Векторно-аналізаторний інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів

Реферат: Векторно-аналізаторний інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів, який містить послідовно розміщені джерело випромінювання, вхідну фокусуючу лінзу, поляризатор, а також послідовно розміщені аналізатор, вихідну фокусуючу лінзу та приймач випромінювання, крім того між поляризатором та аналізатором по ходу променя послідовно розміщені перша фокусуюча лінза, тримач зразка та друга фокусуюча лінза, причому як джерело та приймач випромінювання використано частотні розширювачі, які під'єднані до векторного аналізатора, а вихідна фокусуюча лінза та приймач випромінювання встановлені з можливістю їх сумісного лінійного переміщення вздовж напряму поширення випромінювання. UA 93863 U (54) ВЕКТОРНО-АНАЛІЗАТОРНИЙ ІНТЕРФЕРЕНЦІЙНИЙ ПРИСТРІЙ ВИМІРЮВАННЯ ДІЕЛЕКТРИЧНОЇ ПРОНИКНОСТІ МАТЕРІАЛІВ UA 93863 U UA 93863 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до матеріалознавства, а саме до пристроїв, які визначають фізичні параметри матеріалів. Відомий пристрій для вимірювання головних компонент тензора діелектричної проникності матеріалів у діапазоні субміліметрових довжин хвиль [Волков А.А. Субмиллиметровый спектрометр "Эпсилон" на основе ламп обратной волны / А.А. Волков, Ю.Г. Гончаров, Г.В. Козлов [та ін.] // Электронная техника. - 1984. - T. 11, Cep. 1 - С. 38-41], який містить послідовно розміщені джерело електромагнітних хвиль на основі лампи зворотної хвилі із перестроюваною довжиною хвилі випромінювання, фокусуючу лінзу, поляризатор випромінювання, перший ґратковий розділювач променя, який разом із дзеркальними відбивачами променя, кожен з яких встановлений з можливістю механічного переміщення, та другим ґратковим розділювачем променя утворюють інтерферометр Маха-Цендера, на виході якого по ходу променя встановлений аналізатор, фокусуюча лінза та приймач електромагнітного випромінювання, з'єднаний з блоком керування та індикації. Однак цей пристрій, який базується на основі лампи зворотної хвилі, вимагає громіздкої апаратної і програмної частин установки, що ускладнює процес вимірювання та дає порівняно низьку точність визначення діелектричної проникності. Крім того, складність реалізації, необхідність використання великої кількості додаткових пристроїв при вимірюванні, їх синхронізація та подальше тестування потребують великих як фізичних, так і матеріальних затрат. Найближчим до запропонованого пристрою є інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів [Пат. № 35224 Україна, МПК G01N22/00. Інтерферометрично-поворотний пристрій для вимірювання показника заломлення ізотропних та анізотропних матеріалів в діапазоні міліметрових та сантиметрових довжин хвиль / Андрущак А.С., Сиротинський О.І., Андрущак Н.А., Ящишин Є.М. - Опубл. 10.09.2008, Бюл. № 17], який містить послідовно розміщені джерело випромінювання, вхідну фокусуючу лінзу, поляризатор, а також послідовно розміщені аналізатор, вихідна фокусуюча лінза та приймач випромінювання, крім того між поляризатором та аналізатором по ходу променя послідовно розміщені перша фокусуюча лінза, тримач зразка та друга фокусуюча лінза. Однак застосування даного пристрою, в якому джерелом є діод Ганна, призначений лише для вимірювання показника заломлення (діелектричної проникності) в міліметровому чи сантиметровому діапазонах довжин хвиль, що значно зменшує його можливості. Використання інтерферометра Маха-Цендера з присутнім рухомим дзеркальним відбивачем може вносити додаткову похибку в процес вимірювання, оскільки при переміщенні дзеркального відбивача електромагнітний пучок може бути неконтрольовано зміщений в довільному напрямку. Крім того, наявність двох плечей в інтерферометрі Маха-Цендра вимагає чіткої фіксації рівномірного поділу вхідного електромагнітного пучка через поляризатор на вході інтерферометра, що в свою чергу ускладнює та може вносити похибку в процес реєстрації зміни інтерференційної картини, а отже і точності