор NaCl (ампулы № 3 и 4)
εNaCl =εm = 5,9; σm = 3 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Очевидно, что эти данные обеспечивают выполнение неравенства (7), которое опреде-
ляет условие формирования отношения уровня сигнала ВЧ-антенны от неорганических рас-
творов к уровню дистиллированной воды.
Если обратиться к органическим растворам, то в качестве примера была рассмотрена
ампула №19 с раствором ацетона: εа =εn = 20,74; σn = 10–9 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =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 электроди-
намическая 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 ин-
формационного 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. Борн М., 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.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 73
Сведения об авторах
Юрий Александрович Балошин
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра физики
Анатолий Александрович Сорокин — канд. техн. наук, доцент; Балтийский государственный технический
университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра радиоэлек-
тронных систем управления, Санкт-Петербург;
E-mail: an_sor@mail.ru
Александр Николаевич Волченко — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра физики;
E-mail: wolf2684@mail.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 22.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12