Исследование воздействия низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты

Дипломная работа Исследование воздействия низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты

РЕФЕРАТ ВВЕДЕНИЕ

1. Газоразрядная фотография и основы электромагнитного поля

1.1 Физические основы газоразрядной фотографии

1.1.1Лавинная ГРВ

1.1.2 Поверхностная ГРВ

1.1.3 Вакуумная ГРВ

1.2. Электромагнитное поле и его воздействие на биообъекты

2. Газоразрядная фотография биологических объектов

3. Обработка экспериментальных данных СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

РЕФЕРАТ

Бондарь Р.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ. Дипломная работа: 51 с., 19 рис., 1 табл., 26 источников.

ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ВИЗУАЛИЗАЦИЯ, ГАЗОРАЗРЯДНАЯ ФОТОГРАФИЯ, ЭФФЕКТ КИРЛИАН, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ.

Целью работы является исследование возможности применения газоразрядной фотографии для определения степени воздействия низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты.

В результате выполнения дипломной работы было проведено исследование биообъектов после облучения НЧ ЭМП с помощью газоразрядной установки, была вычислена площадь засветки ГРФ и построены графики ее зависимости от частоты облучения. Полученные данные позволяют говорить о результативности метода для анализа состояния биообъектов.

В частности, был проведен анализ изменения площади засветки газоразрядной фотографии от частоты воздействия электромагнитного поля. Полученные результаты были описаны и обоснованы.

Лабораторная низкочастотная установка была исследована на предмет возможности анализа биологических объектов и показала свою пригодность.

газоразрядная фотография электромагнитный биологический объект

Под газоразрядной фотографией обычно понимают процесс получения изображения исследуемого объекта в слаботочном газовом разряде. Реализация метода заключается в переносе изображения исследуемого предмета на фотобумагу или другой регистрирующий материал. Для этого регистрирующий материал располагают между двумя электродами, причем в качестве одного из них служит исследуемый объект. В разряде кроме очертания или формы объекта можно определить и некоторые его характеристики: неоднородность поверхностного слоя материалов, состояние поверхности и пр.

Поскольку разряд является слаботочным, то с помощью газоразрядной фотографии исследуют объекты как живой, так и неживой природы. В 1949 г. С. Д. Кирлиан впервые получил авторское свидетельство на способ реализации «высокочастотной» фотографии. В качестве источника высокого напряжения он использовал резонансный трансформатор. Позднее в отечественной и зарубежной литературе появились такие понятия как «Кирлиан-эффект», метод «кирлиановской» фотографии, «кирлианография», а в англоязычной литературе — «Kirlian effect, Kir Han photography, Kirlianography».

Однако в 60-е годы XX века наряду с газоразрядной фотографией стали говорить о газоразрядной визуализации предметов. Следует отметить, что термин «визуализация» не совсем точно отражает смысл явления. Обычно в физике под визуализацией изображений понимают методы преобразования двухмерного распределения некоторого параметра физического поля, характеризующего исследуемый объект, но, невидимого для человеческого глаза, в видимое изображение. В качестве примера можно указать на визуализацию полей инфракрасного или ультрафиолетового излучений, относящихся, в частности, к плазме газового разряда. В случае же газоразрядной визуализации речь идет о разряде, как о средстве «подсветки» или выделения на окружающем фоне исследуемого объекта. При этом роль высокого напряжения и газового разряда, инициируемого им, состоит в выявлении индивидуальных свойств и особенностей исследуемого предмета. В какой-то мере и термин «газоразрядная фотография» является недостаточно корректным. Однако он принадлежит к числу устоявшихся.

Изучение предметов по их свечению в газовом разряде включает не только эффект Кирлиана. В общем случае для него характерны три основных направления исследований газоразрядной фотографии:

а)лавинная, основанная на разрядах при малых межэлектродных расстояниях (менее 1 мм) и атмосферном давлении;

б)поверхностная, в основе которой заложено получение и расшифровка фигур Лихтенберга, образующихся при скользящем по поверхности диэлектрика разряде;

в) вакуумная - когда изображение исследуемого объекта при пониженном давлении газа переносится на специальный люминесцентный экран.

Строго говоря, исследовать предмет можно еще с помощью одного вида свечения — огней св. Эльма. Этот вид свечения обусловлен преимущественно дроблением водяных капель и эмиссией электронов с их поверхностей в сильных электрических полях. Рассмотрение огней св. Эльма выходит за рамки данной работы.

Несмотря на некоторую общность перечисленных явлений, эти направления исследований различаются между собой как по характеру физико-химических процессов, протекающих в разрядах, так и по аппаратурному обеспечению, необходимому для их реализации.

В дальнейшем вместо сочетания слов «метод лавинной газоразрядной фотографии (визуализации)» будет употребляться понятие газоразрядной фотографии, включая и «кирлиановский» эффект.

В настоящее время известны различные виды фотографий: оптическая, инфракрасная, рентгеновская и другие. И каждая из них осуществляет свои возможности только в строго определенных областях электромагнитного спектра. Например, инфракрасная — в диапазоне длин волн от 10⁵ до 770 нм, оптическая — от 770 до 380 нм, ультрафиолетовая — от 380 до 10 нм и т. д. С этой точки зрения газоразрядная фотография (ГРФ) оказалась очень интересна тем, что позволяет получать изображения (информацию) объектов сразу, одновременно, во всем диапазоне электромагнитных волн, даже захватывая и звуковые. Конечно, последние, как и электромагнитные волны л > 10⁵ нм, не регистрируются фотоматериалами или подобными им средствами визуализации, поэтому газоразрядное изображение несет в себе всего 65−70% информации о сфотографированном объекте.

