ОСОБЕННОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ МИКРОВОЛНОВОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

July 19, 2012 by admin Комментировать »

Понежа Г. В., Понежа С. Г.1), Нижельская А. И. Научно-исследовательский центр квантовой медицины “Видгук” Министерства здравоохранения Украины 01033, Киев, ул. Владимирская 61 Б 1> Украинский государственный научно-производственный центр стандартизации, метрологии и сертификации (УкрЦСМ) 03143, Киев, ул. Метрологическая, 4

Аннотация Рассмотрены основные физические проблемы, возникающие при регистрации собственного микроволнового излучения человека, и возможные пути их разрешения. На основе полученных результатов измерений микроволнового коэффициента отражения определена поглощательная способность некоторых участков кожного покрова человека, определяющая интенсивность его равновесного микроволнового электромагнитного излучения (ЭМИ). Для измерения микроволнового коэффициента отражения тела в заданной среде предлагается использовать оптимально (т.е. полностью) согласованные с этой средой волноводные системы, приведенные в непосредственный контакт с телом. Измеренные таким образом в диапазоне 54-^78 ГГц значения коэффициента отражения тела человека в воздухе для разных участков тела отличаются, что дает основания для оптимистичных прогнозов относительно использования микроволнового отражения в медицинской диагностике. Полученные результаты свидетельствуют также о том, что тепловая излучательная способность тела человека в миллиметровом диапазоне близка к излучательной способности абсолютно черного тела (АЧТ), равной для температуры Г=300К на частоте v=60 ГГц значению S0 = 10-19 Вт/ Гц-см .

I.  Введение

При экспериментальных исследованиях собственного микроволнового электромагнитного излучения тел физической и биологической природы, а именно, его классификации, разделении на тепловую и неравновесную компоненты, абсолютных измерениях энергетических параметров излучения неизбежно возникает ряд принципиальных проблем физического и технического характера. Основные физические проблемы обусловлены, по крайней мере, тремя факторами, которые могут существенно повлиять на интерпретацию экспериментальных данных:

1) свойствами исследуемого излучения (в первую очередь его низкой интенсивностью);

2)   спецификой волноводных измерительных систем;

3) особенностями физических свойств излучающих тел. Опыт показывает, что игнорирование этих проблем может повлечь значительное искажение результатов как абсолютных, так и относительных измерений, а также ошибочную их интерпретацию.

Несомненно, что для непосредственных измерений собственного микроволнового ЭМИ тела человека требуется специально разработанная высокочувствительная аппаратура. В то же время в случае слабых потоков ЭМИ, испускаемого реальными телами, методы и аппаратура должны обеспечивать в первую очередь измерение равновесной компоненты. Поэтому нами предлагается иной путь исследований, а именно, учитывая особенности физических свойств кожи человеческого тела в микроволновом диапазоне (в частности, ее крайне низкую пропускающую способность), определять поглощательную Av = 1 | г|2 и тепловую излучательную Ev ~ Av способности кожи косвенно, через коэффициент отражения |г|2, измеряя его волноводными методами с помощью стандартной волноводной техники.

В настоящей работе рассмотрены физические аспекты регистрации собственного микроволнового ЭМИ человека, возникающие при этом принципиальные проблемы и возможные пути их разрешения, на основе результатов измерений микроволнового коэффициента отражения определена поглощательная способность некоторых участков кожного покрова человека, определяющая интенсивность его равновесного микроволнового ЭМИ.

II.  Основная часть

При малых интенсивностях регистрируемого излучения в первую очередь следует учитывать собственное тепловое излучение чувствительного элемента приемника. Приемник принципиально не может регистрировать излучение, соответствующее его собственной температуре, а реагирует только на то излучение, которое вызывает в нем нарушение термодинамического равновесия. Поэтому в общем случае на практике необходимо измерять температуру приемника и излучающего тела, и вводить в результаты измерений соответствующие поправки.

В случае непосредственных измерений собственного равновесного микроволнового излучения тела человека с помощью волноводных систем одна из основных проблем заключается в правильной оценке энергии излучения, достигающего по антенноволноводному тракту чувствительного элемента измерительного устройства, поскольку волноводная система выступает в качестве селектора типов волн. Кроме того, на практике необходимо учитывать отражения в системе "тело антенна измерительного устройства".

На результатах непосредственных измерений интенсивности излучения сказывается излучение внутренних слоев тела, а также зависимость излучающих свойств тела от физических свойств среды, в которой оно находится. Чтобы исключить, (или хотя бы уменьшить) влияние теплового излучения внутренних слоев на результаты измерений собственного микроволнового ЭМИ тела человека, представляется целесообразным проводить измерения при температурах ~ 40°С в условиях термостатирования, чтобы исключить естественный градиент температуры по глубине тела вследствие охлаждения внешних слоев.

