Диэлектрические свойства увлажненных природных и искусственных дисперсных сред при криогенных температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи

ФИЛИППОВА Татьяна Георгиевна

Диэлектрические свойства увлажненных природных и искусственных дисперсных сред при криогенных температурах

Специальность 01.04.03 - радиофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2003

Работа выполнена в лаборатории геофизики криогенеза Читинского института природных ресурсов СО РАН

Научные руководители: доктор физико-математических наук, про-

фессор Ильин Вадим Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор Бордонский Георгий Степанович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Бобров Павел Петрович

кандидат физико-математических наук Бахтина Елена Юрьевна

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН

Защита состоится_2003 г. в_час. на заседании диссертационного совета К 212.154.08 при Московском педагогическом государственном университете (физический факультет) по адресу: 119435, г. Москва, ул. Малая Пироговская, д. 29, ауд. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского педагогического государственного университета (119992, г. Москва, ул. М. Пироговская, Д- 1).

Автореферат разослан__2003 г.

И.о. ученого секретаря диссертационного совета

Васильева И.А.

ос>3- А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Радиофизические измерения параметров природных и искусственных сред широко используются как в научных исследованиях, так и в различных практических приложениях. Такие исследования позволяют получить информацию о внутренней структуре вещества без его разрушения. Одним из важных направлений радиофизических исследований является ди-электрометрия дисперсных сред (ДС). Данное направление включает в себя измерение диэлектрических характеристик ДС, их зависимости от температуры и других внешних параметров, на основе чего возможно решение задачи о физических свойствах и особенностях структуры таких сред.

ДС включает в себя широкий класс объектов, как искусственных, так и природных, в том числе грунты, знание физико-химических параметров которых имеет важное прикладное значение. Увлажненные ДС - сложные гетерогенные системы, особенностью которых является возможность значительного преобразования структуры и свойств при фазовом переходе вода-лед. При этом температура фазового перехода в ДС сильно зависит от взаимодействия молекул воды с поверхностью частиц других компонент. При изменении температуры ДС, пройдя через точку фазового перехода - 0°С, содержит воду как в твердом, так и в жидком состоянии, что определяет особенности и многообразие ее диэлектрических свойств.

Несмотря на широкое изучение ДС, появляются все новые и новые данные об их необычном поведении и физических свойствах (это относится к средам разнообразной природы, в том числе композитным, а также веществам со сложным молекулярным строением).

Композитные среды* разнообразного состава и структуры, которые можно считать разновидностью ДС, обнаруживают необычное поведение диэлектрической проницаемости [1]. В частности, как показано в [1, 2], в искусственных диэлектриках с регулярной пространственной проводящей структурой в виде колец, спиралей, шаров и т.п. обнаружены одновременно отрицательные диэлектрическая и магнитная проницаемости. Следствием данного эффекта является возникновение отрицательной дисперсии волн, а также необычных законов преломления и распространения электромагнитного излучения [3].

С другой стороны, изучение мерзлых грунтов привело к открытию в них немонотонного хода диэлектрической проницаемости при изменении температуры в микроволновом диапазоне.

Даже из приведенного выше краткого перечисления последних публикаций очевидна актуальность исследования физических механизмов диэлектрической релаксации в увлажненных ДС.

В связи с этим цель работы состояла в проведении детальных исследований диэлектрических характеристик природных и искусственных ДС в низ-, кочастотном и СВЧ диапазонах электромагнитного излучения при температурах +20 - -180°С для построения адекватной модели

ДС.

Конкретные задачи исследования состояли в:

- изучении температурных зависимостей действительной и мнимой частей комплексной диэлектрической проницаемости, содержащих воду ДС на основе песка в широком диапазоне температур (+20 - -180°С);

- исследовании диэлектрических параметров мерзлых грунтов, а также искусственных ДС в широком частотном интервале 120 Гц - 100 кГц и 5 - 8 ГГц;

- изучении температурных зависимостей диэлектрических параметров мерзлых ДС одновременно радиофизическими и теплофизическими методами;

- создание на основе экспериментальных данных физической модели, позволяющей объяснить аномалии низкочастотных и высокочастотных электромагнитных свойств мерзлых ДС.

Для решения поставленных задач использовались различные методы физических исследований, поскольку использование лишь одного метода измерений, а также проведение измерений в узком интервале частот недостаточно полно отражают всю совокупность свойств исследуемого объекта. В данной работе использован комплексный метод исследований, заключающийся в выполнении измерений диэлектрической проницаемости одних и тех же объектов в широком диапазоне частот, включающих низкие и сверхвысокие, одновременные измерения £ и теплофизических параметров. Для повышения достоверности результатов исследовались как ДС природного происхождения, так и искусственные, модельные объекты.

Полученные экспериментальные данные послужили основой для создания достаточно общей физической модели ДС, описывающей ее главные свойства. На этой основе удалось объяснить значительное число электромагнитных характеристик ДС и их аномалий.

Научная новизна и теоретическая значимость исследования связаны

- с исследованием увлажненных ДС при помощи различных радиофизических методов в широком интервале частот от 120 Гц до 37,5 ГГц, проведением одновременных электрофизических и калориметрических измерений при охлаждении сред до -180°С, что позволило выявить ранее неизвестное явление - влияние перколяции (проводимости по пленкам воды) на величину диэлектрической проницаемости ДС;

- с предложенной и теоретически и экспериментально обоснованной пер-коляционно-кластерной моделью ДС, на основе которой возможны разработки радиофизических моделей конкретных типов увлажненных ДС при криогенных температурах;

- с исследованием радиофизических свойств модельных искусственных сред, в частности, содержащих мелкие проводящие частицы, которое подтверждает влияние перколяции на диэлектрические свойства ДС.

'Достоверность полученных результатов определяется

а) значительным количеством выполненных экспериментов, использованием различных современных методик и методов исследований, широким интервалом использованных частот и температур;

б) совпадением ряда экспериментальных результатов с данными измерений других авторов;

в) согласием полученных экспериментальных данных с теориями и моделями, построенными на основе современных физических представлений об электромагнитных свойствах вещества.

Практическая ценность работы заключается:

- в получении новых данных о радиофизических свойствах ДС, что расширяет знания в области электромагнитных свойств природных объектов;

- в обосновании возможности усовершенствования методов и конкретных методик исследования увлажненных ДС при низких температурах, а также в интерпретации получаемых при этом экспериментальных результатов на основе предложенной физической модели

- в установлении дополнительных возможностей использования диэлектрических измерений для изучения физико-химических процессов в мерзлых ДС.

На защиту выносятся следующие положения:

- по изучению влияния полярных жидкостей (Н20, D20, С2Н5ОН и их смесей) на диэлектрические характеристики ДС при криогенных температурах установлены особые свойства воды, содержащейся в них;

- обнаружен гистерезис комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных ДС при криогенных температурах в квазистационарном электрическом поле, что указывает на их сегнетоподобное поведение;

- экспериментально доказано влияния перколяции на рост диэлектрической проницаемости увлажненных ДС при изменении температуры на низких частотах;

- экспериментально подтверждено влияние перколяции на электромагнитные свойства увлажненных ДС на основе песка при отрицательных температурах в СВЧ-диапазоне;

-определены ограничения существующих методик измерений диэлектрических параметров ДС, связанные с их нелинейностью вблизи точки перколяции как при измерениях на низких, так и на сверхвысоких частотах.

Апробация работы. Основные результаты диссертационного исследования были представлены на Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами»4 в г. Муроме (2001 г); XX Всероссийской конференции по распространению радиоволн в г. Н. Новгороде (2002 г); Международной конференции по физике внутренних водоемов в г. Петрозаводске (2003 г); научных сессиях ЗабГПУ по итогам научно-исследовательской работы (2000, 2002, 2003 гг); научных семинарах лаборатории геофизики криогенеза ЧИПР СО РАН, ИКИ РАН и Mill У.

Публикации. По результатам исследования опубликовано 9 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем работы составляет 124 страниц, в том числе 23 страницы рисунков. Список использованной литературы содержит 105 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении раскрывается актуальность исследования, перечисляются цели и задачи исследования, основные результаты, а также приводится краткий обзор работы.

В первой главе «Обзор литературы и постановка задачи» выполнен обзор литературы по теме исследования.

Первый параграф данной главы посвящен современному состоянию теории диэлектриков применительно к природным и искусственным ДС. Обсуждается ряд теорий, каждую из которых нельзя считать строго обоснованной из-за упрощений, которые были приняты при ее создании.

Во втором параграфе основное внимание уделяется структуре и диэлектрическим свойствам воды и льда. Исследования данной проблемы далеки от завершения, особенно это касается граничных слоев - пленочной влаги, квазижидкого слоя, поверхностных слоев кристаллов и т.д.

В третьем параграфе приводятся основные экспериментальные данные по диэлектрическим свойствам грунтов и мерзлых пород. В их числе частотные и температурные зависимости действительной и мнимой частей диэлектрической проницаемости для криогенных структур, аномалии которых на низких и сверхвысоких частотах в настоящее время не имеют достаточно четкого объяснения.

На основе обзора литературы в конце первой главы сформулированы задачи данного диссертационного исследования.

Вторая глава «Техника и методика эксперимента» В данной главе приводится описание методов и экспериментальных установок, использовавшихся для измерения диэлектрических характеристик различных ДС при изменении температуры от +20° до -180°С. Особенностью работы является ее комплексный характер, заключающийся в одновременном использовании нескольких различных методов для исследования физических характеристик увлажненных ДС и их модельных аналогов. Это позволяет существенно увеличить количество и качество получаемой информации о физических свойствах исследуемых объектов.

Изучение диэлектрических параметров исследуемых ДС в низкочастотном диапазоне проводилось с использованием измерительного конденсатора на 120 Гц, 1 кГц, 10 кГц и 100 кГц, используя автоматическую запись с частотой до 10 измерений в секунду. В СВЧ-диапазоне образцы ДС исследовались резо-наторным методом на частотах 5-8 ГГц. Кроме того, вьшолнялись радиометрические исследования в на частотах от 5,2 до 37,5 ГТц.

Одновременно с диэлектрическими исследованиями образцов ДС, проводились их калориметрические исследования, что позволяет получить дополнительную информацию о процессах, происходящих в формирующейся криогенной среде. Совмещение абсолютных калориметрических измерений тепловых величин с. микроволновыми - весьма сложная задача. Она была решена с применением сравнительного метода, когда осуществлялась запись изменений температуры во времени при равномерной подаче охлаждающего газа в термокамеру с измеряемой ячейкой или резонатором. Данный метод является разно-

видностью метода дифференциальной сканирующей калориметрии и имеет достаточно высокую чувствительность и относительно малую инерционность.

Было исследовано также влияние квазистационарного электрического поля на низкочастотные и микроволновые диэлектрические параметры мерзлых ДС. Для этого было предусмотрено такая модификация экспериментальных установок, которая позволяла накладывать на исследуемый образец квазистатическое электрическое поле, напряженность которого менялось от 0 до 500 В/м.

В работе исследовались гетерогенные мелкодисперсные среды различной природы (кристаллические, некристаллические, полимерные, состоящие из органического вещества), увлажненные полярными жидкостями - обычной Н20, тяжелой водой 020, этиловым спиртом С2Н5ОН и их смесями. Проводились также измерения диэлектрических характеристик древесины с ориентацией волокон параллельно и перпендикулярно электрическому полю, а также искусственной среды, состоящей из сухого песка и металлических частиц.

Выбор частотных диапазонов связан с величинами частоты релаксации воды в жидком и твердом состоянии, которая составляет ~ 10 ГГц и порядка единиц килогерц соответственно. Таким образом, частоты измерений находятся вблизи или ниже частоты релаксации воды и льда.

Выбор температурного диапазона обусловлен следующими соображениями: поскольку свободная вода имеет максимум плотности при +4°С, ее фазовый переход в твердое состояние происходит при 0°С. В то же время вымерзание связанной влаги может происходить вплоть до достаточно низких температур -180°С. Поэтому целесообразно исследовать поведение ДС во всем этом диапазоне: от температуры выше +4°С до температуры кипения жидкого азота. Поскольку фазовые переходы наиболее ярко проявляются при охлаждении, было выбрано направление измерений, которые проводились при понижении температуры. В некоторых случая измерения проводились также и на обратном ходе температуры, т.е. при оттаивании образцов.

В третьей главе «Измерение диэлектрических параметров дисперсных сред на низких частотах» приведены результаты измерений комплексной диэлектрической проницаемости ДС на основе двух фракций песка с размером гранул 0,2-0,4 мм и 0,4-0,8 мм, увлажненных легкой Н20, тяжелой Б20 водой, этиловым спиртом С2Н5ОН и их смесью. Здесь же приведены результаты измерений древесины и искусственной среды, состоящей из песка и металлических опилок.

При положительных температурах значения реальной е' и мнимой е" частей комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных ДС велики и могут достигать в некоторых случаях ~ 105 и ~ 10б соответственно. По мере понижения температуры в среде наблюдается фазовый переход свободной воды в лед, который на графиках температуры от времени имеет вид температурного скачка, а на зависимости е'(Т) ему соответстуют изгибы кривых по оси абсцисс. При дальнейшем понижении температуры наблюдается резкий спад мнимой части комплексной диэлектрической проницаемости е", который сопровождается ростом ее действительной части е', с последующим резким снижением

(рисунок 1). При уменьшении температуры, после -35°С и е', и е" изменяются плавно в сторону уменьшения. Однако возможны некоторые отклонения в виде немонотонностей температурного хода и небольших экстремумов е" при низких температурах -100°С).

Рисунок" 1. Температурная зависимость диэлектрических параметров крупного песка влажностью 5,6% при измерениях на 1 кГц: а) е', б) е", в) тангенс угла потерь. Стрелками указано направление изменения температуры.

Измерения зависимостей е' и б" для других сред, например, образцов древесины сосны с влажностью около 50%, показывают близкое поведение, однако резкое увеличение действительной части диэлектрической проницаемости вблизи фазового перехода отсутствует.

Обычно измерения температурной зависимости диэлектрических параметров производились на фиксированной частоте. При некоторых температурах замеры проводились на четырех частотах. Это позволило для одного образца получить при определенных температурах частотные зависимости в' й г". Оказалось, что зависимости в" от частоты для ДС на основе песка и древесины в

двойном логарифмическом масштабе, имеют вид прямых. Это возможно, если:

«

где А - константа, связанная с проводимостью среды, í-частота поля, а а меняется от 0 до 3 и зависит от температуры и влажности ДС.

Для адекватной интерпретации ряда аномальных свойств увлажненных ДС было необходимо смоделировать эти свойства с помощью искусственных сред. Нами была измерена комплексная диэлектрическая проницаемость подобной среды, состоящей из смеси сухого песка и проводящих железных опилок, концентрацию которых к=топилок/шпеска можно было менять. На рис. 2 а, б представлены полученные зависимости емкости С измерительной ячейки и ее проводимости О, (по которым можно вычислить е' и б") от концентрации к металлических опилок.

