Безотражательное поглощение электромагнитного излучения в полярных смесях и растворах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ИНСТИТУТ ФОТОЗЛЕКТРОНИКИ АКАДЕМИИ НАУК АЗЕРБАИДЕАНА

На правах рукописи

КАСИМОВ ЗМИН РАСИМ ОГЛЫ

9ДК 538.56:621.365

БЕЗОТРАЯАТЕЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ПОЛЯРНЫХ СМЕСЯХ И РАСТВОРАХ

01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика

приборов, автоматизация физических исследований #

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Баку - 1996

Работа выполнена в Институте Фотоэлектроники АН Азербайджана

Научный руководитель: Член-корреспондент АН Азербайджана,д.ф.и.н. - КАД1АР 4.0.

Официальные оппоненты: Член-корреспондент АН Азербайджана,д.ф.м.н. - ПАЙАЕВ А.М. Доктор физико-математических наук - КЕРИМОВ М.К.

Ведущая организация: Азербайджанское Национальное аэрокос мическое агенство

Защита состоится " ^ "________ 1996 г. в 1

часов на заседании Специализированного совета (Д.004.25.01) по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Институте Фотоэлектроники АН Азербайджана по адресу: 370141, ул.Ф.Агаева, 555 квартал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ: Фотоэлектроники АН Азербайджана.

Автореферат разослан " "„о^э^^^ 1996 г.

Ученый секретарь Специализированного совета доктор физко-математических наук, профессор

НУРИЕВ И.Р.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: Необходимость в утилизации остаточного и зачастую1 нежелательного электромагнитного излучения определяет постановку важной зкологической задачи создания неотражающих поглотителей излучения на основе достаточно доступных композиционных материалов и простой технологии их приготовления.Решение этой задачи особенно актуально для диапазона сантиметровых и миллиметровых радиоволн, так как излучение на этих длинах волн оказывает сильное токсическое воздействие на живые организмы, вызывая в них необратимые болезненные процессы.

Работы по создании поглотителей в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ) ыироко проводятся в последние годы в США, России, Великобритании, Японии и других проыынленно развитых странах; направленность этих работ носит в основном военный характер и связана с разработкой поглощающих покрытий воздушных и морских судов для гашения зондирующих радиолокационных импульсных воздействий. Существующие поглотители СВЧ представляют нанесенные на металлическую поверхность, в общем случае многослойные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные металлические-или ферромагнитные частицы. Эти поглотители оправдывают себя в длинноволновой части диапазона СВЧ;с повынениеы частоты излучения у таких поглотителей резко ухудпаются способности к избирательному поглощению излучения.Кроме того,заметные по толщине поглощающие покрытия подобного типа утяжеляют несущие его конструкции, а в случае применения ферромагнитных материалов -ухудшают еще и механическую прочность покрытий. Вместе с тем исследованиями диэлектрических свойств полярных жидкостей установлено,что сходные эффекты безотражательного поглощения СВЧ излучения могут иметь место в системах, содержащих полярные молекулы и обладающих в этой связи дисперсией волн. При этой избирательное поглощение в таких системах происходит при малых толщинах покрытия и может быть реализовано в более широком диапазоне волн, включая и коротковолновую область миллиметрового дипазона СВЧ.

Указанное делает актуальным постановку и проведение по данной теме теоретического анализа условий безотражательного поглощения электромагнитного излучения в слое полярного диэлектрика с учетом их характеристик, создание соответствующего методологиче-

ского и алгоритмического обеспечения для проектирования двухслой ных поглощающих систем диэлектрик-металл, разработки зксперимен тальных методов измерения диэлектрических свойств сильнопоглоща вщих материалов в диапазоне СВЧ и проведение экспериментальны исследований для имитационного моделирования указанных поглощающ систем. Работа проводилась в соответствие с тематическим плано Института фотозлектроники АН Азербайднана.

Целью работы являлось создание теоретических основ безотраж тельного поглощения электромагнитного излучения и экспериментал ное моделирование полученных результатов.

Для достижения поставленной цели было необходимо:

1. Найти условия возникновения безотражательного ( полного] поглощения электромагнитного излучения в слое полярного диэлект рика, нанесенного на металлическую подложку. и создать методику алгоритмическое и программное обеспечение для их расчета.

2. Разработать экспериментальные установки для исследования диапазоне СВЧ отражательных характеристик и диэлектрических своР ств полярных жидкостей и растворов.

3. Создать методику, алгоритмическое и программное обеспеч( ние для определения диэлектрических коэффициентов сильнопоглощг гащих жидкостей в диапазоне СВЧ.

4. Провести теоретическую и экспериментальную проверку сущ( ствования безотражательного поглощения электромагнитного излуч! ния в полярных растворах в диапазоне СВЧ.

Научная новизна и основные положения, выносимые на защиту

1. Теоретическое обоснование и аналитические уравнения, ош сывающие условия безотражательного (полного) поглощения злектр! магнитного излучения в двухслойной системе диэлектрик-металл.

2. Теоретическое обоснование возможности экспериментально обнаружения безотражательного поглощения электромагнитного излу ния в бинарных растворах и смесях полярного вещества в неполярн растворителях.

3. Зкспресс-метод определения диэлектрических свойств силь поглощающих на СВЧ полярных жидкостей и растворов по информати ным параметрам отраженного сигнала: толщине слоя вещества в то ке минимума отраженной волны и коэффициентам стоячей волны в эт точке и при бесконечной толщине слоя.

4. Результаты экспериментальных исследований в диапазоне С характеристик отражения бинарных растворов полярных жидкост

гона, воды, формамида) в неполярных растворителях бензоле и :ане и обнаружении в них предсказанного теоретически эффекта гражательного поглощения электромагнитного излучения при оп-1енннх концентрациях полярного компонента. 5. Результаты исследований динамических диэлектрических свой-!>ормамида и его растворов в.диоксане, которые позволили устать существование в этих растворах двух дисперсионных областей гвского типа,определяемых релаксацией свободных дипольных ыо-I и процессами распада соединенных водородными связями молеку-IX комплексов формамида.

Практическую ценность в работе представляют разработанные ал-гмы и реализующие их программы машинного расчета резонансных !ний частот, толщин слоя покрытия, концентраций полярного ком-1та в бинарных смесях и растворах, при которых возникает эф-безотражательного поглощения электромагнитного излучения, югут быть использованы при проектировании и моделировании (тителей электромагнитного излучения для заданного диапазона Разработанный экспресс-метод определения диэлектрических шциентов сильнопоглощащих жидких диэлектриков, реализующие [лгоритм и программа могут быть применены в экспериментальных |дованиях. Установленная в работе функциональная связь вджду юм нулевого минимума коэффициента отражения волны и резонан-значением концентрации полярного компонента бинарных раство-юзволяет реализовать новый метод измерения малого и сверхма-содержания полярных веществ в неполярных растворителях. Апробация работы. Отдельные разделы и материалы диссертации представлены и обсуждены на I Международной конференции по химии (Баку, 1994 г.),на П Всероссийской научно-технической ренции с международным участием "Актуальные проблемы твердо-:ой электроники и микроэлектроники" (Таганрог, 1995 г.), на :ых конференциях аспирантов АН Азербайджана (Баку, 1995, гг.).

Публикации.По теме диссертации опубликовано 7 научных трудов. Содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, че-глав, выводов, приложения и списка литературы, содержащего именования.Она изложена на 143 страницах машинописного тек-содержит 32 рисунка и 12 таблиц.

- о -

ОСНОВНОЕ СОДЕРИНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении диссертации обосновывается актуальность работы формулируются цели и задачи исследований, а также приводятся ос новные результаты, имеющие научную и практическую значимость.

В 1 главе диссертации дан критический анализ исследований связанных с разработками неотражающих поглотителей электромагнит ного излучения в диапазоне СВЧ. Отмечено,что основной упор в эти исследованиях сделан на применении поглощающих материалов, содер жащих в своем составе высокодисперсные металлические или ферро магнитные частицы.Поглощение волны в таких материалах создавалос за счет скин-эффекта в поверхностном слое металлических или ферр магнитных включений. При этом эффект безотражательного поглощени излучения в заданном диапазоне частот достигался подбором числа толщин плоских отражающих слоев, концентрации в них составлявши компонент,а также использованием согласующих четвертьволновых не поглощающих слоев. Рассмотрены достоинства и недостатки указанны поглотителей и обоснована применимость в качестве материала пог лотителей электромагнитного излучения полярных диэлектриков, об ладающих дисперсией волн в заданном частотном диапазоне.

Во 2 главе диссертации исследуются условия возникновения бе отражательного (полного) поглощения электромагнитного излучения двухслойной системе,состоящей из металлической подложки и нанесе ного на нее поглощающего диэлектрика. Рассмотрен характер отраже ния волны от такой системы в зависимости от толщины поглощающег слоя вещества и его диэлектрических свойств. Показано,что при на личии диэлектрических потерь в веществе покрытия осциллирующие и затухающие зависимости модуля коэффициента отражения волны р о толщины I слоя вещества имеют две специфические особенности. Во первых, экстремальные значения функции р от Ь реализуются н при толщинах £ кратных четверти длины волны в веществе . а при значениях I отличных от Лд /4 на малые, но ненулевые вели чины Л . ■ Во-вторых, при малых значениях диэлектрических потерь поведении функции ) возникают аномальные и нормальные облас ти £ , отличающиеся характером изменения экстремальных значени рэ с ростом £ .Установлено,что безотражательное поглощение эле троыагнитного излучения может иметь место в точке минимума фуш; ции р от I на границе раздела аномальной и нормальной облас

тей изменения рэ . При зтом, используя найденную особенность о ненулевом характере отклонения экстремальных точек функции р от ё . были получены аналитические уравнения,устанавливающие функциональные связи между длиной волны падающего излучения А , , толщиной слоя покрытия I и номером л/ минимума функции р (I ).

гИ ! л3-Л) +(с/л) '

где Д =г««хсЧ21У$Н>Ч у - : 5-агс^' .

Входящие в С1),(2) и фактор диэлектрических потерь у , функционально связаны со значениями диэлектрической проницаемости ¿' и диэлектрических потерь ¿' соотношениями вида:

Совместное решение уравнений (1)-(3) позволяет установить, путем исключения из них играющих роль промежуточных параметров ^ и ^ , связь между резонансными значениями длины волны падающего излучения \ . толщины слоя покрытия £ и диэлектрических коэффициентов <§' . вещества, соответствующих выполнению условий безотражательного поглощения электромагнитного излучения в слое диэлектрического покрытия. На рис.1 представлены рассчитанные по этим уравнениям семейства кривых от ё' и ЙД от ¿' для первых трех нулевых минимумов функции р (.в ). При решении исходных уравнений использовалась итерационная процедура расчета С] по уравнению (1) при заданных дискретных значениях и а/ . Характерной особенностью полученных семейств кривых является то,что с увеличением номера /V нулевого минимума функции р(£ ) зависимости 4" от ¿' приближаются к оси абсцисс. Обратная картина наблюдается для зависимостей ¿/'Х от . Это указывает на возможность существования безотражательного поглощения электромагнитного излучения даже в слое вещества, обладающего незначительными по величине диэлектрическими потерями;в этих случаях эффект безотражательного поглощения волны реализуется при больших толщинах от-

- в -

Ркс.1. Зависимости кеаду диэлектрическими потерями <§" , привед кой толщиной слоя к диэлектрической проницаемостью вещества, соответствующие условиям безотракательного пог. щения электромагнитного излучения в веществе; л/- номер I левого минимума зависимости модуля коэффициента отравени; волны от толщины отракгащего слоя.

Т н статической диэлектрической проницаемостью £0 полярно диэлектрика,соответствующие условиям безотрасательиого по щсниа электромагнитного излучения в слое дкзлоктрика; вел на высокочастотной диэлектрической пронпцасиоити 2.

- 9 -

ражающего слоя диэлектрического покрытия.

Для нахождения у конкретного вещества покрытия резонансных значений А0 и И0 , при которых выполняются условия безотрака-тельного поглощения волн, необходимо знание поведения <§' и ё" этого вещества с частотой. Как правило, диэлектрические свойства большинства полярных диэлектриков достаточно хороио описываются уравнениями Дебая

с>_ с . ¿0-<3оо СЦ ¿о-ёсо .

' ё = сос'1 + (сот)2 ' (4)

где <£0 , ¿а, - статическое и высокочастотное значения диэлектрической проницаемости; - время релаксации.

