ELECTRODYNAMIC MODEL OF THE NEAR-FIELD HIGH FREQUENCY METHOD OF PHYSICAL OBJECTS PROBING
68 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
УДК 53.083.92
Ю. А. БАЛОШИН, А. А. СОРОКИН, А. Н. ВОЛЧЕНКО
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЧ-БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрена электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов (на примере органических и неорганических растворов веществ в дистиллированной воде). Показано, что с поверхности физического объекта можно получать информацию о самом объекте и процессах, происходящих в нем. Информационный сигнал определяется, прежде всего, диэлектрической проницаемостью физического объекта.
Ключевые слова: электродинамическая модель, ВЧ-ближнепольное зондирование, диэлектрическая проницаемость, информационный сигнал.
Диагностика внутреннего состояния различных физических объектов актуальна для микроэлектроники, материаловедения, дефектоскопии, прикладной химии. Одним из наиболее успешных и перспективных методов такой диагностики может стать ВЧ-ближнепольное зондирование.
Однако для более глубокого понимания метода и развития его возможностей в прикладных исследованиях необходимо построение относительно простой электродинамической модели, позволяющей качественно и количественно оценивать отклик ВЧ-ближнепольной измерительной системы при взаимодействии ее с исследуемым физическим объектом. По отклику можно судить о внутренней структуре этого объекта и ее изменениях под воздействием различных внешних факторов. Для этого обратимся к результатам экспериментальных исследований различных растворов веществ (органических и неорганических в дистиллированной воде), полученных нами с помощью измерительного комплекса и реализуемого в нем метода ВЧ-ближнепольного зондирования, которые подробно рассмотрены в работе [1].
Эксперимент № 1. Объект исследования — стеклянные ампулы, заполненные одинаковыми по объему различными растворами веществ в дистиллированной воде (табл. 1).
Номер ампулы
1 2 3 4 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Таблица 1 Исследуемый объект
Пустая ампула Дистиллированная вода
Раствор NaCl 5 % Раствор NaCl 1 %
Гексан Толуол Ацетон Изопропиловый спирт (ИПС) NaCl N2SO4 CuSO4 H2SO4 Дистиллированная вода Этилацетат Бутанол Бензиловый спирт Диоксан + H2O (0,8/0,2) Диоксан + H2O (0,415/0,585)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 69
Цель исследований — определение путем ВЧ-ближнепольного зондирования уровня информационного сигнала, получаемого от раствора в каждой ампуле, относительно выбранной нормы (опорная ампула № 25, заполненная дистиллированной водой). За уровень информационного сигнала примем относительную частоту ВЧ-генератора. Результаты исследований приведены на рис. 1, с его помощью можно сделать следующие выводы:
— уровни сигналов органических (область „п“) и неорганических (область „т“) растворов противоположны по отношению к уровню ω0, полученному от дистиллированной воды. Другими словами, возможно, используя ВЧ-ближнепольное зондирование, различать растворы различной природы;
— уровни сигналов определяются концентрацией растворенного вещества на единицу объема растворителя (см. рис. 1 — сигналы от ампул № 3 и 4, 29 и 30).
ω0, о.е.
1,25
1,2 1,15 т
1,1 1,05
1 3 4 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 № ампулы 0,95
п
0,9
0,85
Рис. 1
Эксперимент № 2 является своеобразным продолжением предыдущего исследования. Объект исследования — стеклянные ампулы с органическими жидкостями, представленные Государственным институтом прикладной химии (ГИПХ), причем, по согласованию с сотрудниками ГИПХ, содержание ампул было неизвестным.
Каждая ампула содержала органическое вещество в одинаковой концентрации на единицу объема растворителя (воды), были известны значения диэлектрической проницаемости вещества εв (табл. 2).
Номер ампулы 1 2 3 4 5 6 7 8
Таблица 2 εв (по ГОСТ) 37,00—40,00 (использовалось значение 37,00)
54,95 53,33 51,02 56,17 58,16 58,88 58,68
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2. Цель исследования — установить связь уровня информационного сигнала (цифры со штрихом) со значениями εв
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
70 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
органических веществ (цифры) при ВЧ-ближнепольном зондировании их растворов. Как видно из рисунка, наблюдается корреляция значений ε и нормированных значений показаний прибора, а именно: с увеличением значения ε повышается уровень относительной частоты прибора.
εв
67
8 ω, о.е.
2′ 3′
5
7′ 8′ –0,10
55 2 4′ 5′ 6′ 3
–0,09
4 50
–0,08
45 –0,07
40 1 1′
–0,06
Рис. 2
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования. Электродинамическую задачу ВЧ-ближнепольного зондирования будем анализировать исходя из схемы, приведенной на рис. 3.
Блок Z регистрации
εв ВЧ-антенна
dэфф
ε*в
Рис. 3
ВЧ-антенна расположена в однородном верхнем полупространстве (Z > 0) с действи-
тельным значением диэлектрической проницаемости ε. Нижним полупространством (Z < 0),
которое характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью вещества
ε∗в = εв − iε∗в∗ будем считать исследуемый физический объект (раствор в ампуле). Такая среда будет поглощать энергию электромагнитного поля ВЧ-антенны. Это поглощение описывает-
ся законом Бугера [2]
IZ = I0 exp(−αZ ) ,
(1)
где
α=
4π λ
ε∗в∗
—
коэффициент
поглощения
электромагнитного
поля
веществом
на
единицу
длины. При оценке коэффициента α и глубины проникновения электромагнитного поля ВЧ-
антенны в вещество для нашей модели наиболее важным является определение природы это-
го поглощения — является оно резонансным или нерезонансным.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 71
Нерезонансное поглощение определяется потерями энергии электромагнитного поля при его взаимодействии со свободными зарядами в веществе, концентрация которых определяет
проводимость последнего σв. Для этого случая ε∗в∗ , а значит и α, определяются как
ε∗в∗
=
σв ωεв
,
α
=
4π λ
σв ωεв
.
(2)
Резонансное поглощение характеризуется энергетическими потерями поля при взаимо-
действии его со связанными зарядами в веществе (дипольными моментами атомов и моле-
кул). В этом случае εв и ε∗в∗ определяются через дисперсионные соотношения Крамерса-
Кронинга [2] как ε (ω) и ε∗в∗ (ω) .
Обратимся теперь к параметрам ВЧ-антенны из работы [1]. Излучение антенны в воздухе (при отстройке) происходит на частоте f = 4⋅106 Гц, что соответствует длине волны λ = 75 м. Отношение диаметра антенны D = 25 мм к длине волны получается менее 0,0001. Для таких
параметров антенны резонансное поглощение в воде и водных растворах можно не учиты-
вать.
Что касается нерезонансного поглощения, то этот процесс характеризуется эффектив-
ной глубиной проникновения dэфф (рис. 3) электромагнитного поля в вещество, которую можно определить из формулы (1) как:
αZ → αdэфф = 1 → dэфф =
1. α
(3)
Ниже приведены значения α дистиллированной воды 9 %-ного раствора NaCl для элек-
тромагнитного поля с частотой, равной единицам мегагерц (соизмеримой с частотой
ВЧ-антенны), взятые из работы [3], и значения dэфф (данные по σH2O и σNaCl из работы [3] —
усредненные). σH2O = (10–4—10–5)См⋅м–1 → α = 4,7⋅10–2м–1 → dэфф =2,1⋅102 м. σNaCl = (2,6—3,3) См⋅м–1 → α = 1,41⋅104 м–1→ dэфф =7⋅10–5 м.
Как видно из этих соотношений, значения глубины проникновения электромагнитного
поля в растворы (кроме дистиллированной воды) позволяют рассматривать ВЧ-зондирование
как поверхностное, в отличие от метода СВЧ-зондирования с частотой электромагнитного поля в сотни мегагерц, при котором проникновение поля в вещество может достигать еди-
ниц-десятков сантиметров [4].
Таким образом, в нашей задаче физический объект (растворы) рассматривается как ве-
щество с характерным значением dэфф, обладающее диэлектрической проницаемостью εв и проводимостью σв, определяющими особенности процесса нерезонансного поглощения в этом веществе. Такую модель можно использовать не только для растворов. Это обстоятель-
ство и определяет основную специфику рассматриваемой электродинамической модели, а
именно: поглощающая среда в ближней зоне ВЧ-антенны существенно влияет на квазистационарную компоненту поля этой антенны и, как следствие — приводит к изменению ком-
плексного сопротивления (импеданса) ВЧ-антенны, а значит и частоты ВЧ-генератора, ча-
стью колебательной системы которого она является. В результате этого влияния формируется информационный сигнал, соответствующий изменению частоты δω генератора в область „m“
или „n“ (см. рис. 1) относительно уровня опорной частоты, полученной от ампулы с дистил-
лированной водой ω0 = 2πf0. Для веществ, которые являются диамагнетиками либо парамагнетиками (к ним можно отнести исследуемые растворы), δω генератора будет определяться
через соотношение:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
72 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
δω =
δС Сэфф
ω0 ,
(4)
где δС — изменение емкостной составляющей импеданса антенны, Сэфф — эффективная ем-
кость ВЧ-антенны, которая отлична от емкости этой антенны в воздухе С0 [4]:
Сэфф =
εв D2 dэфф
.
(5)
Все вышеизложенное позволяет качественно объяснить результаты исследования физи-
ческих объектов с помощью метода ВЧ-ближнепольного зондирования.
На рис. 1 для области сигналов „m“ (неорганические растворы) в предположении, что
δω = (ωm – ω0) > 0, получим, воспользовавшись формулой (4):
δω
=
ω0
Cm − C0
C0
>0
(6)
С помощью формул (2), (3) и (5) выражение (6) можно преобразовать в неравенство, оп-
ределяющее уровни сигналов от неорганических растворов.
εmσm > ε′0σ0,
(7)
где εm и σm — соответственно диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ис-
следуемого вещества, а ε′0 и σ0 — дистиллированной воды.
Для области „n“ аналогичным образом получим неравенство для органических раство-
ров:
εnσ n < ε′0σ0.
(8)
Оценим условия (7) и (8) на примере конкретных растворов. Раствор NaCl (ампулы № 3 и 4)
εNaCl =εm = 5,9; σm = 3 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Очевидно, что эти данные обеспечивают выполнение неравенства (7), которое опреде-
ляет условие формирования отношения уровня сигнала ВЧ-антенны от неорганических рас-
творов к уровню дистиллированной воды.
Если обратиться к органическим растворам, то в качестве примера была рассмотрена
ампула №19 с раствором ацетона: εа =εn = 20,74; σn = 10–9 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Эти значения подтверждают справедливость условия (8) при формировании уровней
сигналов от органических растворов.
Заключение. Рассмотренная на примере водных растворов количественная электроди-
намическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования подтверждает гипотезу о том, что
достоверную информацию о веществе и процессах, происходящих в нем под воздействием
различных факторов, можно получить с поверхности вещества, основываясь на уровне ин-
формационного сигнала, который связан со значениями диэлектрической проницаемости и
проводимости этого вещества и их изменениями при наличии внешнего воздействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балошин Ю. А. и др. Метод диагностики функциональной активности тканей и органов биообъектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 3. С. 37—43.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 865 с.
3. Самойлов В. О. Медицинская биофизика. СПб: Спец. лит., 2007. 560 с.
4. Кинг Р. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984. 824 с.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 73
Сведения об авторах
Юрий Александрович Балошин
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра физики
Анатолий Александрович Сорокин — канд. техн. наук, доцент; Балтийский государственный технический
университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра радиоэлек-
тронных систем управления, Санкт-Петербург;
E-mail: an_sor@mail.ru
Александр Николаевич Волченко — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра физики;
E-mail: wolf2684@mail.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 22.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
УДК 53.083.92
Ю. А. БАЛОШИН, А. А. СОРОКИН, А. Н. ВОЛЧЕНКО
ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЧ-БЛИЖНЕПОЛЬНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Рассмотрена электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов (на примере органических и неорганических растворов веществ в дистиллированной воде). Показано, что с поверхности физического объекта можно получать информацию о самом объекте и процессах, происходящих в нем. Информационный сигнал определяется, прежде всего, диэлектрической проницаемостью физического объекта.
Ключевые слова: электродинамическая модель, ВЧ-ближнепольное зондирование, диэлектрическая проницаемость, информационный сигнал.
Диагностика внутреннего состояния различных физических объектов актуальна для микроэлектроники, материаловедения, дефектоскопии, прикладной химии. Одним из наиболее успешных и перспективных методов такой диагностики может стать ВЧ-ближнепольное зондирование.
Однако для более глубокого понимания метода и развития его возможностей в прикладных исследованиях необходимо построение относительно простой электродинамической модели, позволяющей качественно и количественно оценивать отклик ВЧ-ближнепольной измерительной системы при взаимодействии ее с исследуемым физическим объектом. По отклику можно судить о внутренней структуре этого объекта и ее изменениях под воздействием различных внешних факторов. Для этого обратимся к результатам экспериментальных исследований различных растворов веществ (органических и неорганических в дистиллированной воде), полученных нами с помощью измерительного комплекса и реализуемого в нем метода ВЧ-ближнепольного зондирования, которые подробно рассмотрены в работе [1].
Эксперимент № 1. Объект исследования — стеклянные ампулы, заполненные одинаковыми по объему различными растворами веществ в дистиллированной воде (табл. 1).
Номер ампулы
1 2 3 4 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Таблица 1 Исследуемый объект
Пустая ампула Дистиллированная вода
Раствор NaCl 5 % Раствор NaCl 1 %
Гексан Толуол Ацетон Изопропиловый спирт (ИПС) NaCl N2SO4 CuSO4 H2SO4 Дистиллированная вода Этилацетат Бутанол Бензиловый спирт Диоксан + H2O (0,8/0,2) Диоксан + H2O (0,415/0,585)
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 69
Цель исследований — определение путем ВЧ-ближнепольного зондирования уровня информационного сигнала, получаемого от раствора в каждой ампуле, относительно выбранной нормы (опорная ампула № 25, заполненная дистиллированной водой). За уровень информационного сигнала примем относительную частоту ВЧ-генератора. Результаты исследований приведены на рис. 1, с его помощью можно сделать следующие выводы:
— уровни сигналов органических (область „п“) и неорганических (область „т“) растворов противоположны по отношению к уровню ω0, полученному от дистиллированной воды. Другими словами, возможно, используя ВЧ-ближнепольное зондирование, различать растворы различной природы;
— уровни сигналов определяются концентрацией растворенного вещества на единицу объема растворителя (см. рис. 1 — сигналы от ампул № 3 и 4, 29 и 30).
ω0, о.е.
1,25
1,2 1,15 т
1,1 1,05
1 3 4 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 № ампулы 0,95
п
0,9
0,85
Рис. 1
Эксперимент № 2 является своеобразным продолжением предыдущего исследования. Объект исследования — стеклянные ампулы с органическими жидкостями, представленные Государственным институтом прикладной химии (ГИПХ), причем, по согласованию с сотрудниками ГИПХ, содержание ампул было неизвестным.
Каждая ампула содержала органическое вещество в одинаковой концентрации на единицу объема растворителя (воды), были известны значения диэлектрической проницаемости вещества εв (табл. 2).
Номер ампулы 1 2 3 4 5 6 7 8
Таблица 2 εв (по ГОСТ) 37,00—40,00 (использовалось значение 37,00)
54,95 53,33 51,02 56,17 58,16 58,88 58,68
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 2. Цель исследования — установить связь уровня информационного сигнала (цифры со штрихом) со значениями εв
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
70 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
органических веществ (цифры) при ВЧ-ближнепольном зондировании их растворов. Как видно из рисунка, наблюдается корреляция значений ε и нормированных значений показаний прибора, а именно: с увеличением значения ε повышается уровень относительной частоты прибора.
εв
67
8 ω, о.е.
2′ 3′
5
7′ 8′ –0,10
55 2 4′ 5′ 6′ 3
–0,09
4 50
–0,08
45 –0,07
40 1 1′
–0,06
Рис. 2
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования. Электродинамическую задачу ВЧ-ближнепольного зондирования будем анализировать исходя из схемы, приведенной на рис. 3.
Блок Z регистрации
εв ВЧ-антенна
dэфф
ε*в
Рис. 3
ВЧ-антенна расположена в однородном верхнем полупространстве (Z > 0) с действи-
тельным значением диэлектрической проницаемости ε. Нижним полупространством (Z < 0),
которое характеризуется комплексной диэлектрической проницаемостью вещества
ε∗в = εв − iε∗в∗ будем считать исследуемый физический объект (раствор в ампуле). Такая среда будет поглощать энергию электромагнитного поля ВЧ-антенны. Это поглощение описывает-
ся законом Бугера [2]
IZ = I0 exp(−αZ ) ,
(1)
где
α=
4π λ
ε∗в∗
—
коэффициент
поглощения
электромагнитного
поля
веществом
на
единицу
длины. При оценке коэффициента α и глубины проникновения электромагнитного поля ВЧ-
антенны в вещество для нашей модели наиболее важным является определение природы это-
го поглощения — является оно резонансным или нерезонансным.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 71
Нерезонансное поглощение определяется потерями энергии электромагнитного поля при его взаимодействии со свободными зарядами в веществе, концентрация которых определяет
проводимость последнего σв. Для этого случая ε∗в∗ , а значит и α, определяются как
ε∗в∗
=
σв ωεв
,
α
=
4π λ
σв ωεв
.
(2)
Резонансное поглощение характеризуется энергетическими потерями поля при взаимо-
действии его со связанными зарядами в веществе (дипольными моментами атомов и моле-
кул). В этом случае εв и ε∗в∗ определяются через дисперсионные соотношения Крамерса-
Кронинга [2] как ε (ω) и ε∗в∗ (ω) .
Обратимся теперь к параметрам ВЧ-антенны из работы [1]. Излучение антенны в воздухе (при отстройке) происходит на частоте f = 4⋅106 Гц, что соответствует длине волны λ = 75 м. Отношение диаметра антенны D = 25 мм к длине волны получается менее 0,0001. Для таких
параметров антенны резонансное поглощение в воде и водных растворах можно не учиты-
вать.
Что касается нерезонансного поглощения, то этот процесс характеризуется эффектив-
ной глубиной проникновения dэфф (рис. 3) электромагнитного поля в вещество, которую можно определить из формулы (1) как:
αZ → αdэфф = 1 → dэфф =
1. α
(3)
Ниже приведены значения α дистиллированной воды 9 %-ного раствора NaCl для элек-
тромагнитного поля с частотой, равной единицам мегагерц (соизмеримой с частотой
ВЧ-антенны), взятые из работы [3], и значения dэфф (данные по σH2O и σNaCl из работы [3] —
усредненные). σH2O = (10–4—10–5)См⋅м–1 → α = 4,7⋅10–2м–1 → dэфф =2,1⋅102 м. σNaCl = (2,6—3,3) См⋅м–1 → α = 1,41⋅104 м–1→ dэфф =7⋅10–5 м.
Как видно из этих соотношений, значения глубины проникновения электромагнитного
поля в растворы (кроме дистиллированной воды) позволяют рассматривать ВЧ-зондирование
как поверхностное, в отличие от метода СВЧ-зондирования с частотой электромагнитного поля в сотни мегагерц, при котором проникновение поля в вещество может достигать еди-
ниц-десятков сантиметров [4].
Таким образом, в нашей задаче физический объект (растворы) рассматривается как ве-
щество с характерным значением dэфф, обладающее диэлектрической проницаемостью εв и проводимостью σв, определяющими особенности процесса нерезонансного поглощения в этом веществе. Такую модель можно использовать не только для растворов. Это обстоятель-
ство и определяет основную специфику рассматриваемой электродинамической модели, а
именно: поглощающая среда в ближней зоне ВЧ-антенны существенно влияет на квазистационарную компоненту поля этой антенны и, как следствие — приводит к изменению ком-
плексного сопротивления (импеданса) ВЧ-антенны, а значит и частоты ВЧ-генератора, ча-
стью колебательной системы которого она является. В результате этого влияния формируется информационный сигнал, соответствующий изменению частоты δω генератора в область „m“
или „n“ (см. рис. 1) относительно уровня опорной частоты, полученной от ампулы с дистил-
лированной водой ω0 = 2πf0. Для веществ, которые являются диамагнетиками либо парамагнетиками (к ним можно отнести исследуемые растворы), δω генератора будет определяться
через соотношение:
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
72 Ю. А. Балошин, А. А. Сорокин, А. Н. Волченко
δω =
δС Сэфф
ω0 ,
(4)
где δС — изменение емкостной составляющей импеданса антенны, Сэфф — эффективная ем-
кость ВЧ-антенны, которая отлична от емкости этой антенны в воздухе С0 [4]:
Сэфф =
εв D2 dэфф
.
(5)
Все вышеизложенное позволяет качественно объяснить результаты исследования физи-
ческих объектов с помощью метода ВЧ-ближнепольного зондирования.
На рис. 1 для области сигналов „m“ (неорганические растворы) в предположении, что
δω = (ωm – ω0) > 0, получим, воспользовавшись формулой (4):
δω
=
ω0
Cm − C0
C0
>0
(6)
С помощью формул (2), (3) и (5) выражение (6) можно преобразовать в неравенство, оп-
ределяющее уровни сигналов от неорганических растворов.
εmσm > ε′0σ0,
(7)
где εm и σm — соответственно диэлектрическая проницаемость и удельная проводимость ис-
следуемого вещества, а ε′0 и σ0 — дистиллированной воды.
Для области „n“ аналогичным образом получим неравенство для органических раство-
ров:
εnσ n < ε′0σ0.
(8)
Оценим условия (7) и (8) на примере конкретных растворов. Раствор NaCl (ампулы № 3 и 4)
εNaCl =εm = 5,9; σm = 3 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Очевидно, что эти данные обеспечивают выполнение неравенства (7), которое опреде-
ляет условие формирования отношения уровня сигнала ВЧ-антенны от неорганических рас-
творов к уровню дистиллированной воды.
Если обратиться к органическим растворам, то в качестве примера была рассмотрена
ампула №19 с раствором ацетона: εа =εn = 20,74; σn = 10–9 С⋅мм–1,
εH2O = ε′0 = 75,9; σ0 =10–4—10–5 С⋅мм–1.
Эти значения подтверждают справедливость условия (8) при формировании уровней
сигналов от органических растворов.
Заключение. Рассмотренная на примере водных растворов количественная электроди-
намическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования подтверждает гипотезу о том, что
достоверную информацию о веществе и процессах, происходящих в нем под воздействием
различных факторов, можно получить с поверхности вещества, основываясь на уровне ин-
формационного сигнала, который связан со значениями диэлектрической проницаемости и
проводимости этого вещества и их изменениями при наличии внешнего воздействия.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Балошин Ю. А. и др. Метод диагностики функциональной активности тканей и органов биообъектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 3. С. 37—43.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1973. 865 с.
3. Самойлов В. О. Медицинская биофизика. СПб: Спец. лит., 2007. 560 с.
4. Кинг Р. Антенны в материальных средах. М.: Мир, 1984. 824 с.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12
Электродинамическая модель ВЧ-ближнепольного зондирования физических объектов 73
Сведения об авторах
Юрий Александрович Балошин
— д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный
университет информационных технологий, механики и оптики, ка-
федра физики
Анатолий Александрович Сорокин — канд. техн. наук, доцент; Балтийский государственный технический
университет „ВОЕНМЕХ“ им. Д. Ф. Устинова, кафедра радиоэлек-
тронных систем управления, Санкт-Петербург;
E-mail: an_sor@mail.ru
Александр Николаевич Волченко — аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет ин-
формационных технологий, механики и оптики, кафедра физики;
E-mail: wolf2684@mail.ru
Рекомендована кафедрой физики
Поступила в редакцию 22.06.11 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 12