*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; λ_g – 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).

Литература

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.