биодетектор

Формула изобретения

Биодетектор, содержащий два плоских взаимопараллельных металлических зеркала, являющихся электродами, соединенными с клеммами, напряжение на которых является выходным сигналом, причем пространство между металлическими зеркалами заполнено газом, ионизированным препаратами из радиоактивных изотопов, при этом расстояние между металлическими зеркалами выбирается 3 - 4 см.

Описание изобретения к патенту

Биодетектор предназначен для обнаружения, идентификации и контроля состояния биологических объектов по их естественному микроволновому излучению, а также для имитации этого излучения. Под биологическими объектами понимаются люди, животные и крупные скопления микроорганизмов.

Изобретение относится к электричеству и может быть использовано для обнаружения людей в каменных завалах при спасательных работах, медицинской диагностики, деятельности спецслужб.

Сущность изобретения: прибор несамостоятельного газового разряда, совокупность электродов которого представляет собой резонатор для электромагнитных волн микроволнового диапазона. Электроды биодетектора выполнены в виде взаимопараллельных плоских металлических зеркал, пространство между которыми заполнено газом, ионизированным препаратами из радиоактивных изотопов.

Аналогов данному изобретению нет. Для обнаружения людей используются живые биодетекторы - собаки. В приемной аппаратуре микроволнового диапазона в качестве чувствительных элементов используются полупроводниковые структуры, недостатками которых являются низкая чувствительность и несогласованность с плоскопараллельным открытым резонатором - самым высокодобротным резонатором микроволнового диапазона. Поэтому использовать полупроводники можно только для приема мощного искусственного излучения от генераторов типа магнетронов и оротронов.

Низкая чувствительность и несогласованность полупроводников с плоскопараллельным резонатором обусловлена поглотительным характером их взаимодействия с электромагнитной волной. В биодетекторе характер взаимодействия ионизированной газовой среды с электромагнитной волной является упругим, волна при этом не поглощается, и резонатор способен достичь наибольших значений добротности.

Принцип действия описываемого прибора основан на изменении электропроводности ионизированного газа при распространении в нем электромагнитных волн. Конструкция прибора представлена на фиг. 1. Дискообразные металлические плоские зеркала (1) и (2) параллельны друг другу, а их отражающие поверхности направлены друг на друга. Из них зеркало (1) закреплено на диэлектрической пластине (3), а зеркало (2) закреплено на выдвижном столе (4), соединенном со штоком (5), способным перемещаться внутри цилиндрической муфты, являющейся частью металлического цилиндрического корпуса (6), имеющего окно для поступления микроволн, показанное на фиг. 2. Зеркала (1) и (2) электрически соединены с клеммами (7) для включения биодетектора в электрическую цепь. В качестве газового наполнения используется воздух при нормальном атмосферном давлении, который ионизируется препаратами из радиоактивных изотопов (8), расположенными на внутренней поверхности цилиндрической диэлектрической вставки (9), исключающей паразитный электрический ток между зеркалами и металлическим корпусом (6). На фиг. 3 показана вставка (9) с равномерно распределенными по ее внутренней поверхности фрагментами из радиоактивного материала (8). В качестве радиоактивного материала может быть выбран изотоп радий 226.

Функционирует биодетектор следующим образом. Первичная волна, проникающая в ионизированную газовую среду межзеркалльного пространства резонатора через окно в металлическом корпусе биодетектора, становится причиной высокочастотных колебаний заряженных частиц - ионов и электронов, увлекаемых переменным электрическим полем первичной волны. Наибольшей амплитудой колебаний обладают электроны из-за мизерной массы по сравнению с ионами. В случае совпадения частоты колебаний электронов с модами резонатора между зеркалами возникает стоячая волна, при этом электрическая напряженность этой волны оказывается многократно усиленной по сравнению с напряженностью первичной волны. Известно, что величина этого усиления (добротность) для плоскопараллельного резонатора составляет порядка ста тысяч.

При включении биодетектора в электрическую цепь между зеркалами-электродами образуется ускоряющее электрическое поле. Электроны из-за малой массы разгоняются быстрее ионов, двигаясь к аноду и создавая дефицит отрицательного заряда в межэлектродном пространстве. Избыточный положительный заряд ионов сдерживает продвижение электронов. Таким образом, на анод попадает ровно столько электронов, сколько ионов достигает катода. Ионный ток определяет электропроводность биодетектора.

Ионный ток, в свою очередь, зависит от количества столкновений иона с нейтральными молекулами газа, определяющих его свободный пробег в направлении катода, а вероятность столкновения зависит от траектории иона. На фиг. 4 представлены три возможных траектории иона в ускоряющем электрическом поле E_x: при отсутствии высокочастотного поля стоячей волны E_y - траектория (1); при наличии высокочастотного поля E_y - траектории (2) и (3). Причем в случае (3) ускоряющее поле больше, чем в случае (2). Дальнейший рост E_x уменьшит эффективность детектирования. Обозначения: i - ион; N₂ - нейтральная молекула газа.

На фиг. 5 представлена электрическая схема включения биодетектора в режиме приема. Источник стабилизированного питания создает электрический ток I через биодетектор. Входной сигнал в виде микроволн поступает через окно в металлическом корпусе биодетектора. Выходной сигнал - напряжение U_вых на клеммах биодетектора. Балластный резистор R_б задает ток I, причем падение напряжения на балластном резисторе должно быть больше, чем на биодетекторе. Выходной сигнал U_вых может быть усилен и подан на акустическую систему или записан на магнитофон. Полная и исчерпывающая информация о биологическом объекте может быть получена только после спектрометрического анализа и его компьютерной обработки, однако звуковые эффекты от распространения звуковых волн внутри биологического объекта, например, при разогреве или ходьбе в расшифровке не нуждаются.

На фиг. 6 представлена электрическая схема включения биодетектора в режиме имитации. Сигнал, записанный на регистрирующее устройство (магнитофон) в режиме приема биодетектора, может быть использован для имитации микроволнового излучения биологического объекта с целью повысить вероятность возникновения какого-либо его состояния. Этот сигнал может быть также синтезирован с помощью компьютера. Сигнал подается на клеммы биодетектора в виде добавки к некоторому постоянному напряжению, например, источника стабилизированного питания .

Функционирует биодетектор в режиме имитации следующим образом. При столкновениях ионов с нейтральными молекулами газа в пространстве микроволнового резонатора флуктуируется широкий спектр частот подобно тормозному излучению электронов в рентгеновской трубке. Резонатор усиливает только собственные резонансные частоты (моды). Движение заряженных частиц, колеблющихся в высокочастотном поле, наряду с равноускоренным, имеет отклонение в стороны из-за обычного броуновского процесса, поэтому флуктуированный спектр, интенсивность которого зависит от значения напряжения на клеммах биодетектора, выйдет из прибора тем же путем, которым попадает в него сигнал от биологического объекта. Увеличение напряжения на клеммах биодетектора будет провоцировать столкновительный процесс и повышать мощность микроволнового излучения.

Поскольку в режиме приема на клеммах биодетектора неизбежно присутствует напряжение, то прослушиваемый биологический объект будет облучаться фоновым микроволновым излучением биодетектора на модах резонатора.

Определение параметров биодетектора, делающих его работу возможной.

1) Размеры биодетектора.

Диаметр зеркал резонатора определяется длиной пробега -частиц. Эта длина в воздухе при нормальном атмосферном давлении для различных изотопов составляет не менее 2,59 см. Поэтому внутренний диаметр диэлектрической вставки, на которой располагаются изотопы, не должен превышать 5 см. Диаметр сечения ионизированной среды, где ионизация окажется равномерной, составит 3 см. Поэтому диаметр зеркал примем равным 3 см.

Глубины хода штока в 1 см будет достаточно для настройки резонатора на любую из длин волн микроволнового диапазона (1 см - 0,1 мм). Расстояние между зеркалами должно обеспечить свободное попадание в межзеркальное пространство наиболее длинных волн микроволнового спектра. Поэтому целесообразно расстояние между зеркалами выбрать 3 - 4 см.

2) Ионизированный газ представляет собой плазменную среду, которая прозрачна для волны при условии, что частота волны превышает плазменную частоту, которая зависит от концентрации заряженных частиц. Значение концентрации должно быть выбрано с большим запасом. Известно, что концентрация связана с плазменной частотой соотношением



где n - концентрация пар заряженных частиц ион-электрон;

F - плазменная частота;

q_e - заряд элементарный;

m_e - масса электрона;

E₀ - электрическая постоянная (8,8510^-12).

Относительный уровень ионизации составит для самой нижней частоты микроволнового диапазона порядка одной пары заряженных частиц на 10 миллионов нейтральных молекул газа.

3) Значение концентрации заряженных частиц можно определить косвенно по протекающему через биодетектор току и напряжению на его клеммах из соотношения



где n - концентрация заряженных частиц;

I - электрический ток через биодетектор;

Z - размер нейтральной молекулы газа;

q_e - заряд элементарный;

S - площадь одного из зеркал;

N - концентрация нейтральных молекул газа;

M_i - масса иона;

d - расстояние между зеркалами;

U - напряжение на клеммах биодетектора.

Значение тока и напряжения берется для состояния покоя биодетектора, когда микроволновый сигнал отсутствует.

4) Для исключения холостого пролета иона мимо нейтральной молекулы газа, как в случае (3) на фиг. 4, ток через биодетектор не должен превышать некоторого критического значения:

I_кр = q_enSZf/2,

где I_кр - критический ток биодетектора;

q_e - заряд элементарный;

n - концентрация заряженных частиц;

S - площадь одного из зеркал;

Z - размер нейтральной молекулы газа;

f - частота, на которой идет прием сигнала.

5) От соблюдения параллельности зеркал резонатора зависит эффективность процесса детектирования.