Квазіоптичний діелектрометр

1 Квазіоптичний діелектрометр, що містить вимірювальний діелектричний резонатор, з'єднаний з надвисокочастотним генератором для збудження хвиль типу "шепочучої галереї" та приймачем, який відрізняється тим, що у резонаторі утворена канавка з концентричними боковими поверхнями шириною a S 0.5R на відстані b S A від бокової поверхні резонатора(де R - радіус резонатора, А - довжина хвилі "шепочучої галереї"), а торці резонатора закриті провідними пластинами 2 Квазіоптичний діелектрометр за п 1, який відрізняється тим, що в провідних пластинах, які закривають торці резонатора, виконано отвори Винахід, що пропонується, належить до галузі мікрохвильової техніки для визначення комплексної діелектричної проникності у мікрохвильовому діапазоні та може застосовуватися у будь-якій області народного господарства, де діелектрична проникність обумовлює параметри твердих, порошкоподібних та рідких речовин Вимірювання діелектричної проникності являється і технічною задачею для визначення дійсної та уявної частин діелектричної проникності є' та є", ВІДПОВІДНО, заново створених речовин, і науководослідною задачею визначення залежностей компонент тензора діелектричної проникності речовини від частоти, температури, тиску та т ш Окремо слід наголосити на ДОЦІЛЬНОСТІ вимірювань діелектричної проникності у мікрохвильовому діапазоні води та водних розчинів, у тому числі бюрозчинів Методом мікрохвильової діелектрометрм досліджуються електричні характеристики фракцій крові, жовчі та т ш [Кузнецов А Н , Турковский И И , Волкова И А КВЧ-диэлектрометрия биологических жидкостей в условиях нарушенного водного обмена // Биофизика 2001 т 46, №6, с 1122 1125] способах їх розміщення в резонаторах, методиці досліджень [А А Брандт Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах М Физматиз, 1963, с 88 - 144] Задача визначення дійсної частини діелектричної проникності є' та кута діелектричних втрат tg5(tg5 = є"/2є') зводиться до розв'язання рівнянь електромагнітного поля для тої чи іншої конфігурації резонатора Цей розв'язок має враховувати вплив дослідного зразка діелектрика, який вмонтовано у резонаторі Строго задача розв'язана лише для найпростіших форм резонаторів - прямокутного, циліндричного та коаксіального, При великих значеннях діелектричної проникності та кута діелектричних втрат доводиться використовувати досліджувані зразки, які заповнюють лише невелику частину об'єму резонатора, та наближені методи розрахунку Для дослідження діелектричних властивостей речовини у мікрохвильовому діапазоні найчастіше використовуються резонансні методи Спостерігають та порівнюють резонансні частоти та добротності резонатора без зразка та з ним Різниця описаних методів полягає лише в типах використовуваних резонаторів, формах зразків, Квазіоптичні діелектричні резонатори(КДР) [А А Баранник, Ю В Прокопенко, Т А Смирнова, Ю Ф Филиппов, Н Т Черпак Кольцевой квазиоптический резонатор с проводящими торцевыми стенками Сб Радиофизика и электроника 2001 №2 ИРЭ Харьков, с 201 - 205] дозволяють вимірювати комплексну діелектричну проникність діелектрика, з якого виготовлено КДР, при цьому можливо послідовно визначати структуру поля в резонаторі та, ВІДПОВІДНО, знаходити комплексні власні частоти із перших принципів, а саме - із рівнянь Максвелла Вивчення спектра резонансних частот КДР з внутрішнім отвором, що заповнений повітрям або іншим діелектриком, показує, 00 (О ю о> ю 59568 чої галереї", котра двократно вироджена по азимущо хвилі типу шепочучої галереї поширюються в ту Неоднорідність в резонаторі у вигляді одної ньому поки межа між прошарками співпаде з внутщілини знімає виродження по азимуту та розщепрішньою каустикою резонатора лює кожен резонансний пік на два Друга щілина, Відомий пристрій для вимірювання параметрів яка прорізана під кутом © = ті/2 відносно першої діелектричних матеріалів [А с СССР №991828, М 2 компенсує розщеплення Введення у другу щілину Кп G 01 R 27/26, 1976] має вимірювальний резодосліджуваного матеріалу приводить до розщепнатор у вигляді диска з вирізом або отвором, вісь лення резонансів з непарним азимутальним індекякого паралельна осі діелектричного диска, поєдсом п Величина розщеплення монотонно зростає