Биофизические особенности и источники ЭМИ КВЧ

Среди множества факторов окружающей среды, вызывающих значимые изменения функционального состояния биологических систем различного уровня организации, особая роль принадлежит ЭМИ (Adey, 1988; Grundler W., Kaiser F. et al. 1992). Естественные и искусственные источники электромагнитной энергии разного диапазона оказывают выраженное воздействие на живые организмы. Некоторые ЭМИ хорошо известны и давно используются в промышленности, клинической практике, быту, например, инфракрасное, ультрафиолетовое, ультравысокочастотное, сверхвысокочастотное. Другие применяются сравнительно недавно.

Шкала начинается с частот, как угодно близких к нулю (или длин волн, близких к бесконечности) – сверхдлинных волн радиоволнового диапазона и заканчивается волнами с очень высокими частотами – γ-волнами (γ — излучением). Как видно из таблицы 1.1, ЭМИ практически всей шкалы находят применение не только в таких традиционных областях как радиосвязь, радиолокация, телевидение и т. д., но и в нетрадиционных областях, прежде всего в медицине и биологии. Большой интерес среди них представляют излучения с длиной волны в свободном пространстве 1…10 мм, что соответствует диапазону частот f=300…30 ГГц, которые называют крайневысокочастотными (КВЧ) или миллиметровыми (мм) волнами, то есть ЭМИ КВЧ является одним из поддиапазонов сверхвысокочастотных колебаний (частоты свыше 300 МГц) (Девятков и др., 1991; Голант, 1997).

Этот диапазон электромагнитных волн был освоен сравнительно недавно – в середине 60-х годов прошлого столетия. Честь освоения мм-диапазона в значительной мере принадлежит российским учёным. В 1965 г. была опубликована работа М. Б. Голанта с соавторами, в которой сообщалось о разработке широкополосных генераторов с электрической перестройкой частоты. Это были знаменитые вакуумные лампы обратной волны с продольным магнитным полем (ЛОВ-О), разработанные в ведущем научно-исследовательском институте электронной промышленности СССР – НИИ 160 (позднее ГНПП «Исток», в настоящее время – ФГУП НПП «Исток», г. Фрязино, Московской обл.). Эти работы выполнялись под руководством выдающихся российских учёных в области СВЧ электроники – академика Н. Д. Девяткова и проф. М. Б. Голанта. Конечно, до освоения в серийном производстве ЛОВ-О в мм-диапазоне были известны, и нашли применение на практике другие вакуумные приборы, такие, например, как магнетроны (с 1936 г.), отражательные клистроны (с 1948 г.), но все эти приборы были узкополосными и предназначались для работы на фиксированных (средних) частотах, полное же перекрытие мм-диапазона началось именно с ЛОВ-О. Следует заметить, что подобные приборы и сейчас занимают значительное место в арсенале генераторов КВЧ-диапазона.

Наряду с вакуумными приборами, большое применение на практике нашли также полупроводниковые приборы КВЧ-диапазона, Среди таких приборов в первую очередь надо отметить маломощные генераторы на основе лавинно-пролётных диодов, диодов Ганна, а также полевых транзисторов. Эти приборы имеют выходную мощность порядка десятков-сотен милливатт (Бецкий и др., 2004).

Большие значения выходной мощности достигаются в приборах, отличительной особенностью которых является использование открытых резонаторов с целью увеличения пространства взаимодействия и при одновременном обеспечении высокой монохроматической генерации. К числу таких приборов относятся оротроны (генераторы дифракционного излучения). С помощью таких приборов удаётся получать выходную мощность в непрерывном режиме порядка единиц и десятков кВт в импульсном режиме.

 

 

Таблица 1.1.

Шкала электромагнитных излучений (по Бецкому О. В. и соавт,. 2004)

