Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика материальных сред тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ЧиМ

На правах рукописи

ЯНИН Дмитрий Валентинович

РЕЗОНАНСНАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕД

01.04.08 - физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2013

005059764

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки «Институт прикладной физики Российской академии наук» (г. Нижний Новгород).

Научный руководитель доктор физико-математических наук

А. В. Костров (ИПФ РАН)

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор В. Е. Семенов (ИПФ РАН)

доктор физико-математических наук, профессор А. В. Кудрин (ННГУ им. Н. И. Лобачевского)

Ведущая организация Федеральное государственное бюд-

жетное учреждение науки Институт радиотехники и электроники РАН (ИРЭ РАН)

Защита состоится 3 июня 2013 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002.069.02 в Институте прикладной физики РАН (603950, г. Нижний Новгород, ул. Ульянова, д. 46).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики Российской академии наук.

Автореферат разослан « ОиьрЛ/А^ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, .

доктор физико-математических наук, 1/5 0

профессор тС^С-^С-* ю. В. Чугунов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Диагностика неоднородных материальных сред актуальна в различных областях науки и техники. Особо стоит отметить такие направления, как физика плазмы, медицина, материаловедение, дефектоскопия и геологоразведка. Информация о структуре, физических характеристиках материальных объектов и протекающих в них динамических процессах имеют важное как фундаментальное, так и прикладное значение. Практическую ценность представляют как контактные способы диагностики, так и бесконтактные (дистанционные), позволяющие проводить изучение объектов без нарушения их внутренней структуры.

В настоящее время освоено большое количество способов изучения материальных сред. На базе классических методов ультразвуковой, рентгеновской и оптической диагностики, широко применяемых в пауке и технике, разработаны медицинские приборы для визуализации биологических тканей, позволяющие на ранних стадиях выявлять множество заболеваний, сопровождающихся морфологическими изменениями пораженного органа или его части. Особо стоит отметить магниторезонансную томографию (МРТ), первоначально разработанную для нужд химического анализа. В последнее время широкое развитие получили электроимпедансная томография [1, 2] и магнитоиндукционпая томография [3, 4], позволяющие визуализировать распределение электрической проводимости внутри объектов различной природы. Для исследования структуры поверхности материальных сред разработаны различные виды микроскопии, с помощью которых получают растровые изображения поверхностей объектов с высоким пространственным разрешением [5]. Необходимо отметить такой вид микроскопии, как ближнепольная, разрешающая способность которой превосходит фундаментальный рэлеевский критерий. Реализация данного вида микроскопии может осуществляться в различных частотных диапазонах, в частности, оптическом [6] и СВЧ [7] диапазонах, с возможностью наблюдать поверхностные структуры, размеры которых во много раз меньше длины волны электромагнитного поля.

Перечисленные методы изучения материальных сред отличаются друг от друга, в первую очередь, способом зондирования среды. Для рентгеновской и оптической диагностики это, соответственно, рентгеновское и оптическое излучение, УЗИ использует акустические волны, магниторезо-нансная томография основана на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. В соответствии с этим, результаты визуализации отражают рас-

сеивающую и поглощающую способность среды по отношению к рентгеновскому, оптическому и ультразвуковому излучению. МРТ проводит визуализацию на основе насыщенности объекта водородом и особенности его магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Таким образом, каждая методика обладает своей спецификой, и, как следствие, ограниченной областью применения. Поэтому нельзя утверждать, что определенный метод является абсолютным и универсальным.

Диагностические методы играют важную роль в различных фундаментальных и прикладных задачах, тесно связанных с основными направлениями развития физики плазмы [8]. В последнее десятилетие резко возрос интерес к изучению разрядов в плотных газах. Это связано с широким их применением в научных исследованиях и технических разработках: плазменная технология обработки и создания металлов; плазмохимия; источники многозарядных ионов и рентгеновского излучения, плазменные антенны, накачка газовых лазеров и т. д. Успешное применение плазменных объектов невозможно без глубокого понимания и количественного описания происходящих в них процессов. Построение физических моделей, достаточно полно отражающих поведение плазменных систем, основано на знании параметров и констант элементарных процессов. В связи с этим большой интерес и практическую важность представляет развитие новых способов диагностики плазмы высокого давления. Актуальной задачей также является разработка экспериментальных методов исследования нестационарных процессов, сопровождающихся возмущениями концентрации плазмы [9, 10].

В настоящее время одним из перспективных способов диагностики неоднородных сред является резонансное ближнеполыюе СВЧ-зондированис. С его помощью можно проводить исследования электродинамических характеристик (диэлектрическая проницаемость и проводимость) объектов различной физической природы [7, 11-13]. Комплексная диэлектрическая проницаемость является важной характеристикой материальных объектов. Значение этой величины зависит от физической природы объекта, его свойств, структурного и физико-химического состава и может быть использовано в диагностических целях. Исследование нестационарных процессов в средах также может проводиться на основе изучения их динамически меняющихся электродинамических параметров. В медицинских приложениях знание комплексной диэлектрической проницаемости биологических тканей является одним из необходимых условий при диагностике структурных изменений организма человека, в частности, при локализации воспалительных и опухолевых процессов. Однако для этих целей необходимо применять неинвазивпые методики, позволяющие

определить область патологии в неоднородной структуре тканей. Данное требование может быть выполнено при реализации томографии биологических тканей на основе измерения их электродинамических характеристик.

Для обеспечения гарантированной точности и достоверности определения электрофизических характеристик материальных сред требуется соответствующая инструментальная база, учитывающая специфические особенности диагностируемых объектов. Это заставляет взглянуть под новым углом на многие, ставшие уже классическими, методы измерений диэлектрических характеристик, на основе положительно зарекомендовавших себя резонаторов на отрезке коаксиальных и двухпроводных линий передач. Основное достоинство данных устройств - их миниатюрность и, как следствие, высокая чувствительность, а также простота в изготовлении, гибкие функциональные возможности и разнообразие конструкторских решений.

Поясним основные принципы, на которых базируется резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика. Область среды, находящейся в ближнем поле зондирующей электрически малой антенны, оказывает влияние на ее импеданс. Если антенна включена в качестве нагрузки в резонансную систему, то по смещению резонансной частоты и изменению добротности можно судить об электродинамических характеристиках среды вблизи антенного устройства. Для целей томографии подповерхностных неоднородностей система должна быть модифицирована таким образом, чтобы можно было изменять эффективную глубину зондирования или характерный масштаб локализации квазистатического электрического поля в среде. Для томографии трёхмерно неоднородной среды, основанной на методах одномерной подповерхностной диагностики, измерения должны быть дополнены двумерным сканированием вдоль поверхности. Таким образом, исходными данными для решения обратной задачи резонансной ближнепольной СВЧ-томографии являются результаты измерения резонансных характеристик датчика при двумерном сканировании над поверхностью среды его измерительной части, представляющей собой систему электрически малых антенн с разными глубинами зондирования. Обратная задача для неоднородного полупространства в общем случае чрезвычайно сложна, является некорректной и требует применения методов регуляризации, основанных на использовании дополнительной априорной информации о точном решении. Ближнепольная СВЧ-томография, в отличие от волновых методов, позволяет восстанавливать субволновые детали профилей параметров среды.

Цель работы

Целью диссертационной работы является развитие и экспериментальная реализация метода резонансного ближнсполыюго СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред. Рассматриваются такие задачи, как диагностика нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями электронной концентрации, бесконтактная диагностика концетра-ции плазмы и электронной частоты столкновений в разрядах при атмосферном давлении, подповерхностная диагностика сред, содержащих сильно контрастные объекты, а также актуальная в медицинской практике задача резонансной ближнеполыюй СВЧ-гомографии биологических тканей.

Научная новизна

1. Развита методика исследования нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной концентрации, с помощью резонансного СВЧ-зонда.

