Введение к работе
1. . Актуальность .емы. Важность освоения диапазонов миллиметров»ж и субмнллиметровых волн признавалась многими исследователями как в научных интересах, так н для технических приложений. До сих пор в этой области существует много "белых пятен" при иссхедоаании диэлектрических свойств материалов.
В настоящее время существует острый недостаток технических средств миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, в частности, всевозможных управляемых устройств: модуляторов, как амплитудных, так и Фазовых; квазиоптических развязок и др.
В этом плане магнитная жидкость (Феррожидкость) является интересным объектом для исследования возможности ее применения в качестве материала для создания управляемых устройств а миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
На настоящий момент существует несколько концепций эффекта наведенной анизотропии в феррожидкостях. Иаибольвее распространение получила кластерная модель магнитной жидкости, помещенной во впевнене магнитное поле. Характерный пространственный период возникающих в магнитном поле такого рода образований (кластеров) много меньяе длины волны субмнлиметрового излучения. Определение частотной зависимости комплексного показателя преломления магнитной жидкости и наведенной магнитным полем его анизотропии несут важную информации о кластерной структуре феррожидкостей, и в этом плане такого рода исследования носят фундаментальный характер.
В последние несколько десятилетий в миллиметровой и субмиллиметровой области спектра, преимущественно в России.
1 І
- г -
интенсивно развивалось направление, называемое
ЛОВ-спектроскопией. У ЛОВ-спектрометров в качестве
монохроматического источника излучения используется дампа обратной волны (ЛОВ) с высокой монохроматичностью излучения (t>/At>) = ~10b * более.
Специфика ЛОВ-спектроскопии основана на возможности »лектронной перестройки частоты источника излучения на сравнительно большую величину (порядка октавы) без квкях-либо механических подстроек. С середины 60-х годов начали интенсивно развиваться методы ЛОВ-спектроскопии мм.-сбим. диапазона от простейших скалярных (снятие ноцностиых спектров) до векторных (например, определение спектров Фазы и мощности). Мовно подразделить векторные методы ЛОВ-спектроскопии на динамические (там,. где производится механическая подвижка элементов интерферометра в процессе снятия спектра и (или) механическая, модуляция каким-либо элементом интерферометра) к~шстатические (все элементы интерферометра гестко закреплены н неподвижны в процессе сканирования чдсяо/гы).
Достигнутые параметры лучших векторных статических методов: динамический диапазон 10* - 10 , воспроизводимость по модности (при больших пропусканиях) на уровне О.ЗХ - IX, Фазовые точности - 0.15-0.4 при возможности измерять сколь угодно большие Фазовые зависимости от частоты.
Цель настоящей работы разделяется на две части:
995Й5Й*" Ц«ль диссертации заключается в исследовании наведенной анизотропии магнитной жидкости, а именно:
1) в определении разлнчными_независимыми методами SOB-
спектроскопии в диапазонах длин волн (7.6км. - 0.37 ми.Г частотных зависимостей комплексных показателей преломления магнитной хидкости на основе магнетита (Fe^O^) и типичного СВЧ-магнетнка - феррита марки 1-СЧ-4, (с ьедавнегс времени этот Феррит игпохьэуется в і.ачестве основы магнитной жидкости); а так яе в определении и сравнении наведенных поперечным магнитным полем их анизотропии;
2) в определении применимости кластерной модели к
классической линейной электродинамике феї рояндкостей в
киляиметровсм и субмиллиметровом диапазонах;
3) в исследовании возмохности применения магнитной сидкости в
качестве материала для иагнмтоуправляемых устройств данного
диапазона.
Кроме того целью данной работы является дальнейшее развитие
методов ЛОВ-спектроскопии, прехде всего расширение возмояностей
векторных статических методов по динамическому диапазону
мэаностных измерений, без суиественмых ограничения на
фазочастотные характеристики измеряемого объекта, как то: по
максимальной величине Фазового сдвига, по отклонению
фазочастотний характеристики от линейности.
Научная новизна работы заключается в сдедуюяем:
1) В диапазоне длин волн (7.5ик. - 0.37 км.)
экспериментально определены частотные -ависимости комплексных
показателей преломления магнитной хидкости на основе магнетита
(Fe О ) и типичного СВЧ-феррита марки 1-СЧ-4
/обозначения: для хидкости: nt = nl *-i к^ :
для феррита: п - л +І к ; где n=V е Ц , /
I г г
а так же наведенных поперечным магнитным полем их анизотропии
/обозначения: дла видкостм: пА1 = а^ *1 к^; nt = л», + 1 к,г ; дла феррита «4, = «lf *i *lt ; п., = в., +i *«, .
-Х-Х- .10 _
где л=/ е, |Д Знак 1 применяется дла обыкновенного луча (вектор X электромагнитной волны перпендикулярен направление внешнего магнитного пола В); а знак 5 - для необыкновенного ' (вектор К параллелен в; индекс і - для жкдкостч, а г - для феррита)/.
При этом у Феррожидкости надежно установлено отсутствие
ОСОбЫЛ ТОЧеК В ДИСПеРПСИОННОЙ ЗаВИСИМОСТИ ВеЛИЧИН Л1(Ш)'
о.,. ,, л|км)> опубликованных ранее, (соответствующая работа выполнена в более узком диапазоне 1.1 мм. - 0.4 мм. DFTS -методами).
-
В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах комплексный показатель преломления жидкости определен на основе численного реаения трехслойной электродинамической задачи (обратной задачи), являвшейся модель» кюветы с прозрачными окнами.
-
в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах обнаружено, что для магнитных полей, малых по сравнению с величиной поля
. ферромагнитного резонанса наведенная анизотропия магнитной жидкости главным образом обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости, что подтверждается следующими Фактами:
а) двулучепреломление магнитной жидкости имеет обратный знак
по отношению к. двулучепреломлению, обусловленному магнитной
проницаемостью в феррите 1-СЧ-4: (я^- "ц,>і "і,- "lt <0).
б) двулучепреломление м дихроизм магнитной жидкости мало
зависят от частоты, причем 2(о4- а,^)- л^- nt = соаві. . (зто
находится в хорошем соответствии с кластерной моделью
Феррожидкости, помещенной so внешнее магнитное поле), в отличав
от анизотропии, обусловленной магнитной проницаемостью Феррите
1-СЧ-4: nlf- n.f и (ИЯГ*.
4. Предложен и реализован новый векторный статический метод ЛОВ-спектроскопии, признаний изобретением. Метод позволил качественно расяирить динамический диапазон спектральных измерений иопности к* несколько порядков (в пределе в квадрат раз) при возможности измерять спектры фазовых разбалансов вплоть до величин, ограниченных, длиной когерентности источника излучения.
Практическую ценность работы представляют:
1) Значения комплексных показателей преломления магнитной
жидкости и феррита 1-СЧ-4 и их дисперпсий, а также величины их
магнитной анизотропии при проектировании и расчете
магнитоуправляемых устройств на основе этих венеств в
миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.
2) Новый векторный статический метод открывает новые
возможности субмиллиметровой спектроскопии, прежде всего при
исследовании сильно проводящих сред, в частности металлов,
сверхпроводников и т.д.); для достижения .больших точностей по
показателям преломления пр'и исследованиях всевозможных ведеств,
прозрачных в миллиметровом - субмиллиметровом диапазонах: твердых
тел, жидкостей.
Научные положения, выносимые на завиту.
1) В диапазоне длин волн (7.6мм. - 0.37 им.) определены
частотные зависимости комплексных показателей преломления
магнитной жидкости на основе магнетита (Fes4) и типичного
СВЧ-магнетика - феррита марки 1-СЧ-4; а так же наведенные
поперечным магнитным полем их анизотропии.
2) На основе численного расчета трехслойной злектро-
- є -
динамической задачи (обратная задача), являюцейся моделью кювет» с прозрачными окнами реализована методика определения дисперсии комплексного показателя преломления прозрачных жидкостей в миллиметровом м субмиллиметровом диапазонах. Методика вппробирована на магнитной жидкости и керосине.
3) В дисперпсионной зависимо-ти комплексного показателя преломления феррожидкости (о1(Ы))> а такве в частотных зависимостях наведенной внесшим касыеасцкы кагниткым поле» анизотропии ддя обыкновенного (им/ы\) и необыкновенного (л,1((,.) лучей отсутствует особые точки, публиковаваиеся ранее.
4) Показатель преломления магнитной жидкости, состоящей из 10Х к&гнетнта в керосине) 1акЫ)) изменяется монотонно о» величины.1.798 при 41.4 ГГц до 1.731 при 766.2 ГГЦ (относительней точность измерений 0.1SS), л показатель поглоцекия (*,,,,,) отвеличины 0.0282 при 41ГГц до 0.0411 при 790,8ГГц. (относительная точность измерений 2%).
5) Двулучепреломление магнитной жидкости имеет обратный знак по отиоаенкш' к двулучепреломлению в феррите 1-СЧ-4. обусловленному магнитное проницаемостью (п^- о,д>п; п.,- nlf<0).
в) В диапазоне 36 ГГц - 670 ГГц двулучепреломление и дихроизм магнитной жидкости мало зависят от частоты (изменяете» не более, чем 20Х), причем 2(nt- п,1)= п^- л^ const, ., в отличав от двулучепреломление в Феррите 1-СЧ-4, обусловленного магнитной проницаемость»: a»f- n,fa (щЯ)"1.
Т)Наведенная ангэотропмл магнитной жидкости в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах главным образом обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости для магнитные полей, малых по сравнении с величиной пояя Ферромагнитного резонанса
(вследствие 5-го и в-го пунктов).
в) Пункты с 3-го по 7-й находятся в хорошем соответствии с кхастериой моделью Ферроамдкости, помещенной во виеанее магнитное поде.
9) Предложен и реализован новый векторный метод в ЯОВ-спектроскопии, признанный изобретением. При реализации метода достигнуты рекордные параметры спектральных измерений 'практически без ухудшения остальных параметров) в миллиметровом н субмиллиметровом диапазонах длин волн* динамический диапазон для спектральных амплитудно - фазовых измерений расширился с 10* до 107 при высокой фазовой чувствительности (0.3 для пропусканий порядка единицы) без ограничений на фаэочастотиые характеристики измеряемого об-ьекта, как то: по максимальной величине Фазового сдвига и по отклонению Фаэочастотной характеристики ит линейности.
Апробация работы. Основные результаты настоящей работы докладывались и обсуждались на 3-х научных конференциях: 1) IV Всесоюзная конференция по магнитным Адкостям (г. Плес, апрель 1891), 2) XXVII-я международная конференция по инфракраснымыеждукародная конференции по магнитооптике (г. Харьков, сентябрь 1991), и 3) вторая международная конференция по субмиллиметровым волнам и ИК-технике (г. Пекин, Китай, август 1992).
Помимо этого диссертационная работа была доложена на семинаре Института Экспериментальной Физики Венского Университета (Вена, Австрия, июнь 1991) на семинаре отдела колебаний Института Общей физики РАИ (Октябрь 1992). на семинаре отдела субмиллиметровой спектроскопии Института Обвей физики РАН
1 « - 8 -
(Февраль 1993) и на семинаре Отдеаа СКЛ Института Обвей физики РАН (январь 1993).
Публикации
Материалы диссертации изложены в 4-х печатных работав, опубликованных в различных научных журналах и тезисах докладов конференций. По предложенному метод;- в ЛОВ-спектроскопии получен патент. Кроме того 3 научные статьи приняты к публикации в журнале "The Journal of Infrared and Suballllaeter Waves" (срок публикации - сентябрь 1993).
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы; изложена на 139 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка, 1 таблицу. Список литературы вмлючает 106 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