визначення діелектричної проникності досліджуваних матеріалів. В основу корисної моделі поставлена задача створення векторно-аналізаторного інтерференційного пристрою вимірювання діелектричної проникності матеріалів, в якому нове конструктивне виконання дозволило б забезпечити спрощення конструкції приладу та процесу вимірювання, і як результат підвищення точності визначення діелектричної проникності в широкому діапазоні довжин хвиль. Поставлена задача вирішується тим, що у векторно-аналізаторному інтерференційному пристроївимірювання діелектричної проникності матеріалів, який містить послідовно розміщені джерело випромінювання, вхідну фокусуючу лінзу, поляризатор, а також послідовно розміщені аналізатор, вихідну фокусуючу лінзу та приймач випромінювання, крім того між поляризатором та аналізатором по ходу променя послідовно розміщені перша фокусуюча лінза, тримач зразка та друга фокусуюча лінза, згідно з корисною моделлю, як джерело та приймач випромінювання використано частотні розширювачі, які під'єднані до векторного аналізатора, а вихідна фокусуюча лінза та приймач випромінювання встановлені з можливістю їх сумісного лінійного переміщення вздовж напряму поширення випромінювання. У пропонованому пристрої відсутні рухомий та нерухомий дзеркальні відбивачі, а також перший та другий ґраткові розділювачі променя, дозволяючи виключити з процесу вимірювання опорне плече інтерферометра, що значною мірою зменшує вартість та спрощує процес вимірювання. Роль опорного плеча заміняються попереднім високоточним калібруванням усієї системи без встановленого зразка на початку проведення вимірювання. Використання векторного мережевого аналізатора (VNA) зі спеціальним набором частотних розширювачів дозволяє розширити робочий частотний діапазон 4-канального VNA від 50 ГГц до 500 ГГц із підтриманням високого динамічного рівня (порядку 100 дБ). Сумісне лінійне переміщення 1 UA 93863 U 5 10 15 20 25 30 35 вихідної фокусуючої лінзи та приймача електромагнітного випромінювання на базі частотних розширювачів векторного аналізатора, дозволяє забезпечити зсув фаз мінімум на величину  . Це є необхідно для отримання нуля інтерференційної картини на екрані векторного аналізатора із наступною реєстрацією зсуву цієї картини при внесенні досліджуваного зразка у вимірюваний канал. На Фіг. 1 зображено векторно-аналізаторний інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів, на Фіг. 2 - інтерференційна картина з мінімумом на вибраній частоті, а на Фіг. 3 - схематичне представлення формування мінімуму інтерференційної картини. Векторно-аналізаторний інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів містить послідовно розміщені джерело випромінювання (мережевий векторний аналізатор із набором частотних розширювачів) 1, вхідну фокусуючу лінзу 2, поляризатор 3, а також послідовно розміщені аналізатор 4 та блок детектування випромінювання 10, до складу якого входить вихідна фокусуюча лінза 5 та приймач випромінювання 6, крім того між поляризатором 3 та аналізатором 4 по ходу променя послідовно розміщені перша фокусуюча лінза 7, зразок 8 на спеціальному тримачі зразка 9 та друга фокусуюча лінза 7. Як джерело 1 та приймач випромінювання 6 використано частотні розширювачі, які під'єднані до векторного аналізатора 11. Пристрій працює так. Спочатку за допомогою VNA проводиться калібрування системи. Для цього вимірюється спектр пропускання між джерелом 1 та приймачем випромінювання 6 на вибраній відстані між ними. Цей спектр зберігають в пам'яті VNA. Наступний крок - це зміщення блока детектування випромінювання 10 на величину, яка рівна  / 2 , де  - вибрана довжина хвилі. Після цього дані по пропусканню електромагнітної хвилі, записані після такого зміщення, додаються до збережених раніше даних в VNA, в результаті чого утворюється інтерференційна крива з мінімумом на вибраній частоті (див. Фіг. 2). Процес калібрування на цьому закінчено. Після калібрування системи вимірювальний зразок 8 за допомогою спеціального