Эта особенность ГРФ заключена в свойствах самого газового разряда. Каждая искра, электронная лавина, одновременно сопровождаются целой гаммой различных процессов и явлений: электрическими, электрохимическими, электромагнитными, звуковыми (или акустическими) и прочими, в большей или меньшей степени имеющих место в конкретном случае протекания разряда, т. е. конкретных условиях фотографирования объектов, что в итоге и определяет информативность получаемых изображений.

Именно в этих свойствах разряда и заключена его универсальность и, в свою очередь ГРФ основанной на нем.

«Эффект Кирлиан» привлекает внимание благодаря возможности улавливать тонкие изменения состояния различных объектов, в частности на клеточном уровне [3, 4, 5]. Позднее пришли к выводу, что исследования с помощью метода газоразрядной фотографии позволяют распознать болезни на ранней стадии их развития и у растений, и у человека.

В дальнейшем эффект Кирлиан нашел свое применение для диагностики психических заболеваний, определения биологической активности медикаментов, выявления признаков переутомления операторов, перегрузки спортсменов, в сельском хозяйстве для определения всхожести семян и взаимного влияния различных видов растений, в машиностроении (дефектоскопия), в криминалистике, парапсихологии, оборонной промышленности и других областях.

Цель данной работы посвящена исследованию возможности применения газоразрядной фотографии для определения степени воздействия низкочастотного электромагнитного поля на биологические объекты.

При этом существенно важным является решение следующих задач:

— описать метод газоразрядной фотографии;

— обозначить физические принципы ГРФ;

— выявить основные характеристики электромагнитного поля;

— провести анализ полученных экспериментальных данных.

В работе приведено описание приборов, с помощью которых производилось исследование. В работе показана серия фотографий газоразрядного свечения трех сортов яблок (Гала, Ред Делишес, Гренни Смит) и овощей (Томат обыкновенный, Болгарский перец, Огурец), полученная при помощи ГРФ до и после воздействия НЧ ЭМП с частотным диапазоном от 1 до 7 Гц. Характер свечения этих биообъектов принципиально отличается друг от друга. Свечение овощей, как между собой, так и в сравнении с фруктами значительно отличается. Значит, различный химический состав, и различная структура клеток оказывает существенное влияние на газоразрядное свечение.

1. Газоразрядная фотография и основы электромагнитного поля

Для лучшего представления метода газоразрядной фотографии рассматриваются основные физические процессы, происходящие при электрическом разряде в межэлектродном промежутке. Ионизация такого воздушного промежутка при малых расстояниях между электродами к настоящему времени исследована еще недостаточно хорошо. Существует три основных причины, препятствующие изучению разрядных процессов в таких условиях.

Во-первых, в зависимости от характера исследуемого объекта (являющегося частью живой или неживой природы) существует большой разброс состава газовой смеси, выделяющейся в процессе ионизации между электродами, что влияет на повторяемость результатов измерений.

Во-вторых, свойства и параметры газового разряда определяются в значительной степени такими внешними факторами, как характеристики ионизирующего излучения (частота, длительность, напряженность и пр.), так и состоянием поверхности электродов, когда в качестве одного из них служит исследуемый объект.

В-третьих, на практике существует ограниченное число технических приложений, в которых используется пробой воздуха при атмосферном давлении при малых расстояниях между электродами. По этой причине разряд такого типа исследуется неохотно, и публикации по разрядам данного типа в отечественной и зарубежной литературе практически отсутствуют.

1.1 Физические основы газоразрядной фотографии

Первые фотографические изображения электрода, подученные с помощью газоразрядного свечения у его поверхности, были опубликованы еще в конце прошлого столетия, но в то время не вызвали особого интереса, так как воспринимались как фототрюк. Однако после того как в работах С. Д. Кирлиан и В.X. Кирлиан [1 и 2] было показано, что эти изображения могут содержать важную информацию о свойствах фотографируемых объектов, в том числе и такую, которую трудно получить каким-либо иным методом.

Широкую дискуссию вызвала возможность применения этого метода в биологии, например для оценки состояния жизнедеятельности растений, в медицине, в частности для диагностики опухолей, оценки работоспособности и психофизиологического состояния человека, обнаружения биологически активных участков кожного покрова и т. п., тем более что в некоторых медико-биологических экспериментах были получены не обнадеживающие результаты. На рисунках 1−4 представлена серия современной газоразрядной фотографии различных плодов с патологией, органов человеческого тела и животных.

Рисунок 1 — Газоразрядная фотография яблок с обнаруженной гнилью

а) б) в)

Рисунок 2 — Газоразрядная фотография: а) ананаса, б) моркови, в) лука репчатого с патологиями

а) б) в)

Рисунок 3 — Газоразрядная фотография: а) апельсина, б) груши, в) кленового листа

а) б) в)

Рисунок 4 — Газоразрядная фотография: а) уха человека, б) ладони человека, в) лапы животного

К настоящему времени можно считать установленным [3, 8—11], что формирование изображении при эффекте Кирлиан обусловлено возникновением газового разряда между поверхностью исследуемого объекта и вторым электродом, способным фиксировать воздействие этого разряда и его характерные особенности. Таким носителем изображения может служить фотоматериал, люминесцентный экран и т. п. Было установлено также [11, 12], что для формирования подобных изображений можно использовать, по крайней мере три разные формы газового разряда: разряд при атмосферном давлении и малом (меньше миллиметра) межэлектродном промежутке, ограниченном хотя бы с одной стороны диэлектриком («лавинный» разряд); разряд при атмосферном давлении, скользящий по поверхности диэлектрика («поверхностный» разряд); особый вид тлеющего разряда при пониженном давлении газа (10^-2—10^-3мм рт. ст.) и сантиметровых межэлектродных расстояниях (его можно условно назвать «вакуумным» разрядом). Эти формы разряда существенно отличаются друг от друга, что приводит к различиям получаемых с их помощью изображений и способов извлечения из них информации о свойствах объектов, поэтому каждая из них (и соответствующая разновидность визуализации) требует отдельного рассмотрения.

