Аннотация результатов, полученных в 2016 году
1. (1 квартал – п. 1) Проведены исследования фазового перехода в процессе формирования электромагнитного излучения. В частности: рассчитано ослабление амплитуды, исследовано формирование скин-слоя на внешней границе ближней зоны излучения (на каузальной поверхности), проанализировано изменение фазовой структуры поля с расстоянием и на примере численной модели продемонстрировано, что каузальная поверхность действительно является границей раздела двух различных фазовых состояний поля – квазистатического и свободно распространяющегося. Предложен новый взгляд на описание явления излучения электромагнитной волны как фазового перехода квазистатического состояния поля (ближняя зона) в поле бегущей волны (дальняя зона). Согласно ему, каждый излучатель (антенна) имеет вблизи себя две пространственно разделенные зоны – ближнюю и дальнюю. В ближней зоне электромагнитное поле находится в связанном с источником состоянии. Силовые линии напряженности электрического поля начинаются и заканчиваются на источнике. У магнитного поля силовые линии замыкаются сами на себя, но охватывают источник. Это так называемые реактивные поля, находящиеся в квазистатическом состоянии. В дальней зоне электромагнитное поле представляет собой бегущую волну, не связанную напрямую с источником – силовые линии напряженности такого поля не замыкаются на источник и не охватывают его. При этом бегущая волна «стартует» не от поверхности самого источника, а от границы его ближней зоны. Физические состояния электромагнитного поля в ближней и дальней зонах излучающих и приемных радиоволновых систем существенно отличаются. Переход от ближней зоны к дальней зоне достаточно локализован и является физическим фазовым переходом. Границу этого перехода, следуя уже сложившейся к настоящему времени в научной литературе терминологии, мы и называем каузальной (причинной) поверхностью. Важно подчеркнуть, что каузальная поверхность является своего рода «водоразделом» в структуре поля. В радиофизике для описания наблюдаемых физических явлений широко используются спектральные представления в виде разложения поля на гармонические (спектральные) составляющие. Каждая гармоническая составляющая помимо амплитуды и частоты колебаний характеризуется еще и фазой, которая описывает временной или пространственный относительный набег спектральных составляющих. Именно это понятие фазы позволяет объективно разделить по своим свойствам ближнюю и дальнюю зоны. В ближней зоне доминируют реактивные поля, а в дальней зоне – активные поля. Так общефизическое и радиофизическое понятия фазы здесь сливаются. Таким образом, в результате целого комплекса проведенных исследований сделан вывод важного концептуального значения: электромагнитное поле излучения формируется не сразу на излучателе, а на некоторой каузальной поверхности – внешней границе ближней зоны излучателя. Поле внутри каузальной области носит квазистатический характер, а его фазовая скорость может значительно превышать скорость бегущей волны в данной среде, т.е. скорость света в среде. Это означает, что создаваемое электромагнитное поле становится бегущей волной только в дальней зоне (за пределами каузальной области). Бегущая волна распространяется со скоростью света в этой среде, а при наличии поглощения в ней амплитуда этой волны приобретает экспоненциальное затухание (экспоненциально спадает по мере увеличения расстояния). В отличие от этого, ослабление излучения в ближней зоне не носит экспоненциального характера даже для среды с поглощением, а определяется степенным законом убывания амплитуды поля с расстоянием. Скин-слой с характерным для него экспоненциальным затуханием волны возникает на границе каузальной области. В результате в средах с сильным поглощением бегущие волны практически не распространяются, но это не значит, что эти среды нельзя исследовать с помощью радиоволн. Были проведены исследования, направленные на выяснение деталей фазовых переходов в полях нескольких типов элементарных вибраторов. Показано, что граница фазового перехода, т.е. каузальная поверхность, достаточно локализована. Ее положение зависит от выбранной частоты излучения (чем меньше частота, тем глубже каузальная поверхность проникает в среду). В средах с сильным поглощением скин-слой формируется непосредственно на границе каузальной поверхности, и это может быть использовано для глубинного зондирования таких сред. Толщина скин-слоя обратно пропорциональна коэффициенту поглощения среды. Манипулируя частотой излучения можно построить глубинный разрез зондируемой среды. При этом глубина зондирования определяется приведенным расстоянием, которое находится через производную фазы вторичного поля по волновому числу. 