тримача зразка 9 встановлюється у вимірювальний канал інтерферометра, перпендикулярно до напрямку поширення сфокусованого променя електромагнітного випромінювання. Далі блок детектування випромінювання 10 переміщується за допомогою мікрометричного механізму. Таке переміщення детектора відбувається доти, поки детектор разом з лінзою буде зсунутий назад на відстань S до того ж мінімуму, який був отриманий на цій частоті. Формування мінімуму інтерференційної картини на прикладі типового варіанту інтерферометра Маха-Цендера відбувається так. Однорідна плоска гармонічна хвиля, яка поширюється від джерела випромінювання в напрямі осі z залежності від координати z та часу t, описується таким рівнянням у комплексній формі   uz, t   U e ikz t  (1) m0 40  де Um0 - початкова комплексна амплітуда хвилі, яка містить інформацію про початкову фазу хвилі; k  2 /  - хвильовий вектор, що визначає напрям розповсюдження хвилі в просторі;  циклічна частота. Умова того, що інтерференційна картина буде сформована - це наявність мінімумів та максимумів, отриманих від накладання двох когерентних хвиль. З точки зору розгляду інтерференційної картини отримати мінімум можна тоді, коли підсумовування двох когерентних хвиль в результаті дає нуль. Запишемо це у вигляді рівняння   U e ikzit  U e ikz'it  0 . (2) m0 50 m0 m0 45 m0 Якщо припустити, що різниця квазіоптичних шляхів у плечі інтерферометра Маха-Цендера визначається лише величиною z'z  z , тоді рівність (2) можна записати таким рівнянням   U e ikzit  U e ikzit eikz  0 . (3) Розглянемо умови, коли рівність (3) може бути рівна нулю. Для цього розділимо рівняння (3) на множники  U e ikzit 1  e ikz  0 . (4) m0    З рівняння (4) видно, що множник Um0e ikzit не може бути рівним нулю, оскільки несе інформацію про хвилю. Отже, умова отримання мінімуму інтерференційної картини забезпечити виконання такої рівності 55 e ikz  1 . (5) Виходячи з формули Ейлера eix  cos x  i sin x , розв'язок рівняння (5) можна представити як 2 UA 93863 U 5 10 kz  2m  1 , (6) де m - порядок інтерференційного мінімуму ( m  1 2, 3... ). , З рівняння (6) можна зробити висновок, що потрібно забезпечити зсув фаз, який рівний  , для того, щоб отримати мінімум інтерференційної картини. Існує два способи, як можна задовольнити рівність (6), а саме: (1) змінити довжину хвилі випромінювання для однієї з хвиль, яка входить в k  2 /  , або (2) змінити квазіоптичну довжину шляху  z , яку проходить хвиля в плечі інтерферометра. Для нашого випадку простішим є зміна квазіоптичної довжини шляху в плечі інтерферометра, яку можна досягнути шляхом переміщення блока детектування електромагнітного випромінювання 10. Процес формування мінімуму інтерференційної картини з використанням запропонованої установки зображено на Фіг. 3. У вихідному положенні, коли джерело 1 і блок детектування випромінювання 10 розташовані на відстані L один від одного (див. Фіг. 3, а), комплексну амплітуду хвилі, яка падає на блок детектування, можна записати як   U L   U e ikL , (7) m 15 20 m 25 30 35 40 m0  де Um0 - комплексна амплітуда хвилі на виході джерела випромінювання. Отриману інтегральну інтенсивність сигналу на вибраній частоті записують в пам'яті векторного аналізатора VNA. Коли блок детектування випромінювання 10 посунути на відстань R , то відстань між джерелом 1 і блоком детектування випромінювання 10 збільшиться (див. Фіг. 3, б), тоді комплексну амплітуду хвилі, яка падає на блок детектування, можна записати як   U L   U e ik L R  . (8) m0 Якщо зміщення блока детектування випромінювання 10 рівне R   / 2 - вибрана довжина хвилі), то отримані дані інтегральної інтенсивності сигналу додаються до даних, збережених у пам'яті векторного аналізатора VNA до зміщення, в результаті чого отримуємо інтерференційну картину з мінімумом на вибраній частоті (див. Фіг. 2). Відзначимо, що підсумовування збережених спектрів отриманих інтенсивностей хвилі, а також відображення інтерференційної картини на екрані векторного аналізатора VNA відбувається в реальному режимі часу. Далі, якщо між джерелом 1 і блоком детектування випромінювання 10 встановити зразок 8 (див. Фіг. 3, в), то відбудеться зсув мінімуму інтерференційної картини за рахунок зміни квазіоптичної довжини шляху, який можна спостерігати на екрані векторного аналізатора. Для того, щоб знову отримати мінімум інтерференційної картини необхідно компенсувати цю зміну і механічно зсунути блок детектування випромінювання 10 на необхідну відстань S . Врахуємо, що зміна квазіоптичної довжини шляху при внесенні досліджуваного зразка товщиною d в канал   пристрою рівна d r  1 , де  r - дійсна частина комплексної діелектричної проникності матеріалу зразка, а для повітря цю величину беремо рівною 1. Тоді необхідна умова формування мінімуму інтерференційної картини може бути записаною як ik L RS d r d   Um0eikL  Um1e  0 , (9)  де Um1 - характеризує втрати на відбиття від поверхонь зразка та можливе загасання хвилі в товщі його матеріалу. Для простоти розрахунків будемо вважати, що втрати на відбивання та   загасання в зразку є малими, тому можна вважати Um0  Um1 , і в результаті рівняння (9) спрощується до такого вигляду ik L R  S  d  r  d e ikL e  0 . (10) Аналогічно (5) розв'язок рівняння (10) можливий, якщо 45   k R  S  d r  d  2m  1 . (11) Для нашого випадку R   / 2 , тоді рівняння (11) матиме такий простий розв'язок:  S  m  1  r    1 . (12) d   Рівняння (12) дозволяє проводити обчислення діелектричної проникності  r досліджуваного зразка за виміряними величинами d та S , а також беручи до уваги порядок мінімуму інтерференційної картини m . 2 50 3 UA 93863 U   У випадку, якщо не можна прийняти умову Um0  Um1 , то  r можна знайти, розв'язуючи рівняння (9) у вигляді  Um1 ik R  S  d d  r  e  1 . (13)  U m0 5 10 15 Приклад конкретної реалізації пристрою. Приклад роботи установки продемонстровано при використанні зразка із сапфіру товщиною d  8,16 мм на частоті 60 ГГц. Цей зразок було поміщено в попередньо прокалібрований канал пристрою. Шляхом переміщення блока детектування випромінювання 10 на векторному аналізаторі VNA в реальному режимі часу відбувалося порівняння даних, які зчитуються під час зміщення блока детектування випромінювання 10, з даними, які були попередньо збережені в пам'яті VNA. Коли величина переміщення блока детектування електромагнітного випромінювання 10 стала рівною S=3,45 мм, на екрані VNA спостерігалося накладання мінімумів збережених даних з отриманими даними. Це свідчить про компенсацію за рахунок переміщення блока детектування 10 внесеної зразком сапфіру квазіоптичної різниці. Після цього з використанням формули (12) та взятим значенням m=4 було розраховано значення діелектричної проникності експериментального зразка, що становило   10,63 (або n=3,26). Це значення узгоджується із нашими результатами (n=3,11), отриманими на частоті 33 ГГц [Interferometry technique for refractive index measurements at subcentimeter wavelengths / N.A. Andrushchak, O.I. Syrotynsky, I.D. Karbovnyk [et al.] // Microwave and Opt. Technol. Lett. - 2011. Vol. 53. - P. 1193-1196], що свідчить про достовірність отриманих результатів. 20 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 30 Векторно-аналізаторний інтерференційний пристрій вимірювання діелектричної проникності матеріалів, який містить послідовно розміщені джерело випромінювання, вхідну фокусуючу лінзу, поляризатор, а також послідовно розміщені аналізатор, вихідну фокусуючу лінзу та приймач випромінювання, крім того між поляризатором та аналізатором по ходу променя послідовно розміщені перша фокусуюча лінза, тримач зразка та друга фокусуюча лінза, який відрізняється тим, що як джерело та приймач випромінювання використано частотні розширювачі, які під'єднані до векторного аналізатора, а вихідна фокусуюча лінза та приймач випромінювання встановлені з можливістю їх сумісного лінійного переміщення вздовж напряму поширення випромінювання. 4 UA 93863 U 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 5