Суть решаемой нами задачи сводится к тому, чтобы, используя волноводные методы и технику, установить параметры излучающего тела в свободном пространстве (коэффициент отражения и поглощательную способность), определяющие его тепловую излучательную способность.

При измерении отражения тела человека в миллиметровом диапазоне исследуемый объект, как

правило, располагался непосредственно возле открытого конца прямоугольного регулярного волновода [1-3]. В этом случае отражение обусловлено скачком волновых сопротивлений на границе, которая разделяет исследуемый объект и волновод, а результаты измерений характеризуют не сам объект, а систему “объект волновод”. Для измерений коэффициента отражения собственно исследуемого объекта в заданной среде измерительную волноводную систему необходимо оптимально (то есть полностью) согласовать именно с этой средой [4]. В воздушном пространстве это можно легко осуществить с помощью рупорной антенны. Основное преимущество рупорной антенны

–    простота конструкции и широкая полоса рабочих частот. Однако из-за большой выходной апертуры рупор имеет малое пространственное разрешение.

Измерения проводили с помощью “Измерителя КСВН и ослаблений панорамного” типа Р2-69 в диапазоне частот 54н-78 ГГц. Исследовались некоторые участки кожного покрова тела человека и вода. В эксперименте измеряли КСВН в волноводной линии сечением 3,6×1,8 мм, нагруженной волноводной пирамидальной рупорной антенной, находящейся в непосредственном контакте с исследуемым объектом. Длина рупорной антенны 35 мм, выходная апертура 16×12 мм. КСВН выхода антенны в воздухе КСВв< 1,1, к.п.д. антенны т]> 95%. Измеренные значения КСВизм использовались для расчета измеренного коэффициента отражения по мощности I Г 12

I I изм I •

Установленные таким образом значения \гизм\2 отягощены систематическими погрешностями, обусловленными неидеальностью приемной антенны, а именно, неполным ее согласованием с воздухом (КСВв> 1) и наличием потерь N в материале антенны (к.п.д. rj <100%), что необходимо учитывать при вычислении истинного коэффициента отражения по мощности |г|2.

Потери в антенне приводят к уменьшению измеренного коэффициента | Гизм 12 отражения по мощности по сравнению с истинным значением |г|2. Для используемой при измерениях конкретной рупорной антенны потери Ы=Рехвых измеряли по методике определения затухания четырехполюсников, подчиняющихся принципу взаимности. Методика измерения состоит в определении КСВкз в волноводной линии, нагруженной на рупорную антенну, короткозамкнутую на выходном конце. При этом предполагалось, что коэффициент отражения в месте присоединения антенны к измерительной линии мал и им можно пренебречь. Тогда

а исправленное значение коэффициента отражения по мощности равно

При КСВв = 1,1 имеем

В табл. 1 приведены показательные результаты измерений микроволнового коэффициента отражения на частоте 60 ГГц для некоторых участков кожного покрова тела конкретного человека (для разных людей будут разные результаты) и для воды, находящейся в полиэтиленовом пакете с толщиной пленки -0,2 мм.

Таблица 1. Результаты измерений | Г |2 на частоте 60

ГГц

Измеряемый объект

\г\А

Ладонь человека

0,029+0,007

Тыльная сторона ладони

0,094+0,013

Подушечка большого пальца руки

0,007+0,003

Ноготь большого пальца руки

0,026+0,007

Вода, 20иС

0,33+0,03

Измеренные значения | Г|2 для разных участков тела несколько отличаются друг от друга и близки к нулю. Полученные результаты свидетельствуют о том, что поглощательная способность Av= 1 | г|2 тела человека в миллиметровом диапазоне близка к единице, а тепловая излучательная способность соответственно близка к излучательной способности АЧТ, равной для температуры Т = 300К на частоте v = 60 ГГц значению S0 = 10-19 Вт/Гц-см2. В соответствии с данными табл.1 излучательная способность воды ~ в 1,5 раза раза меньше, чем для АЧТ.

III.  Заключение

При наличии высокочувствительной аппаратуры для измерений микроволнового излучения человека первостепенное значение приобретает проблема градуировки измерительной аппаратуры. Необходимы надежные внешние эталоны микроволнового излучения, интенсивность которых установлена с достаточной точностью с помощью других, независимых, измерений. В идеале они (эталоны) по всем характеристикам должны быть адекватными исследуемому телу, т.е. иметь те же размеры, форму, состав и физико-химические свойства. На сегодняшний день такие эталоны еще не разработаны.

В радиотермометрии для абсолютной привязки измерений в качестве внешнего эталона радиоизлучения использовался “черный” в микроволновом диапазоне пеноматериал и термостатированные жидкости вода и физиологический раствор. Представляется целесообразным в качестве эталонов использовать, как это принято в оптике, АЧТ, излучательные характеристики которого хорошо известны.

