Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов

Изобретение относится к измерениям диэлектрической проницаемости материалов при воздействии внешних факторов, преимущественно к устройствам измерения диэлектрической проницаемости при нагреве. Устройство, содержащее излучающий генератор, передающую линейно поляризованную антенну, камеру для размещения плоского образца испытуемого материала, приемную линейно поляризованную антенну, приемник, регистрирующий прибор, отличается тем, что камера снабжена плоскими радиопрозрачными окнами ввода и вывода излучения, а также либо механизмами и датчиками вращения образца в плоскости падения излучения и перпендикулярной к ней, либо механизмами и датчиками вращения окон ввода и вывода излучения в плоскости падения волны и перпендикулярной к ней, передающая антенна ориентирована относительно окна ввода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно ввода, а приемная антенна ориентирована относительно окна вывода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно вывода. Технический результат заключается в повышении точности проведения измерения диэлектрической проницаемости в широкой полосе частот при изучении влияния внешних факторов на образец материала. 12 ил.

 

Изобретение относится к устройствам измерения диэлектрической проницаемости материалов при воздействии внешних факторов, преимущественно к устройствам измерения диэлектрической проницаемости при нагреве.

Известно устройство для измерения диэлектрической проницаемости образца материала при нагреве, включающее камеру резонатора, устройства связи ввода и вывода излучения, нагреватель, измерительные устройства: Воробьев Е.А., Михайлов В.Ф., Харитонов А.А. СВЧ-диэлектрики в условиях высоких температур. - М.: Сов. Радио, 1977.

Устройства для определения диэлектрической проницаемости, основанные на применении закрытых резонаторов, позволяют проводить измерения в условиях высоких температур при квазистационарном нагреве. Равномерный нагрев образца позволяет моделировать расчетными методами электродинамическую схему измерительного устройства, чем достигается, по сравнению с другими методами, относительно высокая точность измерения диэлектрической проницаемости материалов.

Недостатком резонаторных устройств является узкополосность проводимых измерений из-за резонансных свойств измерительных ячеек.

Недостатком также является то, что при нагреве меняются электрические свойства не только образца, но и измерительной ячейки, которые необходимо учитывать при проведении измерений. Изменения электрических параметров ячейки могут значительно превосходить изменения, связанные с собственными изменениями диэлектрической проницаемости исследуемого образца, что приводит к значительному возрастанию погрешности измерений.

Также резонансные методы не позволяют оценивать поляризационные свойства материалов непосредственно в процессе измерения.

Известно устройство для измерения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов в свободном пространстве, содержащее излучающий генератор, передающую линейно поляризованную антенну, приемную линейно поляризованную антенну, приемник, регистрирующий прибор: Михайлов В.Ф., Победоносцев К.А., Брагин И.В. Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой. - С-Петербург: Судостроение, 1994, 300 с.(стр.168-169).

В этих устройствах, в отличие от резонаторных, нет ограничения максимальной температуры нагрева образца материала, но, с другой стороны, невозможно создать условия квазистационарного нагрева образца материала, что снижает точность этих методов по сравнению с резонаторными. Недостатком этих устройств является неоднородность нагрева образца материала из-за потерь тепла в окружающее пространство.

Наиболее близким к техническому решению является устройство по авт. св. СССР №1775686, кл. G01r 27/26 опубл. 15.12.1992 г., Бюл. №42 для измерения диэлектрической проницаемости плоского образца материала в свободном пространстве, содержащее: излучающий генератор, передающую линейно поляризованную антенну, камеру для размещения плоского образца исследуемого материала, приемную линейно поляризованную антенну, приемник, регистрирующий прибор.

Недостатком прототипа является то, что при воздействии на испытуемый образец внешних факторов, например высокотемпературного нагрева, не может быть реализовано равномерное изменение свойств испытуемого материала по всему телу, взаимодействующему с излучением, что приводит к неоднородности изменения диэлектрической проницаемости по образцу материала и существенно снижает точность производимых измерений в широкой полосе частот при изучении влияния воздействия внешних факторов. Наиболее просто осуществить исследование влияния воздействия внешних факторов в закрытой камере, но применение камеры приводит к искажению результатов измерений.

Задачей изобретения является повышение точности проведения измерения диэлектрической проницаемости в широкой полосе частот при изучении влияния внешних факторов на образец материала.

Достигается задача тем, что предложено устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов, содержащее излучающий генератор, передающую линейно поляризованную антенну, камеру для размещения плоского образца испытуемого материала, приемную линейно поляризованную антенну, приемник, регистрирующий прибор, отличающееся тем, что камера снабжена плоскими радиопрозрачными окнами ввода и вывода излучения, а также либо механизмами и датчиками вращения образца в плоскости падения излучения и перпендикулярной к ней, либо механизмами и датчиками вращения окон ввода и вывода излучения в плоскости падения волны и перпендикулярной к ней, передающая антенна ориентирована относительно окна ввода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно ввода, а приемная антенна ориентирована относительно окна вывода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно вывода.

Устройство по предлагаемому техническому решению позволяет проводить измерение диэлектрической проницаемости при прохождении излучения через образец испытуемого материала и при отражении излучения от него.

Применение устройства по предлагаемому техническому решению позволит проводить измерение диэлектрической проницаемости образцов материалов с высокой точностью в широкой полосе частот.

Помещение образца испытуемого материала в камеру с радиопрозрачными окнами ввода и вывода излучения позволит реализовать квазистационарный, равномерный нагрев образца, что повысит точность производимых измерений, например, при высокотемпературном нагреве.

Устройство с частотно-независимыми параметрами окон позволит также производить измерения прохождения электромагнитных волн в широкой полосе частот при изучении воздействия иных внешних факторов на образец материала.

Из оптики известно, что при определенном угле падения и выполнении некоторых условий возможно полное прохождение волны; 1. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. - М.: Изд. Наука, 1973, 73-82. 2. И.Н.Мешков, Б.В.Чириков, Электромагнитное поле Часть 1. - Новосибирск: Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200.

Нет сведений о применении данного оптического эффекта в широкополосном устройстве для измерения коэффициента прохождения и диэлектрической проницаемости.

На фиг.1 представлен вид заявленной широкополосного устройства при прохождении излучения через образец испытуемого материала для измерения коэффициента прохождения и диэлектрической проницаемости, в котором обозначены цифрами:

1 - генератор излучения,

2 - передающая линейно поляризованная антенна,

3 - камера,

4 - плоское радиопрозрачное окно ввода излучения в камеру,

5 - исследуемый образец материала,

6 - механизм и датчики вращения образца в плоскости падения излучения,

7 - механизм и датчики вращения образца в плоскости, перпендикулярной плоскости падения излучения,

8 - плоское радиопрозрачное окно вывода излучения из камеры,

9 - приемная линейно поляризованная антенна,

10 - приемник излучения,

11 - устройство регистрации и управления.

На фиг.1 также обозначены:

n1 - нормаль к поверхности окна ввода излучения в камеру,

Е - вектор электрической составляющей электромагнитной волны,

n2 - нормаль к поверхности образца,

n3 - нормаль к поверхности окна вывода излучения из камеры.

Переменные параметры устройства следующие:

ε₁ - диэлектрическая проницаемость окна ввода,

ε₃ - диэлектрическая проницаемость окна вывода,

h₁ - толщина окна ввода,

h₃ - толщина окна вывода,

δ₁ - угол между векторами, определяющими плоскость падения k и n₁, равный по техническому решению углу Брюстера (δ₁=arctg(√ε)₁, где ε₁ - диэлектричекая проницаемость материала, из которого изготовлено окно ввода излучения),

δ₃ - угол между векторами, определяющими плоскость падения k и n₃, равный по техническому решению углу Брюстера (δ₃=arctg(√ε)₃, где ε₃ - диэлектричекая проницаемость материала, из которого изготовлено окно вывода излучения).

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 через передающую антенну 2 излучает линейно поляризованную плоскую волну, антенну 2 устанавливают так, чтобы угол между векторами k и n₁ был равен углу Брюстера δ₁, а ее вектор электрического поля падающей волны Е находился в плоскости падения, образованной векторами k и n₁, к радиопрозрачному окну ввода энергии 4 камеры 3. Образец материала 5 механизмом вращения образца вокруг нормали 6 устанавливают под определенным углом γ. Механизмом 7 образец ориентируют относительно волнового вектора и вектора электрического поля. Электромагнитная волна через выходное окно 8 попадает в приемную антенну 9, которую устанавливают так, чтобы угол между векторами k и n₃ был равен углу Брюстера δ₃, а вектор электрического поля падающей волны Е находился в плоскости падения, образованной векторами k и n₃, к радиопрозрачному окну вывода энергии. Сигнал с антенны 9 поступает в приемник 10 и далее в устройство регистрации и управления 11. Устройство 11 регистрирует положение образца во время измерения и управляет его положением. Устройства нагрева образца на чертежах не указаны.

Устройство, выполненное по данному техническому решению, имеет камеру, в которой располагают испытуемый образец материала. Использование замкнутого пространства камеры позволяет реализовать равномерный нагрев образца, что повышает точность производимых измерений за счет реализации квазистационарного нагрева.

Устройство выполнено таким образом, что позволяет регистрировать изменения только из-за воздействия на образец материала внешних факторов.

Устройство, выполненное по предлагаемому техническому решению, не вносит искажений в прошедшую электромагнитную волну в широкой полосе частот при исследовании образцов материалов и различных веществ в широком диапазоне изменения давления, температур и других физических воздействий.

Использование в техническом решении механизма вращения образца и ориентация его при измерении в произвольном положении относительно волнового вектора и вектора электрического поля позволит, дополнительно, производить измерение поляризационных диэлектрических свойств материалов в широкой полосе частот и воздействии внешних факторах.

На фиг.2 представлен вид заявленного устройства при отражении излучения от образца испытуемого материала для измерения коэффициента отражения и диэлектрической проницаемости, в котором обозначены цифрами:

1 - генератор излучения,

2 - передающая линейно поляризованная антенна,

3 - камера,

4 - плоское радиопрозрачное окно ввода излучения в камеру,

5 - исследуемый образец материала,

6 - механизм и датчики вращения окна ввода в плоскости падения излучения и перпендикулярной к ней,

7 - механизм и датчики вращения окна вывода в плоскости падения излучения и перпендикулярной к ней,

8 - плоское радиопрозрачное окно вывода излучения из камеры,

9 - приемная линейно поляризованная антенна,

10 - приемник излучения,

11 - устройство регистрации и управления,

12 - плоское зеркало.

На фиг.2 также обозначены:

n₁ - нормаль к поверхности окна ввода излучения в камеру,

Е - вектор электрической составляющей электромагнитной волны,

n₂ - нормаль к поверхности образца,

n₃ - нормаль к поверхности окна вывода излучения из камеры.

Переменные параметры устройства следующие:

ε₁ - диэлектрическая проницаемость окна ввода,

ε₃ - диэлектрическая проницаемость окна вывода,

h₁ - толщина окна ввода,

h₃ - толщина окна вывода,

δ₁ - угол между векторами, определяющими плоскость падения k и n₁, равный по техническому решению углу Брюстера (δ₁=arctg(√ε)₁, где ε₁ - диэлектричекая проницаемость материала, из которого изготовлено окно ввода излучения),

δ₃ - угол между векторами, определяющими плоскость падения k и n₃, равный по техническому решению углу Брюстера (δ₃=arctg(√ε)₃, где ε₃ - диэлектричекая проницаемость материала, из которого изготовлено окно вывода излучения).

Устройство работает следующим образом. Генератор 1 через передающую антенну 2 излучает линейно поляризованную плоскую волну. Окно ввода 4 камеры 3 с помощью механизма вращения в ортогональных плоскостях 6 устанавливают так, чтобы угол между векторами k и n₁ равнялся углу Брюстера δ₁, а вектор электрического поля падающей волны Е находился в плоскости падения, образованной векторами k и n₁. Образец материала 5 закрепляют внутри камеры. Окно вывода излучения 8 камеры 3 с помощью механизма вращения в ортогональных плоскостях 7 устанавливают так, чтобы угол между векторами k и n₃ равнялся углу Брюстера δ₃, а вектор электрического поля падающей волны Е находился в плоскости падения, образованной векторами k и n₃. Сигнал с приемной антенны 9 поступает в приемник 10 и далее в устройство регистрации и управления 11. Устройство 11 регистрирует и управляет положением окон ввода и вывода излучения. Устройства нагрева образца чертежах не указаны. При измерении образцов материалов с большими потерями (tg(δ)>0,0100) применяется плоское зеркало 12.

В обобщенной системе координат XYZ исследуемый плоский образец расположен так, как показано на фиг.3. Вектор падающей волны K₁ образует угол падения α с нормалью n₂, совпадающей с осью Z, а вектор электрического поля Е совпадает с осью X. Вектор отраженной волны К₃ образует угол α' с нормалью n₂, при этом α'=α.

В обобщенной системе координат XYZ вектора K₁, К₃, n₂, Е запишем как: Е (1,0,0) - вектор электрической составляющей электромагнитной волны; K₁ (0, sin(α), -cos(α)) - волновой вектор падающей волны, где α - угол между волновым вектором падающей электромагнитной волны и нормалью n к поверхности образца. Вектор K₁ перпендикулярен вектору Е. К₃ (0, sin(α'), cos(α')) - волновой вектор падающей волны, где α' - угол между волновым вектором отраженной электромагнитной волны и нормалью n к поверхности образца. Вектор К₃ перпендикулярен вектору Е.

n₂ (0,0,1) - нормаль к поверхности образца.

Запишем в частной системе координат X₁Y₁Z₁ положение плоского окна ввода, показанного на Фиг.4 как: вектор падающей волны K₁ совпадает с осью Z₁, а вектор электрического поля Е совпадает с осью X₁. Тогда, считая, что δ₁=arctg(√ε) - угол Брюстера, где ε - диэлектрическая проницаемость окна ввода, и с учетом условия компланарности векторов K₁, Е и n₁ в системе координат X₁Y₁Z₁ нормаль к окну ввода n₁ можно задать через направляющие косинусы: n₁(sin(δ₁), 0, cos(δ₁)).

Запишем направляющие косинусы осей частной системы координат X₁Y₁Z₁ в обобщенной системе координат XYZ:

O₁X₁(1, 0, 0) - совпадающая по направлению с вектором Е;

O₁Y₁(0, cos(α), sin(α));

O₁Z₁(0, -sin(α), cos(α)) - противоположная по направлению с вектором K₁;

Зная положение n₁ в системе X₁Y₁Z₁ и положение X₁Y₁Z₁ относительно обобщенной системы координат XYZ, запишем его координаты в системе координат XYZ согласно: И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев. Справочник по математике: М.: Гос. изд. физ. мат. литературы, 1962, с.218:

n₁(sin(δ₁), cos(δ₁)×(-sin(α)), cos(δ₁)×cos(α));

Из условия компланарности векторов Е, K₁, n₁ согласно: М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. - М.: Изд. Наука, 1977, с.149-150, §115, 116, условие равенства нулю смешанного произведения векторов:

а(b×с)=аbс=0, следует:

Получаем, sin(α)×cos(δ₁)×cos(α)-cos(α)×cos(δ₁)×sin(α)=0.

