Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК  537.523

ПОРІВНЯЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТВЕРДОТІЛЬНИХ І РІДИННОФАЗНИХ ОБ'ЄКТІВ МЕТОДОМ ГАЗОРОЗРЯДНОЇ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ

Завгородній А.Б.

Вступ

Перші фотографічні зображення електроду, отримані за допомогою газорозрядного свічення у його поверхні, були опубліковані ще в кінці позаминулого сторіччя, але у той час не викликали особливого інтересу, оскільки сприймалися як фототрюк. Проте після того, як в роботах С.Д. Кирліан і В.Х. Кирліан [1 і 2] було доведено, що ці зображення можуть містити важливу інформацію про властивості фотографованих об'єктів, у тому числі і таку, яку важко отримати яким-небудь іншим методом, цей спосіб візуалізації, що став відомим під назвою «ефект Кирліан», привернув широку увагу і став використовуватися в дефектоскопії, фізичному експерименті, криміналістиці і ряді інших областей. Широку дискусію викликала можливість застосування цього методу в біології, наприклад для оцінки стану життєдіяльності рослин, і в медицині, зокрема для діагностики пухлин, оцінки працездатності і психофізичного стану людини, виявлення біологічно активних ділянок шкірного покриву і т.п., тим більше що в деяких медико-біологічних експериментах були отримані обнадійливі результати. Бібліографію з цих питань можна знайти, наприклад, в [3-5]. Широкий інтерес до практичного використання ефекту Кирліан привів і до певних проблем: з'явилися публікації (див., наприклад [6,7]), що містили явно ненаукові концепції, чому неабиякою мірою сприяла відсутність у той час чітких уявлень про фізичні процеси,що лежать в основі цього способу візуалізації.

На цей час можна вважати встановленим [3, 8-11], що формування зображень при ефекті Кирліан обумовлене виникненням газового розряду між поверхнею досліджуваного об'єкту і другим електродом, здатним фіксувати дію цього розряду і його характерні особливості. Таким носієм зображення може служити фотоматеріал, люмінесцентний екран і т.п.

Постановка завдання

Грамотне і ефективне застосування методів ГРВ для дослідження рідиннофазних об'єктів можливо лише на основі чіткого уявлення про основні відмінності при візуалізації таких об'єктів від твердофазних, роботі з якими присвячена досить велика кількість публікацій, наприклад [11-13]. Основною метою даної роботи є експериментальні дослідження характеру розподілу щільності почорніння негативного газорозрядного зображення рідиннофазних об'єктів, а також зіставлення отриманих результатів з даними візуалізації твердотільних об'єктів (в першу чергу – металевих пластин з пазами різної ширини і глибини).

Фізичні основи експерименту

Метод лавинної ГРВ застосовується в даний час досить широко. На рис.1 приведені схема простого пристрою для реалізації цього методу, а на рис.2 -  характерні приклади отримуваних з його допомогою зображень досліджуваних об'єктів.

Пристрій для лавинної ГРВ (див. рис.1) можна розглядати як плоский багатошаровий конденсатор, тоді падаюча на розрядному проміжку напруга: 

     (1)

де  – миттєве значення амплітуди зовнішньої напруги,  - товщини і діелектричні проникності ізолюючих шарів по обидві сторони розрядного зазору, d і  - протяжність і діелектрична проникність газового проміжку. Електронна лавина виникає в той момент, коли величина  стає рівною потенціалу запалення розряду . Ця величина залежить від параметра рd (p – тиск газу), причому для кожного газу ця залежність корелює з відповідною кривою Пашена. Електронна лавина виникнувши, розповсюджується по прямій лінії до анода; її поява супроводжується імпульсом струму в розрядному ланцюзі і свіченням газу. По міру того, як напруга  стає вищою , збільшується амплітуда імпульсу струму і пропорційно їй інтенсивність свічення, а також кількість розрядних актів (лавин), що приходяться на одиницю площі поверхні електроду. Свічення, що продукується лавиною, залежить від хімічного складу газу, який визначає спектральний склад і інтенсивність світіння.

Фізичні процеси, що лежать в основі безпосередньо газового розряду в розрядному проміжку досить детально описані в [15]. Зокрема, автор описує поведінку носіїв заряду (в першу чергу – електронів), висуваючи припущення про те, що електрони не зазнають зіткнень. Це має сенс, якщо частота коливань така висока або зіткнення такі рідкісні, що за час між зіткненнями електрон встигає зробити багато осциляцій . Проінтегруємо рівняння «беззіткнувального» руху

       ,  (2)

яке має рішення

    (3).

Електрон осцилює з частотою поля на тлі поступального руху з довільною швидкістю . Амплітуди зсуву і коливальної швидкості рівні

     (4)

Зсув знаходиться у фазі з полем, а швидкість зсунута по фазі на . Граничний випадок «беззіткнувальних»  коливань приблизно реалізується на оптичних частотах, а також в СВЧ діапазоні при низькому тиску торр.

Зіткнення порушують строго гармонійний режим коливань електрона, «збиваючи» його фазу. Різка зміна напряму руху при розсіянні заважає електрону набути повний розмах зсувів (4), який може викликати прикладена сила, оскільки після кожного зіткнення електрон починає розгойдуватися  як би наново: з новою фазою, під новим кутом по відношенню до миттєвого напряму швидкості. Щоб врахувати цю обставину, включимо в рівняння руху «середнього» електрона ефективну швидкість втрати імпульсу, пов'язану з дією зіткнень. Запишемо рівняння для середньої швидкості

       ,  (5)

Рішення цих рівнянь має вигляд

,

.          (6)

Амплітуди зсуву і швидкості електрона в раз менше, ніж для вільних коливань. Вони тим менше, чим більше ефективна частота зіткнень (остання визначається швидкістю хаотичного руху). Зсув зміщений по фазі щодо поля. Фазове зміщення зростає від 0 до  при зростанні відносної ролі зіткнень   від 0 до .

Матеріали і методи дослідження.

Для дослідження особливостей газорозрядної візуалізації рідиннофазних об'єктів використовувалася бідистильована вода надвисокої чистоти; для твердофазних об'єктів – металева пластинка з модельними дефектами: пазами, різної ширини та глибини, яка використовувалася як один з електродів. Розміри пазів  були вибрані так, що б всі вони поміщалися на одній фотопластинці.  Це дозволяє зменшити вплив випадкових помилок експерименту (невеликі відхилення величини газового зазору, коливання напруги на виході підсилювача, зміни зовнішніх умов і т.д.) і провести одночасне експонування всіх зразків. Аналогічним чином проводилася зйомка і рідиннофазних об'єктів: на нижній електрод поміщалося 5 крапель досліджуваної рідини, після чого робився їх знімок за допомогою газорозрядного свічення. Подальша обробка знімків велася загальноприйнятим способом. Отримані фотографії вводилися в комп'ютер за допомогою сканера Genius ColorPage-Vivid 1200XE, після чого проводилася їх обробка  і аналіз засобами  графічного пакету Adobe Photoshop CS.

Методика проведення експерименту.

Методика експерименту зводилася до наступних операцій. На поліровану пластину (див. рис.1) що служила нижнім електродом, поміщали фотопластину 9х12 см (емульсивним шаром вгору), на яку накладалася пластина з модельними дефектами, що служила верхнім електродом, пазами вниз. В результаті попереднього експерименту було визначено оптимальний час експозиції (0,5с) при напрузі на виході підсилювача потужності ~ 5 кВ. При фотографуванні рідиннофазних об'єктів крапля досліджуваної рідини, об'ємом ~15мм³ також поміщалася на фотопластину між двома електродами.

Рис. 1 Принципова схема пристрою для лавинної ГРВ: 1 – досліджуваний об’єкт, 2 – металевий електрод, 3 – джерело напруги, 4 – діелектрична пластинка – носій зображення (наприклад, фотоматеріал)

Рис. 2 ГРВ-грами різноманітних зразків рідини

Розміри пазів наведені в таблиці 1. Обробка поверхні пластини з пазами, а також нарізка самих пазів велася по шостому класу точності. Глибини пазів виконані по четвертому класу точності.            

Таблиця 1

(Розміри пазів)

Результати і обговорення.

Результати аналізу денситограм (регистрограм) показали, що кожний з класів досліджених об'єктів має свої характерні особливості, які, на думку автора, зв'язані в першу чергу, з основними видами газового розряду, що лежить в основі візуалізації кожного з об'єктів. Так, у візуалізації твердофазних об'єктів має місце так звана лавинна ГРВ, тоді як при формуванні зображення рідиннофазних об'єктів також слід враховувати і поверхневий розряд, що виникає по периметру краплі досліджуваної речовини. Профіль досліджуваних об'єктів, а також типові денситограми (регистрограми) представлені на рис.3.

Рис. 3. Профіль та регистограма досліджуваних твердотільних та рідиннофазних об’єктів

 На цьому малюнку зображений загальний вид об'єктів (паза і краплі рідини), а також розподіл інтенсивності почорніння фотопластини по відношенню до поперечного розрізу об'єкту. Введемо наступне визначення параметрів отриманих регистрограм. Для твердотільного об'єкту з модельним дефектом (пазом): відстань l між межами почорніння,  що створюється свіченням газорозрядних процесів в зазорі від всього паза, назвемо шириною його смуги почорніння; через m позначимо ширину смуги почорніння, створюваного краєм паза; n – відстань між максимумами щільності. Різницю почорнінь, що представляється відстанню p, зміряну на регистрограмі, назвемо контрастністю, а різницю почорнінь, що представляється відстанню s, зміряною на регистрограмі - контрастністю провалу. Слід відмітити, що величини p і s матимуть різні абсолютні значення при використанні різних технологій обробки фотопластин (за допомогою комп'ютерної техніки, як це було зроблено автором, або ж при використанні мікрофотометрії). Проте процентні співвідношення цих величин і форма залежності почорніння негативного газорозрядного зображення  будуть приблизно рівними, що підтверджується аналогічними регистрограммами, приведеними для зображень пазів різних форм в роботі [12].

Для зображень рідиннофазних об'єктів можна виділити такі параметри, як k – діаметр плями засвічення фотоматеріалу, а також різниця почорнінь p, вимірювану на регистограмме, яка по аналогії з попереднім випадком також називатимемо контрастністю почорніння.

На рис.3 видно, що максимуми щільності почорніння знаходяться поблизу країв паза, а мінімум співпадає з геометричною серединою профілю паза. Аналіз навіть загального ходу регистрограммы показує хорошу повторюваність деяких особливостей кривої для кожного паза.

Висновки.

1.                  Регистограмми як, твердо- так і рідиннофазних об'єктів при газорозрядній візуалізації мають свою свої характерні риси і особливості, які, на думку автора, зв'язані в першу чергу з основними видами газового розряду, що лежить в основі візуалізації кожного з об'єктів.

2.                  По зовнішньому вигляду регистограми, отриманої методом ГРВ є можливість судити, відноситься досліджуваний об’єкт до твердо- чи рідиннофазних, а також, можливо, оцінити його в’язкість.

ЛІТЕРАТУРА

1.                         Кирлиан С.Д., Кирлиан В.Х. Журнала научной и прикладной фотографии и кинематографии, 1961, т.6, №6, с.397.

2.                         Кирлиан С.Д., Кирлиан В.Х. В мире чудесных разрядов. М.: Знание, 1964.

3.                         Eidson W., Fanst D., Kyler H. et al IEEE and ERA Spec. Session Presented at “Electro-78”,N.Y.: Pergamon Press, 1978.

4.                         Романий С.Ф., Черный З.Д. Дефектоскопия, 1979, №5, с.47.

5.                         The Kirlian Aura. N.Y.: Anchor Books, 1976.

6.                         Cope Freeman N. Physiol. Chem. And Phys., 1980, v.12, №4, p.337.

7.                         Thathachari Y.T., Pushpa S. Biol. J., 1977, v.17, №3, p.302.

8.                         Лидоренко Н.С., Гудков Л.А., Котельников В.А., Пивоваров О.Н. В кн.: Конференция, посвященная юбилею Кирлин С.Д.: Тез. Докл. М.: ВНИИТ, 1979.

9.                         Иванов Э.В., Шестерин И.С., Теличенко Н.М. Науч. Докл. Выс. Школы. Биол. Науки, 1971, №6, с.133.

10.                     Фельдман В.И., Пивоваров О.Н., Курсеевич П.А. Теплофизика высоких температур, 1982, т.20, №1, с.25.

11.                     Коротков К.Г. Исследование физических процессов, протекающих при газоразрядной визуализации объектов различной природы: Автореф. Дис. На соискание уч. ст. канд. физ.-мат. Наук. Л.: ЛПИ, 1982.

12.                     Кожаринов В.В. Экспериментальное исследование модельных дефектов в электромагнитных полях высокой напряженности. – Дефектоскопия, 1983, №11, с.7-10.

13.                     Коротков К.Г. Основы ГРВ биоэлектрографии. – СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2001. – 360с.

14.                      Завгородній А.Б., Лошицький В.Н., Мамаєв В.Н., Мінзяк Д.Ю., Писаренко Л.Д. Реакція води на природні та штучні фізичні фактори наднизької інтенсивності // Медична інформатика та інженерія – 2008 - №3 – с.28-32.

15.                      Райзер Ю. П. Физика газового разряда. — 2-е изд. — М.: Наука, 1992.

16.              Завгородний А.Б. Физические механизмы формирования изображений при газоразрядной визуализации жидкофазных объектов (обзор) // Друга конференція молодих вчених „Електроніка-2009” Збірник статей – Київ, 2009, с.26-36.