Квазіоптичний діелектрометр

1. Квазіоптичний діелектрометр, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска, з двома торцевими провідними пластинами, надвисокочастотний генератор для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймач, який відрізняється тим, що на відстані 2 (19) 1 3 ческих проницаемостей вещества на сверхвысоких частотах // Успехи физ. наук. - 1961. - 74. С.721-755]. Крім того, їх властивість дуже чутлива до змін температури. Тому необхідна розробка надійних методів вимірювання, які б дозволили визначати властивості досліджуваних об'єктів. До таких методів можна віднести мікрохвильові методи, направлені на вимірювання комплексної діелектричної проникності рідин з великими втратами. Для вивчення комплексної діелектричної проникності таких матеріалів в мм діапазоні знайшли застосування різні методи, засновані на використанні хвилеводних ліній передачі в широкому діапазоні частот. Проте більшу чутливість мають резонаторні методи, які відрізняються видом резонансної системи та типом збуджуваних в них коливань. Більш висока чутливість їх забезпечується "багатопрохідним характером" взаємодії мікрохвильового поля з досліджуваною речовиною в процесі резонансних вимірювань [Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: Физматгиз, 1963. - 404с.]. Важливою стає також і можливість проводити вимірювання зразків достатньо малих об'ємів. При вимірюванні i tg речовин з великими втратами застосування таких структур викликає певні труднощі, що насамперед пов'язано зі зниженням добротності резонаторів. На цей час більш широке застосування знайшли відкриті резонаторні системи, що мають достатню чутливість, зручні в експлуатації. Добротність їх може досягати достатньо високих значень, що дозволяє з великою точністю виміряти малі значення втрат. З цієї точки зору все більш зручними стають методи вимірювання, засновані на квазіоптичному розповсюдженні хвиль. Серед даного типу систем резонаторів особливо виділяються квазіоптичні діелектричні резонатори (КДР) з хвилями шепочучої галереї, що дозволяють працювати у достатньо широкому діапазоні довжин хвиль [Диэлектрические резонаторы. / М.Е. Ильченко, В.Ф. Взятышев, Л.Г. Гасанов и др. / Под ред. М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989. 328с.]. Відомо, що для дослідження матеріалів з діелектричною проникністю ' 1 100 та тангенсом діелектричних втрат tg ' ' / ' 10 1 у діапазоні частот 20-300ГГц доцільно використовувати в діелектрометрах вимірювальний діелектричний резонатор з азимутальними коливаннями [Диэлектрические резонаторы / М.Е. Ильченко, В.Ф. Взятышев, Л.Г. Гассанов и др.; Под ред. М.Е. Ильченко. - М.: Радио и связь, 1989. - 328с.]. Вибір матеріалу для виготовлення вимірювального діелектричного резонатора залежить від величин ' та ' ' матеріалу, що досліджується. Якщо досліджуються речовини з малими втратами tg 10 3 та діелектричними проникностями ' 10 , то й матеріал для виготовлення вимірювального резонатора доцільно вибирати з подібними характеристиками (наприклад, діелектричній дисковий резонатор з лейкосапфіру забезпечує похибку при вимірюванні ' 0,05%, a tg 1% ). Високі точно 16396 4 сті у такого резонатора обумовлені його високою власною добротністю Q0 в міліметровому діапазоні хвиль (Q0~105 при кімнатній температурі та Q0~108-109 при температурі рідкого гелію). Відомий пристрій для вимірювання параметрів діелектричних матеріалів [А.с. СССР №991828 МКИ4 G01R27/26, 1985]. Він має вимірювальний резонатор у вигляді діелектричного диску з вирізом, поєднаного з надвисокочастотним генератором та індикатор. Виріз може бути виконаний у вигляді радіальної щілини або отвору, вісь якого паралельна осі діелектричного диску, окрім цього пристрій має механізм, що змінює ширину радіальної щілини. У вимірювальному діелектричному резонаторі збуджується хвиля типу "шепочучої галереї", котра двократно вироджена по азимутальному індексу. При розміщенні досліджуваного діелектричного матеріалу в щілині знімається виродження власних коливань, яке властиве резонаторам біжучої хвилі. Кожна з резонансних частот вимірювального резонатора розщеплюється на дві стоячі хвилі, одна з них має пучність поперечного (електричного) поля, а друга - вузол того ж поля в місці знаходження нерегулярності. Недоліком цього пристрою є необхідність виготовлення вимірювальних зразків за розмірами щілини або отвору у резонаторі, досить великі розміри зразків, інакше необхідно враховувати повітряні зазори у щілині чи отворі, що знижує точність вимірювання діелектричної проникності. Не можна на цьому пристрої вимірювати дійсну та уявну частини діелектричної проникності рідин, сипучих та газоподібних речовин. Відомим є діелектричний резонатор, який дозволяє вимірювати діелектричну проникність рідин, газів та сипучих матеріалів з малими втратами [А.с. СССР №1107072 МКИ3 G01R27/26; G01К7/10, 1984], який виготовлено у вигляді циліндра із високодобротного діелектрика з осьовим отвором, кільцевими канавками по боковій поверхні, з'єднаними з осьовим отвором радіальними проходами. Недоліками цього пристрою є відносна складність резонатора, велика кількість рідини або газу для повного занурення резонатора в досліджувану речовину, розміри резонатора повинні задовольняти певним умовам, що пов'язують радіус резонатора з довжиною хвилі та діелектричними проникностями матеріалу резонатора та досліджуваної речовини. Діелектрична проникність речовини має бути меншою від проникності матеріалу резонатора. Найбільш близьким за технічною суттю є квазіоптичний діелектрометр [Патент України №59568А, МКИ7 G01R27/26, 2003], який містить вимірювальний діелектричний резонатор, поєднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу "шепочучої галереї" та приймачем. У резонаторі, затиснутому двома металевими пластинками з металевими отворами, створена канавка з концентричними боковими поверхнями так, щоб досліджувана речовина, що заповнює цю канавку, взаємодіяла з полем хвилі "шепочучої галереї", які збуджуються діелектричними хвилеводами. Канавка заповнена вимірювальною речовиною фіксується знизу дном канавки, а з верху 5 одною з металевих пластин. Спектр резонансних частот кільцевого діелектричного резонатора вимірюється за схемою "на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з теоретичними. Недоліком цього пристрою є неможливість його використання для дослідження рідин малих об'ємів, до яких можуть відноситись біологічні об'єкти та різні бінарні з'єднання та які мають великі значення діелектричних втрат. При роботі з даним типом резонатора досліджуваній речовині надається форма диска (кільця). В цьому випадку, при роботі з рідкими діелектриками важко забезпечити однорідність досліджуваної речовини, що виміряється, по товщині, яка порушується унаслідок поверхневого натягнення або утворення пухирців на поверхні в області поля. Ці труднощі особливо виразні у разі рідин, які мають високі діелектричні втрати (наприклад, вода, ацетон та інші). Наявність навіть дуже маленького пухирця повітря в канавці з рідиною може привести до великих погрішностей, що унеможливлює її досліджування у динамічному режимі. В основу корисної моделі поставлено задачу удосконалення квазіоптичного діелектрометра шляхом взаємодії хвилі шепочучої галереї максимальної амплітуди поля з досліджуваною речовиною, що забезпечить підвищення точності вимірювання та розширення діапазону значень діелектричних втрат. Поставлена задача вирішується тим, що у квазіоптичному діелектрометрі, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, виконаний у вигляді диска, з двома торцевими провідними пластинами, надвисокочастотний генератор для збудження хвиль типу шепочучої галереї та приймач, згідно корисної моделі, на відстані p (де p - довжина хвилі шепочучої галереї в резонаторі) від бокової поверхні резонатора має місце отвір для розміщення в ньому ємності з досліджуваною речовиною. В одній з провідних пластин, співісно з отвором для розміщення досліджуваної речовини в резонаторі, може бути розміщено отвір і циліндровий резонатор з поршнем для підстроювання досліджуваного сигналу. Ємність виконана з можливістю переміщення досліджуваної речовини через отвір. Суть корисної моделі пояснюється ілюстраціями: на Фіг.1 зображено схему діелектрометра за п.1; на Фіг.2 зображено схему діелектрометра за п.2 та п.3; на Фіг.3 показано порівняння втрат та частотного зсуву для досліджуваних рідин (етило 16396 6 вий спирт, ацетон, вода), розташованих у ємності, відносно ємності з повітряним заповненням. Запропонований квазіоптичний діелектрометр містить у собі діелектричний вимірювальний резонатор 1 з аксіальним отвором 2, затиснутий між двома металевими пластинами 3. Ємність з досліджуваною речовиною 4 виконана з можливістю дослідження речовини, як фіксованого об'єму, так і для проточної речовини. Дзеркальні хвилеводи 5 та 6 використовуються для збудження хвиль шепочучої галереї у діелектричному резонаторі, які з одного боку з'єднані з генератором (хвилевод 5), а з другого - з приймачем (хвилевод 6). Циліндричний резонатор 7 з поршнем 8 розташовано в провідній пластині співісно з отвором 3 для підстроювання досліджуваного сигналу. Висоту h резонатора 1 вибрано такою, щоб збуджувалися лише коливання з аксіальним числом 1. Ця умова виконується при L n, де n - довжина хвилі, на якій працює діелектрометр, а радіус вимірювального резонатора R n / 2n , де n - число довжин хвиль по периметру резонатора. Запропонований пристрій працює таким чином: у діелектричному вимірювальному резонаторі 1 з дзеркальними діелектричними хвилеводами 5 та 6 збуджуються хвилі шепочучої галереї. Спектр резонансних частот резонатора 1 вимірюється за схемою "на проходження" при слабкому зв'язку. Експериментальне вимірюються частоти та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, циліндричним резонатором з поршнем сигнал підстроюється до максимального значення, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з відповідними величинами для резонатора, зразками, виміряними на цьому ж діелектрометрі або порівнюються з теоретично розрахованими. Запропонований квазіоптичний діелектрометр був виготовлений та випробуваний у діапазоні 3740ГГц, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - L=7,2мм, внутрішній діаметр ємності для дослідження речовини змінювався від 0,45мм до 1,85мм. Найменший внутрішній діаметр ємності з фторопласту забезпечував мінімальну кількість досліджуваної речовини, що досить вагомо для біофізичних та медико-біологічних досліджень. Квазіоптичний діелектрометр було випробувано на рідинах - вода, етиловий спирт, ацетон; а також, вимірювалася концентраційна залежність спирту у воді, в тому числі, в динамічному стані при проходженні рідини через ємність розташовану у резонаторі. 7 Комп’ютерна верстка А. Рябко 16396 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601