2. (3 квартал – п.8, п.9) Для определения диэлектрических свойств биологических тканей и сред на сверхвысоких частотах предложена новая технология: ближнепольная интерференционная СВЧ диагностика. Отличительная особенность данной диагностики заключается в том, что она осуществляется в перекрывающихся ближних (эванесцентных) полях пространственно разнесенных активных зондов. Таких зондов должно быть по меньшей мере два. С привлечением теоремы Пойнтинга была проанализирована модельная задача о зондировании неоднородной плоскослоистой биологической среды перекрывающимися эванесцентными полями двух активных зондов. При этом было установлено, что наряду с известными из литературы квазистатическим и волновым пространственными масштабами существует «интерференционный» пространственный масштаб. Именно с наличием указанного масштаба мы связываем существенное развитие (на основе модельных представлений о диэлектрических свойствах здоровых и пораженных тканей человека) методики реалистичной оценки, допускающей регистрацию контрастов опухоли или злокачественного образования. Помимо теоретического рассмотрения роль интерференционного пространственного масштаба была изучена на экспериментальной основе в процессе ближнепольного зондирования нескольких видов объектов и сред. 3. (1 квартал – п. 2, 3 квартал – п. 11; 4 квартал – п. 13) Для обеспечения экспериментальной части исследования было предложено и обосновано схемное решение технологии ближнепольной интерференционной СВЧ диагностики, использующей перекрывающиеся эванесцентные поля нескольких активных зондов. При этом в качестве зондов было предложено использовать зонды апертурного типа, представляющие собой конечные отрезки плавно расширяющихся коаксиальных линий. Таким образом, конструктивно зонд выполняется в виде конического рупора с размещенным внутри него коническим проводником, расширяющимся по направлению к апертуре рупора. Проведено численное моделирование с использованием программного продукта CST Microwave Studio. Оно показало, во-первых, возможность обеспечения пространственного перекрытия эванесцентных полей двух зондов описанного выше типа. Во-вторых, было показано, что структурой электромагнитного поля в области перекрытия эванесцентных полей зондов можно эффективно управлять за счет изменения разности фаз колебаний, поступающих на входы зондов. Полученные теоретические и экспериментальные результаты позволили сформулировать важный обобщающий вывод: применение технологии ближнепольного интерференционного зондирования в перекрывающихся эванесцентных полях систем зондов возможно и целесообразно в задачах диагностики поглощающих сред, содержащих диэлектрические неоднородности. К таким средам, в частности, относятся биологические среды со слабо или сильно контрастными опухолевыми образованиями. 4. (4 квартал – п. 14, 15) Для экспериментального подтверждения результатов теоретического и численного исследований был создан макет устройства и разработана методика проведения экспериментальных исследований. Макет устройства, представляет собой максимально упрощенное по структуре конструктивное решение технологии ближнепольного интерференционного зондирования. Он содержит следующие основные элементы: анализатор цепей PNA-L Network Analyzer (N5230C); подключенный к его выходу через коаксиальный кабель делитель мощности; два коаксиальных конических рупора (зонда), входы которых соединены с выходами делителя мощности с использованием отрезков коаксиальных линий передачи, чем обеспечивается создание требуемого сдвига фаз полей зондов. Экспериментально подтверждено существование фазовых переходов в эванисцентных полях при зондировании поглощающих сред. Также с использованием данного макета проведены экспериментальные исследования, направленные на оценку его разрешающей способности и чувствительности при диагностике фантомов биологических сред. Исследуемая среда или объект помещались в промежуток между обращенными друг к другу апертурами зондов и анализатором цепей регистрировалась частотная зависимость комплексного коэффициента отражения (S11). При этом полоса частот составляла 10 МГц – 6 ГГц, а шаг дискретизации был равен 250 кГц, так как измерения производились в 24000 точек. Для удобства восприятия и обработки результатов измерений производилась нормировка измеряемых данных. С помощью данного макета ближнепольного интерференционного микроволнового микроскопа было подтверждено наличие явно выраженного пространственного интерференционного масштаба. Кроме того, было показано, что традиционная «односторонняя» технология с использованием только одного зонда значительно уступает развиваемой технологии, как по чувствительности, так и по глубине зондирования. Проведена оценка возможности регистрации контрастов опухолей и злокачественных образований. Сформулированы предложения по использованию разработанных методов для применения в медицине и дефектоскопии. 