2. Развита и впервые реализована методика бесконтактной диагностики параметров плазмы атмосферного давления с помощью ближнеполь-ного СВЧ-зондирования. На базе резонансного СВЧ-зонда разработана диагностическая система, позволяющая проводить исследования плазмы через диэлектрическую стенку разрядной камеры.

3. Впервые экспериментально реализован метод подповерхностной ближнепольной СВЧ-диагностики сред с пространственно локализованными неоднородностями. Разработана система резонансных измерительных систем с разными глубинами зондирования для изучения неоднородных структур.

4. Развита экспериментальная и теоретическая база для реализации ближнеполыюй СВЧ-томографии биологических тканей. Проведены исследования эффекта «прижима», характеризующегося зависимостью показаний ближнепольного измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта, и найдены конструктивные решения, позволяющие свести к минимуму его негативное влияние.

5. Продемонстрирована диагностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования в дерматологии. Установлены различия комплексной диэлектрической проницаемости тканей кожи при разных дерматозах.

6. Впервые продемонстрированы возможности ближнепольной СВЧ-диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации.

7. На основе метода резонансного ближнеполышго СВЧ-зондирования реализовано новое устройство для контроля плотности кипящего слоя в условиях промышленных установок.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитая методика измерения нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме с помощью резонансного СВЧ-зонда позволяет регистрировать относительные возмущения электронной концентрации порядка 10 5- 10"^ в плазме с концентрацией Ю10- 1012 см~\ Высокая чувствительность метода достигается путем регистрации на выходе измерительной системы амплитудно-модулируемого сигнала на частоте флуктуаций концентрации.

2. Метод резонансного СВЧ-зонда, при соответствующей модификации, может эффективно использоваться для бесконтактной диагностики газоразрядной плазмы атмосферного давления. С его помощью можно проводить измерения величины отношения концентрации плазмы N к электронной частоте столкновений v. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, удается восстановить значения Л^и v в процессе разряда.

3. Подповерхностная диагностика сред с инородными включениями методом ближнепольной СВЧ-диагностики может быть осуществлена путем глубинного зондирования среды квазистатическим электрическим полем системы электрически малых антенн. В качестве ближнепольной антенны удобно использовать два параллельных отрезка провода, расстояние между которыми определяет характерный масштаб локализации зондирующего поля в среде.

4. Ближнепольная СВЧ-томография биологических тканей может осуществляться системой резонансных датчиков с ближнепольными антеннами в виде краевых емкостей цилиндрических конденсаторов с разными зазорами между внешним и центральным проводниками. Связь между резонансными характеристиками измерительных систем и импедансными свойствами зондирующих элементов получается посредством анализа системы телеграфных уравнений для комплексных амплитуд тока и напряжения в резонаторе датчиков методом последовательных приближений. Система интегральных уравнений для нахождения электродинамических параметров среды соответствует совокупности равенств между теоретическими выражениями для импедан-

сов ближнепольных антенн датчиков и соответствующими импедан-сами, найденными по результатам ближнепольных измерений. 5. Метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования можно эффективно использовать в ряде прикладных задач: для неинвазивной диагностики кожных патологий, для экспресс-диагностики жизнеспособности трансплантатов, для диагностики степени неоднородности кипящего слоя.

Научная и практическая ценность

В ходе выполнения диссертационной работы развит метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред.

Развитая методика диагностики нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями концентрации плазмы, имеет важное прикладное значение при изучении плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории.

Предложенная система контроля плотности кипящего слоя и её динамики во времени может найти применение в реальных промышленных установках.

Разработанная диагностическая система для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления может быть использована в промышленных и лабораторных плазмохимических установках для измерений концентрации плазмы и электронной частоты столкновений, а также в космических приложениях, в том числе, для диагностики параметров плазменной оболочки, окружающей спускаемый космический аппарат при его вхождении в плотные слои атмосферы.

Развитая методика подповерхностной диагностики сред, содержащих сильно контрастные объекты, может быть использована в различных практических приложениях, в частности, в археологи, дефектоскопии, для создания системы поиска пластиковых мин и т. д.

Построенная теория резонансной ближнеполыюй СВЧ-томографии биологических тканей является основой для визуализации структуры тканей кожного покрова и реализации принципиально новой в медицинской практике способа неинвазивной диагностики структурных изменений в организме человека, в частности, воспалительных и опухолевых процессов.

Публикации и апробация результатов

Изложенные в диссертации результаты обсуждались на семинарах ИПФ РАН, докладывались на Международных конференциях "Microwave & Telecommunication Technology" (Севастополь, Украина, 2005 - 2007, 2012), X Всероссийской школе-семинаре «Физика и применение микроволн» (Московская область, пансионат «Университетский», 2005), X и XII Нижегородских сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 2005, 2007), Международных конференциях "Antenna Theory and Techniques" (Львов, 2009; Киев, 2011), XXI Симпозиуме по радиолокационному зондированию природных сред (Санкт-Петербург, 2006), 11-ой Научной конференции по радиофизике (Нижний Новгород, 2007), Научно-практической конференции, посвящённой памяти профессора А.Л. Машкиллейсона (Москва, 2006), Форуме национального альянса дерматологов и косметологов (Ростов-на-Дону, 2007), III Троицкая конференция «Медицинская физика и инновации в медицине» (Троицк, 2008), Международном симпозиуме "Intramolecular Dynamics, Symmetry and Spectroscopy" (Zurich, Switzerland, 2008), III Конгрессе дерматовенерологов (Казань, 2009), XIII Школе молодых ученых "Актуальные проблемы физики" (Звенигород, 2010), 2-ой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине» (Санкт-Петербург, 2011).

По результатам исследований, составивших основу диссертации, опубликовано 29 научных работ [1-29] (включая 7 статей в рецензируемых изданиях, 13 работ в сборниках трудов всероссийских и международных конференций, 6 тезисов докладов, 1 патент и 2 препринта).

Личный вклад автора

Основные результаты, представленные в диссертационной работе, получены в соавторстве, однако вклад автора во все исследования, которым посвящена диссертация, является определяющим. Автору принадлежит решающая роль в планировании и проведении экспериментов, разработке диагностических систем, выборе экспериментальных методик, интерпретации экспериментальных данных, разработке теоретических моделей.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложении, а также списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 102 наименований. Общий объем работы - 161 страница, включая 68 рисунков и 6 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, рассмотрены цель исследования, научная новизна, практическая ценность, основные научные положения, выносимые на защиту, изложено содержание диссертации.

Глава 1 посвящена развитию метода резонансного СВЧ-зонда применительно к диагностике нестационарных процессов в низкотемпературной плазме, связанных с малыми возмущениями концентрации.

В разделе 1.1 представлено описание измерительной системы и методики измерения колебаний концентрации плазмы. СВЧ-зонд представляет собой четвертьволновый резонатор на отрезке двухпроводной линии, закороченной с одной стороны и разомкнутой с другой, выполненной из медной проволоки длиной 8 мм и диаметром 0,2 мм, расстояние между проводами - 2 мм, рис. 1. Возбуждение резонатора и приём его отклика осуществляется со стороны закороченного конца при помощи петель магнитной связи диаметром 2 мм. Собственная частота резонатора /0 = 8 ГГц, добротность -<2о~ 100.

СВЧ-зонд, помещенный в плазму, позволяет определять локальные значения электронной концентрации. Для этого к возбуждающей петле связи СВЧ-зонда подводится высокочастотный сигнал фиксированной частоты/(/" > /о) и снимается отклик резонансной системы 1]ге5 посредством приемной петли связи и детектора в зависимости от времени распада плазмы, при этом электронная концентрация определяется в момент наступления резонанса, рис. 2, а. Варьируя частоту возбуждающего сигнала, легко снять явную зависимость концентрации электронов от времени. Малые возмущения электронной концентрации 8п приводят к амплитудной модуляции сигнала с СВЧ-зонда, причем для заданного момента времени величина модуляции пропорциональна йи^ск и Ъп, рис. 2 б, в.

