Биодетекторный магнитодинамический ресивер
Устройство предназначено для обнаружения, идентификации и контроля состояния биологических объектов по их естественному микроволновому излучению. Под биологическими объектами понимаются: люди, животные и крупные скопления микроорганизмов. Изобретение относится к электричеству и может быть использовано в медицине для диагностики, в работе спецслужб для подслушивания и слежения, а также в военных целях для разведки, охраны стратегических объектов и наведения огня. Гетеродинный ресивер микроволнового диапазона содержит биодетектор в качестве обнаружителя естественного микроволнового излучения биологических объектов. При этом сигналообразующим фактором в биодетекторе является не электропроводность его ионизированной газовой среды, а коллективные высокочастотные смещения зарядов в направлении зеркал-электродов, происходящие на плазменной частоте. Благодаря введению постоянного и равномерного магнитного поля в межзеркальное пространство биодетектора, колебания заряженных частиц в его ионизированной газовой среде на промежуточной (плазменной) частоте приобретают вращательный характер, что делает возможным появление на зеркалах-электродах биодетектора сигнала промежуточной частоты, являющегося выходным сигналом ресивера. Техническим результатом является то, что быстродействие биодетектора в биодетекторном магнитодинамическом ресивере зависит лишь от величины значения плазменной частоты, что позволяет с большей полнотой идентифицировать биологические объекты и контролировать их состояние. 4 ил.
Устройство предназначено для обнаружения, идентификации и контроля состояния биологических объектов по их естественному микроволновому излучению. Под биологическими объектами понимаются: люди, животные и крупные скопления микроорганизмов.
Изобретение относится к электричеству и может быть использовано в медицине для диагностики, в работе спецслужб для подслушивания и слежения, а также в военных целях для разведки, охраны стратегических объектов и наведения огня.
Известны приемные устройства, в состав которых входит биодетектор [1], это приемник, состоящий из биодетектора, включенного в электрическую цепь стабилизированного питания через токозадающий балластный резистор [2] и биодотекторный гетеродинный приемник [3]. Из них, ближайшим аналогом для Биодетекторного Магнитодинамического Ресивера (БМР) является биодетекторный гетеродинный приемник [3]. Недостаток аналога заключается в ограниченности частотного диапазона его выходного сигнала (порядка 100-300 кГц), что обусловлено наличием времени задержки, с которым ионизированная газовая среда биодетектора изменяет свою электропроводность.
Задачу расширения частотного диапазона выходного сигнала биодетекторного приемного устройства решает БМР. Чем выше быстродействие биодетекторного приемного устройства, тем большее количество идентификационных признаков, присущих биологическим объектам, можно выделить из его выходного сигнала.
Сущность изобретения: гетеродинный ресивер микроволнового диапазона, содержащий биодетектор в качестве обнаружителя естественного микроволнового излучения биологических объектов. При этом сигналообразующим фактором в биодетекторе является не электропроводность его ионизированной газовой среды, а коллективные высокочастотные смещения зарядов в направлении зеркал-электродов, происходящие на плазменной частоте. Благодаря введению постоянного и равномерного магнитного поля в межзеркальное пространство биодетектора, колебания заряженных частиц в его ионизированной газовой среде на промежуточной (плазменной) частоте приобретают вращательный характер, что делает возможным появление на зеркалах-электродах биодетектора сверхвысокочастотного сигнала промежуточной (плазменной) частоты.
В биодетекторе [1], используемом в [2] и [3], для подключения зеркал-электродов к внешней электрической цепи предусмотрены клеммы, наличие или отсутствие которых не сказывается на принципе работы биодетектора, а является элементом удобства, применяемым в низкочастотных электрических цепях. Поскольку БМР решает задачу расширения частотного диапазона, то биодетектор, входящий в состав БМР, должен конструктивно соответствовать требованиям, накладываемым особенностями высокочастотных или сверхвысокочастотных диапазонов. Клеммы в этих диапазонах являются неприемлемым элементом. В связи с этим обстоятельством, при рассмотрении структурной схемы и принципа действия БМР будем говорить о сигнале не на клеммах, а на зеркалах-электродах биодетектора. Адаптированная конструкция биодетектора для случая БМР будет приведена после рассмотрения устройства и принципа действия БМР.
На фиг.1 представлена структурная схема БМР. Входом БМР, куда поступает естественное микроволновое излучение биологических объектов, является волнозаборник (1), например металлический рупор. Гетеродин (2) является источником непрерывного микроволнового излучения со стабильными параметрами частоты и амплитуды. Металлическими трубообразными волноводами (3) и (4) волнозаборник (1) и гетеродин (2) связаны со входным окном биодетектора (5). Два постоянных магнита (6) и (7), находящиеся вне биодетектора (5), образуют внутри его плоскопараллельного резонатора равномерное магнитное поле, силовые линии которого параллельны зеркалам-электродам. Зеркала-электроды биодетектора (5) при помощи коаксиального кабеля (8) включены в электрическую цепь стабилизированного питания Еп через дроссель (9), при этом металлический корпус биодетектора (5) является промежуточным элементом, электрически соединяющим одно из зеркал-электродов с броней коаксиального кабеля (8). Сигнал на несущей частоте, равной плазменной частоте ионизированной газовой среды биодетектора (5), снимаемый с его зеркал-электродов при помощи коаксиального кабеля (8), является выходным сигналом БМР.
Функционирует БМР следующим образом. Из волнозаборника микроволновое излучение, принимаемое от биологического объекта, поступает в биодетектор, где в межзеркальном пространстве его плоскопараллельного резонатора возбуждаются стоячие волны. При сложении (суперпозиции) стоячих волн с волнами, поступающими в биодетектор от гетеродина, образуются амплитудные биения на промежуточной частоте. Заряженные частицы (ионы и электроны), находящиеся в межзеркальном пространстве биодетектора и увлекаемые результирующим суперпозиционным электромагнитным полем, совершают колебания на частотах микроволнового диапазона.
Кроме микроволнового суперпозиционного, на заряженные частицы действуют постоянные и равномерные электрическое и магнитное поля, силовые линии которых взаимоперпендикулярны. Силовые линии электрического поля направлены от одного зеркала-электрода биодетектора к другому зеркалу-электроду, а силовые линии магнитного поля параллельны зеркалам-электродам.
Под действием постоянного магнитного поля колеблющаяся частица будет совершать вращательное движение вокруг его силовой линии. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше радиус вращения и тем больше магнитный момент вращающейся частицы. Сонаправленность магнитных моментов вращающихся частиц с вектором магнитной индукции поля, созданного постоянными магнитами, приводит к эффекту усиления результирующего магнитного поля, действующего в ионизированной газовой среде межзеркального пространства биодетектора. Таким образом, ионизированная газовая среда (плазма) способна усиливать пронизывающее ее постоянное магнитное поле, причем величина этого усиления пропорциональна напряженности высокочастотного электромагнитного поля, распространяющегося внутри нее.
При дополнительном воздействии на плазму еще и постоянного электрического поля, центры вращения заряженных частиц начнут смещаться под действием кулоновских сил, создавая электрический ток. На заряды, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца перпендикулярно направлению их движения. Поскольку, заряды движутся от одного зеркала-электрода к другому, то сила Лоренца будет действовать параллельно плоскостям зеркал. Вследствие того, что результирующее магнитное поле оказывается зависимым от напряженности высокочастотного поля, то и сила Лоренца будет зависеть от этой напряженности. Если напряженность высокочастотного поля колеблется с промежуточной частотой, то сила Лоренца будет колебаться с той же частотой. При совпадении частоты суперпозиционных биений с плазменной частотой, в ионизированной газовой среде биодетектора будут раскачиваться плазменные колебания в направлении, параллельном зеркалам-электродам (назовем эти колебания поперечными).
