Способ генерирования электрических колебаний с частотами, близкими к наблюдаемым у биологических объектов

Способ генерирования электрических колебаний с частотами, близкими к наблюдаемым у биологических объектов

Реферат

Изобретение относится к области жидких полупроводников, которые могут найти широкое применение в биологии, экологии и медицине.

Известен способ параметрической генерации периодических колебаний, в котором используется взаимодействие сигналов СВЧ излучений определенной частоты с оптической волной, в результате чего частота и мощность оптической волны возрастают приблизительно в 2 раза. Часть мощности этой волны поступает в качестве накачки в вырожденный параметрический делитель частоты для получения оптической волны, используемой при преобразовании частот (патент РФ №2062538, МПК Н 01 S 3/00). Устройство волноводного типа, реализующее этот способ, позволяет получить генерацию когерентного оптического излучения при накачке СВЧ диапазона.

Известен способ генерации электрического тока, основанный на химическом восстановлении активного соединения в присутствии металла, приводящее к возникновению тока в цепи. Окисление восстановленной формы соединения и возврат его к первоначальному состоянию происходит на воздухе в отсутствии контакта с металлом (заявка №94044739, RU, МПК Н 01 М 6/04).

Известен способ генерации электрического тока низких частот, реализуемый с помощью твердотельного генератора на основе полупроводниковой пластины, имеющей два контакта и область, в которой реализованы условия для возникновения колебаний электронно-дырочной плазмы типа рекомбинапионных волн, на поверхности полупроводниковой пластины имеется изолятор, на который нанесен металлический слой, служащий управляющим контактом. Способ позволяет получить электрические колебания частотой 40-400 Гц и амплитудой 0,5-50 мВ при приложении разности потенциалов 1-5 мВ (а.с. СССР №439255, МПК H 01 L 29/00).

Известен способ генерации электрического тока, основанный на полупроводниковом генераторе с перестраиваемой частотой и содержащий пластину монокристаллического кремния с двумя инжектирующими контактами, легированную цинком с концентрацией N_Zn и донорной примесью с концентрацией N_D. Кремний имеет удельное сопротивление ρ>10⁴ Ом×см, а расстояние между ними не более диффузионной длины электронов, при соотношении легирующих примесей в кремнии N_Zn≥N_D. При приложении разности потенциалов 50 В между инжектирующими контактами и подачей тока между анодом и катодом получаем перестраиваемую частоту колебаний тока в пределах 10-10⁵ Гц (а.с. №782641, SU, МПК H 01 L 29/86).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ с использованием структуры с распределенным р-n-переходом, через которую пропускают ток величиной 1-100 мкА, на n-области которого выполнен контакт металл-тунельно-прозрачный окисел-полупроводник и омический контакт, между которыми прикладывают разность потенциалов 3-15 В, возникающие колебания имеют частоту от 1 кГц до 10 МГц и амплитуду от 5 до 20 мкА [Муравский Б.С., Куликов О.Н., Черный В.Н., Рекомбинационная неустойчивость тока в эпитаксиальных р⁺-n-структурах с локально введенными в n-область примесными атомами и определение параметров глубоких центров на ее основе. // Физика и техника полупроводников, 2003, т.37, вып.4, с.393-397].

Все перечисленные способы основаны на использовании твердотельных структур. Физико-химические свойства таких твердотельных структур имеют резкое отличие от биологических объектов (по геометрии, по форме, по плотности, по агрегатному состоянию вещества и т.д.), длительный контакт с ними приводит к осложнениям, внося существенные изменения в биологическую систему, чем затрудняет их применение в биологии и медицине.

Техническая задача состояла в разработке способа генерации электрических колебаний, частоты которых по своим параметрам близки к наблюдаемым у биологических объектов.

Техническая задача решается путем возбуждения колебаний частотой от 1 Гц до 10 МГц на структуре, содержащей водный раствор органического полупроводника p-типа, на который наносят органический полупроводник n-типа. Между электродами, погружаемыми в полупроводник n-типа, создают разность потенциалов от 5 до 70 В. В водный раствор органического полупроводника p-типа вводят электрод, через него и положительный электрод, погруженный в полупроводник n-типа, пропускают постоянный ток от 1 до 500 мкА.

