Спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних матеріалів

Реферат: Винахід належить до вимірювальної техніки, а саме до нанометрії. Відповідно до способу визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів спочатку зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу з нормованими площею та товщиною і з першою комплексною діелектричною проникністю при апріорі заданій температурі. Згенерований першим стандартним зразком оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою. Методом спектрального аналізу визначають та запам'ятовують значення центральної резонансної довжини хвилі та ширини огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на відповідному рівні. Замінюють перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу другим стандартним зразком з тими ж нормованими значеннями, але з іншим значенням комплексної діелектричної проникності. Аналогічним чином повторюють всі операції, що і з першим зразком. Замінюють другий стандартний зразок досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом з такими ж показниками, але з невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю. Повторюють вищевказані операції та визначають дійсну складову комплексної діелектричної проникності за визначеними рівняннями вимірювань. Спосіб забезпечує зменшення похибки вимірювання. UA 99967 C2 (12) UA 99967 C2 UA 99967 C2 5 10 15 20 25 30 35 Винахід належить до нанометрії і може бути використаний при створенні високоточних оптико-електронних засобів вимірювання комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів. Відомий спосіб визначення комплексної діелектричної проникності (див. Кондратов В.Т., Скрипник Ю.А. Способ определения комплексной диэлектрической проницаемости. А.С. № 1661676 А1, БИ № 25, 1991), заснований на збудженні LC-коливного контуру з сенсором, де L і C - індуктивність та ємність коливного контуру, C  C0  C1 , де C0 - ємність сенсора, C1 ємність конденсатора, що перестроюється, сигналом частоти f01 , визначенні резонансних частот і ширини смуги перепускання коливного контуру при і без взаємодії електричного поляч з досліджуваним матеріалом чи речовиною з наступною обробкою результатів проміжних вимірювань за визначеним алгоритмом, відрізняється тим, що з метою підвищення точності після і до взаємодії електричного поля з досліджуваним матеріалом, формують перший та другий вимірювальні сигнали з симетричними відносно частоти f01 збуджуючого сигналу частотами fн1  f01  f0 / 2 та fв1  f01  f0 / 2 , що знаходяться за смугою пропускання fк LC коливного контуру, тобто f0  fк , де f0  fв1  fн1 - первинна різниця частот вимірювальних сигналів, встановлюють амплітуди вимірювальних сигналів на вході коливного контуру рівними амплітуді збуджуючого сигналу, при цьому частоти fн1 і fв1 вибирають за умовою послаблення цих сигналів поза ширини смуги перепускання на 40-60 дБ, потім на збуджений LC - контур подають перший і другий вимірювальні сигнали, вимірюють фазові зсуви, що вносяться коливним контуром у кожний вимірювальний сигнал, порівнюють між собою отримані значення фазових зсувів на частотах fн1 і fв1 відповідно, змінюють ємність конденсатора, що перестроюється, до досягнення рівності абсолютних значень фазових зсувів, змінюють різницю частот f0 вимірювальних сигналів до значення f1  fв2  fн2 (f2  fв4  fн4 ) , при якому фазовий зсув, що вимірюється, наприклад, на частоті першого вимірювального сигналу, досягне за модулем значення -45°, підстроюють ємність змінного конденсатора до рівності нулю фазових зсувів, що були виміряні, фіксують значення f1(f2 ) різниці частот вимірювальних сигналів, на які вносяться 45-градусні фазові зсуви, причому після закінчення взаємодії електричного поля з досліджуваним матеріалом чи речовиною збільшують частоту f01 збуджуючого сигналу до досягнення рівності абсолютних значень фазових зсувів на частотах fн3  f02  f1 / 2 і fв3  f02  f1 / 2 відповідно, фіксують друге значення f02 частоти збуджуючого сигналу, потім встановлюють первинне значення частоти і амплітуди збуджуючого сигналу, змінюють ємність конденсатора, що перестроюється, до досягнення рівності абсолютних значень фазових зсувів, що вносяться коливним контуром в перший та другий вимірювальні сигнали на частотах fн2 і fв2 а про значення складових комплексної діелектричної проникності судять за виразом діелектричної проникності і 40 45 50 2 2  'x  f0 / f01  1 - для активної складової комплексної  f2 ) / f01 - для реактивної складової комплексної діелектричної проникності, де f01 і f02 , f1 і f2 - центральні частоти і ширина смуг перепускання коливного контуру при і без взаємодії електричного поля з досліджуваним матеріалом чи речовиною. У чистому виді відомий спосіб не може бути використаний для визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів. Відомий спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів (див. патент РФ № 2103673 СІ, МПК G01N27/00, G01R27/26. Корнеев А.