наного з високочастотним генератором та індиказі збільшенням є' Радіус, висота резонатора, довтором Досліджувана речовина розміщується у жина та ширина щілини вибираються із визначевирізі та змінює характеристики резонатора Інних співвідношень, пов'язаних з діелектричною тервал частот між резонансами та різниця їх смуг проникністю резонатора пропускання реєструється індикатором і дозволяє знайти діелектричні параметри досліджуваного Адитивною якістю цього пристрою є некритичматеріалу ність до розмірів поверхні зразків у вигляді пласПеревага такого пристрою у тому, що у діелектин та плівок, що дає змогу обміряти зразки локатричному резонаторі виріз за відсутністю струмів льно по їх поверхні при наявності в них провідності значно менше впливає на властивості структурних змін вимірювального резонатора, ніж виріз або роз'єм Недоліком цього пристрою є необхідність грау порожнистих металевих резонаторах дуювання з використанням пластин з відомими Недоліком цього пристрою є виродження владіелектричними проникностями Крім того, на ресних коливань за рахунок нерегулярності, яку зультати вимірювань впливає температура навкоутворює щілина або отвір та, ВІДПОВІДНО, загущенлишнього середовища, тому що діелектричні проня спектра При введенні діелектрика, що досліникності досліджуваного зразка та еталона можуть джується, в щілину(або отвір) досить важко слідмати різні температурні залежності кувати за зміщенням частот Для отримання В основу запропонованого пристрою поставвисокої точності є' матеріалу, що досліджується, лена задача в квазіоптичному діелектрометрі мусить не дуже відрізнятися від є' матеріалу диска, шляхом розміщення досліджуваної речовини кона є", взагалі має бути малим, інакше ширина резоцентричним прошарком у вимірювальному резонанансних кривих сильно збільшується, а амплітуда торі та порівняння експериментально виміряних та їх - зменшується Альтернативою може бути зметеоретично розрахованих резонансних характериншення досліджуваного зразка, та відповідне звустик діелектричного дискового резонатора з провіження щілини, що ставить додаткові умови стосодними торцевими стінками забезпечити підвищенвно є' дослідного матеріалу, інакше знижується ня точності вимірювань та розширення діапазону точність вимірювань значень є, що вимірюється, а також можливість досліджень динаміки змін діелектричної проникноВідомим Є діелектричний резонатор, який дості для речовин, що протікають через канавку у зволяє вимірювати діелектричну проникність рірезонаторі дин, газів та порошкоподібних матеріалів [А с СССР №1107072, М Кл 3 G 01 R 27/26, G 01 R Поставлена задача розв'язується таким чи7/10, 1984], який виготовлено у вигляді циліндра із ном у квазіоптичному діелектрометрі, що містить в и со код об ротного діелектрика з осьовим отвором, вимірювальний діелектричний резонатор, поєднакільцевими канавками по боковій поверхні, з'єднаний з надвисокочастотним генератором для збуними з осьовим отвором радіальними проходами дження хвиль типу "шепочучої галереї" та приймаРозміри циліндра повинні задовольняти певним чем, створюється в резонаторі канавка з умовам, що пов'язують радіус резонатора з довконцентричними боковими поверхнями так, щоб жиною хвилі та діелектричними проникностями досліджувана речовина, що заповнює цю канавку, матеріалу резонатора та досліджуваної речовини взаємодіяла з полем хвилі "шепочучої галереї" Недоліком цього пристрою є відносна складність Канавку слід розміщувати так, щоб її зовнішня резонатора, велика КІЛЬКІСТЬ рідини або газу, щоб сторона заходила в область каустики хвилі "шепорезонатор можна було занурити у досліджувану чучої галереї" Підвищення точності вимірювання речовину, та ще бажана прокачка рідини або газу, забезпечується строгим розв'язком електродинащоб уникнути повітряних бульбашок Окрім цього, мічної задачі цей пристрій також має обмеження по є' та є" доСуть винаходу пояснюють ілюстрації на фіг 1 сліджуваних речовин зображено схему діелектрометра, на фіг 2 та фіг З показано порівняння теоретичних залежностей Найбільш близьким по технічній суті аналорізниці резонансних частот НЕ nso коливань резогом(прототипом) є пристрій для вимірювання комнатора з досліджуваною речовиною та без неї від плексної діелектричної