Запишем в частной системе координат Х₃Y₃Z₃ положение плоского окна вывода, показанного на Фиг.5: вектор падающей волны К₃ совпадает с осью Z₃, а вектор электрического поля Е совпадает с осью Х₃. Тогда, считая, что δ₃=arctg(√ε) - угол Брюстера, с учетом условия компланарности векторов К₃, Е и n₃ в системе координат Х₃Y₃Z₃ нормаль к окну вывода n₃ можно задать через направляющие косинусы: n₃(sin(δ₃), 0, cos(δ₃));

Запишем направляющие косинусы осей частной системы координат Х₃Y₃Z₃ в обобщенной системе координат XYZ:

О₃Х₃(1, 0, 0) - совпадающая по направлению с вектором Е;

О₃Y₃(0, -cos(α'), sin(α'))

О₃Z₃(0, sin(α'), cos(α')) - совпадающая по направлению с вектором К₃;

Зная положение вектора n₃ в системе Х₃Y₃Z₃, и положение Х₃Y₃Z₃ относительно обобщенной системы координат XYZ, запишем его координаты в системе координат XYZ согласно: И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев. Справочник по математике. - М.: Гос. изд. физ. мат. литературы, 1962, с.218:

n₃(sin(δ₃), соs(δ₃)×sin(α'), соs(δ₃)×cos(α')).

n₁(sin(δ₁), cos(δ₁)×(-sin(α)), cos(δ₁)×cos(α))=n₃(sin(δ₃), соs(δ₃)×sin(α'), соs(δ₃)×соs(α'))

Заменим в правой части равенства δ₃ на δ₁, α' на α, получим:

n₁(sin(δ₁), cos(δ₁)×(-sin(α)), cos(δ₁)×cos(α))=n₃(sin(δ₁), cos(δ₁)×sin(α), cos(δ₁)×cos(α))

Условие равенства направляющих косинусов нормалей n₃=n₁ реализуется только в тривиальном случае. В эксперименте реализация окон ввода и вывода с помощью одной пластины не представляется возможным. Исходя из полученных выражений для нормали окна ввода n₁(sin(δ₁), cos(δ₁)×(-sin(α))×cos(δ₁)×cos(α)) и нормали окна вывода n₃(sin(δ₁), cos(δ₁)×sin(α), cos(δ₁)×cos(α)) мы можем однозначно определить положение в пространстве окна ввода и окна вывода.

Установка окон ввода и вывода проводится в два приема:

1. Окна поворачиваются относительно оси Х в обобщенной системе координат на угол δ₁,

2. Следуя условию -sin(α)=sin(-α), окно вывода поворачивается относительно оси Y на угол α, а окно ввода на угол - α.

Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.

На фиг.6 представлен результат расчета частотной зависимости коэффициента прохождения через камеру без образца (фиг.1) при ТР поляризации (вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения). Расчет проведен для камеры со следующими параметрами: диэлектрическая проницаемость окон ввода и вывода электромагнитной волны ε₁=ε₃=3,8, толщина окна ввода h=10 мм, толщина окна вывода n₃=10 мм, для угла Брюстера δ₁=δ₃=62,84 град. Из фиг.3 видно, что изменения коэффициента прохождения в полосе частот от 1 до 50 ГГц с камерой и без нее составили не более 0,045%, что доказывает незначительное влияние параметров устройств ввода излучения камеры на коэффициент прохождения электромагнитной волны.

На фиг.7 представлены результаты расчетов частотных зависимостей коэффициента прохождения через плоскую пластину при нормальных условиях с камерой и без нее.

Зависимость 1 рассчитана для свободно расположенной плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=3,0 и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации (вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения).

Зависимость 2, полностью совпадающая на фиг.3 с зависимостью 1, рассчитана для расположенной в камере, выполненной по предлагаемому техническому решению, плоской пластины с диэлектрической проницаемостью 8=3,0 и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации.

Зависимость 3 рассчитана для той же пластины, но расположенной в камере в которой в отличии от предлагаемого технического решения антенны излучают и принимают не ТР-, а TS-поляризацию.

Зависимость 4 рассчитана для той же пластины, но расположенной в камере, в которой в отличие от предлагаемого технического решения антенны излучают и принимают не ТР, а TS поляризацию, окна расположены под нулевым углом падения.

Из представленных зависимостей на фиг.7 видно, что использование камеры, выполненной по предлагаемому техническому решению (фиг.1), для измерения коэффициента прохождения плоской пластины не влияет на выходные параметры, а результаты измерений совпадают с результатами расчетов для свободно расположенной пластины. Изменение в техническом решении поляризации падающей волны или угла падения волны на окна ввода и вывода электромагнитной энергии приводят к значительному понижению коэффициента прохождения по сравнению с результатами расчета свободно расположенной пластины.

На фиг.8 представлены результаты расчетов частотных зависимостей модуля коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере и в свободном пространстве.

Зависимость 1 рассчитана для камеры, выполненной по предложенному техническому решению без образца. Видно, что КП (F) не изменяется более чем на 0,05% от 100%.

Зависимость 2 рассчитана для камеры с образцом плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=3,8 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0001, соответствующих температуре 20°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации (вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения волны на пластину).

Зависимость 3 рассчитана для свободного образца плоской пластины с диэлектрической проницаемостью 8=3,8 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0001, соответствующих температуре нагрева 20°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации. Видно, что зависимости 2 и 3 совпадают.

Зависимость 4 рассчитана для свободного образца плоской пластины с диэлектрической проницаемостью s=4,1 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0010, соответствующих температуре нагрева 1200°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации.

Зависимость 5 рассчитана для камеры с образцом плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=4,1 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0010, соответствующих температуре нагрева 1200°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации. Видно, что зависимости 4 и 5 совпадают.

Из сравнительного анализа зависимостей на фиг.8 можно сделать вывод о том, что для измерений изменения диэлектрической проницаемости пластины материала, связанной с нагревом параметры окон ввода и вывода излучения камеры, не влияют на результаты эксперимента во всей полосе частот.

На фиг.9 представлены сравнительные результаты расчетов частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере и в свободном пространстве.

Зависимость 1 соответствует изменению разности частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере (соответствует разности зависимостей 3 и 4 на фиг.4).

Зависимость 2 соответствует изменению разности частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в свободном пространстве (соответствует разности зависимостей 2 и 5 на фиг.4).

Из фиг.9 видно, что зависимости 1 и 2 совпадают, что подтверждает применение предложенного технического решения для измерения диэлектрической проницаемости плоской пластины при воздействии внешних факторов с применением камеры.

На фиг.10 представлены результаты расчетов частотных зависимостей фазы коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере и в свободном пространстве.

Зависимость 1 рассчитана для камеры, выполненной по предложенному техническому решению без образца.

Зависимость 2 рассчитана для камеры и плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=3,8 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0001, соответствующих температуре 20°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации (вектор электрического поля перпендикулярен плоскости падения волны на пластину).

Зависимость 3 рассчитана для свободного образца плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=3,8 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0001, соответствующих температуре нагрева 20°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации.

Зависимость 4 рассчитана для свободного образца плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=4,1 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0010, соответствующих температуре нагрева 1200°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации.

Зависимость 5 рассчитана для камеры и плоской пластины с диэлектрической проницаемостью ε=4,1 тангенсом угла диэлектрических потерь tgδ=0,0010, соответствующих температуре нагрева 1200°С, и толщиной h=10 мм при нормальном падении плоской волны α=0 град для TS поляризации.

На фиг.11 представлены сравнительные результаты расчетов частотных зависимостей относительного изменения фазы коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере и в свободном пространстве.

Зависимость 1 соответствует относительному изменению разности частотных зависимостей изменения фазы коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в камере (соответствует разности зависимостей 3 и 4 на фиг.6).

Зависимость 2 соответствует относительному изменению разности частотных зависимостей изменения фазы коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) при нагреве от 20 до 1200°С в свободном пространстве (соответствует разности зависимостей 2 и 5 на фиг.6).

Из фиг.11 видно, что зависимости 1 и 2 совпадают, что подтверждает применение предложенного технического решения для измерения свойств плоской пластины при воздействии внешних факторов с применением камеры.

На фиг.12 представлены сравнительные результаты расчетов частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины из аморфного кварца (диоксид кремния SiO₂) толщиной 10 мм при нагреве в камере.

