Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика материальных сред тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Янин, Дмитрий Валентинович

• Янин, Дмитрий Валентинович
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Янин, Дмитрий Валентинович

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. ДИАГНОСТИКА МАЛЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ

1.1 Методика измерений плотности плазмы и ее флуктуаций

с использованием зонда с СВЧ-резонатором

1.2 Описание эксперимента

1.3 Обсуждение экспериментальных результатов

1.4 Выводы

2. БЕСКОНТАКТНАЯ ДИАГНОСТИКА ПАРАМЕТРОВ ПЛАЗМЫ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

2.1 Описание экспериментальной установки

2.2 Резонансный датчик для бесконтактной диагностики плазмы высокого давления

2.3 Математическое описание работы резонансного датчика для бесконтактной диагностики плазмы высокого давления

2.3.1 Эффективная диэлектрическая проницаемость

2.3.2 Адмитанс измерительной части резонатора при исследовании параметров плазмы в газоразрядной камере

2.4. Измерение параметров плазмы методом «отсечки» СВЧ-излучения

2.5. Экспериментальные результаты

2.6 Обсуждение результатов

2.6.1 Электронная частота столкновений и минимальное пороговое поле СВЧ-пробоя

2.6.2 Частота упругих столкновений заряженных частиц с молекулами газа

2.6.3 Оценка температуры электронов и температуры нейтрального газа в

разряде

2.6.4 Вывод дополнительного уравнения, связывающего плазменную плотность и электронную частоту столкновений

2.6.4.1 Частота потери электронов в плазменном объёме за счёт рекомбинации

2.6.4.2 Частота потери энергии за счёт столкновений

электронов с молекулами газа

2.6.4.3 Частота диффузионных потерь электронов

2.6.4.4 Потеря энергии за счёт электронной теплопроводности

2.6.5. Сравнение результатов измерения плотности плазмы методом "отсечки"

СВЧ-излучения и методом резонансной ближнепольной диагностики

2.7 Выводы

2

3. ПОДПОВЕРХНОСТНАЯ ДИАГНОСТИКА СРЕД С ЛОКАЛИЗОВАННЫМИ

ПРЯМОУГОЛЬНЫМИ НЕОДНОРОДНОСТЯМИ

3.1 Описание резонансных измерительных систем для подповерхностной диагностики сред с локализованными неоднородностями

3.2 Математическое описание работы резонансных измерительных систем для подповерхностной диагностики сред с локализованными неоднородностями

3.3 Исследование сред с локализованными неоднородностями

3.4 Выводы

4. РЕЗОНАНСНАЯ БЛИЖНЕПОЛЬНАЯ СВЧ-ДИАГНОСТИКА

БИОЛОГИЧЕСКИХ ТКАНЕЙ

4.1 Эффект «прижима»

4.2 Резонансные измерительные системы для исследования биологических тканей

4.3 Математическое описание работы резонансных измерительных систем для исследования биологических тканей

4.4 Краевая ёмкость цилиндрического конденсатора с бесконечным металлическим фланцем

4.5 Обратная задача ближнепольной СВЧ-томографии для системы резонансных датчиков с разными глубинами зондирования

4.5.1 Модель плоскослоистой среды

4.5.2 Модель среды с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости

4.6 Калибровка датчиков

4.7 Экспериментальные результаты

4.7.1 Исследование двухслойных сред

4.7.2 Диагностика кожных заболеваний

4.7.3 Диагностика жизнеспособности трансплантатов

4.8 Выводы

ПРИЛОЖЕНИЕ 1: Диагностика псевдоожиженного слоя

ПРИЛОЖЕНИЕ 2: Химико-физический метод просветления плазмы

ПРИЛОЖЕНИЕ 3: Датчик влажности бумаги

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика материальных сред»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

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 бесконтактные (дистанционные) способы диагностики, 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, первоначально разработанную для нужд химического анализа. В последнее время широкое развитие получила электроимпедансная [1,2] и магнитоиндукционная [3,4] томография, 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 соответственно 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, соответственно, ограниченной областью применения. Поэтому нельзя утверждать, что определенный метод является абсолютным и универсальным.

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 [7-10]. 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.

Цель работы

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 плазменной плотности, бесконтактная диагностика плотности 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

1. Развита методика исследования нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме, сопровождающихся малыми возмущениями плазменной концентрации, с помощью резонансного СВЧ-зонда. Экспериментально и теоретически изучено пространственное распределение колебаний плотности плазмы возбуждаемых магнитной рамочной антенной в нижнегибридном диапазоне частот.

2. 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. Экспериментально изучена динамика плотности плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении. Достоверность полученных результатов показана с помощью теоретических оценок и метода «отсечки» СВЧ-излучения совместно с численным моделированием прохождения СВЧ-волн через слой плазмы с учётом конкретной конфигурации излучателя и параметров экспериментальной установки.

3. 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. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных неоднородностей с резкими границами, расположенных в однородном полупространстве. Восстановлены диэлектрическая проницаемость, геометрические размеры и глубина залегания инородных включений по результатам измерения резонансных характеристик датчиков при их двумерном сканировании над поверхностью среды.

4. 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. Разработаны новые измерительные системы для ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Развита теория резонансных датчиков. Получены выражения, связывающие параметры резонансных характеристик диагностических систем с параметрами плоскослоистых сред и сред с монотонным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

5. Продемонстрирована диагностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования в дерматологии. Установлены различия комплексной диэлектрической проницаемости тканей кожи при разных дерматозах. Показана возможность контроля ремиссии заболеваний в случае, когда нет визуальных изменений.

6. Впервые продемонстрированы возможности ближнепольной СВЧ-диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации. Исследованы электродинамические характеристики паренхимы почек и консервирующей их жидкости в условиях тепловой и холодовой ишемии в динамике по времени. Установлена связь электродинамических параметров консервирующей жидкости и тканей органа со степенью его жизнеспособности.

7. На основе метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования реализовано новое устройство для определения влажности бумаги; разработана система контроля плотности кипящего слоя и её динамики в условиях промышленных установок.

Научная и практическая ценность

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 плазменной плотности, 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 плотности 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.

Публикации и апробация результатов

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, посвященной памяти профессора A.J1. 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, опубликована 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).

Личный вклад автора

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.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Развитая методика измерения нестационарных процессов в низкотемпературной магнитоактивной плазме с помощью резонансного СВЧ-зонда позволяет регистрировать относительные возмущения электронной плотности 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 плотности.

2. 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 плотности плазмы N к электронной частоте столкновений v. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, удается восстановить значения //иув процессе разряда.

3. 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.

4. 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 получается путем сопоставления выражений для импедансов ближнепольных антенн датчиков с соответствующими данными, найденными по результатам ближнепольных измерений.

5. 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.

Объем и структура 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.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность выбранного направления исследования, рассмотрены цель исследования, научная новизна, практическая ценность, основные научные положения, выносимые на защиту, изложено содержание диссертации.

Глава 1 посвящена развитию метода резонансного СВЧ-зонда применительно к диагностике нестационарных процессов в низкотемпературной плазме, связанных с малыми возмущениями концентрации.

