CC BY
48
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Подставляя равенство (13) в формулу (7), получаем зависимость:
z =
21
sin а
----------------------X
cos © cos (© +а)
NA V NA S
x( R - A - x tg © - r ) sin 2 (©,,. + а)
x (© N\ ) - 2xQtg©NA . (14)
cos (©NA + 2а)
Для нахождения расстояния А, при котором осуществляется дифференциальное преобразование сигналов, необходимо, чтобы выполнялось условие (1). Для этого приравниваем выражения (4) и (14)
(d - r )W
V OB c /
sin а
■X
cos © cos (© + а )
NA V NA *
X (R - A - x tg © - r )
V 0 ° NA c S
sin2 (©NA +а)
cos (©NA + 2а)
получим
- 2X0tg©N
A =
cos
C (dOB - r)W Л
V OB c ’ + 2X0tg©na
x
cos (© na + 2а)______
sin 2 (©NA + а) cos ©
(© na +а)
sin а
+ R - X0tg©NA - rc .
(15)
x
x
X
x
X
X
NA
X
Расстояние А должно быть меньше радиуса мембраны датчика, то есть должно выполняться условие A<R:
(
(doB - rc )W
+ 2 Vg© N
V x0
cos (©NA + 2а)
<-
'NA +а) cos ©NA
sin 2 (©л
В качестве примера рассмотрим ВОПД с круглой мембраной и оптическими волокнами ТХО.735.123ТУ с параметрами: диаметр оптического волокна dOB = 500 мкм, dc =200 мкм, апертурный угол ©NA = 120.
Проведем приближенные вычисления для указанного примера, приняв Х0 = 930 мкм, получим
x
0
x
0
>
C 400W л
+ 2 x0 0,2
V x0 J
•1,9;
то есть 930 мкм > 550 мкм.
Вывод: Условие выполняется, следовательно существует такое расстояние А, при котором возможно дифференциальное изменение оптических сигналов в первом и втором измерительных каналах.
Библиографический список
1. Дифференциальное преобразование сигналов в волоконно-оптических преобразователях давления отражательного типа / Л.Н. Коломиец, Е.А. Бадеева, Т.И. Мурашкина и др. // Датчики и системы. - 2006. - № 12. -С. 12-14.
УПРАВЛЕНИЕ ДИСТАНТНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ ПРИ ПОМОЩИ КВАРЦЕВЫХ СВЕТОВОЗВРАЩАТЕЛЕЙ
B. Д. БУРКОВ, проф. каф. проектирования и технологии пр-ва приборовМГУЛ, д-р техн. наук,
C. В. ПЕРМИНОВ, соискатель каф. проектирования и технологии пр-ва приборов МГУЛ
Сверхслабые излучения живых организмов и их способность воспринимать и реагировать изменениями своей функциональной активности на такие излучения к настоящему времени являются не только экспериментально установленным фактом, но и предметом самого пристального рассмотрения [1, 2]. Чувствительность живых организмов к малейшим изменениям параметров этих сверхслабых излучений настолько велика, что самые незначительные искажения, претерпеваемые этими излучениями на пути своего распространения, могут привести к существенным изменениям реакции биологического объекта (реципиента).
Поскольку при исследовании межорга-низменных дистантных взаимодействий нами использовались оптические системы исключитель-
но на базе уголковых световозвращателей (УСВ), разработанных для лазерных рефлекторных антенн (ЛРА) космического базирования, остановимся подробнее на рассмотрении оптико-физических характеристик элементарной призменной ячейки.
Уголковый световозвращатель как оптический прибор в самом общем виде представляет собой оптическую систему, состоящую из трех взаимноперпендикулярных зеркальных поверхностей. Оптические характеристики УСВ не зависят от показателя преломления материала и определяются только качеством изготовления [3].
УСВ, применяемые в данной работе, представляют собой трехгранную прямоугольную пирамиду, образованную отражающими плоскос-
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
17
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
тями, обращенными внутрь пирамиды. Замечательным свойством такой пирамиды является ее способность отражать в сторону источника падающее на ее основание оптическое излучение независимо от ориентации самой пирамиды.
Чертеж примененного в настоящей работе УСВ приведен на рис. 1 а. Ход оптических лучей при прохождении через УСВ в простейшем геометрическом приближении представлен на рис. 1 б.
УСВ обычно изготавливаются из плавленого кварца марок КУ-1 или КУ-2 [9]. Требования к качеству изготовления УСВ весьма высоки.
В одной из первых ЛРА [4] были применены призменные УСВ с эквивалентным световым диаметром 46,6 мм. Схематический чертеж такого УСВ представлен на рис. 1 а.
В дальнейшем применялись призменные УСВ, изготовленные из плавленого кварца с оптимальным эквивалентным диаметром 28,2 мм. Такая конструкция обеспечивает минимальные искажения диаграммы направленности УСВ. В настоящей работе при описании биологических эффектов, вызываемых применением призменных уголковых световозвращателей, УСВ с эквивалентным световым диаметром 46,6 мм мы будем называть «большими», а УСВ с эквивалентным световым диаметром 28,2 мм - «малыми».
Авторами были проведены экспериментальные работы, призванные подтвердить или опровергнуть гипотезу, согласно которой возможно целенаправленное управление межорганизмен-ными дистантными взаимодействиями при помощи УСВ. Эксперименты ставились как с «малыми», так и с «большими» УСВ.
В процессе проведения экспериментов по управлению дистантным взаимодействием между эмбрионами рыбы вьюн (Misgurnus fossilis L.) была обнаружена высокая эффективность действия УСВ [5]. Теоретическое рассмотрение факторов, влияющих на изменение характера первичного волнового дистантного взаимодействия, позволило предположить наличие неравномерности биологических свойств УСВ по его рабочей поверхности. Результаты теоретического рассмотрения данного предположения [6] позволили продолжить экспериментальные работы в этом направлении исходя из полученных теоретических выводов.
В самом общем виде эксперименты по управлению межорганизменным дистантным взаимодействием можно разбить на две большие группы. Первая группа экспериментов была предназначена для определения общего, интегрального действия УСВ на характер исследуемых взаимодействий между биологическими объектами, участвующими в эксперименте. Вторая группа экспериментов своей целью ставила прояснение вопроса о правильности предположений, высказанных в работе [6], о дифференцировании свойств УСВ по его рабочей поверхности. «Интегральные» эксперименты ставились, в первую очередь, с применением «малых» УСВ, а «дифференциальные» - с «большими» УСВ. Такое разделение объясняется в первую очередь особенностью проведения эксперимента и ограничениями, накладываемыми на количество экспериментального материала для получения статистически достоверных результатов.
б) Ход лучей при прохождении УСВ
Рис. 1. Внешний вид УСВ, характер прохождения лучей и чертеж прибора, который использовался в биологических экспериментах
18
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Интегральное воздействие УСВ на развитие биологических объектов
Эксперимент по изучению интегрального действия УСВ на характер развития оплодотворенных икринок рыбы вьюн ставился следующим образом. В чашке Петри диаметром около 30 мм последовательно помещалась оплодотворенная икра. Чашка Петри накрывалась, как крышкой, прозрачной кварцевой пластиной. Поверх пластины устанавливался УСВ. В непосредственной близости размещалась точно такая же чашка Петри с оплодотворенной икрой из той же кладки с покровным кварцевым стеклом для соблюдения идентичного режима теплообмена внутри обеих чашек. Чашки Петри разделялись между собой непрозрачной для дистантного излучения перегородкой (черная фотобумага). Вторая чашка Петри с оплодотворенной икрой использовалась как контрольная. Обе группы эмбрионов помещались в одинаковые условия по температуре и влажности в экранированный от посторонних излучений непрозрачный металлический бокс. Схема такого эксперимента представлена на рис. 2.
Как видно из рисунка, взаимодействие эмбрионов в процессе развития происходило независимо в каждой из чашек Петри (кюветах). Взаимодействие между эмбрионами, находящимися в различных кюветах, исключалось. Таким образом, если в кювете 2 (контроль) дистантные взаимодействия между эмбрионами осуществлялись только по естественным путям, то в кювете 1 взаимодействие между эмбрионами происходило по двум независимым каналам. Первый канал взаимодействия повторял естественные
пути дистантного взаимодействия, а второй канал представлял собой поток излучения, проходящего через УСВ и попадающего на те же эмбрионы с некоторыми искажениями, обусловленными особенностями распространения излучения через УСВ.
Первые же эксперименты этого плана показали, что в зависимости от оптических свойств примененного УСВ значительно меняется и характер отклика биосистемы на само воздействие. Поскольку «грубые» характеристики УСВ (тип материала, характер покрытия, геометрические размеры, механическая точность изготовления и т.д.), применяемых в эксперименте, были практически идентичны, то мы предположили, что характер воздействия УСВ на биологический объект определяется их «тонкими» оптическими характеристиками.
В качестве такой «тонкой» характеристики УСВ была выбрана дифракционная расходимость падающего на переднюю грань излучения при прохождении этого излучения через УСВ.
Корреляция между дифракционными свойствами УСВ и характером реакции биологического объекта прослеживалась во всех экспериментах. В качестве примера на рис. 3 показан характер влияния УСВ на развитие биологической системы в зависимости от его дифракционных характеристик для нескольких экземпляров УСВ.
Сравнительный анализ проведен при одновременной постановке разных УСВ на икру (исходно 30 минут после оплодотворения) определенного физиологического состояния. Эффекты выявлены при многократных экспериментах попарного сравнения разных УСВ с контролем.
Рис. 2. Схема эксперимента при интегральном управлении дистантным взаимодействием
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
19
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Вид дифракционной картины
Влияние УСВ на развитие БС
% 40
30
20
10
Ше
Выживаемость 12 16
Стадия развития
□ Контроль ■ В1531
А) УСВ № В-1531. Распределение по стадиям подобно контролю. Ослабление эффекта синхронизации. Стимулирует образование уродств с последующей гибелью
Влияние УСВ на развитие БС
% 50 т
40-'
30
20 .Г
10 ш .1. J 1г_
Выживаемость 13 18
Стадия развития
□ Контроль ■ № 03
Б) УСВ № 03. Повышает выживаемость на ранних (0 стадия) и более поздних (9 стадия) стадиях развития в 1,5 - 2,2 раза. Часто ускоряет развитие
Влияние УСВ на развитие БС
Стадия развития
Контроль Б-1790
В) УСВ № Б-1790 Ускоряет развитие. Повышает выживаемость в 1,6 - 2,2 раза
при плохом качестве икры
Влияние УСВ на развитие БС
% 80-1
60 /
40- 1 |
20 0 1 111! С
Выживаемость 12 16
Стадия развития
□ Контроль ■ Б-1924
Г) УСВ № Б-1924 Повышает выживаемость. Синхронизация развития лучше, чем в других УСВ
Рис. 3. Влияние дифракционных характеристик УСВ на развитие биологических систем
Как видно из рисунка, характеристики УСВ №№ Б-1790 и Б-1924 достаточно похожи. УСВ № 03 обладает характеристикой, которая резко отличается от остальных. Но именно этот УСВ наиболее сильно ускоряет развитие эмбрионов, и он же обеспечивает наивысший процент выживаемости.
Дифференцированное воздействие УСВ на развитие биологических объектов
Фазовое распределение излучения, прошедшего через УСВ, будет изменяться в зависимости от точки «входа» светового пучка. При взгляде на фронтальную поверхность УСВ хоро-
20
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
шо видны рабочие сектора выходной плоскости, которые образованы ребрами трехгранной пирамиды и отражающей плоскостью, заключенной между ними. Наблюдатель может видеть шесть таких секторов. Как показал анализ, оптические свойства этих секторов будут попарно идентичны. Сектора с идентичными свойствами расположены симметрично относительно вершины пирамиды, образующей собственно УСВ.
Исходя из этих свойств УСВ был поставлен эксперимент, который позволил доказать, что биологические свойства многозеркальных переотражающих систем коррелируют с их оптическими свойствами, распределенными по секторам. Поскольку на малых (порядка нескольких см) расстояниях, изображение, проходя через УСВ, «перебрасывается» в смежный сектор, то эксперимент по дифференцированному воздействию УСВ на биологические объекты проводился исходя из полученных теоретических выводов
[7, 8].
Эксперимент ставился следующим образом. В экранированном боксе размещались несколько групп по две прозрачные кюветы из кварцевого стекла. В этих кюветах находились оплодотворенные икринки рыбы вьюн. Икринки выбирались из одной кладки. В каждой паре кювет они разделялись между собой непрозрачной для дистантного излучения перегородкой (черная фотобумага). Все группы помещались в одинаковые условия по температуре в экранированный от посторонних излучений непрозрачный металлический бокс. В одной из групп
кювет дистантное взаимодействие между эмбрионами различных кювет отсутствовало. Эта группа использовалась в качестве контроля. Во второй группе убиралась перегородка между кюветами и наблюдалось непосредственное влияние эмбрионов друг на друга. В третьей группе дистантные взаимодействия между эмбрионами осуществлялись через УСВ. Схема такого способа управления дистантными взаимодействиями представлена на рис. 4.
Если учесть характер прохождения оптического излучения через УСВ, который показан на рис. 1б, то из схемы эксперимента на рис. 4 следует, что эмбрионы кюветы 1 (см. рис.) влияют на эмбрионы, размещенные в кювете 2, и наоборот, в то время как непрозрачный экран между кюветами препятствует всем другим путям распространения дистантного взаимодействия.
Как показали уже самые первые испытания (2003) [5], такая постановка эксперимента полностью себя оправдала. В процессе обмена биологической информацией между двумя группами эмбрионов наблюдались попарносимметричные зоны, в которых характер и проявления дистантных взаимодействий были идентичны.
Оптическое взаимодействие групп одновозрастных эмбрионов через УСВ в течение 20-24 часов изменяло динамику их дальнейшего развития по сравнению с контрольными группами, чего никогда ранее не наблюдалось при прямом оптическом контакте одновозрастных зародышей.
Рис. 4. Схема проведения эксперимента по дифференцированному действию УСВ
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
21
ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ И ПРИКЛАДНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Коррекция развития при нарушении адгезивности клеток
%100п /
50 ■ / г1
0 2. b /
А. Образец УСВ №482
Левая Правая Контроль
□ Гибель ■ Живые Б. Биологическое действие
А. Образец УСВ №485
Коррекция развития при развороте дифракционного пятна на 8 градусов
%100 -| / п
50- / \
0 _—/
Левая Правая Контроль
□ Гибель ■ Живые Б. Биологическое действие
Рис. 5. Биологическое действие УСВ при значении: а - 3Д = 17 угл. сек., и ф = 0°; б - ЗА = 19 угл. сек., и ф = - 8°
а
б
Как было выявлено в процессе работы, воздействие УСВ на характер дистантного взаимодействия определяется не только размещением образцов относительно рабочей поверхности УСВ, но и качеством изготовления последних. Отклонение углов УСВ от прямого приводит к значительным искажениям. В случае идеально изготовленного УСВ отраженный оптический поток формирует на экране пятно круглой формы. В том случае, если один или несколько углов при вершине УСВ будут отличаться от прямого на величину ±Д, то отраженный сигнал распадается на два и более пятен, угловые расстояния между которыми равны ±3Д. В наших экспериментах было убедительно показано, что даже незначительные отклонения, возникающие при изготовлении УСВ от образца к образцу (угол отклонения от прямого не превышал значения А = ± 6 угл. сек.), приводят к весьма значительным различиям в биологических свойствах этих приборов.
На рис. 5 приведены биологические отклики в развитии биосистемы для различных УСВ. Как видно из сравнения биологического действия УСВ, незначительные отклонения в ха-
рактеристиках приводят к весьма существенному биологическому отклику.
На рис. 5 под величиной ф = k° мы будем понимать величину отклонения линии визирования дифракционных пятен от горизонтальной оси.
Как видно из представленных рисунков, удалось полностью подтвердить предположение о наличии попарно-симметричных зон на рабочей поверхности УСВ с различными биологическими свойствами. Кроме того, как явствует из сравнения биологического действия УСВ № 482 и № 485 на рис. 5, мы наблюдаем ярко выраженную асимметрию попарно-симметричных биологических зон.
Длина оптического пути в УСВ определяется как
L = 2hxn,
где n - показатель преломления.
С учетом величины L и углового отклонения ЗА порядка 10 угловых секунд получаем, что размер органелл биообъекта (А/), которые воспринимают действие УСВ, составит величину А/ = L-ЗА = 33,56 10-3-2 1,5-4,85 10-5 = 4,9 10-6 м, т.е. единицы микрометров.
22
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 2/2007