В качестве органического полупроводника p-типа возможно применение тиазинового красителя метиленового голубого, концентрация водного раствора которого 1-20% или трифенилметанового красителя фуксина, концентрация водного раствора которого 1-20%, или глюкозы, концентрация водного раствора которой 1-50%. В качестве полупроводника n-типа использован анилин.

В отличие от прототипа данный способ генерирования электрических колебаний позволяет использовать жидкие полупроводниковые структуры, на которых можно получить электрические колебания частотой 1 Гц - 10 МГц, амплитудой 2 мкА - 30 мА. Характеристики полученных электрических колебаний близки к колебаниям наблюдаемых биологических объектов.

Из литературы не известны сведения о получении таких электрических колебаний на жидких органических полупроводниках и при указанных условиях. Следовательно, заявляемый способ является новым и обладает существенными отличиями.

На чертеже представлены схема устройства и его подключение для осуществления способа.

На поверхность раствора органического полупроводника p-типа 1 наносили жидкий органический полупроводник n-типа 2, в который погружали электроды 3 и 4. В раствор органического полупроводника, полупроводник p-типа 1, погружали электрод 5. Между электродами 3 и 4 были подключены последовательно сопротивление 6, с которого снимались электрические колебания, и источник питания 7, с помощью которого создавалась разность потенциалов. Для подачи постоянного тока между электродами 4 и 5, замыкали ключ 8, подсоединяли последовательно микроамперметр 9, контролирующий значение силы тока, источник постоянного напряжения 10 и высокоомный резистор 11.

Пример конкретного выполнения 1. Для создания генерации электрических колебаний брали ванночку из диэлектрического материала, в частном случае из пластмассы, шириной 5 мм и глубиной 3 мм (на чертеже не изображена), в которую наливали 10% водный раствор тиазинового красителя метиленового голубого в качестве органического полупроводника p-типа 1 в количестве 2,4×10^-6 дм³. На полупроводник p-типа 1 нанесли анилин (Ч), являющийся полупроводником n-типа 2, в количестве 1,6×10^-6 дм³. В него погружали два электрода 3 и 4, выполненные в виде медных игл, гальванически обработанных оловом, d=0,25 мм. Ключ 8 в цепи между электродами 4 и 5 был разомкнут. Источником питания 7 создавали на электродах 3 и 4 отрицательный и положительный потенциалы соответственно. Разность потенциалов была равна 30 В. Между электродами 3 и 4 подключали резистор 6 сопротивлением 200 Ом, с которого с помощью осциллографа (на чертеже не изображен) фиксировали электрические колебания, амплитуда которых была равна 10 мА и частота 950 Гц.

Пример 2 аналогичен примеру 1, но ключ 8 замыкали и, благодаря наличию в цепи между электродами 4 и 5 микроамперметра 9, источника постоянного питания 10, имеющего ЭДС, равную 9 В, и высокоомного резистора 11 сопротивлением 1 МОм, между электродами 4 и 5 дополнительно задавали силу тока в 50 мкА, на резисторе 6 возникали электрические колебания при приложении разности потенциалов 5 В между электродами 3 и 4. Частота релаксационных колебаний амплитудой 2 мкА при этом равнялась 20 кГц. Пример 3 аналогичен примеру 2, но в качестве растворенного в дистиллированной воде полупроводника p-типа 1 брали трифенилметановый краситель фуксин различной концентрации с шагом 5% от 1 до 20%. Увеличение концентрации фуксина более 20% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1.

Пример 4 аналогичен примеру 2 за исключением того, что в качестве полупроводника p-типа 1 использовали тиазиновый краситель метиленовый голубой различной концентрации, растворенного его в дистиллированной воде, с шагом 5% от 1 до 20%. Увеличение концентрации тиазинового красителя метиленового голубого более 20% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1. Пример 5 аналогичен примеру 2, но в качестве полупроводника p-типа использовали глюкозу различной концентрации, растворяя ее в дистиллированной воде, с шагом 10% от 1 до 50%. Увеличение концентрации глюкозы более 50% не влияет на выходные параметры. Полученные данные отображены в таблице 1.

