ТРАНСФОРМАЦИЯ ПОЛЯ ТОЧЕЧНОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПРИ ПЕРЕХОДЕ ИЗ БЛИЖНЕЙ В ДАЛЬНЮЮ ЗОНУ
|
АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Состояние вопроса 9
2. Поле элементарного электрического вибратора 11
3. Пространственно-частотное представление поля элементарных
вибраторов 13
4. Анализ пространственной структуры поля 16
4.1. Зависимость амплитуды электрического и магнитного поля от
расстояния 16
4.2. Зависимость фазы от расстояния 19
4.3. Угловая зависимость распределения амплитуды электрического и
магнитного полей в ближней и дальней зонах 22
5. Анализ частотной зависимости поля 25
5.1. Зависимость амплитуды от частоты 25
5.2. Зависимость фазы от частоты 26
6. Влияние поглощения на поле 29
6.1. Изменение плотности энергии и фазы поля 29
6.2. Приведенное расстояние 31
7. Использование фазового перехода для зондирования сред с
поглощением 35
7.1. Отражение и приведенное расстояние 35
7.2. Исследование возможности фокусировки излучения 37
7.3. Дифракционная гипербола в частотной области 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 45
ВВЕДЕНИЕ 6
1. Состояние вопроса 9
2. Поле элементарного электрического вибратора 11
3. Пространственно-частотное представление поля элементарных
вибраторов 13
4. Анализ пространственной структуры поля 16
4.1. Зависимость амплитуды электрического и магнитного поля от
расстояния 16
4.2. Зависимость фазы от расстояния 19
4.3. Угловая зависимость распределения амплитуды электрического и
магнитного полей в ближней и дальней зонах 22
5. Анализ частотной зависимости поля 25
5.1. Зависимость амплитуды от частоты 25
5.2. Зависимость фазы от частоты 26
6. Влияние поглощения на поле 29
6.1. Изменение плотности энергии и фазы поля 29
6.2. Приведенное расстояние 31
7. Использование фазового перехода для зондирования сред с
поглощением 35
7.1. Отражение и приведенное расстояние 35
7.2. Исследование возможности фокусировки излучения 37
7.3. Дифракционная гипербола в частотной области 39
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 43
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 45
В настоящее время все большее внимание специалистов из разных областей знаний концентрируется на проблемах связанных с разработкой эффективных методов зондирования сред с большим поглощением, в том числе различных биологических сред, отличающихся большим содержанием воды. Для медицины эта проблема связана с разработкой т.н. неинвазивных методов диагностики состояния человеческого организма. В первую очередь это касается своевременного обнаружения различных опухолей и злокачественных образований внутри организма без использования сложных методов рентгеновской или магнитно-резонансной томографии. Сложность этих методов сопровождается высокой стоимостью.
Радиоволновые методы существенно более дешевые и доступные. Однако радиоволны практически не проникают внутрь человеческого организма. Поэтому радиоволновое излучение не используется для диагностики. Известно, что использование электромагнитного поля широко применяется для физиотерапевтического лечения, например, при простудных заболеваниях. Их воздействие сводится к нагреванию области воздействия полей вследствие трансформации электромагнитной энергии в тепловую. Воздействию подвергаются достаточно обширные области. Такие поля являются относительно низкочастотными.
Низкочастотные поля характеризуются большой длиной волны и потому не могут быть использованы для диагностики локальных новообразований внутри организма. Возникает противоречие: с одной стороны низкочастотные поля проникают внутрь и хорошо взаимодействуют с веществом, с другой стороны не годятся для локализации взаимодействия поля с веществом. Высокочастотные же поля обладают высокой локализацией, но практически не проникают внутрь тканей. Таким образом, возникает как бы непреодолимое противоречие.
Для разрешения противоречия предлагается провести исследование так называемой ближней зоны электромагнитных излучателей. Из курса электродинамики известно, что вблизи излучателей существует т.н. ближняя зона, на границе которой формируется поле излучения [1, 2]. В ближней же зоне поле носит квазистатический характер, и потому фазовая скорость такой волны близка к бесконечности. Это означает, что поле всю ближнюю зону занимает как бы мгновенно и фоновая среда не успевает поглотить энергию электромагнитного поля в этой зоне. На границе ближней зоны электромагнитное поле трансформируется в бегущую волну, фазовая скорость которой становится равной скорости света в этой среде. Здесь волна отдает свою энергию среде, и среда нагревается [3, 4].
Граница ближней зоны связана с длиной волны, а, значит, и с частотой изменения электромагнитного поля. Чем больше длина волны, тем больше размер ближней зоны. Варьируя длину волны, можно попытаться перемещать в пространстве границу, где электромагнитная волна отдает свою энергию среде. Исходя из этих соображений, можно попытаться построить новый метод зондирования неоднородных сред, обладающих большим поглощением. Именно это ставится конечной целью работы.
Подобный подход высказывался во многих работах по зондированию сред с использованием эванесцентных полей [5-8]. В этих работах рассматривается возможности использования интерференции реактивных полей в зондируемой области. Эти поля предполагается создавать определенными комбинациями различных источников. Считается, что реактивные поля не связаны с потерей энергии, а связаны с её колебанием вблизи источника.
Новизна. В настоящей работе проводится анализ эванесцентных полей с новой точки зрения, а именно с позиции анализа фазовой структуры полей при возникновении активного отбора энергии на границе ближней и дальней зоны.
Цель работы. Общей задачей данной работы является исследование закономерностей фазовых переходов для элементарных электрического и магнитного вибраторов в области формирования поля излучения. На основе этого предполагается разработать новый метод зондирования неоднородных сред с большим поглощением.
Целями настоящей выпускной квалификационной работы на текущий год являются:
- анализ пространственного распределения компонент поля в ближней и дальней зонах;
- выделение фазовой структуры поля на границы ближней и дальней зоны;
- исследование влияния наличия поглощения в среде на границу перехода ближняя - дальняя зона;
- исследовать возможность фокусировки полей ближней и дальней зон;
- разработать новый метод зондирования неоднородных сред с большим поглощением.
Радиоволновые методы существенно более дешевые и доступные. Однако радиоволны практически не проникают внутрь человеческого организма. Поэтому радиоволновое излучение не используется для диагностики. Известно, что использование электромагнитного поля широко применяется для физиотерапевтического лечения, например, при простудных заболеваниях. Их воздействие сводится к нагреванию области воздействия полей вследствие трансформации электромагнитной энергии в тепловую. Воздействию подвергаются достаточно обширные области. Такие поля являются относительно низкочастотными.
Низкочастотные поля характеризуются большой длиной волны и потому не могут быть использованы для диагностики локальных новообразований внутри организма. Возникает противоречие: с одной стороны низкочастотные поля проникают внутрь и хорошо взаимодействуют с веществом, с другой стороны не годятся для локализации взаимодействия поля с веществом. Высокочастотные же поля обладают высокой локализацией, но практически не проникают внутрь тканей. Таким образом, возникает как бы непреодолимое противоречие.
Для разрешения противоречия предлагается провести исследование так называемой ближней зоны электромагнитных излучателей. Из курса электродинамики известно, что вблизи излучателей существует т.н. ближняя зона, на границе которой формируется поле излучения [1, 2]. В ближней же зоне поле носит квазистатический характер, и потому фазовая скорость такой волны близка к бесконечности. Это означает, что поле всю ближнюю зону занимает как бы мгновенно и фоновая среда не успевает поглотить энергию электромагнитного поля в этой зоне. На границе ближней зоны электромагнитное поле трансформируется в бегущую волну, фазовая скорость которой становится равной скорости света в этой среде. Здесь волна отдает свою энергию среде, и среда нагревается [3, 4].
Граница ближней зоны связана с длиной волны, а, значит, и с частотой изменения электромагнитного поля. Чем больше длина волны, тем больше размер ближней зоны. Варьируя длину волны, можно попытаться перемещать в пространстве границу, где электромагнитная волна отдает свою энергию среде. Исходя из этих соображений, можно попытаться построить новый метод зондирования неоднородных сред, обладающих большим поглощением. Именно это ставится конечной целью работы.
Подобный подход высказывался во многих работах по зондированию сред с использованием эванесцентных полей [5-8]. В этих работах рассматривается возможности использования интерференции реактивных полей в зондируемой области. Эти поля предполагается создавать определенными комбинациями различных источников. Считается, что реактивные поля не связаны с потерей энергии, а связаны с её колебанием вблизи источника.
Новизна. В настоящей работе проводится анализ эванесцентных полей с новой точки зрения, а именно с позиции анализа фазовой структуры полей при возникновении активного отбора энергии на границе ближней и дальней зоны.
Цель работы. Общей задачей данной работы является исследование закономерностей фазовых переходов для элементарных электрического и магнитного вибраторов в области формирования поля излучения. На основе этого предполагается разработать новый метод зондирования неоднородных сред с большим поглощением.
Целями настоящей выпускной квалификационной работы на текущий год являются:
- анализ пространственного распределения компонент поля в ближней и дальней зонах;
- выделение фазовой структуры поля на границы ближней и дальней зоны;
- исследование влияния наличия поглощения в среде на границу перехода ближняя - дальняя зона;
- исследовать возможность фокусировки полей ближней и дальней зон;
- разработать новый метод зондирования неоднородных сред с большим поглощением.
Проведенное исследование распределения полей для элементарных электрического и магнитного вибраторов в области формирования поля излучения в зависимости от расстояния и частоты позволило установить ряд закономерностей перехода поля ближней зоны в поле дальней зоны. Одной из новых закономерностей является зависимость этого перехода для сред с большим поглощением.
Установлено, что в ближней зоне ослабление поля с расстоянием носит степенной характер как для сред с поглощением, так и для сред без него. Это ослабление практически не зависит от поглощающих свойств среды. В дальней же зоне при отсутствии поглощения поле становится волной, которая ослабляется обратно пропорционально первой степени расстояния, что характерно для поля излучения. Возникновение поглощения в среде приводит к экспоненциальному затуханию волны. В результате степенной закон убывания поля меняется на экспоненциальный.
Установлено, что фазовая структура поля в дальней зоне совпадает со структурой бегущей волны и линейно изменяется даже для сред с поглощением. В ближней зоне изменения фазы практически не зависят от расстояния и частоты, что характерно для квазистатического поля. Эти изменения так же не зависят от поглощающих свойств среды. На границе перехода «ближняя-дальняя» зона фаза резко меняется и ее производная достигает экстремальных значений. Для описания производной фазы по частоте может быть введена величина, называемая приведенным расстоянием. При совпадении этой величины с границей перехода «ближняя-дальняя» зона наблюдается значительное поглощение электромагнитной энергии.
Таким образом, граница перехода «ближняя-дальняя» зона действительно является границей фазового перехода квазистатического поля в поле излучения. Использование этого перехода позволяет локализовать взаимодействие излучения с веществом, обладающим большим поглощением. Варьируя частоту излучения можно варьировать глубину зондирования. Более низкие частоты проникают более глубоко, что согласуется с общеизвестными представлениями.
Предложенный метод введения приведенного расстояния (через производную фазы поля по частоте) и получаемая на этой основе приведенная дифракционная гипербола позволяют локализовать положение точечного отражателя в сильно поглощающей среде. Это может послужить основой для создания нового метода для томографии объектов в сильно поглощающих средах.
Установлено, что в ближней зоне ослабление поля с расстоянием носит степенной характер как для сред с поглощением, так и для сред без него. Это ослабление практически не зависит от поглощающих свойств среды. В дальней же зоне при отсутствии поглощения поле становится волной, которая ослабляется обратно пропорционально первой степени расстояния, что характерно для поля излучения. Возникновение поглощения в среде приводит к экспоненциальному затуханию волны. В результате степенной закон убывания поля меняется на экспоненциальный.
Установлено, что фазовая структура поля в дальней зоне совпадает со структурой бегущей волны и линейно изменяется даже для сред с поглощением. В ближней зоне изменения фазы практически не зависят от расстояния и частоты, что характерно для квазистатического поля. Эти изменения так же не зависят от поглощающих свойств среды. На границе перехода «ближняя-дальняя» зона фаза резко меняется и ее производная достигает экстремальных значений. Для описания производной фазы по частоте может быть введена величина, называемая приведенным расстоянием. При совпадении этой величины с границей перехода «ближняя-дальняя» зона наблюдается значительное поглощение электромагнитной энергии.
Таким образом, граница перехода «ближняя-дальняя» зона действительно является границей фазового перехода квазистатического поля в поле излучения. Использование этого перехода позволяет локализовать взаимодействие излучения с веществом, обладающим большим поглощением. Варьируя частоту излучения можно варьировать глубину зондирования. Более низкие частоты проникают более глубоко, что согласуется с общеизвестными представлениями.
Предложенный метод введения приведенного расстояния (через производную фазы поля по частоте) и получаемая на этой основе приведенная дифракционная гипербола позволяют локализовать положение точечного отражателя в сильно поглощающей среде. Это может послужить основой для создания нового метода для томографии объектов в сильно поглощающих средах.