Магнитное поле, как и в случае колебаний на микроволновых частотах, траекториям заряженных частиц, колеблющихся на плазменной частоте, придаст вращательный характер. В результате закручивания заряженных частиц вокруг магнитных силовых линий, энергия поперечных плазменных колебаний будет передаваться продольным плазменным колебаниям (от одного зеркала-электрода к другому). Коллективное смещение зарядов от одного зеркала-электрода к другому, при продольных плазменных колебаниях, является сигналообразующим фактором при функционировании биодетектора в схеме БМР. Продольное коллективное смещение зарядов на плазменной частоте формирует на зеркалах-электродах биодетектора высокочастотное напряжение, передаваемое на выход БМР при помощи коаксиального кабеля. Дроссель, через который центральная жила выходной части кабеля подключена к источнику стабилизированного питания, обладает на частоте выходного сигнала БМР высоким сопротивлением, что предотвращает шунтирование источником питания выходного сигнала биодетектора.
Следует отметить, что при отсутствии равномерного поля, создаваемого внешними магнитами, способствовать возбуждению плазменных колебаний в поперечном направлении внутри столбообразного газоразрядного тела (газоразрядного столба) биодетектора может его собственное магнитное поле, создаваемое разрядным электрическим током. Собственное магнитное поле газоразрядного столба отличается неравномерностью и является причиной частотно-плазменной анизотропии, когда резонансные частоты поперечных и продольных плазменных колебаний оказываются неравными. Известно, что собственная поперечная плазменная частота газоразрядного столба в √2 раз меньше его же продольной плазменной частоты. В такой ситуации передача энергии от поперечных колебаний продольным невозможна. Здесь уместно провести аналогию с двухкаскадным усилителем промежуточной частоты в обычных радиоприемниках. Если резонансные частоты каскадов сильно различаются, то такой усилитель оказывается неработоспособным. Поэтому, только равномерное магнитное поле, пронизывающее газоразрядный столб, способно создать условия, при которых поперечная и продольная плазменные частоты окажутся равными друг другу, что сделает возможным передачу энергии от поперечных колебаний продольным.
На фиг.2 показана конфигурация собственного магнитного поля газоразрядного столба в секущей плоскости, параллельной зеркалам-электродам. Тонкими дугообразными стрелками показаны силовые линии собственного магнитного поля, длина которых отражает величину магнитной индукции на том или ином радиусе удаления от центральной оси столба. В центре столба магнитная индукция отсутствует, а по мере удаления от центральной оси она увеличивается. Толстыми стрелками показано смещение одноименных зарядов при плазменных колебаниях, возбуждению которых способствует данная конфигурация магнитного поля (синфазные полупериоды помечены при помощи штриховки).
На фиг.3 показана конфигурация магнитного поля (тонкие стрелки) в сечении газоразрядного столба, созданная внешними магнитами (1) и (2), а также характер смещения зарядов (толстые стрелки) при плазменных колебаниях, возбуждению которых способствует равномерное поле внешних магнитов.
Если на фиг.2 происходит сгущение-разряжение одноименных зарядов, то на фиг.3 происходит их параллельный перенос. Сигналообразующие продольные плазменные колебания в биодетекторе являются случаем параллельного переноса. Равномерное поле внешних магнитов, пронизывающее газоразрядный столб, создает условия для раскачки одного и того же типа плазменных колебаний как в поперечном, так и в продольном направлениях. Именно поэтому резонансные частоты и тех и других оказываются равными.