В. и др. Способ определения диєлектрической проницаемости материала), заснований на збудженні в ньому електромагнітних коливань, вимірюванні параметрів збудженого електромагнітного поля та обчисленні за результатами вимірювань діелектричної проникності, відрізняється тим, що на поверхню досліджуваного зразка матеріалу накладають мікросмугову лінію, яка стрічковим провідником обернена до поверхні досліджуваного зразка і має підкладку з діелектричного '  'x   'x ( f1 матеріалу з відомими параметрами комплексної діелектричної проникності  x   'x  j 0  1 , де  x - відповідно діелектрична проникність, 1 - питома провідність матеріалу підкладки і  довжина хвилі, на якій виконуються вимірювання, потім збуджують в цій лінії електромагнітні коливання і послідовно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Z xx2 ) і короткого замикання ( Zкз2 ) , після чого мікросмугову лінію знімають з досліджуваного зразка матеріалу, 1 UA 99967 C2 5 10 15 знову збуджують в ній електромагнітні коливання і повторно вимірюють її імпеданс в режимах холостого ходу (Z xx0 ) и короткого замикання ( Zкз0 ) , після чого за результатами вимірювань обчислюють діелектричну проникність досліджуваного зразка матеріалу за рівнянням вимірювань. Відомий спосіб не забезпечує високоточне визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів та зменшення систематичних похибок вимірювання. Найбільш близьким за технічною сутністю є спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів (див. Пронин А.А. Низкочастотный динамический отклик в системах с сильным взаимодействием квазичастиц. Дисс. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук по спец. 01.04.07 - физика конденсированного состояния. Раздел 1. Литературный обзор. С. 8-14. М., 2001 г.), заснований на формуванні зондуючого оптичного імпульсного сигналу заданої форми, потужності та довжини хвилі  0 , збудженні ним наноматеріалу з невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю, візуалізації нанооб'єкту шляхом підсилення його оптичного зображення у k оп рази, виділенні огинаючої спектра відбитого чи збудженого оптичного сигналу та визначенні її параметрів з наступним визначенням комплексної діелектричної проникності за рівнянням вимірювань ()  1  20 25 30 35 40 45 50 4Ne 2 2 m(0  2 )  i /  , де 0 - власна частота осциляцїї диполів; 4Ne 2 / m - частота релаксації; N - число носіїв зарядів;  - час релаксації; m - маса носіїв зарядів. Недоліком відомого способу є необхідність додаткового визначення маси носіїв зарядів та їх кількості, а також часу в релаксації. Відомий спосіб не забезпечує автоматичне виключення систематичних похибок вимірювання, обумовлених різною довжиною оптичного шляху, нестабільністю елементів оптико-електронного каналу, забрудненням та запотіванням оптичних елементів оптичних елементів каналу, впливом флуктуації довжини оптичного шляху із-за турбулентності повітря та флуктуацій інтенсивності потоку оптичного випромінювання. В основу винаходу поставлена задача створення такого способу визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів, який забезпечував би використання стандартних зразків наноматеріалів, універсального класичного методу вимірювання - методу порівняння з зразковою мірою чи з стандартним зразком наноматеріалу та зменшив би похибки вимірювання до похибок того же порядку, що й похибка відтворення комплексної діелектричної проникності стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу. Поставлена технічна задача забезпечується тим, що спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів, заснований на формуванні зондуючого оптичного імпульсного сигналу заданої форми, потужності та довжини хвилі  0 , збудженні (накачки) ним наноматеріалу з невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю, підсиленні оптичних зображень наноматеріалу та його випромінювання у k оп рази, виділенні огинаючої спектра відбитого чи збудженого оптичного сигналу, визначенні параметрів огинаючої з наступним обчисленні комплексної діелектричної проникності згідно з рівнянням вимірювань, від відомих відрізняється тим, що спочатку зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують (накачують) перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу з нормованими за значенням площею та товщиною (об'ємом) і з комплексною ' '' діелектричною проникністю  м1   м1  j м1 при апріорі заданій температурі, згенерований першим стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, одним із відомих методів (спектрального аналізу) визначають та запам'ятовують значення центральної (резонансної) довжини хвилі м1 та ширини  м1 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні e 1 / 2  0,606 , замінюють перший стандартний зразок однорідного Ізотропного наноматеріалу другим з тими ж нормованими за значенням площею та товщиною (об'ємом) але з іншими значеннями комплексної діелектричної ' '' проникності  м2   м2  j м2 , аналогічним чином зондуючим оптичним імпульсним сигналом накачують однорідний ізотропний наноматеріал другого стандартного зразка при тій же 2 UA 99967 C2 5 10 15 температурі, оптичний сигнал, згенерований однорідним ізотропним наноматеріалом другого стандартного зразка, підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, одним із відомих методом визначають та запам'ятовують значення центральної (резонансної) довжини хвилі  м2 та ширини м2 спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606, замінюють другий стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом з такими ж площею та товщиною, але з невідомою за значенням комплексною діелектричною ' проникністю  x   'x  j 'x , після збудженні (накачки) зондуючим оптичним імпульсним сигналом досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу при апріорі заданій температурі, згенерований ним оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, після визначення та запам'ятання центральної (резонансної) довжини хвилі  x та ширини  x огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606, визначають дійсну складову комплексної діелектричної проникності  'x за рівнянням вимірювань 2 '  'x  k м1х ( м1   '0 ) x   '0 2 1 м або 2 '  'x  k м2 х (  м2   '0 ) x   '0 , 2 2 м 20 25 30 35 40 ' ' 2 2 де  '0   м2   м1 м2 /  м1 ; k м1х  k x / k м1 ; 2 2 / 2 1  1 м м м1 і  м2 - довжини центральних (резонансних) хвиль огинаючих спектрів сигналів, збуджених першим та другим стандартними зразами однорідними ізотропними ' наноматеріалами, відповідно, а уявну складову комплексної діелектричної проникності  'х - за рівнянням вимірювань   2 ' ' 'х  tg x1 k м1х (м1   '0 ) x   '0  , 2  м1     де  x  м1   м1 x , tg x1  k 2  x  м1  k 2  x  м1 2 або   2 ' '  'х  tg x2 k м2х (м2   '0 ) x   '0  , 2 2   м   де  x  м2   м2  x . tg x 2  k 2  x  м2  k 2  x  м2 2 Для однорідних ізотропних наноматеріалів з ефектом флюоресценції довжину хвилі зондуючого (ультрафіолетового) оптичного імпульсного сигналу заданої форми і потужності встановлюють в межах  0   x  (1...5)м . На фіг. 1 наведена функціональна схема пристрою для визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних нанооб'єктів, де 1 - кодокероване джерело оптичного випромінювання; 2 - точкова діафрагма-джерело; 3 - оптична система; 4 предметний стіл; 5 - об'єкт дослідження; 6 - перший виконавчий механізм; 7 - другий виконавчий механізм; 8 - відбивне дзеркало; 9 - напівпрозора пластина; 10 і 11 - перша та друга конфокальні діафрагми; 12 - оптична система для підсилення зображення нанооб'єкту; 13 відеосенсор (прилад з зарядовим зв'язком або ПЗЗ-матриця); 14 - окуляр; 15 - мікроконтролер; 16 - цифровий відліковий пристрій; 17 - аналізатор спектра; 18 - постійний запам'ятовуючий 3 UA 99967 C2 5 10 15 20 пристрій; 19 - оперативний запам'ятовуючий пристрій; 20 - клавіатура; 21 - відеоконтрольний пристрій; 22 - загальна шина; 23 - око оператора. На фіг. 2 наведені огинаючі спектрів: а) зондуючого оптичного імпульсу, б) сигналу, що генерує перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу і в) сигналу, що генерує досліджуваний однорідний ізотропний наноматеріал. Згідно з даними вищезгаданої дисертаційної роботи, існують різні часткові моделі визначення комплексної діелектричної проникності (моделі Крамерса-Кроніга, Друде-Лоренца, Дебая, Коула-Коула, Лоренц-Лоренца тощо), які пов'язані з різними механізмами поляризації: електронним, іонним чи дипольним (орієнтаційним). У загальному випадку спектр часу релаксації досліджуваного нанооб'єкту (чи частинки) буде мати декілька максимумів. Реалізація зазначених моделей потребує визначення великої кількості параметрів, що входять у склад аналітичної моделі. В результаті точність визначення комплексної діелектричної проникності не є достатньою. Це обумовлено тим, що відомі методи не універсальні і не пов'язані з класичним методом вимірювання - методом порівняння з зразковою мірою чи з стандартним зразком наноматеріалу. Нами запропонований спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів. Для однорідних ізотропних наноматеріалів аналітична модель є достатньо спрощеною тому, що огинаюча спектра сигналу відклику має