Для всех форм эффекта Кирлиан были предложены: термины «газоразрядная визуализация» (ГРВ) и «газоразрядная фотография» (ГРФ), которые и будут использоваться в дальнейшем изложении. Представляется также целесообразным использовать для каждого из видов ГРВ условные названия [12]: — лавинная, поверхностная и вакуумная ГРВ в соответствии с формой лежащего в его основе газового разряда.

Грамотное и эффективное применение методов ГРВ возможно лишь на основе четкого представления об их физической сущности. В данной paботе предпринята попытка обобщить и рассмотреть с единой точки зрения данные о физических процессах, лежащих в основе каждого из упомянутых выше трех методов ГРВ, содержащиеся в различных источниках, а также наметить некоторые пути их практического использования.

1.1.1 Лавинная ГРВ

Метод лавинной ГРВ применяется в настоящее время наиболее широко. На рисунке 1 приведены схема простейшего устройства для осуществления этого метода. Фотографии слагаются из отдельных точек (элементов разложения изображения), каждая из которых является «пятном засветки» фотоматериала; изображение формируется за счет неравномерности распределения этих точек по полю фотографии.

Рисунок 5 — Принципиальная схема устройства для лавинной газоразрядной визуализации. 1-исследуемый объект, 2-металлический электрод, 3-источник напряжения, 4- диэлектрическая пластина

Было установлено [11, 16], что отдельный элемент разложения образуется в результате воздействия на фотоматериал локальной электронной лавины, развивающейся при достаточно высокой напряженности электрического поля из отдельных точек поверхности исследуемого объекта благодаря наличию фоновых или эмитированных объектом заряженных частиц. Время жизни такой электронной лавины мало (10^-7—10^-8 с), так как в процессе ее развития на диэлектрической поверхности носителя изображения накапливается отрицательный заряд, экранирующий электрическое поле в районе лавины и снижающий его напряженность до величины, недостаточной для дальнейшего развития разрядного процесса. При перемене полярности внешнего напряжения накопленный на диэлектрике заряд нейтрализуется, и весь процесс периодически повторяется. Заряд и энергия, переносимые каждой лавиной, равны соответственно 10^-9—10^-2 Кл и 10^-7—10 ^-9 Дж.

Изображение объекта формируется в том случае, когда вероятности возникновения лавин у разных точек его поверхности существенно различаются, например, из-за поверхностной неоднородности эмиссионных свойств объекта либо локального возмущении электрического поля на микронеровностях металлической поверхности или включениях в толще диэлектрика. В тех точках, у которых эта вероятность больше, образуется большее число более интенсивных лавин и элементы разложения, сливаясь, образуют светлые участки изображения.

Для практического применения метода лавинной ГРВ необходимо знать, какие факторы и как именно могут влиять на параметры разряда и, следовательно, на изображение. Рассмотрим с этой целью более детально механизм образования и развития электронных лавин.

Устройство для лавинной ГРВ (рисунок 1) можно рассматривать как плоский многослойный конденсатор, тогда падающее на разрядном промежутке напряжение [11]

(1)

где U — мгновенное значение амплитуды внешнего напряжения;

и , — толщина и диэлектрическая проницаемость изолирующих слоев по обе стороны разрядного зазора соответственно;

d и — протяженность и диэлектрическая проницаемость газового промежутка.

Электронная лавина возникает в тот момент, когда величина становится равной потенциалу зажигания разряда U₃,.

Эта величина зависит от параметра pd (р — давление газа). Электронная лавина, возникнув, распространяется по прямой линии к аноду; ее появление сопровождается импульсом тока в разрядной цепи и свечением газа. По мере того, как напряжение U' становится выше U₃, увеличивается амплитуда импульса тока и пропорционально ей интенсивность свечения, а также количество разрядных актов (лавин), приходящихся на единицу площади поверхности электрода. Свечение, испускаемое лавиной, зависит от химического состава газа, который определяет спектральный состав и интенсивность свечения. При постоянном давлении с ростом величины межэлектродного промежутка потенциал зажигания увеличивается. Это явление сопровождается ростом амплитуды импульсов разрядного тока и интенсивности свечения.

При уменьшении давления газа (достаточную засветку фотоматериала можно получить при давлениях, превышающих ~10 мм рт. ст.) амплитуда импульса тока возрастает, так как во всех практически интересных случаях значения отношения Е/р (Е — напряженность электрического поля) [17, 18]. Интенсивность свечения растет с уменьшением давления лишь незначительно и только в диапазоне его изменения от атмосферного до ~450 мм рт. ст., после чего начинает падать. Это обусловлено, по-видимому, тем, что функция возбуждения имеет максимум при меньших энергиях электрона, чем функция ионизации.

Одним из наиболее важных факторов, влияющих на развитие и параметры электронных лавин, является эмиссия электронов катодом (т. е. изучаемым объектом), поэтому в литературе, посвященной лавинной ГРВ, этому вопросу уделяется существенное внимание. Поскольку для получения кирлиановских изображений необходима весьма высокая напряженность электрического поля, было высказано предположение [15], что в формирование лавин решающий вклад вносит автоэлектронная эмиссия (АЭЭ). Более детальные исследования [8, 11, 16] показали, однако, что хотя АЭЭ при высоких напряженностях электрического поля действительно наблюдается, она, тем не менее, не играет определяющей роли, так как изображения методом лавинной ГРВ удается получать и в отсутствие АЭЭ. Влияние АЭЭ следует учитывать только в тех случаях, когда в условиях опыта напряженность электрического поля приближается к 10⁶ В/см.