На фиг.4 представлена конструкция биодетектора, адаптированная для случая БМР, вместе с присоединенным к нему фрагментом коаксиального кабеля. Дискообразные металлические зеркала (1) и (2) параллельны друг другу. Зеркало (1) через диэлектрическую шайбу (3) установлено на внутренней поверхности цилиндрического металлического корпуса (4) и электрически соединено с центральной жилой коаксиального кабеля (5), броня которого (6) припаяна к корпусу (4). Зеркало (2) установлено на выдвижном металлическом столе (7) через тонкую круглую гофрированную металлическую мембрану (8), которая обеспечивает свободу для поступательных перемещений выдвижному столу (7), неподвижно закрепленному на штоке (9). Зеркало (2) имеет электрический контакт с броней коаксиального кабеля (6) через корпус (4) и мембрану (8). Мембрана (8) прижата к корпусу (4) завинчивающейся металлической крышкой (10), имеющей муфтообразное удлинение, внутри которого шток (9) совершает поступательные перемещения. Внутри корпуса (4) установлена цилиндрическая диэлектрическая вставка (11) с расположенными на ее внутренней поверхности препаратами из радиоактивных изотопов (12), ионизирующими газ, заполняющий пространство между зеркалами (1) и (2). В корпусе (4), для поступления в его внутреннее пространство микроволн, имеется окно.
Параметрические особенности БМР:
1. При выборе значения плазменной частоты ионизированной газовой среды биодетектора следует учитывать предельные возможности аппаратуры, подключаемой к выходу БМР, которые определяются частотой единичного усиления полупроводниковых приборов, находящейся в пределах дециметрового диапазона (300-3000 МГц).
2. Линейные размеры биодетектора необходимо уменьшать по мере увеличения плазменной частоты из-за следующих соображений:
- при перераспределении электрического потенциала по поверхности зеркал-электродов биодетектора от центра к краям, на сверхвысоких частотах, могут произойти слишком большие фазовые сдвиги, из-за чего центральная и краевая часть газоразрядного столба, оказавшись в противофазе, могут гасить совокупный выходной сигнал;
- диаметр зеркал-электродов и расстояние между ними должны быть примерно равны, поэтому, уменьшая диаметр зеркал, следует уменьшать и расстояние между ними (это требование необходимо соблюдать для достижения как можно большей добротности плазменных колебаний);
- уменьшение межзеркального расстояния биодетектора способствует уменьшению количества мод его плоскопараллельного резонатора, на которые он настроен одновременно, следовательно миниатюризация биодетектора будет благоприятствовать процессу настройки БМР на конкретную входную частоту.
3. Корпус биодетектора но должен искажать магнитное поле, создаваемое внутри него внешними постоянными магнитами.
4. В области сверхвысоких частот электромагнитное поле не проникает вглубь металла и электрический ток протекает лишь в тонком приповерхностном слое проводника, поэтому поверхности зеркал-электродов, мембраны и внутренняя поверхность корпуса биодетектора должны обладать хорошей электропроводностью в области сверхвысоких частот.
Источники информации
1. Патент на изобретение Российской Федерации №2158983, Биодетектор, автор Агеенко В.А., фиг.1.
2. Патент на изобретение Российской Федерации №2158983, Биодетектор, автор Агеенко В.А., фиг.5.
3. Патент на изобретение Российской Федерации №2194358, Биодетекторный гетеродинный приемник, автор Агеенко В.А., фиг.1.
Биодетекторный магнитодинамический ресивер, содержащий волнозаборник и микроволновый гетеродин, соединенные металлическими трубообразными волноводами со входным окном биодетектора, зеркала-электроды которого при помощи коаксиального кабеля включены в электрическую цепь стабилизированного питания через дроссель, отличающийся тем, что два постоянных магнита, находящихся вне биодетектора, образуют внутри его плоскопараллельного резонатора равномерное магнитное поле, силовые линии которого параллельны зеркалам-электродам, при этом сигналообразующим фактором в биодетекторе являются коллективные высокочастотные смещения зарядов его ионизированной газовой среды в направлении зеркал-электродов, происходящие на плазменной частоте, одновременно являющейся частотой выходного сигнала ресивера, снимаемого с коаксиального кабеля в месте подключения его центральной жилы к дросселю.
