Миллиметровые волны в биологии - Бецкий О.В.
Скачать (прямая ссылка):
С градиентом тепературы, вызванным миллиметровым излучением низкой интенсивности, связаны конвективные движения в жидких средах, которые могут привести к существенным для биологической системы эффектам, о которых мы упоминали в разделе 5. При этом возможно появление микродинамических эффектов, когда законы феноменологической гидродинамики могут оказаться некорректными {масштаб этих явлений составляет/ 10—105 нм). В маловязких средах (водных раствор^ микроконвективные движения жидкости могут привести к макроэффектам. Ни один из микротепловых эффектов не Afo&e? иметь сильную частотную зависимость.
При изучении частотных зависимостей биологиче-
26
ских эффектов миллиметрового излучения необходимо учитывать как особенности отражения излучения облучаемым объектом, так и его структуру, обычно слоистую, которые могут приводить к установлению стоячих электромагнитных волн, возникающих вследствие многочисленных переотражений. Это, в свою очередь, может стать причиной острой резонансной зависимости поглощения или распределения СВЧ-мощности в облучаемом объекте, маскирующей частотно-зависимые биологические эффекты миллиметрового излучения.
В экспериментальной установке может возникнуть распределенный резонансный контур, если электромагнитная волна последовательно переотражается от облучаемого образца и некоторого сечения волноводного тракта при плохом его согласовании (резонатор типа Фабри — Перо). При реальных длинах резонатора порядка 1 м возникает несколько видов колебаний в миллиметровом диапазоне с шириной полосы пропускания около 100 МГц и разносом резонансных частот в сотни мегагерц. При падении волны на плоскую слоистую структуру изменение поглощенной энергии в направлении, перпендикулярном плоскости структуры, может составлять два порядка. Если коэффициент отражения велик, эта частотная зависимость приобретает вид чередующихся резонансных полос. Однако к корректным биологическим экспериментам эти резонансные частоты отношения не имеют. Обычно наблюдается независимость резонансных частот взаимодействия от изменения размеров и формы антенн и длины СВЧ-трак-та.
При облучении кожных покровов в миллиметровом диапазоне могут возникнуть аналогичные эффекты. Как известно, кожа состоит из двух основных слоев — эпидермиса и дермы, каждый из которых также имеет слоистую структуру. Следовательно, в коже возникает сложная картина стоячих волн, сильно затухающих в приповерхностном слое, содержащем большое количество воды. Так как излучение в этом тонком слое затухает практически полностью, то логично предположить, что первичные приемники волн находятся именно в этом слое (дерме). Такими приемниками могут быть некоторые кожные рецепторы или нервные окончания.
Кожный покров представляет собой большое рецеп* торное поле, так что на 1 см2 площади кожи приходится
27
2
Рис. 5. Смещение максимума стоячей волны относительно гипотетического рецептора при изменении частоты облучения
более сотни чувствительных точек. Предположим для простоты, что стоячая волна есть результат суперпозиции падающей и одной отраженной волны. Поскольку стоячая волна сильно затухает в коже, а толщина кожного покрова мала, в приповерхностном слое может оказаться в лучшем случае либо один минимум, либо один максимум волны. Действительно, если X ~ 8 мм, а значение є для кожи равно примерно 25, то длина волны в коже равна Х/уг ~ 1,6 мм, а толщина кожного (поглощающего) покрова составляет примерно несколько десятых миллиметра. Так как почти все кожные рецепторы являются пороговыми и в рассматриваемом примере это также, по-видимому, справедливо, то вблизи пороговых значений амплитуды стоячей волны, определяемых чувствительностью рецепторов, может возникнуть следующий эффект.
При изменении частоты падающего излучения точка максимума (или минимума) стоячей волны в рецепторе длиной /р смещается вдоль него (рис. 5). Такое перемещение может определять частотную зависимость отклика рецептора на падающую электромагнитную волну. Например, если X ~ 7 мм и є = 25, то ширина полосы
28
«резонансной» кривой отклика рецептора на падающее излучение Av = 200 МГц при /р = 2,МО3 нм и Av = = 300 МГц при lv = 3,2•1O3 нм.
Более точный учет всех деталей задачи может изменить оценку размера «активной» части рецептора в сторону увеличения; во всяком случае, величины /р оказываются соизмеримыми с характерными равмерами кожных рецепторов. Наиример, при облучении кожи (тыльная сторона кисти) из пирамидального рупора при і ^ 8 мм на расстоянии 8 мм от раскрыва рупора смещение минимума стоячей волны в волноводном тракте сечением 7,2X3,4 мм2 составляет примерно 900 нм/МГц или 0,09 мм при изменении частоты на 100 МГц.
Эти оценки говорят о том, что при потоках СВЧ-мощ-ности, заметно превышающих пороговые значения, частотная зависимость исключалась бы. На практике это, однако, не наблюдается. С таких позиций трудно объяснить также множественность и регулярность резонансных полос.
Последние рассуждения справедливы именно для миллиметрового диапазона длин волн. В более длинноволновом диапазоне вероятность проявления этих эффектов существенно уменьшается за счет слабого поглощения излучения (при нетепловых плотностях мощности порядка единиц мВт/см2) и большого значения длины волны в образце. В более коротковолновом диапазоне (субмиллиметровом) вероятность проявления эффекта также уменьшается из-за слабого проникновения излучения внутрь облучаемого объекта.
