імені В. Н. КАРАЗІНА

ЄМЕЦЬ Борис Григорович

УДК 537.868

ЕФЕКТИ ВЗАЄМОДІЇ НИЗЬКОІНТЕНСИВНИХ

ЕЛЕКТРОМАГНІТНИХ ХВИЛЬ З НАНОРОЗМІРНИМИ ГАЗОВИМИ

ВКЛЮЧЕННЯМИ В РІДКИХ СЕРЕДОВИЩАХ

01.04.03 – радіофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В.Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – доктор фізико-математичних наук, професор, академік НАН України

ЄРЕМЕНКО Віктор Валентинович, Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України (м. Харків), директор.

Офіційні опоненти:

- доктор фіз.-мат. наук, професор

БУЛГАКОВ Борис Михайлович,  Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова НАН

України (м. Харків), завідувач відділу твердотільної електроніки;

- доктор фіз.-мат. наук, професор

КАЗАНСЬКИЙ Вадим Борисович, Харківський національний університет імені

В.Н. Каразіна МОН України, професор кафедри теоретичної радіофізики;

- доктор фіз.-мат. наук, професор

НЕРУХ Олександр Георгійович, Харківський національний університет радіоелектроніки

МОН України, завідувач кафедри вищої математики.

Провідна установа:

- Київський національний університет імені Тараса Шевченка, кафедра квантової радіофізики,

м. Київ.

Захист відбудеться “24 ” лютого 2005 р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, Харків-77, пл. Свободи, 4, ауд. 3 – 9.

З дисертацією можна ознайомитись в Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою:

61077, Харків-77, пл. Свободи, 4.

Автореферат розісланий “18” січня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Добре відомо, що здійснення різноманітних радіофізичних технологій, які застосовують нерезонансну взаємодію неіонізуючих електромагнітних (ЕМ) коливань з речовиною об’єктів для змінювання властивостей останніх, можна умовно поділити на два етапи. Спочатку в процесі взаємодії випромінювання з речовиною об’єкта має місце перетворення енергії ЕМ хвиль в теплову енергію. Температура об’єкта підвищується, що і зумовлює змінювання його властивостей. Саме таким чином потужні ЕМ хвилі здійснюють, наприклад, розкріплення мерзлих гірничих порід, забезпечують якісне приготування харчових продуктів, реалізують ефективне “глибинне” прогрівання органів і тканин живих організмів для лікування (діатермія) [1]. Сказане означає, що аналогічних змінювань властивостей речовини, в принципі, можна досягнути і без ЕМ хвиль, забезпечивши нагрів об’єкта на відповідну температуру внутрішніми джерелами тепла “нерадіофізичного” походження.

Одначе виявилось, що урахування лише тільки перетворювання ЕМ випромінювання в тепло є недостатнім для пояснення причин значного змінювання властивостей об’єктів, якщо останні опромінюються хвилями, чиї інтенсивності відносно малі – не перевищують 10 мВт/см2. (Інтенсивність 10 мВт/см2 взято із санітарно-гігієнічних міркувань; ця величина являє собою гранично допустимий рівень для частотного діапазону 10 МГц – 300 ГГц, який було встановлено санітарними службами ряду країн із умов теплової рівноваги при загальному опроміненні всього тіла людини. Зазначена інтенсивність не викликає навіть місцевого нагріву тканин тіла вище 0,1 оС.) Спостережено, наприклад, що такі низькоінтенсивні радіохвилі, входячи в дистильовану воду, зменшують діелектричну проникність і збільшують оптичну густину цієї рідини, а опромінювання гелій-неоновим лазером ( = 632,8 нм) водних розчинів приводить до виникнення періодичних коливань світла, що розсіюється розчинами; температура зразків в зазначених дослідах залишається, практично, незмінною [2-5]. Те, що зростання температури, наприклад, при нагріванні зразка викликає зменшення діелектричної проникності води, добре відомо [6]; одначе, у випадку використання ЕМ хвиль вказаної низької інтенсивності результат є зовсім неадекватним супутньому підвищенню температури, яке реалізується при опромінюванні: одержане зменшення діелектричної проникності на порядок більше, ніж очікуване завдяки лише тільки тепловому ефектові [4]. Характерним є наявність досить тривалої післядії: змінені, завдяки опромінюванню, властивості рідини зберігаються, згідно повідомленням авторів [2-5], упродовж хвилин і десятків хвилин після припинення ЕМ діяння. Оскільки зазначені змінювання оптичних властивостей спостерігаються на зразках води і водних розчинів, то недивовижними є факти реагування живих об’єктів на ЕМ опромінення “нетеплових” інтенсивностей в інтервалі від 0,01 до 1 мВт/см2. Високий процент води у складі біологічних організмів (наприклад, у ссавців – більш ніж 70 %) дає підстави віднести біоб’єкти, за ознаками агрегатного стану речовини, до рідких тіл. Виявлено, що в результаті опромінення відбувається пригнічення бактеріальних клітин, тоді як ЕМ діяння на насіння рослин стимулює більш ранішній розвиток проростків. Опромінення тварин збільшує вміст адреналіну в їх крові. Виявлено пригнічення гормональної функції гонад у людей – професіональних регулювальників надвисокочастотної (НВЧ) апаратури. Спостережено реакції біооб’єктів і на факт опромінення їх гелій-неоновим лазером низької інтенсивності; ці результати не можна пояснити лише наявністю фотохімічних процесів, що стимулюються червоним світлом. Огляди, присвячені впливу низькоінтенсивних ЕМ хвиль на біооб’єкти, вміщені, наприклад, в [7-11].

Згадані експериментальні дані демонструють факти керування за допомогою ЕМ хвиль оптичними властивостями води і водних розчинів, а також властивостями біооб’єктів; причому все це відбувається в “щадному” температурному режимі. Дійсно, в результаті опромінення сантиметровими мікрохвилями з інтенсивністю 10 мВт/см2 температура зразка води (обсяг 1 см3) не підвищується більш ніж на кілька градусів; використання ж інтенсивностей у вищезгаданих “нетеплових” межах (від 0,01 до 1 мВт/см2) залишає температуру зразка практично незмінною. Фактично, має місце здійснення змінювань властивостей рідких діелектричних середовищ за допомогою низькоінтенсивних ЕМ хвиль на величини, що не досягаються за рахунок самих лише теплових втрат випромінювання у рідині. Спроби визначити подробиці механізму явища робилися дослідниками неодноразово, але питання залишилося відкритим. Висловлювані в літературі припущення про можливість руйнування міліметровими ЕМ хвилями міжмолекулярних зв’язків в рідинах слід визнати вкрай проблематичними, бо енергія квантів такого випромінювання на декілька порядків менше ніж енергія самого слабкого (водневого) зв’язку. Припущення про виникнення, завдяки опроміненню, довготривалих (хвилини, десятки хвилин) структурних перебудов водної матриці, що висуваються деякими авторами для пояснення спостережених змінювань оптичних властивостей дистильованої води, також слід віднести до проблематичних, бо час життя можливих структурних утворень у воді, як відомо, на багато порядків менше.

Встановлення першопричин, що зумовлюють “надтепловий” вплив слабких ЕМ хвиль на діелектричну проникність води і на її оптичну густину, є частиною важливої радіофізичної проблематики взаємодії випромінювання із рідким середовищем. В дисертації розв’язано наукову проблему ефективного керування властивостями рідких діелектричних середовищ, побудованого на основі взаємодії низькоінтенсивних хвиль з нанорозмірними газовими включеннями в рідинах. Ця проблема нагально актуальна, оскільки тісно пов’язана з питаннями використання ЕМ хвиль для удосконалення різноманітних технологічних процесів, що реалізуються за участю об’єктів в рідкому стані.

Зв’язок праці з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконано у тісному зв’язку з державними програмами наукових робіт, а саме, в рамках Комплексної програми наукових досліджень АН СРСР “Фундаментальні науки – медицині” (1986-1990 рр.), Національної програми України “Здоров’я людини” (1994-1995 рр.), Координаційного плану Міністерства освіти України “Взаємодія електромагнітного випромінювання і потоку заряджених частинок з речовиною” (1997-2000 рр.), а також Координаційного плану Наукової ради АН СРСР з проблеми “Фізична електроніка” (1984-1985 рр.). Результати роботи увійшли в звіти держбюджетних НДР (номери державної реєстрації 0194018572; 0197U016741; 0198U005828; 0198U005829).

Метою роботи є встановлення механізму взаємодії низькоінтенсивних ЕМ хвиль широкого діапазону частот із діелектричними рідкими середовищами, завдяки якому вплив випромінювання на властивості рідин виявляється сильнішим, ніж викликаний супутнім підвищенням температури (зумовленим фактом поглинання рідиною променистої енергії), а також встановлення умов, за яких вказаний вплив здійснюється найбільш ефективно.

Для досягнення мети необхідно було виконати наступне:

- сформулювати і обгрунтувати провідну ідею роботи, обумовлену врахуванням поведінки повітряних включень в електричних і температурних полях, що реалізуються в опромінюваному зразку. Сили, що виникають в рідкому зразку завдяки ЕМ опроміненню, забезпечують ефективне просторове переміщення газових включень – повітряних бульбашок відносно матричної рідини. Внаслідок цього, темп росту розмірів бульбашок збільшується; одночасно реалізується така конфігурація температурного поля, що забезпечує утримання бульбашок у рідині. Ці обставини забезпечують створення нового співвідношення між об’ємами “бульбашкового” і розчиненого повітря, відмінного від того, що існувало до початку опромінення. Останнє і зумовлює змінювання фізичних властивостей рідкого об’єкта;

- розробити ядерно-магнітно-резонансну методику (ЯМР-методику) контролю об’ємної частки “бульбашкового” повітря (VF), що дозволяє експресно відстежити динаміку змінювання VF в рідині, підданої опромінюванню ЕМ хвилями;

- експериментами дослідити вплив низькоінтенсивних ЕМ хвиль широкого діапазону частот (надвисоких, вкрай високих і оптичного) на вміст “бульбашкового” повітря у воді. На основі одержаних даних встановити сукупність послідовних процесів, що складають механізм, завдяки якому ЕМ хвилі низьких інтенсивностей, взаємодіючи з водою, забезпечують збільшення вмісту “бульбашкового” повітря в ній;

- експериментами дослідити вплив низькоінтенсивних ЕМ хвиль широкого діапазону частот на вміст “бульбашкового” повітря в інших, органічних розчинниках; встановити причини цього впливу;

- перевірити дослідами припущення, згідно з яким, низькоінтенсивні ЕМ хвилі, забезпечуючи збільшення об’єму “бульбашкового” повітря в суспензії клітин крові (еритроцитів), зменшують ефективну товщину прикордонного (примембранного дифузійного) водного шару кожної опромінюваної клітини, впливаючи тим самим на режим функціонування цих біооб’єктів.

Об’єкт дослідження - зумовлене дією низькоінтенсивних електромагнітних хвиль, явище змінювання властивостей рідкого середовища на величини, які не досягаються за рахунок самих лише теплових втрат випромінення у рідині.

Предмет дослідження – взаємодія електромагнітних хвиль низької інтенсивності з нанорозмірними газовими включеннями, що містяться в рідких середовищах, а також наслідки цієї взаємодії.

Основним методом дослідження є ядерна магнітна релаксаційна спектроскопія. Вимірювання часів релаксації ядер водню рідких середовищ дало змогу визначити залежності параметрів вмісту повітря в них, а також ефективної товщини прикордонного дифузійного шару мембран біологічних клітин, від інтенсивності, тривалості і довжини хвилі ЕМ опромінення.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше

1. Запропонована і обгрунтована фізична модель впливу низькоінтенсивних електромагнітних коливань широкого частотного діапазону на властивості рідких розчинників, що зумовлює, зокрема, значуще змінювання їх діелектричних проникностей та оптичних густин при наявності, практично, непомітного супутнього підвищення температури, викликаного поглинанням променистої енергії. Ця модель передбачає залежність фізичних властивостей рідини від сумарного об’єму присутніх в ній газових включень (бульбашок); величина змінювань цього об’єму залежить від характеристик поля опромінювання. Якщо опромінюються більш складні об’єкти (зокрема, суспензії), змінювання в них об’ємної частки “бульбашкового” повітря приводить до змінювань параметрів прикордонних (дифузійних) рідких шарів, що безпосередньо прилягають до суспендованих у рідині частинок. У випадку, коли такими частинками є біологічні клітини, вказана обставина сприяє змінюванню режиму обмінних процесів в системі “клітина – міжклітинне середовище”.

2. Створено ЯМР-методику експресного контролю змінювання об’ємної частки “бульбашкового” повітря в зразках рідких розчинників.

3. Застосування ЯМР-методики дозволило виявити змінювання об’ємів “бульбашкового” повітря у воді та в низці органічних розчинників (ацетон, бензол, метанол, циклогексан, етанол), зумовлених дією низькоінтенсивних електромагнітних коливань широкого діапазону частот.

4. Встановлено (на основі дослідів) сукупність послідовних подій, що відбуваються при взаємодії низькоінтенсивних електромагнітних коливань широкого діапазону частот з нанорозмірними повітряними бульбашками – “градієнт-польовий” механізм змінювань об’єму “бульбашкового” повітря.

5. Встановлені умови, при яких низькоінтенсивні хвилі найбільш ефективно забезпечують збільшення об’єму “бульбашкового” повітря, що міститься у воді. Встановлені умови опромінювання низькоінтенсивними хвилями, при яких реалізація більш високого темпу виносу бульбашок із зразка нагору дозволяє значно зменшити вміст розчиненого повітря (дегазує воду); дегазація “за бульбашковим механізмом”, завдяки використанню малої густини потоку ЕМ енергії, відбувається без суттєвого підвищення температури рідини. При дотриманні таких умов низькоінтенсивні хвилі являють собою ефективний засіб керування властивостями рідких середовищ в “щадному” режимі.

6. В біологічній рідині – суспензії клітин крові (еритроцитів) виявлено суттєве (більш ніж на 11 %) зменшення ефективної товщини прикордонних (примембранних дифузійних) водних шарів клітин, що викликається зовнішнім низькоінтенсивним випромінюванням (мікрохвилі, світлові хвилі); це відбувається завдяки тому, що електромагнітні хвилі керують, використовуючи вищезгаданий “градієнт-польовий” механізм, сумарним об’ємом повітряних бульбашок в цих шарах.

Достовірність та обгрунтованість отриманих результатів. Результати роботи основані на даних вимірювань, отриманих на спеціалізованому вимірювальному обладнанні, атестованому метрологічною службою, і відзначаються високим методичним рівнем постановки і виконання досліджень, включаючи детальний аналіз похибок результатів вимірювань. Експериментальні дані характеризуються високою відтворюваністю, а їх обгрунтування та аналіз підкріплюється порівняннями з відповідними даними теоретичних та експериментальних досліджень вітчизняних і зарубіжних авторів, які широко цитуються в усіх необхідних випадках. Все разом це забезпечує високу достовірність і обгрунтованість результатів і висновків, наведених у дисертації.

Практичне значення одержаних результатів. З методичної точки зору, дослідження, що проведені в дисертації, відносяться до основних напрямків сучасної радіофізики, які визначають тенденції її подальшого розвитку. Сукупність одержаних результатів дає можливість використати електромагнітні хвилі в якості ефективного інструменту впливу на різноманітні рідкофазні об’єкти.

Результати роботи можуть бути застосовані

- для керування фізичними (в тому числі і радіофізичними) властивостями рідких середовищ (наприклад, діелектричною проникністю, оптичною густиною, механічною та електричною міцністю);

- для дегазації рідини (зменшення вмісту розчиненого повітря) в виключно щадному (“бульбашковому”) режимі. За такого режиму рідина практично не нагрівається, оскільки вона опромінюється низькоінтенсивними хвилями;

- для інтенсифікації процесу розчинення в технологіях, що потребують приготування рідких розчинів. Оскільки кожна бульбашка є мініатюрним активатором-перемішувачем рідкої маси, то збільшення об’єму “бульбашкового” повітря, що реалізується внаслідок низькоінтенсивного електромагнітного опромінення, підвищує ефективність процесу приготування розчину;

- в біологічних дослідах, медицині, ветеринарії і рослинництві при виборі тих величин доз електромагнітного опромінення, що найбільш сприятливі для функціонування живих організмів;

- при розробці стандартів України для установлення гранично допустимих рівней електромагнітного забруднення довкілля радіосистемами і оптичними пристроями різного призначення, що використовуються в радіомовленні, телебаченні, радіонавігації, радіолокації і таке інше.

Особистий вклад здобувача. Основні результати дисертації викладені в 39 статтях; 36 із них виконані здобувачем самостійно. У статтях, що опубліковано у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у формулюванні ідеї та постановці задачі дослідження, в безпосередньому виконанні експериментів, виборі і розробці теоретичної моделі, в аналізуванні одержаних результатів, участі в їх обговоренні, в активної участі в підготовці тексту публікацій.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що увійшли до дисертаційної роботи, доповідалися та обговорювалися на Всесоюзному симпозіумі “Магнітний резонанс в біології і медицині” (Москва – Чорноголовка, 1981 р.), 1-му Всесоюзному біофізичному з’їзді (Москва, 1982 р.), 5_му Всесоюз-ному семінарі “Вивчення механізмів нетеплової дії міліметрового випромінювання на біологічні об’єкти і біологічно активні з’єднання” (Москва, 1983 р.), 6-му Всесоюзному семінарі “Застосування міліметрового випроміню-вання низької інтенсивності в біології та медицині” (Москва – Звенигород, 1986 р.), 7-му Всесоюзному семінарі “Застосування КВЧ випромінювання низької інтенсивності в біології та медицині” (Москва – Звенигород, 1989 р.), 7-й Всесоюзній конференції “Магнітний резонанс в біології та медицині” (Москва – Звенигород, 1989 р.), Міжнародній конференції “Електромагнітне забруднення оточуваючого середовища” (Санкт-Петербург, 1993 р.), Науково-технічній конференції “Фундаментальні та прикладні проблеми космічних досліджень” (Житомир, 1993 р.), Радіобіологічному з’їзді (Київ, 1994 р.), 1-му з’їзді Українського біофізичного товариства (Київ, 1994 р.), Кримських міжнародних семінарах “Космічна екологія і ноосфера” (Крим, Партенит, 1997 р. і 1999 р.), 11-й (Ялта, 1998 р.), 14-й (Харків, 2000 р.), 15-й (Харків, 2001 р.) і 18-й (Ялта, 2002 р.) Міжнародних науково-технічних конференціях “Застосування лазерів в медицині та біології” та на інших наукових форумах.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в 39 статтях в наукових спеціалізованих періодичних виданнях України, Росії, США і Молдови (з них 36 – без співавторів), а також додатково висвітлені в тезах конференцій – 21 праця. Список публікацій наведено в кінці автореферату.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків та списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг роботи становить 342 сторінок, включаючи 31 таблицю і 31 рисунок (повністю займають всю площу сторінки 4 таблиці на двох сторінках). В цей обсяг входять список використаних джерел із 367 найменувань на 37 сторінках і додатки на 11 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У Вступі надано загальну характеристику роботи, обгрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано її мету і задачі дослідження. Наведено основні наукові результати, одержані в дисертації, обговорюється їхня наукова новизна і можливі практичні застосування; висвітлено зв’язок дисертаційного дослідження з науковими програмами, планами, темами, а також наведено інформацію про наукову апробацію роботи.

Перший розділ являє собою критичний розгляд публікацій результатів спостережень значущого нерезонансного впливу низькоінтенсивних ЕМ хвиль (в межах 0,01 – 10 мВт/см2) на рідкі середовища та відповідних фізичних моделей, що пропонуються авторами для пояснення цих результатів (огляд літератури). Констатується наявність численних свідоцтв того, що низькоінтенсивні ЕМ хвилі змінюють властивості рідин на величини, неадекватно більші, ніж дає підвищення температури об’єкта за рахунок супутнього поглинання променистої енергії (наявність так званого “нетеплового” впливу). Проте, незважаючи на ці широковідомі факти, в доступних літературних джерелах нема безсуперечних, з точки зору фізики, пояснень не тільки щодо механізму самого виникнення “нетеплового” впливу, але і щодо причин тривалої післядії опромінення рідин (хвилини, десятки хвилин). Відсутні і пропозиції відносно підходів, позначающих перспективні напрямки досліджень для вирішення цих актуальних питань. Тому очевидною є нагальна необхідність інтенсифікації пошуку плідної наукової ідеї, яка б дозволила намітити майбутні дослідження з метою встановлення подробиць механізму “нетеплового впливу”.

Другий розділ присвячено обгрунтуванню провідної ідеї досліджень, покликаних встановити механізм впливу низькоінтенсивних ЕМ хвиль (здавалось би, неочікувано сильного) на рідкі середовища. Перш за все підкреслюється, що важливим чинником, що відрізняє процес нагріву рідини за допомогою ЕМ хвиль від процесу її нагріву контактним джерелом тепла, є відома обставина – перенос імпульсу ЕМ хвилею і, значить, наявність пондеромоторної (силової) дії випромінювання на середовище. Сам по собі тиск ЕМ хвиль низької інтенсивності на гомогенну рідину нічим особливим себе не проявляє, бо дуже слабкий. Якщо ж припустити, що в рідині знаходяться макроскопічні включення з діелектричною проникністю, відмінною від діелектричної проникності “матричного” рідкого середовища, то ЕМ хвилі можуть, в принципі, забезпечити рух вказаних включень відносно матриці. Такими діелектричними включеннями в рідині, наприклад, у воді, є газові (повітряні) бульбашки; вони постійно перебувають в ній. Рух бульбашок забезпечується також термокапілярною силою (вона пропорційна температурному градієнтові; останній реалізується в рідині при опроміненні). Сказане дозволяє припустити, що стимульований ЕМ хвилями факт міграції бульбашок відносно матричної рідини сприяє змінюванню об’єму “бульбашкового” повітря в об’єкті. Припущення, що цей об’єм збільшився, в принципі, може пояснити зменшення діелектричної проникності води, отримане в [4] при опромінюванні міліметровими хвилями. Зафіксований в цій роботі факт післядії опромінювання може бути пояснений тим, що відновлення збільшеного об’єму “бульбашкового” повітря до початкової, рівноважної величини відбувається досить повільно, оскільки процес цей контролюється молекулярною дифузією (коефіцієнт дифузії газів у воді D ~ 10 – 9 м2/с). Наслідком збільшення об’єму “бульбашкового” повітря може бути і спостережене в [2,3] зростання оптичної густини водних зразків при опромінюванні, оскільки оптична густина підвищується зі зростанням радіусів світлорозсіювачих бульбашок. Сказане дозволяє прогнозувати, що змінювання об’ємної частки бульбашок у воді з неминучістю викликає змінювання не лише радіофізичних параметрів (діелектрична проникність, оптична густина): керуючи за допомогою низькоінтенсивних ЕМ хвиль вмістом “бульбашкового” повітря, можна змінювати і механічну міцність рідини (“на розрив”), і її електричну міцність.

Вищенаведені міркування дали підстави наполягати на припущенні, що низькоінтенсивні ЕМ хвилі керують властивостями рідини, впливаючи на вміст “бульбашкового” повітря в ній. Аналіз показав, що характер просторового переміщення конкретної повітряної бульбашки (радіуса R) відносно водної матриці визначається співвідношенням чотирьох основних сил, діючих на бульбашки в опромінюваному зразку. Це – підйомна архімедова сила FАрх /3 3 g w - g ), сила променевого тиску FЛД = I0 R2 QЛД c-1 , “градієнтна” сила, викликана присутністю електричного поля хвилі, що розповсюджується в матеріальнім середовищі зразка, Fград = 20 w (0 / 0 )1/2
 (w / w)1/2 (g - w)(g + 2w)-1 R3 grad I і термокапілярна сила FT = - 0,5 grad WS= = - 2 R2 grad T d/dT. Тут g – прискорення вільного падіння; w - густина матричної рідини; g – густина газу в бульбашці; с – швидкість світла в вакуумі; I0 – інтенсивність ЕМ випромінювання “на вході” в рідкий зразок; I – інтенсивність ЕМ випромінювання в довільній точці усередині рідини; Q – фактор ефективності променевого тиску [12]; 0, 0 – електрична і магнітна сталі; w - відносна діелектрична проникність матричної рідини; g – відносна діелектрична проникність газової бульбашки; w - відносна магнітна проникність матричної рідини; WS - вільна поверхнева енергія бульбашки; - поверхневий натяг на кордоні розділу “газ-рідина”; Т – температура.

Оцінки, виконані для бульбашок, що мають радіуси R = 10-7 м у воді, при опромінюванні рідини ЕМ хвилями ( = 3,2 см) інтенсивності I0 ,0 мВт/см2, наступним чином “розставляють” сили за величиною: FАрх FT Fград FЛД . Архімедова сила зобов’язана своєю природою земній гравітації, сили FЛД і Fград – зумовлені присутністю ЕМ поля хвилі в зразку, а термокапілярна сила FT з’являється завдяки температурному полю усередині зразка; останнє виникає внаслідок перетворення енергії ЕМ хвилі в теплову енергію. З-за того, що із усіх перерахованих сил FАрх найбільш потужна, наочно продемонструвати реальність керування рухом бульбашок за допомогою ЕМ випромінення дуже важко; це можна зробити, якщо використати спеціальну геометрію досліду, завдяки якій реалізується можливість відокремити вклад FАрх від сумарного вкладу FЛД , Fград і FT . Таке можна здійснити, обравши напрямок опромінюючих ЕМ хвиль перпендикулярним силі тяжіння (див. рис. 1); в цьому випадку переміщення бульбашок впродовж горизонталі визначається силами FЛД , Fград і FT.

Рис. 1. Опромінення рідини з напрямку, що перпендикулярний силі тяжіння

Розглянемо випадок, коли вода опромінюється мікрохвилями, що проникають у рідину на глибину . Коли товщина водного зразка L , то для спрощення подальших розрахунків можна прийняти, що теплопродукція, зумовлена поглинанням ЕМ енергії рідиною, виробляється лише в шарі товщиною . Якщо зразок має форму паралелепіпеда, на передню грань якого ЕМ хвилі падають нормально, то стаціонарне температурне поле в зразку практично не відрізняється від випадку, коли ефект ЕМ опромінення замінюється внутрішніми джерелами тепла еквівалентної потужності, розподіленими у водному шарі товщиною , що прилягає до передньої грані. Розв’язання, згідно з [13], відповідної теплової задачі, в припущенні, що всі грані зразка, окрім двох - передньої і протилежної (задньої), теплоізольовані, дає розподіл температури, зображений на рис. 2.

Очевидно, температурний профіль (рис. 2) має максимум в точці Хmax(T) . Геометричне місце точок зразка, що мають координату Хmax(T) являє собою площину, паралельну YOZ; вона є поверхнею температурного максимуму (див. рис. 1). Очевидно, в цій площині температурний градієнт grad T = 0; отже тут термокапілярна сила також нульова, тобто FT = 0. Слід полягати, що у вказаній геометрії досліду можуть значуще проявити себе навіть і відносно слабкі сили FЛД і Fград , котрі зумовлюють величину зміщення бульбашок вдовж горизонталі. З’ясувати, чи будуть при цьому змінюватися розміри бульбашок і, отже, об’ємна доля “бульбашкового” повітря, можна за допомогою експерименту, якщо безперервно вести відповідні вимірювання.

Рис. 2. Розподіл температури вдовж товщини зразка. (Розрахунки виконано для водного зразка товщиною L = 6 мм, що опромінюється ЕМ хвилями = 3,2 см; інтенсивність I0 = 1 мВт/см2)

Для контролювання розмірів бульбашок слід використовувати досить експресну методику. Вимога експресності викликана тим, що бульбашки, які збільшили свої радіуси завдяки опроміненню, після припинення останнього будуть відновлювати свої початкові радіуси за лічені хвилини; факт збільшення радіусів треба встигнути зафіксувати вимірювальною апаратурою.

В третьому розділі викладено суть спеціально створеної експресної методики визначення середнього радіуса бульбашок, що містяться у воді (на основі метода ЯМР). При її створенні використано результат [14], згідно з яким, у випадку знаходження в постійному магнітному полі Н0 зразка рідини (що характеризується об’ємною магнітною сприйнятливостю v,w ) із завислою в рідині повітряною бульбашкою радіуса R (об’ємна магнітна сприйнятливість повітря - v,а ), в безпосередньому рідкому оточенні бульбашки виникає градієнт напруженості магнітного поля

G = H0 (v,a - v,w ) R-1. (1)

Вказаний градієнт (а, цебто, і величина R) вносить вклад у швидкість поперечної ядерної магнітної релаксації (Т2,КП), що вимірюється за допомогою ЯМР – релаксометра методом Карра-Парселла [15] :

T2-1,К-П = T2-1 + 4/3 D 2 I2 Ho2 (v,a - v,w )2 Rср . (2)

Тут Т2 – час поперечної ядерної магнітної релаксації; Rср – середній радіус усіх повітряних бульбашок, що складають статистичний ансамбль газових включень у водному зразку; - кількість бульбашок у одиниці об’єму рідини; добуток 4/3 Rср3 дорівнює сумарному об’єму “бульбашкового” повітря у одиниці об’єму рідини; D – коефіцієнт самодифузії молекул води, I - гіромагнітне відношення магнітного ядра (протона); - інтервал часу між першими двома імпульсами у багатоімпульсній послідовності Карра - Парселла, що реалізується при вимірюванні Т2,КП-1. Добуток Rср можна знайти із рівняння (2), підставивши у нього параметри ЯМР-релаксометра Н0, , а також параметри D, I , v,a , v,w (відомі із довідкової літератури) і, виконавши вимірювання Т2,КП-1 , за умовою, що відомо T2-1. Очевидно, що знайшовши T2-1 і знаючи , можна обчислити Rср. Для відшукування T2-1 ми використали той факт, що у реальній воді завжди присутні в розчиненому стані парамагнітні центри – молекули кисню повітря (їх концентрацію позначимо N). Ця обставина зумовлює наявність залежності від N швидкості поздовжньої протонної магнітної релаксації - Т1-1(N) і швидкості поперечної протонної магнітної релаксації - Т2-1(N). Із результатів теорії магнітної релаксації ядер для випадку присутності у зразку парамагнітних центрів [15] випливає, що коли робоча частота ЯМР-релаксометра менша ніж 240 МГц, то Т2-1(N) Т1-1(N) – Т10-1 + Т20-1. (Тут Т10-1 і Т20-1 – швидкості релаксації у випадку, коли у воді N = 0.) Підставляючи це співвідношення в (2), маємо

Rср = [T2-1,К-П (N) - T1-1(N) + T10-1 - T20-1][4/3 3 D2 I2 Ho2 (v,a - v,w )2]-1. (3)

Для вимірювання T1-1(N) і T2-1,К-П (N) було використано імпульсний ЯМР-релаксометр з робочою частотою 15,9 МГц. Значення T10-1 і T20-1 відшукувались шляхом апроксимації до межі (N = 0) концентраційних залежностей T1-1(N) і T2-1,К-П (N), одержаних нами експериментально. Згідно з літературними даними, об’ємна частка вільного (“бульбашкового”) повітря VF , що міститься у дистильованій воді при кімнатній температурі і нормальному атмосферному тиску, дорівнює VF = 5,2 10-8. Оскільки, згідно із визначенням, VF = 4/3 Rср3 , то сумісний розгляд цього співвідношення і рівняння (3) (в яке підставлені швидкості T2-1,К-П(N) і T1-1(N), виміряні при кімнатній температурі), дає можливість встановити, що концентрація бульбашок у воді складає = = 1,561015 м-3, до того ж кожний із ансамблю бульбашок можна характеризувати середнім радіусом Rср,0 0,6) 10-8 м. Одержані результати показують, що реальна вода – це матрична рідина із діелектричними газовими включеннями нанометрових розмірів. В наближенні, згідно з яким, при опроміненні низькоін-тенсивними ЕМ хвилями конвективний рух рідини дуже слабкий (отже, бульбаш-ки цим рухом, практично, не виносяться нагору, в атмосферу і тому концентрація бульбашок у воді зберігається сталою), можна стверджувати про наявність зв’язку зміни розмірів бульбашок зі зміною об’ємної частки VF. Тому, визначаючи Rср шляхом вимірювання T1-1(N) і T2-1,К-П (N), ми одержуємо можливість контролювати величину VF. Добре відомо, що метод ЯМР дозволяє визначати і VD  - об’ємну частку розчиненого у воді повітря, - наприклад, за допомогою вимірювання часу поздовжньої протонної магнітної релаксації, використовуючи лінійну залежність Т1-1(VD) = Т10-1 + VD; тут - відповідний коефіцієнт [15].

В четвертому розділі детально досліджені зміни об’ємних часток VD і VF у воді, що підлягла низькоінтенсивному ЕМ опроміненню. Зразки розміщувалися у скляних, вертикально розташованих пробірках (діаметр 0,6 см; висота стовпа рідини 2,12 см). Вимірювання велись при кімнатній температурі. Спочатку застосовувалось опромінення НВЧ хвилями ( = 3,2 см); як відомо, глибина їх проникнення у воду (“скін-шар”) дорівнює 0,13 см. Інтенсивність випромінення на виході НВЧ генератора варіювалася в межах від Iген = 0,4 мВт/см2 до Iген = ,5 мВт/см2. Мікрохвилі направлялися на зразок перпендикулярно силі тяжіння, тобто горизонтально. Одержані залежності VD і VF від тривалості опромінення (для різних Iген) зображені на рис. 3 і на рис. 4. Вимірювання показали, що із збільшенням тривалості опромінення об’ємна частка розчиненого повітря VD зменшується, тоді як частка VF збільшується. Збільшення VF свідчить про зростання середніх розмірів бульбашок (Rср).

Рис. 3. Залежності об’ємної частки розчиненого у воді повітря VD від тривалості опромінення t, одержані при різних інтенсивностях опромінюючих хвиль Iген

Проаналізуємо механізм зростання Rср у випадку, коли конвекція у рідині відсутня. Насамперед необхідно зазначити, що навіть і при низькоінтенсивному ЕМ опроміненні температура зразка дещо підвищується, хоча і на незначну величину, як правило, на частку градуса Цельсія. Зі збільшенням температури розчинність газів у воді зменшується [16]. Тому зараз же після початку опромі- нення у водному зразку створюється ситуація, коли кількість газових молекул в ньому дещо перебільшує “норму” і рідина становиться перенасиченою газом.

Рис. 4. Спостережені (при різних інтенсивностях опромінюючих хвиль Iген ) залежності об’ємної частки вільного повітря VF від тривалості опромінення t

Відбувається масопередача – процес переносу газових молекул (цільового компонента) із матричної рідини (рідкої фази) в атмосферу і в бульбашки (газову фазу) через кордон поділу фаз. Якщо рідина нерухома і швидкість бульбашок відносно матричної рідини дорівнює нулю, то перенос цільового компонента здійснюється виключно шляхом молекулярної дифузії (закон Фіка). Оскільки сумарна поверхня бульбашок набагато менше вільної поверхні нашого водного зразка, то нова (менша ніж була до опромінення) рівноважна концентрація розчиненого повітря у рідині встановлюється раніше, ніж бульбашки встигають суттєво збільшити свої радіуси. Якщо ж конкретна бульбашка під час опромінення рухається відносно рідини, то реалізується більш ефективна доставка цільового компонента у бульбашку. В цій ситуації до молекулярно-дифузійного потоку цільового компонента додається “швидкісний” потік, - його величина стає більшою із збільшенням швидкості руху бульбашки відносно ріди- ни. Експериментами доведено [17], що бульбашки, які ламінарно обтікає рідина, зростають на кілька порядків швидше, ніж такі ж бульбашки у нерухомій рідині. Підкреслимо, що в зразку, який опромінюється саме низькоінтенсивними ЕМ хвилями, є умови для руху бульбашок відносно рідини. Дійсно, при опроміненні з горизонтального напрямку (див. рис. 1) на бульбашку сумісно діють сили FТ , FЛД і Fград , що забезпечують її пересування відносно матричної рідини.

Опромінюваний водний зразок являє собою систему із внутрішніми джерелами тепла, які забезпечують наявність температурного градієнта, тому в об’ємі зразка завжди є область (навколо поверхні температурного максимуму), де ступінь пересичення газом найбільша. До цього моменту ми розглядали гіпотетичну ситуацію, коли конвекція у рідкому зразку відсутня. В дійсності ж, при опроміненні зразка з напрямку, що перпендикулярний силі тяжіння, конвекція в рідині існує завжди. Конвективна циркуляція води забезпечує безперервну доставку нових і нових “порцій” рідини в область, де пересиченння газом найбільше. Саме тут реалізується найбільш ефективне збільшення розмірів бульбашок. Очевидно, наявність сил FТ , FЛД і Fград забезпечує функціонування механізму зростання розмірів бульбашок при опромінюванні; оскільки величини цих сил визначаються значеннями квадрата напруженості електричного поля хвилі і його градієнта, тому запропоновано вказаний механізм називати “градієнт-польовим”.

Звичайно, температурний градієнт можна створити і за допомогою контактного (традиційного) нагрівача, зануреного у воду (або ж шляхом нагрівання стінки пробірки іззовні). Здавалось би, завдяки нагрівачеві, також повинна зростати об’ємна частка “бульбашкового” повітря VF у зразку. Дійсно, за таких умов реалізується переміщення бульбашок відносно матричної рідини і розміри бульбашок ростуть. Але, це не приводить до зростання VF , оскільки бульбашки не накопичуються у зразку, а зникають. Це відбувається тому, що температура шару рідини, безпосередньо контактуючого із твердим нагрівачем, різко відрізняється від температури інших шарів: результатом є виникнення конвективного руху. Він виносить маси рідини разом з бульбашками нагору, де останні мають сприятливу нагоду залишити її. Це підтвердили наші досліди: при застосуванні контактних нагрівачів VF зменшується. Отже, важливою умовою функціонування “градієнт-польового” механізму зростання VF є наявність у рідині більш-менш яскраво окресленої області температурного максимуму, обов’язково локалізованої у товщі зразка. Якщо ж така область контактує із більш гарячою твердою стінкою пробірки, то результатом буде не зростання VF , а зменшення.

Що стосується поведінки об’ємної частки розчиненого повітря VD , то треба зазначити факт її зменшення (рис. 3) при опроміненні на величину, суттєво більшу, ніж це відбувається при нагріванні води традиційним (контактним) джерелом тепла на ту ж саму кількість градусів, на яку підвищується температура зразка в процесі дії ЕМ хвиль. Пояснення цього – в збільшенні (при опроміненні) кількості крупних бульбашок; такі бульбашки швидше спливають нагору (оскільки vАрх R2). Тому відбувається інтенсифікація, як процесу виносу бульбашок на вільну поверхню, так і процесу подальшої їх руйнації при виході в атмосферу. Остання обставина створює підвищений тиск водяної пари безпосередньо над поверхнею рідини; в результаті тут знижуються парціальні тиски інших газів, що складають повітря (азот, кисень і т. д.). Внаслідок (згідно закону Генрі), відбувається зменшення вмісту повітря в розчиненому стані у зразку, тобто реалізується його дегазація. Природно, що після припинення опромінення реалізований зменшений вміст розчиненого газу VD збільшується до нормального (рівноважного) стану досить повільно, бо цей процес зумовлений дифузією газових молекул. Завдяки дифузійному механізму теж порівняно повільно йде і процес відновлення до норми Rср і, зрозуміло, об’ємної частки “бульбашкового” повітря VF . Це – прояв післядії опромінення; за порядком величини відновлення значень VD і VF до рівноважних величин потребує, приблизно, стільки ж часу, скільки відбувалося опромінення.

Рис. 4 демонструє, що із підвищенням інтенсивності (від малих, початкових значень) ЕМ хвиль (при фіксованій тривалості опромінення) приріст VF = VF(*) - VF(0) збільшується, досягає (при конкретній інтенсивності Iген) максимуму, після чого зменшується. (Тут використані позначення: VF(0) і VF(*) – об’ємні долі “бульбашкового” повітря до опромінення зразка і після його опромінення, відповідно.) Такий характер залежності викликаний супутньою інтенсифікацією конвекції рідини. Підсилення конвекції підвищує темп потоків, які приносять до поверхні температурного максимуму суспендовані у рідині нові і нові бульбашки; це забезпечує більш швидке зростання VF . Одначе, підсилення конвекції більш ефективно вирівнює температуру по всьому об’єму зразка, зменшуючи grad T. Цей факт впливає на величину FТ, знижуючи ефективність функціонування “градієнт-польового” механізму. Окрім цього, інтенсифікація конвекції сприяє більш ефективному виносу бульбашок через вільну поверхню в атмосферу. Розглянуті три процеси конкурують між собою так що, після досягнення конкретного рівня конвекції і подальшого її підсилення, приріст VF проходить через максимум, а потім зменшується і змінює знак. Саме тому збільшення VF має місце не при будь-яких напруженостях ЕМ поля, а лише при таких, що не перевищують визначеної верхньої межі. Це – виявлена експериментами специфічна вимога до умов опромінення, яка полягає в тому, що забезпечення зростання VF відбувається лише при застосуванні хвиль відносно низької інтенсивності. Наші вимірювання підтверджують відомі літературні дані, згідно з якими, при інтенсивностях, більших 10 мВт/см2, зменшуються і VD і VF .

Як зазначено вище, необхідною умовою функціонування “градієнт-польового” механізму зростання частки “бульбашкового” повітря VF є наявність опромінюючого ЕМ поля, що створює, окрім внутрішньного джерела тепла у рідині і термокапілярної сили FТ , ще і електричну “градієнтну” силу Fград , і силу променевого тиску FЛД, що діють на бульбашку. Оскільки сили FЛД і Fград виникають завдяки наявності поля опромінюючої ЕМ хвилі, то про факт їх дії на конкретну бульбашку радіуса R можна казати лише тоді, якщо цей радіус набагато більше довжини хвилі , тобто за умови R . Повітряні бульбашки у воді являють собою