возбуждающая линия

резонатор

приёмная линия

Рис. 1. Схема зонда с СВЧ-резонатором

Рис. 2. Иллюстрация методики измерения флуктуации электронной концентрации в распадающейся плазме с использованием резонансного СВЧ-зонда: (а) - резонансная кривая СВЧ-зонда в распадающейся плазме (детектированный сигнал;

9 9 9 9

резонанс наступает когда / = /¿" + <*>ре / 4л ); (б) - иллюстрация механизма появления амплитудной модуляции 5£/ге; сигнала после детектора на частоте флуктуации концентрации электронов; (в) - временная зависимость Ы1ге! при распаде плазмы

Исследования проводились на уникальном экспериментальном стенде «Крот», позволяющем исследовать многие проблемы физики плазмы в приближении безграничной среды. Описание экспериментальной установки приводится в разделе 1.2.

Возможности методики демонстрируются в разделе 1.3 на примере исследования пространственного распределения нестационарной компоненты электронной концентрации, создаваемого рамочной антенной в нижнегибридном диапазоне частот. В экспериментах использовалась экранированная рамочная антенна радиусом 1 см, толщина провода 3 мм. Плоскость рамки ориентирована вдоль линий внешнего магнитного поля величиной 180 Гс. К антеннам прикладывался импульс ВЧ-тока частотой 80 МГц, длительностью 1 мс. Флуктуации электронной концентрации фиксировались при помощи подвижного в радиальном направлении СВЧ-зонда на расстоянии 1 см от плоскости рамки. Методика диагностики нестационарных процессов с помощью резонансного СВЧ-зонда показала высокую чувствительность, позволяющую регистрировать Ъп/п порядка

10 5 - ЮЛ

Выполнены исследования колебаний концентрации электронов в окрестности кольцевой рамочной антенны. Показано, что мелкомасштабные флуктуации концентрации обусловлены квазипотенциальными волнами. Электрическое поле квазипотенциальных волн и связанное с ним возмущение 5л на расстоянии 1 см от плоскости антенны локализованы по разные стороны от ее провода. Данный результат объясняется тем, что для

рамочной антенны имеет место суперпозиция резонансных конусов (они соответствуют диаметрально противоположным точкам антенны), образующих один сходящийся конус и два расходящихся, что и наблюдалось в эксперименте.

Для подтверждения радиальной зависимости 8п/п, полученной экспериментально, проведен численный расчет мелкомасштабных флуктуации концентрации электронов в окрестности рамочной антенны. В рамках использованного подхода поля антенны представлялись в виде спектрального разложения по собственным модам магнитоактивной плазмы. Возмущения концентрации находились при помощи уравнения Лапласа. Параметры плазмы и характеристики излучателя в численном моделировании соответствовали условиям эксперимента.

Результаты, найденные экспериментально и с помощью численного моделирования, совпадают. Незначительные отличия связываются с конечной длиной СВЧ-резонатора измерительной системы (зонд фиксирует лишь интегральное значение концентрации электронов на длине четвертьволнового отрезка) и с конечной толщиной провода рамки, не учитываемой в теоретических идеализациях.

Кроме того, в разделе 1.3 анализируются эксперименты по возбуждению колебаний концентрации плазмы при воздействии на неё интенсивных высокочастотных полей в диапазоне частот нижнегибридного резонанса.

Материалы, изложенные в первой главе диссертации, опубликованы в работах [1 А, ЗА, 4А, 9 А, 27А, 28А].

В главе 2 диссертации дано описание модификации метода резонансного СВЧ-зонда применительно к бесконтактной диагностике плазмы высокого давления, и представлены результаты по измерению плазменной концентрации и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении.

В рамках этой модификации предлагается бесконтактная схема измерений, в которой измерительная часть СВЧ-зонда размещается на внешней поверхности диэлектрической разрядной камеры, то есть вне плазмы, раздел 2.1. Модифицированный СВЧ-зонд представляет собой резонатор с собственной частотой 660 МГц и добротностью 100, состоящий из двух последовательно соединенных отрезков двухпроводной линии с волновыми сопротивлениями 300 Ом и 347 Ом, рис.3. Длина отрезков 29 см и 2 см, расстояния между проводами, соответственно, 6 мм и 9 мм. Участок резонатора с большим волновым сопротивлением является измерительной частью датчика. Возбуждение резонансной системы и прием ее отклика осуществляются двумя коаксиальными линиями через петли магнитной

связи диаметром 10 мм. При проведении экспериментов измерительная часть датчика прикладывалась к стенке рабочей секции разрядной трубки. Резонатор возбуждался с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) с периодом качания Тк = 0.076 с. Анализируя последовательность резонансных кривых, получаемых с зонда в процессе разряда, можно было исследовать динамику параметров плазмы с временным разрешением, близким к Тк, рис. 4.

Для проведения экспериментов по диагностике плазмы высокого давления методом ближнепольиого СВЧ-зондирования была изготовлена компактная установка, в которой плазма создавалась при помощи высокочастотного емкостного разряда, зажигавшегося при атмосферном давлении в непрерывном или импульсно-периодическом режиме. Описанию экспериментальной установки посвящен раздел 2.2. Разрядная камера представляла собой кварцевую трубку с внешним диаметром 20 мм и толщиной стенок 2 мм, в центре которой была впаяна рабочая секция, образованная двумя плоскопараллельными кварцевыми пластинами. Концентрация плазмы в разряде могла варьироваться в широких пределах за счет изменения мощности плазмосоздающего генератора. Специальный профиль импульса ВЧ-напряжения, амплитуда которого экспоненциально уменьшалась с течением времени, позволял за один цикл работы установки («выстрел») изменять концентрацию плазмы в широком диапазоне значений.

измерительная част С 2(Ю

возбуждающая лйнир

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 ((с)

Рис. 3. Схематическое изображение резонансного датчика, использовавшегося для измерения параметров плазмы высокого давления

Рис. 4. Осциллохрамма сигнала с резонансного датчика (верхняя кривая) и синхронизационного сигнала пилообразного напряжения свип-генера-тора (нижняя кривая) во время разряда

В разделе 2.3 развита теория измерений, учитывающая высокие значения частоты столкновений электронов и высокий уровень потерь, характерных для разрядов высокого давления, а также геометрию резонансной системы, используемой в модифицированной бесконтактной схеме измерений, в которой зондирование плазмы осуществляется через слой диэлектрика конечной толщины.

Используется упрощенная модель датчика, в рамках которой распределенной резонансной системе ставится в соответствие эквивалентный ей контур с сосредоточенными параметрами, раздел 2.3.1. Получены соотношения, позволяющие найти комплексный адмитанс Ул измерительной емкости по результатам измерений резонансной частоты и амплитуды сигнала в максимуме резонансной кривой.

Для определения параметров плазмы необходимо знать адмитанс Ух при контакте измерительной емкости со стенкой рабочей секции разрядной камеры. Поскольку толщина плазменного слоя в газоразрядной трубке - порядка максимальной глубины зондирования измерительного датчика, в математической модели рабочий участок газоразрядной камеры рассматривался как полупространство в виде плоского слоя кварцевого стекла и безграничного слоя плазмы (двухслойная среда). В разделе 2.3.2 введено понятие эффективной диэлектрической проницаемости еЭф как отношение погонной емкости проводов измерительной части резонатора, находящихся в неоднородной среде, к их погонной емкости в вакууме. В квазистатическом приближении получено выражение для еЭф. Показано, что в случае плазмы атмосферного давления, когда электронная частота столкновений в плазме существенно превышает круговую частоту зондирующего поля СВЧ-датчика. эффективная диэлектрическая проницаемость определяется только мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости плазмы, или, соответственно, величиной Щ\'ет, раздел 2.3.3. Таким образом, резонансный датчик позволяет проводить измерения только величины отношения концентрации плазмы к электронной частоте столкновении.