проникності матеріалів у розмірів канавки для різних значень є' та tg5 домікрохвильовому діапазоні [А с СССР №1626136, сліджуваних речовин, та експериментально виміМ Кп 5 G 01 R 27/26, 1991] Цей пристрій має виряних тих же залежностей для одної з речовин, що мірювальний діелектричний резонатор, поєднаний нами досліджувались(для даного прикладу п = 36, з надвисокочастотним генератором та індикатоs=1) ром, при цьому вимірювальний діелектричний резонатор виконано у вигляді диска, у якому вздовж Запропонований квазіоптичний діелектрометр радіуса від бокової поверхні прорізані дві щілини містить у собі діелектричний резонатор 1 з утвопід кутом © = ті/2 У вимірювальному діелектричреною канавкою 2, затиснутий між двома металеному резонаторі збуджується хвиля типу "шепочувими пластинами 3, які мають технологічні отвори 59568 кільцевого діелектричного резон ато ра(КДР) вимірювався по схемі "на проходження" при слабкому зв'язку Експериментально вимірюються частоти та добротності коливань, що спостерігаються, визначається їх тип, а потім виміряні частоти та добротності порівнюються з теоретично розрахованими спектральними характеристиками радіальнодвошарового резонатора 3 цією метою розроблено спеціальну програму, котра дозволяє проводити розрахунки та порівняння з експериментальними результатами на комп'ютері Запропонований квазіоптичний діелектрометр був виготовлений та випробуваний у діапазоні ЗО бОГГц, діаметр резонатора дорівнював 78мм, його висота - 7мм, внутрішній діаметр канавки дорівнював 50мм, а ЗОВНІШНІЙ під час досліджень змінювався від 52 до 72мм Крок зміни ширини канавки зменшувався при наближенні її зовнішньої поверхні до лінії каустики Глибина канавки змінювалась від 1 до 6мм Канавка може залишатися пустою, тоді в розрахунках є' внутрішнього шару резонатора дорівнює 1, що дає змогу визначити або уточнити є' матеріалу резонатора Потім канавка заповнюється речовиною, що досліджується Квазіоптичний діелектрометр був випробуваний на твердих речовинах з є, виміряних іншими методами або добре відомими з літератури - лейкосапфірі, спеціальній пластмасі, рідинах - спирті, гліцерині, веретенному маслі, бензині КвазіоптичЗапропонований пристрій працює таким чиний діелектрометр за зміною вимірюваної діелектном в діелектричному резонаторі 1 дзеркальними ричної проникності фіксує різні сорти бензину діелектричними хвилеводами 2 збуджуються хвилі "шепочучої галереї" Спектр резонансних частот 4 Канавка заповнюється вимірювальною речовиною, яка фіксується знизу дном канавки, а зверху одною з металевих пластин, між якими затиснуто резонатор Отвори в металевих пластинах закриті заглушками 5 із того ж металу, що і пластини, якщо вимірюються діелектричні параметри речовини, що знаходиться в канавці за п 1, або підключаються до трубопроводу, де переміщується вимірювана рідина, газ або сипуча речовина в разі використання винаходу за п 2 Дзеркальні діелектричні хвилеводи 6, закриті з одного боку узгодженими навантаженнями 7, а з другого - під'єднані до генератора та приймача, ВІДПОВІДНО, призначені для збудження резонатора Висота диска L вибирана такою, щоб аксіальний номер коливань, що спостерігаються, був не більший 1(l_ s Л), а радіус диска R = Л/2тіп, де п - число довжин хвиль по периметру резонатора ЗОВНІШНІЙ діаметр канавки знаходиться на відстані ^Л від периметра резонатора, а внутрішній може досягати 0.5R резонатора так, щоб зручно було закріплювати металеві пластини, які екранують торці вимірювального резонатора Для виготовлення резонатора слід вибирати матеріал з малими діелектричними втратами^дб s 10 3 ), величина його діелектричної проникності(є') може бути довільною, механічні характеристики краще такі, що дають змогу обробляти виріб станком від генератора' • • • '•• ' до приймача Г ФіГІ 50-, 0 -50-1 400 -150 -250-300 -350-1 І»іг2 59568 с = 1 о С- f « T S = i n Х.О, I g u Lv s=1.8;tg6=10"1 5000. e=1.8;tg5=l x бензин 3000•є* Ч- 2000О З 4 г 2 - г ]5 мм ФІГЗ Комп'ютерна верстка І Вихованець Підписано до друку 06 10 2003 Тираж39 прим Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, Львівська площа, 8, м Київ, МСП, 04655, Україна ТОВ "Міжнародний науковий комітет", вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна