СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПЛОТНОСТИ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ИЗОТРОПНОМ ВОДНОМ РАСТВОРЕ ХЛОРОФИЛЛА Российский патент 2023 года по МПК G01N22/00 

Изобретение относится к области визуализации электромагнитного СВЧ излучения, в частности, в изотропных водных растворах.

Визуализация магнитных и электромагнитных полей является важной задачей, в частности для понимания механизмов влияния СВЧ излучения на человека. Методы визуализации электромагнитного излучения (ЭМИ) используются не только в научных исследованиях, но и в промышленности, экологическом мониторинге, радиосвязи. Главными характеристиками в подборе новых сред для визуализации являются диапазон частот и плотность мощности, которые возможно детерминировать.

Известен способ визуализации электромагнитных излучений (см. патент РФ №2356129 по кл. МПК, H01L 31/14, опуб 20.05.2009), заключающийся в возбуждении резонансных СВЧ-токов, которые нагревают изготовленную из резистивного материала пленку, являющуюся электрической нагрузкой антенны до температуры, соответствующей облученности антенны. Часть инфракрасного излучения каждой пленки с помощью первого зеркала (при этом второе зеркало выведено из поля зрения тепловизора) направляют в объектив тепловизора, который преобразует температурное поле мишени в видимое изображение, воспроизводимое монитором. Причем в процессе преобразования яркость каждого элемента разложения видимого изображения на экране монитора определяется температурой резистивной пленки, оптически сопряженной с этим элементом.

Недостатком способа является многократное преобразование энергии с потерями, его невысокая чувствительность по отношению к естественному излучению исследуемых объектов, например, в субмиллиметровом диапазоне излучения. Другим недостатком является низкая разрешающая способность визуализации вследствие необходимости конструктивного исполнения каждого элемента разложения антенной матрицы по размерам, зависящим от длины волны визуализируемого излучения, что приводит к громоздкости мишени с элементами разложения и, соответственно, всего устройства в целом, без какого-либо увеличения разрешающей способности визуализатора.

Известен способ визуализации электромагнитных излучений (см. https://moluch.ru/archive/22/2312/, Березовчук, А. В. Электромагнитное излучение и химические реакции / А. В. Березовчук, А. В. Шантроха, М. А. Старшов. // Молодой ученый. - 2010. - № 11 (22). - Т. 1. - С. 109-112), заключающийся в приготовлении растворов салициловой кислоты, железоаммониевых квасцов и тетрабората натрия определенных концентраций. К растворам, полученным путем смешения каждого из ранее полученных растворов, к аналитической матрице прибавляют 4 мл 0,2% раствора железоаммониевых квасцов и количественно разбавляют буферным раствором до 100 мл. Полученные растворы фотометрируют при длине волны 335-450 нм. Температуру измеряют с помощью ртутного термометра, рН раствора - с помощью индикаторной бумаги. Воздействие ЭМИ осуществляли на частотах 58-73 ГГц. при облучении регистрировали оптическую плотность растворов.

Недостатком способа является отсутствие возможности измерения плотности мощности излучения. Кроме этого, при высокой мощности воздействия наблюдался тепловой эффект.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ визуализации электромагнитного излучения в изотропном водном растворе хлорофилла (см. www.elibrary.ru/id=46223982, Бабкина Н.А, Рытик А.П., Палагута А.М, «Cпособ визуализации электромагнитного излучения в изотропном водном растворе хлорофилла»/ Сборник статей восьмой Всероссийской научной школы-семинара «Взаимодействие сверхвысокочастотного, терагерцового и оптического излучения с полупроводниковыми микро- и наноструктурами, метаматериалами и биообъектами». Саратов, 24 мая 2021. - Саратов, издательство «Саратовский источник». - С. 197-203), заключающийся в приготовлении раствора эвкалипта и регистрации изменений однородности раствора водного раствора хлорофилла при воздействии сверхвысокочастотного электромагнитного излучения (СВЧ) в диапазоне 45-90 ГГц и плотности мощности 0,04 мВт/см².

Недостатком способа является отсутствие возможности визуализирования излучения по форме получаемого осадка. Кроме того, не анализировалась зависимость плотности мощности от параметров получаемого осадка раствора хлорофилла.

Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка простого способа, позволяющего наглядно проводить визуализацию электромагнитного излучения СВЧ-диапазона, в видимом диапазоне длин волн.

Техническим результатом является возможность оценки плотности мощности ЭМИ в растворе по длине осадка при высокой чувствительности раствора к излучению.

Для достижения технического результата в способе визуализации электромагнитного излучения, заключающемуся в воздействии электромагнитного излучения на частотах от 45 до 60 ГГц на изотропный гомогенизированный водный раствор хлорофилла и регистрации изменений однородности раствора, согласно изобретению, в качестве изменений однородности раствора регистрируют осадок, по длине которого судят о плотности мощности излучения, при этом при длине осадка 0,1-1,0 cм плотность мощности составляет 0,01-0,7 мВт/см², при длине осадка 1,5-2,0 см плотность мощности составляет 1 мВт/см², при длине осадка 2,1-2,5 см плотность мощности составляет 2 мВт/см², при этом воздействие излучения осуществляют в течение 15 минут.

Способ поясняется иллюстрациями, где представлены:

-на фиг. 1 - устройство реализации способа визуализации ЭМИ в СВЧ- диапазоне;

-на фиг. 2 - результаты измерений длины осадка раствора хлорофилла при плотности мощности 2 мВт/см² и частоте в диапазоне 45-60 ГГц (статистически крайние положения формы осадка);

-на фиг. 3 - результаты измерений длины осадка раствора хлорофилла при плотности мощности 1 мВт/см² и частоте в диапазоне 45-60 ГГц;

- на фиг. 4 - результаты измерений длины осадка раствора хлорофилла при плотности мощности 0,7 мВт/см² и частоте в диапазоне 45-60 ГГц;

- на фиг. 5 - график зависимости сводных значений длины осадка (L, см) от плотности мощности внешнего излучения (ω, мВт/см²).

На чертежах позициями обозначено:

1 - генератор сигналов высокочастотный (Г4-142);

2 -рупорная металлическая антенна (выходной фланец генератора);

3 - кювета с раствором хлорофилла;

4 - регистрирующее устройство (фотокамера).

Способ осуществляется следующим образом.

Для выполнения исследований была разработана экспериментальная установка на основе СВЧ-генератора сигналов Г4-142 и фотокамеры для оценки изменения оптических свойств и формы осадка раствора (фиг. 1). В качестве исследуемой среды использовался заранее приготовленный раствор хлорофилла из листьев эвкалипта на основе деионизованной воды (в соотношении 1:1, 5 мл дистиллированный воды и 5 мл раствора хлорофилла) или использовался готовый раствор хлорофиллипта 2%-й концентрации (в соотношении 2:1, 2 мл готового 2% раствора и 1 мл воды).

Для приготовления раствора хлорофилла из листьев эвкалипта помимо свежих листьев эвкалипта (25 измельченных ст. л) необходимы: стеклянная емкость (желательно использовать флакон из темного стекла объемом - 300 мл), плотная полиэтиленовая крышка, подсолнечное масло 250 мл или масло виноградной косточки. Помещают предварительно измельченные листья эвкалипта во флакон, перемешивают, закрывают крышкой и оставляют настаиваться в темном месте трое суток, чтобы выжимка из листьев пустила сок. По истечении трех дней заливают выжимку листьев маслом и оставляют в темном месте на 7 дней для того, чтобы смесь настоялась. По прошествии недели листья повторно отжимают, процеживают жидкость, заливают обратно во флакон из темного стекла, плотно накрыв крышкой. Хранят раствор в темном, прохладном месте не более двух месяцев.

Готовый раствор помещают в прозрачную полипропиленовую кювету 3, расположенную у открытого фланца волновода 2 генератора (фиг.1).

Для оценки плотности мощности излучения и формы осадка генератор 1 и кювету 3 располагают соосно относительно волновода (облучается боковая стенка кюветы). Генератор 1 (Г4-142) позволяет перестраивать частоту и выходную мощность в ходе исследования. Рабочий диапазон частот составляет от 45 до 60 ГГц.