Зависимости 1, 2 соответствует изменению разности частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины при изменении диэлектрической проницаемости от ε₂₀=3,8 до ε=3,9 в камере 1 и в свободном пространстве 2.

Зависимости 3, 4 соответствует изменению разности частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины при изменении диэлектрической проницаемости от ε₂₀=3,8 до ε=4,0 в камере 3 и в свободном пространстве 4.

Зависимости 5, 6 соответствует изменению разности частотных зависимостей изменения модуля коэффициента прохождения плоской пластины при изменении диэлектрической проницаемости от ε₂₀=3,8 до ε=4,1 в камере 5 и в свободном пространстве 6.

Из сравнения расчетных зависимостей на фиг.12 видно, что увеличение изменения диэлектрической проницаемости приводит к увеличению изменения модуля коэффициента прохождения, а значит, путем сравнения зависимостей, можно определить диэлектрическую проницаемость пластины.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов в камере по предлагаемому техническому решению может использоваться при исследовании быстроизменяющихся процессов в области физики и биологии.

Толщина стенок окон камеры может изменяться в широких пределах и при этом незначительно искажать проходящее поле. Изменение диэлектрической проницаемости окон также незначительно искажает проходящее поле.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов, выполненное по предлагаемому изобретению, по сравнению с известными устройствами, в широкой полосе частот вносит минимальные искажения в поле падающей волны и обладает наилучшими радиотехническими характеристиками.

Источники информации

1. Воробьев Е.А., Михайлов В.Ф., Харитонов А.А. СВЧ-диэлектрики в условиях высоких температур. - М.: Сов. Радио, 1977.

2. Михайлов В.Ф., Победоносцев К.А., Брагин И.В. Прогнозирование эксплуатационных характеристик антенн с теплозащитой. - С-Петербург, Судостроение, 1994, 300 с. (стр.168-169).

3. Авторское свидетельство СССР №1775686, кл. G01r 27/26, опубл 15.12.1992 г., Бюл. №42, для измерения диэлектрической проницаемости.

Дополнительно

1. Free space material measurement seminar. (Измерения в свободном пространстве). Sourcebook. http://www.home.agilent.com/upload/cmc-upload/All/FreeSpaceSeminarRev2.pdf

2. Крылов В.П. Измерение диэлектрических свойств диоксида кремния на частоте 10¹⁰ ГГц при нагреве до 1200°С в цилиндрическом волноводном резонаторе. - Заводская лаборатория. Диагностика материалов., т.73, №9, 2007, с 47-49.

3. Воробьев Е.А. Теплофизические погрешности измерения температурных зависимостей относительной диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь термостойких диэлектриков на СВЧ в методе свободного пространства. - Дефектоскопия, №3, 2002, с31-47.

4. М.Борн, Э.Вольф. Основы оптики. - М.: Издательство Наука 1973, 73-82.

5. И.Н.Мешков, Б.В.Чириков Электромагнитное поле. Часть 1, - Новосибирск: Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200].

6. И.Н.Бронштейн и К.А.Семендяев Справочник по математике:. - М.: Гос. изд. физ. мат.литературы, 1962, с.218.

7. М.Я.Выгодский Справочник по высшей математике. - М.: Изд. Наука, 1977, с.149-150, §115, 116.

Устройство для определения диэлектрической проницаемости образца материала при воздействии внешних факторов, содержащее излучающий генератор, передающую линейно поляризованную антенну, камеру для размещения плоского образца испытуемого материала, приемную линейно поляризованную антенну, приемник, регистрирующий прибор, отличающееся тем, что камера снабжена плоскими радиопрозрачными окнами ввода и вывода излучения, а также либо механизмами и датчиками вращения образца в плоскости падения излучения и перпендикулярной к ней, либо механизмами и датчиками вращения окон ввода и вывода излучения в плоскости падения волны и перпендикулярной к ней, передающая антенна ориентирована относительно окна ввода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно ввода, а приемная антенна ориентирована относительно окна вывода излучения под углом Брюстера так, чтобы вектор ее электрического поля лежал в плоскости падения излучения на окно вывода.