В качестве независимого метода для измерения параметров плазмы был использован метод "отсечки" СВЧ-излучения, раздел 2.4. Проведено экспериментальное исследование и численное моделирование методом РОТЭ прохождения СВЧ-волн на частотах 70 ГГц и 5 ГГц через газоразрядную камеру. Для излучения и приема зондирующих СВЧ-волн использовались следующие антенны: для частоты 70 ГГц - в виде открытого конца волновода сечением 3,6 мм х 1,2 мм, для частоты 5 ГГц - дипольная антенна, симметрированая по схеме «Ц-колепо».

В разделе 2.5 представлены экспериментальные результаты по диагностике плазмы атмосферного давления. Приводятся временная зависимость поглощённой в плазменном объёме мощности, осциллограмма свечения разряда, осциллограмма сигнала с диагностического датчика и синхронизационного сигнала пилообразного напряжения ГКЧ за один цикл работы плазмосоздающего ВЧ-генератора. Также приводятся временная зависимость отношения концентрации плазмы к электронной часто-

те столкновений, полученная при обработке осциллограмм сигнала с резо-

нансного датчика и осциллограммы сигналов на частотах 70 ГГц и 5 ГГц, прошедших через слой плазмы.

Раздел 2.6 посвящен обсуждешпо результатов, изложенных в разделе 2.5.

Анализ системы резонансных кривых диагностического датчика, полученных в процессе разряда, позволяет определить только временную динамику величины NJvem, отношения концентрации плазмы к электронной частоте столкновений.

Для определения параметров плазмы были использованы результаты измерения дополнительной величины, а именно, вкладываемой в плазменном объеме мощности. Энергия, запасённая в плазменном объёме, определяется концентрацией и температурой заряженных частиц. В случае стационарного разряда величина запасённой в плазме энергии определяется вкладываемой в разряд мощностью ВЧ-генератора и потерями энергии в плазменном объёме (уравнение баланса энергии). Анализ различных механизмов потери энергии показал, что в газоразрядной камере преобладает механизм потери энергии, связанный только с упругими столкновениям электронов с нейтральными частицами. Время потери энергии из плазменного объёма при этом соответствует обратной частоте упругих электрон-молекулярных столкновений. Механизм диссоциативной рекомбинации в нашем случае можно не учитывать. Даже если предположить, что все ионы в плазме являются молекулярными, потери электронов путём соединения их с молекулярными ионами могут вносить вклад только при высокой концентрации плазмы, превышающей значение порядка 1014 см'3.

В соответствии с этим, из уравнения баланса энергии было получено дополнительное соотношение, связывающее Ne и vem, позволившее определить временную динамику плазменной концентрации и электронной частоты столкновений при разряде.

Экспериментально найденные значения Ne и v,,„ по порядку величины совпадают с теоретическими оценками, приведёнными в данном разделе. Также проведены сравнения с результатами, полученными методом "отсечки" СВЧ-излучения. Значения концентрации плазмы, при которой наблюдается ослабление сигнала но уровню 20 дБ и 6 дБ, найденные экспериментально и в результате численного моделирования, отличаются в 2-4 раза, что подтверждает правильность измерений, выполненных методом ближнепольной СВЧ-диагностики.

Материалы, изложенные во второй главе диссертации, опубликованы в работах [2А, 12А].

Глава 3 диссертации посвящена демонстрации возможностей метода резонансного ближнеполыюго СВЧ-зондирования неоднородных сред на примере модельной задачи диагностики локализованных в однородной среде прямоугольных включений. Именно для таких объектов нсследова-

15

ния удается построить упрощенную схему решения обратной задачи. В качестве измерительной системы использовался модифицированный СВЧ-зонд, использовавшийся для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления (вторая глава диссертации). Однако для изучения внутренней структуры неоднородностей система должна быть модифицирована таким образом, чтобы можно было изменять эффективную глубину зондирования или характерный масштаб локализации квазистатического электрического поля в среде. Поскольку разработка датчика с переменной глубиной зондирования измерительной емкости является сложной инженерной задачей, для томографии неоднородных сред использовалась система независимых датчиков с разными глубинами зондирования.

В разделе 3.1 приводится описание резонансных измерительных систем. Их отличия от модифицированного СВЧ-зонда, использовавшегося для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления, заключаются в использовании СВЧ-резонатора в виде "экранированной двухпроводной линии", выполненной из двух параллельных отрезков пятиде-сятиомного коаксиального кабеля, со спаянными между собой оплетками. Выступающие центральные жилы коаксиальных отрезков подключались к измерительной емкости, выполненной из двух параллельных проводов радиусом 0.25 мм, длиной 40 мм, закрепленных на поверхности прямоугольной подложки из органического стекла размером 40x100 мм, толщина подложки 100 мм. Характерный масштаб локализации поля измерительной части зонда, определяющий максимальную глубину зондирования системы, по порядку величины равен расстоянию между проводами. Было изготовлено 13 датчиков с глубинами зондирования от 3 до 47 мм с собственными резонансными частотами порядка 660 МГц и с добротностью около 100. При проведении экспериментов измерительная часть датчиков прикладывалась к плоской поверхности неоднородной среды.

Раздел 3.2 посвящен математическому моделированию работы датчиков. Как и во второй главе диссертации, здесь используется упрощенная модель, в рамках которой распределенной резонансной системе, с учетом ее специфики, ставится в соответствие эквивалентный ей контур с сосредоточенными параметрами.

Исследование неоднородностей проводится в три этапа: 1) обнаружение неоднородного включения, определение его горизонтальных размеров (длины, ширины) и диэлектрической проницаемости среды, в которой оно располагается; 2) нахождение глубины залегания неоднородности и ее электродинамических характеристик; 3) определение толщины прямоугольной неоднородности. Схема решения обратной задачи и экспериментальные результаты по измерению параметров сред с различными прямоугольными неоднородностями приводятся в разделе 3.3. Отклонение ме-

жду экспериментальными результатами и реальными параметрами неод-нородностей в среднем не превышало 5%.

Материалы, изложенные в третьей главе диссертации, опубликованы в работах [14А, 22А - 25А, 27А].

Глава 4 диссертации посвящена развитию нового в медицинской практике неинвазивного способа исследования биологических тканей, в частности, кожи на основе метода резонансной ближнепольной СВЧ-томографии, позволяющей визуализировать глубинную структуру тканей на основе их электродинамических характеристик: диэлектрической проницаемости и проводимости.

Для ближнепольной томографии тканей кожи используется система резонансных датчиков с разными глубинами зондирования. Ключевым моментом при разработке диагностических систем для ближнепольной СВЧ-томографии является понимание эффекта "прижима", связанного с зависимостью показаний измерительного датчика от силы давления его на поверхность изучаемого объекта. Данной проблеме посвящен раздел 4.1. Здесь рассмотрены различные факторы, влияющие на точность измерений, и представлены конструктивные решения, на основе которых разрабатывались диагностические датчики, позволяющие свести эффект «прижима» к минимуму. Описание измерительных систем приводится в разделе 4.2. В качестве ближнепольной антенны (измерительной емкости) выбрана краевая емкость цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем. Именно такая конфигурация антенны позволяет реализовать глубины зондирования в доли миллиметра для исследования только поверхностных структурных слоев кожи. В разделе 4.3 представлена теория резонансных датчиков. Здесь анализируется система телеграфных уравнений для комплексных амплитуд тока и напряжения в резонаторе методом последовательных приближений. В рамках данного подхода найдена связь между комплексным импедансом измерительной емкости датчика и его резонансной характеристики. Импе-дансные свойства измерительной емкости, контактирующей с поверхностью однородного и неоднородного по глубине полупространства, рассматриваются в разделе 4.4. Раздел 4.5 посвящен калибровке измерительных систем. Далее представлена схема решения обратной задачи для датчиков с разными глубинами зондирования в случае плоскослоистых сред и сред с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости, раздел 4.5. Экспериментальные результаты описаны в разделе 4.6. Здесь представлены результаты апробации развитой теории ближнепольной томографии неоднородных сред с использованием модельных двухслойных структур. Продемонстрирована диагностическая и прогностическая ценность метода в дерматологии, а также возможности

ближнепольной диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации.

Материалы, изложенные в четвертой главе диссертации, опубликованы вработах [5А-11А, 13А, 15А- 17А, 19А-21А, 29А].

В приложении 1 диссертации методика исследования нестационарных процессов была применена для решения прикладной задачи по диагностике широко используемого в химической промышленности псевдо-ожиженного (кипящего) слоя - слоя зернистого сыпучего материала, взвешенного в проходящем через него потоке газа или жидкости. На базе резонансного СВЧ-зонда предложена система контроля плотности кипящего слоя и её динамики во времени в условиях промышленных установок (реактор дегидрирования).

Материалы, изложенные в приложении 1 диссертации, опубликованы в работах [12А, 18А, 26А].

В приложении 2 представлены экспериментальные исследования процессов подавления образования плазмы (плазмогашения) при непрерывном или импульсном напуске в разрядный объем электроотрицательного газа. Продемонстрировано, что при прохождении СВЧ-излучения через слой плазмы впрыск SF6 уменьшает степень ионизации плазмообра-зования, приводит к просветлению плазменного слоя, сопровождаемому скачкообразным возрастанием коэффициента прохождения СВЧ-сигнала до «вакуумного» значения.

Материалы, изложенные в приложении 2 диссертации, опубликованы в работе [10А].

В приложении 3 представлен датчик, позволяющий в лабораторных условиях проводить измерения влажности бумаги. Измерительная часть датчика выполнена в виде полосковой линии на фторопластовой подложке. Зазор между полосками - порядка толщины бумаги. Электрическое поле измерительной части при этом сконцентрировано в исследуемом образце, что увеличивает чувствительность ближнепольной диагностической системы. Здесь же приведены калибровочные кривые для определения влажности оберточной (картонной) бумаги толщиной 0.125 мм. Точность определения влажности составляет 0,1%. При заданной плотности и типе бумаги диагностическая система позволяет определять толщину бумажного листа.

Материалы, изложенные в приложении 3 диссертации, опубликованы в работе [27А].

Основные результаты диссертационной работы:

1. Развита методика измерения малых возмущений электронной концентрации в плазме низкого давления с помощью резонансного СВЧ-зонда. Продемонстрирована высокая чувствительность метода, позволяющая регистрировать относительные возмущения концентрации электронов порядка 1СГ5- КГ6 в плазме с концентрацией Ю10- 1012 см"3. Высокая чувствительность метода достигается путем регистрации на выходе измерительной системы амплитудно модулируемого сигнала на частоте флуктуаций электронной концентрации. Возможности метода продемонстрированы при исследованиях генерации волн рамочной антенной в нестационарной магнитоактивной плазме.

2. Развита и впервые реализована методика бесконтактной диагностики параметров плазмы атмосферного давления с помощью ближне-польного СВЧ-зондирования. На базе резонансного СВЧ-зонда разработана диагностическая система, позволяющая проводить исследования плазмы через диэлектрическую стенку разрядной камеры.

3. Показано, что для плазмы атмосферного давления ближнепольная СВЧ-диагностика позволяет находить мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости плазмы или величину отношения концентрации электронов к электронной частоте столкновений Ы/у. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, по результатам ближнепольных измерений удается восстановить значения N и к Возможности метода продемонстрированы при изучении временной динамики концентрации плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении.

4. Впервые экспериментально реализован метод подповерхностной ближнепольной СВЧ-диагностики сред с пространственно локализованными неоднородностями. Разработана система резонансных измерительных систем с разными глубинами зондирования для изучения неоднородных структур. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных инородных включений с резкими границами. Достигнута пятипроцентная точность определения диэлектрических и геометрических параметров исследуемых объектов.

5. Для исследования биологических тканей изучен эффект «прижима», характеризующийся зависимостью показаний ближнеполыюго измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта. Найдены конструктивные решения и разработаны измерительные системы, позволяющие свести к минимуму негативное влияние «прижима» путем использования зондирующего элемента в виде цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем.

6. Построена электродинамическая модель измерительной системы для ближнеполыюй СВЧ-томографии биологических тканей. Разработана схема решения соответствующей обратной задачи в приближении плоскослоистых сред и сред с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

7. Показана диагностическая и прогностическая ценность метода ближнеполыюго СВЧ-зондирования для ряда прикладных задач:

• Изучена комплексная диэлектрическая проницаемость тканей кожи при дерматозах и показано, что электродинамические характеристики кожи даже при отсутствии визуальных изменений в области патологии отражают ремиссию заболевания, что использовано для неинвазивной диагностики кожных патологий.

• Показана возможность оценки состояния органов для трансплантации по значениям электродинамических характеристик тканей трансплантатов и консервирующей их жидкости, что использовано для экспресс-диагностики жизнеспособности органов при трансплантации.

• Разработана система диагностики степени неоднородности кипящего слоя применительно к условиям промышленных установок.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1А. Янин, Д.В. Диагностика нестационарных возмущений плотности плазмы / Д.В. Янин, A.B. Костров, А.И. Смирнов, A.B. Стриковский // Журнал технической физики. - 2008. - Т. 78, вып. 1.-С. 133-136. 2А. Янин, Д.В. Диагностика параметров плазмы атмосферного давления методом ближнепольного СВЧ-зондирования / Д.В. Янин, A.B. Костров, А.И. Смирнов, М.Е. Гущин, C.B. Коробков, A.B. Стриковский, В.И. Гундорин, В.В. Назаров, М.В. Стародубцев // Журнал технической физики. - 2012. - Т. 82, вып. 4.-С. 42-51.

ЗА. Костров, A.B. Резонансная ближнепольная СВЧ диагностика неоднородных сред / A.B. Костров, А.И. Смирнов, Д.В. Янин, A.B. Стриковский, Г.А. Пантелеева // Известия РАН. Серия физическая. - 2005. - Т. 69, №12. - С. 17161720.

4А. Kostrov, A.V. Microwave resonator probe diagnostics of plasma density fluctuations / A.V. Kostrov, A.I. Smirnov, A.V. Srtikovsky, D.V. Yanin // Problems of atomic science and technology. Scries: Plasma Physics. - 2007. - №1. (13). -P. 209-211.

5A. Миронов, C.B. Применение ближнепольного измерения электродинамических параметров для экспресс-диагностики состояния печени / C.B. Миронов, В.Е. Загайнов, С.А. Васенин, A.B. Костров, A.B. Стриковский, Д.В. Янин // Медицинский научно-нракгический журнал «Современные технологии в медицине». - 2010. - Т. 1 (2). - С. 37-38.

6А. Васенин, С.В. Оценка жизнеспособности почечного трансплантанта радиофизическими методами в эксперименте / С.В. Васенин, И.Н. Дружкова, А.В. Костров, А.В. Стриковский, Д.В. Янин, В.Е. Загайнов II Медицинский альманах. - 2008. - №5. - С.53-54.

7А. Костров, А.В. Исследование электродинамических параметров биологических тканей / А.В. Костров, А.В. Стриковский, Д.В. Янин, А.И. Смирнов, В.Е. Загайнов, С.А. Васенин, И.Н. Дружкова, Г.А. Пантелеева, З.В. Давоян // Альманах клинической медицины. - 2008. - Т. 17, ч. 2. - С. 96-99.

8А. Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления: пат. №2381008 Рос. Федерация / В.Е. Загайнов, А.В. Костров, А.В. Стриковский, Д.В. Янин и др.; заявка №2008122815, приоритет от 05.06.2008, зарегистрировано 10.02.2010.

9А. Костров, А.В., Костров В.А., Смирнов А.И., Янин Д.В., Стриковский А.В., Пантелеева Г.А. Диагностика неоднородных и нестационарных сред с помощью резонансного СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной линии: Препринт ИПФ РАН №707. - Н. Новгород, 2006. - 24 с.