100000

10000 -1000 -100 ■ 10 • 1

С, пФ

0,2

0,6

о,в

1,2

юоооо 10000 • 1000 100 10 1 0,1

в, нСм

Рисунок 2. Зависимости а) емкости измерительной ячейки и б) ее проводимости от концентрации проводящих частиц в песке; в) связь тангенса угла потерь ДС и емкости измерительной ячейки.

При малых значениях к величины действительной и мнимой частей' диэлектрической проницаемости невелики. Как только концентрация проводящей фракции достигает некого порогового значения, диэлектрическая проницаемость такой системы скачкообразно возрастает на 3 - 4 порядка (рис. 2 а). При этом растет и эффективная проводимость системы (рис. 2 б). В точке, где наблюдается скачок емкости образца (или £'), тангенс угла потерь близок к

блюдается скачок емкости образца (или б'), тангенс угла потерь близок к единице (рис.2 в)

При низкочастотных измерениях песка, увлажненного тяжелой водой, зависимости действительной и мнимой частей комплексной относительной диэлектрической проницаемости от температуры, частоты и влажности, в целом, имеют тот же характер, что и в случае увлажнения водой Н20.

В среде, увлажненной 96% спиртом, аномальных эффектов отмечено не было. Значения диэлектрической проницаемости близки к табличным. При добавлении к спирту воды значения г' и е" резко возрастают, наблюдаются множественные изменения диэлектрических параметров (скачки электрических характеристик), которые носят случайных характер. Кроме того, появляются аномалии изменения температуры таких образцов.

В четвертой главе «Измерение электромагнитных параметров увлажненных ДС в СВЧ - диапазоне волн» представлены результаты измерений ДС на основе песка при отрицательных температурах резонаторным и радиометрическим методами. Здесь же приведены результаты исследования ДС на основе других материалов.

Резонансная кривая при заполнении резонатора сухим песком или песком гигроскопической влажности имеет один максимум, как это и должно быть для однородной системы.

Резонатор, полностью заполненный ДС на основе увлажненного песка при отрицательной температуре, когда криогенная структура уже сформирована, имеет спектр пропускания, который сильно отличается от такового для однородных систем. При увлажнении песка как обычной Н20, так и тяжелой Б20 водой наблюдались дополнительные резонансные пики (рис. 3), отсутствующие в спектре пропускания для случая однородной среды. При изменении температуры от -5 до -120°С вид кривой пропускания постоянно изменялся, однако общая картина - несколько пиков с искаженной формой - оставалась неизменной.

5,91 7,94 1ГГц 6,00 8,02 , ГГц { ГГц

Рисунок 3. Резонансные кривые песка, увлажненного Н20 (влажность - 13%) при различных температурах.

Для изучения влияния квазистационарного электрического поля на образцы'между пластиной, помещенной в ДС и стенками волновода создавалось постоянное электрическое поле. При этом никаких изменений резонансных характеристик обнаружено не было вплоть до значения напряженности поля ~ 500 В/см.

Для выяснения природы дополнительных пиков в спектре пропускания резонатора исследовались различные среды как однородные (монолитные вставки фторопласта, плексигласа, сухие и покрытые пленками воды), так и дисперсные, в том числе искусственная среда, состоящая из сухого песка и проводящих металлических опилок. Такая среда при определенной концентрации проводящих частиц является перколяционной, в ней возникает сквозная проводимость - перколяция.

Измерялись резонансные характеристики этой среды с различным соотношением песка и металлических опилок к. При малой концентрации проводящих частиц к = 0,2 наблюдалась картина (рис. 4 а)., аналогичная той, которая получена для чистого сухого песка. При увеличении концентрации проводящей фракции в спектре пропускания возникают множественные резонансы (рис. 4 б).

ских частиц при отношении массы опилок к массе песка, равном единице.

Измерения промерзающего влажного песка, проведенные радиометрическим методом в свободном пространстве, выявили некоторые особенности, за- -ключающиеся в повышенных значениях е" на частоте 5,2 ГГц по сравнению с 13,5 ГГц и 37,5 ГГц. Как известно, для пресного льда, диэлектрическая проницаемость е" тем больше, чем выше частота. Поэтому в эксперименте имеет место несоответствие с моделью для однородной смеси сухого песка и льда. Причины этого несоответствия могут объясняться существованием внутренних не-однородностей в среде, приводящих к появлению рассеяния излучения. Из анализа результатов измерений следует, что характерные размеры рассеивателей должны быть около миллиметра.

В пятой главе «Модель диэлектрической релаксации увлажненных дисперсных сред при отрицательных температурах» обобщаются результаты низкочастотных и высокочастотных измерений электромагнитных параметров увлажненных ДС. Предлагается новая физическая модель их диэлектрических свойств, на основании которой можно создать электродинамические модели увлажненных ДС.

Основные экспериментальные результаты, которые легли в основы модели приведены в главах III, IV и заключаются в следующем.

При низкочастотных измерениях увлажненных ДС отмечены

- аномально высокие значения действительной е' и мнимой е" частей диэлектрической проницаемости, достигающие в некоторых случаях ~ 105 и ~ 106, соответственно;

- резкое увеличение диэлектрической проницаемости е' вблизи температуры фазового перехода в узкой области температур (порядка нескольких градусов), и последующий спад е' и е", что свидетельствует о преобразовании структуры ДС;

- немонотонное изменение диэлектрических свойств при охлаждении ДС до -150°С.

При измерениях на СВЧ имеет место

- появление дополнительных резонансов в спектрах пропускания резонаторов, полностью заполненных ДС при отрицательных температурах;

- расхождение измеренных разными методами значений диэлектрической проницаемости.

Указанные результаты должны получить объяснение в рамках единой модели диэлектрической релаксации увлажненных ДС. Такой моделью, на наш взгляд, является перколяционно-кластерная модель.

При замерзании воды в ДС на поверхности частиц или в поровом пространстве могут существовать островковые образования - кластеры жидкой НгО. В зависимости от числа молекул в них, а также от того, какова природа окружающих их частиц, кластеры могут проявлять различные свойства.

Кластерные структуры в мерзлых ДС изучены недостаточно. Имеются лишь отдельные исследования, представляющие интерес для разработки физической модели электромагнитного поведения ДС. Так, например, в работе [4] исследована компьютерная модель механизма плавления микроскопических кластеров льда, состоящих из десятков молекул. Выявлено их специфическое поведение, которое заключается в изменении температуры трансляционного и ориентационного упорядочения в зависимости от числа молекул, составляющих кластер. Температура плавления кластеров воды различного размера оказывается размытой приблизительно на 10 К. В зависимости от числа молекул в кластерах воды фазовый переход может происходить при температурах, значительно отличающихся друг от друга. Наличие кластеров в системе может также приводить к возникновению в ней аномалий температурных зависимостей ряда параметров, в том числе и диэлектрических [4].

В наших экспериментах также наблюдались немонотонные изменения диэлектрических свойств ДС в широком температурном интервале от -20°С --180°С. Эти изменения, по нашему мнению, могут быть связаны с наличием кластеров в исследуемых ДС, однако данные кластеры нельзя считать изолированными как в [4].

