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)

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).

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