В разделе 1.1 представлено описание измерительной системы и методики измерения колебаний плазменной плотности. СВЧ-зонд представляет собой четвертьволновый резонатор на отрезке двухпроводной линии, закороченной с одной стороны и разомкнутой с другой, выполненной из медной проволоки длиной 8 мм и диаметром 0,2 мм, расстояние между проводами - 2 мм. Возбуждение резонатора и приём его отклика осуществляется со стороны закороченного конца при помощи петель магнитной связи диаметром 2 мм. Собственная частота резонатораfo= 8 ГГц, добротность - 100. СВЧ-зонд, помещенный в плазму, позволяет определять локальные значения электронной плотности. Для этого к возбуждающей петле связи СВЧ-зонда подводится высокочастотный сигнал фиксированной частоты (f > fo) и снимается отклик резонансной системы Ures посредством приемной петли связи в зависимости от времени распада плазмы, при этом электронная плотность определяется в момент наступления резонанса. Варьируя частоту возбуждающего сигнала, легко снять явную зависимость плотности плазмы от времени. Малые возмущения плотности плазмы Ъп приводят к амплитудной модуляции сигнала с СВЧ-зонда, причем для заданного момента времени величина модуляции пропорциональна dUrcJdt и Ъп.

Исследования проводились на уникальном экспериментальном стенде «Крот», позволяющим исследовать многие проблемы физики плазмы в приближении безграничной среды. Описание экспериментальной установки приводится в разделе 1.2.

Возможности методики демонстрируются в разделе 1.3 на примере исследования пространственного распределения нестационарной компоненты электронной плотности, создаваемого рамочной антенной в нижнегибридном диапазоне частот. В экспериментах использовалась экранированная рамочная антенна радиусом 1 см, толщина провода 3 мм.

Плоскость рамки ориентирована вдоль линий внешнего магнитного поля величиной 180Гс. К антеннам прикладывался импульс ВЧ-тока частотой 80МГц, длительностью 1 мс. Флуктуации электронной плотности фиксировались при помощи подвижного в радиальном направлении СВЧ-зонда на расстоянии 1см от плоскости рамки. Методика диагностики нестационарных процессов с помощью резонансного СВЧ-зонда показала высокую чувствительность, позволяющую регистрировать 5п/п порядка 10"5 - 10"6.

Выполнены исследования колебаний плотности плазмы в окрестности кольцевой рамочной антенны. Показано, что мелкомасштабные флуктуации плотности обусловлены квазипотенциальными волнами. Электрическое поле квазипотенциальных волн и связанное ним возмущение плотности дп плазмы на расстоянии 1см от плоскости антенны локализованы по разные стороны от ее провода. Данный результат объясняется тем, что для рамочной антенны имеет место суперпозиция резонансных конусов (они соответствуют диаметрально противоположным точкам антенны), образующих один сходящийся конус и два расходящихся, что и наблюдалось в эксперименте.

Для подтверждения радиальной зависимости 5п/п, полученной экспериментально, проведен численный расчет мелкомасштабных флуктуаций плотности плазмы в окрестности рамочной антенны. В рамках использованного подхода поля антенны представлялись в виде спектрального разложения по собственным модам магнитоактивной плазмы. Возмущения плотности находились при помощи уравнения Лапласа. Параметры плазмы и характеристики излучателя в численном моделировании соответствовали условиям эксперимента.

Результаты, найденные экспериментально и с помощью численного моделирования, совпадают. Незначительные отличия связываются с конечной длиной СВЧ-резонатора измерительной системы (зонд фиксирует лишь интегральное значение плотности на длине четвертьволнового отрезка) и с конечной толщиной провода рамки, не учитываемой в теоретических идеализациях.

Кроме того, в разделе 1.3 анализируются эксперименты по возбуждению колебаний плотности плазмы при воздействии на неё интенсивных высокочастотных полей в диапазоне частот нижнегибридного резонанса.

Материалы, изложенные в первой главе диссертации, опубликованы в работах [ 1 А. ЗА, 4А, 9А, 27А, 28А].

В главе 2 диссертации дано описание модификации метода резонансного СВЧ-зонда применительно к бесконтактной диагностике плазмы высокого давления, и представлены результаты по измерению плазменной плотности и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении.

В рамках этой модификации предлагается бесконтактная схема измерений, в которой измерительная часть СВЧ-зонда размещается на внешней поверхности диэлектрической разрядной камеры, то есть вне плазмы, раздел 2.1. Модифицированный СВЧ-зонд представляет собой резонатор с собственной частотой 660 МГц и добротностью 100, состоящий из двух последовательно соединенных отрезков двухпроводной линии с волновыми сопротивлениями 300 Ом и 347 Ом. Длина отрезков 29 см и 2 см, расстояния между проводами, соответственно, 6 мм и 9 мм. Участок резонатора с большим волновым сопротивлением является измерительной частью датчика. Возбуждение резонансной системы и прием ее отклика осуществляются двумя коаксиальными линиями через петли магнитной связи диаметром 10 мм. При проведении экспериментов измерительная часть датчика прикладывалась к стенке рабочей секции разрядной трубки. Резонатор возбуждался с помощью генератора качающейся частоты (ГКЧ) с периодом качания Тк=0.076 с. Анализируя последовательность резонансных кривых, получаемых с зонда в процессе разряда, можно было исследовать динамику параметров плазмы с временным разрешением, близким к Т|<.

Для проведения экспериментов по диагностике плазмы высокого давления методом ближнепольного СВЧ-зондирования была изготовлена компактная установка, в которой плазма создавалась при помощи высокочастотного емкостного разряда, зажигавшегося при атмосферном давлении в непрерывном или импульсно-периодическом режиме. Описанию экспериментальной установки посвящен раздел 2.2. Разрядная камера представляла собой кварцевую трубку с внешним диаметром 20 мм и толщиной стенок 2 мм, в центре которой была впаяна рабочая секция, образованная двумя плоскопараллельными кварцевыми пластинами. Концентрация плазмы в разряде могла варьироваться в широких пределах за счет изменения мощности плазмосоздающего генератора. Специальный профиль импульса ВЧ-напряжения, амплитуда которого экспоненциально уменьшалась с течением времени, позволял за один цикл работы установки («выстрел») изменять концентрацию плазмы в широком диапазоне значений.

В разделе 2.3 развита теория измерений, учитывающая высокие значения частоты столкновений электронов и высокий уровень потерь, характерных для разрядов высокого давления, а также геометрию резонансной системы, используемой в модифицированной бесконтактной схеме измерений, в которой зондирование плазмы осуществляется через слой диэлектрика конечной толщины.

Используется упрощенная модель датчика, в рамках которой распределенной резонансной системе ставится в соответствие эквивалентный ей контур с сосредоточенными параметрами, раздел 2.3.1, Получены соотношения, позволяющие найти комплексный

адмитанс Ух измерительной емкости по результатам измерений резонансной частоты и амплитуды сигнала в максимуме резонансной кривой.

Для определения параметров плазмы необходимо знать адмитанс Ух при контакте измерительной емкости со стенкой рабочей секции разрядной камеры. Поскольку толщина плазменного слоя в газоразрядной трубке порядка максимальной глубины зондирования измерительного датчика, в математической модели рабочий участок газоразрядной камеры рассматривался как полупространство в виде плоского слоя кварцевого стекла и безграничного слоя плазмы (двухслойная среда). В разделе 2.3.2 введено понятие эффективной диэлектрической проницаемости 8Эф как отношение погонной емкости проводов измерительной части резонатора, находящихся в неоднородной среде, к их погонной емкости в вакууме. В квазистатическом приближении получено выражение для еэф. Показано, что в случае плазмы атмосферного давления, когда электронная частота столкновений в плазме существенно превышает круговую частоту зондирующего поля СВЧ-датчика, эффективная диэлектрическая проницаемость определяется только мнимой частью комплексной диэлектрической проницаемости плазмы, или, соответственно, величиной К/уст> раздел 2.3.3, Таким образом, резонансный датчик позволяет проводить измерения только величины отношения плотности плазмы к электронной частоте столкновений.

В качестве независимого метода для измерения параметров плазмы был использован метод "отсечки" СВЧ-излучения, раздел 2.4. Проведено экспериментальное исследование и численное моделирование методом РОТО прохождения СВЧ-волн на частотах 70 ГГц и 5 ГГц через газоразрядную камеру. Для излучения и приема зондирующих СВЧ-волн использовались следующие антенны: для частоты 70 ГГц - в виде открытого конца волновода сечением 3,6 мм х 1,2 мм, для частоты 5 ГГц - дипольная антенна, симметрированая по схеме «и-колено».

В разделе 2.5 представлены экспериментальные результаты по диагностике плазмы атмосферного давления. Приводятся временная зависимость поглощённой в плазменном объёме мощности, осциллограмма свечения разряда, осциллограмма сигнала с диагностического датчика и синхронизационного сигнала пилообразного напряжения ГКЧ, за один цикл работы плазмосоздающего ВЧ-генератора. Также приводятся временная зависимость отношения Ате/ует концентрации плазмы к электронной частоте столкновений, полученная при обработке осциллограмм сигнала с резонансного датчика и осциллограммы сигналов на частотах 70 ГГц и 5 ГГц, прошедших через слой плазмы.

Раздел 2.6 посвящен обсуждению результатов, изложенных в разделе 2.5.

Анализ системы резонансных кривых диагностического датчика, полученных в процессе разряда, позволяет определить только временную динамику величины Ne/vem, отношения концентрации плазмы к электронной частоте столкновений.

Для определения параметров плазмы были использованы результаты измерения дополнительной величины, а именно, вкладываемой в плазменном объеме мощности. Энергия, запасённая в плазменном объёме, определяется концентрацией и температурой заряженных частиц. В случае стационарного разряда величина запасённой в плазме энергии определяется вкладываемой в разряд мощностью ВЧ-генератора и потерями энергии в плазменном объёме (уравнение баланса энергии). Анализ различных механизмов потери энергии показал, что в газоразрядной камере преобладает механизм потери энергии, связанный только с упругими столкновениям электронов с нейтральными частицами. Время потери энергии из плазменного объёма при этом соответствует обратной частоте упругих электрон-молекулярных столкновений. Механизм диссоциативной рекомбинации в нашем случае можно не учитывать. Даже если предположить, что все ионы в плазме являются молекулярными, потери электронов путём соединения их с молекулярными ионами могут вносить вклад только при высокой плотности плазмы, превышающей значение порядка 10,4см-3.

В соответствии с этим, из уравнения баланса энергии было получено дополнительное соотношение, связывающее Ne и vem, позволившее определить временную динамику плазменной плотности и электронной частоты столкновений при разряде.

Экспериментально найденные значения Ne и vem по порядку величины совпадают с теоретическими оценками, приведёнными в данном разделе. Также проведены сравнения с результатами, полученными методом "отсечки" СВЧ-излучения. Значения плотности плазмы, при которой наблюдается ослабление сигнала по уровню 20 дБ и 6 дБ, найденные экспериментально и в результате численного моделирования, отличаются в 2-4 раза, что подтверждает правильность измерений, выполненных методом ближнепольной СВЧ-диагностики.

Материалы, изложенные во второй главе диссертации, опубликованы в работах [2А.

12А].

Глава 3 диссертации посвящена демонстрации возможностей метода резонансного ближнепольного СВЧ-зондирования неоднородных сред на примере модельной задачи диагностики локализованных в однородной среде прямоугольных включений. Именно для таких объектов исследования удается построить упрощенную схему решения обратной

задачи. В качестве измерительной системы использовался модифицированный СВЧ-зонд, использовавшийся для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления (вторая глава диссертации). Однако для изучения внутренней структуры неоднородностей система должна быть модифицирована таким образом, чтобы можно было изменять эффективную глубину зондирования или характерный масштаб локализации квазистатического электрического поля в среде. Поскольку разработка датчика с переменной глубиной зондирования измерительной емкости является сложной инженерной задачей, для томографии неоднородных сред использовалась система независимых датчиков с разными глубинами зондирования.

В разделе 3.1 приводится описание резонансных измерительных систем. Их отличия от модифицированного СВЧ-зонда, использовавшегося для бесконтактной диагностики плазмы атмосферного давления, заключаются в использовании СВЧ-резонатора в виде "экранированной двухпроводной линии", выполненной из двух параллельных отрезков пятидесятиомного коаксиального кабеля, со спаянными между собой оплетками. Выступающие центральные жилы коаксиальных отрезков подключались к измерительной емкости, выполненной из двух параллельных проводов радиусом 0.25 мм, длиной 40 мм, закрепленных на поверхности прямоугольной подложки из органического стекла размером 40x100 мм, толщина подложки 100 мм. Характерный масштаб локализации поля измерительной части зонда, определяющий максимальную глубину зондирования системы, по порядку величины равен расстоянию между проводами. Было изготовлено 13 датчиков с глубинами зондирования от 3 до 47 мм с собственными резонансными частотами порядка 660 МГц и с добротностью около 100. При проведении экспериментов измерительная часть датчиков прикладывалась к плоской поверхности неоднородной среды.

Раздел 3.2 посвящен математическому моделированию работы датчиков. Как и во второй главе диссертации, здесь используется упрощенная модель, в рамках которой распределенной резонансной системе, с учетом ее специфики, ставится в соответствие эквивалентный ей контур с сосредоточенными параметрами.

Исследование неоднородностей проводится в три этапа: 1) обнаружение неоднородного включения, определение его горизонтальных размеров (длины, ширины) и диэлектрической проницаемости среды, в которой оно располагается; 2) нахождение глубины залегания неоднородности и ее электродинамических характеристик: 3) определение толщины прямоугольной неоднородности. Схема решения обратной задачи и экспериментальные результаты по измерению параметров сред с различными прямоугольными неоднородностями приводятся в разделе 3.3. Отклонение между

экспериментальными результатами и реальными параметрами неоднородностей в среднем не превышало 5%.

Материалы, изложенные в третьей главе диссертации, опубликованы в работах [14А, 22А-25А, 27А].

Глава 4 диссертации посвящена развитию нового в медицинской практике неинвазивного способа исследования биологических тканей, в частности, кожи на основе метода резонансной ближнепольной СВЧ-томографии, позволяющей визуализировать глубинную структуру тканей, на основе их электродинамических характеристик: диэлектрической проницаемости и проводимости.

Для ближнепольной томографии тканей кожи используется система резонансных датчиков с разными глубинами зондирования. Ключевым моментом при разработке диагностических систем для ближнепольной СВЧ-томографии является понимание эффекта "прижима", связанного с зависимостью показаний измерительного датчика от силы давления его на поверхность изучаемого объекта. Данной проблеме посвящен раздел 4.1. Здесь рассмотрены различные факторы, влияющие на точность измерений и представлены конструктивные решения, на основе которых разрабатывались диагностические датчики, позволяющие свести эффект «прижима» к минимуму. Описание измерительных систем приводится в разделе 4.2. В качестве ближнепольной антенны (измерительной емкости) выбрана краевая емкость цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем. Именно такая конфигурация антенны позволяет реализовать глубины зондирования в доли миллиметра для исследования только поверхностных структурных слоев кожи. В разделе 4.3 представлена теория резонансных датчиков. Здесь анализируется система телеграфных уравнений для комплексных амплитуд тока и напряжения в резонаторе методом последовательных приближений. В рамках данного подхода найдена связь между комплексным импедансом измерительной емкости датчика и его резонансной характеристики. Импедансные свойства измерительной емкости, контактирующей с поверхностью однородного и неоднородного по глубине полупространства, рассматриваются в разделе 4.4. Раздел 4.5 посвящен калибровке измерительных систем. Далее представлена схема решения обратной задачи для датчиков с разными глубинами зондирования в случае плоскослоистых сред и сред с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости, раздел 4.5. Экспериментальные результаты описаны в разделе 4.6. Здесь представлены результаты апробация развитой теории ближнепольной томографии неоднородных сред с использованием модельных двухслойных структур. Продемонстрирована диагностическая и

прогностическая ценность метода в дерматологии, а также возможности ближнепольной диагностики применительно к оценке жизнеспособности органов, подготовленных к трансплантации.

Материалы, изложенные в четвертой главе диссертации, опубликованы в работах [5А - 11 А, 13А, 15А - 17А, 19А-21А, 29А].

В приложении 1 диссертации методика исследования нестационарных процессов была применена для решения прикладной задачи по диагностике широко используемого в химической промышленности псевдоожиженного (кипящего) слоя - слоя зернистого сыпучего материала, взвешенного в проходящем через него потоке газа или жидкости. На базе резонансного СВЧ-зонда предложена система контроля плотности кипящего слоя и её динамики во времени в условиях промышленных установок (реактор дегидрирования).

Материалы, изложенные в приложении 1 диссертации, опубликованы в работах [ 12А. 18А, 26А].

В приложении 2 представлены экспериментальные исследования процессов подавления образования плазмы (плазмогашения) при непрерывном или импульсном напуске в разрядный объем электроотрицательного газа. Продемонстрировано, что при прохождении СВЧ-излучения через слой плазмы впрыск SF6 уменьшает степень ионизации плазмообразования, приводит к просветлению плазменного слоя, сопровождаемому скачкообразным возрастанием коэффициента прохождения СВЧ-сигнала до «вакуумного» значения.

Материалы, изложенные в приложении 2 диссертации, опубликованы в работе [ЮА].

В приложении 3 представлен датчик, позволяющий в лабораторных условиях проводить измерения влажности бумаги. Измерительная часть датчика выполнена в виде полосковой линии на фторопластовой подложке. Зазор между полосками - порядка толщины бумаги. Электрическое поле измерительной части при этом сконцентрировано в исследуемом образце, что увеличивает чувствительность ближнепольной диагностической системы. Здесь же приведены калибровочные кривые для определения влажности оберточной (картонной) бумаги толщиной 0.125 мм. Точность определения влажности составляет 0,1%. При заданной плотности и типе бумаги диагностическая система позволяет определять толщину бумажного листа.

Материалы, изложенные в приложении 3 диссертации, опубликованы в работе [27А].

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Янин, Дмитрий Валентинович

Основные результаты:

1. Развита методика измерения малых возмущений электронной плотности в плазме низкого давления с помощью резонансного СВЧ-зонда. Продемонстрирована высокая чувствительность метода, позволяющая регистрировать относительные возмущения электронной плотности 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 плотности. Возможности метода продемонстрированы при исследованиях генерации волн рамочной антенной в нестационарной магнитоактивной плазме.

2. 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.

3. Показано, что для плазмы атмосферного давления, ближнепольная СВЧ-диагностика позволяет находить мнимую часть комплексной диэлектрической проницаемости плазмы или величину отношения концентрации электронов к электронной частоте столкновений N/v. С учетом дополнительных измерений мощности плазмосоздающего генератора, вкладываемой в разряд, по результатам ближнепольных измерений удается восстановить значения N и v. Возможности метода продемонстрированы при изучении временной динамики плотности плазмы и электронной частоты столкновений высокочастотного емкостного разряда в аргоне при атмосферном давлении.

4. 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. Построена упрощенная схема решения обратной задачи для случая квазиодномерных инородных включений с резкими границами. Достигнута пятипроцентная точность определения диэлектрических и геометрических параметров исследуемых объектов.

5. Для исследования биологических тканей изучен эффект «прижима», характеризующийся зависимостью показаний ближнепольного измерительного датчика от силы давления его на поверхность биообъекта. Найдены конструктивные решения и разработаны измерительные системы, позволяющие свести к минимуму негативное влияние «прижима» путем использования зондирующего элемента в виде цилиндрического конденсатора, внешняя обкладка которого оканчивается металлическим фланцем.

6. Построена электродинамическая модель измерительной системы для ближнепольной СВЧ-томографии биологических тканей. Разработана схема решения соответствующей обратной задачи в приближении плоскослоистых сред и сред с полиномиальным глубинным профилем комплексной диэлектрической проницаемости. Проведена апробация развитой теории на модельных двухслойных структурах.

7. Показана диагностическая и прогностическая ценность метода ближнепольного СВЧ-зондирования для ряда прикладных задач:

• Изучена комплексная диэлектрическая проницаемость тканей кожи при дерматозах и показано, что электродинамические характеристики кожи даже при отсутствии визуальных изменений в области патологии отражают ремиссию заболевания, что использовано для неинвазивной диагностики кожных патологий.

• Показана возможность оценки состояния органов для трансплантации по значениям электродинамических характеристик тканей трансплантатов и консервирующей их жидкости, что использовано для экспресс-диагностики жизнеспособности органов при трансплантации.

• Разработана система диагностики степени неоднородности кипящего слоя применительно к условиям промышленных установок.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Янин, Дмитрий Валентинович, 2013 год

ЛИТЕРАТУРА

1. А.В. Корженевский, А.Ю. Карпов, В.Н. Корниенко, Ю.С. Культиасов, В.А. Черепенин, "Электроимпедансная томографическая система для трехмерной визуализации тканей молочной железы", Биомедицинские технологии и радиоэлектроника, N 8, с 5-10, 2003

2. V.A. Cherepenin, Y.V. Gulyaev, A.V. Korjenevsky, S.A. Sapetsky and T.S. Tuykin, "An electrical impedance tomography system for gynecological application GIT with a tiny electrode array", Physiol. Meas., v. 33, pp 849-862, 2012

3. А.В. Корженевский, В.А. Черепенин, "Индукционная томография", Радиотехника и электроника, т.42, N 4, с 506-512, 1997

4. А.К. Бабушкин, А.С. Бугаев, А.В. Вартанов, А.В. Корженевский, С.А. Сапецкий, Т.С. Туйкин, В.А. Черепенин. "Разработка методов и инструментов магнитоиндукционной томографии для изучения мозга и когнитивных функций человека", Известия российской академии наук. Серия физическая, т. 75, №1, с.144-148, 2011

5. B.JI. Миронов. Основы сканирующей зондовой микроскопии. Учебное пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений. Нижний Новгород: ИФМ РАН, 2004. 114с.

6. В.П. Вейко, Н.Б. Вознесенский, Ю.М. Воронин, С.А. Родионов, И.Б. Смирнов, А.И. Калачев. Лазерная технология формирования оптических антенн для ближнепольных микроскопов и исследование их характеристик. Известия РАН. Серия физическая, 1999, т.63, №10, с.1954-1963

7. В.Т. Rosner, D.W. van der Weide. High-frequency near-field microscopy // Rev. Sci. Instrum., Vol. 73, No. 7, July 2002

8. Б.А. Беляев, H.A. Дрокин, В.Н. Шепов. Применение микрополосковых резонаторов для исследования диэлектрических свойств жидких кристаллов на СВЧ //ЖТФ, 1995, т. 65, вып. 2, С. 189-197.

9. М.И. Эпов, B.J1. Миронов, П.П. Бобров, И.В. Савин, А.В. Репин. Исследование диэлектрической проницаемости нефтесодержащих пород в диапазоне частот 0.05— 16 ГГц // Геология и геофизика, 2009, т. 50, № 5, с. 613—618.

10. Т Sunaga, Н Ikehira, S Furukawa, Н Shinkai, Н Kobayashi, Y Matsumoto, E Yoshitome. T Obata, S Tanada, H Murata and Y Sasaki. Measurement of the electrical properties of human skin and the variation among subjects with certain skin conditions // Physics in Medicine and Biology. Volume 47, Number 1, 7 January 2002. p. N11-N15.7.

11. Tetsutarou Oishi, Satoru Tanaka, Shinichiro Kado, Mikirou Yoshinuma, Katsumi Ida, Shoichi Okamura and CHS group. Beam emission spectroscopy measurement for densiry fluctuation in compact helical system // Rev. Sci. Instrum. 2004. Vol. 75, N. 10. P. 41184120.

12. S. Zoletnil, G. Petravich, A.Bencze, M. Berta, S. Fiedler, K. McCormick, J. Schweinzer. Tow-dimension density and density fluctuation diagnostic for the adge plasma in fusion devices// Rev. Sci. Instrum. 2005. Vol. 76. P. 073504-2-073504-12

13. C.B. Солдатов, В.А. Вершков. Исследование высокочастотных квазикогерентных колебаний плотности плазмы с помощью рефлектометра // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Термоядерный синтез. 2004. N. 4. С. 32-44.

14. Д. А. Шелухин, С.В. Солдатов, В. А. Вершков, А.О. Уразбаев. Применение рефлектометрии для оценки локальных параметров флуктуаций плотности плазмы // Физика плазмы. 2006. т. 32, № 9. С. 771-781.

15. Е. Mazzucato. Microwave imaging reflectometry for the measurement of turbulent fluctuation in tokomaks // Plasma Phys. Control. Fusion. 2004. N. 46. P. 1271-1282.

16. D. G. Bulyiginskiy, A. D. Gurchenko, E. Z. Gusakov, V. V. Korkin, M. M. Larionov, К. M. Novik, Yu. V. Petrov, A. Yu. Popov, A. N. Saveliev, V. L. Selenin, and A. Yu. Stepanov. Radar upper hybrid resonance scattering diagnostics of small-scale fluctuations and waves in tokamak plasmas // Phys. Plasmas. 2001. Vol. 8. P. 2224-2232.

17. N. N. Skvortsova,G. M. Batanov, V. E. Bening, V. Yu. Korolev, T.A. Maraviana, A. E. Petrov, A. A. Pshenichnikov, K. A. Sarksyan, N. K. Kharchev, Yu. V. Kholnov. Low-Frequency Structural Plasma Turbulence in the L-2M Stellarator // J. Plasma Fusion Res. 2002. Vol. 5. P. 328-333.

18. А.Е.Петров. Исследование низкочастотных турбулентных флуктуаций плотности плазмы в современных стелораторах с помощью микроволновой диагностики // Вестник научно-технического развития. 2010. №5 (33). С. 19-38.

19. С. Forster Р.М Schoch., R.L. Hickcok W.C. Study of density and potential fluctuations in the TEXT tokamak with a heavy ion beam probe // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. Vol. 22, Issue 4. P. 359-362.

20. Y. Hamada, A. Nishizawa, Y.Kawasumi, et al. Measurement of profiles of the space potential in JIPP T-IIU tokamak plasmas by slow poloidal and fast toroidal sweeps of a heavy ion beam // Plasma Phys. Control Fusion. 1994. Vol. 36, N. 11. P. 1743-1763.

21. P. Хаддстаун, С. Леонард. Диагностика плазмы. М.: Мир, 1967. 516 с.

22. О.В. Козлов. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969. 292 с.

23. D.L. Rudakov, J.A. Boedo, R.A. Moyer. Effect of electron temperature fluctuations on slowly swept Langmuir probe measurements // Rev. Sci. Instrum. 2004. Vol. 75, N. 10. P. 4334-4337.

24. A.H. Левицкий, И.Е. Сахаров, С.В. Шаталин. Четырёхэлектродный зонд для диагностики пространственно неоднородной плазмы // Приборы и техника эксперимента. 1992. №5. С. 153-157.

25. Л.А. Есипов, И.Е. Сахаров, Е.О. Чечик, С.В. Шаталин, В.Н. Шишкин, В.Ю. Шориков. Измерение флуктуационных потоков частиц в тени диафрагмы токамока ФТ-2 // ЖТФ. 1997. т.67, №4. С. 48-54

26. Stenzel R.L. Microwave resonator probe for localized density measurements in weakly magnetized plasma // Rev. Sci. Instrum. 1976. V. 47, № 5. P. 603-607.

27. Кондратьев И.Г., Костров A.B., Смирнов А.И., Стриковский А.В., Шашурин А.В. Резонансный СВЧ-зонд на отрезке двухпроводной линии // Физика плазмы. 2002. Т. 28, №11. С. 977-983.

28. Костров А.В., Стриковский А.В., Чугунов Ю.В., Шашурин А.В. и др. Экспериментальный стенд «Крот» для лабораторного моделирования космических явлений: Препринт ИПФ РАН №510. Н.Новгород, 1999. 30 с.

29. Гинзбург В.Л. Распространение электромагнитных волн. М.: - Наука. 1967, - 684с.

30. Заборонкова Т.М., Костров А.В., Кудрин А.В., Смирнов А.И., Шайкин А.А. Структура электромагнитных полей рамочных излучателей в магнитоактивной плазме в свистовом диапазоне частот. // Известия Вузов. Радиофизика. 1996. Т. 39. № 2. С. 192202.

31. Коробков С.В., Гущин М.Е., Костров А.В., Стриковский А.В., Краффт К. Ближнее поле рамочной антенны в плазме в свистовом диапазоне частот // Физика плазмы. 2007. Т. 33. №2. С. 120-127.

32. Р. Хаддлстоун, С. Леонард. Диагностика плазмы. М.: - Мир. 1967, - 515 с.

33. Sola A., Gamero A., Cotrino J., Saez М., Lao С., Calzada M.D., Quintero M.C., Ballesteros J. Simultaneous determination of the electron density and temperature using Balmer lines Stark droadening in argon microwave-induced-plasma at atmospheric pressure. ICPIG XX Barga. Book of Contributed papers. Italy, 5-12 july, 1991, P. 1147.

34. H.R. Griem. Stark Broadening of the Hydrogen Balmer-a Line in Low and High Density Plasmas // Contrib. Plasma Phys. 2000, V. 40, Issue 1-2, P. 46-56.

35. M. Gigosos, V. Cardenoso. New plasma diagnosis tables of hydrogen Stark droadening including ion dynamics // J. Phys. B: Mol. Opt.Phys. 1996, V. 20, P. 4795-4828.

36. J. Torres, J. Jonkers, M. J. van de Sande, J. J. A. M. van der Mullen, A. Gamero, A. Sola. An easy way to determine simultaneously the electron density and temperature in high-pressure plasma by using Stark droadening // J. Phys D: Appl. Phys. 2003, V. 36, P. L55-L59.

37. K. Muaroka, K. Uchino, M.D. Bowden. Diagnostics of low-density glow discharge plasma using Tomson scattering // Plasma Phys. Control. Fusion. 1998, V. 40, P. 1221-1235.

38. H. Kempkens, J. Uhlenbush. Scattering diagnostics of low-temperature plasma // Plasma Sources Sci. Technol. 2000, V. 9, P. 492-515.

39. M. Хилд, С. Уортон. Микроволновая диагностика плазмы. М.: - Атомиздат. 1968, -392 с.

40. Kamran Akhtar, John Е. Scharer, Shane M. Tysk, Enny Kho. Plasma interferometry at high pressures // Rev. Sci. Instrum. 2003, V. 74, N. 2, P. 996-1001.

41. C.W. Domier, W.A. Peebles, N.C. Luhmann. Millimeter-wave interferometer for measuring plasma electron density // Rev. Sci. Instrum. 1988, V. 59. N. 8, P. 1588-1590.

42. Xin Pei Lu, Mounir Laroussi. Electron density and temperature measurement of an atmospheric pressure plasma by millimeter wave interferometer // Appl. Phys. Lett. 2008. V. 92, P. 051501.

43. Андреев B.Jl., Брагин И.В., Михайлов В.Ф. Диагностика плазмы зондами проводимости. - СПбГУАП, 2000. - 104 с.

44. Carlo Fanara. Sweeping electrostatic probe in atmospheric pressure arc plasmas - Part I: General observations and characteristic curves // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, V. 33. N. 3, P. 1072-1081.

45. Carlo Fanara. Sweeping electrostatic probe in atmospheric pressure arc plasmas - Part II: Temperature determination // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, V. 33, N. 3, P. 1082-1092.

46. T.C. Machael, Jin Ling Zhang, Jui Dun Yan. On the use of Langmuir probes for the diagnosis of atmospheric thermal plasmas // IEEE Trans. Plasma Sci. 2005, V. 33, N. 4. P. 1431-1441.

47. B.O. Орлов, А.П. Ершов, П.В. Козлов, Г.А. Людимов, П.В. Копыл. О.С. Сурконт. Зондовая диагностика свободногорящей дуги в атмосфере // Теплофизика высоких температур, 2009, т. 47, №4, с. 506-515.

48. Подгорный И.М. Лекции по диагностике плазмы. М.:Атомиздат. 1968, 219 с.

49. Козлов О.В. Электрический зонд в плазме. М.: Атомиздат, 1969.291 с.

50. Орлов С.И. Расчет и конструктуирование коаксиальных резонаторов. М.: Советское радио, 1970, 256 с.

51. Сивухин Д.В. Общий курс физики: Электричество. - М.: Наука, 1983. - 688 с.

52. Кугушев A.M., Голубева Н.С. Основы радиоэлектроники. М.: - Энергия, 1969, - 880 с.

53. К. Yee. Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media. IEEE Trans. Ant. Prop., V.14, P.302-307 (1966).

54. A. Taflove. Computational electrodynamics: The finite-difference time-domain method. Boston-London, Artech House, 1995 - 599 c.

55. G. Mur. Absorbing boundary conditions for the finite-difference approximation of the timedomain electromagnetic field equations. IEEE Trans. Electromagn. Сотр., V.23, P.377-382 (1981).

56. Z.P. Liao, H.L. Wong, B.P. Yang, Y.F. Yuan. A transmitting boundary for transient wave analysis. Scientia Sinica A, V.27, P. 1063-1076 (1984).

57. J. Berenger. A perfectly matched layer for the absorption of electromagnetic waves. J. Сотр. Phys., V.l 14, P.185-200 (1994).

58. O.M. Ramahi. Near- and far-field calculations in FDTD simulations using Kirchhoff surface integral representation. IEEE Trans. Ant. Prop., V.45, No.5, P.753-759 (1997).

59. Райзер Ю.П. Основы современной физики газоразрядных процессов. - М.: Наука., 1980.-416 с.

60. Райзер Ю.П. Физика газового разряда: Учеб. Руководство: Для вузов. - 2-е изд. - М.: Наука, 1992.-536с.

61. Шкаровский И., Джонстон Т., Бачинский М. Кинетика частиц плазмы. - М.: Атомздат, 1969.-396 с.

62. С. Браун. Элементарные процессы в плазме газового разряда. - М.: Госатомиздат, 1961 г.-324 с.

63. Елецкий А.В., Смирнов Б.М. Диссоциативная рекомбинация электрона и молекулярного иона// УФН. 1982. Т. 136, вып.1. С.25 - 59.

64. Joaquim Fortuny-Guasch. A Novel. 3-D Subsurface Radar Imaging Technique // IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing. Vol. 40. No. 2, pp. 443-452, February 2002.

65. S. Valle,L. Zanzi, H. Lentz, H.M. Braun. Very high resolution radar imaging with a stepped frequency system // Eighth int. Conference on Ground Penetrating Radar, 2000, pp. 464470.

66. Ivor L. Morrow and Piet van Genderen. Effective Imaging of Buried Dielectric Objects // IEEE Transactions on Geosciences and Remote Sensing. Vol. 40. No. 4, pp. 943-949. April 2002.

67. J. Groenenboom, A.G.Yarovoy. Data processing for a landmine detection dedicated GPR // In Eighth Intl. Conference on Ground Penetrating Radar, pp. 367-371, 2000.

68. H. Gunatllaka, В. A. Baertlein. A subspace decomposition technique to improve GPR imaging of anti-personnel mines // In Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets V, pp. 1008-1018, 2000.

69. P. Meincke. Linear GPR Imaging Based on Electromagnetic Plane-Wave Spectra and Diffraction Tomography // Tenth International Conference on Ground Pene-trating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Nether-lands, pp. 55-58.

70. Якубов В.П., Суханов Д.Я. Метод фокусировки в подповерхностной локации. //VII Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы электронного приборостроения» АПЭП-2004, 21-24 сентября 2004. Новосибирск - С. 13-17.

71. V.P. Yakubov, A.S. Omar, V.P. Kutov, N.G. Spiliotis, D.Y. Suhanov. New Fast SAR Method for 3-D Subsurface Radiotomography // Tenth International Conference on Ground Pene-trating Radar, 21-24 June, 2004, Delft, The Nether-lands, pp. 103-106.

72. Коновалов В.А. Совершенствование диагностики и интервенционные вмешательства под ультразвуковым контролем при кистозно измененных узлах щитовидной железы. // Автореф. дис. .канд. мед. наук. Н. Новгород, 2005. - с. 10-12.

73. Пупышева Т. JI. Морфометрия клеток фолликулярных пролифератов щитовидной железы в тонкоигольных аспиратах. // Новости клинической цитологии России. 2002. -Т.6.-№ 1-2.-С. 24-26.

74. Северская Н.В. Оценка значимости лучевых и нелучевых методов в диагностике рака щитовидной жлезы. // Автореф. дис.. канд. мед. наук. Обнинск, 2002. 20 с.

75. Филиппов Ю.В., Слесаренко С.С., Горяинов В.Ф., Морозов Д.А. Диагностика узловых поражений щитовидной железы у детей. // Современные аспекты хирургической эндокринологии. Саранск, 1997. - С.283-285.

76. Яблонский С.В., Ковшенкова Ю.Д., Кадникова О.Н. К дифференциальной диагностике срединных кист шеи. // Вестник оториноларингологии. 1999. - № З.-С. 40-41.

77. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. М.: Наука. 1983. 200 с.

78. Гайкович К.П. Сканирующая ближнепольная электромагнитная томография // Нано- и микросистемная техника. - 2007. - N 8(85). - С.50-65.

79. Большая медицинская энциклопедия Гл. ред. Б. В. Петровский 2005.

80. Краткая медицинская энциклопедия: В 3-х т. АМН СССР. Гл. ред. Б.В. Петровский. М.: Советская энциклопедия, 1989.

81. Фандеев Л.И. Кожные и венерические болезни. - М., Медицина. 1984. 363 с.

82. Козорез Е.С. Кожно-венерические заболевания : учеб. пособие для студентов высш. мед. учеб. заведений. М.: Изд-во ВЛАДОС-ПРЕСС, 2005. — 173 с

83. J Р Grant, R N Clarke, G Т Symm and N M Spyrou. In vivo dielectric properties of human skin from 50 MHz to 2.0 GHz // Physics in Medicine and Biology. Vol 33, Number 5, May 1988. p. 607-612

84. T. Tamura, M. Tenhunen, T. Lahtinen, T. Repo and H. P. Schwan.. Modelling of the dielectric properties of normal and irradiated skin // Physics in Medicine and Biology. Volume 39, Number 6, June 1994. p. 927-936

85. Alanen E, Lahtinen T. and Nuutinen J. Variational. Formulation of open-ended coaxial line in contact with layered biological medium. // IEEE Trans Biomed. Eng. 1998b 45 1241-8

86. Esko Alanen, Tapani Lahtinen and Jouni Nuutinen. Penetration of electromagnetic fields of an open-ended coaxial probe between 1 MHz and 1 GHz in dielectric skin measurements// Physics in Medicine and Biology. Volume 44, Number 7, July 1999. p. N169-N176.

87. Valerica Raicu, Nobuko Kitagawa and Akihiko Irimajiri. A quantitative approach to the dielectric properties of the skin// Physics in Medicine and Biology. Volume 45, Number 2, February 2000. p. L1-L4.

88. T Sunaga, H Ikehira, S Furukawa, H Shinkai, H Kobayashi, Y Matsumoto, E Yoshitome, T Obata, S Tanada, H Murata and Y Sasaki. Measurement of the electrical properties of human skin and the variation among subjects with certain skin conditions // Physics in Medicine and Biology. Volume 47, Number 1, 7 January 2002. p. N11-N15.

89. Yoshihito Hayashi, Nobuhiro Miura, Naoki Shinyashiki and Shin Yagihara. Free water content and monitoring of healing processes of skin burns studied by microwave dielectric spectroscopy in vivo// Physics in Medicine and Biology. Volume 50, Number 4, 21 February 2005

90. Stuchly S.S. Sibbald C.L. Anderson J.M. A new aperture admittance model for open-ended waveguides// IEEE Trans. Microwave Theary Tech. 1994. Vol. 42. P. 192-198.

91. Hagl D.M. Popovic D. Hagness S.C. Sensing volume of open-ended coacsial probe for dielectric characterization of brest tissue at microwave frequencies/// IEEE Trans. Microwave Theary Tech. 2003. Vol. 51. P. 1194-1206.

92. J P Grant, R N Clarke, G T Symm and N M Spyrou. In vivo dielectric properties of human skin from 50 MHz to 2.0 GHz // Physics in Medicine and Biology. Vol 33, Number 5, May 1988. p. 607-612

93. T. Tamura, M. Tenhunen, T. Lahtinen, T. Repo and H. P. Schwan.. Modelling of the dielectric properties of normal and irradiated skin // Physics in Medicine and Biology. Volume 39, Number 6, June 1994. p. 927-936

94. Alanen E, Lahtinen T. and Nuutinen J. Variational. Formulation of open-ended coaxial line in contact with layered biological medium. // IEEE Trans Biomed. Eng. 1998b 45 1241-8

95. Esko Alanen, Tapani Lahtinen and Jouni Nuutinen. Penetration of electromagnetic fields of an open-ended coaxial probe between 1 MHz and 1 GHz in dielectric skin measurements// Physics in Medicine and Biology. Volume 44, Number 7, July 1999. p. N169-N176.

96. Valerica Raicu, Nobuko Kitagawa and Akihiko Irimajiri. A quantitative approach to the dielectric properties of the skin// Physics in Medicine and Biology. Volume 45, Number 2, February 2000. p. L1-L4.

97. T Sunaga, H Ikehira, S Furukawa, H Shinkai, H Kobayashi, Y Matsumoto, E Yoshitome, T Obata, S Tanada, H Murata and Y Sasaki. Measurement of the electrical properties of human skin and the variation among subjects with certain skin conditions // Physics in Medicine and Biology. Volume 47, Number 1, 7 January 2002. p. N11-N15.

98. Yoshihito Hayashi, Nobuhiro Miura, Naoki Shinyashiki and Shin Yagihara. Free water content and monitoring of healing processes of skin burns studied by microwave dielectric spectroscopy in vivo// Physics in Medicine and Biology. Volume 50, Number 4, 21 February 2005

99. Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных сотрудников и инженеров. М.:Наука, 1968.-720с.

100. М.М. Каабак, В.А. Сандиков и др. Отдаленные результаты трансплантации трупной почки в ГУ РНЦХ им. Ак. Б.В. Петровского РАМН. Материалы конференции: Клиническая трансплантация органов. Москва, 26-27 сентября 2007г.

101. Аэров М.Э., Тодес О.М. Гидравлические и тепловые основы работы аппаратов со стационарным и кипящим зернистым слоем. - Изд-во "Химия" 1968. 512 с.

102. W.F. Cuddiby, I.E. Beckwith, L.C. Schroeder. Ram B2 flight test of a method for reducing radio attenuation during hypersonic reentry. Technical Memorandum X-902. NASA, Washington D.C., October 1963.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1А. Янин Д.В., Костров A.B., Смирнов А.К, Стриковский A.B. Диагностика нестационарных возмущений плотности плазмы// Журнал технической физики, 2008, том 78, вып. 1.С. 133-136.

2А. ЯнинД.В., Костров A.B., Смирнов А.И., Гущин М.Е., Коробков C.B., Стриковский A.B., Гундорин В.И., Назаров В.В., Стародубцев М.В. Диагностика параметров плазмы атмосферного давления методом ближнепольного СВЧ-зондирования // Журнал технической физики, 2012, том 82, вып. 4. С. 42-51.

ЗА. Костров A.B., Смирнов А.И., Янин Д.В., Стриковский A.B., Пантелеева Г.А. Резонансная ближнепольная СВЧ диагностика неоднородных сред. // Известия РАН. Серия физическая. 2005, том 69, №12, С. 1716-1720

4А. Kostrov А. V., Smirnov A. I., Srtikovsky A.V., Yanin D.V. Microwave resonator probe diagnostics of plasma density fluctuations // Problems of atomic science and technology. 2007, №1. Series: Plasma Physics (13), P. 209-211.

5A. C.B. Миронов, Загайнов B.E. , Васенин С.А., Костров A.B., Стриковский A.B., Янин Д. В. Применение ближнепольного измерения электродинамических параметров для экспресс-диагностики состояния печени // Медицинский научно-практический журнал «Современные технологии в медицине». 2010, т.1 (2), С. 37-38.

6А. Васенин C.B., Дружкова H.H., Костров A.B., Стриковский A.B., Янин Д.В., Загайнов В.Е. Оценка жизнеспособности почечного трансплантанта радиофизическими методами в эксперименте // Медицинский альманах. 2008, №5. С.53-54.

7А. Костров A.B., Стриковский A.B., Янин Д.В., Смирнов А.И., Загайнов В.Е., Васенин СЛ., Дружкова И.Н., Пантелеева Г. А., Давоян З.В. Исследование электродинамических параметров биологических тканей // Альманах клинической медицины. 2008, т. 17, часть 2. С. 96-99.

8 А. Пат. №2381008 РФ. Способ измерения электродинамических параметров биологических тканей и устройство для его осуществления // Загайнов В.Е., Костров A.B., Стриковский A.B., Янин Д.В. и др. - Заявка №2008122815, приоритет от 05.06.2008, зарегистрировано 10.02.2010.

9А. Костров A.B., Костров В. А., Смирнов А. И., ЯнинД.В., Стриковский A.B.. Пантелеева Г. А. Диагностика неоднородных и нестационарных сред с помощью резонансного СВЧ-зонда на отрезке двухпроводной линии: Препринт ИПФ РАН №707. Н. Новгород, 2006. 24 с.

10А. Янин Д.В., Костров А.В., Смирнов А.И., Гущин М.Е., Коробков С.В., Стриковский А.В., Гундорин В.И., Назаров В.В., Стародубцев М.В. Диагностика параметров плазмы атмосферного давления методом ближнепольного СВЧ-зондирования: Препринт ИПФ РАН №801, Нижний Новгород, 2010г. 36 с.

ПА. Kostrov A.V., Smirnov A.I., Panteleeva G.A., Strikovskiy A.V., Yanin D.V. Near-field microwave resonant diagnostics of biological tissues // Proceedings of 15th International Conference "Microwave & Telecommunication Technology", Sevastopol, Ukraine, September 13-17, 2005. P. 751-752.

12A. Kostrov A.V., Kostrov V.A., Smirnov A.I., Strikovskiy A. V., Yanin D.V. Diagnostic of the boiling bed using a resonance microwave probe based on the two-wire line section // Proceedings of 16th International Conference "Microwave & Telecommunication Technology", Sevastopol, Ukraine, September 11-15, 2006. P. 769-770.

13A. Kostrov A.V., Smirnov A. I., Strikovskiy A. V., Yanin D.V., Panteleeva G.A., Davoyan Z.V. Diagnostics of skin diseases using the methods of near-field microwave-sounding // Proceedings of 17th International Conference "Microwave & Telecommunication Technology", Sevastopol, Ukraine, September 10-14. 2007. P. 726-727.

14A. Smirnov A.I., Kostrov A.V., Yanin D.V., Strikovskiy A.V., Galka A.G. Study of inhomogeneous media using the method of near-field microwave sounding // Proceedings of 21th International Conference "Microwave & Telecommunication Technology". Sevastopol, Ukraine, September 10-14, 2011. P. 935-936.

15A. Kostrov A. V., Strikovskiy A. V., Yanin D.V., Smirnov A.I., Panteleeva G.A., Davoyan Z.V. Resonance near-field microwave diagnostics in dermatology. Proceedings of 7th International Conference on Antenna Theory and Techniques, Lviv, Ukraine, October 6-9, 2009. P. 357-359.

16A. Smirnov A.I., Kostrov A.V., Yanin D.V.,Strikovskiy A.V., Galka A.G. Study of inhomogeneous media using the method of near-field microwave sounding // Proceedings of 9th International Conference on Antenna Theory and Techniques, Sevastopol, Ukraine, September 18-24, 2010. P. 935-936.

17A. Zagainov V, Kostrov A., Strikovsky A., Yanin D., Vasenin S., Druzhkova /., Vaks V., Sabakinskaya E., Markov V. Non-invasive on-line diagnostics of parenchymatous organ's viability at critical states by radiophysics methods // Latsis-Symposium Intramolecular Dynamics, Symmetry and Spectroscopy. ETH Zurich, Switzerland. September 6-10, 2008. P. 94.

18A. Костров А.В., Костров В.А., Смирнов А.И., Стриковский А.В., Янин Д.В. Диагностика нестационарных сред с помощью резонансного зонда на отрезке двухпроводной

линии // Труды XXI Симпозиума по радиолокационному зондированию природных сред. Санкт-Петербург: ЦНИИ МО РФ, 18-20 апреля 2006г. С.76-79.

19А. Пантелеева Г.А., Костров A.B., Янин Д.В., Давоян З.В., Стриковский A.B., Смирнов А. И. Ближнепольная СВЧ-система в диагностике некоторых хронических дерматозов // Труды I форума национального альянса дерматологов и косметологов, Ростов-на-Дону, 26-28 апреля, 2007. С. 149-150.

20А. Пантелеева Г.А., Костров A.B., Янин Д.В., Давоян З.В., Стриковский A.B., Смирнов А. И. Применение резонансной ближнепольной СВЧ системы в дерматологии // Тезис доклада научно-практической конференции, посвященной памяти профессора A.JI. Машкиллейсона. Москва, 28 октября, 2006. С. 114-115.

21 А. Пантелеева Г.А., Давоян З.В., Янин Д.В., Костров A.B., Кострова М.А., Смирнов А.И.

Резонансная ближнепольная СВЧ-диагностика дерматозов с ладонно-подошвенной локализацией // Тезисы научных работ 3 конгресса дерматовенерологов. Казань, 27-30 октября, 2009. С. 51.

22 А. Янин Д. В., Костров A.B., Смирнов А. И., Стриковский A.B. Исследование

электродинамических параметров неоднородных сред методом ближнепольного СВЧ зондирования // Труды XIII Школы молодых ученых "Актуальные проблемы физики". Звенигород, 14-19 ноября, 2010. С. 279-280.

23А. Галка А.Г., Гущин М.Е., Костров A.B., Смирнов А.И., Янин Д.В. Исследование сред с локализованными неоднородностями методом ближнепольного СВЧ зондирования // Труды 2-й международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине», т.2. Санкт-Петербург, 9-11 декабря, 2011. С. 135-137.

24А. Костров A.B., Смирнов А.И., Пантелеева Г.А., Стриковский A.B., Янин Д.В. Резонансная ближнепольная СВЧ диагностика неоднородных сред // Труды X Всероссийской школы-семинара "Физика и применение микроволн". Московская область, пансионат "Университетский", 23-28 мая, 2005. С. 5-6.

25А. Янин Д.В., Кострова М.А. Ближнепольная СВЧ диагностика сред с неоднородными электродинамическими характеристиками // Труды 11 -ой научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород, 7 мая, 2007. С. 17-18.

26А. Янин Д.В., Николаев И.В. Диагностика степени неоднородности кипящего слоя с помощью резонансной системы на отрезке двухпроводной линии // Труды 11 -ой научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород, 7 мая, 2007. С. 15-17.

27А. Костров A.B., Костров В.А., Смирнов А.И., Стриковский A.B., Янин Д.В. Резонансные датчики для измерения электродинамических параметров неоднородных и

нестационарных сред//Тезис доклада 12-ой Нижегородской сессии молодых ученых (технические науки). Нижний Новгород, 26 февраля - 02 марта, 2007. С. 111.

28А. Костров А. В., Янин Д. В. Резонансная ближнепольная диагностика диэлектрически неоднородных сред // Тезис доклада 10-ой Нижегородской сессии молодых ученых. Нижний Новгород, 17-22 апреля, 2005. С. 162-163.

29А. Янин Д.В., Васенин С.А., Дружкова И.Н. Неинвазивная экспресс диагностика радиофизическими методами жизнеспособности паренхиматозных органов при критических состояниях // Тезис доклада итоговой конференции по результатам выполнения мероприятий за 2007 год в рамках приоритетного направления «Живые системы» ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Москва, Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН, 6-7 декабря, 2007. С. 71.