*112715*
Н.А. ПЕВНЕВА, А.В. ГУСИНСКИЙ, А.Л. ГУРСКИЙ
Белорусский
государственный университет
информатики и радиоэлектроники
П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ЖИДКИХ И СЫПУЧИХ МАТЕРИАЛОВ ВОЛНОВОДНЫМ МЕТОДОМ
Изучение диэлектрических свойств вещества, т. е.
исследование поведения его комплексной диэлектрической проницаемости в
зависимости от частоты, температуры, давления, напряженности электрического
поля и прочих факторов, имеет весьма важное научное и техническое значение. Эти
исследования позволяют выяснить некоторые закономерности строения молекул,
недоступные другим методам, а также дают возможность получить новые необходимые
технике изоляционные материалы с заданными свойствами [1].
Широко известны такие методы изучения свойств
материалов с использованием радиоволновой техники, как волноводные, резонансные
и свободного пространства [1]. В сантиметров диапазоне длин волн одним из
наиболее удобных и точных методов является волноводный метод с частичным
заполнением волновода (метод тонкого стерженька) [2]. В данной работе
рассмотрена модификация этого метода с целью увеличения точности и оптимизации
математической модели обработки результатов.
В общем случае измерительная установка для
реализации метода тонкого стерженька включает: генератор; аттенюатор; вентиль;
зонд отбора мощности; волновод; образец; поршень; микрометрический винт;
термостатирующая рубашка; термостат;
детектор; фильтр СВЧ; измеритель отношений напряжений; частотомер [3].
Диэлектрическая проницаемость вычисляется через определение эквивалентной
нормированной проводимости (ее действительной и мнимой составляющих).
Реактивная составляющая проводимости определяется по сдвигу положения поршня р при измерении положения минимума тока
без образца и с образцом. Активная часть проводимости определяется через отношение
токов, измеренных в максимуме без образца и в минимуме с образцом при
квадратичной характеристике детектора [2].
Метод тонкого стерженька базируется на
вычислении диэлектрической проницаемости твердых и жидких диэлектриков путем
воздействия электромагнитного поля на объект измерения и измерении параметров
стоячей волны (ослабления сигнала и его фазы) при закороченном волноводе в
присутствии и отсутствии образца. Расчет диэлектрической проницаемости осуществляется
через эквивалентную нормированную проводимость.
Основным отличием модифицированного метода
тонкого стерженька является то, что для определения активной и реактивной
составляющих проводимости с помощью панорамного измерителя проводится измерение
коэффициентов отражения в максимуме стоячей волны в отсутствии образца и в
минимуме стоячей волны в присутствии и отсутствии образца.
Для реализации данного способа применялась
измерительная установка, состоящая из высокоточного генератора качающейся частоты
(ГКЧ) с системой автоматического регулирования мощности (АРМ); СВЧ измерительного
тракта (1), состоящего из двух последовательно соединенных направленных ответвителей
(НО); унифицированного индикатора Я2Р-70; объекта измерения в виде
диэлектрического стержня (2); аттенюатора (3) и подвижного поршня (4) (рис. 1).
Рисунок 1 – Структурная схема измерительной установки
Объект измерения представлял собой
полиэтиленовый полый стержень диаметром d,
в который помещается исследуемый материал. Стержень фиксируется в сквозном
отверстии со стороны широкой стенки волновода шириной а. Отношение d/a может меняться в широких пределах (от
0,12 до 0,05) [2].
Предполагая, что материал образца обладает
комплексной диэлектрической проницаемостью, можно определить ее составляющие
через параметры волноводной линии, размеры образца и экспериментально
измеренные проводимости G и B.
Реактивная составляющая проводимости B определяется по сдвигу положения поршня
при измерении положения минимума коэффициента отражения без образца и с образцом:
|
(1) |
где
р – сдвиг положения поршня; λg – длина волны в волноводе.
Активная часть проводимости G определяется через коэффициенты отражения в максимуме без образца
и в минимуме с образцом:
|
(2) |
где
S1 и S2 – коэффициенты отражения в децибелах в максимуме без образца и в
минимуме с образцом соответственно.
Комплексная диэлектрическая проницаемость и ее
составляющие рассчитываются по формулам [1, 2]:
|
(3) |
|
(4) |
|
(5) |
где
ε – комплексная диэлектрическая проницаемость, ε' и ε" –
действительная и мнимая составляющая диэлектрической проницаемости
соответственно, λ – длина волны в свободном пространстве, d – диаметр стерженька, u и v – переменные, введенные
для упрощения выражения, рассчитываемые по формулам:
|
(6) |
|
(7) |
где
a – размер широкой стенки волновода.
На основе метода
диэлектрического стерженька разработана методика анализа процентного содержания
KCl в многофазной смеси, которая позволяет существенно снизить трудоемкость
работы, в сравнении с уже существующими волноводными методами. Данный метод
отличается простотой и обеспечивает надежность получаемых результатов при
измерении, многократные наблюдения повторяют полученные результаты. Для
эксперимента требуется малое количество исследуемого материала (до 0,5 г KCl),
что позволяет исследовать вещества, получаемые в малых количествах, а также
обеспечить достаточную однородность образцов по объему (при условии
размельчения руды до порошкового состояния).
1. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на
сверхвысоких частотах. / А.А. Брандт. – М. : Государственное
издаетльство физико-математической литературы, 1963. – 403 с.
2. J. Le
Bot, S. Le Montagner. // Comptes
Rendus, 236, 469 (1953).
3. Логинова Д.В., Лилеев
А.С., Лященко А.К. // Журн.
неорган. xимии. 2002. Т. 47. № 9. С.1558–1565.