Квазиоптическая кювета

 

1. КВАЗИОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА содержащая оболочку, снабженную по меньшей мере одним окном, выполненным из материала, прозрачного дл излучения длиной волны Л, отли чающая с я тем, что,с целью упрощения передаточной частотной характеристики кюветы, ее окно снаб жено электропроводящим покрытием, расположенным на его внешней поверх ности, причем импеданс 2 покрытия в рабочем диапазоне длин волн излучения соответствует соотношению для 3 поляризация излучения j COS0, COS 9, или 2. - поляризации измерения j1 1t , Z Wjcos 9 - волновое сопротивление материала , из которого изготовлено окно; 2 волновое сопротивление .среды , примыкающей к окну с внешней по отношению к оболочке стороны; . 2 углы между нормалью к внешней поверхности окна и направлением распространения излучения соответственно внутри окна к его внешней поверхности и примыкающей к окну внешней среде по направлению от окна, ективная толщина с/ электропровоо покрытия удовлетворяет услоUH O ,; f предельная минимальная эффективная толщина электропроводящего покрытия.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„„Я0„„8 26 (51) 4

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ для P — поляризации измерения. где %/ — волновое сопротивление ма1 териала, из которого изготовлено окно; лочке стороны;

Q„, Q> — углы между нормалью к внешней поверхности окна и направлением распространения излучения соответственно внутри окна к его внешней Св поверхности и примыкающей к окну внешней среде по направлению от окна, а эффективная толщина Ы электропроводящего покрытия удовлетворяет условию

Е„„„ с 1 С О, 1W где 1 д — предельная минимальная эффективная толщина элекФ тропроводящего покрытия.

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3750351/24-25 (22) 27.02.84 (46) 23.10.85. Бюл. 9 39 (72) Н.А. Ирисова, Е.А. Виноградов, В,И. Голованов, А.Б. Латышев, Д.А. Лукьянов и И.M. Федотова (71) Институт общей физики AH СССР (53) 535.24 (088.8) (56) Брандт А.А. Исследование. диэлектриков на сверхвысоких частотах.И.:.,ГИФИЛ, 1963, с. 275.

Там же с. 297. (54)(57) 1. КВАЗИОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА, содержащая оболочку, снабженную по меньшей мере одним окном, выполненным из материала, прозрачного для излучения длиной волны Д, о т л и— чающая с я тем, что, с целью упрощения передаточной частотной характеристики кюветы, ее окно снабжено электропроводящим покрытием, расположенным на его внешней поверхности, причем импеданс 7 покрытия в рабочем диапазоне длин волн излучения соответствует соотношению для Я вЂ” поляризация излучения

cote coos 8 или 2 1 Х

1 1 1

5l„cos 9„9f сов 8>

Ф вЂ” волновое сопротивление . среды, примыкающей к окну с внешней по отношению к обо1187026

2, Кювета по и, 1, о т л и ч а— ю щ а я с я тем, что ее окно выполнено из материала, волновое сопротивление которого находится в интервале между волновым сопротивлением среды, .примыкающей к окну кюветы с внешней стороны и волновым сопротивлением среды, примыкающей к окну кюветы с внутренней сто роны, причем окно снабжено дополнительным электропроводящим покрытием, расположенным на его внутренней поверхности, импеданс „ которого в рабочем диапазоне длин вол излучения соответствует соотношению для 5 — поляризации излучения сО5 9 g c05 9 . или ц 7/ % для Р— поляризации измерения

1 1

Zg Ф! с05 8) Ф/ с ОВ 6

Изобретение относится к техиике миллиметрового и субмиллиметроного диапазона, а именно к квазиоптическим кюветам, которые служат для размещения в них веществ, по- 5 мещаемых в квазиоптический тракт в тех случаях, когда эти вещества не сохрацяют форму (жидкости, порошки и т.п.) или когда требуется не допустить контакта вещества с внешней средой (гигроскопичные, агрессивные и т.п. вещества), и могут быть использованы как для исследования названных веществ, так и для изготовления из них элементов квазиоптических трактов.

Цель изобретения — упрощение передаточной частотной характеристики кюветы путем уменьшения в ней эффек.тивного количества слоев, что значительно упрощает процесс ее испол..зования, позволяет сократить процесс измерения и упростить математическую взаимосвязь параметров кюветы с ее выходным сигналом, т.е. упростить вычислительную часть измерительной аппаратуры, 11а фиг. 1 изображена кювета с одним окном, работающим в качестве где Ф/ — волновое сопротивление среды, примыкающей к окну с внутренней по отношению к к оболочке среды, 9,8 — углы между нормалью к внутренней поверхности окна и направлением распространения излучения соответственно в прилегающей к окну среде по направлению к окну и внутри окна от его внутренней поверхности, а эффективная толщина дополнитель ого электропроводящего покрытия удовлетворяет условию

<„„.„а /,(0,1.Л гдето — предельная минимальная эфс мчи фективная толщина дополнительного электропроводящего покрытия. выходного, согласованным как на внешней, так и на внутренней поверхностях; на фиг. 2 — то же, с окном, работающим в качестве входного, согласованным на внешней поверхности; на фиг. 3 — то же, с двумя окнами, выполненнйми в виде призм и согласованными на внешних поверхностях; на фиг. 4 — то же, для твердого вещества с двумя плоскопараллельными окнами, согласованными на внешних поверхностях.

Кювета (фиг. 1) представляет собой оболочку 1, открытую сверху. и снабженную снизу окном 2, выполненным из материала, прозрачного для излучения. Внешняя поверхность окна 2 снабжена электропроводящим покрытием 3, импеданс которого на рабочих частотах соответствует условию согласования волновых сопротивлений материала, из которого сделано окно 2, и внешней среды.

Кювета заполнена веществом 4, волновое сопротивление Ф/> которого таково, что волновое сопротивление .Щ„ материала, из которого вы-, полнено окно 2, лежит между волновым сопротивлением внешней среды

Ж«и волновым сопротивлением Ф вещества 4. Внутренняя поверхность окна 2 снабжена дополнительным электропроводящим покрытием 5, импеданс которого на рабочих частотах соответствует условию согласования волновых сопротивлений среды 4 и материала, из которого изготовлено окно 2. В состав покрытий 3 и 5 входят материалы, электропроводность которых достаточно высока, что эффективная толщина этих покрытий не превышает одной десятой от длины волны, а предельная минимальная эффективная толщина от длины волны этих покрытий такова, что их импедансы удовлетворяют условию согласования покрытий, выполненных из наиболее низкоомного (на рабочей длине волны) из соответствующих материалов.

Кювета (фиг. 1) работает следующим образом.

Через открытую верхнюю часть оболочки 1 излучение надает на верхнюю границу слоя вещества 4, частично отражаясь от нее и частичнО проходя внутрь вещества 4. Отраженная часть излучения уходит из кюветы, а прошедшая попадает на внутреннюю поверхность окна 2, снабженную покрытием 5. Здесь«,благодаря свойствам покрытия 5 не происходит отражения излучения. Часть излучения поглощается в покрытии 5, а другая проходит внутрь окна 2. Достигая внешней поверхности окна 2 излучение попадает на покрытие 3, благодаря свойствам которого также не отражается, а выходит во внешнюю среду, частично поглощаясь в покрытии 3.

Таким образом, во всех участках кюветы (фнг, 1) реализован режим бегущей волны, а резонансные явления отсутствуют. В виду этого упрощается аппаратная функция кюветы: настоящая кювета электродинамически эквивалентна бесконечному полупространству, заполненному веществом 4, в то время как без покрытий 3 и 5 ее аппаратная функция обус-. ловлена двумя электродинамически связанными слоями конечной толщины (слой вещества 4 и окно 2). В частности, если вещество 4 не обладает потерями, коэффициенты отражения и пропускания, а также фаза коэффи187026

10

4 циента отражения кюветы (фиг. 1) не зависят от-частоты, а фаза коэффициента пропускания зависит от частоты линейно.

Кювета, изображенная на фиг. 2, имеет окно 2, снабженное электропроводящим покрытием 3, расположенным на внешней поверхности окна 2.

Кювета (фиг. 2) работает следующим образом.

Излучение падает снизу на внешн«шо поверхность окна 2, снабженную покрытием 3. Здесь оно частично проходит внутрь окна 2, частично поглощается в покрытии 3, частично отражается и уходит из кюветы.

Необходимо заметить, что в данном случае покрытие 3 не устраняет отражения, так как направление распространения излучения противоположно направлению согласования.

Излучение, прошедшее внутрь окна 2, достигает его внутренней поверхности, которая совпадает с нижней границей слоя вещества 4. Здесь излучение частично проходит сквозь слой вещетсва 4„ уходя из кюветы, частично поглощается в нем и частично отражается внутрь окра 2.

Далее отраженное излучение вновь попадает на «шжнюю поверхность окна 2, снабженную покрытием 3. Теперь оно уже лишь выходит наружу и поглощается в покрытии 3, но не отражается внутрь окна 2, что обусловлено свойствами покрытия 3.