Таблица 1.
Зависимость параметров колебаний от вида полупроводника p-типа и его концентрации.
№ примеров	Полупроводник p-типа	Концентрация водного раствора	Частота генерируемых колебаний, Гц	Амплитуда генерируемых колебаний, В	Питающее напряжение, В
3	трифенил-	1%	15	0,02	30
	метановый	5%	600	0,08	30
	краситель	10%	1400	0,85	30
	фуксин	15%	8200	1,46	30
		20%	10000	1,8	30
4	Тиазиновый	1%	18	0,03	30
	краситель	5%	450	0,15	30
	метиленовый	10%	1300	0,9	30
	голубой	15%	7500	1,5	30
		20%	9800	1,85	30
5	Водный	1%	12	0,15	30
	раствор	10%	380	0,5	30
	глюкозы	20%	1300	1,2	30
		30%	7600	1,35	30
		40%	8200	1,86	30
		50%	9600	2	30

При концентрациях меньших 1% полупроводника p-типа генерация не наблюдалась.

Пример 6. Для создания генерации электрических колебаний брали ванночку из диэлектрического материала, в частном случае из пластмассы, шириной 5 мм и глубиной 3 мм (на чертеже не изображена), в которую наливали 10% водный раствор тиазинового красителя метиленового голубого в качестве органического полупроводника p-типа 1 в количестве 2,4×10^-6 дм³. На полупроводник p-типа 1 наносили анилин (Ч), являющийся полупроводником n-типа 2, в количестве 1,6×10^-6 дм³. В него погружали два электрода 3 и 4, выполненные в виде медных игл, гальванически обработанных оловом, d=0,25 мм. Между электродами 3 и 4 подключали резистор 6 сопротивлением 200 Ом, с которого с помощью осциллографа (на чертеже не изображен) фиксировали электрические колебания. Ключ 8 в цепи между электродами 4 и 5 был замкнут. Источником питания 7 создавали на электродах 3 и 4 отрицательный и положительный потенциалы соответственно. Разность потенциалов изменяли с шагом 5 В между электродами 3 и 4 от 5 до 70 В. Благодаря наличию в цепи между электродами 4 и 5 микроамперметра 9, источника постоянного питания 10, имеющего ЭДС, равную 9 В, и высокоомного резистора 11 сопротивлением 1 МОм, между электродами 4 и 5 дополнительно задавали силу тока от 1 мкА до 500 мкА с шагом 50 мкА. При этом на резисторе 6 фиксировали релаксационные колебания, частота которых увеличивалась от 1 Гц до 10 МГц и рост амплитуды от 0,01 до 2 В. Результаты наблюдений занесены в таблицу 2.

Таблица 2.
Зависимость величины напряжения между электродами 3 и 4 и величины силы тока между электродами 4 и 5.
Питающее напряжение, В	Величина тока между контактами 4 и 5, мкА	Частота релаксационных колебаний, Гц	Амплитуда импульсов, В
0,5	-	-	-
5	1	1	0,01
10	50	42	0,08
20	100	940	0,15
30	150	1200	0,34
40	200	8800	0,56
50	300	13000	1,2
60	400	860000	1,6
70	500	9500000	1,9
80	600	-	-

Из таблицы 2 следует, что использование напряжений величиной меньше 5 В нецелесообразно, так как не позволяет получить электрические колебания на резисторе 6. При напряжениях выше 70 В колебания на резисторе 6 не наблюдаются, так как нарушается строение устройства, позволяющего наблюдать колебания.

1. Способ генерирования электрических колебаний с частотами, близкими к наблюдаемым у биологических объектов, включающий пропускание электрического тока и приложение разности потенциалов к полупроводниковому генератору, отличающийся тем, что в генераторе в качестве полупроводника р-типа используют водный раствор органического полупроводника р-типа, на который наносят жидкий органический полупроводник n-типа с погруженными в него электродами, между которыми прикладывают разность потенциалов 5-70 В, а между электродом, имеющим положительный потенциал, и опущенным в полупроводник р-типа электродом пропускают ток от 1 до 500 мкА.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического полупроводника р-типа используют водный раствор трифенилметанового красителя фуксина с концентрацией от 1 до 20%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического полупроводника р-типа используют водный раствор органического красителя метиленового голубого с концентрацией от 1 до 20%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического полупроводника р-типа может быть использован водный раствор глюкозы с концентрацией от 1 до 50%.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве органического полупроводника n-типа использован анилин.