В соответствие с (4) зависимость ¿" от представляет собой полуокружность радиуса (б0-£<~)/2 с центром в точке [(£0-»-<&,)/2, 0] Срис.1). Совместное рассмотрение уравнений (1)-(4), осуществляемое при необходимости наглядным графическим способом, позволяет найти такие значения и соответствующие ин величины ¿0 слоя

покрытия, при которых в системе диэлектрик-металл возникает безотражательное поглощение падающего излучения. Проведенные с использованием, разработанных для решения уравнений С1)-(4) алгоритмов и машинных программ расчеты резонансных значений \ и 10 ряда модельных объектов показали, что у любого полярного диэлектрика существует в его дисперсионной области спектр частот, при которых имеет место безотражательное поглощение электромагнитного излучения. Характер спектра частот индивидуален для вещества покрытия и определен его статическими и динамическими диэлектрическими свой-' ствами. Спектр состоит из двух ветвей: низкочастотной и высокочастотной, различающихся лишь характером изменения значения спектральных частот с увеличением требуемой толщины слоя вещества покрытия: У низкочастотной ветви спектра увеличение резонансной длины волны сопровождается увеличением или номера д/ соответствующего нулевого минимума функции р ( £ ).Связь характеристик обеих ветвей спектра с ¿0 , и Т диэлектрика иллюстрируется рис.2; она указывает на то, что у диэлектриков с малыми значениями ¿а возможно вырождение спектра поглощения из-за исчезновения в них спектральных линий, соответствующих первым нулевым минимумам функции ).В этой связи наибольший практический интерес представляют случаи слияния при определенном подборе величин

¿0. ёсо низкочастотной и высокочастотной ветвей спектра.Это слияние имеет место при соТ~ 1 и характеризуется расширенной по отношению к другим линиям спектра полосой поглощения.

Для прямой проверки правильности полученных теоретических вь водов необходимы данные экспериментальных исследований частотны) или температурных зависимостей диэлектрической проницаемости ё' и диэлектрических потерь ¿" , и поиска по ним таких величин длм волн Л или температуры Т , при которых ¿' и ё" исследуемы) веществ достигают своих резонансных значений ¿¡, и <£," . Снятие частотных зависимостей <§' и ¿" вещества достаточно трудоемка процесс и требует использования комплекса измерительных средсть в различных диапазонах волн; реализация не этого эффекта изменением температуры вещества при фиксированной частоте измерения существенно зависит от степени близости значений <$' и выбранного вещества к <£,' и ¿1' и не всегда практически достижима. В этой связи наиболее простым и доступным способом экспериментальш проверки возможности существования безотражательного поглощение излучения у полярных диэлектриков представляются исследования диэлектрических свойств и характеристик отражения волн их смесей, при условии существования дисперсии хотя бы у одного из компонентов смесей. В этих случаях регулированием состава смесей можно сдвинуть по икале частот их дисперсионные и абсорбционные зависимости и сделать возмогшим достижения при заданных \ и Т резонансных значений ¿1 . ё"

Н I

При изменении состава полярных смесей зависимости £ от 6 при заданных А и Т описывают в плоскости координат [ ё', ё" ] дугообразные кривые. Их полонения определяются диэлектрическим! свойствами отдельных компонентов смеси. Подбором последних моеш добиться пересечения указанных дуг с одной или несколькими теоретическими кривыми резонансных значений , В зтой связи наибольший интерес представляет анализ диэлектрических свойств бинарных смесей полярного вещества в неполярном наполнителе.Так ка1 у неполярного вещества ¿"= 0, то с ростом концентрации ср полярного компонента скеси зависимости ¿" от ё' таких смесей будут начинаться с точки, лезащей на оси абсцисс ( ср - 0), и заканчивал ся в верхней правой части плоскости [ <§' , ¿" 3 точкой с координатами, соотЕетствующики полярному веществу. С уменьшением Ц) координата рабочей точки смеси в плоскости [ ¿¡' , ё" 3 при свое1 движении к оси абсцисс будет последовательно пересекать опись'ва-

емые уравнениями (1)-(4) кривые резонансных значений ё0 , £0 (см.рис.1). Учитывая характер расположения семейства резонансных кривых, следует ожидать в подобных полярных смесях и растворах существование бесконечного ряда резонансных концентраций 9?, полярного компонента и толщин ¿0 отражающего слоя смеси, при которых возникает безотражательное поглощение падающего излучения.Предварительными расчетами по литературным данным резонансных концентраций в бинарных растворах полярных жидкостей в неполярных растворителях при заданной частоте измерения, установлена инвариантность произведения <р0(Рл/-{) , наиболее четко ¡проявляющуюся' при больших значениях л/ .

В 3 главе диссертации приведены результаты экспериментальной проверки возможности возникновения эффекта безотражательного поглощения электромагнитного излучения в слое полярного диэлектрика, нанесенного на идеально проводящую поверхность. Она проведена в диапазоне СВЧ на примере полярных жидкостей и их растворов в неполярных растворителях. Выбор в качестве объектов исследования жидких диэлектриков определялся необходимостью регулировки толщины отражающего слоя вещества покрытия в ходе эксперимента, а также тем. что дисперсионные области многих полярных жидкостей лежат в сантиметровом и миллиметровых диапазонах СВЧ.

Экспериментальные исследования отражательных характеристик жидких диэлектриков выполнены при длинах волн ^ = 1,5 см и 5\= 8,15 нм и температуре 20 °С. Использовались панорамные измерители стоячей волны по напряжению Р2-66, Р2-67 и индикаторное устройство Я2Р-67, с которыми были связаны короткозамкнутые на конце измерительные ячейки. Каждая из ячеек представляла собой отрезок стандартного прямоугольного волновода, отделенного от остального волноводного тракта тонкой слюдяной прокладкой. В задней части ячейки размещался короткозамыкающий металлический поршень, связанный штангой с микрометрическим устройством и снабженный возвратной пружиной для безлвфтного регулирования его линейного перемещения. В теле порпня были сделаны канавки для подтека жидкости и устранения возможности образования в рабочей части ячейки воздушных пузырей. Ячейка термостатировалась и имела приспособления для оперативного ввода в нее исследуемой жидкости.

Для обнаружения к оценки условий возможного существования эффекта безотракательного поглощения волны в полярных веществах снимались экспериментальные зависимости коэффициента стоячей волны п

от толщины I слоя полярного раствора в ячейке при фиксировании] значениях частоты излучения, температуры и концентрации полярной компонента в неполярном растворителе.Данные этих измерений испол! зовались для нахождения минимальных значений и связанного (

ним коэффициента отражения волны, построения концентрационных зависимостей р для 1-го и последующих номеров минимума кривой от ^ и поиска для выбранного // тарой концентрации ср полярноп компонента раствора, при которой величина р достигает нулевой значения. Для теоретического обоснования условий появления такю нулевых минимумов параллельно проводились измерения диэлектрических коэффициентов тех ве жидкостей и растворов.При малых и средних значениях диэлектрических потерь С0.1 < у < 0,3) использовался вариационный иетод определения б' и ё" , основанный на измерении толщины Чт слоя нидкостн в ячейке и значения коэффициенте стоячей волны в точке первого, наиболее четко выявляемого минимума зависимости г? от I . Так как данному методу свойственнс появление двухзначности в определении <§' и ¿" по и , правильность принимаемого реиения контролировалось дополнительно( оценкой ё' , вещества по данным второго и последующих минимумов функции ). В случае сильнопоглощавщих на СВЧ жидкостей V растворов ( ^ > 0,3) применялся новый метод определения <§' и ё" вещества. Он основан на измерении толщины слоя жидкости в точке первого и единственного минимума функции р( ё> ) и значения коэ<1 фициента стоячей волны р^ при бесконечной толщине слоя вещества. Для обоих используемых методов были разработаны алгоритмы и программы, обеспечивающие проведение расчетных операций в диалоге с ЭВМ. С их помощью были созданы универсальные ноногракш для расче та ¿' . 6" по изыеряекык параметрам; они не зависят от частоть измерения и когцт быть использован« при определении ¿' , ё" по-лярннх жидкостей с применением лгабон направляющей системы. Метрологическая оценка использованных нетодов измерения показала, что в рассматриваемом диапазоне длин волн результируицая точность в определении ё' и составила соответственно 2 У. к 3 '/..

В качестве объектов исследования были использованы бинарные растворы ряда полярных Еидкостей (ацетон, вода, формакид) в неполярных растворителях (бензол, диоксан). Диэлектрические свойства ацетона, воды и их растворсв соответственно в бензоле и диоксане хорошо изучены в диапазоне СВЧ,что позволяло,с одной стороны,проверить и подтвердить правомерность использования разработанных не

тодов измерения б' и ¿", а, с другой стороны, объективно сопоставить между собой теоретические и экспериментально найденные условия возникновения эффекта безотражательного поглощения электромагнитного излучения в этих растворах. При этом учитывалось, что хотя ацетон и вода заметно различаются между собой по величинам статической диэлектрической проницаемости <§0 и времени релаксации Т , поведения и этих яидкостей с изменением частоты достаточно точно описываются в диапазоне СВЧ уравнениями Дебая. Выбор формамида, у которого величина статической диэлектрической проницаемости составляет 110 единиц, был определен с учетом перспективы использования диэлектрических материалов в качестве поглотителей электромагнитного излучения. Из теоретических соображений следует, что для уменьшения толщины отражающего слоя поглотителей резонансного типа, а, следовательно, облегчения конструкции таких поглотителей,целесообразно применение полярных веществ и их смесей, обладающих повышенными диэлектрическими проницаемостами и малыми временами релаксации. Последнее существенно при создании поглотителей в коротковолновой части диапазона СВЧ.