. Можно предположить, что в исследовавшихся нами ДС возникают условия, способствующие образованию кластеров. В этом случае кластеры должны представлять собой островковые образования на поверхности гранул ДС. Это значит, что на их свойства должна оказывать существенное влияние поверхность гранул. Возможно, что такие кластеры обладают целым рядом необычных свойств.

В качестве доказательства этого утверждения можно назвать работу [5], где исследуется контакт металла с тонким слоем диэлектрика. При плавлении металла диэлектрик менял свои свойства, приобретая проводимость. Подобные явления изучены пока недостаточно. К числу необычных свойств тонких пленок воды в ДС можно отнести возникновение льда, обладающего сегнетоэлек-трическими свойствами [б]. Данное предположение подтверждается также результатами работы [7], где получены сегнетоэлектрические пленки льда на поверхности кристаллов платины при температуре ~ -110°С. Поэтому вполне вероятна возможность образования таких пленок на поверхности кристаллов других веществ.

Мы предполагаем, что особенности диэлектрических свойств при температурах ниже -30°С, когда значительная часть свободной воды находится в твердом состоянии, могут определяться именно кластерными структурами.

Теория перколяции (протекания) используется в физике для изучения процессов в неоднородных средах со случайными свойствами, зафиксированными в пространстве и неизменными во времени. Эффекты, описываемые теорией перколяции, относятся к критическим явлениям. При этом в теории вводится понятие перколяционного кластера, под которым понимается виде совокупность связанных друг с другом узлов периодической решетки. Понятие перколяционного кластера распространяется также на задачу со случайным распределением узлов в пространстве.

Вблизи критической точки система распадается на блоки, причем их размеры неограниченно растут при приближении к критической точке. В ней возникает бесконечный перколяционный кластер, его появление аналогично фазовому переходу второго рода. Результаты перколяционной теории используются, в частности, при изучении электрических свойств неоднородных сред, к кото- -рым относятся ДС. Перколяционный фазовый переход возникает при некоторой концентрации р проводящего компонента, когда р > рс, где рс - порог протекания.

В работах, посвященных влиянию перколяционного эффекта (протекания) на диэлектрическую проницаемость в полупроводниках [8], было показано, что если концентрация носителей заряда в полупроводнике достигает некоторого критического значения, а проводимость диэлектрика равна нулю, статическая диэлектрическая проницаемость обращается в бесконечность. Если же проводимость и частота измерений отличны от нуля, диэлектрическая проницаемость принимает конечные, хотя и относительно большие значения.

Данная теория, по крайней мере, качественно может быть применена и к ДС, если в них достигается критический параметр, приводящий к перколяционной проводимости. Таким параметром является концентрация проводящих включений, случайным образом распределенных в смеси с частицами из диэлектрика.

В увлажненной мерзлой ДС роль проводящей фракции выполняют жидкие пленки воды, которые могут существовать в криогенной среде до достаточно низких температур (~ -180°С). Поэтому в увлажненных ДС и даже в относи-

тельно чистом поликристаллическом льду возникновение сквозной проводимости, т.е. перколяции представляется типичным явлением.

Электродинамические расчеты перколяционных сред достаточно сложны. Лишь в последнее время появились работы, где выполнены исследования диэлектрической проницаемости для некоторых их видов. В [9] приведен расчет е*е{г для двухкомпонентных двоякопериодических сред. Оказывается, что при частотах, близких к нулю, эффективное значение диэлектрической проницаемости е'ей- —»со (как и е"ей). В то же время принимает конечные значения, если обе среды проводящие. Если только одна среда проводящая, то тангенс угла потерь ^ ср) стремится к единице. Последнее утверждение может служить подтверждением того факта, что система «проходит» через порог перколяции. В высокочастотном пределе, когда со -» оо, е"ей- —> 0, а е'^ принимает конечные значения. Результаты этой работы не решают проблему полностью. В ней лишь получено представление о поведении е* в точке перколяции и только для одного частного случая. Тем не менее, в результатах [9] содержатся некоторые общие особенности поведения ДС в точке перколяции, совпадающие с результатами работы [8].

Суть перколяционно-кластерной модели увлажненных ДС заключается в следующем. При О К жидкая фаза в ДС отсутствует; при конечных температурах в ней будут появляться отдельные кластеры жидкой воды, которые с ростом температуры будут образовывать блоки на поверхности твердой фазы. При некоторой температуре в ДС возникает перколяционный кластер, обладающий сквозной проводимостью на постоянном токе. С этого момента существенную роль будет играть перколяционный механизм диэлектрической релаксации, и возникнет электрическая связь между удаленными элементами в среде, что приводит к кооперативным эффектам. Такая среда становится нелинейной и обладает чувствительностью к внешним воздействиям, максимальной в точке перколяции [8]. Электрическая связь по проводящим пленкам приводит к эффективному росту поляризации среды. Можно ожидать, что, как и в случае, рассмотренном в [9], токи смещения будут приблизительно равны токам проводимости, и тангенс утла потерь tg ф ~ 1. Конкретные детали модели должны разрабатываться с учетом свойств отдельных компонентов ДС, хотя и представленные ее общие физические свойства позволяют качественно объяснить некоторые особенности низкочастотных и микроволновых диэлектрических характеристик ДС.

В рамках перколяционно-кластерной модели может быть объяснен, наблюдающийся в наших экспериментах на низких частотах скачок действительной части диэлектрической проницаемости вблизи температуры фазового перехода (рис.1), а -также последующее ее уменьшение, сопровождающееся резким спадом е". При этом тангенс угла потерь достигает значений ~ 1, т.е. порог перколяции можно считать достигнутым.

На высоких частотах ситуация меняется, и перколяционные эффекты могут проявляться при более низких температурах даже в отсутствие сквозной проводимости. В этом случае связь между отдельными кластерами осуществля-

ется посредством токов смещения. Поэтому можно считать, что ряд результатов, полученных в микроволновых экспериментах, также связан с перколяци-онными явлениями.

Можно предположить, что в исследовавшихся нами ДС блоки, твердой фазы, разделенные пленками воды, имеют характерные размеры сопоставимые с рабочей длиной волны излучения. В этом случае ДС могут обладать свойствами фотонных кристаллов, т.е. пропускать излучение лишь в определенных частотных интервалах.

Указанные свойства наблюдаются в искусственных средах. Так, если в однородную среду помещена периодическая структура в виде отрезков проводников, спиралей, незамкнутых колец и т.п., то такая среда может обладать одновременно отрицательной магнитной и отрицательной диэлектрической проницаемостью [1]. Как отмечено в [3], среды с одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями обладают и отрицательной дисперсией. Это приводит к необычному преломлению электромагнитного излучения на границах сред из-за противоположного направления векторов фазовой (Уф=со/к) и групповой (Угр=с!со/с1к) скоростей. Таким образом, отрицательная дисперсия возникает в анизотропных средах и в средах с пространственной дисперсией, для которых размер неоднородностей сравним с длиной волны излучения.

Особенностью сред с отрицательной дисперсией являются не только необычные законы преломления, но и высокая чувствительность электромагнитных свойств к изменению параметров среды в определенных спектральных интервалах [1], что может, в частности, проявляться в виде дополнительных пиков на резонансных кривых.

Подобные особенности в спектрах пропускания резонаторов заполненным образцами ДС на основе песка при отрицательной температуре (дополнительные области пропускания), также можно объяснить наличием отрицательной дисперсии. В этом случае одно и то же значение волнового вектора в спектре пропускания резонатора наблюдается на нескольких частотах и определяется геометрическими размерами резонатора. Число наблюдаемых резонансов зависит от вида кривой дисперсии.

В подтверждение перколяционно-кластерной модели увлажненных ДС были проведены модельные эксперименты. В частности, ряд диэлектрических свойств таких сред на низких и высоких частотах был смоделирован с помощью искусственной перколяционной среды, состоящей из смеси сухого песка и металлических частиц. Оказалось, что полученные результаты хорошо описываются перколяционно-кластерной моделью среды. На низких частотах при достижении порога перколяции (рис. 2) действительная часть диэлектрической проницаемости такой среды резко возрастает, а тангенс угла потерь близок к единице. В СВЧ-диапазоне при достижении в искусственной среде определен- , ной концентрации проводящего компонента на резонансной кривой появляются дополнительные пики (рис.4), наличие которых также вытекает из перколяционно-кластерной модели. Напомним, что, как показано в гл.Ш, IV, это совпадает с результатами исследования увлажненных ДС.

Перколяционная структура имеет высокую чувствительность к внешним и внутренним факторам, в результате чего возникает неоднозначность измерений даже для одного образца. Кроме того, следует учитывать, что отрицательная дисперсия может быть выражена слабее у массивных образцов образовавшихся в открытом пространстве. Это связано с более однородными условиями, в которых образуется мерзлая среда. Поэтому для правильного определения свойств увлажненных дисперсных сред требуются многоплановые измерения с использованием различных методик.

В пятой главе также рассматриваются возможности практического применения результатов данного диссертационного исследования. Наиболее важным, на наш взгляд, является доказанная необходимость учета перколяционных явлений в мерзлых грунтах при интерпретации результатов дистанционного . зондирования подстилающих поверхностей, находящихся при отрицательных температурах. Подобный учет, несомненно, повысит точность мониторинга земной поверхности, выполняемого в полярных зонах Земли и криолитозонах ряда планет Солнечной системы и их спутников.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

- Впервые выполнены измерения диэлектрических параметров увлажненного песка одного состава в широком диапазоне частот, низких (120 Гц - 100 кГц) и сверхвысоких (5-8 ГГц), в области температур +20 - -180°С;

- впервые на основе исследований диэлектрических характеристик ДС, увлажненных несколькими полярными жидкостями (Н20, 020, этиловый спирт и их смеси), установлена определяющая роль воды в формировании эффективной диэлектрической проницаемости дисперсных сред;

- впервые выполнены одновременные радиофизические и калориметрические измерения увлажненных ДС в цикле охлаждение - нагревание;

- выявлены особенности диэлектрических свойств увлажненных ДС при изменении температуры, в числе которых - скачок величины действительной части комплексной диэлектрической проницаемости вблизи температуры фазового перехода и последующее ее резкое уменьшение, сопровождающееся спадом мнимой части, причем тангенс угла диэлектрических потерь в этой области близок к единице. Близкие результаты получены при низкочастотных исследованиях модельной среды, когда в ней достигается порог перколяции;

- при исследованиях увлажненных ДС резонаторным методом обнаружено ранее неизвестное явление - появление в спектрах пропускания вблизи низшей моды дополнительных областей пропускания. Подобное явление наблюдалось также при заполнении резонатора модельной средой в виде смеси сухого песка и металлических частиц, что указывает на перколяционный характер данного эффекта в обоих случаях;

* предложено новое объяснение особенностей электромагнитного поведения дисперсных сред на низких и сверхвысоких частотах, в основе которого лежит перколяционно-кластерная модель среды;

- показано, что квазистационарное электрическое поле не влияет на СВЧ-свойства увлажненных ДС на основе песка, в то же время установлен гистере-

зис диэлектрической проницаемости данной среды при измерениях на частоте 1 кГц;

- показано, что резокаторный метод измерений электромагнитных характеристик ДС дает дополнительную информацию об их структуре и свойствах, которая не может быть получена иным путем.

Цитируемая литература

1. Силин Р.А., Чепурных И.П. О средах с отрицательной дисперсией// Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 10. С. 1212 - 1217.

2. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schults S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev.

3. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями s и ц// Успехи физических наук. 1967. Т. 92. Вып. 3. С. 517-526.

4. Шевкунов С.В. Механизм плавления микроскопических частиц льда. Компьютерный эксперимент// ДАН. 2001. Т. 376. № 3. С. 318-323.

5. Корнилов В.М., Лачинов// Электропроводность в системе металл - полимер - металл: роль граничных условий// ЖЭТФ. 1997. т. 111. вып. 4. С. 1513-1529.

6. Su X., Lianos L., Shen Y.R., Somorjai G.A. Surface-include ferroelectric ice on Pt(ni)// Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. N7. P. 1533-1536.

7. Бахтина Е.Ю. Ешевский О.Ю., Ильин B.A., Коржавчиков М.А., Фролов А.В., Особенности фазовых переходов в пленках связанной воды на поверхности границ дисперсных систем// Конденсированные среды и межфазные границы. Воронеж. 2001. Т.З. № 2. С. 136-142.

8. Шкловский Б.И., Эфрос A.JI. Электронные свойства легированных проводников. -М.: Наука. 1970. 416 с.

9. Емец Ю.П. Дисперсия диэлектрической проницаемости двухкомпонент-ных сред// ЖЭТФ. 2002. Т. 121. Вып. 6. С. 1339 - 1351.

Основные научные результаты, включенные в диссертацию, опубликованы в следующих работах:

1. Бордонский Г.С., Головкова Ю.В., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Измерение диэлектрических свойств мерзлого песка в сантиметровом диапазоне// Радиотехника и электроника. 1999. № 7. С. 871-875. 0,5 п.л. (авторских - 20%).

2. Бордонский Г.С., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Особенности низкочастотной диэлектрической проницаемости песка, содержащего различные жидкости, в области низких температур. В сборнике Естественные науки' и экология. 1999. Омский государственный педагогический университет. с.38-44. 0,4 п.л. (авторских - 30%).

3. Бордонский Г.С., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Диэлектрические свойства легкого (Н20) и тяжелого (D20) льдов при измерениях в резонаторах.

2000. Дед. ВИНИТИ 04.07.00. №774-В00. 40 с. 0,75 п.л. (авторских 30%).

4. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Использование многочастотной ди-электрометрии для изучения физико-химических процессов в мерзлых дисперсных средах. Деп. ВИНИТИ. 2002. 40 с. 24.03.00. № 778-В00. 1,6 п.л. (авторских - 50%).

5. Бордонский Г.С., Истомин A.C., Филиппова Т.Г. Сегнетоподобное поведение диэлектрических характеристик мерзлого песка. Сборник докладов Всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование 'земных покровов и атмосферы аэрокосмическими методами». Муром, 2022 июня 2001 г. с. 374. 0,08 п.л. (авторских - 40%)

6. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Отличие электромагнитных свойств : льда D2O и НгО при измерениях в резонаторе// Физика твердого тела.

2001. Т. 43. вып. 9. С. 1575-1579. 0,5 п.л. (авторских - 50%).

7. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Влияние перколяции на диэлектрические свойства мерзлых дисперсных сред// Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. Т.4. №1. С. 21-26. 0,4 п.л. (авторских - 50%)

8. Филиппова Т.Г. Диэлектрические характеристики мерзлых дисперсных сред в СВЧ-диапазоне. Деп. ВИНИТИ. 2002. 12 с. 25.05.02. №962-В2002. 0,5 п.л.

"9. Г.С.Бордонский, А. А.Гурулев, С.Д.Крылов, Филиппова Т.Г.,

С.В.Цыренжапов. Радиопрозрачность ледяного покрова оз. Арахлей на ' волне 8,8 мм во время полного солнечного затмения// Тр. XX Всеросс конференц. по распростр. радиоволн. Нижний Новгород. 2-4 июля 2002. 0,15 п.л. (авторских - 20%).

Подп. к печ. 30.06.2003 Объем 1 п.л. Заказ № 285 Тир. 100 Типография МПГУ

loo?-А

^ У ¿. il

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Введение.

1.1. Основные положения теории диэлектриков для дисперсных систем.

1.2. Структура и диэлектрические свойства воды и льда.

1.3. Диэлектрические свойства грунтов и горных пород.

Выводы и постановка задачи.

ГЛАВА II. ТЕХНИКА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.

Введение.

2.1. Низкочастотные измерения относительной диэлектрической проницаемости.

2.2. Высокочастотные измерения в резонаторах и свободном пространстве.

2.3. Подготовка образцов.

3.1. Изучение температурной зависимости комплексной диэлектрической проницаемости увлажненных дисперсных сред на основе песка.52

3.2. Изучение диэлектрических характеристик древесины и искусственных сред.61

3.3. Диэлектрические свойства дисперсных сред, увлажненных другими полярными жидкостями.65

3.4. Особенности фазовых переходов и их связь с изменением диэлектрических параметров.65

3.5. Исследование влияния квазистационарного электрического поля на диэлектрическую проницаемость дисперсных сред.68

Выводы

69

Основные результаты, полученные в диссертации состоят в следующем: Впервые выполнены измерения диэлектрических параметров увлажненного песка одного состава в широком диапазоне частот, низких (120 Гц - 100 кГц) и сверхвысоких (5-8 ГГц), в области температур +20 - -180°С;

- впервые на основе исследований диэлектрических характеристик ДС, увлажненных несколькими полярными жидкостями (Н2О, В20, этиловый спирт и их смеси), установлена определяющая роль воды в формировании эффективной диэлектрической проницаемости дисперсных сред; впервые выполнены одновременные радиофизические и калориметрические измерения увлажненных ДС в цикле охлаждение -нагревание;

- выявлены особенности диэлектрических свойств увлажненных ДС при изменении температуры, в числе которых - скачок величины действительной части комплексной диэлектрической проницаемости вблизи температуры фазового перехода и последующее ее резкое уменьшение, сопровождающееся спадом мнимой части, причем тангенс угла диэлектрических потерь в этой области близок к единице. Близкие результаты получены при низкочастотных исследованиях модельной среды, когда в ней достигается порог перколяции;

- при исследованиях увлажненных ДС резонаторным методом обнаружено ранее неизвестное явление - появление в спектрах пропускания вблизи низшей моды дополнительных областей пропускания. Подобное явление также наблюдалось при заполнении резонатора модельной средой в виде смеси сухого песка и металлических частиц, что указывает на перколяционный характер данного эффекта в обоих случаях;

- предложено новое объяснение особенностей электромагнитного поведения дисперсных сред на низких и сверхвысоких частотах, в основе которого лежит перколяционно-кластерная модель среды;

- показано, что квазистационарное электрическое поле не влияет на СВЧ-свойства увлажненных ДС на основе песка, в то же время установлен гистерезис диэлектрической проницаемости данной среды при измерениях на частоте 1 кГц;

- показано, что резонаторный метод измерений электромагнитных характеристик ДС дает дополнительную информацию об их структуре и свойствах, которая не может быть получена иным путем.

Заключение

В данном исследовании еще раз подтверждаются особые физические свойства воды, которые проявляются в криогенных ДС. Эти свойства обнаруживаются при радиофизических измерениях ДС в широком интервале температур от 0° до -200°С. Они связываются с вымерзанием свободной воды, особенностями фазовых превращений в пленках связанной воды и ее кластеров, а также влиянием фазовых переходов на свойства поверхностных слоев частиц среды. Наличие проводящих пленок воды приводит к образованию кластеров, которые в случае перколяции существенным образом влияют на электромагнитные свойства ДС.

В настоящее время отсутствуют методы, которые позволили бы наблюдать в мерзлых ДС наличие кластеров, образованных сетью пленочной влаги, поэтому методы диэлектрометрии на низких и сверхвысоких частотах совместно с другими физическими методами исследования, могут дать дополнительную информацию о внутреннем строении сред.

Следует обратить внимание на особенности переноса излучения в увлажненных ДС, так как появление анизотропии не только приводит к возникновению рассеяния излучения, но в случае отрицательной дисперсии, существенным образом изменяет распространение электромагнитных волн в среде.

Представляется необходимым также совершенствование существующих методик измерения электромагнитных свойств ДС. Наряду с влиянием кластеров воды на диэлектрические параметры, необходимо исследовать и изменение магнитных свойств ДС, особенно в точке перколяции.

1. Homes С.С., Vogt T., Shapiro S.H. Wakimoto S., Ramirez A.P. Optical Response of High-Dielectric-Constant Perovskite-Related Oxide// Science Vol. 293. 27 July. 2001. P. 673-676.

2. Силин P.A., Чепурных И.П. О средах с отрицательной дисперсией// Радиотехника и электроника. 2001. Т. 46. № 10. С. 1212—1217.

3. Лагарьков А.Н., Панина Л.В., Сарычев А.К. Эффективная магнитная проницаемость композитных материалов вблизи порога протекания// ЖЭТФ. 1987. Т. 93. Вып. 1(7). С. 215-221.

4. Селяков В.И., Кадет В.В. Перколяционные модели процессов переноса микронеоднородных средах. -М.: Недра. 1995. 222 с.

5. Smith D.R., Padilla W.J., Vier D.C., Nemat-Nasser S.C., Schults S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. N 18. P. 4184 4187.

6. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями еиц// Успехи физических наук. 1967. Т. 92. Вып. 3. С. 517-526.

7. Ильин В.А., Райзер В.Ю., Российский A.B., Сосновский Ю.М. О температурной зависимости мерзлого песка// Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 12. С. 1882.

8. Ильин В.А., Слободчикова C.B., Эткин B.C. Лабораторные исследования диэлектрической проницаемости мерзлых песчаных почв// Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38. № 6. С. 1036-1041.

9. Ешевский О.Ю., Ильин В.А., Колосов Г.Д. Низкотемпературный калориметр на анизотропных термоэлементах для исследования дисперсных систем// Приборы и техника эксперимента. 2001. № 5. С. 132-133.

10. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. -М.: ИЛ. 1960. 438 с.

11. Фролов А.Д. Электрические и упругие свойства мерзлых пород и льдов. -Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН. 1998.515 с.

12. Виноградов А.П. О формуле Клаузиуса-Моссотти-Лорентца-Лоренца// Радиотехника и электроника. 2000. т. 45. №8. С. 901-908.

13. Челидзе Т.Л., Деревянко А.К., Куриленко О.Д., Электроскопическая спектроскопия гетерогенных систем. -Киев: Наукова Думка, 1977. 231 с.

14. Петров Ю.И. Физика малых частиц. -М.: Наука. 1982. 360 с.

15. Гладков С.Ю. Физика композитов. -М.: Наука. 1999. 332 с.

16. Якупов. B.C. Исследование мерзлых толщ методами геофизики. Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН. 2000.336 с.

17. Урьев Н.Б. Структурированные дисперсные системы// Соросовский образовательный журнал. 1998. №6. С. 42-47.

18. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. -М.: Наука. 1964. 568 с.

19. Дручинин B.C. Исследование применимости формул смеси для описания диэлектрической проницаемости сред с большим содержанием включений// Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. №2. С. 230.

20. Духин С.С., Шилов В.Н. Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах. -Киев: Наукова Думка. 1972. 206 с.

21. Физические свойства горных пород и полезных ископаемых. Справочник геофизика. Под ред. Дортман Н.Б. -М.: Недра. 1984. 455 с.

22. Костин М.В., Шевченко В.В. К теории киральной среды на основе сферических спирально проводящих частиц// Радиотехника и электроника. 1998. Т. 43. № 8. С. 921-926.

23. Шатров А.Д. Модель биизотропной среды из резонансных сферических частиц с идеальной смешанной проводимостью поверхности вдольспиральных линий// Радиотехника и электроника . 2000. Т. 45. № 10. С. 1168-1170.

24. Каценеленбаум Б.З. Диэлектрическая и магнитная проницаемости искусственной среды, содержащей малые диэлектрические или металлические эллипсойды// Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. №9. С. 1064-1070.

25. Пономаренко В.И. Искусственный магнетик с неупорядоченной структурой//Радиотехника и электроника. 2000. Т. 45. № 7. С. 869-870.

26. Петров Ю.И. Кластеры и малые частицы. -М.: Наука. 1986. 340 с.

27. Pendry J.B. Extremly low frequency plasmons in metallic mesostructures// Phys. Rev. Lett. 1996. V. 76. N 25. P. 4773 4776.

28. Villenenve P.R., Fan S. Photonic crystals: putting a new twist on light// Nature. 1997. V. 386. 13 March. P. 143 149.

29. Мандельштам Л.И. Лекции по некоторым вопросам теории колебаний. Т. 5. -М.: Изд-во АН СССР. 1950. 461 с.

30. Торговников Г.И. Диэлектрические свойства древесины. -М.: Лесн. пром-ть. 1986. 128 с.

31. Манк В.В., Овчаренко Ф.Д., Маляренко A.B. Радиоспектроскопическое исследование строения граничных слоев воды. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей.- М.: Наука. 1983. С. 126-131.

32. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. -М.: Изд-во Моск. ун-та. 1998. 184 с.

33. Маэно Н. Наука о льде. -М.: Мир. 1988. 231 с.

34. Масалович A.M., Овчинников Л.Н. Модель структуры воды// Препринт ИМГРЭ. 1986. 33 с.

35. Кинг Р., Смит Г. Антенны в материальных средах. В 2-х книгах. Кн. 1. Пер. с англ. -М.: Мир. 1984. 824 с.

36. Isaacs E.D., Shukla A., Platzman P.M., Hamann D.R., Barbiellini В., Tulk C.A. Covalency of the Hydrogen Bond in Ice: A Direct X-R Measurement// Physical Review Letters. 1999. Vol. 82. N 3. P.600-603.

37. Wei X., Miranda P.B., Shen Y.R. Surface vibrational spectroscopic study melting of ice// Physical Review Letters. 2001. Vol. 86. N 8. P.1554-1557.

38. Фрелих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. -М.: ИЛ. 1960. 252 с.

39. Богородский В.В., Таврило В.П. Лед. Физические свойства. Современные методы гляциологии. -Л.: Гидрометеоиздат. 1980. 384 с.

40. Warren S.G. Optical constants of ice from ultrafiolet to the microwave// Applied Optics. 1984. №. 23. P. 1206-1225.

41. Auty R.P., Cole R.H. Dielectric properties of Ice and Solid D20// J. of Chem. Phys. 1952. v. 20. No 8. P. 1309-1314.

42. Petrenko V., Whitworth R.W. Physics of Ice. Oxford Univ. Press. 1999. 347 P

43. Lobban C., Finney J.L., Kush W.F. The structure of a new phase of ice// Nature. 15 Jan. 1998. Vol. 391. P. 268-270.

44. Koza M.M., Schober H., Hansen Т., Tolle A., Fujara F. Ice XII Its Second Regime of Metastability// Phys. Rev. Lett. 1 May 2000. Vol. 84. N 18. P. 4112-4115.

45. Косяков В.И., Шестаков B.A. О возможности существования новой фазы льда при отрицательных давлениях// ДАН. 2001. Т. 376. № 6. С. 782-784.

46. Чалмерс Б. Физическое металловедение. -М. Металлургия. 1968. 186 с.

47. Тарасевич Ю.И., О структуре граничных слоев воды в минеральных дисперсиях. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей. М.: Наука. 1983. С. 147-151.

48. Поляков В.М., Тищенко Ю.Г., Чухланцев А.А. О возможности контроля влажностно-температурного режима мерзлых грунтов// Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39. № 3. С. 405.

49. Савельев Б.А. Физико-химическая механика мерзлых пород. -М.: Недра. 1989.216 с.

50. Tinga W.R., Voss V.A.G., Blossey D.F. Generalized approach to multiphase dielectric mixture theory// J. Appl. Physics. 1977. V. 44. N 9. P. 3897-3902.

51. Френкель Я.И. Влияние электролитической поляризации дисперсной среды на ее диэлектрическую проницаемость// ЖЭТФ. 1945. Т. 15. вып. 8. С. 417-426.

52. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. -М.: Недра. 1987. 214 с.

53. Нигматуллин P.P., Рябов Я.С. Диэлектрическая релаксация типа Коула-Дэвидсона и самоподобный процесс релаксации// Физика твердого тела. 1997. Т. 39. № 1.С. 101-105.

54. Нигматуллин P.P. «Физика» дробного исчисления и ее реализация на фрактальных структурах. КГУ, автореф. докт. дисс. -Казань. 1992. 29 с.

55. Lounev I., Nigmatullin R., Zavidonov A., Gusev Yu., et. al. Analysis of dielectric relaxation data in water-saturated sands and clays// J. of Non-Crystall. Solids. 2002. 305. P. 255-260.

56. Потапов А.А. Фракталы в радиофизике и радиолокации. Основы теории рассеяния волн фрактальной поверхностью// Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47. № 5. С. 517-544.

57. Новиков В.В., Wojciechowski K.W. Частотные зависимости диэлектрических свойств композитов типа металл-диэлектрик// Физика твердого тела. 2002. Т. 44. Вып. 11. С. 1963-1969.

58. Бобров П.П., Маслянников Н.М., Сологубова Т.А. и др. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влажности изсвободной в связанную на сверхвысоких частотах// ДАН СССР. 1989. Т. 304. №5. С. 1116-1119.

59. Дерягин Б.В., Чураев Н.В., Соболев В.Д., Барер С.С., Киселева О.А. Равновесие и течение незамерзающих пленок воды. В кн. Поверхностные силы и граничные слои жидкостей. -М.: Наука. 1983. С. 215-221.

60. Боярский Д.А., Клиорин Н.И., Мировский В.Г., Тихонов В.В. Нестатические модели эффективной диэлектрической проницаемости природных сред, учитывающие рассеяние на частицах среды// Изв. вузов. Радиофизика. 1992. Т. 35. № 11-12. С. 928-937.

61. Боярский Д.А., Тихонов В.В. Модель эффективной диэлектрической проницаемости влажных мерзлых почв в СВЧ-диапазоне// Радиотехника и электроника. 1995. Т. 40. № 6. С. 914-917.

62. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. Аэрокосмическое зондирование гидрологического состояния почв радиофизическими методами. -Барнаул. 1997. 101 с.

63. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. -М.: Наука. 1986. 190 с.

