Анотація до роботи:

Сілін О.О. Електромагнітні поля випромінювачів у задачах НВЧ діелектрометрії поглинаючих середовищ та у біомедичних застосуваннях – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 – радіофізика. Інститут радіофізики та електроніки ім. О. Я. Усикова НАН України, Харків, 2007.

Дисертаційну роботу присвячено розробці ефективного методу вимірювання в НВЧ діапазоні комплексної діелектричної проникності середовищ з поглинанням і частотною дисперсією відкритим кінцем коаксіальної лінії.

Отримано зручний для розрахунків вираз для адмітансу коаксіального зонда, який дозволяє явно виділити внесок кожної моди вищого порядку, що збуджуються на його апертурі.

Методами чисельного моделювання досліджено похибки, що виникають через неповну відповідність математичної моделі реальній геометрії зонда та його розташуванню відносно середовища, що зондується.

Зроблено оцінки чутливості методу відкритого кінця коаксіальної лінії при визначенні в НВЧ діапазоні діелектричних сталих біологічних тканин і показано важливість правильного вибору розмірів зонда для конкретного типу тканини. Запропоновано і експериментально перевірено методику вимірювання діелектричної проникності рідких середовищ ізольованим коаксіальним зондом.

Наведено результати експериментального тестування методу із застосуванням різних коаксіальних зондів і результати вимірювання комплексної діелектричної проникності зразків м'язової тканини.

В дисертаційній роботі було розв'язано актуальну наукову задачу розробки ефективного метода вимірювання в НВЧ діапазоні комплексної діелектричної проникності поглинаючих середовищ, зокрема біологічних тканин. Задача вирішена шляхом теоретичного аналізу випромінювання з відкритого кінця коаксіальної лінії у поглинаюче середовище, чисельного моделювання розподілу електромагнітних полів реальних коаксіальних зондів у таких середовищах, експериментальної перевірки розроблених методик вимірювань. Вирішення цієї наукової задачі сприятиме підвищенню точності та оперативності вимірювань діелектричної проникності біологічних тканин.

Основні результати полягають у наступному:

Одержано вираз для адмітансу відкритого кінця коаксіальної лінії, навантаженого на шарувату діелектричну структуру з втратами, що обмежена або ідеально провідною площиною, або діелектричним півпростором, який дозволяє оцінити внесок кожної з вищих мод, що збуджуються на апертурі.

За допомогою чисельного моделювання оцінено внесок до сумарної похибки вимірювання комплексної діелектричної проникності поглинаючих середовищ коаксіальними зондами факторів, що обумовлені особливостями реальної геометрії задачі: скінченністю діаметра фланця коаксіального зонда (чи його відсутністю), розмірами зразка, глибиною занурення зонда у середовище.

Отримано оцінки чутливості розглянутого метода при НВЧ діелектрометрії різних типів біологічних тканин; показано важливість правильного вибору розмірів зонда для конкретного типу тканини і частотного діапазону.

Розглянуто особливості вимірювання діелектричних характеристик тонких зразків; показано, що в цьому випадку урахування вищих мод необхідне навіть для матеріалів з малими значеннями діелектричної проникності, для вимірювання якої на товстих зразках при тих же розмірах зонда і частоті цілком достатньо одномодового наближення.

Запропоновано методику вимірювання комплексної діелектричної проникності коаксіальним зондом з відкритим кінцем, що ізольований від середовища тонким шаром діелектрика. Одержані чисельні оцінки чутливості показують, що, незважаючи на деяку її втрату, ізольований зонд може знайти застосування завдяки більшій стабільності параметрів.

Запропоновано використовувати номограми для прискорення процесу вимірювання при збереженні точності, що забезпечується застосуванням повнохвильових моделей адмітансу коаксіального зонда. Розраховано номограми для визначення діелектричних характеристик біологічних тканин на декількох частотах НВЧ діапазону коаксіальними зондами. Показано, що для тонких зразків діелектриків з малими втратами у певному діапазоні співвідношень діелектричної проникності і товщини зразка за допомогою номограм можливе достатньо точне одночасне визначення обох цих параметрів

Підтверджено ефективність розробленої методики вимірювання комплексної діелектричної проникності результатами її експериментального тестування на еталонних рідинах із застосуванням різних зондів у діапазоні частот від 2 до 12 ГГц (відхилення виміряних значень дійсної частини діелектричної проникності від теоретичних не перевищувало 5 %, а по уявній частині збільшувалось до 10 % на верхньому краю діапазону при вимірюванні зондом без фланця); отримано задовільну відповідність результатів вимірювання діелектричної проникності зразків м'язової тканини даним, що одержані раніше іншими методами.