В главе 4 анализируются результаты измерений диэлектрических свойств и характеристик отражения растворов ацетон-бензол, вода-диоксан и форкамид-диоксан. Установлено, что наблюдаемая на СВЧ дисперсия чистого ацетона характеризуется единственным временем релаксации и определена процессами релаксации неориентированных ыежколекулярными силами отдельных молекул ацетона. При средних концентрациях ацетона в бензоле лучшее приближение достигается при допущении существования в растворе распределения времен релаксаций вблизи наиболее вероятного. Получаемый при этом параметр распределения времен релаксаций о/ незначителен по величине и снизается до нулевого значения с разбавлением ацетона неполярнкм бензолом (см.таблицу 1).

Характерным для данных растворов является слабая зависимость вероятного времени релаксации Т от концентрации ацетона в растворе. Последнее свидетельствует о слабовыраженных межмолекулярных взаимодействиях при хаотическом распределении ориентации полярных молекул ацетона в растворе. По этой причине в этих растворах за-метнуш роль приобретают флуктуационные процессы.В частности,действие флуктуации концентрации приводит к появлению отрицательных отклонений в концентрационных зависимостей ё' и ё" от аддитивного хода, которые экспериментально обнаруживаются в оироком ин-

Таблица 1

Параметра дисперсионных областей растворов при температуре 20еС. Концентрации полярных компонентов растворов в весовых '/., времена релаксации Т в 10 сек.

Ацетон-бензол Вода-диоксан Формамид-диоксан

Ч> т с* <Р сг ёоо1 ч> Г, Т2 сг <¿001

1,48 2.65 и 1.36 в. в 0,11 2.34 21,5 22,8 6.4 0,15 4,4

5.00 2./6 0 3,04 п.? 0.14 2.51 42,2 36,2 6,7 0,13 6.8

15.5 ? < о 0.07 10.0 15.7 0,19 3.30 62,2 43,6 7.3 0,12 9,3

77 оО , о о. ЗЬ 0.10 23. В 20,0 0,11 4.23 81,4 51,0 7.3 0,12 11,8

100 5.44 0.01 100 5,5 0,05 6,00 100 57,1 8,0 0,11 14,0

Таблица 2

Расчетные (р0 и экспериментальные уз резонансные значения весовых концентраций полярного компонента растворов

Длина Крит. Номера 1 I

аолна длина нулевых Ацетон- | Вода- Форыамид- .

Я, ЙЙ волны миниму- бензол ; диоксан диоксан

мов р %% У*' V (ЗФ1) Ц>аХ %% <8-(Р//-:

^ г. 23 1 47,0 47.6 47,Ь Кб,8 17,0 17,0 9.1 10.4 10,-

с. 12,2 112,5!37,51 4,8 5.7 17.1 3.3 3,4 ю,;

3 6.4 6,8 34,0! 2,8 3,1 15,5 1.9 2,0 10.(

| 1 | 4 4.5 4,6 32.21 1,9 1,9 13.3 1.4 1.4 9,!

5 3,3 3,5 31,5 1,8 1.3 11.7 КО 1.1 ч < ^ » 4

1 6 2,3 2.7 29. ?' 1.2 0,9 ; 12 л 0,8! - -

с, Ь 14,4 1 33,6 34,0 з4.о; - - - 28,2 |30,8 ;зо.{

1 1 2 9,4 10,0 30.0| - 7,6 2.2 6 Л

1 1 3 5,о 6.2|31,01 - - - 4.7 1.6 9 Л

4 4,0 4.3 зол; - - 3.3 0.9 5 Л

! 5 3,0 - - - 2.5 - -

б 2,6 - - ; - - - 2.0 ; - , -

тервале частот и температур.

В отличие от ацетона диэлектрические свойства водн и формами-да в исследованном диапазоне СВЧ достаточно хорошо описываются в терминах двух независимых релаксационных процессов.При этом низкочастотная дисперсионная область с временем релаксации Т^ определена процессами распада молекулярных комплексов дипольных молекул, а высокочастотная область с Тг - процессами ориентации свободных дипольных молекул. Отличительной особенностью растворов воды в ди-оксане является аномальный характер изменения времени релаксации основной дисперсионной области раствора с изменением его состава. Разбавление воды неполярным диоксаном способствует при малых концентрациях диоксана упрочнению устойчивости образующихся молекулярных комплексов и следовательно росту Т^ основной дисперсии. С дальнейшим повышением концентрации растворителя начинается ожидаемый спад величины Т1 , свидетельствующий о повышении вероятности разрыва водородных связей. Подобное поведение с изменением состава водных растворов не является случайным; оно отмечалось при анализе релаксационных характеристик растворов воды в ацетоне, спиртах и некоторых других растворителях.

В случае растворов формамид-диоксан время релаксации Т£ низкочастотной области уменьшается по величине с добавлением в раствор диоксана. Этот результат указывает на то, что при разбавлении формамида диоксаном происходит разрушение ассоциированных с помощью водородных связей цепочечных комплексов молекул формамида; это приводит к уменьшению продолжительности жизни комплексов, а также среднего размера таких молекулярных комплексов в растворе. Как следствие процесса распада ассоциатов молекул формамида с ростом концентрации диоксана является возрастание в растворе числа свободных мономерных молекул формамида и молекул на концах цепочек. Экспериментально это подтверждается тем, что с разбавлением формамида диоксаном увеличивается относительный вклад высокочастотной дисперсионной области Сг , которая в случае чистого формамида целиком обязана своим существованием этих типов кинетических единиц. При средних концентрациях растворителя происходит некоторая стабилизация параметров Т2 , С2 высокочастотной дисперсионной области (см.табл.1).

Найденные экспериментально концентрационные зависимости ё и ё исследованных растворов при А= 1.5 см, = 8,15 мм и Т = 200С были использованы для нахождения ожидаемых резонансных кон-

центраций полярного компонента в растворе и толщины слоя раствор при которой в рассматриваемых растворах возможно появление эффек та безотражательного поглощения электромагнитного излучения. Дл их нахождения применен графоаналитический метод расчета. Он осно ван на совмещении в плоскости приведенных координат [ €¡_ =

é3 = é'/(i-p)], где р~-(%к)2, Я*- критическая длина волны в вол новоде, теоретически рассчитанного семейства резонансных кривых определяемых из условия безотражательного поглощения электромаг нитного излучениями экспериментально найденной концентрационной зависимости приведенных значений é2 от <Si с последующим опре делением координат точек их пересечения. Пример такого совмещение показан на рис.3, где на семейство резонансных кривых és от построенных для первых трех нулевых минимумов зависимости р от (кривая А), наложены найденные при Д = 1,5 см, 8,15 мм и Т = 20 экспериментальные приведенные зависимости <о2 от при различны; концентрациях ацетона в растворе (кривая В). Найденные координат: точек пересечения экспериментальных и теоретических кривых рис.3 позволили численно рассчитать резонансные значения é'J и ¿ó' № 1-го и последующих л/ нулевых минимумов зависимости р от Í а также определить соответствующие им толщины отражающего слоя раствора и резонансные концентрации сро полярного компонента в растворе. Результаты этих расчетов для первых иести нулевых минимумов зависимости р от i представлены в таблице 2. Там же для сравнения приведены значения резонансных концентраций срд полярных компонентов в исследованных растворах,которые получены эк периментально из анализа концентрационных зависимостей модуля коэффициента отражения волны, определенных в точках минимума кривых у от в (сы.рис.4). Для каждого номера д/ минимума рт концентрационные зависимости рт от <р имеют характерный глобальный нулевой минимум рт , расположенный при резонансных концентрациях íf0 . С увеличением hí он смещается в сторону низких концентраций полярного компонента раствора; при этом расстояния между близлежащими экстремумами рм уменьшаются и стремятся при боль ших л/ к нулевому значению. Достаточная близость расчетных и экс периментальных значений резонансных концентраций tpg в исследовав ных растворах, подтверждает правомерность исходных теоретически* выводов о существовании в растворах полярных веществ при заданных температуре и длине волны падающего излучения ряда концентраций, при которых имеет место эффект полного гашения отраженного элект-

Рис.3. Зависимости между приведенными значениями диэлектрической проницаемости ¿£ и диэлектрическими потерями ёг : й - соответствующие условиям безотражательного поглощения

электромагнитного излучения в слое диэлектрика; В - растворов ацетон-бензол при температуре 20°С и длинах

волн \ = 1,5 см (а) и Л= 8,15 мм (Ь) Значения концентраций ацетона в растворе в вес.%.