10А. Янин Д.В., Костров А.В., Смирнов А.И., Гущин М.Е., Коробков С.В., Стриковский А.В., Гундорин В.И., Назаров В.В., Стародубцев М.В. Диагностика параметров плазмы атмосферного давления методом ближненольного СВЧ-зондировагшя: Препринт ИПФ РАН №801. - Нижний Новгород, 2010. - 36 с.

11А. Kostrov, A.V. Near-field microwave resonant diagnostics of biological tissues / A.V. Kostrov, A.I. Smimov, G.A. Panteleeva, A.V. Strikovskiy, D.V. Yanin // Microwave & Telecommunication Technology: Proceedings of 15th International Crimean Conference, 13-17 September 2005, Sevastopol, Ukraine, 2005. P. 751752.

12A. Kostrov, A.V. Diagnostic of the boiling bed using a resonance microwave probe based on the two-wire line section / A.V. Kostrov, V.A. Kostrov, A.I. Smirnov, A.V. Strikovskiy, D.V. Yanin // Microwave & Telecommunication Technology: Proceedings of 16th International Crimean Conference, 11-15 September 2006.

- Sevastopol, 2006. P. 769-770.

13A. Kostrov, A.V. Diagnostics of skin diseases using the methods of near-field microwave-sounding / A.V. Kostrov, A.I. Smirnov, A.V. Strikovskiy, D.V. Yanin, G.A. Panteleeva, Z.V. Davoyan // Microwave & Telecommunication Technology: Proceedings of 17th International Crimean Conference, 10-14 September 2007.

- Sevastopol, 2007. P. 726-727.

14A. Smirnov, A.I. Study of inhomogeneous media using the method of near-field microwave sounding / A.I. Smimov, A.V. Kostrov, D.V. Yanin, A.V. Strikovskiy, A.G. Galka // Microwave & Telecommunication Technology: Proceedings of 21th International Crimean Conference, 10-14 September 2011. - Sevastopol, 2011. P. 935-936.

15A. Kostrov, A.V. Resonance near-field microwave diagnostics in dermatology / A.V. Kostrov, A.V. Strikovskiy, D.V. Yanin, A.I. Smirnov, G.A. Panteleeva, Z.V. Davoyan // Antenna Theory and Techniques: Proceedings of 7th International Conference, 6-9 October 2009. - Lviv, 2009. P. 357-359.

16A. Smimov, A.I. Study of inhomogeneous media using the method of near-field microwave sounding / A.I. Smirnov, A.V. Kostrov, D.V. Yanin, A.V. Strikovs-

kiy, A.G. Galka II Antenna Theory and Techniques: Proceedings of 9lh International Conference, 18-24 September 2010. -Sevastopol, 2010. P. 935-936.

17A. Zagainov, V. Non-invasive on-line diagnostics of parenchymatous organ's viability at critical states by radiophysics methods / V. Zagainov, A. Kostrov, A. Stri-kovsky, D. Yanin, S. Vasenin, I. Druzhkova, V. Vaks, E. Sabakinskaya, V. Markov // Intramolecular Dynamics, Symmetry and Spectroscopy: Latsis-Symposium, 6-10 September 2008, ETI! Zurich, Switzerland. - Zurich, 2008. P. 94.

18A. Костров, A.B Диагностика нестационарных сред с помощью резонансного зонда на отрезке двухпроводной линии / A.B. Костров, В.А. Костров, А.И. Смирнов, A.B. Стриковский, Д.В. Янин И XXI Симпозиума по радиолокационному зондированию природных сред. 18-20 апреля 2006, Санкт-Петербург, ЦНИИ МО РФ. - СПб., 2006. С.76-79.

19А. Пантелеева, Г.А. Ближнепольная СВЧ-система в диагностике некоторых хронических дерматозов / Г.А. Пантелеева, A.B. Костров, Д.В. Янин, З.В. Давоян, A.B. Стриковский, А.И. Смирнов // Труды I форума национального альянса дерматологов и косметологов, 26-28 апреля 2007, Ростов-на-Дону. -Ростов-на-Дону, 2007. С. 149-150.

20А. Пантелеева, Г.А. Применение резонансной ближнеполыюй СВЧ системы в дерматологии / Г.А. Пантелеева, A.B. Костров, Д.В. Янин, З.В. Давоян, A.B. Стриковский, А.И. Смирнов // Научно-практическая конференция, посвя-щённая памяти профессора А.Л. Машкиллейсона: тезисы докладов. - М., 2006. С. 114-115.

21 А. Пантелеева, Г.А. Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика дерматозов с ладонно-подошвенной локализацией / Г.А. Пантелеева, З.В. Давоян, Д.В. Янин, A.B. Костров, М.А. Кострова, А.И. Смирнов // 3-й конгресс дерматовенерологов: тезисы докладов. - Казань, 2009. С. 51.

22А. Янин, Д.В. Исследование электродинамических параметров неоднородных сред методом ближнепольного СВЧ зондирования / Д.В. Янин, A.B. Костров, А.И. Смирнов, A.B. Стриковский II Актуальные проблемы физики: XIII Школа молодых ученых, 14-19 ноября 2010, Звенигород. - М., 2010. С. 279280.

23А. Галка, А.Г. Исследование сред с локализованными неоднородностями методом ближнепольного СВЧ зондирования / М.Е. Гущин, A.B. Костров, А.И. Смирнов, Д.В. Янин И Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине: 2-я международная научно-практическая конференция, 9-11 декабря 2011, Санкт-Петербург. Т. 2. - СПб., 2011. С. 135-137.

24А. Костров, A.B. Резонансная ближнепольная СВЧ диагностика неоднородных сред / A.B. Костров, А.И. Смирнов, Г.А. Пантелеева, A.B. Стриковский, Д.В. Янин // Физика и применение микроволн: X Всероссийская школа-семинар, 23-28 мая 2005, Московская область, пансионат "Университетский". - М., 2005. С. 5-6.

25А. Янин, Д.В. Ближнепольная СВЧ диагностика сред с неоднородными электродинамическими характеристиками / Д.В. Янин, М.А. Кострова // 11-я научная конференция по радиофизике, 7 мая 2007, Нижний Новгород. - Нижний Новгород, 2007. С. 17-18.

26А. Янин, Д.В. Диагностика степени неоднородности кипящего слоя с помощью резонансной системы на отрезке двухпроводной линии / Д. В. Янин, И. В. Николаев //11-я научная конференция по радиофизике, 7 мая 2007, Нижний Новгород. - Нижний Новгород, 2007. С. 15-17.

27А. Костров, A.B. Резонансные датчики для измерения электродинамических параметров неоднородных и нестационарных сред / A.B. Костров, В.А. Костров, А.И. Смирнов, A.B. Стриковский, Д.В. Янин// 12-я Нижегородская сессия молодых ученых (технические науки): тезисы докладов. - Нижний Новгород, 2007. С. 111.

28А. Костров, A.B. Резонансная ближнепольная диагностика диэлектрически неоднородных сред / A.B. Костров, Д.В. Янин // 10-я Нижегородская сессия молодых ученых: тезисы докладов. - Нижний Новгород, 2005. С. 162-163.

29А. Янин, Д.В. Неинвазивная экспресс диагностика радиофизическими методами жизнеспособности паренхиматозных органов при критических состояниях / Д.В. Янин, С.А. Васенин, И.Н. Дружкова // Итоговая конференция по результатам выполнения мероприятий за 2007 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы»: тезисы докладов. - М.: Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 2007. С. 71.

Цитируемая литература

1. Корженевский, A.B. Электроимпедансная томографическая система для трехмерной визуализации тканей молочной железы / A.B. Корженевский, АЛО. Карпов, В.Н. Корниенко, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2003. - № 8. - С. 5-10.

2. Cherepenin, V.A. An electrical impedance tomography system for gynecological application GIT with a tiny electrode array / V.A. Cherepenin, Y.V. Gulyaev, A.V. Korjenevsky, S.A. Sapetsky and T.S. Tuykin // Physiol. Meas. - 2012. - V. 33. -P. 849-862.

3. Корженевский, A.B. Индукционная томография / A.B. Корженевский, В.А. Черепенин // Радиотехника и электроника. - 1997. - Т. 42, № 4. - С. 506-512.

4. Бабушкин, А.К. Разработка методов и инструментов магнитоиндукционной томографии для изучения мозга и когнитивных функций человека / А.К. Бабушкин, A.C. Бугаев, A.B. Вартанов, A.B. Корженевский, С.А. Сапецкий, Т.С. Туйкин, В.А. Черепенин // Известия российской академии наук. Серия физическая. - 2011.-Т. 75,№ 1.-С. 144-148.

5. Миронов, B.JI. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений / B.JI. Миронов. - Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. - 114 с.

6. Вейко, В.П. Лазерная технология формирования оптических антенн для ближнепольных микроскопов и исследование их характеристик / В.П. Вейко, Н.Б. Вознесенский, Ю.М. Воронин, С.А. Родионов, И.Б. Смирнов, А.И. Кала-чев // Известия РАН. Серия физическая. - 1999. - Т. 63, № 10. - С. 1954-1963.

7. Rosner, B.T. High-frequency near-field microscopy / B.T. Rosner, D.W. van der Weide // Rev. Sci. Instrnm. - 2002. - V. 73, № 7. - P. 2505-2525.

8. Дудин C.B. Диагностика плазменных технологических систем / С.В. Дудин, А.В. Зыков, В.И. Фареник. - Харьков: Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, 2009. — 32с.

9. Skvortsova, N.N. Low-Frequency Structural Plasma Turbulence in the L-2M Stellarator / N.N. Skvortsova, G.M. Batanov, V.E. Bening, V.Yu. Korolev, T.A. Mara-viana, A.E. Petrov, A.A. Pshenichnikov, K.A. Sarksyan, N.K. Kharchev, Yu.V. Kholnov // J. Plasma Fusion Res. - 2002. - V. 5. - P. 328-333.

10. Хаддстаун, P. Диагностика плазмы / P. Хаддстаун, С. Леонард. - М.: Мир, 1967.-516 с.

11. Беляев, Б.А. Применение микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов на СВЧ / Б. А. Беляев, Н.А. Дро-кин, В.Н. Шепов //ЖТФ. - 1995. - Т. 65, вып. 2. - С. 189-197.

12. Эпов, М.И. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0.05—16 ГГц / М.И. Эпов, B.J1. Миронов, П.П. Бобров, И.В. Савин, А.В. Репин // Геология и геофизика. - 2009. - Т. 50, № 5. - С. 613-618.

13. Sunaga, Т. Measurement of the electrical properties of human skin and the variation among subjects with certain skin conditions / T. Sunaga, H. Ikehira, S. Furukawa, H. Shinkai, H. Kobayashi, Y. Matsumoto, E. Yoshitome, T. Obata, S. Tanada, H. Mura-ta, Y. Sasaki // Physics in Medicine and Biology. - 2002. - V. 47, № 1. - P. 11 -15.

Подписано к печати 19.04.2013 г. Формат 60 * 90 'Л6. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ № 42(20) 3)

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Я] ГОН Дмитрий Валентинович

РЕЗОНАНСНАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕД

Автореферат

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ

РЕЗОНАНСНАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА

МАТЕРИАЛЬНЫХ СРЕД

01.04.08 - физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук А.В. Костров

На правах рукописи

04201358296

Янин Дмитрий Валентинович

Нижний Новгород - 2013 1

СОДЕРЖАНИЕ

Введение...........................................................................................................4

1. ДИАГНОСТИКА МАЛЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ................19

1.1 Методика измерений плотности плазмы и ее флуктуаций

с использованием зонда с СВЧ-резонатором..................................................21

1.2 Описание эксперимента...........................................................................24

1.3 Обсуждение экспериментальных результатов................................................26

1.4 Выводы................................................................................................34

2. БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ...............................................................................................36

2.1 Описание экспериментальной установки......................................................39

2.2 Резонансный датчик для бесконтактной диагностики плазмы высокого давления....41

2.3 Математическое описание работы резонансного датчика для бесконтактной диагностики плазмы высокого давления........................................................43

2.3.1 Эффективная диэлектрическая проницаемость.......................................46

2.3.2 Адмитанс измерительной части резонатора при исследовании параметров плазмы в газоразрядной камере............................................................49

2.4. Измерение параметров плазмы методом «отсечки» СВЧ-излучения.....................51

2.5. Экспериментальные результаты.................................................................56

2.6 Обсуждение результатов...........................................................................60

2.6.1 Электронная частота столкновений и минимальное пороговое поле СВЧ-пробоя..........................................................................................................................60

2.6.2 Частота упругих столкновений заряженных частиц с молекулами газа..........61

2.6.3 Оценка температуры электронов и температуры нейтрального газа в

разряде............................................................................................62

2.6.4 Вывод дополнительного уравнения, связывающего плазменную плотность и электронную частоту столкновений........................................................65

2.6.4.1 Частота потери электронов в плазменном объёме за счёт рекомбинации......66

2.6.4.2 Частота потери энергии за счёт столкновений

электронов с молекулами газа.............................................................67

2.6.4.3 Частота диффузионных потерь электронов..........................................68

2.6.4.4 Потеря энергии за счёт электронной теплопроводности............................69

2.6.5. Сравнение результатов измерения плотности плазмы методом "отсечки"

СВЧ-излучения и методом резонансной ближнепольной диагностики............72

2.7 Выводы.................................................................................................74

2

3. ПОДПОВЕРХНОСТНАЯ ДИАГНОСТИКА СРЕД С ЛОКАЛИЗОВАННЫМИ

ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ..........................................76

3.1 Описание резонансных измерительных систем для подповерхностной диагностики сред с локализованными неоднородностями..................................................79

3.2 Математическое описание работы резонансных измерительных систем для подповерхностной диагностики сред с локализованными неоднородностями.........81

3.3 Исследование сред с локализованными неоднородностями.............................. 85

3.4 Выводы................................................................................................92

4. РЕЗОНАНСНАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА

БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ......................................................................94

4.1 Эффект «прижима».................................................................................99

4.2 Резонансные измерительные системы для исследования биологических тканей.... 103

4.3 Математическое описание работы резонансных измерительных систем для исследования биологических тканей..........................................................107

4.4 Краевая ёмкость цилиндрического конденсатора с бесконечным металлическим фланцем..............................................................................................114

4.5 Обратная задача ближнепольной СВЧ-томографии для системы резонансных датчиков с разными глубинами зондирования.................................................125

4.5.1 Модель плоскослоистой среды..........................................................127

4.5.2 Модель среды с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости........................................................128

4.6 Калибровка датчиков..............................................................................129

4.7 Экспериментальные результаты...............................................................130

4.7.1 Исследование двухслойных сред........................................................130

4.7.2 Диагностика кожных заболеваний........................................................133

4.7.3 Диагностика жизнеспособности трансплантатов.....................................136

4.8 Выводы.................................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Диагностика псевдоожиженного слоя.........................................140

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Химико-физический метод просветления плазмы..........................144

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: Датчик влажности бумаги........................................................146

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ..............................................................................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................150

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ................................158

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Диагностика неоднородных материальных сред актуальна в различных областях науки и техники. Особо стоит отметить такие направления, как физика плазмы, медицина, материаловедение, дефектоскопия и геологоразведка. Информация о структуре, физических характеристиках материальных объектов и протекающих в них динамических процессах имеют важное как фундаментальное, так и прикладное значение. Практическую ценность представляют бесконтактные (дистанционные) способы диагностики, позволяющие проводить изучение объектов без нарушения их внутренней структуры.

В настоящее время освоено большое количество способов изучения материальных сред. На базе классических методов ультразвуковой, рентгеновской и оптической диагностики, широко применяемых в науке и технике, разработаны медицинские приборы для визуализации биологических тканей, позволяющие на ранних стадиях выявлять множество заболеваний, сопровождающихся морфологическими изменениями пораженного органа или его части. Особо стоит отметить магниторезонансную томографию, первоначально разработанную для нужд химического анализа. В последнее время широкое развитие получила электроимпедансная [1,2] и магнитоиндукционная [3,4] томография, позволяющие визуализировать распределение электрической проводимости внутри объектов различной природы. Для исследования структуры поверхности материальных сред разработаны различные виды микроскопии, с помощью которых получают растровые изображения поверхностей объектов с высоким пространственным разрешением [5]. Необходимо отметить такой вид микроскопии, как ближнепольная, разрешающая способность которой превосходит фундаментальный рэлеевский критерий. Реализация данного вида микроскопии может осуществляться в различных частотных диапазонах, в частности, оптическом [6] и СВЧ [7] диапазонах, с возможностью наблюдать поверхностные структуры, размеры которых во много раз меньше длины волны электромагнитного поля.

Перечисленные методы изучения материальных сред отличаются друг от друга, в первую очередь, способом зондирования среды. Для рентгеновской и оптической диагностики это, соответственно, рентгеновское и оптическое излучение; УЗИ использует акустические волны; магниторезонансная томография основана на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости. В соответствии с этим, результаты визуализации отражают рассеивающую и поглощающую способность среды соответственно по отношению к рентгеновскому.

оптическому и ультразвуковому излучению; МРТ проводит визуализацию на основе насыщенности объекта водородом и особенности его магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Таким образом, каждая методика обладает своей спецификой, и, соответственно, ограниченной областью применения. Поэтому нельзя утверждать, что определенный метод является абсолютным и универсальным.

В настоящее время одним из перспективных способов диагностики неоднородных сред является резонансное ближнепольное СВЧ-зондирование. С его помощью можно проводить исследования электродинамических характеристик (диэлектрическая проницаемость и проводимость) объектов различной физической природы [7-10]. Комплексная диэлектрическая проницаемость является важной характеристикой материальных объектов. Значение этой величины зависит от физической природы объекта, его свойств, структурного и физико-химического состава и может быть использовано в диагностических целях. Исследование нестационарных процессов в средах также может проводиться на основе изучения их динамически меняющихся электродинамических параметров. В медицинских приложениях знание комплексной диэлектрической проницаемости биологических тканей является одним из необходимых условий при диагностике структурных изменений организма человека, в частности при локализации воспалительных и опухолевых процессов. Однако для этих целей необходимо применять неинвазивные методики, позволяющие определить область патологии в неоднородной структуре тканей. Данное требование может быть выполнено при реализации томографии биологических тканей на основе измерения их электродинамических характеристик.

Для обеспечения гарантированной точности и достоверности определения электрофизических характеристик материальных сред требуется соответствующая инструментальная база, учитывающая специфические особенности диагностируемых объектов. Это заставляет взглянуть под новым углом на многие, ставшие уже классическими, методы измерений диэлектрических характеристик, на основе положительно зарекомендовавших себя резонаторов на отрезке коаксиальных и двухпроводных линий передач. Основное достоинство данных устройств - их миниатюрность и. как следствие, высокая чувствительность, а также простота в изготовлении, гибкие функциональные возможности и разнообразие конструкторских решений.

Поясним основные принципы, на которых базируется резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика. Область среды, находящейся в ближнем поле зондирующей электрически малой антенны, оказывает влияние на ее импеданс. Если антенна включена в качестве нагрузки в резонансную систему, то по смещению резонансной частоты и изменению

добротности можно судить об электродинамических характеристиках среды вблизи антенного устройства. Для целей томографии подповерхностных неоднородностей система должна быть модифицирована таким образом, чтобы можно было изменять эффективную глубину зондирования или характерный масштаб локализации квазистатического электрического поля в среде. Для томографии трёхмерно неоднородной среды, основанной на методах одномерной подповерхностной диагностики, измерения должны быть дополнены двумерным сканированием вдоль поверхности. Таким образом, исходными данными для решения обратной задачи резонансной ближнепольной СВЧ-томографии являются результаты измерения резонансных характеристик датчика при двумерном сканировании над поверхностью среды его измерительной части, представляющей собой систему электрически малых антенн с разными глубинами зондирования. Обратная задача для неоднородного полупространства в общем случае чрезвычайно сложна, является некорректной и требует применения методов регуляризации, основанных на использовании дополнительной априорной информации о точном решении. Ближнепольная СВЧ-томография, в отличие от волновых методов, позволяет восстанавливать субволновые детали профилей параметров среды.

Цель работы

Целью диссертационной работы является развитие и экспериментальная реализация метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред. Рассматриваются такие задачи, как диагностика нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной плотности, бесконтактная диагностика плотности плазмы и электронной частоты столкновений в разрядах при атмосферном давлении, подповерхностная диагностика сред, содержащих сильно контрастные объекты, а также актуальная в медицинской практике задача резонансной ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей.

Научная новизна

1. Развита методика исследования нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной концентрации, с помощью резонансного СВЧ-зонда. Экспериментально и теоретически изучено пространственное распределение колебаний плотности плазмы возбуждаемых магнитной рамочной антенной в нижнегибридном диапазоне частот.

2. Развита и впервые реализована методика бесконтактной диагностики параметров плазмы атмосферного давления с помощью ближнепольного СВЧ-зондирования. На базе резонансного СВЧ-зонда разработана диагностическая система, позволяющая проводить исследования плазмы через диэлектрическую стенку разрядной камеры. Экспериментально изучена динамика плотности плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении. Достоверность полученных результатов показана с помощью теоретических оценок и метода «отсечки» СВЧ-излучения совместно с численным моделированием прохождения СВЧ-волн через слой плазмы с учётом конкретной конфигурации излучателя и параметров экспериментальной установки.

3. Впервые экспериментально реализован метод подповерхностной ближнепольной СВЧ-диагностики сред с пространственно локализованными неоднородностями. Разработана система резонансных измерительных систем с разными глубинами зондирования для изучения неоднородных структур. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных неоднородностей с резкими границами, расположенных в однородном полупространстве. Восстановлены диэлектрическая проницаемость, геометрические размеры и глубина залегания инородных включений по результатам измерения резонансных характеристик датчиков при их двумерном сканировании над поверхностью среды.

4. Развита экспериментальная и теоретическая база для реализации ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Проведены исследования эффекта «прижима», характеризующегося зависимостью показаний ближнепольного измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта, и найдены конструктивные решения, позволяющие свести к минимуму его негативное влияние. Разработаны новые измерительные системы для ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Развита теория резонансных датчиков. Получены выражения, связывающие параметры резонансных характеристик диагностических систем с параметрами плоскослоистых сред и сред с монотонным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

5. Продемонстрирована диагностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования в дерматологии. Установлены различия комплексной диэлектрической проницаемости тканей кожи при разных дерматозах. Показана возможность контроля ремиссии заболеваний в случае, когда нет визуальных изменений.

6. Впервые продемонстрированы возможности ближнепольной СВЧ-диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации. Исследованы электродинамические характеристики паренхимы почек и консервирующей их жидкости в условиях тепловой и холодовой ишемии в динамике по времени. Установлена связь электродинамических параметров консервирующей жидкости и тканей органа со степенью его жизнеспособности.

7. На основе метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования реализовано новое устройство для определения влажности бумаги; разработана система контроля плотности кипящего слоя и её динамики в условиях промышленных установок.

Научная и практическая ценность

В ходе выполнения диссертационной работы развит метод резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования применительно к исследованию различных материальных сред.

Развитая методика диагностики нестационарных процессов в холодной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной плотности, имеет важное прикладное значение при изучении плазменных процессов в модельных экспериментах, проводимых в лаборатории.

Предложенная система контроля плотнос