5. (1 квартал – п. 1, 3; Квартал 4, пункт 3) Отдельная ветвь исследования была направлена на создание метаматериала с возможно более простой геометрической формой его структурных элементов. Известно, что метаматериалы могут быть продуктивно использованы с целью обеспечения желательных характеристик у поля, с помощью которого осуществляется зондирование среды или объекта. В силу отмеченного, произведено численное исследование характеристик простой модели метаматериала. Его структурные элементы представляли собой плоские замкнутые проводящие проводники с малым характерным размером по отношению к длине волны излучения. Указанные элементы размещались во вмещающей среде с различными вариантами их взаимного расположения и ориентации относительно друг друга. Исследован механизм взаимодействия элементов между собой, а также рассчитаны активная и реактивная части вектора Пойнтинга отраженного от метаматериала поля при падении на него плоской электромагнитной волны. При этом расчетом было охвачено несколько конкретных вариантов выполнения метаматериала. В результате удалось выделить метаматериал со свойствами наиболее близкими к требуемым. 6. (Квартал 4, пункт 14, 15) Разработан метод визуализации широкополосных источников звука. Обнаружение и визуализация источников звука имеет большое прикладное значение для дефектоскопии и медицины. Задача визуализации источника произвольного звукового сигнала решается на основе одновременных измерений звукового поля в различных точках пространства. Решение обратной задачи распространения волн с учётом неоднородных волн позволяет определить поле в ближней зоне излучателя. Акустические волновые поля являются удобной физической моделью для исследования электродинамических волновых процессов. Акустические поля в воздухе распространяются почти в миллион раз медленнее, чем электромагнитные волны. Используя акустические волны на частотах в несколько килогерц мы можем получить длины волн сопоставимые с микроволнами гигагерцового диапазона. На низких частотах возможно осуществить параллельное измерение и оцифровку поля в различных точках. Одновременное измерение распределения поля в пространстве позволяет исследовать его поведение в ближней и дальней зоне, обнаружить переходную область и особенности её поведения. Создана схема широкополосного зондирования на основе двумерной решетки микрофонов. Данный метод зондирования был проверен путем численного моделирования. Также, разработана экспериментальная установка, состоящая из 96 микрофонов, позволяющая оцифровывать сигналы с частотой 7200 Гц. В дальнейшем решёта была увеличена до 160 микрофонов. Проведенные экспериментальные исследования подтвердили применимость разработанного метода, результаты обработки экспериментальных данных согласуются с численной моделью. 7. (1 квартал – п. 3 и 4; 2 квартал – п. 5, 6 и 7; 3 квартал – п.10, 12) Разработан метод локализации эквивалентных источников магнитного поля. Предложенный метод является решением одной из существенных проблем магнитной томографии – нелокализованность магнитного поля на расстоянии от источника, что приводит к ухудшению разрешения восстанавливаемых томографических изображений. Магнитоиндукционная томография относится к виду томографии ближнего поля. Рассмотрена схема измерений, в которой самоскомпенсированная катушка-источник, перемещаемая в плоскости параллельной исследуемому электропроводящему объекту, наводит в нём переменный монохроматический ток. Наведённый ток создаёт магнитное поле, которое регистрируется приёмной катушкой, размещённой в центре самоскомпенсированной катушки. Кроме того, разработан метод получения магнитоиндукционных изображений повышенного разрешения, который проверен численно и экспериментально. Предложен метод оценивания разрешающей способности, как величину, обратно пропорциональную ширине пространственного спектра по формуле: , где – ширина пространственного спектра. Проведен эксперимент по зондированию объекта ступенчатой формы на дальности 35 мм и получено распределение поля. Его разрешение составило – 39 мм. После обработки полученного изображения разработанным алгоритмом было восстановлено изображение объекта с улучшением разрешения до 28 мм. Представлены результаты исследования возможности восстановления распределения элементарных вихревых токов в плоских электропроводящих объектах по дистанционным измерениям распределения магнитного поля на плоскости. Распределение переменного тока в электропроводящем объекте представляется в виде суммы множества элементарных вихревых токов. При этом измеряется только одна компонента магнитного поля. Восстановление распределения токов осуществляется с помощью обратной свёртки с регуляризацией. На результатах численного моделирования показана применимость данного подхода, а достоверность численной модели подтверждена натурными экспериментами. Разработана экспериментальная установка на основе матрицы плоских спиральных катушек. Экспериментально показана возможность визуализации латунной пластины, толщиной 500 мкм скрытой за медной пластиной толщиной 200 мкм на частоте 5 кГц. Предложенный метод позволяет обнаруживать нарушения электрического контакта и найдёт применение в дефектоскопии электропроводящих материалов. Все описанные результаты полностью соответствуют запланированным в отчетном году научным результатам, сведениям о которых представлены в пункте 1.4 данной формы.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
• Разработан метод восстановления формы электропроводящих объектов по измерениям плоского распределения компоненты вектора магнитной индукции с повышением разрешения. Для повышения динамического диапазона было предложено использовать плоскую самоскомпенсированную катушку, которую можно отнести к классу дифференциальных магнитоиндукционных датчиков. Рассмотрена схема зондирования, когда измеряется только одна компонента вторичного магнитного поля. Произвольное распределение вихревого тока, наводимого в электропроводящем объекте, представлено в виде суперпозиции полей элементарных вихревых токов [Суханов Д.Я., Завьялова К.В. Представление поля электродинамического объекта в виде суперпозиции полей элементарных вихревых токов и их томографии. Завьялова. Физика. – 2017. – Том 60. – №11. – Стр. 28-34]. В постановке задачи требуется синтезировать такое распределение тока на плоскости, которое обеспечит формирование сконцентрированного магнитного поля на заданном расстоянии от плоскости. Вектор магнитной индукции элементарного вихревого тока вычисляется на основе дифференциального закона Био-Савара-Лапласа. А поле произвольного распределения вихревого тока вычисляется в виде суммы полей множества элементарных токов с весовыми коэффициентами. По сути, эта операция записывается в виде интеграла свёртки между функцией, описывающей поле элементарного вихревого тока, и, функцией, описывающей весовые коэффициенты этих токов на плоскости. Следовательно, весовые коэффициенты распределение тока по заданной магнитной индукции можно вычислить с помощью операции обратной свёртки. Для создания сконцентрированного магнитного поля задаём требуемую функцию вектора магнитной индукции в виде пространственно-локализованного вихря на требуемом расстоянии от плоскости источников. При вычислении обратной свёртки желательно применение регуляризации для минимизации артефактов. На результатах численного моделирования показана применимость данного подхода, а достоверность численной модели подтверждена натурными экспериментами. Численное моделирование было проведено для поля трёх разных прямоугольных витков при одинаковых значениях тока. В эксперименте в качестве датчика переменного магнитного поля использовалась плоская квадратная спиральная катушка со стороной 20 мм. Она не является точечным сенсором, однако имеет максимум реакции в своём центре, и в некотором приближении может рассматриваться как точечный сенсор магнитного поля. Был проведен эксперимент по зондированию объекта ступенчатой формы из латуни толщиной 500 мкм на дальности 35 мм и получено распределение поля, разрешение которого можно оценить в 39 мм. После обработки предложенным методом было восстановлено изображение этого же объекта с улучшением разрешения до в 28 мм. • Разработана численная модель источника сосредоточенного магнитного поля на расстоянии. Численная модель показала, что синтезированное предложенным способом распределение тока обеспечивает концентрацию магнитного поля на расстоянии. По сути концентрация обеспечивается за счёт концентрических синфазных и противофазных токов, которые взаимно компенсируют амплитуду поля на низких пространственных частотах, и, сохраняют высокие пространственные частоты. При этом, итоговая амплитуда поля не увеличивается, а наоборот уменьшается относительно одиночного витка с током. Компенсация убывания амплитуды может осуществляться за счёт пропорционального увеличения значений тока в источнике. • Сформулированы требования к технологическим возможностям изготовления подобных источников. Точность задания распределения тока для концентрации магнитного поля зависит от расстояния требуемой области локализации поля. Чем больше расстояние, и чем меньше область локализации, тем с меньшим шагом необходимо размещать витки с током, и тем точнее необходимо задавать значения тока в них. По численным оценкам, для создания поля в 7 раз более локализованного, чем у малого витка с током на дальности 10 см, при диаметре области распределения тока 40 см, требуется пространственный шаг между витками тока порядка 0,5 мм и точность задания величины тока до 1/1000 доли. Изготовление подобного источника является сложной технической задачей, поэтому для упрощения технической части была рассмотрена возможность повышения локализации поля всего в 2 раза. Для этого оказалось достаточно применения 3-х витков с током. Уровень тока в каждом витке определяется подбором длины провода, которое влияет на его сопротивление. Для более точной подстройки, каждый виток должен быть подключен к отдельному цифро-аналоговому преобразователю, задающему амплитуду сигнала, через усилители. • Разработан метод трансмиссионной магнитоиндукционной томографии. Проведено численное моделирование получения магнитоиндукционных томографических изображений. Проведены экспериментальные исследования. Проведён сравнительный анализ численной модели и эксперимента. Рассмотрен случай трансмиссионной томографии тонких плоских объектов. На основе решения в запаздывающих потенциалах уравнений Максвелла в квазимагнитостатическом приближении рассчитана реакция системы из передающей и приемной катушек на точечную электропроводящую неоднородность — аппаратная функция системы. При пространственном сканировании в плоскости параллельной исследуемому объекту трансмиссионным способом, когда катушка-источник находится по одну сторону от объекта, а катушка-приёмник находится по другую сторону, обеспечивается получение трансмиссионного вихретокового изображения объекта. Это изображение размыто аппаратной функцией системы. Для повышения разрешения предлагается применить к изображению обратную свёртку с регуляризацией с аппаратной функцией системы. Для проверки данного метода проведён эксперимент по трансмиссионному зондированию тестового объекта из алюминиевой фольги на различных частотах и показана возможность повышения разрешения вихретокового изображения. • Разработан комбинированный источник электромагнитного поля на низких частотах размерами много меньше длины волны. Проведены аналитические расчёты распределения электромагнитного поля в ближней зоне и его численное моделирование. Определена технология изготовления источника электромагнитного поля на очень низких частотах. Малоразмерный источник электромагнитного поля для согласования со свободным пространством должен обеспечивать баланс электрической и магнитной энергий, а значит отношение амплитуды электрического поля к амплитуде магнитного должно быть равно волновому сопротивлению свободного пространства. Предлагается рассмотреть комбинированный источник, состоящий из прямоугольного витка с током и двух прямоугольных пластин с разностью потенциалов между ними, что фактически является плоским конденсатором с увеличенным зазором. Поле конденсатора рассчитано в электростатическом приближении, а поле витка с током на основе квазимагнитостатического приближения и закона Био-Савара-Лапласа. Подобраны значения тока в витке и напряжения конденсатора, обеспечивающие необходимый баланс электрической и магнитной энергий. • Проведено теоретическое исследование фазового состояния поля в перекрывающихся эванесцентных полях двух пространственно разнесенных активных зондов. Установлены характерные особенности поведения фазы суммарного эванесцентного поля в окрестности его каузальной поверхности, характеризуемые очень быстрым изменением фазы. Указанная особенность подчеркивает правомерность отнесения окрестности каузальной поверхности к той части пространства, в которой реализуется своеобразный фазовый переход (второго рода) электромагнитного поля из одного состояния (квазистатического) в другое (распространяющаяся электромагнитная волна). Зонды моделировались элементарными электрическими и магнитными диполями и располагались в свободном пространстве. Основное внимание акцентировалось на скорости изменения фазы суммарного эванесцентного поля в окрестности его каузальной поверхности. Выяснено, что поведение фазы существенно определяется типом используемых зондов. Если зонды моделировались электрическими диполями, то в их ближней зоне доминировал запас электрической энергии, что и проецировалось на характер изменения фазы. При моделировании зондов магнитными диполями имело место доминирование магнитной энергии. А наиболее интересные особенности в поведении фазы отмечены при рассмотрении неидентичных моделей зондов (электрический и магнитный диполи). Проведенное исследование подтвердило целесообразность создания более сложной (по сравнению с уединенным зондом) конфигурации каузальной поверхности и о потенциальной возможности более гибкого управления пространственным положением указанной поверхности. • Разработаны алгоритмы извлечения из измеренных информационных параметров ближнепольного интерференционного микроскопа (резонансная частота, добротность, коэффициент отражения) возмущений диэлектрической проницаемости исследуемой среды или объекта. Основное внимание было сосредоточено на способах, использующих коэффициент отражения. Осуществлено их первичное тестирование с целью квалификации нескольких видов фантомов биологических тканей и крови. Проведены численные расчеты и тестовые эксперименты, ориентированные на разработку продуктивных способов извлечения информации из поля, измеренного разработанным ближнепольным интерференционным микроскопом. Особенность конструктивного выполнения зондов микроскопа и используемая полоса частот СВЧ колебаний позволяют проводить тестовую диагностику сред и объектов не только перекрывающимися эванесцентными полями зондов, но, и, в условиях, лишь частичного перекрытия таких полей, а также при проведении диагностики в перекрывающихся дальних полях зондов. Подобная диагностика во встречных дальних полях зондов может представлять самостоятельный интерес в случае зондирования хорошо проводящих сред и объектов. В данном случае в области перекрытия образующихся в среде или объекте эванесцентных полей формируется при определенных условиях специфический интерференционный поток энергии, который несет следы взаимодействия полей зондов с неоднородностями среды или объекта. Достигнуто приемлемое качественное согласие полученных тестовых результатов. Что касается количественного согласия, то его улучшение предполагается получить на основе доработки используемых теоретических представлений о процессе ближнепольного взаимодействия перекрывающихся эванесцентных полей двух активных зондов с исследуемыми средой или объектом. • Показано, что в фоновой среде с поглощением образование скин-слоя происходит в волновой зоне за пределами ближней области. Признаком перехода от ближней зоны к дальней зоне помимо уровня поля служит фазовая структура поля. В волновой зоне формируется поле излучения, а фаза этого поля изменяется по линейному закону. Этот эффект наблюдается как с изменением расстояния, так и частоты. На основе анализа физики формирования фазового перехода квазистатического состояния поля в поле бегущей волны для элементарных электрического и магнитного диполей, расположенных в поглощающих средах сделан вывод о том, что в скин-слой формируется именно на границе этого фазового перехода. Все это дает возможность использовать образование скин-слоя для зондирования различных объектов, находящихся в средах с поглощением. Как оказалось, достаточно путем вариации частоты зондирования подвести скин-слой к границе зондируемого объекта и с помощью пространственной фокусировки локализовать его. Важно, что до области образования скин-слоя ослабление поля не носит экспоненциальный характер и энергия не поглощается фоновой средой. Фокусировка информационного поля осуществляется путем суммирования дифракционных гипербол скин-слоя в пространстве частота-координата (В.П. Якубов, Е.В. Вайман, С.Э. Шипилов, А. Прасатх. Дифракционная гипербола скин-слоя // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2017г. – Том 60. – №11. – Стр. 51-55). Предлагаемый подход формулируется впервые и позволит существенно увеличить глубину зондирования сред с поглощением. Все описанные результаты полностью соответствуют запланированным в отчетном году научным результатам, сведениям о которых представлены в пункте 1.4 данной формы.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Фактически выполненные в 2018 году работы разделяются на 3 логически взаимосвязанных раздела согласно п. 1.2. Это: 1) Локализация магнитного поля, 2) Развитие концепции ближнепольного интерференционного зондирования 3) Ближнее поле и скин-слой. 1) Локализация магнитного поля Экспериментально установлено, что при зондировании с использованием магнитного поля сильно поглощающих сред и металлических объектов необходимая локализация этого поля может быть достигнута двумя способами. Первый способ основан на создании сложного источника магнитного поля в виде комбинации планарных концентрических катушек, витки которых запитаны токами с определенными знакопеременными значениями. При этом необходимо уменьшить амплитуды пространственных гармоник с низкими частотами («зона ответственности» малых катушек) настолько, чтобы выровнять их с амплитудами высокочастотных компонент пространственных гармоник, и, чтобы итоговый пространственный спектр был расширен. На конкретном примере показано, что поле системы из трех катушек несколько более локализовано, чем поле малой одиночной катушки. Зондирование таким полем неоднородностей в сочетании с решением обратной задачи деконволюции с регуляризацией дает хорошее восстановление неоднородностей. Данный результат показывает принципиальную возможность создания локализованного магнитного поля системой катушек с размерами много больше самой области локализации. Второй способ обеспечения локализации магнитного поля состоит в использовании установки для выделения из всего потока магнитных полей тех составляющих, которые связаны только с вторичными вихревыми токами, наводимыми на зондируемой неоднородности. Необходимый для этого источник имеет объемный вид (компаунд) и состоит из трех катушек, распределенных по вертикали. Средняя катушка является приемной. Токи на двух крайних катушках противоположны и создают такое поле, чтобы на средней приемной катушке оно принимало нулевое значение. Суммарное магнитное поле является пространственно распределенным и в зондируемом объекте создает вихревые токи, которые в свою очередь создают вторичное магнитное поле. Это вторичное поле принимается средней катушкой из компаунда. Сканирование объемной катушкой в сочетании с решением обратной задачи деконволюции с регуляризацией даёт хорошее восстановление неоднородностей. Наиболее хорошо восстанавливаются границы токопроводящих объектов. 2) Развитие концепции ближнепольного интерференционного зондирования Подробно теоретически и экспериментально исследована возможность ближнепольного интерференционного СВЧ зондирования. Ключевая идея этой технологии заключается в осуществлении зондирования исследуемого объекта не одним активным зондом, а, по меньшей мере, двумя активными зондами в условиях пространственного перекрытия встречных эванесцентных (нераспространяющихся, затухающих) полей зондов. При этом возникает интерференция встречных эванесцентных волн. Достоверно подтвержденными положительными следствиями такой интерференции являются: образование действительного осциллирующего потока энергии в области перекрытия эванесцентных полей зондов, обеспечение глубины 3D зондирования порядка 1-2 длин волн используемого излучения, улучшение чувствительности, повышение разрешающей способности. Проведены аналитическое рассмотрение в рамках простейших моделей активных зондов, численное моделирование с использованием высокоэффективных программных продуктов, экспериментальные исследования с использованием нескольких вариантов разработанных макетов устройств ближнепольного интерференционного СВЧ зондирования. В качестве исследуемых сред, материалов, объектов выступали: изделия из дерева, бензиновое и дизельное топливо, содержащее посторонние примеси, алкогольная продукция, семена ряда сельскохозяйственных культур, материалы с изменяющимся с течением времени содержанием влаги, модели произведений культурного наследия, фантомы биологических объектов. Предложена новая проблемно-ориентированная концепция построения ближнепольного интерференционного СВЧ микроскопа с использованием двух прямоугольных равнобедренных призм, выполненных из полистирола. Большими гранями призмы обращены друг к другу и при этом между этими гранями существует зазор порядка длины волны используемого СВЧ излучения. Исследуемая слоистая поглощающая среда помещается в зазор между большими гранями призм. К двум из оставшихся четырех граней призм подводится СВЧ излучение двух активных зондов, размещенных так, что в зазоре будет иметь место интерференция встречных эванесцентных волн. Тогда в результате указанной интерференции происходит формирование действительного интерференционного потока энергии. Причем именно наличием этого потока обусловливается возможность обнаружения неоднородностей в одномерной слоистой поглощающей среде, типа дефектного подслоя. Это обстоятельство было подтверждено как численным моделированием, так и экспериментальными исследованиями. Если излучение не подводилось к одному из зондов, то качество обработанных на компьютере результатов зондирования не позволяло сделать достоверный вывод о присутствии (отсутствии) в среде дефекта. Компьютерное моделирование работы микроскопа выявило интересный физический эффект. Оказалось, что имеются такие значения разности начальных фаз СВЧ колебаний, поступающих на входы зондов, при которых максимальная амплитуда поля наблюдается не на большой грани призмы, а на ее боковой стороне. Это обстоятельство указывает, во-первых, на сложный характер движения энергии поля в пределах объема призмы в условиях перекрытия эванесцентных полей зондов и, во-вторых, на необходимость проведения более подробного исследования указанного эффекта. Более подробно проработано конструктивное решение другого варианта ближнепольного интерференционного СВЧ микроскопа. Макет такого микроскопа содержит следующие основные элементы: анализатор цепей PNA-L Network Analyzer (N5230C) компании Agilent Technologies, полоса рабочих частот которого составляет 10 МГц – 40 ГГц; коаксиальные линии переменного сечения, выполненные в виде коаксиальных конических рупоров; делитель мощности; дополнительные отрезки линии передачи. Анализатор цепей позволяет производить измерения с высокой скоростью и большой точностью, а правильная калибровка обеспечивает корректировку точности измерений. Апертуры рупоров обращены навстречу друг другу, в зазор между ними помещается исследуемый образец, и производятся измерения коэффициента отражения (S11). Создание требуемого фазового сдвига между сигналами, поступающими на рупоры, достигается за счет включения в тракт передачи дополнительных отрезков линии передачи, тем самым обеспечивается управление интерференционными потоками энергии, образующимися в перекрывающихся эванесцентных полях коаксиальных конических рупоров. Было проведено исследование СВЧ микроскопа у которого вместо конических коаксиальных зондов были использованы резонансные зонды другого типа – электрически малые антенны, нагруженные на микрополосковые резонаторы. Отдельно была рассмотрена проблема, связанная с уменьшением габаритов макета СВЧ микроскопа. Было предложено вместо достаточно дорогостоящего прибора (PNA-L Network Analyzer (N5230C)) использовался отечественный прибор (Измеритель комплексных коэффициентов передачи Caban R140). Проведено изучение возможностей микроскопов в рамках экспериментов с фантомами ряда биологических сред. Выяснено, что ближнепольный интерференционный микроскоп достаточно надежно позволяет зафиксировать изменение водного баланса внутри фантома. Определение такого важного параметра как комплексная диэлектрическая проницаемость даже в небольшом частотном интервале является трудоемким и опирается на разработанные к настоящему времени квазистатическую и электродинамическую теории ближнепольного зондирования биологических сред. Результаты согласуются с известными работами. 3) Ближнее поле и скин-слой Установлено, что ближняя и дальняя зона в поле любого излучателя электромагнитных волн разделены между собой поверхностью фазового перехода второго рода. Эта поверхность называется каузальной. Создаваемое излучателем электромагнитное поле переходит в состояние излучения в дальней зоне (за пределами ближней зоны, охватываемой каузальной поверхностью). Формируемая в этой зоне бегущая волна распространяется со скоростью света в среде распространения, а при наличии поглощения в среде амплитуда волны приобретает экспоненциальное затухание. В отличие от этого ослабление излучения в ближней зоне излучателя не носит экспоненциального характера даже в среде с поглощением, а определяется степенным законом убывания амплитуды поля с расстоянием. Именно на каузальной поверхности возникает своеобразный скин-слой с характерным для него экспоненциальным затуханием волны (!). На этой же поверхности происходит фазовый переход поля из одного состояния (квазистационарного), в другое – состояние излучения. Сделанные выводы основаны на глубоком анализе структуры поля элементарного магнитного вибратора, а затем и структуры поля реального излучателя в виде модернизированного петлевого вибратора Пистолькорса (МПВП). Теоретически и экспериментально исследована динамика образования фазового перехода. Экспериментальная установка содержала два таких МПВП. Вибраторы помещались в кювету, которая либо была пустой, либо заполнялась водой – типичной средой с большим поглощением. Измерения производились с использованием векторного анализатора цепей Planar S5048. Распределения полей в свободном пространстве и в поглощающей среде (воде) имеют свои особенности. В процессе измерений установлено, что в той и другой среде обязательно явно проявляется ближняя зона поля, граница которой четко видна на фазовой картине поля. При этом экспоненциальное ослабление амплитуды поля в ближней зоне отсутствует даже при большом поглощении в среде. Такое ослабление начиная со скин-слоя наблюдается только в волновой зоне за пределами каузальной поверхности. Из полученных и обработанных многомерных экспериментальных данных хорошо видно как изменяется комплексная амплитуда принимаемых сигналов на различных частотах и на различных расстояниях. Мнимая часть амплитуды дает подобную же картину. Хорошо видно, что волновая структура поля проявляется только за каузальной поверхностью. В ближней зоне, как и должно быть, поле проявляет квазистатический характер. Установлено, что положение каузальной поверхности на рисунках, отображающих полученные экспериментальные данные, аппроксимируется гиперболой. Важным является то, что граница ближней зоны отстоит от излучателя конечных размеров несколько дальше, чем это имеет место для элементарного излучателя. Для дальнейшего исследования, возникающих эффектов на границе фазового перехода – каузальной поверхности, были проведены эксперименты с обычной водопроводной водой. Установлено, что показатель преломления воды приблизительно в 9 раз больше, чем воздуха, соответственно этому уменьшаются размеры ближней зоны. Важным выводом является тот факт, что скин-слой действительно формируется начиная с каузальной поверхности, где возникает поле излучения. На расположение каузальной поверхности основное влияние оказывает частота излучения: чем меньше частота, тем глубже каузальная поверхность погружена в среду. Скин-слой следует отсчитывать от каузальной поверхности. Толщина скин-слоя обратно пропорциональна коэффициенту поглощения среды. Манипулируя частотой излучения можно построить глубинный разрез зондируемой среды. Глубина зондирования определяется приведенным расстоянием, которое находится через производную фазы вторичного поля по волновому числу. Это же может быть сделано при использовании импульсных сигналов в сочетании со спектральным анализом. Подводя итог этого раздела работ, отметим, что проведено детальное теоретическое и экспериментальное исследование, раскрывающее процесс формирования скин-слоя и объясняющее его локализацию на внешней границе ближней зоны в различных средах. Показано, что индикатором появления поля излучения является фазовое распределение поля, с использованием которого может быть введено приведенное расстояние. Поперечное сканирование вторичного поля в сочетании с частотным сканированием позволяет построить распределение приведенной дифракционной гиперболы для зондируемой неоднородности (или неоднородностей) и методом фокусировки на краю ближней зоны восстановить её пространственное расположение в поглощающей среде. Важно подчеркнуть, что в пределах ближней зоны поле не испытывает экспоненциального поглощения даже в сильно поглощающих средах. Это утверждение является принципиально новым. Развитый подход может быть модифицирован с использованием импульсных полей и применен для решения задач зондирования любых поглощающих сред, включая земные грунты и биологическое ткани.