А. П. МЕЛЕХОВ, Д. В. ЛАВРУХИН
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СВОЙСТВА ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ
Известно, что некоторые свойства воды и водных растворов изменяются в сильном магнитном поле. Так, изменение коэффициентов преломления и вязкости воды зависит от величины магнитного поля и времени воздействия и связывается с изменениями в структуре сетки водородных связей. В настоящей работе речь идет о возможности применения акустооптического метода для определения влияния постоянного магнитного поля величиной ≤ 0.5 Тл на некоторые свойства воды и ее растворов.
Существует ряд работ по изучению влияния сильного магнитного поля на свойства воды и водных растворов солей. Обнаружены небольшие изменения коэффициента преломления (Δn/n < 10–3 для полей В ≤ 10 Тл), вязкости (Δη/η < 10–3 для полей В ≤ 1 Тл) и других свойств этих веществ [1, 2]. В работах [3,4] представлены результаты по инфракрасной и КР-спектрометрии воды, находящейся в сильном магнитном поле (В ≤ 15 Тл). Наблюдаемые изменения в спектрах позволяют авторам этих работ сделать вывод об увеличении стабильности структуры сетки водородных связей в присутствии магнитного поля.
На наш взгляд, практический интерес для приборостроения, различных задач диагностики и пр. представляют компактные источники магнитного поля с индукцией В ≤ 1–2 Тл. Но для таких полей изменение коэффициента преломления Δn ≤ 10–4 [1], т. е. на уровне погрешности измерения.
В представленной работе говорится о применении акустооптического метода для изучения воздействия постоянного неоднородного магнитного поля величиной 0.1–0.5 Тл на акустические спектры воды и ее растворов.
Описание установки и методика эксперимента. В основе установки лежит схема акустооптической (фотодефлекционной) регистрации звуковых колебаний [5]. На рис. 1 показаны кюветный узел и конфигурация магнитного поля внутри кюветы.
Рис. 1. Геометрия измерительной кюветы (а) и график зависимости величины магнитной индукции
от расстояния (б). Штриховой линией отмечена величина поля в области зондирующего лазерного луча
Акустические колебания в стеклянной кювете (40´10´10 мм3) с образцом 1 возбуждаются широкополосным пъезоизлучателем из ниобата лития 2 и "детектируются" лазерным лучом 3. Температура образца контролируется электронным термометром 4 в крышке 5, фиксирующей объем образца. Расстояние между магнитом из Nd-Fe-B-керамики 6 и кюветой фиксировано и не превышает 0.5 мм. Как видно из рис. 1,б, в области регистрации акустических колебаний величина поля B ≤ 0.36 Tл.
Сам эксперимент проводится следующим образом: после стабилизации температуры образца через каждые 4 минуты записывается очередной спектр акустических колебаний, и источник звука выключается. Здесь и далее речь идет о фурье-спектрах. Таким образом прописывается несколько спектров. Затем к кювете подводится магнит. И весь процесс повторяется.
Эксперимент и результаты. Для эксперимента использовались образцы дистиллированной воды и растворов MgSO4 различной концентрации. Измерения проводились в температурном диапазоне 18–20 °С. Изменения температуры во время записи спектров 
0.25 градуса. Диапазон изменения частоты звуковых колебаний составляет 10.5–11.0 МГц.
На рис. 2 показаны акустические спектры воды и 1.5 % раствора MgSO4, записанные при разных временах выдержки в магнитном поле.
Рис. 2. Спектры акустических сигналов в воде (а) и 1.5 %-ном растворе соли (б) для разных
времен экспозиции в магнитном поле. Отсчет времени ведется от начала эксперимента
На рис. 3 показаны акустические спектры растворов с 6 и 25 % MgSO4 в воде, полученные при разных временах выдержки образцов в магнитном поле.
Рис. 3. Акустические спектры в растворах с 6 % (а) и 25 % (б) MgSO4 в воде для разных времен экспозиции
в магнитном поле. Отсчет времени ведется от начала эксперимента
О мере воздействия магнитного поля на свойства среды можно судить по относительному изменению акустических спектров образца в отсутствие поля. На каждом графике на рис. 2 и 3 показаны в том числе два спектра, записанные с интервалом 12 минут без магнитного поля.
Из приведенных графиков видны некоторые особенности эволюции акустических спектров воды и растворов электролитов в магнитном поле. В частности, появляется сдвиг частоты акустических резонансов (до 5 кГц для 25 % раствора MgSO4). Представим зависимость величины сдвига частоты акустического резонанса от длительности воздействия магнитного поля. На рис. 4 показана данная зависимость для различных образцов. Величина ошибки определена по разнице в спектрах для данного образца без магнитного поля.
Рис. 4. Зависимость величины сдвига акустических резонансов от времени экспозиции в магнитном поле
Обсуждение результатов. Согласно [1] с ростом величины магнитного поля наблюдается увеличение коэффициента преломления воды и 3 %-ного раствора NaCl. Коэффициент преломления 30 %-ного раствора NaCl в тех же условиях уменьшается.
Из рис. 4 видно, что динамика трансформации спектра с ростом времени экспозиции для воды и 1.5 %-ного раствора MgSO4 иная, нежели для сильноконцентрированного раствора MgSO4 (25 %-ный раствор). Причина наблюдаемых изменений, если мы не имеем дело с каким-либо артефактом, скорее всего, в особенностях свойств водородных связей в магнитном поле.
Возможно и иное объяснение наблюдаемым изменениям вида акустических спектров. Речь идет о так называемом "эффекте Моисея" [4]: магнитное поле выдавливает воду (диамагнетик) из области сильного поля в область слабого. Происходит некоторое перераспределение жидкости по объему кюветы, а лазерная дефлектоскопия очень чувствительна к таким изменениям. Величина вклада "эффекта Моисея" нами пока не оценена.
В заключение хочется отметить, что применение акустооптического метода для изучения влияния магнитного поля на свойства веществ, очевидно, ставит дополнительные вопросы. Так еще предстоит выяснить степень влияния самих акустических колебаний на "структуру" вода (водородные связи) ─ магнитное поле.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Hosoda H. et al. // J. Phys. Chem. A. 2004. V. 108. P. 1461.
2. Ghauria S. A., Ansari M. S. // J. Appl. Phys. 2006. V. 100.
3. Iwasaka M. et al. // J. Appl. Phys. 1998. V. 83. P. 6459.
4. Ueno S. et al. // J. Appl. Phys. 1994. V. 75. P. 7177.
5. , , // Научн. сессия МИФИ-2006. Сб. науч. тр. Т. 4. М.: МИФИ, 2006. С. 228.