Специфические условия лавинного разряда при ГРВ препятствуют экспериментальному исследованию вклада в его развитие других видов электронной эмиссии. Было проведено математическое моделирование процесса развития одиночного акта лавинного разряда

В этой модели учитывали также возможность ионно-электронной эмиссии (ИЭЭ) и фотоэлектронной эмиссии (ФЭЭ), а в отдельных случаях учитывалась и АЭЭ. Оказалось, что ИЭЭ влияет на амплитуду импульсов разрядного тока только в том случае, когда в процессе разряда возможно постепенное накопление положительного объемного заряда в разрядном зазоре, т. е. при достаточно продолжительной последовательности биполярных циклов внешнего напряжения. Воздействие на разряд ФЭЭ, обусловленной излучением из разрядной лавины, оказалось более существенным: вызывало заметное изменение как амплитудных значений, так и временных положений расчетных характеристик. Таким образом, ФЭЭ при лавинной ГРВ играет существенную роль.

Выше отмечалось, что первое появление лавин обусловлено наличием в зазоре фоновых заряженных частиц, т. е. носит в известной степени спонтанный характер, однако последующие акты лавинного разряда, развивающиеся по мере линейного нарастания импульса напряжения, инициируются уже за счет экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ), что было подтверждено как специальными расчетами, так и экспериментами.

Влияние электропроводности изучаемого объекта на лавинные ГРВ, насколько нам известно, детально не исследовалось, однако имеются данные о том, что при достаточно сильном изменении этого параметра вследствие изменения температуры интенсивность свечения разряда также заметно изменяется: с увеличением электропроводности объекта она возрастает. По-видимому, это связано с перераспределением падения напряжения между разными участками разрядной ячейки и соответствующим изменением напряженности электрического поля в разрядном зазоре.

С точки зрения анализа получаемых изображения и, в частности, для оценки разрешающей способности метода, важно знать размеры и форму отдельных элементов разложения изображения и учитывать влияние на них различных факторов. Установлено [11, 16], что эти параметры в первую очередь зависят от межэлектродного расстояния d, давления газа р и материала электродов, в то время как вид напряжения и сорт газа на них практически не влияют. Амплитуда напряжения на размер элементов разложения также не влияет, однако при ее увеличении пропорционально растет число этих элементов и, следовательно, их плотность на отдельных участках, что сказывается на контрасте и яркости изображении в целом.

Для получения наилучшего качества изображений при лавинной ГРВ следует использовать давления газа, близкие к атмосферному, и устанавливать при этом разрядный зазор, не превышающий миллиметра. Однако при решении некоторых специальных задач может оказаться целесообразным использование и иных значений этих параметров, например для уменьшения напряжения зажигания (более низких давлений) или для повышения яркости изображения (более протяженных разрядных зазоров).

Приведенный выше материал позволяет сделать вывод, что при лавинной ГРВ информация об объекте передается на изображение за счет его воздействия на характеристики газового разряда: интенсивность, длительность, частоту, следования и пространственное распределение отдельных лавинных актов, а также спектральный состав излучения. Это позволяет выделить основные информативные параметры объектов при этом виде ГРВ.

Факторы, вызывающие изменение электрического поля в разрядном зазоре (например, неоднородность структуры поверхности или объема), так как при одинаковой концентрации инициирующих частиц в областях с максимальной напряженностью электрического поля лавинные разряды возникают преимущественно и развиваются более интенсивно по сравнению с соседними областями.

Пространственная или временная неоднородность эмиссионных свойств поверхности объекта, так как от них зависят как интенсивность разрядного акта (ФЭЭ, ЭЭЭ, в определенных условиях ИЭЭ и АЭЭ), так и частота следования разрядов (ЭЭЭ).

Пространственная или временная неоднородность собственного газовыделения (или испарения) поверхности объекта, так как оно влияет на состав газовой среды в зазоре, а, следовательно, на интенсивность разряда и спектральный состав его излучения.

Неоднородность поверхности объекта по электропроводности или ее изменение во время измерений, так как от нее зависят интенсивность отдельных актов разряда и их частота следования.

На основании полученных к настоящему времени данных можно оценить предельные значения некоторых визуализируемых параметров исследуемого объекта, а также характеристик получаемых при лавинной ГРВ изображений.

При практическом осуществлении визуализации методом лавинной ГРВ важно учитывать также, что на характеристики получаемых изображений могут влиять одновременно многие факторы, например работа выхода объекта, наличие на его поверхности загрязнения неровностей, шероховатости и т. п., влияние каждого из которых в отдельности можно не только объяснить, но и качественно предсказать. Однако при одновременном их воздействии, носящем зачастую разнонаправленный характер, идентифицировать их и выделить влияние каждого «в чистом виде» удается далеко не всегда.

Основные физические процессы, лежащие в основе лавинном ГРВ, изучены довольно подробно, однако многие важные аспекты проблемы остаются пока еще не выясненными.

Это в первую очередь относится к области использования данного метода в биологии и медицине, где, по-видимому, необходим новый подход как к оценке влияния объектов на газовый разряд, т. е. к выявлению наиболее информативных параметров объектов, так и к разработке методических вопросов, при решении которых в первую очередь должно быть уделено внимание проблеме обратного воздействия газового разряда на объект (особенно живой).

1.1.2 Поверхностная ГРВ

Метод поверхностной ГРВ не менее перспективен [1−3, .5, 13], чем рассмотренный выше метод лавинной ГРВ, и если он пока что применяется не столь широко, то основная причина этого — трудности, связанные с интерпретацией получаемых результатов.

Рисунок 6 — Принципиальная схема устройства для поверхностной газоразрядной визуализации. 1-исследуемый объект, 2-плоский металлический электрод, 3-источник напряжения

а) б)

Рисунок 7 — Примеры получаемых при поверхностной ГРВ изображений с использованием положительного (а), отрицательного (б) импульсов

На рисунке 6 приведена схема простейшего устройства для осуществления поверхностной ГРВ. На рисунке 7 приведены примеры изображений, получаемых с его помощью в разных условиях. Разряд в этом случае возникает между объектом 1 и электродом 2 вдоль поверхности диэлектрической пластины 4 (например, фотоматериала), служащей носителем изображения. На этой пластине фиксируется общая картина разряда, содержащая при определенных условиях информацию об исследуемом объекте.

Поскольку разрядный процесс в этих условиях весьма специфичен, рассмотрим его более подробно. Для этого заменим объект 1 тонким металлическим стержнем и подадим на него положительный по отношению к электроду 2 импульс напряжения. Очевидно, что напряженность электрического поля (имеющего у поверхности диэлектрической пластины 4 радиальную конфигурацию) будет наибольшей вблизи стержневого электрода и когда она достигнет в этой области критического значения, при котором электроны на длине свободного пробега набирают энергию, достаточную для ударной, ионизации газовых частиц, в приповерхностном газовом слое возникнут электронные лавины. Однако эти лавины будут распространяться не в свободном объеме газа, а по поверхности диэлектрика, двигаясь в сторону стержневого электрода. Электроны лавин, развивающихся по поверхности этого электрода, будут оставлять на диэлектрике разрядные «каналы» с локализованным в них положительным зарядом. Электрическое поле, создаваемое этим зарядом, будет суммироваться с внешним полем, что вызовет появление новых подобных лавин, которые, однако, будут развиваться теперь в сторону образовавшихся ранее каналов. В результате этого процесса на поверхности диэлектрика будет создаваться постепенно разветвляющаяся сеть из таких каналов до тех пор, пока электрическое поле на периферии этого зарядового образования не станет меньше критического. Фотографии совокупности подобных каналов получили название «фигур Лихтенберга», и им посвящена обширная литература, в которой рассматривается влияние на них различных факторов. Аналогичные фигуры можно получить и при отличной от стержня конфигурации электрода 1, однако в любом случае необходимо, чтобы электрическое поле вблизи него было сильно неоднородным.

При обратной полярности напряжения электроны лавин будут двигаться от электрода 1 к периферии, т. е. в сторону ослабляющегося поля, поэтому образующаяся разрядная картина будет отличаться существенно меньшими размерами и меньшей разветвленностью (рисунок 7 б).

Описанные формы разряда назвали «положительным» и «отрицательным» скользящими (поверхностными) разрядами соответственно, а рассмотренную фазу его развития — лавинной или коронной стадией [17 — 21].

Если амплитуду импульсов напряжения или давление газа постепенно увеличивать, то при некотором их значении от описанной выше разрядкой фигуры развивается интенсивный стример: начинается следующая (стримерная) стадия разряда, которая затем переходит в искровую. Для поверхностной ГРВ используется лишь самая слаботочная — лавинная стадия, при которой интегральная величина тока в импульсе не превышает 50 мА.

Фигуры, подобные описанным выше, можно наблюдать и в том случае, когда верхний электрод не прижат к диэлектрической пластине, а отделен от нее небольшим (как правило, не более миллиметра) газовым зазором. Однако форма разряда в этом случае оказывается более сложной; наряду с поверхностным может разбиваться и рассмотренный выше лавинный разряд, что необходимо учитывать при интерпретации получаемых изображений.

Часто на практике для получения разрядных фигур на электроды подают серию биполярных импульсов напряжения. В этом случае при каждом из них возникает соответствующая фаза разряда, и окончательная картина представляет собою суперпозицию изображений от положительных и отрицательных разрядов (с учетом искажения: электрического поля положительным поверхностным зарядом, оставшимся после предыдущих разрядов).

На рисунке 7 видно, что поверхностные ГРФ весьма сложны, поэтому получить из их вида информацию о свойствах исследуемого объекта представляется довольно сложным. Для этого в первую очередь необходимо выявить параметры получаемых изображений, поддающиеся количественным оценкам. К ним, по-видимому, могут быть отнесены следующие:

— параметры, характеризующие разрядные треки (длина, разветвленность);

— интегральный ток разряда или пропорциональная ему интенсивность свечения (ее можно оценить, например, оптическим путем в процессе эксперимента);

— спектральный состав свечения разряда;

— параметры, характеризующие форму разрядной фигуры (радиус, общая площадь, симметрия и др.).

Рассматриваемые параметры разрядной фигуры зависят также от характеристик диэлектрика, покрывающего нижний электрод. Например, при постоянстве прочих параметров, длина разрядного трека и напряжение перехода в стримерную стадию обратно-пропорциональны корню квадратному из удельной поверхностной емкости:

По данным наличие на поверхности шероховатостей, пыли или влаги, если с ними не связано изменение поверхностной проводимости, не сказывается на изображениях.

В литературе неоднократно приводились сведения об изменении окраски цветных ГРФ при изменении состояния объекта [1−3, 5]. Однако использование цветных фотоматериалов для выявления подобных эффектов и их интерпретации малоэффективно, так как цветопередача фотоматериалов сильно зависит от их типа и процесса обработки. Поэтому в настоящее время более перспективным представляется исследование спектрального излучения с помощью спектрографа или фотоэлектронного умножителя с набором светофильтров. При использовании этой методики было установлено [11, 15], например, что спектр излучения поверхностного разряда в воздухе состоит в основном из молекулярных полос второй положительной системы азота, а также содержит линии СО, СО₂ и О₂, что обычно наблюдается в слаботочном разряде в воздушной среде. Спектры, полученные от различных объектов, различаются только интенсивностью линий (на уровне чувствительности использованной аппаратуры).

В случае электродной системы «острие — плоскость» поверхностный разряд всегда дает строго симметричные фигуры Лихтенберга, между тем, при исследовании сложных объектов (особенно биологических, например участков кожного покрова человека) во многих случаях [1−3, 5] наблюдаются разрядные фигуры весьма сложной формы. Имеющиеся в литературе данные не позволяют пока что однозначно определить факторы, приводящие к асимметрии этих фигур или к резкой неоднородности их контура.

В настоящее время трудно выделить параметры исследуемых объектов, влияющие на разрядные фигуры с той же четкостью, как это было сделано при анализе лавинной ГРВ. Тем не менее, на основании имеющихся данных и общего рассмотрения процесса поверхностного разряда, по-видимому, можно указать на следующие основные информативные параметры объектов.

1. Факторы, влияющие на величину и конфигурацию электрического поля у краев объекта, например, пространственная или временная неоднородность объекта по химическому составу, электропроводности и т. п., так как эти факторы могут вносить изменение в конфигурацию разрядных картин вблизи объекта и в какой-то степени определять их форму. Пространственная или временная неоднородность эмиссионных параметров (работа выхода) краев объекта, так как эти параметры могут определять начальную стадию развития разряда.

Пространственная или временная неоднородность газовыделения объекта, так как эти факторы могут изменять как параметры разрядных треков (длина, разветвленность), так и излучение разряда (интенсивность, спектральный состав).

Необходимо также иметь в виду, что на разрядные картины помимо объекта могут оказывать сильное влияние рассмотренные выше «побочные» факторы, причем, в ряде случаев их воздействие трудно выявить в полной мере. На ток разряда, а, следовательно, и на получаемые изображения может влиять и общий импеданс электрической цепи, включая источник напряжения, разрядное устройство, соединительные провода и пр. Все это в какой-то степени ограничивает в настоящее время область применения метода. По-видимому, целесообразнее всего использовать его для контроля изменений визуализируемых параметров одного и того же объекта во времени.

Метод поверхностной ГРВ представляет несомненный интерес для исследования не только неорганических, но и в особенности биологических объектов. Однако, как следует из рассмотренного материала, для более широкого его внедрения необходимы дальнейшие более детальные исследования физических процессов, протекающих в скользящем разряде, и связи этих процессов с параметрами изображений.

1.1.3 Вакуумная ГРВ

Метод визуализации с помощью разряда при пониженном давлении газа применяется пока что значительно реже, чем рассмотренные выше способы, однако он несомненно заслуживает обсуждения. На рисунке 8, показана принципиальная схема устройства для осуществления вакуумной ГРВ.

Рисунок 8 — Принципиальная схема устройства для вакуумной ГРВ: 1-исследуемый объект, 2-герметичный баллон, 3-люминесцентный экран, 4- источник напряжения

Увеличенное изображение объекта 1 помещенного внутрь герметичного баллона 2, формируется на токопроводящем люминесцентном экране 3 в виде темного рисунка на более светлом фоне. Рассмотрим более подробно физические процессы, лежащие в основе этого метода. Исследования [8, 10, 19] показали, что получение четких изображений при вакуумной ГРВ возможно лишь в строго определенных условиях. Первое из них: на объект 1 должен быть подан отрицательный относительно экрана 3 потенциал. Из этого следует, что образование изображения обусловлено бомбардировкой экрана электронами (что подтверждается также экспериментами с воздействием на разряд магнитного поля [19]). Очевидно, что электронный поток сможет донести до экрана информацию об объекте, например о рельефе его поверхности, только в том случае, если этот поток не рассеивается при движении к экрану, т. е. когда средняя длина свободного пробега электрона соизмерима с расстоянием от объекта до экрана. Это условие налагает жесткие ограничения на изменения таких параметров, как давление газа р и межэлектродное расстояние d, в пределах которых возможна визуализация объекта. В работе было показано, что рассмотренным выше условиям отвечает специфическая форма самостоятельного тлеющего разряда, описанная в литературе под названием «плотный тлеющий разряд» (ПТР). Для этого разряда характерно наличие протяженной области катодного падения потенциала (КПП), простирающейся при ~10^-3 мм рт. ст. на несколько сантиметров. В таких условиях энергия эмитированных катодом (объектом) электронов быстро становится выше той, которая соответствует максимуму функции ионизации [21], и они пролетают область КПП без столкновений. Около анода, расположенного от катода на расстоянии близком к средней длине свободного пробега электрона, некоторые электроны испытывают неупругие соударения, создавая в результате, ударной ионизации небольшой прианодный слой квазинейтральной плазмы (в этом процессе участвуют также и электроны, отраженные от анода [17]). Основная масса электронов пучка пролетает слой плазмы без столкновений и формирует на люминесцентном экране (аноде) изображение. Характерно, что как только расстояние от объекта до экрана превысит среднюю длину свободного пробега электрона, качество изображения ухудшается. Режим ПТР может быть получен как при постоянном, так и при переменном (импульсном, синусоидальном) напряжении. При постепенном увеличении его амплитуды, сначала (при напряжении зажигания U_a) появляется короткий импульс тока амплитудой 100—300 -мкА, однако экран остается темным. Свечение экрана появляется при более высоком напряжении (напряжении свечения U_c), но изображение объекта все еще отсутствует — экран светится равномерно, и лишь когда напряжение превысит U_c на 6—12% (достигнет напряжения появления изображения U*), на экране формируется четкое изображение объекта. Значения всех этих трех пороговых напряжений существенно зависят от параметра pd. Изображения на экране могут формироваться в ограниченной области изменения напряжения, превышающего ; за верхним пределом этого интервала разряд переходит в иную форму, изображение исчезает, экран светится ярко и равномерно. При вакуумной ГРВ основную роль играет эмиссия электронов объектом. В условиях ПТР она происходит в результате, бомбардировки его поверхности быстрыми тяжелыми частицами. Основную роль при этом играют положительные ионы, вытягиваемые электрическим полем из прианодной области. Каждый такой ион при движении к объекту взаимодействует с атомами газа, участвуя в процессах передачи импульса, перезарядки, ионизации (при большой энергии), в результате чего на объект поступает несколько быстрых ионов и нейтралей. Поскольку —коэффициенты ионно-электронной эмиссии и кинетического выбивания электронов с поверхности нейтралями в рассматриваемом диапазоне соизмеримы [21], оба эти процесса дают заметный вклад в эмиссию электронов объектом.

Рассмотрим более подробно процесс формирования изображений. Электроны, эмитируемые объектом, имеют небольшую начальную энергию (порядка 1 — 3 эВ [21, 22]), а векторы их скорости распределены по закону косинуса. Если объект однороден, эмитированные электроны попадают в однородное ускоряющее электрическое поле и, бомбардируя экран с большой энергией, вызывают его равномерное свечение. Наличие у объекта потенциальной или геометрической неоднородности вызывает искажение электрического поля у поверхности, в результате чего наряду с нормальной появляется тангенциальная составляющая поля. Эмитированные электроны получают под ее воздействием тангенциальную компоненту скорости, что приводит к отклонению их траекторий и вызывает ослабление свечения соответствующих участков экрана. Экспериментальные исследования показывают, что рассматриваемым методом можно обнаружить неоднородности с характерными размерами (например, с радиусом выступа на металлической поверхности), превышающими ~5 мкм, что не противоречит развитым выше представлениям. Очевидно, что методом вакуумной ГРВ можно разрешать лишь те неоднородности, расстояние между которыми заведомо превышает их характерные размеры, и что при визуализации рельефа объекта, как вогнутости, так и выпуклости отображаются на экране в виде темных участков.

Имеющиеся экспериментальные данные позволяют рекомендовать в качестве наиболее благоприятных следующие условия проведения опытов: напряжение питания либо постоянное, либо синусоидальное (частотой не выше ~10⁵ Гц), либо импульсное (при длительности импульсов на уровне более 1 мкс). Необходимо отметить, однако, что положение границ области визуализации может в какой-то степени зависеть от геометрии разрядной колбы из-за влияния заряда стенок. Очевидно, что визуализируемые объекты должны удовлетворять требованиям вакуумной гигиены и выдерживать бомбардировку поверхности быстрыми тяжелыми частицами без существенной эрозии.

Метод вакуумной ГРВ может найти применение при исследовании эмиссионных процессов поверхности катодов, работающих в условиях газового разряда или низкого вакуума, в устройствах отображения информации и т. п. Основные преимущества способа— относительная простота технической реализации и малая потребляемая мощность.

В последних публикациях научных исследований ГРВ были приведены другие названия методов «поверхностная» ГРВ получила названия «скользяще-искровой». Более подробно можно рассмотреть классификацию ГРВ в таблице 1.

Таблица 1. Условия реализации способов ГРФ по методу Кирлиан

Было бы естественно поставить вопрос о том, какое место среди имеющихся многочисленных способов получения изображений объектов, занимают рассмотренные выше методы ГРВ. Во-первых, очевидно, что эти методы отнюдь не вытесняют какие-либо из методов известных ранее, а лишь дополняют их. Во-вторых, во многих случаях применение методов ГРВ оказывается более экономичным по сравнению с другими, так как позволяет получать результаты с меньшей затратой средств и более оперативно. В-третьих, можно указать на ряд задач (например, на проблему обнаружения скрытых дефектов в изделиях при неразрушающем контроле их качества), которые вряд ли могут быть решены столь же эффективно другими методами. Наконец, в-четвертых, можно ожидать в ближайшее время значительно более интенсивного применения методов ГРВ в медико-биологических исследованиях и медицинской практике.

Необходимо отметить, однако, что при использовании методов ГРВ нужно в первую очередь учитывать их реальные возможности как принципиальные, обусловленные физическими процессами, лежащими в их основе, так и технические, связанные с особенностями исследуемых объектов, методическими трудностями и пр. Любая попытка выйти за пределы этих ограничений неизбежно приведет к ошибочным результатам (это важно учитывать при оценке результатов, содержащихся в различных публикациях).

Наконец, нужно решительно отказаться от попыток использовать эффекты, связанные с методами ГРВ, для каких-либо околонаучных построений, до сих пор, к сожалению, встречающихся в некоторых публикациях. Подводя итог изложенного, можно констатировать, что методы ГРВ завоевали прочные позиции в ряде областей науки и техники и что в ближайшем будущем следует ожидать еще более интенсивного их использования. Очевидно, что для более широкого их внедрения в практику, необходима дальнейшая целенаправленная разработка проблем, связанных как с исследованием физических основ этих методов, так и с созданием серийной технической аппаратуры для их применения, прежде всего высоковольтных источников напряжения с нужными параметрами.

1.2 Электромагнитное поле и его воздействие на биообъекты

Электромагнитное поле, являясь видом материи, обладает массой, энергией и импульсом, которые перемещаются в пространстве в виде электромагнитных волн. Они образованы электрической E и магнитной Н составляющими, которые перпендикулярны друг другу и направлению распространения. Основными параметрами электромагнитных волн являются частота f, длина волны l и скорость распространения c. Эти параметры связаны соотношениями f=c/l, справедливым для свободного пространства, где c=3Ч10⁸ м/с. Если скорость света выражена в м/с, частота f в МГц, то длину волны l можно определить по формуле: l=300/f.