тільки один максимум. В основу запропонованого способу покладено класичний метод порівняння досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу з зразковою мірою чи з стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу. Покажемо, що діелектрична проникність  'x пропорційна квадрату довжини хвилі. Відомо, 1 що частота коливань електричного контуру з ємнісним сенсором f0  , де L 0 - постійна L 0 C0 за значенням електрична індуктивність, C0 - ємність контуру, без досліджуваного 25 2 діелектричного матеріалу. Квадрат частоти дорівнює f0  1 . Аналогічно для центральної L 0 C0 довжини хвилі, що генерує оптичний генератор з ємнісним сенсором, можна записати, що 2  L 0 C0  k м0  '0 , де kм0 - коефіцієнт, що враховує магнітні та енергетичні властивості 0 30 35 матеріалу ємнісного сенсора та його нормовані за значенням геометричні розміри,  '0 початкова діелектрична проникність ємності сенсора. Витрати енергії, що обумовлені наявністю уявної складовою комплексної діелектричної проникності, призводять до встановлення деякого, притаманного для даної схеми, значення смуги пропускання  0 потоку оптичного випромінювання, що генерує схема. Уявна складова ' комплексної діелектричної проникності  'х   'х tg 0 , де tg 0 – тангенс діелектричних витрат. При збільшенні ємності сенсора на C x , генератор буде генерувати потік оптичного випромінювання з центральною довжиною хвилі  x . При цьому 2  k мх ( '0   'x ) , (2) x 40 де  'x - діелектрична проникність досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу, на значення якої була змінена ємність сенсора; k мх - коефіцієнт, що враховує магнітні (та енергетичні) властивості матеріалу ємнісного сенсора та досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу. Відомо, що добротність коливного контуру дорівнює Q  f0 / 2f0 , де f0 - півширина смуги перепускання контуру. Витрати визначаються, як зворотна величина: tg0  2f0 / f0 , де  0 - кут витрат. Аналогічно для огинаючої спектра оптичного випромінювання запишемо, що tg0  2 0 /  0 , (3) 45 '  'х   'х tg 0  k 2  'x  0 /  0 , (4) де k 2 - коефіцієнт пропорційності (k 2  2) . При збудженні (накачкою) однорідного ізотропного наноматеріалу зондуючим оптичним імпульсним сигналом огинаюча спектра відклику опишеться аналітичним виразом: G( x )  G0 / 1  ( 0 /  x )2 , (5) 4 UA 99967 C2 де  x - довжина хвилі зовнішнього імпульсного сигналу, що діє на наноматеріал;  0 - центральна довжина хвилі огинаючої спектра оптичного сигналу від збудженого однорідного ізотропного наноматеріалу. Оскільки діелектрична проникність 5 10 15 20 25 30 40 45 50 пропорційна квадрату довжини хвилі, тобто  'x  k 0 2 , де k 0 - коефіцієнт пропорційності, то огинаюча спектра сигналу (5) несе в собі x інформацію про комплексну діелектричну проникність наноматеріалу. Можливо два підходи до здійснення запропонованого способу. Перший пов'язаний з використанням наногенератора оптичного випромінювання з ємнісним сенсором, а другий - зі штучною накачкою однорідного ізотропного наноматеріалу зондуючим оптичним імпульсним сигналом заданої форми (площі та товщини), потужності та довжини хвилі. В останньому випадку досліджуваний однорідний ізотропний наноматеріал буде випромінювати деякий час оптичний сигнал з іншою центральною довжиною хвилі огинаючої спектра та з іншою шириною смуги перепускання. Визначаючи параметри огинаючої спектра оптичних сигналів, що отримані з використанням досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу та стандартних зразків, і обробляючи їх згідно з рівняннями вимірювань, отримують значення комплексної діелектричної проникності однорідного ізотропного наноматеріалу. Суть запропонованого способу визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів полягає у наступному. Відомим способом наноматеріал встановлюють на предметний стіл оптичного скануючого растрового спектрального мікроскопу чи на сенсор оптичного наногенератора, наприклад, за допомогою маніпулятора. Вже існують оптичні генератори на вуглецевих нанотрубках. Формують зондуючий оптичний імпульсний сигнал заданої форми, потужності та довжини хвилі  0 (фіг. 1). Як правило, цей сигнал формують за допомогою лазера і фокусують на наноматеріал під тим чи іншим кутом. Сформованим сигналом збуджують (накачують) однорідний ізотропний наноматеріал з ' невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю  x   'x  j 'x . Оптичні зображення однорідного ізотропного наноматеріалу та його випромінювання підсилюють у k оп рази. Виділяють огинаючу спектра відбитого чи збудженого оптичного сигналу, визначають та запам'ятовують значення еквівалентних параметрів:  0е та  0е . Комплексну діелектричну проникність визначають за