Регистрация слабых физических полей преобразователями на двойных электрических слоях

РЕГИСТРАЦИЯ СЛАБЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ НА ДВОЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЛОЯХ

А.В. Бобров

Двойной электрический слой (ДЭС) является чувствительным к воздействию неэлектромагнитной компоненты излучения человека. На основе теории электричества существует объяснение этому феномену. Принцип действия преобразователей основан на разности параметров приэлектродных ДЭС. Рассматривается компьютеризированный комплекс на ДЭС для изучения психоэмоционального состояния человека.

Систематическое исследование таинственного высокопроникающего неэлектромагнитного компонента излучения человека (ВНКИЧ) началось сравнительно недавно. В 70-х годах прошлого столетия К. Бакстер, директор Института криминологии (США), впервые использовал для регистрации ВНКИЧ биологические детекторы -растения. С помощью установленных на них двух металлических электродов снималась разность электрических потенциалов между двумя точками на поверхности листа, которая после усиления подавалась на регистратор.

В 1983 году в СССР появились первые преобразователи ВНКИЧ - электродные системы (ЭС), в которых сенсорными элементами служили приэлектродные двойные электрические слои (ДЭС) [1]. Чуть позже (1986 г.) были созданы преобразователи на полупроводниковых интегральных микросхемах (ИМС) [2]. В 1989 г. было обнаружено, что преобразователи на ДЭС и ИМС могут быть использованы для регистрации торсионных полей (ТП), индуцируемых генераторами ТП, созданными в МНТЦ ВЕНТ.

1. Преобразователи на ДЭС

Предъявляемые к детекторам на двойных электрических слоях требования чувствительности и стабильности определили необходимость изучения сенсорных свойств ДЭС и поиска путей совершенствования тактико-технических характеристик преобразователей, основанных на этих свойствах.

Двойной электрический слой, возникающий на поверхности раздела двух фаз, обладает уникальными сенсорными свойствами. Чувствительность ДЭС к воздействию физических факторов - электромагнитному излучению (ЭМИ), переменным магнитным полям (ПЕМП) и акустическому полю (звук, ультразвук) - равна или превышает чувствительность всех известных естественных (в том числе биологических) объектов. Реакции на воздействие ЭМИ на частоте 55О кГц переменными магнитными полями регистрировались при плотности потока мощности 1О-12 Вт/м2 [1, 3-6]. Реакция на воздействие звука возникала при интенсивности 1О-13 Вт/м2 или ниже [5]. ДЭС отвечают реакцией на воздействие ЭМИ в дециметровом диапазоне волн [7], на воздействие ВНКИЧ [8], воздействие торсионного генератора разработки МНТЦ ВЕНТ [9] и на обнаруженный в 1997 г. неэлектромагнитный компонент излучения квантовых генераторов [9, 10].

Свойство ДЭС отвечать изменением электрического потенциала на воздействие факторов внешней среды можно объяснить с позиции классической теории. Согласно ей двойной электрический слой, возникающий на поверхности раздела двух фаз, можно представить как заряженную емкость С, равную сумме двух последовательно соединенных емкостей с зарядом q = р£, (где р - плотность зарядов, а £ - площадь ДЭС) и потенциалом относительно жидкой среды ф. Последний вычисляется по формуле

ф = ц/с,

где

С С

С _ Гельмг^Гуи

" С + С '

Гельмг Гуи

СГельмг. - емкость адсорбционного слоя (слоя Гельмгольца), Сгуи - емкость диффузионного слоя (слоя Гуи).

Из выражения (1) следует, что величина потенциала ДЭС при постоянном заряде определяется изменением емкости С на величину АС.

В электродной системе (ЭС) с металлическими электродами и бидистиллирован-ной водой в качестве жидкой фазы потенциал приэлектродных ДЭС является функцией потенциалов слоев Гельмгольца и Гуи (рис.1).

Рис. 1. Распределение потенциала в двойном электрическом слое:

1 - адсорбционный слой (слой Гельмгольца). 2 - диффузный слой (слой Гуи),

3 - жидкая фаза

В действительности величина слоя Гельмгольца определяется адсорбционными процессами и не изменяется; и только потенциал слоя Гуи может варьировать под воздействием внешних факторов. Таким образом, при неменяющемся заряде в первом приближении реакция ДЭС на воздействие фактора внешней среды является результатом изменения величины диэлектрической проницаемости в слое Гуи.

Рассмотрим зависимость величины потенциала слоя Гуи от различных факторов. Потенциал слоя Гуи определяется выражением

ф(х) = ф5 ехр

(

х -

5

Л

X

где 5 - толщина слоя Гельмгольца, ф5 - граничный потенциал между слоями Гельмгольца и Гуи, X - толщина слоя Гуи, х - текущая координата с началом отсчета от поверхности электрода.

На границе с жидкой фазой величина потенциала ДЭС и слоя Гуи становится равной потенциалу жидкой фазы, который принимается равным нулю. При малых значениях фх толщина слоя Гуи зависит от температуры, заряда ионов, их концентрации и диэлектрической проницаемости среды в этом слое:

Х =

88 °КТ = к

2 ^ 2 3

Л

8Т

I п .1

о/

где 8о - абсолютная диэлектрическая проницаемость, 8 - диэлектрическая проницаемость в слое Гуи, ^ - число Фарадея, г - заряд /'-го сорта ионов в жидкой фазе, п - концентрация 1-го сорта ионов в слое Гуи,] - ионная сила раствора.

Таким образом, в электродных системах - преобразователях на ДЭС, при соблюдении режима стабильной температуры, потенциал слоя Гуи представляет собой функцию диэлектрической проницаемости среды в этом слое.

Как известно, диэлектрическая проницаемость среды определяется поляризуемостью составляющих ее элементов и фактором внутреннего поля, учитывающим взаи-

модействие диполей друг с другом и их пространственную ориентацию. В простейшем случае, когда все частицы имеют одинаковую поляризуемость и одинаково расположены в диэлектрике, его проницаемость равна

в = 1+4ппаСг-,

где п - концентрация частиц, а - поляризуемость, С; - структурный коэффициент внутреннего поля. В свою очередь, поляризуемость а включает в себя два компонента: ориентационный, характеризующий ориентацию диполей в веществе, и концентрационный, учитывающий плотность вещества.

Как следует из (5), при сжатии или растяжении слоя Гуи (при звуковом или ультразвуковом воздействии) величина диэлектрической проницаемости изменяется в результате изменения концентрации в единице объема всех сортов ионов в этом слое. Одновременно изменяется и протяженность X самого слоя Гуи - эффективное расстояние между «обкладками» заряженной емкости. Аналогичные изменения происходят и в адсорбционном слое, однако здесь они крайне незначительны вследствие его малой протяженности - диаметров всего нескольких находящихся в растворе ионов.

Из сказанного следует, что в результате акустического воздействия изменение электрического потенциала слоя Гуи при неменяющемся заряде происходит как за счет изменения концентрации вещества п, так и за счет изменения протяженности самого слоя Гуи.

Реакцию ДЭС на электромагнитное (ЭМ) воздействие можно объяснить взаимодействием электрических диполей с электрической составляющей ЭМ излучения, приводящим к переориентации диполей. Как известно [11], в электрическом поле, изменяющемся с частотой ш, диэлектрическая проницаемость среды с ориентационной поляризацией проявляет себя как комплексная величина:

в = в' - /в".

Согласно формулам Дебая, в' и в'' равны соответственно

В' _во -т+швт,

1 + ш2 т2

_

1 + ш2 т2

где в0 - значение в для низких частот (ш<<1/т), в«, - значение в для высоких частот (ш<<1/т), т - время поляризации диэлектрика (время релаксации).

В зависимости от частоты воздействующего ЭМ поля возможны разные виды поляризации в слое Гуи - резонансная или ориентационная, приводящие к различным значениям в' и в'' и, следовательно, к различной величине отклика приэлектродных ДЭС на такое воздействие.

Из сказанного следует, что потенциал ДЭС зависит от факторов внешней среды -температуры, электрических и электромагнитных полей, а также от акустического воздействия, способного создавать поле сил (давление или растяжение) в слое Гуи. Эти факторы влияют на значение диэлектрической проницаемости в этом слое, вызывая переориентацию полярных молекул, изменение плотности среды и его протяженности.

Воздействие внешнего торсионного поля на ДЭС в результате спин-торсионного взаимодействия с характеристическим полем вещества (спиновой системой, образуемой всеми компонентами ДЭС) должно приводить к изменению физических характеристик вещества, в том числе диэлектрической проницаемости среды [12].

Описанные свойства позволили создать преобразователи (детекторы) для регистрации перечисленных выше факторов.

Главным условием эффективной работы преобразователей на ДЭС является неравенство параметров приэлектродных ДЭС - их асимметрия. Степень асимметрии определяет чувствительность ЭС. Другие характеристики электродной асимметричной сис-

темы (ЭАС) в большой степени зависят от ее типа - способа создания асимметрии, материала электродов, состава жидкой фазы и т. д.

Условие неравенства параметров приэлектродных ДЭС определяется следующим. В электродной системе на поверхности раздела жидкой и твердой фазы у поверхности электродов возникают ДЭС с потенциалами ф1 и ф2 относительно объема жидкой фазы, удаленного от электродов. В результате между электродами устанавливается разность потенциалов

и=ф2 - ф1.

Воздействие фактора внешней среды изменяет потенциалы ф1 и ф2 на величины Аф1 и Аф2, соответственно, что приводит к изменению разности потенциалов электродной системы и на величину Аи:

где Аи и есть реакция ЭАС на воздействие внешнего фактора. Как следует из выражения (10), необходимым условием для регистрации этой реакции является асимметрия ЭАС Аф1^Аф2, обеспечивающая неравенство нулю величины Аи.

В ЭАС, имеющей конечные размеры, внешний фактор воздействует одинаково на оба электрода. Поэтому условие (10) может быть выполнено только при несовпадении одного или нескольких параметров приэлектродных ДЭС. Из анализа выражения (10) следует, что абсолютные значения интенсивности воздействующего фактора детекторы на ДЭС не регистрируют.

2. Типы асимметричных электродных систем

Все существующие типы ЭАС состоят, как правило, из двух металлических электродов, находящихся в контакте с полярной жидкостью (например, бидистиллирован-ной водой). В них неравенство параметров достигается одним из следующих способов:

1) вытягиванием столба жидкости под одним из электродов [1, 6];

2) применением остеклованного электрода со сформированной геометрией ДЭС [5, 6];

3) формированием ионного состава приэлектродных ДЭС в «токовых датчиках» [4-6].

Способ 1. Электродная система с вытянутым столбом жидкости. В сосуд с жидкостью на глубину 2-5 мм погружен металлический, например, платиновый электрод Эл.2 (рис. 2). На расстоянии 5-15 мм от него на поверхность жидкости опущен электрод Эл.1 из аналогичного материала. После установления контакта с жидкостью электрод Эл.1 приподнимается микрометрическим винтом на некоторую высоту Икр- к, где ккр - высота столба жидкости, при которой происходит ее отрыв от электрода.

Рис. 2. Электродная система с вытянутым столбом жидкости в составе устройства для регистрации торсионного излучения: Л - высота столба жидкости; Лкр - критическая высота (высота отрыва водяного столба); УПТ - усилитель постоянного тока

С увеличением И в ДЭС, возникшем у поверхности электрода Эл1 в результате растяжения жидкости под воздействием собственного веса, происходит изменение диэлектрической проницаемости среды, что является одной из двух причин, обусловливающих отличие емкости ДЭС под электродом Эл.1 от емкости ДЭС, возникшего у поверхности электрода Эл.2. Другая причина заключается в различии их геометрии. По мере вытягивания столба жидкости влияние обоих факторов будет возрастать. При И = Икр степень асимметрии приэлектродных ДЭС и чувствительность ЭС максимальны.

Электродная система с вытянутым столбом жидкости обладают рядом недостатков. Она неустойчива во времени: по мере испарения жидкости ее уровень в сосуде снижается, результатом чего становится непрерывное увеличение столба жидкости и, в итоге, его обрыв. Другой ее недостаток заключается в значительных по величине флуктуациях регистрируемого сигнала - шумах, обусловленных микровибрациями сосуда с жидкостью. К недостаткам системы относится также наличие механического подъемного устройства с микровинтом, работа с которым требует определенных навыков.

Способ 2. ЭС с остеклованным электродом. Асимметрия достигается путем изменения геометрии ДЭС. С этой целью один из электродов, за исключением его торцовой поверхности, покрывается изоляцией из стекла. Плоский проводящий торец электрода после зачистки погружается в жидкость или устанавливается на ее поверхность. Недостаток этого метода заключается в нестабильности, обусловленной постепенным проникновением жидкости под слой изоляции, приводящей к изменению геометрии ДЭС.

Способ 3. «Токовая» электродная система. С конца 1980-х годов нами изучалась реакция на воздействие различных физических факторов электролитической ячейки, в которой в качестве жидкой фазы использовалась бидистиллированная вода. Асимметрия такой ЭАС обусловлена наличием двух разнонаправленных слабых

Рис. 3. «Токовая» асимметричная электродная система:

а) конструкция датчика: 1 - крышка; 2 - стеклянный изолятор; 3 - платиновый элек-

трод; 4 - корпус (2-ой электрод), материал - сталь нержавеющая;

б) схема включения датчика и блок-схема установки для исследования реакции ЭАС на воздействие физических факторов: 1 - датчик; 2 - резистор нагрузки; 3 - источник

ЭДС; 4 - микроамперметр; 5 - усилитель постоянного тока; 6 - регистратор;

7 - экранирующая камера

В «токовой» ЭС асимметрия приэлектродных ДЭС достигается путем формирования их ионного состава. Электродная система включается последовательно в замкнутую цепь с источником ЭДС и нагрузочным резистором Ян (рис. 3). При прохождении по цепи тока I на концах резистора возникает падение напряжение и = 1Ян, которое подается на входы усилителя постоянного тока. Силу тока в цепи определяют по показаниям микроамперметра. Под воздействием разнополярных потенциалов, приложенных к электродам, к ним устремляются противоположные по знаку ионы с разными по величине зарядами, образовавшиеся в результате диссоциации воды, перехода в нее компонентов твердой фазы и т.д., формирующие приэлектродные ДЭС. Асимметрия этих ДЭС обусловлена различным по природе ионным составом, его количественными и зарядовыми характеристиками.

3. Автоколебательный процесс - второй компонент реакции детекторов на ДЭС

Эффективность работы «токовых» датчиков можно значительно повысить путем создания определенных условий, при которых в системе приэлектродных ДЭС возникает автоколебательный (АК) процесс, чрезвычайно чувствительный к воздействию внешних факторов.

При прочих постоянных условиях основным параметром, определяющим возникновение автоколебаний, является величина межэлектродного тока, регулировка которого осуществляется путем варьирования разности потенциалов на выходах источника ЭДС. С увеличением межэлектродного тока от 1-2 до 8-12 мкА начинают заметно возрастать как его флуктуации, так и чувствительность «токовой» системы к воздействию внешних факторов. При дальнейшем увеличении межэлектродного тока флуктуации переходят в упорядоченные колебания. Область существования АК-процесса в исследованной нами токовой электродной системе составляла 15-18 мкА; нижнее значение порогового межэлектродного тока - 8-9 мкА; верхнее значение тока, при котором его колебания прекращаются - порядка 24-28 мкА. Изменение основных параметров АК-процесса - амплитуды и частоты коле6аний, возникающее в ответ на внешнее воздействие, является вторым, «частотным» компонентом реакции «токовой» электродной системы. В зависимости от материала электродов период АК исчислялся минутами или десятками минут, а их амплитуда соизмерима с собственными шумами системы до возникновения в ней АК-процесса или превышает их во много раз.

Воздействие факторов внешней среды приводит к изменению периода колебаний и их амплитуды, причем такие изменения возникают при меньшем времени экспозиции и раньше, чем возникает «аналоговый» компонент реакции ЭАС. Они, по существу, совпадают с началом воздействия, однако по ним нельзя судить о его интенсивности. Второй, «частотный» компонент «токового» детектора при регистрации слабых и сверхслабых излучений может быть использован только как индикатор.

АК-феномен, обнаруженный в 1988 г. и подробно описанный в 1992 г. [4], сыграл исключительную роль в последующих исследованиях. Их результатом явилось обнаружение в 1997 г. торсионного компонента излучения квантовых генераторов [9, 10].

4. Компьютеризованный комплекс на ДЭС

В 1992 г. был создан компьютеризованный комплекс, включающий четыре датчика на ДЭС. Предусмотрены компьютерная обработка и просмотр в масштабе реального времени поступающей информации, корреляционной кривой, полученной по двум независимым каналам, и кривой усреднения информации. Использование метода корреляционного анализа при исследовании реакции на воздействие сверхслабых факторов позволило на 1-1,5 порядка повысить отношение сигнал/шум на выходе систе-

мы. Применение компьютерной техники значительно расширило возможность использования детекторов и повысило эффективность их работы [13].

Детекторы на ДЭС могут быть использованы в различных направлениях при научных исследованиях и в практических целях, например, для мониторинга окружающей среды (в частности, для регистрации предвестников землетрясений [14]), для неконтактного исследования психоэмоционального состояния человека [15, 16].

Литература

1. Бобров А.В., Колесникова Т.В., Шрайбман Ф.0. Дистантное воздействие человека на электродную систему // Биофизика. ВИНИТИ, деп. №3950-В85, 1985. - 34с.

2. Бобров А.В. Использование интегральных микросхем в качестве датчика для биофизических исследований // Информационные взаимодействия в биологии. Материалы Всесоюзного семинара в Кара-Даге, октябрь 1986 г. - Тбилиси: Изд. ТГУ, 1987. - С. 56-69.

3. Музалевская Н. И., Бобров А. В., Шрайбман Ф. О. Двойной электрический слой в первичном звене действия слабых сверхнизкочастотных магнитных полей на биологические объекты // Информационные взаимодействия в биологии. Материалы Всесоюзного семинара в Кара-Даге. 1988 г. - Тбилиси: Изд. ТГУ, 1990. - С. 165-172.

4. Бобров А.В. Моделирование реакции живых систем на внешние воздействия. / Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. - СПб: Гидрометеоиздат, 1992. - С. 227-244.

5. Бобров А.В. Модельное изучение механизма рецепции // Информационные взаимодействия в биологии. - Тбилиси: Изд. ТГУ, 1990. - С. 151-162.

6. Бобров А.В. Сенсорные свойства ДЭС и возможный механизм реакции на воздействие факторов внешней среды / Сб. тезисов и докладов на Международном конгрессе «Биоэнергоинформатика» (БЭИ-98). Том 2. - Барнаул, 1998. - С. 11-16.

7. Шрайбман Ф.О., Бобров А.В.. Электрическая реакция электродной системы на электромагнитное воздействие в дециме6тровом диапазоне волн // Информационные взаимодействия в биологии. Материалы Всесоюзного семинара в Кара-Даге. 1988 г. - Тбилиси: Изд. ТГУ, 1990. - С. 163-164.

8. Бобров А.В. Инструментальное исследование природы и свойств высокопроникающего нетеплового компонента излучения человека. Препринт № 55. МНТЦ ВЕНТ. - М., 1995. - С. 15-60.

9. Бобров А.В. Реакция двойных электрических слоев на воздействие торсионного поля. ВИНИТИ. Деп. № 1055-В97. - М., 1997. - 26 с.

10. Бобров А.В. Торсионный компонент электромагнитного излучения. Информационные торсионные поля в медицине и растениеводстве. ВИНИТИ. Деп № 635-В98. -М., 1998. - 41 с.

11. Физический словарь. - М.: Советская энциклопедия, 1960.

12. Бобров А. В. Модельное исследование полевой концепции механизма сознания. Препринт №2. - Орел: ОрелГТУ, 2006. - 175 с.

13. Бобров А. В. Сенсорные свойства двойных электрических слоев в биологии и технике регистрации слабых и сверхслабых излучений. Препринт № 54. - М.: МНТЦ «ВЕНТ», 1994. - 13 с.

14. Бобров А. В. О возможности создания системы прогнозирования землетрясений. / Сб. научных трудов молодых ученых г. Орла. - Орел, 1995. - С. 120-122.

15. Бобров А.В. Способ неконтактной регистрации психофизиологического состояния человека. Изобретение № 8, Республика Грузия, 08.02.1993 г.

16. Бобров А. В. О возможности создания комплекса средств для бесконтактной регистрации психоэмоционального состояния человека // Тезисы доклада на 1 Международной научно-практ. конф. «Языки мозга и тела человека». - Орел, 1995. - 2 с.