В рамках дисертаційної роботи також розроблено автоматизований стенд з програмним забезпеченням для реєстрації розподілень електромагнітних полів випромінювачів НВЧ діапазону в рідких поглинаючих середовищах і мікросмужково-щілинний аплікатор для локального впливу електромагнітним випромінюванням частотою 2,45 ГГц на невеликі (площею до 3 см²) ділянки біологічних тканин. Виміряні на стенді розподіли полів аплікаторів для НВЧ гіпертермії (як оригінальних макетів, так і промислових зразків) в фантомах біологічних тканин дозволили визначити зону їх ефективного впливу – характеристику, яка досі не перевіряється через відсутність подібних технічних засобів.

Публікації автора за темою дисертації

1. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Погрешности определения комплексной диэлектрической проницаемости методом открытого конца коаксиальной линии // Радиофизика и электроника. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники НАН Украины. - 2005. - Т. 10, №3. - C. 482-489.

2. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Чувствительность коаксиальных зондов для измерения комплексной диэлектрической проницаемости диссипативных сред // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2006. - Т. 49, № 6. - С. 39-47.

3. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Измерение комплексной диэлектрической проницаемости веществ методом открытого конца коаксиальной линии // Успехи современной радиоэлектроники. - 2007. - №7. - C.66-79.

4. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Определение диэлектрической проницаемости материалов изолированным коаксиальным зондом // Изв. вузов. Радиоэлектроника. - 2007. - Т. 50, № 7. - С. 30-40.

5. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Особенности определения диэлектрической проницаемости тонких слоев коаксиальными зондами // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2007. - Т. 12, № 3. - С. 38-45.

6. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М., Васильев А.С. Экспериментальные исследования распределения электромагнитных полей медицинских СВЧ-аппликаторов // Успехи современной радиоэлектроники. - 2005. - №9. - C.30-35.

7. Иванова Ю.В., Силин А.О., Стадник А.М., Васильев А.С. Применение СВЧ облучения брюшной полости при гнойном перитоните, экспериментальное исследование // Биомедицинские технологии и радиоэлектроника. - 2005. - № 11-12. - С. 76-80.

8. Иванов В.К., Силин А.О., Васильев А.С., Боцман В.В., Симоненко В.И., Черный Н.В. Изменения структуры семенников кролика при различных способах нагрева // Электромагнитные волны и электронные системы. - 2005. - Т. 10, № 11-12. - С. 52-55.

9. Иванов В.К., Силин А.О., Васильев А.С., Левадный Ю.В., Иванова Ю.В. Автоматизированный стенд для регистрации распределения электромагнитных полей в поглощающих средах // Инфотелекоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании: Первая международная науч.-техн. конференция, г.Ставрополь, 19 декабря 2004 г. / СевКавГТУ. – Ставрополь, 2004. - С. 66-71.

10. Botsman V., Cherny N., Simonenko V., Shetinski I., Zakhar'ev A., Ivanov V., Silin A. Changes in the structure of rabbit's testicles under different ways of heating // XIIth International Congress on Animal Hygiene ISAH 2005 Warsaw, Poland. - 2005. - V2. P. 431-434.

11. Иванов В.К., Силин А.О., Стадник А.М. Определение диэлектрических характеристик поглощающих сред методом открытого конца коаксиальной линии: численный анализ погрешностей // Проблемы информатики и моделирования: Материалы пятой междунар. науч.-техн. конф. (Харьков, 24-26 ноября 2005г.). - Харьков, 2005. - С.44.

12. Ivanov V.K., Silin O.O., Stadnyk O.M. A Nomogram Technique for Microwave Permittivity Determination Using an Open-Ended Coaxial Probe // The 6-th Intern. Kharkov Symp. on Phys. and Engin. of MSMW (Kharkov, Ukraine, June 25-30, 2007): Proc. - 2. - P. 910-912.