рівнянням вимірювань. Від відомих спосіб відрізняється тим, що спочатку зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують (накачують) перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу з нормованими за значенням площею та товщиною (об'ємом) і з комплексною діелектричною проникністю 35  'x ' ''  м1   м1  j м1 при апріорі заданій температурі, наприклад t 0  20  C . Згенерований першим стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня. Потім виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу. Слід зазначити, що виділення огинаючої спектра пов'язано з попередньою обробкою цифрового сигналу з метою представлення огинаючої у вигляді чітко виражених границь, тобто вирішується задача відтворення огинаючої, як лінії, з розмитих границь спектра. Для візуалізації огинаючої спектра використовуються спеціальні програми цифрової фільтрації та обробки даних. Далі візуалізують і представляють огинаючу спектра оптичного сигналу у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою (див. рис. 2). Одним із відомих методів (спектрального аналізу), використовуючи візуалізацію даних, визначають та запам'ятовують значення центральної (резонансної) довжини хвилі м1 та ширини  м1 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні е 1 / 2  0,606 . Слід зазначити, що візуалізація і представлення огинаючої спектра оптичного сигналу у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою необхідні для спрощення зчитування інформації про довжину хвилі м1 та ширину  м1 огинаючої спектра (фіг. 2). В результаті можна записати, що квадрат довжини хвилі пропорційний, за значенням, сумі ' діелектричних проникностей  '0 і  м1 , тобто ' 2 1  k м0k м1( '0   м1) , (6) м 5 UA 99967 C2 де k м1 - коефіцієнт, що враховує магнітні (та енергетичні) властивості однорідного ізотропного наноматеріалу першого стандартного зразка. Потім замінюють перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу другим з тими ж нормованими за значенням площею та товщиною (об'ємом) але з іншою за значенням 15 ' '' комплексною діелектричною проникністю  м2   м2  j м2 Аналогічним чином зондуючим оптичним імпульсним сигналом накачують однорідний ізотропний наноматеріал другого стандартного зразка при тій же температурі. Згенерований другим стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня. Виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу. Потім візуалізують і представляють огинаючу спектра оптичного сигналу у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою. Одним із відомих методів (спектрального аналізу), використовуючих візуалізацію даних, визначають та запам'ятовують значення центральної (резонансної) довжини хвилі  м2 та ширини м2 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606. В результаті можна записати, що 20 ' 2 2  k м0k м2 ( '0   м2 ) , (7) м де kм2 - коефіцієнт, що враховує магнітні (та енергетичні) властивості однорідного ізотропного наноматеріалу другого стандартного зразка. Замінюють другий стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом з такими ж площею та товщиною, але з 5 10 25 30 35 ' невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю  x   'x  j 'x , Після збудження (накачки) зондуючим оптичним імпульсним сигналом досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу при апріорі заданій температурі. Потім згенерований ним оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня. Аналогічним чином виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою. Одним із відомих методів (спектрального аналізу), використовуючи візуалізацію даних, визначають та запам'ятовують значення центральної (резонансної) довжини хвилі  x та ширини  x огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606. В результаті можна записати, що 2  k м0k x ( '0   'x ) , (8) x де k x - коефіцієнт, що враховує магнітні (та енергетичні) властивості досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу. Якщо однорідний ізотропний наноматеріал першого та другого стандартних зразків та досліджуваного зразка ідентичні за магнітними властивостями, то k x  k м1 . Про дійсне значення активної складової комплексної діелектричної проникності судять за рівнянням вимірювань 2 '  'x  k м1х ( м1   '0 ) x   '0 , (9) 2 1 м або 40 '  'x  k м2 х ( м2   '0 ) 2 x 2 2 м   '0 , (10) ' '  м2   м12 2 / 2 1 м м ; k м1х  k x / k м1 ; м1 і  м2 - довжини хвиль сигналів, збуджених 2 2 / 2 1  1 м м однорідним ізотропним наноматеріалом першого та другого стандартних зразків, відповідно. Дійсно, якщо поділити аналітичні вирази (9) і (6), то отримаємо: де  '0  2 x 45 2 1 м або 2 x 2 2 м  k м0k x ( '0   'x ) k ( '   'x )  x 0  k м1х ' ' k м0k м1( '0   м1 ) k м1( '0   м1 )  '0   'x (11) '  '0   м1  k м0k x ( '0   'x ) k ( '   'x )  x 0  k м2 х ' ' k м0k м2 ( '0   м1 ) k м2 ( '0   м1 ) 6  '0   'x . (12) '  '0   м2 UA 99967 C2 Рішення (11) та (12) відносно  'x дає: ' k м1х ( м1   '0 ) 2 x 2 1 м   '0   'x , (13) або ' k м2 х (  м2   '0 ) 5 2 x   '0   'x , (14) 2 2 м З рівнянь (13) та (14) визначаємо рівняння вимірювань (9) та (10). При k x  k м1 k м1х  1, а '  'x  (  м1   '0 ) 2 x 2 1 м   '0 , (15) 2 '  'x  ( м2   '0 ) x   '0 . (16) 2 2 м Для визначення  '0 поділимо (8) на (7): ' ' k k ( '   м2 ) k м2 ( '0   м2 ) . (17)  м0 м2 0  ' ' 2 1 k м0k м1( '0   м1 ) k м1( '0   м1 ) м 2 2 м 10 З (17) знайдемо рівняння вимірювань для  '0 у вигляді:  2 2 ' 2  ' м м1  k м12 м2   '0  k м12  м2  (18)  2 1 2 1  м м   З (18) маємо: 15 ' k  '   м12 2 / 2 1 м м . (19)  '0  м12 м2 2 2 / 2 1  k м12 м м Оскільки магнітні властивості однорідного ізотропного наноматеріалу першого та другого стандартних зразків однакові (k м1  k м2  k м ) , то остаточно маємо: '  '   м12 2 / 2 1 м м . (20)  '0  м2 2 2 / 2 1  1 м м Тоді, для усіх однорідних властивостями маємо: '  'х  (  м1   '0 ) 20 25 2 х 2 1 м ізотропних наноматеріалів з однаковими магнітними   '0 , (21) де  '0 визначається за рівнянням вимірювання (18). Про уявну складову комплексної діелектричної проникності судять за рівнянням вимірювань   2 ' '  'x  tg x1 k м1х (м1   '0 ) x   '0  , (22) 2  м1     де  x  м1   м1 x , (23) tg x1  k 2  x  м1  k 2  x  м1 2 або   2 ' '  'x  tg x2 k м2х (м2   '0 ) x   '0  , (24) 2  м2     де  x  м2   м2  x . (25) tg x 2  k 2  x  м2  k 2  x  м2 2 7 UA 99967 C2 Дійсно, 5 якщо то і tg0  k 2 0 / 0 tgм1  k 2 м1 / м1 , tgм2  k 2м2 / м2 tg х  k 2  х /  х . Визначимо кути витрат: 0  arctgk 2  0 /  0 , м1  arctgk 2 м1 / м1 , м2  arctgk 2 м2 / м2 і  х  arctgk 2  х /  х . Визначимо зміну (різницю) кутів втрат двох стандартних зразків однорідного ізотропного наноматеріалу та досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу через відомі параметри, тобто: м10  м1  0  arctgk 2 м1 / м1  arctgk 2  0 /  0 ;  х0   х  0  arctgk 2  х /  х  arctgk 2  0 /  0 та 10 15 20 25 30 35 40  х  м1      x  м1 х  м1  (26)   х1   х  м1  arctgk 2  arctgk 2  arctgk 2 x  м1  2  х  м1   1 k 2   х  м1   або  х  м2       x  м2 х  м2 k 2  (27)  х2   х  м2  arctgk 2  arctgk 2  arctg x  м2  2  х  м2   1 k 2   х  м2   Остаточно маємо:  х  м1  х  м1  х  м1   м1 х , (28) tg х1  k 2  k2  х  м1  х  м1  k 2  x  м1 2 1 k2 2  х  м1 а  х  м2  х  м2  х  м2   м2  х . (29) tg х 2  k 2  k2  х  м2 2  х  м2  k 2  x  м2 2 1 k 2  х  м2 При цьому для біологічних однорідних ізотропних наноматеріалів, яким притаманні ефекти флюоресценції, тобто тих, що флуктуюють під дією, зокрема, імпульсного ультрафіолетового випромінювання, довжина хвилі зондуючого оптичного імпульсного сигналу заданої форми і потужності встановлюють меншою, ніж м1 на (1...5)м1 , тобто 'м   м  (1...5) м . На прикладі роботи цифрового вимірювача комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів, структурна схема якого наведена на фіг. 1, пояснимо суть запропонованого способу. Слід зазначити, що цифровий вимірювач, структурна схема якого наведена на фіг. 1, містить оптичну систему 3 таку, як у конфокального скануючого растрового спектрального мікроскопу. Робота цифрового вимірювача складається з трьох тактів візуалізації та спектрального аналізу першого стандартного зразка однорідного ізотропного наноматеріалу, другого стандартного зразка однорідного ізотропного наноматеріалу та досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу. Після включення цифрового вимірювача всі функціональні блоки встановлюються у початковий стан. Спочатку, за допомогою клавіатури 20, спеціальної програми, записаної у постійний запам'ятовуючий пристрій 18 і маніпулятора (на фіг. 1 маніпулятор не показаний) на предметний стіл 4 цифрового вимірювача встановлюють перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу з нормованими за значенням площею, товщиною і комплексною діелектричною проникністю м1 . Контроль за встановленням зразка наноматеріалу здійснюється оператором (див. око 23 оператора на фіг. 1) за допомогою оптичної системи 12 і окуляра 14, які підключені, через конфокальну діафрагму 10 і відбивне дзеркало 8, до потоку оптичного випромінювання, відбитого від напівпрозорої пластини 9. Переміщення предметного столу здійснюється за допомогою першого та другого виконавчих механізмів 6 та 7 за допомогою клавіатури 20 і відповідного програмного забезпечення. За допомогою клавіатури 20 встановлюються також необхідні параметри оптичного імпульсного сигналу, що надходить на вхід кодокерованого джерела 1 оптичного 8 UA 99967 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 випромінювання. За допомогою кодокерованого джерела 1 оптичного випромінювання (лазера) за програмою, записаною у постійному запам'ятовуючому пристрою 19 цифрового вимірювача, формують зондуючий оптичний імпульсний сигнал заданої форми, потужності та довжини хвилі  0 (фіг. 1). Оптичний імпульсний сигнал з виходу джерела 1 надходить на оптичну систему 3 через точкову діафрагму-джерело 2. За допомогою оптичної системи 3 він фокусується на перший стандартний зразок наноматеріалу. Протягом часу дії оптичного імпульсного сигналу здійснюється накачка однорідного ізотропного наноматеріалу першого стандартного зразка з відомою за значенням комплексною діелектричною проникністю м1 при апріорі заданій чи встановленій температурі. Візуалізують оптичне зображення першого зразка та його випромінювання шляхом підсилення отриманого оптичного зображення у k оп рази у оптико-електронному каналі. Останній складається з оптичної системи 3, конфокальної діафрагми 11, цифрового відеосенсора 13 (ПЗЗ матриці). Цифровий код оптичного випромінювання з виходу відеосенсора 13 надходить на порт А мікроконтролера 15. За допомогою спеціальної програми, записаної у постійному запам'ятовуючому пристрої 18, здійснюється спектральний аналіз оптичного сигналу від збудженого (накаченого) однорідного ізотропного наноматеріалу першого стандартного зразка наноматеріалу. Отриманий спектр оптичного сигналу висвітлюється та графічному дисплею спектроаналізатора 17. За допомогою спеціального програмного забезпечення виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу від однорідного ізотропного наноматеріалу першого стандартного зразка, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою на відеоконтрольному пристрої 21. За допомогою програми, записаної в постійний запам'ятовуючий пристрій 18, визначають довжину хвилі м1 та ширину  м1 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні е 1 / 2  0,606 . Отримані значення запам'ятовують у оперативному запам'ятовуючому пристрої 19 і висвітлюють на цифровому відліковому пристрої 16. Далі, по команді з мікропроцесора 15, за допомогою маніпулятора перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу замінюється другим зразком з тими ж нормованими за значенням площею та товщиною, але з іншою за значенням комплексною діелектричною проникністю м2 . Таким же чином, як й у першому такті, зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують (накачують) наноматеріал другого стандартного зразка однорідного ізотропного наноматеріалу при тій же заданій температурі. За допомогою того ж програмного забезпечення, здійснюється спектральний аналіз оптичного сигналу від однорідного ізотропного наноматеріалу другого стандартного зразка. Отриманий спектр оптичного сигналу висвітлюється та графічному дисплею спектроаналізатора 17. Виділяють огинаючу спектра оптичного сигналу від збудженого (накаченого) однорідного ізотропного наноматеріалу другого стандартного зразка та визначають довжину хвилі  м2 та ширину м2 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на тому ж рівні 0,606. Отримані значення запам'ятовують у оперативному запам'ятовуючому пристрої 19 і висвітлюють на цифровому відліковому пристрої 16. Після запам'ятовування отриманих даних, по команді з мікропроцесора 15 за допомогою маніпулятора замінюють другий стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом того ж нормованого за значенням об'єму, але з невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю  x . Зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують (накачують) досліджуваний однорідний ізотропний наноматеріал при заданій температурі. В результаті проведення третього такту, який аналогічний першим двом, визначають довжину хвилі  x та ширину  x огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу від досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу на тому ж рівні 0,606. Отримані значення запам'ятовують у оперативному запам'ятовуючому пристрої 19 і висвітлюють на цифровому відліковому пристрої 16. У четвертому такті здійснюється визначення дійсної складової комплексної діелектричної проникності судять за рівнянням вимірювань (9) або (10) та (11), чи (16) або (17) та (21), а уявної складової - за рівнянням вимірювань (23), (24) або (25), (26) та (29) і (30). Отримані значення запам'ятовуються в постійному запам'ятовуючому пристрої 18 і висвітлюються на цифровому відліковому пристрої 16. 