64. Su X., Lianos L., Shen Y.R., Somorjai G.A. Surface-include ferroelectric ice on Pt(III)// Phys. Rev. Lett. 1998. V. 80. N 7. P. 1533-1536.

65. Delaney A.J. Arcone S.A. Laboratory measurements of soil electric properties between 0.1 and 5 GHz. USA CRREL. Rep. 82-10. 1982. 8 p.

66. Petrenko V.F. Electromechanical phenomena in ice. USA CRREL. Rep. 962. 1996. 30 p.

67. Whalley E., Klug D.D. Disorder-induced piezoelectric and piezo-optic effects. 1. The theory of the pierzoelectric properties and its application to ice// J. of Chemical Phys. V. 81. N 12. P. 6119-6123.

68. Агранович В.М., Гинзбург B.JI. Кристаллооптика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. -М.: Наука. 1979. 432 с.

69. Рязанов М.И. О диэлектрической проницаемости неоднородной среды// ЖЭТФ. 1955. Т. 108. вып. 5 (11). С. 1778-1786.

70. Bertolini D., Cassettari M., Salvetti G. The dielectric relaxation time of supercooled water// J. Chem. Phys. 15 Mar 1982. Vol. 76. N 6. P. 3285-3290.

71. Брандт A.A. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. -М. : Гос. изд-во физ-мат лит-ры. 1963. 403 с.

72. Аш Ж. и др. Датчики измерительных систем: в 2-х кн. Кн. 1. Пер. с франц. -М.: Мир. 1992. 480 с.

73. Берштейн В.А., Егоров В.М. Дифференциальная сканирующая калориметрия в физикохимии полимеров. -Л.: Химия. 1990. 256 с.

74. Семенов H.A. Техническая электродинамика. -М.: Связь. 1973. 480 с.

75. Силин P.A., Сазонов В.П. Замедляющие системы. -М.: Сов. Радио. 1964. 250 с.

76. Bordonski G.S., Krylov S.D. Loss-Factor Behavior of Freshwater Ice at 13,4 and 37,5 GHz// IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing. 2 Mar 1998. Vol. 36. N2. P. 678-680.

77. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г., Использование многочастотной диэлектрометрии для изучения физикохимических процессов в мерзлых дисперсных средах. Деп. ВИНИТИ 24.03.2000. № 778-ВОО. 40 с.

78. Бордонский Г.С., Головкова Ю.В., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Измерения диэлектрических характеристик мерзлого песка всантиметровом диапазоне// Радиотехника и электроника. 1999. Т. 44. № 7. С. 871-875.

79. Бордонский Г.С., Крылов С.Д., Филиппова Т.Г. Диэлектрические свойства легкого (НгО) и тяжелого (D20) льдов при измерениях в резонаторах. 2000. Деп. ВИНИТИ 04.07.00. №774-В00. 40 с.

80. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Отличие электромагнитных свойств льда D20 и Н20 при измерениях в резонаторах// Физика твердого тела. 2001. Т.43. Вып. 9. С. 1575-1579.

81. Филиппова Т.Г. Диэлектрические характеристики мерзлых дисперсных сред в СВЧ-диапазоне. Деп. ВИНИТИ. 2002. 12 с. 25.05.02. № 962-В2002.

82. Клепиков И.Н., Шарков Е.А. Теоретические исследования собственного излучения резконеоднородных неизотермических сред// Исслед. Земли из космоса. 1992. № 6. С. 3-15.

83. Челидзе T.JI. Методы теории протекания в механике геоматериалов. -М.: Наука. 1987. 138 с.

84. Бордонский Г.С., Филиппова Т.Г. Влияние перколяции на диэлектрические свойства мерзлых дисперсных сред// Конденсированные среды и межфазные границы. 2002. т.4. №1. С. 2126.

85. Шевкунов C.B. Механизм плавления микроскопических частиц льда. Компьютерный эксперимент// ДАН. 2001. Т. 376. № 3. С. 318-323.

86. Корнилов В.М., Лачинов// Электропроводность в системе металл — полимер металл: роль граничных условий// ЖЭТФ. 1997. т. 111. вып. 4. С. 1513-1529.

87. Дыхне A.M., Васильев С.Ю., Петрий О.А., Рудавец А.Г., Цырлина Г.А. Молекулярный кластер как туннельный диод// ДАН. 1999. Т. 368. № 4. С. 467-469.

88. Бахтина Е.Ю. Ешевский О.Ю., Ильин В.А., Коржавчиков М.А., Фролов А.В., Особенности фазовых переходов в пленках связанной воды на поверхности границ дисперсных систем// Конденсированные среды и межфазные границы. Воронеж. 2001. Т.З. № 2. С. 136-142.

89. Бахтина Е.Ю., Ильин В.А., Смородин В.Е., Сосновский Ю.М. Радиофизические исследования фазовых переходов в дисперсных системах, содержащих связанную воду// Естественные науки и экология: Ежегодник ОмГПУ. Вып. 2. Омск.: Изд-во ОмГПУ. 1998. С. 88-95.

90. Физическая энциклопедия. Ред. A.M. Прохоров. -М.: Изд-во Большая Российская энциклопедия. 1994. т. 4. 703 с.

91. Шкловский Б.И., Эфрос А.Л. Электронные свойства легированных проводников. -М.: Наука. 1970. 416 с.

92. Дубров В.Е., Левинштейн М.Е., Шур М.С. Аномалии диэлектрической проницаемости при переходе металл-диэлектрик. Теория и моделирование// ЖЭТФ. 1976. Т. 70. Вып. 5. С. 2014-2023.

93. Efros A.L., Shklovskii B.I. Critical behavior of conductivity and dielectric constant near metal-non-metal transition threshold. Phys. stat. sol.(b). 1976. Vol. 75. P. 475-485.

94. Feldman Y., Kozlovich N., Alexandrov Y. et. al. Mechanism of the cooperative relaxation in microemulsions near the percolation threshold// Phys. Rev. E. 1996. v. 54. N 5. P. 4520-5427.

95. Gutina A., Haruvy Y., Gilath I. et. al. Dielectric properties of fast Sol-Gel glasses//J. Phys. Chem. B. 1990. 103. P. 5454-5460.

96. Виноградов А.П., Панина Л.В., Сарычев A.K. Метод расчета диэлектрической и магнитной проницаемостей перколяционных систем// ДАН. 1989. Т. 306. № 4. С. 847-851.

97. Волоснев С.А., Козлов А.Н., Нехорошее А.В., Синельникова С.Е., Сковородкин Ю.П. Магнетизм мелкодисперсной системы кремнезем — вода// ДАН СССР. 1987. Т. 296. № 3. С.

98. Jellinek Н.Н. Liquidlike layers on ice// J. of Appl. Phys. 1961. v. 32. P. 1793.

99. Емец Ю.П. Дисперсия диэлектрической проницаемости двухкомпонентных сред// ЖЭТФ. 2002. Т. 121. Вып. 6. С. 1339 1351.

100. Савельев Б.А. Методы изучения мерзлых пород и льдов. -М.: Недра. 1985. 222 с.

101. Matzler С., Wegmuller U. Dielectric properties of fresh-water ice at microwave frequencies// J. Phys. D.: Appl. Phis. (UK). 1987. P. 1623-1630.

102. Браун. В.Ф. Диэлектрики. -M.: ИЛ. 1961. 326 с.

103. Кузьмин В.Н. Исследование криолитосферы Марса. -М. 1982. 53 с.