В электромагнитной волне, распространяющейся от точечного источника излучения, в зависимости от расстояния, различают три условные зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю. Поскольку в ближней и промежуточной зонах пространственная структура электромагнитного поля неоднородна, то это существенно усложняет как измерение поглощенной энергии, так и прогнозирование возможного биологического влияния. К дальней зоне относится область, находящаяся на расстоянии от источника излучения более чем 2L^2/l, где L — максимальный линейный размер источника.

Изучению характера воздействия электромагнитного поля на живые объекты посвящено огромное количество публикаций как теоретического, так и экспериментального плана. Изучались и простейшие организмы (амебы, бактерии, парамеции), и насекомые, и растения, и высокоорганизованные животные.

В последние годы отчетливо обозначилась проблема поиска физического механизма биологического действия слабых электромагнитных полей и излучений. Эти факторы внешнего воздействия, слабые в энергетическом смысле, способны иногда оказывать достаточно сильное воздействие на состояние или поведение биологического объекта. Такие свойства характерны для информационных воздействий, при которых интенсивность реакции объекта соразмерна не столько энергии фактора воздействия, сколько информационной значимости его для объекта и той доли энергии метаболизма, которая вовлекается в формирование его ответной реакции. Экспериментальные факты в этой области исследований множатся, а перспективные теоретические подходы к выявлению биофизических механизмов этих явлений пока не найдены. Многие остроумные гипотезы о первичных механизмах действия слабых полей и излучений, использующие предполагаемые уникальные свойства живого организма или клетки, все более теряют свою привлекательность с ростом числа экспериментальных работ, в которых показано, что многие наблюдаемые биологические эффекты могут быть воспроизведены при предварительном воздействии на воду (точнее, на водную систему с растворенными в ней солями и газами) и при последующем воздействии обработанной воды на биологический объект. Это подкрепляет часто высказываемые предположения о том, что именно водная компонента живого объекта может быть первичной мишенью воздействия слабых электромагнитных полей и излучений.

Одним из важных условий для взаимодействия с биологическими объектами является поляризация электромагнитной волны, которую определяет положение векторов Е и Н в пространстве. Горизонтальное или вертикальное расположение Е вектора определяет электромагнитную волну, соответственно, как горизонтально или вертикально поляризованную. Интенсивность магнитного поля оценивается плотностью потока энергии в диапазоне частот от 0,3 ГГц до 3000 ГГц и электрической составляющей Е и магнитной Н в диапазоне частот от 3 Гц до 3 МГц. Рассмотрим влияние электромагнитного излучения на человека и взаимодействие электромагнитных полей с биологическими объектами вообще. Физические аспекты взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами рассматриваются на макрои микроскопических уровнях. Макроскопический подход предполагает получение информации о поведении биологического объекта в поле, складывающееся из количественной оценки поглощённой, прошедшей или отражаемой им энергии падающей волны, топологической картины распределения поглощённой мощности, т. е. дозиметрии. Микроскопическое взаимодействие рассматривает явления на уровне атомов, молекул, надмолекулярных структур и клеток, что по сути дела является биофизическими механизмами действия электромагнитных полей. Эффект взаимодействия электромагнитного поля с биологической средой будет находиться в зависимости от поглощённой за определённое время энергии поля, т. е. дозы облучения. В его основе лежит преобразование энергии поля в тепло, которое осуществляется по двум классическим механизмам, определяемым диэлектрическими характеристиками биологического материала: индуцирования токов и вращение/перемещение молекул.

Вопросы дозиметрии электромагнитных полей очень сложны, т.к. величина поглощенной энергии определяется не только интенсивностью и частотой поля, но и размерами, формой объекта, его расположением относительно Е и Н векторов, внутренней структуры, окружающим пространством, наличием заземления и многими другими факторами. В качестве характеристики величины поглощенной энергии используется параметр УПМ (удельная поглощенная мощность).

Глубина проникновения и длинна волны в тканях тела человека и животных зависит от содержания в них воды и при её высокой концентрации эти величины меньше, чем в противоположном случае. Нагрев биологического материала является основным механизмом преобразования энергии электромагнитного поля высокой интенсивности. Изменение температуры тела может служить пусковым механизмом для различных реакций, уровень изменений которых зависит от терморегуляторных и метаболических характеристик конкретной функциональной системы организма. Любое по своей природе повышение температуры связано с изменением теплового баланса между скоростью поступления энергии в объект и её выведением. Одним из защитных механизмов, обеспечивающих элиминацию избыточной тепловой энергии, является способность к теплообмену, которой обладает система кровообращения. Однако, структурно-функциональные особенности некоторых органов, обладающих слабой терморегуляционной системой, не способной достаточно эффективно отводить тепло, или характеризующихся повышенной чувствительностью к изменению температуры, ставят их в разряд критических. В первую очередь, к ним относится хрусталик глаза, когда на фоне отсутствия тепловых ощущений, особенно при низких интенсивностях электромагнитных полей, в нем наблюдается изменения, приводящие к помутнению — катаракте. Незначительное повышение температуры может привести в биологических объектах к ускорению многих физиологических и биохимических процессов более чем в два раза, которые могут в результате привести к возникновению значимых реакций. С другой стороны, открытое проявление такой реакции может быть скрыто за счет работы системы поддержания терморегуляционного гомеостаза, вследствие чего возникает возможность формирования множества вторичных эффектов, различных как по величине, так и по своей направленности.