Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние исследований определения параметров материалов и характеристик вибраций с помощыо полупроводниковых свч-интерферометров 11
1.1. Детекторный эффект в СВЧ-устройствах на диодах Ганна 11
1.2. Мостовые методы измерения параметров материалов 21
1.3. Радиоволновые измерители параметров вибраций малых амплитуд 23
1.3.1. Измерения амплитуды вибраций осесимметричных объектов 23
1.3.2. Радиоволновые дистанционные измерители вибраций 26
2. Преобразование спектра СВЧ-генератора при периодическом движении внешнего отражателя 29
2.1. Формирование спектра продетектированного сигнала СВЧ-генератора в мостовой схеме 29
2.2. Преобразование спектра при периодическом движении внешнего отражателя
2.3. Результаты экспериментальных исследований 33
2.4. Измерение характеристик вибраций с помощыо автодинного генератора на диоде Ганна 40
2.5. Результаты экспериментальных исследований 42
3. Исследование зависимости автодинного сигнала в схеме свч-интерферометра от параметров магнитной жидкости, используемой в качестве нагрузки 48
3.1. Комплексная магнитная проницаемость магнитной жидкости в СВЧ диапазоне 48
3.2. Исследования взаимодействия электромагнитного излучения с магнитными жидкостями и возможности определения свойств и параметров магнитных жидкостей 56
3.2.1. Исследование свойств магнитной жидкости по дисперсии динамической магнитной восприимчивости 57
3.2.2. Исследование взаимодействия СВЧ-излучения с магнитной жидкостью в условиях ферромагнитного резонанса 60
3.3. Исследование влияния температуры на коэффициент отражения СВЧ- излучения от слоя магнитной жидкости, заполняющей поперечное сечение волновода 64
3.3.1. Определение параметров магнитной жидкости по результатам измерения частотной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения 64
3.3.2. Схема эксперимента по исследованию температурной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от слоя магнитной жидкости 72
Теоретическое обоснование методики измерений 73
4. Применение радиоволнового интерферометра на базе автодинного СВЧ-генератора на диоде ганна и для контроля биометрических параметров, характеризующих движения тела человека, связанные с дыханием и сердцебиением 80
4.1. Теоретическое обоснование методики измерений 80
4.2. Контроль биометрических параметров, характеризующих движение тела человека с помощью методов радиоволнового зондирования 8
Литература
- Мостовые методы измерения параметров материалов
- Измерение характеристик вибраций с помощыо автодинного генератора на диоде Ганна
- Исследования взаимодействия электромагнитного излучения с магнитными жидкостями и возможности определения свойств и параметров магнитных жидкостей
- Контроль биометрических параметров, характеризующих движение тела человека с помощью методов радиоволнового зондирования
Введение к работе
Одним из направлений использования полупроводниковых СВЧ-автодинов является определение характеристик движущихся объектов и измерение параметров материалов [1-4]. В ряде работ, например в [5-7], было показано, что полупроводниковые СВЧ-интерферометры могут быть применены для контроля вибраций объектов, амплитуда которых значительно меньше длины волны СВЧ-излучения, а также для определения параметров материалов, значения которых изменяются в сравнительно небольших пределах.
При этом экспериментально удавалось получить участки линейной зависимости величины сигнала автодинного детектирования от амплитуды колебаний объекта или от величины изменения определяемого параметра материала, что позволяло создавать сравнительно простые устройства для регистрации характеристик вибраций. Использование такого рода устройств для измерений предполагало проведение операции калибровки. Строгого математического обоснования такого рода методики измерений проведено не было. Задача по созданию измерителей характеристик вибраций с амплитудами, соизмеримыми и превышающими длину волны СВЧ-излучения, принцип действия которых основан на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах, также ранее не решалась.
В то же время известно большое число работ, в которых показана возможность измерения характеристик вибраций с помощью лазерных автодинов методами интерферометрии. При этом амплитуды, контролируемых с их помощью вибраций, могут быть как намного больше, так и меньше длины волны лазерного излучения [8-Ю]. Как для первого, так и для второго случая разработана теория, обосновывающая возможность проведения таких измерений, проведен большой объем экспериментальных исследований, подтверждающих реализуемость предлагаемых методов измерения [11, 12].
В связи с этим представляется интересным исследование возможности применения полупроводниковых автодинов в случае, когда их нагрузка представляет собой отражатель, вибрирующей с амплитудами, сравнимыми или превышающими длину СВЧ-излучения, или она выполнена из материала, с параметрами, изменяющимися в широких пределах. К таким материалам можно отнести, в частности, магнитную жидкость, параметрами которой можно управлять, воздействуя на нее электрическим и магнитным полями или изменяя ее температуру.
На основе вышесказанного была сформулирована цель диссертационной работы: исследование особенностей работы СВЧ-автодинов на диоде Ганна с нагрузкой, изменяющейся в широком диапазоне значений, и возможностей их использования в схемах СВЧ-интерферометров.
Новизна исследований, проведенных в ходе диссертационной работы, состоит в следующем:
Показано, что зависимость продетектированного сигнала в полупроводниковом СВЧ-автодине от параметров нагрузки, описанная теоретически с использованием методов спектрального анализа, хорошо совпадает с определенной экспериментально, что может быть успешно использовано для нахождения амплитуды колебаний удаленного на значительное расстояние от генератора вибрирующего в широком диапазоне амплитуд объекта.
Впервые исследовано влияние температурных зависимостей действительной и мнимой частей магнитной восприимчивости магнитной жидкости, используемой в качестве нагрузки в схеме СВЧ-интерферометра, на частотную зависимость продетектированного сигнала.
Показано, что, использование результатов измерения продетектированного сигнала с помощью радиоволнового интерферометра на основе автодинного СВЧ-генератора на диоде Ганна и двойного волноводного тройника и, обработка их методами
спектрального анализа, позволяет контролировать биометрические параметры человека, характеризующие движения грудной клетки вследствие дыхания и сердечных сокращений.
Достоверность полученных теоретических результатов
обеспечивается достаточной строгостью используемых математических моделей, корректностью упрощающих допущений, сходимостью вычислительных процессов к искомым решениям, соответствием результатов расчета эксперименту. Достоверность экспериментальных результатов обеспечена применением стандартной измерительной аппаратуры, обработкой экспериментальных данных с помощью современных методов с использованием ЭВМ.
Практическая значимость полученных результатов состоит в следующем:
Показана возможность определения амплитуд вибраций объекта со значениями, сравнимыми и большими длины волны источника СВЧ-излучения по спектру интерференционного сигнала.
Предложен метод определения абсолютных значений расстояния до объекта, путем определения положения минимумов на частотной зависимости продетектированного сигнала в схеме СВЧ-интерферометра.
Разработана методика бесконтактного контроля характеристик движения грудной клетки человека, связанного с дыханием и сердцебиением.
Положения и результаты, выносимые на защиту:
1. С ростом амплитуды гармонических колебаний вибрирующей нагрузки генератора низкочастотный спектр интерференционного СВЧ-сигнала обогащается, причем амплитуда колебаний нагрузки может быть определена по соотношению амплитуд гармонических составляющих в
спектре СВЧ-сигнала или по номеру спектральной составляющей с максимальным значением.
По спектру интерференционного СВЧ-сигнала автодинного генератора могут быть определены амплитуды вибраций со значениями, сравнимыми и большими длины волны источника СВЧ излучения, на расстояниях значительно превышающих его длину волны.
Экспериментальная зависимость коэффициента отражения от частоты электромагнитного излучения при использовании в качестве нагрузки СВЧ-интерферометра слоя магнитной жидкости, параметры которой изменяются в результате изменения температуры, приводящего к частотному и амплитудному смещению минимумов СВЧ-интерференционной картины, хорошо согласуется с соответствующей теоретической зависимостью при адекватном описании свойств магнитной жидкости.
При движении тела человека, связанного с дыханием и сердцебиением, в СВЧ-автодинной схеме формируется сигнал, по спектру которого можно определить частоты и амплитуды этих движений.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, имеющих подразделы, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 109 страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 96 страниц, включая 39 рисунков. Список литературы содержит 115 наименований и изложен на 13 страницах.
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулирована цель работы, приведены основные положения, выносимые на защиту, описана структура и объем работы.
В первом разделе диссертации проведен критический анализ современных исследований, посвященных изучению параметров материалов и характеристик вибраций с помощью СВЧ-интерферометров. Здесь же определены основные проблемы, изученные недостаточно и требующие дальнейших исследований.
Во втором разделе приведены результаты теоретического анализа и
экспериментальных исследований преобразования спектра
интерференционного СВЧ-сигнала при периодическом движении внешнего отражателя.
В третьем разделе приведены результаты теоретического анализа и экспериментальных исследований температурной зависимости коэффициента отражения СВЧ-излучения от слоя магнитной жидкости, заполняющей поперечное сечение волновода. Экспериментально исследовано поведение минимумов коэффициента отражения СВЧ-излучения в интерференционной схеме.
В четвертом разделе приведено теоретическое обоснование методики радиоволнового контроля параметров, характеризующих движения тела человека, связанные с дыханием и сердцебиением, методами радиоволновой интерферометрии.
Апробация работы
Работа выполнена на кафедре физики твердого тела Саратовского государственного университета в 2003-2006 гг. Часть диссертационной работы была выполнена в соответствии с программой МО РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: «Электроника». Раздел: «Полупроводниковые приборы, микро-и наноэлектроника». НИР "Разработка и создание микроэлектронных систем и технологий контроля многокомпонентных сред". Код проекта/ НИР: 208.02.02.040. 2002 г.; программой МО РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: «Электроника». Раздел: «208.03. Нанотехнологии в электронике». НИР " Разработка и создание нанотехнологий контроля параметров многокомпонентных сред " в 2003 г.; программой МО РФ: «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Подпрограмма: «Электроника». Раздел: «208.03. Нанотехнологии в электронике». НИР "
Разработка и создание нанотехнологий контроля параметров многокомпонентных сред" в 2004 г; в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы». Подпрограмма 3. «Развитие инфраструктуры научно-технической и инновационной деятельности высшей школы и ее кадрового потенциала». Раздел 3.3 «Развитие научно-исследовательской работы молодых преподавателей и научных сотрудников, аспирантов и студентов» «Лазерная диагностика микро- и нановибраций и перемещений» 2005г.; при поддерждке гранта РФФИ №05-08-17924 Разработка математического аппарата и технологических решений, составляющих основу диагностических комплексов для анализа параметров движений объектов биологии и медицины. 2005-2006 г.
Основные положения, достигнутые в ходе выполнения диссертационной работы и результаты, докладывались и обсуждались на:
Московском международном симпозиуме по магнетизму в июне 2002 года;
П-ой Международной научно-технической конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» в г. Самара, в сентябре
2003 года;
«Федеральной итоговой научно-технической конференции творческой молодежи России по естественным, техническим, гуманитарным наукам» в г. Москва, в 2003 года;
III Международной научно-технической конференции «Физика волновых процессов и радиотехнические системы» в г. Волгоград, в сентябре 2004 года;
международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы электоронного приборостроения» в г. Саратов, в сентябре
2004 года;
6. II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии
«Медицинская физика 2005» в июне 2006 года;
The 35th European Microwave Conference (EuMC). Paris, France, 4-6 October 2005;
IV международной конференции «Физика и технические приложения волновых процессов» в г. Нижний Новгород, в октябре 2005 года;
15-й международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» в г. Севастополь, Украина в сентябре 2005 года;
lO.V-й международной научно-технической конференции "Электроника и
информатика - 2005" в г. Москва, в ноябре 2005; ll.Euromech Colloquium 470 «Recent Develepment in Ferrofluid Research».
Dresden, February 2006.
По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 13 работ, в том числе 2 статьи в центральных научно-технических журналах, 5 статей в сборниках материалов конференций, тезисы 5 докладов на международных научно-технических конференциях и тезисы 1 доклада на Саратовском салоне.
Личное участие автора в работе выразилось в самостоятельном
выводе расчетных соотношений, позволяющих описать
экспериментальные результаты, выборе математической модели, проведении расчетных и экспериментальных работ, участии в формулировании научных выводов.
1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИИ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МАТЕРИАЛОВ И
ХАРАКТЕРИСТИК ВИБРАЦИЙ С ПОМОЩЬЮ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СВЧ-ИНТЕРФЕРОМЕТРОВ
Мостовые методы измерения параметров материалов
Большинство известных методов, используемых для измерения вибраций, являются контактными и требуют механической связи чувствительного элемента с контролируемым объектом [50, 51, 52]. На практике такой контакт часто недопустим, поскольку при этом происходит искажение контролируемого процесса. Преодолеть эти трудности позволяют радиоволновые измерения, использующие для бесконтактного и безинерционного зондирования вибрирующего объекта электромагнитные волны ВЧ- и СВЧ- диапазонов. В результате проведенных исследований, например, авторами [53] разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения не только амплитуды, но и направления вибрации [53].
На рис. 1.6 схематически изображено устройство, предназначенное для реализации такого способа двухкоординатного измерения амплитуды механических вибраций. Источники зондирующего СВЧ-излучения 1, 2 и одновременно приемники провзаимодействовавшего с вибрирующим объектом сигналов (автодинные генераторы 1, 2) представляли собой отрезки стандартных прямоугольных волноводов, которые с одного конца соединенялись с камерами 3, 4, изготовленными из металлической ленты, свернутой в кольцо. Связь с СВЧ-полем отрезков волновода с каждой камерой 3, 4 осуществлялись через прямоугольное волноводное окно 10, как показано на рис. 1.6. В камерах 3, 4 помещается цилиндрический металлический стержень 5, перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение продетектированного автодинами 1, 2 зондирующего СВЧ-сигнала. Стержень 5 является либо самим объектом, исследуемым на вибрацию, либо может быть соединен с помощью жесткого соединения (кронштейна 6) с исследуемым объектом 7, который находится вне камеры. Источник СВЧ-излучения 1 питается от блока питания 8. Второй источник СВЧ-колебаний 2 вместе с камерой 4 и блоком питания 9 является идентичным по конструкции и электрическим параметрам с первым источником СВЧ-колебаний 1. Наличие второго источника СВЧ-колебаний 2 в предлагаемом способе измерения вибрации обусловлено необходимостью одновременного измерения вибрации в двух плоскостях. При этом измеряются только поперечные колебания стержня в плоскостях, совпадающих с осью волновода и вектором электрического поля в волноводе (основной тип волны - Н]0).
Принципиально возможно измерение амплитуды вибрации с помощью только одного источника СВЧ-излучения, если осуществлять его поворот на заданный фиксированный угол относительно оси стержня 5. Однако дополнительное приспособление для механического поворота источника СВЧ-колебаний может заметно усложнить устройство в целом. К тому же разнесение по времени моментов измерения в разных плоскостях может привести к снижению точности измерения.
Для удобства расчета использовалась прямоугольная система координат и источники СВЧ-колебаний 1 и 2 располагались под углом 90 относительно друг друга, как показано на рис. 1.6.
Реализуемый с помощью описанного устройства способ измерения амплитуды механических вибраций заключается в следующем. Предварительно, до начала исследуемых вибраций, измеряют зависимости продетектированного сигнала U от относительного перемещения стержня 5 в камерах 3 и 4 при облучении стержня 5 зондирующим излучением от источников СВЧ-сигнала 1 и 2. Относительное перемещение определяется соотношением: х/Х, где X - длина волны СВЧ-автодина 1.
Основное преимущество предложенного способа и устройства по сравнению с известными заключается в повышении точности измерения вследствие учета направления колебаний контролируемого объекта. По сравнению с акустическими методами измерения вибраций разработанный метод имеет существенное преимущество в том, что он позволяет проводить измерения в вакууме.
Предложенное измерительное устройство отличается простотой конструкции, малыми габаритами, для его эксплуатации не требуется высокой квалификации обслуживающего персонала, и в отличие от оптических методов для его работы не требуется проводить трудоемкой юстировки устройства [54, 55-57].
Измерение характеристик вибраций с помощыо автодинного генератора на диоде Ганна
Как видно из рис. 2.4, 2.5, 2.6, при увеличении амплитуды вибрации объекта наблюдается обогащение спектра интерференционного сигнала гармониками высших порядков. Гармоника с максимальной амплитудой в спектре на рис. 2.4 имеет порядковый номер 2, что соответствует амплитуде колебаний объекта 2.7 мм. На рис. 2.5 гармоника с максимальной амплитудой характеризуется порядковым номером 6, что соответствует амплитуде колебаний объекта 4.7 мм. На рис. 2.6 гармоника с максимальной амплитудой характеризуется порядковым номером 12, что соответствует амплитуде колебаний объекта 8.8 мм.
Таким образом, выбранной схемы в СВЧ диапазоне длин волн формируются интерференционная картина и наблюдаются закономерности в обогащении спектра сигнала с ростом амплитуды колебаний объекта, по которым можно определить амплитуду колебаний объекта.
В состав СВЧ-измерителя вибраций, блок-схема которого представлена на рис.2.7, входят: 1 - СВЧ-датчик, включающий в себя полупроводниковый СВЧ-генератор, выполненный в виде короткозамкнутого отрезка волновода или микрополосковой линии и использующий в качестве активного элемента диод Ганна, 2-предварительный усилитель, предназначенный для усиления сигнала, поступающего с активного СВЧ-элемента до требуемой величины, 3 -блок питания, обеспечивающий питающими напряжениями активный СВЧ-элемент измерителя вибраций и предварительный усилитель; 4-система корректировки нуля, позволяющая проводить калибровку СВЧ-измерителя; 5 - блок индикации, соединенный с персональным компьютером. На рис.2.8 приведен внешний вид радиоволнового измерителя вибраций.
Полупроводниковый активный элемент в схеме измерителя (диод Ганна) работает в так называемом режиме автодинного детектирования, при котором активный СВЧ-элемент является одновременно и источником и приемником отраженной электромагнитной волны. Работа в режиме автодинного детектирования основана на нелинейном взаимодействии отраженной от вибрирующего объекта электромагнитной волны с источником этих волн (диодом Ганна). При взаимодействии отраженной электромагнитной волны с диодом Ганна в цепи питания последнего возникает дополнительная составляющая постоянного тока. При вибрациях контролируемого объекта происходит изменение эффективной нагрузки СВЧ-генератора, т.е. изменяется амплитуда и фаза отраженной электромагнитной волны. Амплитуда и фаза отраженной электромагнитной волны определяется амплитудой и фазой вибраций контролируемого образца. С изменением амплитуды и фазы отраженной волны изменяется величина дополнительной составляющей постоянного тока в цепи питания активного элемента СВЧ-датчика.
Таким образом, предложено теоретическое описание зависимости коэффициента отражения от времени и спектра продетектированного сигнала в схеме интерферометра на основе двойного волноводного тройника, в одном из плеч которого помещен вибрирующий объект, хорошо совпадающее с экспериментом. Показана возможность использования теоретического описания и результатов измерений для определения характеристик вибраций отражателя в одном из плеч тройника.
Результаты измерений автодинного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна при вибрации объекта с различной амплитудой и их спектры приведены на рис.2.9, 2.10, 2.11. Приведенные на этих рисунках зависимости имеют вид аналогичный форме интерференционного сигнала, формируемого в автодинной системе на полупроводниковом лазере [8].
Как видно из рис. 2.9, 2.10, 2.11 с ростом амплитуды колебаний наблюдается ожидаемое обогащение спектра гармониками высших порядков [64]. Из приведенных спектров следует, что частота колебаний объекта равна -0.8 Гц. Рассчитанная из соотношения (2.12) амплитуда вибраций составила: 1.4, 2 и 3.4 мм, что соответствует калибровочным измерениям независимым оптическим методом.
Исследования взаимодействия электромагнитного излучения с магнитными жидкостями и возможности определения свойств и параметров магнитных жидкостей
Исследование взаимодействия электромагнитного излучения с магнитными жидкостями и на этой основе возможности определения их свойств и параметров является одной из актуальных задач радиофизики. Наиболее важным параметром, определяющим макроскопические свойства и поведение магнитной жидкости в магнитном поле, является размер ферромагнитных частиц. В настоящее время существуют различные методы определения размеров частиц магнитной жидкости [79,80]: электронная микроскопия, магнитные и ультразвуковые измерения, методы, основанные на светорассеянии и анизотропии оптического излучения. Из перечисленных методов только электронная микроскопия позволяет получить прямую информацию о распределении частиц по размерам. Однако такие измерения обладают существенным недостатком: погрешность измерения зависит от технологии приготовления образца, методики расшифровки электронной микрофотографии, четкости ее изображения и пр. Кроме того, перечисленные выше методы не позволяют оперативно измерять размеры феррочастиц в объеме магнитной жидкости. Особое место при контроле параметров магнитной жидкости находят методы СВЧ благодаря достаточно высокой прозрачности магнитной жидкости в этом диапазоне длин волн и высокой точности измерительной аппаратуры [81,82].
Релаксация намагниченности коллоидной магнитной жидкости после изменения приложенного поля происходит с участием двух механизмов: вращение самой частицы в жидкой матрице и вращение магнитного вектора внутри частицы.
Механизм, связанный с вращением частицы, характеризуется броуновским временем вращательной диффузии ть гидродинамического происхождения [83]: где V— объем частицы, а щ - вязкость несущей жидкости. Механизм, связанный с ориентацией магнитного вектора внутри частицы, описывается характерным временем релаксации тп, впервые введенным Неелем [80] соотношением: где /о - некоторая частота, приближенно равная 10 Гц, К - константа анизотропии материала.
Таким образом, динамика намагниченности магнитной жидкости основана на двух флуктуационных механизмах. Если тп « т , релаксация происходит по механизму Нееля, и материал обладает внутренним суперпарамагнетизмом. Если тп » т , то броуновский механизм главный, а материал проявляет внешний суперпарамагнетизм [85].
Наличие двух характерных времен релаксации определяет различное поведение динамической магнитной восприимчивости магнитной жидкости в низкочастотном и высокочастотном диапазонах [86-91]. В работе [86] рассмотрены низкочастотная и высокочастотная дисперсии магнитной жидкости. Решение уравнения Фоккера-Планка для кинетической намагниченности суспензии магнитных частиц дает обычное [85] выражение для динамической магнитной восприимчивости %: где Хо - статическая магнитная восприимчивость, со - круговая частота. Данная формула демонстрирует Дебаевский характер поведения восприимчивости, что подтвердило экспериментальное исследование суспензий никеля, кобальта и магнетита [92,93,94].
В результате анализа высокочастотной дисперсии магнитной жидкости в [86] показано, что для высокочастотного переменного поля магнитный момент определяется осью анизотропии и движется внутри ферромагнитного кристалла. В этом случае динамическая магнитная восприимчивость магнитной жидкости определяется в результате решения уравнения Ландау-Лифшица, и имеет вид
Контроль биометрических параметров, характеризующих движение тела человека с помощью методов радиоволнового зондирования
Принципиальная схема радиоинтерференционной установки, использованной для измерений, изображена на рис. 3.8. Источником сигнала служил СВЧ-генератор 1 качающейся частоты 8-мм диапазона, включенный через вентиль 2 в //-плечо двойного волноводного тройника 3. Мощность сигнала, поступающего в Я - плечо тройника, контролировалось с помощью полупроводникового СВЧ-диода 4, установленного в этом плече. В результате интерференции волн, отраженных от нагрузки в опорном плече и от слоя магнитной жидкости 5 в измерительном плече, помещенной между двумя тонкими, «прозрачными» для СВЧ диэлектрическими прокладками и препятствующими растеканию магнитной жидкости по волноводу, в Е-плече двойного волноводного тройника формируется разностный СВЧ-сигнал. Для регулировки фаз и амплитуд интерферирующих сигналов в опорном и измерительном плече двойного волноводного тройника расположены подвижные короткозамыкающие поршни 6, 8 и аттенюатор 7.
Сигнал, продетектированный с помощью СВЧ-диода 9, расположенного в -плече волноводного тройника, поступал через аналого-цифровой преобразователь 10 в компьютер 11, где сравнивался с сигналом, поступающим с СВЧ-диода 4, расположенного в Я-плече волноводного тройника. Конструкция измерительного плеча установки показана на рис.3.9. Созданная таким образом резонансная интерференционная система позволяла обеспечить чувствительность, достаточную для регистрации информативного сигнала.
Амплитуда высокочастотного тока /0 , возбуждаемого в -плече волноводного тройника в результате интерференции волн, отраженных от нагрузки в опорном плече и от измеряемого объекта, определяется амплитудами токов 1\ и 12, наводимых в нагрузке -плеча отраженными волнами, и разностью длин AL измерительного и опорного плеч [61]: /0 = //,2 +1\ + 2/,/2 cos (л- + сот) , (3.18) где г = 2AL/u — время задержки электромагнитной волны в измерительном плече, и — скорость распространения волны в пустом волноводе, со — частота сигнала. Начальный сдвиг фаз ж соответствует минимуму ответвления энергии в Е-плечо тройника при равенстве длин измерительного и опорного плеч.
Полупроводниковый детектор с вольтамперной характеристикой вида установленный в -шіече двойного волноводного тройника, позволяет регистрировать продетектированный сигнал, величина которого при малых уровнях СВЧ-мощности определяется выражением где насыщения обратно смещенного диода, V- мгновенное значение напряжения на диоде, &-постоянная Больцмана, Г-абсолютная температура, q - заряд электрона, Р, и Р2 мощности, поступающие в измерительное плечо, содержащее магнитную жидкость, и в опорное плечо, R - коэффициент отражения электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости.
Коэффициент отражения R электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости, определяется толщиной слоя, диэлектрической Є и магнитной /л проницаемостями магнитной жидкости.
Магнитная проницаемость // магнитной жидкости является комплексной величиной и определяется через действительную х т и мнимую xl, компоненты магнитной восприимчивости =\ + Хт-ІХт- (3-21) Для разбавленной магнитной жидкости, частицы которой имеют / ft слабую магнитную анизотропию, величины хт и Хт определяются выражениями [99]
Здесь- функция Ланжевена, coH=yH- приведенное магнитное поле, - суперпарамагнитный параметр (ланжевеновский аргумент) магнитной жидкости, Ms - намагниченность насыщения твердого магнетика, V - объем магнитной частицы, а - параметр затухания ларморовой прецессии в однодоменной частице, ф - объемная доля твердой фазы магнитной жидкости.
Для вывода соотношения, определяющего коэффициент отражения R электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости длиной L/ , находящегося на расстоянии Lv от короткозамыкающего поршня (см. рис. 3.9), воспользуемся выражениями для компонент электрического и магнитного полей в незаполненных областях волновода и в слое магнитной жидкости (области 1, 3 и 2 рис. 3.9)