Радиоволновой диапазон Сверхвысочастотный диапазон (СВЧ) Оптический диапазон Диапазон ионизирующих излучений
λ=1000 м λ=100-1000 м λ=10-100 м λ=1-10 м λ=10-100 см λ=1-10 см λ=1-10 мм λ=0,1-1 мм λ=100-0,76 мкм λ=0,76-0,4 мкм λ=400-10 нм λ=10-0,01 нм λ=0,01-0,0001 нм
Сверх-длин-ные волны Длинные волны Средние волны Корот-кие волны Деци-метро-вые волны Санти-метро-вые волны Милли-метро-вые волны Субмил-лиметро-выеВолны Инфра-красное излуче-ние (ИК) Види-мые излуче-ния Ультра-фиолетовые излу-чение (УФ) Рентге-новское излуче-ние Гамма-излуче-ние
Этот диапазон давно и широко применяется в различных радиотехнических устройствах для передачи информации (радио, телевидение и др.). За ним утвердилось название «радиоволновой диапазон». Некоторых его участки использованы для создания медицинская аппаратуры Техническое использование СВЧ-диапазона начало бурно развиваться во второй половине XX века в связи с развитием радиолокации, радиорелейных линий, спутниковых систем связей, систем управления, мобильных телефонов и др. Электронные приборы СВЧ дали возможность создавать медицинскую аппа-ратуру для диагностики и терапии многих заболеваний. Эти виды излучения представляют значительный интерес для применения их в медицине, особенно после появления лазеров в ИК, видимом и УФ диапазонах спектра, а также с появлением ксеноновых излучателей и усовершенствованных ртутных ламп Ионизирующие излучения являются самыми первыми видами элек-тромагнитных излу-чений, которые с конца XIX века начали применяться в медицине для диаг-ностики и лечения злокачественных новообразований

 

Существенное повышение мощности генераторов мм диапазона стало возможным при развитии методов релятивистской высокочастотной электроники. Для этого используются не только высокие напряжения, но и сильноточные электронные пучки, причем в ряде случаев в качестве эмиттеров электронов приходится применять электронные ускорители. Это новое направление в области электроники СВЧ возникло в СССР в шестидесятые годы прошлого века и успешно развивается в настоящее время (нижегородская научная школа, руководимая академиком РАН А. В. Гапоновым-Греховым).

К настоящему времени существует большое разнообразие приборов в КВЧ-диапазоне: гиротроны, лазеры на свободных электронах, мазеры на циклотронном резонансе (МЦР), релятивистские черенковские генераторы (ЛОВ-О или карцинотроны, многоволновые черенковские генераторы) и т. д. Пиковая мощность в релятивистских приборах может достигать единиц ГВт (десятков МВт во всём мм диапозоне при наносекундных длительностях) и сотен кВт при микросекундных длительностях импульсов. В непрерывном режиме работы релятивистские генераторы обеспечивают выходную мощность до единиц-десятков кВт.

Приборы, генерирующие волны мм-диапазона сразу начали применяться в таких «классических» областях техники, как радиолокация, радионавигация, радиосвязь, радиоспектроскопия и т. д. Сравнительно новыми техническими областями применения мм-волн являются локальные информационные системы (связь вне и внутри зданий), системы радиовидения, миллиметровая спектроскопия, дистанционные методы зондирования окружающей среды и некоторые другие (Бецкий и др., 2002).

Естественный электромагнитный фон, в том числе в КВЧ-диапазоне, в биосфере определяется излучением Солнца и других космических тел, а также излучением атмосферы Земли и всех окружающих нас тел. Самым мощным естественным источником электромагнитных волн на Земле является ближайшее к нам светило Солнце. Почти вся энергия электромагнитного излучения Солнца заключена в интервале длин волн от 1500 Å до 5 мм. Излучение в радио и рентгеновском диапазонах зависит от солнечной активности, увеличиваясь или уменьшаясь в течение 11-летнего цикла, и заметно возрастает при вспышках на Солнце. Максимум излучения Солнца приходится на видимую часть спектра (λ = 0,46 мк), причём на долю радиодиапазона приходится менее 1% от полной мощности. В мм диапазоне спектральная плотность излучения Солнца при эффективной температуре, равной 5500…8000 К и при λ =7 мм (в полосе частот 100 МГц) составляет примерно 10-12 мВт/см2. Причем, спектральная плотность излучения Солнца примерно на 13 дБ превышает собственное излучение атмосферы. Интересно, что мм-волны в значительной степени определяют особенности реликтового излучения, максимум которого находится вблизи λ = 3 мм (Бецкий и др., 2004).

Излучение Солнца в мм диапазоне зависит от его активности. Следует подчеркнуть, что до настоящего времени мониторинг вариаций абсолютной величины потоков солнечного излучения и их спектрального состава отсутствует. Кроме того, практически отсутствуют и экспериментальные данные о спектрах и приращениях величин потоков в периоды вспышек и появления пятен на Солнце. Вместе с тем, представляет значительный интерес исследование, которое было проведено с помощью радиотелескопа в МГТУ им. Баумана в Дмитровском районе Московской области (Поляков, Бецкий, 2003). Как показали результаты исследования, появление солнечного пятна сильно влияет на процесс мм-излучения. В исследованиях С. В. Авакяна (2005) на основе анализа пространственно-временных характеристик нескольких тысяч всплесков обнаружено, что частота и сила возрастания мощности радиоизлучения ионосферы полностью коррелируют с изменением площади солнечных пятен, особенно с продолжительными хромосферными рентгеновскими вспышками на Солнце и полярными сияниями, включая периоды рекуррентных возрастаний солнечной активности. При этом автор теоретически доказал наличие у ионосферы и верхней атмосферы Земли микроволнового излучения, которое генерируется в квантовых переходах между высоковозбужденными ридберговскими состояниями всех атомно-молекулярных составляющих верхней атмосферной плазмы и является строго характеристическим (монохроматическим). Увеличение интенсивности мм излучения (существенное превышение над фоном) прямо коррелирует как с солнечной активностью, особенно со вспышками, так и с геомагнитными бурями. При этом все это излучение (начиная с длины волны λ ≈ 0,8 мм и более) свободно проникает в нижнюю атмосферу до земной поверхности (Дюшоссуа, 1986) (рис. 1.1).

Прозрачность атмосферы во всем диапазоне электромагнитного спектра (по Г. Дюшоссуа, 1986)

Рис. 1.1. Прозрачность атмосферы во всем диапазоне электромагнитного спектра (по Г. Дюшоссуа, 1986).

Это обстоятельство может быть решающим в проявлении биологической эффективности микроволнового излучения, а сам микроволновой диапазон может быть прямым каналом информации самых нижних слоев атмосферы и самой биосферы о вариациях солнечной и геомагнитной активности. Для биосферы и, в частности, для организма человека и животных эта информация в виде вариаций потока мм излучения как раз и может быть тем агентом X, который постулировал А. Л. Чижевский (1976, 1995). При этом он полагал, что агент X – это (в том числе) «электрические колебания определенной частоты», а агентом воздействия солнечной активности является, в частности, «миллиметровое излучение». При этом мм излучение способно выступать как несущая частота с модуляцией инфразвуковыми, акустико-гравитационными внутренними волнами верхней атмосферы, а также колебаниями фонового электромагнитного поля (ЭМП), в том числе в области биоритмов. Это усиливает эффект влияния низкочастотных колебаний фонового ЭМП с его значительной ролью в биологическом мире (Темурьянц и др., 1992), благодаря сильному действию на биообъекты со стороны мм излучения.

Необходимо обратить также внимание на тот факт, что максимум реликтового излучения приходится на мм диапазон, а также на появляющиеся в периодической печати сообщения радиоастрономов о «мощных» излучениях в мм диапазоне, которые приходят на Землю от отдалённых космических образований. Всё это может косвенно свидетельствовать о возможной и важной роли электромагнитных колебаний в мм диапазоне длин волн в эволюции живой материи на нашей планете.

Электромагнитные волны в КВЧ-диапазоне излучает и сам человек. При комнатной температуре и λ =8 мм в полосе частот 100 МГц за время в 1 с при коэффициенте отражения волны на границе «кожа-воздух», равном 0,5, собственное излучение человеческого организма с площади 1 см составляет 10 мВт/см2. С учетом общей площади кожи взрослого человека (~ 2 м2) полная мощность излучения при λ = 8 мм равна 10-8 мВт. Естественно, это составляет ничтожную долю от полной мощности электромагнитных волн, излучаемых телом взрослого человека.

Таким образом, все живое на Земле постоянно находится под воздействием ЭМИ мм диапазона космического и техногенного происхождения. Живые существа также излучают ЭМИ КВЧ. Несмотря на ничтожное значение мощности естественного электромагнитного фона в КВЧ-диапазоне, мм-волны несут большую информацию об окружающем нас мире и находят применение в различных областях знаний, в том числе в биологии и медицине.

ЭМИ КВЧ как физический фактор, действующий на биологические объекты, характеризуется несколькими биотропными параметрами: частотой и соответствующей ей длиной волны; интенсивностью, плотностью потока мощности (ППМ); направленностью, градиентом поля; наличием или отсутствием модуляции, видом модуляций; поляризацией.

Рассмотрим кратко основные физические особенности ЭМИ КВЧ. Это излучение относится к неионизирующим. Квант энергии в этом диапазоне меньше энергии теплового движения атомов и молекул. Энергия кванта в КВЧ-диапазоне существенно меньше энергии электронных переходов (1…20 эВ), энергии активации (~0,2 эВ), а также колебательной энергии молекул (10-2…10-1 эВ), энергии водородных связей (2·10-2…10-1 эВ). Ниже энергии КВЧ-кванта оказываются энергия вращения молекул вокруг связей (10-4…10-3 эВ), энергия куперовских пар при сверхпроводимости (10-6…10-4 эВ) и энергия магнитного упорядочения (10-8…10-4 эВ) (Бецкий, 1998). Следовательно, мм волны могут воздействовать на вращательные степени свободы молекул и влиять на их конформационные состояния. Это обстоятельство является существенным, например, при изучении распространении мм волн в различных средах (в частности, в атмосфере), а также при анализе медико-биологических экспериментов.

Как и излучение лазера КВЧ-излучение обладает высокой когерентностью (Frohlich, 1968; 1988), а также, наряду с любым видом электромагнитных колебаний, имеет, помимо волновых, и квантовые свойства (Девятков и др., 1991).

Биологические эффекты КВЧ-излучения регистрируются при ППМ излучения значительно ниже 10 мВт/см2. Было показано (Девятков и др., 1991), что энергия квантов КВЧ-излучения, во-первых, меньше энергии теплового движения молекул, во-вторых, значительно меньше энергии водородных (самых слабых) связей в молекулах живых организмов. При такой низкой интенсивности излучения интегральный нагрев облучаемых объектов в эксперименте не превышает обычно 0,1оС (Хижняк, 1991; Бецкий и др., 1996). Поэтому очевидно, что механизм биологического действия КВЧ-излучения не связан с повреждающим воздействием на живой организм, а ЭМИ КВЧ относится к нетепловым, «информационным» воздействиям. Термин «информационное воздействие» применительно к проблеме воздействия слабых электромагнитных колебаний на биологические объекты был введён в научный обиход А. С. Пресманом (1968). Такое воздействие предполагает как наличие «плато» на кривой зависимости «биологический эффект-мощность падающего излучения», так и отсутствие теплового эффекта при воздействии. Такой сигнал является, по определению, слабым или низкоинтенсивным, что типично для радиотехнических систем передачи информации в аналоговом или цифровом виде. Bсе эти условия в полном объёме выполняются при использовании низкоинтенсивных ЭМИ в мм диапазоне длин волн.

В последнее время проблема слабых (информационных) сигналов в электромагнитобиологии становится особенно актуальной. Это связано с жесткими требованиями экологического характера и предельно допустимыми уровнями облучения лиц, работающих с электромагнитными колебаниями или попадающих под их воздействие. Повышенный интерес к проблеме низкоинтенсивных воздействий в электромагнитобиологии в последнее время связан также с «эффектом (парадоксом) сверхмалых доз», впервые описанным в оригинальной работе Е. Б. Бурлаковой (1994). В этой пионерской работе обсуждаются вопросы терапевтической активности лекарственных препаратов при чрезвычайно слабых концентрациях, которые на несколько порядков меньше общепринятых в фармацевтической практике. Интересно, что столь малые концентрации активных веществ существенно меньше концентраций, используемых даже гомеопатической медицине. По-видимому, проблема сверхмалых доз выходит далеко за рамки терапии лекарственными препаратами и имеет фундаментальное общебиологическое значение. Эта проблема прекрасно проанализирована в монографии Ю. П. Чуковой «Эффекты слабых воздействий» (2000). В книге на основании большого количества оригинальных публикаций автора развивается универсальный термодинамический подход к анализу воздействия слабых электромагнитных полей на различные биологические структуры (в частности слабых полей в мм-диапазоне длин волн). В заключительном разделе книги её автор пишет: «Термодинамическая теория неравновесных систем, взаимодействующих с электромагнитным излучением, позволила открыть область больших и неожиданных ресурсов живых тел, в том числе и человека. Эта область слабых воздействий».

Автор —  Джелдубаева Эльвиза Рашидовна

Метки: