Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 666.189.3

ИЗУЧЕНИЕ И ЗАДАНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ ПЕНОСТЕКЛА  ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ПОЛЕЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Короленко А. В.

Создание современных приборов и оборудования, связанных с использованием мощных электромагнитных полей (ЭМП), использование в медицинской практике различных электрических приборов и установок [1, 2], обусловило значительное воздействие ЭМП на человека. Превышение параметров используемых ЭМП по сравнению с фоновыми параметрами, к которым в ходе эволюции адаптировались живые организмы, может отразиться на функционировании внутриклеточных структур [3]. Поэтому во всем мире ведется поиск материалов и средств защиты от несанкционированного воздействия ЭМИ как для человека, так и для биосред. Данная работа выполнена в рамках Национальной программы Украины “Критические технологии” (Постановление Кабмина Украины № 310 от 16.03.94) тема № 10-94-94, № Госрегистрации 0194U040076 и “Новые вещества и материалы” Минпромполитики и Миннауки Украины тема 10-94-150 № Госрегистрации 0194U012771 и научных исследований Херсонского государственного технического университета.

Проблеме защиты от электромагнитных волн в узком частотном диапазоне посвящены работы многих специалистов [4 – 7]. Во время работы с излучающим оборудованием в паспортных данных обязательно указываются возможные виды облучений и как от них защищаться. Например, автор работы [8] утверждает, что при работе с персональными ЭВМ наиболее эффективна «защита расстоянием» рабочих мест операторов, хотя и «защита временем» [9], и «защита экранированием» также способны давать положительный эффект. Защита от излучений электронно-лучевых трубок теми же способами рассматривается в работе [10]. В последнее время многие автора отмечают наиболее перспективную защиту от ЭМП веществами, которым при получении в их структуре с определенной периодичностью задают различные диэлектрические проницаемости [11 – 16]. К периодическим структурам относятся также и пеноматериалы на основе пеностекла с упорядоченной структурой расположения пор. Пеностекла, используемые для защиты от полей электромагнитного излучения (ЭМИ), привлекают к себе прежде всего возможностью защиты от широкого диапазона частот ЭМИ от низкого до сверхвысокочастотного, устойчивостью к природным условиям, а также установлением необходимых форм и размеров при получении. Однако о распространении полей ЭМИ в пеностеклах не было отмечено, а в фирмах-производителях пеностекол для защиты от поля ЭМИ указывается лишь влияние толщины на поглощение полей.

Целью данной работы является:

1.                  Теоретически обосновать распространение поля ЭМИ в модели пеностекла и выбрать необходимые основные его параметры, которые необходимо достичь при получении для максимальной защиты от ЭМП.

2.                  Получить пеностекло с заданными параметрами.

Согласно поставленным целям, проведем исследование модели пеностекла.

Основными параметрами пеностекла, которые влияют на защиту от воздействия полей ЭМИ, по мнению автора данной работы, являются: диэлектрические проницаемости стекла и содержимого пор, пористость системы, диаметр пор. Все указанные параметры – регулируемые и прогнозируемые при синтезе пеностекла.

Стекло и поры в пеностекле образуют границы переходов для полей ЭМИ: «стекло-пора» и «пора-стекло». Особо важной при нашем исследовании является граница «стекло-пора», имеющая сферическую поверхность. На такой поверхности создаются углы падения на пору от 0 до 90° и соответственно, возможно проявление эффекта полного внутреннего отражения. Поэтому, на границе раздела «стекло-пора»  всегда  будут  существовать  области частичного  и  полного  отражения  (рис. 1).

Рис. 1 Образование областей отражения на поверхности поры:

1 – область частичного отражения и проникновения излучения в пору;

2 – область полного внутреннего отражения излучения с выходом наружу на поверхность пеностекла;

3 – область полного внутреннего отражения излучения с попаданием излучения в соседние поры.

Увеличение значений диэлектрической проницаемости e стеклянной матрицы позволило уменьшить область 1 и увеличить область 2. В этом случае происходит резкое уменьшение угла полного внутреннего отражения j_кр с 1,4 до 0,4° (e = 0 ¸ 6 отн. ед.), а при значениях диэлектрической проницаемости e = 6 ¸ 20 отн. ед. угол полного внутреннего отражения j_кр изменяется лишь на 0,2° (рис. 2).

Рис. 2 Расчетное значение критического угла j_кр в зависимости от диэлектрической проницаемости e

Угол падения излучения j = 45° на поверхности поры отделяет область 2 от области 3. Если в пеностекле пористость П £ 0,8 отн. ед. (сумма площадей 1 и 2 области равна площади 3 области), то область 3 хотя и является областью полного внутреннего отражения, тем не менее все отразившееся от нее излучение попадает в соседние поры за счет увеличения угла падения j от 45° до 90°. Это не допустимо из-за проникновения большей части падающего излучения внутрь исследуемых образцов, т. к. возникают релаксационные процессы, приводящие к изменению e. Было исследовано, что для уменьшения углового диапазона  падения излучения в 3 области необходимо, чтобы плотность упаковки пор была максимальной и пористость принимала значения П > 9 отн. ед. при диаметре пор d £ 1,2 мм. В этом случае уменьшается площадь области 3 за счет образования соседних пор с общими оболочками.

Установлено, что излучение, которое попадает внутрь пор из областей 1 и 3, отражается от границы «пора-стекло» до полного поглощения стенками поры (рис. 3). Это поглощение сопровождается излучением вторичных волн в местах контакта полей ЭМИ с границей «пора-стекло». Образованные вторичные волны способны отражать часть первичного излучения, падающего на поверхность поры.

Рис. 3 Виды излучений, падающих на пору:

1   –    излучение, рассеянное в поре с образованием вторичных волн;

2   –    нормально падающее излучение;

3 – излучение, для которого проявляется закон полного внутреннего отражения.

Таким образом, при синтезе пеностекла необходимо получить следующие основные параметры для максимального защитного действия от падающего излучения на его поверхность:

1.                      Диэлектрическая проницаемость каркаса (стекла) пеностекла e_с ³ 6 отн. ед. (e_п содержимого пор при этом должно стремиться к 1);

2.                      Пористость системы П > 0,9 отн. ед.;

3.                      Максимальный диаметр пор d £ 1,2 мм (определяет толщину защитного покрытия).

После теоретического обоснования выбора основных параметров пеностекла перейдем к практической части его получения.

1.      Установление диэлектрической проницаемости.

Для получения использовали бариево-боратное пеностекло (ББП), полученное по золь-гель технологии, описанной в работе [17].

Диэлектрическая проницаемость полностью зависит от свойств компонентов и количества примесей, входящих в состав ББП. Рассмотрим более подробно связь: «массовое содержание примесей – свойства каркаса ББП – диэлектрическая проницаемость e  каркаса ББП».

При попадании ионов примесей в матрицу стекла ББП возникают силы, которые вызывают деформацию кластера анионной структуры с изменением углов шарнирных связей. Внутренняя энергия шарнирной связи — энергия деформации электронных облаков атомов при перекручивании кластера [18]. Это определяет релаксационные процессы в стекле и, следовательно, его диэлектрические свойства. Степень связанности бора в анионной структуре стекла ББП определяется параметром r [19, 20]. Параметр r изменяли регулированием количества примесей нитрата меди, оксида титана и углерода (рис. 4), при этом массовое содержание В₂О₃ оставляли постоянным. Исследование показало, что степень связанности бора в анионной структуре стекла ББП r < 0,5 (см. рис. 4).

Рис. 4 Изменение степени связанности r в зависимости

от количества примесей

При этом тригонально связанный бор превращается в группы BO₄ с количеством, которое обусловлено содержанием в стекле МеО и С. Отклонение параметра r за счет внесения примесей  позволило изменить e (рис. 5).

Рис. 5 Влияние параметра r на диэлектрическую проницаемость e:

1 – пеностекло с примесью нитрата меди;

2 – пеностекло с примесью оксида титана;

3 – пеностекло с примесью углерода.

На рис. 5 видно, что с увеличением r возрастают значения e, причем все кривые имеют идентичный характер увеличения значений и имеют значения диэлектрической проницаемости большие 6 отн. ед..

2.      Получение заданных пористости и диаметра пор пеностекол.

Использование золь-гель технологии для получения ББП обеспечивает, при смешивании всех исходных компонентов, образование коллоидной системы. Гель является завершающей стадией золь-гель технологии.

Изучение кислотно-щелочного баланса системы показало, что наибольшая скорость гелеобразования наблюдается в нейтральной области. При диспергировании В₂О₃ в виде капель в водоотнимающий растворитель ВаО нейтрализация не происходит, т. к. борная кислота является слабой кислотой. При этом в системе образуется хлопьевидный осадок в виде солей прореагировавших веществ. Однако, при повышении температуры системы до Т = 43° С нами было установлено, что реакция нейтрализации все же проходит.

В связи с этим, для реакции нейтрализации смеси добавляли азотную кислоту HNO₃. При введении в состав азотной кислоты происходит увеличение плотности геля (рис. 6; здесь и далее на рисунках данного раздела 1– беспримесный состав ББП, 2 – состав ББП с примесью нитрата меди, 3 – состав ББП с примесью окиси титана, 4 – состав ББП с примесью углерода).

Рис. 6 Влияние количества азотной кислоты m на плотность геля r при постоянном количестве силиката натрия

Тот же эффект наблюдается при добавлении в исходную смесь силиката натрия (рис. 7).

Рис. 7 Зависимость плотности геля r от количества силиката натрия m

при постоянном количестве азотной кислоты

На основании экспериментальных данных установили, что при изменении массовых содержаний азотной кислоты и силиката натрия, приводящих к изменению плотности исходной смеси, плотность и вязкость расплава также изменяются при неизменной температуре стекловарения (Т = 700° С). В первом случае изменяется пористость системы, что приводит к изменению плотности упаковки пор, во втором – диаметр пор. Рассмотрим эти процессы более подробно.

Увеличение плотности исходного геля (см. рис. 6) обеспечивает увеличение вязкости расплава  при Т = 700 ° С (рис. 8).

Рис. 8 Зависимость вязкости расплава от плотности геля

Плавное изменение вязкости расплава приводит к линейно изменяющимся величинам пористости пеностекол (рис. 9).

Рис. 9 Изменение пористости П в зависимости от вязкости расплава h

Установив связь «масса азотной кислоты m - плотность геля r - вязкость расплава h - пористость П», построим зависимость изменения пористости системы пеностекол от массового содержания азотной кислоты (рис. 10). На рис. 10 масса азотной кислоты указана в граммах для объема геля 1 см³.

В случае с силикатом натрия, возрастание значений плотности геля из-за увеличения количества жидкого стекла приводит к уменьшению вязкости расплава при Т = 700° С (рис. 11).

Уменьшение вязкости расплава, зависящее от количества силиката натрия, привело к увеличению диаметра пор в образцах (рис. 12).

Определив связь «масса силиката натрия m - плотность геля r - вязкость расплава h - диаметр пор d», получим зависимость диаметра пор ББП от количества силиката натрия в 1 см³ гелевой массы (рис. 13).

Рис. 10 Изменение пористости П в зависимости от количества азотной кислоты m в 1 см³

Рис. 11 Влияние плотности геля r на вязкость h расплавов пеностекол

Рис. 12 Влияние вязкости h на диаметр пор d

Рис. 13 Влияние массы m силиката натрия на диаметр d пор в 1 см³

Для управления процессом образования структуры ББП, с применением азотной кислоты и силиката натрия, были выбраны оптимальные параметры варки: Т = 680° С, t = 10 мин, позволившие получить монодисперсную, каплеобразную структуру пеностекла с «закрытой» поверхностью пор. Полученные микрофотографии исследуемых ББП свидетельствуют об упорядоченности и равномерности распределения пор.

На основании проведенной работы можно сделать следующие выводы:

1.Теоретически обосновано использование пеностекла в качестве защитного материала от электромагнитных полей; изучена динамика изменения площади полного отражения на поверхности одной поры.

2.Выбраны следующие основные параметры ББП для максимальной защиты от электромагнитных полей: диэлектрическая проницаемость каркаса (стекла) ББП  e_с ³ 6 отн. ед., пористость системы П > 0,9 отн. ед., диаметр пор d £ 1,2 мм.

3.Изучена связь «массовое содержание примесей – свойства каркаса ББП– диэлектрическая проницаемость e каркаса ББП», позволяющая изменять диэлектрические свойства ББП в зависимости от состава и количества примесей.

4.Установлено, что для реакции нейтрализации исходной смеси необходимо использовать азотную кислоту HNO₃, которая также использовалась в качестве регулятора пористости ББП.

5.Показано, что за счет изменения количества силиката натрия можно изменять диаметр пор пеностекла.

Исходя из результатов данной работы, рассмотренную модель пеностекла на основе ББП можно рекомендовать для исследования в технике, медицине, исследовательских центрах и лабораториях для защиты человека от воздействия полей ЭМИ.

1.                  Минин Б. А. СВЧ и безопасность человека. – М.: Советское радио, 1974. - 352 с.

2.                  Улащик В. С., Лукомский И. В. Основы общей физиотерапии. – Минск-Витебск, 1997. – 256 с.

3.                  Синицын Н. И., Петросян В. И., Елкин В. А. и др. Особая роль системы «миллиметровые волны – водная среда» в природе // Биомедицинская электроника. -  №1. - 1999. – С. 3 - 21.

4.                  Бузов А.Л., Кольчугин Ю.И., Романов В.А. Принципы построения системы обеспечения защиты человека от воздействия электромагнитных полей радиочастот // Перспективные технологии в средствах передачи информации: Матер. 3 Междунар. науч.-техн. конф. и 9 межрегион. науч.-техн. конф. "Обработка сигналов в системах телеф. связи". Ч.1. - Владимир: Изд-во Ин-та оценки природных ресурсов. - 1999. - С. 51 - 53. - Библиогр.: 2 назв.

5.                  Кольчугин Ю.И. Система защиты окружающей среды и человека от воздействия электромагнитных полей // Электросвязь. - 1997. - № 1. - С. 15-17. - Библиогр.: 9 назв.

6.                  Григорьев Ю.Г. Международная конференция по вопросам защиты человека от воздействия электромагнитных полей // Мед. труда и пром. экол. - 2000. - № 1. - С.40 - 41.

7.                  Медведев Ю. Краска защищает от излучения // Энергия: Экон., техн., экол. - 1999. - № 5. - С. 32 - 33.

8.                  Маслов О. Н. Исследование и разработка лечебно-диагностической аппаратуры и инструментария, систем управления в медицине и биологии. Программное обеспечение новых медицинских и экологических технологий // Вестник новых медицинских технологий. – 1997. – Т. IV. - №3. – с. 112 – 116.

9.                  Пересман А. С. Электромагнитные поля и живая природа. – М.: Наука, 1983. – 189 с.

10.              Литвак И. И. Дисплеи: безопасность, защита пользователя // Радио. – 1995.-  № 11. – С. 5 – 6.

11.              Булгаков О.О., Москаленко В.В. Дисперсійні властивості і локалізація поверхневих поляритонів у напівпровідниковій структурі // УФЖ. – 1997. - Т. 42. -  № 4. - С. 487 - 492.

12.              Дегтярев В.В. Методика оценки влияния электромагнитных помех на точность измерения мультипольных моментов источников внешнего магнитного поля // Український метрологічний журнал. – 1999. - Вип. 3. - с. 26 - 28.

13.              Лящук О.Б. Теоретичне дослідження прямої задачі відбивання надвисокочастотних електромагнітних хвиль від діелектричної пластини з розшаруванням // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - К.: ИЭС им. Е.О. Патона. – 1998. - №  4. - С. 36 - 39.

14.              Колодий Б.И., Лящук О.Б. Численное решение прямых задач рефлектрометрии плоскослоистых диэлектриков. – Препирант №  126. ФМИ АН УССР. – Львов. - 1988. - 29 с.

15.              Лящук О.Б. Радіохвильовий неруйнівний контроль захисних діелектричних покриттів і композитних матеріалів // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1998. - №  4. - С. 46 - 50.

16.              Новиков А.А., Новикова Л.В., Пономаренко О.Н., Короленко А.В. Технологические особенности производства маскирующих  стекломатериалов // VI-НТК- “Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах”. – Хмельницький. – 1999. - С. 41 - 44.

17.              Короленко А.В., Новикова Л.В., Новиков А.А. Особенности формирования пеностекла // Вестник ХГТУ. – 2000. - №3 (9). – С.50 - 54.

18.              Слетер Дж. Диэлектрики, полупроводники, металлы. — М.: Мир, 1969. — 647 с.

19.              Порай-Кошиц М. А. Основы структурного анализа химических соединений. — М.: Высшая школа, 1989. — 192 с.

20.              Иоши А., Девис Л., Палмберг П. Электронная Оже-спектроскопия // Методы анализа поверхности. — М.: 1979. — С. 200–275.