Способ определения диэлектрической проницаемости материала

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости материала опорных стержней для ламп бегущей волны. Техническим результатом является ослабление ограничительного условия «малости возмущения» самого чувствительного к диэлектрическим потерям доминантного ТМ₀₁₀-вида колебаний измерительного неперестраиваемого резонатора, предназначенного для измерений стержней с приведенным радиусом , где R - радиус пустого резонатора, r_1max - максимально допустимый радиус стержня на данной частоте, r - радиус измеряемого стержня. Определение диэлектрической проницаемости опорных стержней для ламп бегущей волны проводят с помощью двух неперестраиваемых резонаторов, настроенных на одну и ту же частоту f₀ и расстройку Δf₀, и двух калибровочных стержней с «охватывающими» измеряемые стержни приведенными радиусами S₁ первого резонатора и S₂ второго резонатора.

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к измерению диэлектрической проницаемости материала опорных стержней для ламп бегущей волны и других подобных приборов.

Способ основан на использовании двух неперестраиваемых резонаторов с осевыми отверстиями разных размеров для ввода контролируемых стержней, которые позволяют переразложить операторы возмущенных собственных функций и собственных значений исходных замкнутых полых резонаторов с диэлектриком по обращенным операторам частично заполненных измеряемым диэлектриком полуоткрытых измерительных резонаторов, один из которых удовлетворяет условиям теории «малых возмущений», а другой - нет.

Это позволяет правильно определять количество дополнительных резонаторов, требуемых для исключения погрешности определения диэлектрической проницаемости за счет излучения энергии из резонаторов в отверстия по предполагаемому поперечному сечению измеряемого стержня и его предполагаемой диэлектрической проницаемости, а также получить явные интерполяционные формулы, включающие измерения в разных резонаторах.

Известные резонаторные методы неразрушающего контроля диэлектрической проницаемости материалов сводятся к измерению параметров пустого и заполненного (частично заполненного) резонатора, на базе которых и вычисляются диэлектрические свойства контролируемых материалов.

При этом существующие соотношения требуют либо тонких вычислительных процессов, либо применения явных простых формул первого приближения теории «малых возмущений», вызывающих, однако, такие размерные ограничения контролируемых образцов (особенно в коротковолновой части сантиметрового диапазона электромагнитных волн), что метод становится совершенно непригодным для практики.

Так, например, для наиболее простых и явных формул первого приближения Боргниса [1] (в наших обозначениях)

где ε', ε'' - действительная и мнимая части диэлектрической проницаемости ε=ε'-jε'';

- тангенс угла диэлектрических потерь стержня радиусом r₁, помещенного в пустой цилиндрический ТМ₀₁₀-резонатор с резонансной частотой f₀ и приведенной расстройкой частоты Δf₀/f₀, вызвавшего в нем изменение резонансной частоты и приведенной расстройки до значений f₁₁ и Δf₁₁/f₁₁ соответственно,

существует серьезное ограничение, связывающее максимально допустимый радиус r_1max стержня на данной частоте (т.е. при данном радиусе пустого резонатора R) с предполагаемым значением ε' диэлектрического материала в виде [2]

где . Здесь с - скорость света, f₀ - резонансная частота пустого ТМ₀₁₀-резонатора правильной цилиндрической формы поперечного сечения с радиусом R.

Это приближенное ограничение, например, для частот выше 10 ГГц и материалов с ε'>6 требует слишком малого радиуса r_1max стержней, вплоть до 0,4 мм, что заметно повышает процент сломанных стержней в процессе их измерений.

В формулах (1) и (2):

- изменение приведенной резонансной частоты резонатора при внесении стержня радиусом r₁;

- приведенный радиус стержня в резонаторе радиусом R;

- изменение приведенной расстройки пустого резонатора до расстройки .

Для ламп бегущей волны со спиральной замедляющей системой в качестве опорных изолирующих стержней обычно применяют теплопроводный низкопотерный материал в виде стержней протяженной длины (кратной 3-4 высотам измерительного резонатора), свойства которого необходимо оценивать на стержнях радиусом, большим по сечению, чем сечения, рекомендуемые ограничением (3).

Целью данного изобретения является ослабление ограничительного условия «малости возмущения» (3) самого чувствительного к диэлектрическим потерям доминантного ТМ₀₁₀-вида колебаний измерительного неперестраиваемого резонатора, предназначенного для измерений стержней с приведенным радиусом .

Технический результат достигается с помощью перехода к двум неперестраиваемым резонаторам, настроенным на одну и ту же частоту f₀ и расстройку Δf₀, и двух калибровочных стержней с «охватывающими» измеряемые стержни приведенными радиусами и причем калибровочный стержень, вводимый в отверстие первого резонатора, имеет приведенный радиус , который удовлетворяет ограничительному условию (3), а калибровочный стержень второго резонатора, у которого приведенный радиус - нет, при этом , причем в качестве основного измерительного резонатора используется второй резонатор.

На основе формул второго приближения обращенного оператора возмущения резонаторов для «охватывающих» приведенных радиусов калибровочных стержней и линейной интерполяции в интервале получаем явные формулы для измерения партии стержней с приведенным радиусом в резонаторе с большими отверстиями под калибровочный стержень , характеризующийся изменением резонансной частоты и приведенной расстройкой .

При этом для стержня с приведенным радиусом S будем иметь и .

В вышеприведенных обозначениях рабочими формулами являются

причем

Источники информации

1. Borgnis F. Die elektrische Grundschwingumg des kreiszylindrischen Zweischichten-Hohlraum. Hochfrequenztechnik und Elektroakustik, 1942, Bd 59, Heft 1, Seiten 22-26.

2. Брандт А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. - М.: ГИФМЛ, 1963. Стр.102.

Способ определения диэлектрической проницаемости материала, например опорных стержней для лампы бегущей волны, включающий измерения на двух неперестраиваемых частично открытых цилиндрических ТМ₀₁₀-резонаторах, настроенных на одну и ту же частоту f₀ и расстройку Δf₀, с двумя калибровочными стержнями, причем стержень, вводимый в отверстие первого резонатора, имеет приведенный радиус

(где - радиус каждого резонатора, здесь с - скорость света, f₀ - резонансные частоты пустых резонаторов)
меньший, чем величина
(где ε' - действительная часть диэлектрической проницаемости ε=ε'-j·ε''), причем стержень, вводимый в отверстие второго резонатора, имеет приведенный радиус , больший, чем та же величина , при а в качестве основного измерительного резонатора используется второй резонатор и определение диэлектрической проницаемости измеряемых стержней с приведенными радиусами осуществляется по формулам, справедливым в интервале приведенных радиусов калибровочных стержней .