9 UA 99967 C2 5 Таким чином, описаний цифровий вимірювач, функціональна схема якого наведена на фіг. 1, забезпечує реалізацію запропонованого способу визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів. В цілому, запропонований спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів створений на основі класичного методу вимірювання методу порівняння з стандартним зразком наноматеріалу. Він забезпечує зменшення похибки вимірювання до похибок того же порядку, що й похибка відтворення комплексної діелектричної проникності стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 20 25 1. Спосіб визначення комплексної діелектричної проникності однорідних ізотропних наноматеріалів, що заснований на формуванні зондуючого оптичного імпульсного сигналу заданої форми, потужності та довжини хвилі  0 , збудженні ним наноматеріалу з невідомою за значенням комплексною діелектричною проникністю, підсиленні оптичних зображень наноматеріалу та його випромінювання у k оп рази, виділенні огинаючої спектра відбитого чи збудженого оптичного сигналу, визначенні параметрів огинаючої з наступним обчисленням комплексної діелектричної проникності за рівняннями вимірювань, який відрізняється тим, що спочатку зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу з нормованими за значенням площею та товщиною і з ' '' комплексною діелектричною проникністю м1  м1  jм1 при апріорі заданій температурі, згенерований першим стандартним зразком однорідного ізотропного наноматеріалу оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, методом спектрального аналізу визначають та запам'ятовують значення центральної резонансної довжини хвилі м1 та ширини м1 огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні е 1/ 2  0,606 , замінюють перший стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу другим з тими ж нормованими за значенням площею та товщиною, але з іншими значеннями комплексної діелектричної 30 35 40 45 ' '' проникності м2  м2  jм2 , аналогічним чином зондуючим оптичним імпульсним сигналом збуджують однорідний ізотропний наноматеріал другого стандартного зразка при тій же температурі, оптичний сигнал, згенерований однорідним ізотропним наноматеріалом другого стандартного зразка, підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, методом спектрального аналізу визначають та запам'ятовують значення центральної резонансної довжини хвилі  м2 та ширини м2 спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606, замінюють другий стандартний зразок однорідного ізотропного наноматеріалу досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом з такими ж площею та товщиною, але з невідомою за значенням комплексною діелектричною ' проникністю  х   'х  j 'х , після збудження зондуючим оптичним імпульсним сигналом досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу при апріорі заданій температурі, згенерований ним оптичний сигнал підсилюють до наперед заданого рівня, виділяють огинаючу спектра підсиленого оптичного сигналу, візуалізують і представляють її у прямокутній системі координат разом зі шкалами та координатною сіткою, після визначення та запам'ятовування центральної резонансної довжини хвилі  х та ширини  х огинаючої спектра підсиленого оптичного сигналу на рівні 0,606, визначають дійсну складову комплексної діелектричної проникності  'x за рівняннями вимірювань '  'x  k м1х ( м1   '0 ) 2 x 2 1 м   '0 або 50 2 '  'x  k м2 х ( м2   '0 ) x   '0 , 2 2 м 10 UA 99967 C2 де  '0  ' '  м2   м12 2 / 2 1 м м 2 2 / 2 1  1 м м ; kм1х  k x / kм1 ;  '0 - початкова діелектрична проникність; 5 k м1 , kм2 та k x - коефіцієнти, що враховують магнітні та енергетичні властивості першого і другого стандартних зразків однорідних ізотропних наноматеріалів та досліджуваного однорідного ізотропного наноматеріалу, відповідно; м1 ,  м2 та  x - довжини центральних резонансних хвиль огинаючих спектрів сигналів, збуджених першим і другим стандартними зразками однорідних ізотропних наноматеріалів та досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом, відповідно, а уявну складову ' комплексної діелектричної проникності  'х визначають за рівняннями вимірювань 10 15 20   2 ' ' 'х  tg x1 k м1х (м1  '0 ) x  '0  , 2 1   м   де  x  м1   м1 x , tg x1  k 2  x  м1  k 2  x  м1 2 або   2 ' ' 'х  tg x 2 k м2х (м2  '0 ) x  '0  , 2 2   м   де  x  м2   м2 x tg x 2  k 2 ,  x  м2  k 2  x  м2 2 tg x1 і tg x2 - тангенси різниці кутів діелектричних витрат між досліджуваним однорідним ізотропним наноматеріалом та першим і другим стандартними зразками однорідних ізотропних наноматеріалів, відповідно. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що для однорідних ізотропних наноматеріалів з ефектом флюоресценції довжина хвилі зондуючого ультрафіолетового оптичного імпульсного сигналу заданої форми і потужності встановлюють в межах 0   x  (1...5)м . 11 UA 99967 C2 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 12