Введение к работе
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 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 (МРТ), первоначально разработанную для нужд химического анализа. В последнее время широкое развитие получили электроимпедансная томография [1, 2] и магнитоиндукционная 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, 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 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 ближнепольное СВЧ-зондирование. 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 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.
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 электронной концентрации, бесконтактная диагностика концентрации 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
-
Развита методика исследования нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной концентрации, с помощью резонансного СВЧ-зонда.
-
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.
-
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.
-
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.
-
Продемонстрирована диагностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования в дерматологии. Установлены различия комплексной диэлектрической проницаемости тканей кожи при разных дерматозах.
-
Впервые продемонстрированы возможности ближнепольной СВЧ-диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации.
-
На основе метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования реализовано новое устройство для контроля плотности кипящего слоя в условиях промышленных установок.
Основные положения, выносимые на защиту
-
Развитая методика измерения нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме с помощью резонансного СВЧ-зонда позволяет регистрировать относительные возмущения электронной концентрации порядка 10-5 – 10-6 в плазме с концентрацией 1010–1012 см-3. Высокая чувствительность метода достигается путем регистрации на выходе измерительной системы амплитудно-модулируемого сигнала на частоте флуктуаций концентрации.
-
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 n. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, удается восстановить значения N и n в процессе разряда.
-
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.
-
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 импедансов ближнепольных антенн датчиков и соответствующими импедансами, найденными по результатам ближнепольных измерений.
-
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.
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 ближнепольной 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.
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).
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 приложений, а также списка публикаций автора и списка цитируемой литературы из 102 наименований. Общий объем работы — 161 страница, включая 68 рисунков и 6 таблиц.