Однако даже при наличии подходящих эталонов при измерениях интенсивности микроволнового излучения человека необходимо:

1)     корректно учесть влияние на результаты измерений теплового излучения чувствительного элемента приемника;

2)     правильно оценить энергию излучения, достигающего по волноводному тракту чувствительного элемента измерительного устройства;

3)     учесть излучение внутренних слоев тела, а также зависимость его излучающих свойств от физических свойств среды, в которой оно находится.

В общем случае на практике необходимо измерять температуру приемника и излучающего тела, а также микроволновый коэффициент отражения системы "тело-антенна измерительного устройства", и вводить в результаты измерений соответствующие поправки.

Измеренные в диапазоне 54н-78 ГГц значения коэффициента отражения тела человека в воздухе для разных участков тела несколько отличаются, но для большинства из них близки к нулю внешнее миллиметровое ЭМИ практически полностью поглощается телом человека. Учитывая высокую эффективность воздействия низкоинтенсивного миллиметрового ЭМИ на живое [5], можно предположить, что именно в миллиметровом диапазоне могут существовать информационные каналы управления отдельным организмом, а также информационные каналы связи между организмами. Поэтому возрастающая со временем насыщенность окружающей среды микроволновыми ЭМИ от антропогенных источников и тенденция к повышению их частоты могут иметь непредсказуемые последствия для живого, и эта проблема нуждается, по меньшей мере, во всестороннем изучении.

III.  Список литературы

1.     Пясецкий В. И., Писанко О. И. Устойчивость физиологических функций организма человека в процессе взаимодействия с экологическим КВЧ-излучением/ В сб. «Аппаратный комплекс «Электроника КВЧ» и его применение в медицине». М., 1991. С. 10-18.

2.     Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А., Орлова М. Е.,

Шашлов В. А. Рефлектометрия человеческого тела в 8-мм диапазоне длин волн // Тез.докл. Всесоюз. конф.”Темп-85”. 4. I. Фрунзе, 1985. С. 261 -263.

3.     Ivanchenko I. A., Andreev Е. A., Lizogub V. G., Sveshnikova L. V. Space-time distribution of normal and pathological human skin dielectric prorerties in the MMW range // Electroand magnitobiology. 1994. V.13, N1.

–  P.15 25.

4.     Понежа Г. В., Понежа С. Г., Нижельская А. И. Физические аспекты измерений микроволнового электромагнитного излучения человека // Физика живого. 2001. T.9, N2. С. 33-54.

5.     Kositsky, N. N., Nizhelska, А. /., Ponezha, G. V. Influence of High-frequency Electromagnetic Radiation at Non-thermal Intensities on the Human Body (A review of work by Russian and Ukrainian researchers). “No Place To Hide”, ed. Arthur Firstenberg, April 2001, Vol.3, N 1, pp. 1 31.

MEASUREMENTS OF HUMAN BODY MICROWAVE RADIATION

Ponezha G. V., Ponezha S. G.*, Nizhelskaya A. I.

‘Vidguk’ Quantum Medicine Research Centre Kiev, Ukraine, 01033 *Ukrainian State Research & Production Center of Standardization, Metrology and Certificatio (UkrCSM) Kyiv, Ukraine, 03143

Abstract Major problems of registering microwave radiation of human body have been considered. It is pointed out that they are caused by at least three factors which may considerably influence the experimental results and their interpretation, namely: (1) properties of the radiation (their low intensity primarily); (2) features of measurements that implement waveguide techniques; (3) peculiar features of the emission medium and the environment. For the purpose of dividing the overall radiation into equilibrium and non-equilibrium fractions it has been proposed: (i) to take into account the influence of the thermal emission background and the equilibrium radiation of human body on the results of measurements; (ii) to estimate correctly the energy of radiation arriving at the sensor element of the measuring device after leaving the waveguide; (iii) to take into account the radiation coming out of the inner layers of the body, as well as the dependence of the body radiation properties on the physical properties of the environment. In practice it would be necessary to measure the temperatures of the receiver and the radiating body, as well as the microwave ‘body measuring device antenna’ system reflectivity subsequently introducing the relevant corrections into the registered data. For the purpose of measuring the reflectivity | r|2 of a body in the given environment, waveguide systems should be used providing a direct contact with the body and being completely consistent with the environment. The values of | r|2 measured under these conditions in the air across the 54h-78GHz frequency range for different parts of the human body differ slightly but are mostly close to zero. It would be safe to conclude from the results obtained that the thermal emission capacity of a human body in the microwave range is close to that of blackbody and equal to the value So=10-19 W/Hz cm2 at 7=300Kand v=60GHz.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты