Устройство моделирования микроволнового излучения солнца СВЧ-диапазона для оценки его модифицирующего действия на организмы

Одной из приоритетных задач современной гелиобиологии является задача определения таких характеристик активности Солнца, которые позитивно влияют на процесс поддержания гомеостаза в организмах, способствуют его восстановлению при различного рода нарушениях.

В настоящее время достоверно установлено [1, 2], что в периоды повышенной активности Солнца происходит ухудшение состояния больных гипертонической болезнью и атеросклерозом. В этот же период времени имеют место нарушения функционального состояния центральной нервной системы, возникают спазмы кровеносных сосудов, изменяется ряд показателей свертывающей и антисвертывающей системы крови. Специалистами собран огромный статистический материал о повторяемости заболеваний среди людей и животных. Он подтвердил взаимосвязь между эпидемиями и изменением солнечной активности. Так, например, грипп, другие виды инфекционных заболеваний «наступают» на людей в годы максимальной солнечной активности [2]. Механизм вышеуказанных изменений в организме человека и животных и обострение эпидемиологической обстановки до конца не изучен. Однако большинство исследователей склоняются к тому, что значительная часть наблюдаемых нарушений гомеостаза организма напрямую связана с резкими возмущениями магнитосферы Земли под воздействием корпускулярного излучения Солнца в период максимальной его активности.

Вместе с тем в период снижения активности Солнца отмечается благоприятное его воздействие на организмы [1]. Эту точку зрения в своих работах обосновывает и выдающийся русский историк, географ и этнолог Л.Н. Гумилев [3]. Его пассионарная теория этногенеза основывается на периодической управляющей роли космического фактора в периоды снижения активности Солнца.

Все вышеизложенное свидетельствует о сложном характере взаимодействия биологических объектов с процессами, обусловленные изменением солнечной активности.

Среди известных характеристик активности Солнца наибольший интерес для использования в физиотерапевтических целях связан с его радиоизлучением. Особенностью проводимых исследований по оценке модифицирующего действия на организм отдельных участков спектра радиоизлучения Солнца является то, что они пока носят бессистемный характер и в большей степени затруднены из-за воздействия на него электромагнитных излучений (ЭМИ) антропогенного происхождения [4]. В настоящее время природный электромагнитный фон радиочастотного диапазона, обусловленный космическими факторами, включая и радиоизлучение Солнца, полностью подавлен антропогенным излучением [5]. Эти излучения определяют для организмов новые нега- тивные свойства среды их обитания на долгую перспективу. Такое соотношение между природным и антропогенным электромагнитным фоном не может негативным образом не влиять на организмы. Это обуславливает актуальность проведения исследований по оценке влияния на организмы моделированного микроволнового излучения Солнца, сравнимого по интенсивности с антропогенным электромагнитным фоном.

В условиях многообразия различных видов излучений и их характеристик важным этапом, предшествующим проведению указанных исследований, является анализ различных видов радиоизлучения Солнца, обоснование наиболее согласованных с организмами типов излучений его частотного спектра и разработка на его основе аппаратно-программных средств их адекватного моделирования.

Краткая характеристика биологически активного спектрамикроволнового излучения Солнца

Радиоизлучение Солнца, связанное с периодами солнечной активности, наблюдается на поверхности Земли, в так называемом «радиоокне», на длинах волн от λ = 8 мм до λ = 15 м. Коротковолновая граница излучения определяется его поглощением молекулами воды H 2 O и кислорода O₂, а длинноволновая – значением критической частоты ионосферы [6].

Процессы, происходящие в солнечной атмосфере, являются источниками трех видов радиоизлучения [7]:

• –    радиоизлучение спокойного Солнца, наблюдаемое во всем диапазоне длин волн от миллиметрового до метрового. Оно имеет место во время минимальной его активности;

• –    медленно повышающееся по интенсивности по сравнению со спокойным Солнцем широкополосное излучение, характерное, главным образом, для диапазона длин волн 3см ≤ λ≤ 60 см;

• –    спорадическое радиоизлучение, включающее «шумовые бури», всплески пяти типов, микроволновые всплески и дециметровое широкополосное излучение.

Экспериментально установлено [1], что биологически активным участком спектра микроволнового излучения Солнца являются излучения в миллиметровом и сантиметровом диапазонах длин волн.

В этой связи наибольший интерес для последующего его моделирования с помощью аппаратно-программных средств представляет микроволновое излучение сантиметрового диапазона, обладающего большей проникающей способностью в организмы по сравнению с миллиметровыми волнами.

Наряду с медленно повышающимся по интенсивности в течение нескольких суток широкополосным микроволновым излучением сантиметрового диапазона, в зависимости от формы и продолжительности различают еще три его типа [7]:

• 1)    быстрое нарастание и спад спектральной плотности широкополосного излучения, время жизни 1–5 мин, излучение поляризовано;

• 2)    быстрое нарастание и медленный спад спектральной плотности широкополосного излучения, время жизни от нескольких минут до нескольких часов, излучение поляризовано;

• 3)    нарастание и спад спектральной плотности широкополосного излучения постепенные, время жизни от нескольких десятков минут до нескольких часов, излучение поляризовано.

Указанные типы микроволнового излучения могут существовать отдельно или накладываться друг на друга. Наиболее мощные всплески бывают первых двух типов.

Приведенные выше параметры микроволнового излучения сантиметрового диапазона легли в основу разработки устройства его моделирования.

Устройство моделирования микроволнового излучения Солнца СВЧ-диапазона

В основу моделирования микроволнового излучения Солнца СВЧ-диапазона можно положить два подхода:

• –    использование известных генераторов «динамического хаоса», работа которых связана с использованием эффектов хаотической динамики [8];

• –    использование стандартных генераторов детерминированных сигналов в нестандартных режимах их работы, позволяющих управлять шириной спектра выходного сигнала и его интенсивностью.

Устройство моделирования микроволнового излучения Солнца СВЧ-диапазона для оценки его модифицирующего действия на организмы

Для простоты реализации микроволнового излучения Солнца СВЧ-диапазона целесообразно использование стандартных генераторов детерминированных сигналов в нестандартных режимах их работы. Для простых схем их построения, например, на основе транзистора, это связано с воз- можностью управления емкостью p–n-переходов тотно-зависимого характера ёмкости и индуктивности выходных каскадов в СВЧ-диапазоне длин волн при использовании квазишумовых управляющих сигналов. Указанные особенности позволяют обеспечить различные режимы управления значением спектральной плотности и шириной спектра выходного сигнала.

Для примера рассмотрим СВЧ -генератор (рис. 1), применяемый в радиопередающих уст ройствах современных радиовысото меров (диапазон частот 4,0– 4,3 ГГц), включив в него д о полнительно модулятор (М) питающего н апряжения Е и .

В данной схеме напряжение, подаваемое на коллектор, под действием модулятора мен я ет свою амплитуду в пределах от 9 до 15 В.

Для моделирования широкополосного излучения на выходе генератора необходимо использование квазишумового по частоте управляющего напряжения Еупр (рис. 2) с одновременным изменением напряжения питания транзистора Еи. Для адекватного моделирова- при изменении питающего напряжения и час-

Рис. 1. Принципиальная схема СВЧ-генератора

ния микроволнового излучения в ук азанном диапазоне частот, частотно-временная структура управляющего напряжения долж на отражать низкочастотные флуктуации ми кроволнового изл учения [9].

Результат такого режима работы генератора (рис . 3) указывает на возможность расширения ширины спектра сигнала на выхо де генератора примерно в 4 раза при измене нии напряжения п итания от 15 до 9 В.

При этом следует отметить, что мощность излучаемого сигнала при расш ирении его спектра уменьшается примерно на поряд ок. Такое изменение мощности связано с изменением добротно сти выходного каскада транзисторного генератора.

Выявленная особенность работы рассмотренного транзисторного СВЧ -генератора при изме нении питающего напряжения у казывает на возможность её использования для формирования различных по структуре спектра и продолжительности типов микроволнового излучения.

а)

б)

в)

г)

Рис. 3. Спектры генерируемого сигнала при использовании квазишумового управляющего напряжения Е _упр с одновременным изменением напряжения питания: а – Е и = 9 В ; б – Е и = 11 В ; в – Е и = 13 В ; г – Е и = 15 В

Заключение

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что для моделирования микроволнового излучения Солнца возможно использование стандартных генераторов детерминированных сигналов в нестандартных режимах их работы. Дальнейшие экспериментальные исследования по оценке модифицирующего действия на биологические объекты описанного выше СВЧ-генератора позволят раскрыть механизмы влияния на организмы микроволнового излучения Солнца, сделать прогноз о целесообразности и эффективности его использования для коррекции различного рода нарушений в организме человека.