Углы &„ и 6, входящие в условие согласования волновых сопротивлений, обозначены на фиг. 2.

Кювета (фиг. 2) реально является трехслойной системой: слой вещества 4, окно 2 и покрытие 3., Во всех слоях кюветы. реализуется режим стоячей волны, так как имеются волны, идущие в двух направлениях. Резонировать, однако, может лишь слой вещества 4, так как только у него обе границы отражают излучение внутрь кюветы. Таким образом, кювета (фиг. 2) электродинамически эквивалентна (с точностью до коэффициента) одиночному слою вещества 4, граничащему сверху с полупространством, заполненным, например, воздухом, а снизу с полупространством, заполненным материалом из которого изготов1187026 лено окно 2, например фторопластом.

Это упрощает аппаратную функцию кюветы (фиг, 2) по сравнению с известной. Ее коэффициент пропускания, в частности, зависит от частоты излучения, параметров вещества 4 и толщины его слоя в соответствии с одиночной функцией Эйри, домноженной на постоянный коэффициент. Характеристики кюветы определяют величину этого коэффициента и параметры функции Эйри.

Кювета (фиг. 3) в отличие ат кювет изображенных на фиг. 1 и 2, имеет оболочку, содержащую не одно, а два окна 2, которые снабжены электропроводящими покрытиями 3, и размещенными на внешних поверхностях окон 2. Характерно, что в данном случае внешние поверхности окон 2 закрыты электропроводящим покрытием

3 лишь частично. Внутри кюветы (фиг. 3) размещено вещество 4.

Кювета (фиг. 3) работает следующим образом.

Излучение падает снизу на часть внешней поверхности нижнего окна 2, свободную от электропроводящего покрытия 3 ° Здесь оно частично отражается и уходит из кюветы, а частично проходит внутрь окна 2. Благодаря отсутствию в этом месте покрытия 3, здесь не происходит поглощения излучения, что повьш ает коэффициент полезного действия кюветы (фиг. 3).

Излучение, прошедшее внутрь нижнего окна 2, достигает слоя вещества 4, частично проходя сквозь него частично поглощаясь и частично отражаясь в сторону нижнего окна 2. Излучение, отраженное от слоя вещества

4, достигает внешней поверхности нижнего окна 2 в месте, снабженном покрытием 3, благодаря чему выходит иэ кюветы наружу, частично поглощаясь в покрытии 3, .но не отражаясь внутрь кюветы.

Таким образом,. в нижнем диэлектрическом окне 2 кюветы (фиг. 3) реализуется режим бегущей волны и оно не резонирует. Излучение, прошедшее сквозь слой вещества 4 в верхнее окно 2, достигает его внешней поверхности в месте, снабженном покрытием 3. Здесь также отсутствует отражение внутрь кюветы, благодаря чему и верхнее окно 2 также не резонирует.

55 и т.д.

Окна кюветы могут быть плоскопараллельными, клиновидными или иметь другую форму, изготовлены из. диэлектрических (кварц, тефлон, полистирол, керамика и т.д.), полупроводниковых (кремний, германий и т.д.) или других материалов, прозрачньгх для излучения. Количество окон в кювете может быть одно, два или более, причем разные окна могут иметь одинаковую или разную конструкцию и граничить с одинаковыми или различными средами. Они могут быть ортогональны или наклонны по отношению к оптической оси кюветы и различно располагаться по отношению одно к другому, Они могут быть соединень1 с оболочкой разъемно, неразъемно или даже пред=

Таким образом, реальная кювета (фиг. 3), содержащая пять слоев различных веществ (два окна 2, два проводящих покрытия 3 и один слой ве5 щества 4) пропускает и отражает излучение, как одиночный слой вещества 4 в бесконечной среде, заполненной материалом окон. В част10 ности, если окна 2 выполнены из кварца, то кювета (фиг. 3) электродинамически эквивалентна (с точностью до коэффициента) слою вещества 4 в пространстве, заполнен15 ном кварцем..

Кювета (фиг. 4) .предназначена специально. для веществ, находящихся в твердом состоянии. Несущим элементом всей конструкции в данном слу20 чае является объект иэ вещества 4, размещаемого в кювете. Оболочка 1 кюветы представляет собой пленку, например лаковую, покрывающую объект из вещества 4. Материал оболочки 1

25 диэлектрик, прозрачный для излучения, а два окна 2 являются по сути. частью оболочки 1. Окна 2 в данном случае плоскопараллельны, а их наружные поверхности снабжены элек30 TP OIIP OO OP H IIP f MH II OKPblTHRMH 3 °

Кювета (фиг. 4) работает анало. гично описанным.

Оболочка кюветы может быть элеl ментом, несущим механические нагруз35 ки или не бьггь несущим (например, пленка лака, лавсана, полиэтилена и т.п.), может бьггь открытой или закрытой (герметичной), прозрачной или непрозрачной для излучения

1187026

35 40

55 ставлять собой неотъемлемую часть оболочки, прозрачную для излучения и т.д.

Электропроводящие покрытия окон могут быть съемными или несъемными однослойными или многослойными, Они могут содержать слои металлов, полупроводников, диэлектриков и других материалов (с целью обеспечения съемности, защиты от коррозии и,т,п.), причем требования отно сятся к покрытию в целом, а не к отдельным слоям. Требуемая электропроводность покрытия может быть обеспечена как при изготовлении покрытия, так и выбором соответствующих внешних параметров при его эксплуатации (электрическое и маг:нитное поля, температура, внешнее облучение, приводящее к фотоэффекту и т.д.). Покрытия могут быть на всех окнах кюветы, на некоторых из них или даже на одном, причем покрытия на разных окнах могут быть .одинаковы или различны. Соответствующие поверхности окон могут быть снабжены злектропроводящими покрытиями полностью или частично и т.д. Вещества, размещенные в кювете, могут быть- твердыми, жидкими, порошкообразными и другими, Предлагаемая кювета позволяет получить существенно более простую передаточную функцию. В частности, в известных кюветах при использовании окон из слюды или кварца, толщина которых составляет всего

100 мкм на длине волны 71 3 мм коэффициенты пропускания и отражения кюветы с веществом могут отличаться от соответствующих коэффициентов одиночного слоя этого вещества на десятки процентов по амплитуде и на десятки градусов по фазе. Таким образом, если речь идет о более высоких точностях, то известная кювета при заполнении однородным веществом электродинамически представляет собой трехслойную структуру (слой вещества, размещенного в кювете, и два окна).

В то же время предлагаемая кю> вета в зависимости от числа электропроводящих покрытий, электродинамически двух- или однослойна, а в случае применения дополнительного покрытия взаимодействует с излучением так, как будто она не содержит ни одного слоя конечной толщины. Соответствующее уменьшение эффективного количества слоев может быть получено, с точностью по меньшей мере до единиц процентов по амплитуде и до долей градуса по фазе коэффициентов пропускания и отражения.

В виду того, что передаточная частотная функция предлагаемой кюветы упрощается при любой толщине окон, они могут быть сделаны достаточно толстыми (например, 10 мм вместо О, 1 мм) и, следовательно, прочными. Таким образом, она может выдерживать значительный перепад давлений между веществом внутри нее и внешней средой. По этой же причине кювета может иметь существенно большие поперечные размеры, чем известная, что уменьшает дифракционные искажения излучения.

Квазиоптическая кювета может применяться для измерения параметров

I размещаемых в ней объектов. При этом объектом измерения может быть как жидкость (твердое тело, порошок и т.п.), непосредственно наливаемая в кювету, так и объект, погружаемый в эту жидкость (иммерсия) . В этом случае упрощение передаточной частотной функции кюветы по сравнению с известной ведет либо к увеличению точности измерений до

10 раз и более (если многослойность известной кюветы учитывалась недос-.. таточно полно), либо к упрощению в нескогько раз математической обработки результатов измерений (если многослойность известной кюветы учитывалась полностью), что ведет к соответствующему укорочению времени измерений или к возможности упрощения вычислительной части измерительной аппаратуры, причем возможно одновременное достижение нескольких названных эффектов.

Кювета может также служить для размещения внутри нее различных элементов квазиоптических трактов, таких как линзы, призмы, аттенюаторы, фазовращатели и т.п., которые изготовлены из веществ с известными параметрами. Кювета позволяет сделать амплитудные параметры этих элементов постоянными с точностью не хуже единиц процентов, а фазо1i8702e

Фиг.2 вые — линейно зависящими от частоты с точностью на уровне долей градуса в частотном диапазоне, измеряемом несколькими октавами, что до десяти раз и более превышает соответствующие параметры аналогичных элементов, размещаемых в известной кювете, Применение предлагаемой кюветы наиболее целесообразно в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн и вблизи него.

1187026

Составитель С. Голубев

Редактор И. Дербак Техред Л.Иартяшова Корректор А. Зимокосов

Заказ 6539/47 Тираж 896 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал IIIIIT "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4