С помощью фотокамеры 4 регистрируют осадок хлорофилла на дне кюветы, проводят анализ размеров и формы осадка

Для этого раствор хлорофилла в кювете 3 облучают в течение 15 минут, при этом, в зависимости от плотности мощности падающего излучения регистрируют появление осадка в виде капли (овальной или круглой формы) или параболы, фокус которой находится на оси симметрии волновода.

У открытого фланца волновода в растворе наблюдаются изменения однородности, образуется осадок при воздействии электромагнитного излучения в диапазоне частот от 45 до 60 ГГц и плотности мощности от 0,01 мВт/см² до 2 мВт/см².

Размер осадка определяют при помощи разработанной для ЭВМ программы математических и технических расчетов в Mathcad, позволяющей выполнить линейные измерения.

Размер осадка позволяет проводить оценку плотности мощности в диапазоне частот от 45 до 60 ГГц электромагнитного излучения: если осадка не образовывалось, то плотность мощности ЭМИ была менее 0,01 мВт/см² , если раствор полностью по объему выпадал в осадок, то плотность мощности была более 2*10³ Вт/см².

Пример 1. Облучение раствора на частоте из диапазона от 45 до 60 ГГц и выходной мощности 100 мВт (соответствующая плотность мощности 2 мВт/см²).

Облучение выполняют при помощи генератора Г4-142, у фланца волновода строго горизонтально располагают кювету. Облучение проводят в течение 15 минут при постоянной температуре и освещенности в комнате. По окончании времени облучения раствор изменяет свои свойства, появляется осадок, длину которого измеряют от стенки кюветы, наиболее близко расположенной к фланцу волновода фотографическим методом. Если длина осадка составляет 2,5 см. делают вывод о плотности мощности 2 мВт/см².

Результаты измерений представлены на фиг. 2. Осадок имеет форму параболы. В среднем, длина осадка составляет 2,5±0,5 см. По оси ординат отложены значения длины осадка L, см, по оси абсцисс ширина осадка x, см.

Пример 2. Облучение раствора на частоте из диапазона от 45 до 60 ГГц и выходной мощности 50 мВт (соответствующая плотность мощности 1 мВт/см²).

Облучение выполняют при помощи генератора Г4-142, у фланца волновода строго горизонтально располагают кювету. Облучение проводят в течение 15 минут, при постоянной температуре и освещенности в комнате. По окончании времени облучения раствор изменяет свои свойства, появляется осадок в форме симметричной параболы, длину которого измеряют от стенки кюветы, наиболее близко расположенной к фланцу волновода. Структура образца раствора однородная, с небольшой примесью частиц листьев эвкалипта, пузырьков кислорода по всей поверхности раствора не наблюдается. Если длина осадка составляет 1,5 см, делают вывод о плотности мощности 1 мВт/см². Результаты измерений представлены на фиг. 3. Осадок имеет форму параболы. В среднем, длина осадка составляет 1,5±0,5 см. По оси ординат отложены значения длины осадка L, см, по оси абсцисс ширина осадка x, см.

Пример 3. Облучение раствора на частоте из диапазона от 45 до 60 ГГц и выходной мощности 20 мВт (соответствующая плотность мощности 0,7 мВт/см²).

Облучение выполняют при помощи генератора Г4-142, у фланца волновода строго горизонтально располагают кювету. Облучение проводят в течение 15 минут, при постоянной температуре и освещенности в комнате. По окончании времени облучения раствор изменяет свои свойства, появляется осадок в форме симметричной параболы, длину которого измеряют от стенки кюветы, наиболее близко расположенной к фланцу волновода. Структура образца раствора однородная, с небольшой примесью частиц листьев эвкалипта, пузырьков кислорода по всей поверхности раствора не наблюдается. Если длина осадка составляет 1 см, делают вывод о плотности мощности 0,7 мВт/см².

Результаты измерений представлены на фиг. 4. В среднем, длина осадка составляет 1±0,5 см. По оси ординат отложены значения длины осадка L, см, по оси абсцисс ширина осадка x, см.

Меньшая плотность мощности не дает статистически значимый результат.

В ходе неоднократных экспериментальных проб на частоте 50 до 60 ГГц, было установлено, что изотропность раствора хлорофилла не нарушается до момента включения генератора и подачи мощности более 0,01 мВт/см². При воздействии излучения спустя 45 секунд начинает формироваться прозрачная область в области кюветы, наиболее близко расположенной к волноводу.

При плотности мощности менее <0,01 мВт/см² осадка не наблюдается, осадок формируется в течение 15 минут от момента подачи излучения, изменений параметров осадка не происходит при длительности воздействия более 15 минут, достоверных результатов не получается при плотности мощности более 2 мВт/см².

Проведенные дополнительно тепловизионные исследования достоверно показывают отсутствие нагрева среды или кюветы от плотного примыкания кюветы у фланца волновода.

Предложенный способ визуализации ЭМИ может быть применим для радиоиндикации и детектирования электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с определением плотности падающей мощности на среду, в дальнейшем поможет точнее изучить влияние на физические и биологические среды, в том числе влияние на человека. Воздействие СВЧ-излучения влияет на однородность раствора хлорофилла -появляются структура осадка раствора хлорофилла, по которой можно говорить о наличии электромагнитного излучения и оценить плотность мощности.

Полученные результаты доказывают возможность использования изотропной среды хлорофилла для визуализации ЭМИ. Также полученные результаты могут быть полезны: дозиметристам, физикам, радиобиологам и в отраслях науки и техники, где необходимо наличие индикации излучения.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу определения величины плотности мощности при воздействии электромагнитного излучения на частотах от 45 до 60 ГГц на исследуемую среду в виде изотропного гомогенизированного раствора хлорофилла из листьев эвкалипта на масляной основе и деионизованной воды, и может быть использовано при изучении однородности раствора изотропной среды. Повышение скорости проведения исследований и чувствительности способа является техническим результатом изобретения, который достигается путем воздействия электромагнитного излучения на изотропный гомогенизированный водный раствор хлорофилла в течение 15 минут и измерения длины осадка, который при плотности мощности 0,01-0,7 мВт/см² составляет 0,1-1,0 cм, при плотности мощности 1 мВт/см² составляет 1,5-2,0 см, при плотности мощности 2 мВт/см² длина осадка составляет 2,1-2,5 см. Предложенный способ может быть использован при экологической очистке сточных вод. 5 ил., 3 пр.

Способ определения величины плотности мощности, заключающийся в воздействии электромагнитного излучения на частотах от 45 до 60 ГГц на исследуемую среду в виде изотропного гомогенизированного раствора хлорофилла из листьев эвкалипта на масляной основе и деионизованной воды, помещенную в прозрачную полипропиленовую кювету и регистрации изменений однородности раствора, отличающийся тем, что в качестве раствора хлорофилла на масляной основе используют или раствор из свежих листьев эвкалипта с добавлением подсолнечного масла или масла виноградной косточки, настоянный в темном месте в течение 7 дней, или готовый масляный раствор хлорофиллипта 2% концентрации, излучением воздействуют на боковую стенку кюветы в течение 15 минут, в качестве изменений однородности раствора регистрируют осадок в виде капли овальной или круглой формы или параболы, о плотности мощности излучения судят по его длине, при этом при длине осадка 0,1-1,0 см плотность мощности составляет 0,01-0,7 мВт/см², при длине осадка 1,5-2,0 см плотность мощности составляет 1 мВт/см², при длине осадка 2,1-2,5 см плотность мощности составляет 2 мВт/см², при отсутствии осадка плотность мощности составляет менее 0,01 мВт/см², при наличии всего раствора в виде осадка плотность мощности составляет более 2*103 Вт/см², причем в качестве исследуемой среды используют раствор, в котором деионизованную воду берут в количестве 1:1,5 мл, а раствор хлорофилла на масляной основе из свежих листьев эвкалипта берут в количестве 5 мл или используют раствор, в котором деионизованную воду берут в количестве 1 мл, а готовый масляный раствор хлорофиллипта 2% концентрации берут в количестве 2 мл.