Рис.4. Экспериментальные зависимости модуля коэффициента отражения волны р от весовой концентрации ср ацетона а растворе ацетон-бензол при температуре 20°С и длине волны "Л= 1,5 см

магнитного излучения. Этот эффект может обнаруживаться в любо; растворе полярного вещества в неполярном растворителе при любо] температуре Т и длине волны "К излучения, но при условии сущест вования при этих Т и "К дисперсии волн в изучаемом растворе В заключении этой главы рассмотрена специфика и практические аспекты эффекта безотражательного поглощения электромагнитного из лучения в полярных диэлектриках и их смесях и растворах. В част ности, анализируются условия возникновения аномальной области в реальных зависимостях р от £ и инвариантность произведения % в разбавленных растворах полярного вещества в неполяр

ном растворителе, рассматриваются методики контроля малого содер еэния полярного вещества в неполярных средах и расчета неотража ещих поглотителей на основе диэлектрических материалов.

В приложениях диссертации даны ыаиинные программы, использо ванные при проведении теоретических и экспериментальных исследо ваний.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Теоретически обоснована возможность и найдены условия во никновения эффекта безотражательного (полного) поглощения электр магнитного излучения в двухслойной системе диэлектрик-металл Установлено, что в области дисперсии волн материала покрытия существует спектр частот и соответствующий ему спектр толщин слоя покрытия, при которых имеет место безотражательное поглощение па дающего излучения. Спектр состоит из двух ветвей: низкочастотной и высокочастотной, различающихся лишь характером изменения значе ний спектральных частот поглощения с увеличением требуемой толщи ны слоя покрытия.

2. Обоснована возможность экспериментального обнаружения зф фекта безотражательного поглощения электромагнитного излучения в бинарных растворах полярных веществ в неполярных растворителях, при условии существования в исследуемом диапазоне частот диспер сии волн у полярных компонентов таких растворов.

3. Разработаны алгоритмы и реализующие их программные средс тва расчета резонансных значений частот, толщин слоя покрытия, концентраций полярного компонента в бинарных смесях и растворах, при которых возникает эффект безотраяательного поглощения электромагнитного излучения. Проведен вычислительный эксперимент по

оценке условий безотражательного поглощения волн исследуемых двухслойных систем в зависимости от равновесных и динамических диэлектрических свойств материала покрытия.

4. Разработаны две экспериментальные установки для исследования диэлектрических свойств и характеристик отражения полярных жидкостей и растворов в диапазоне сверхвысоких частот при длинах волн 1.5 см и 8,15 мм. Они включали в качестве основных элементов панорамный измеритель коэффициента стоячей волны и сопряженную с ним короткозамкнутую на конце измерительную волноводную ячейку, снабженную необходимыми механизмами для ввода жидкости и регулировки ее толщины.

5. Для определения диэлектрических свойств сильнопоглощающих на СВЧ полярных жидкостей и растворов разработан новый экспресс-метод измерения диэлектрических коэффициентов веществ по двум информативным параметрам: толщине слоя жидкости в точке минимума отраженной волны и коэффициенту стоячей волны при бесконечной толщине слоя.

6. Проведены экспериментальные исследования диэлектрических свойств и характеристик отражения бинарных растворов полярных жидкостей (ацетона, воды, формамида) в неполярных растворителях бензоле и диоксане.в которых впервые экспериментально обнаружены эффекты безотравательного поглощения электромагнитного излучения и найдены резонансные значения диэлектрических коэффициентов и концентраций 'полярных компонентов растворов, численно согласующиеся

с расчетными данными.

7. Установлена функциональная связь между номером нулевого минимума коэффициента отражения волны и резонансным значением концентрации полярного компонента бинарных растворов, позволяющая реализовать на ее основе новый метод измерения малых и сверхналнх концентраций полярных веществ в неполярных средах.

8. Впервые исследованы динамические диэлектрические свойства формамида и его растворов в диоксане и установлено существование у них двух дисперсионных областей дебаевского типа,из которых низкочастотная область определена процессами распада молекулярных комплексов дипольных молекул, образующихся за счет водородных связей.

Основные результаты исследования изложены в следующих работах:

1.Ч.О.Каджар, Э.Р.Касимов.Выбор композиционных материалов на основе продуктов нефтехимии в качестве поглотителей электромагнитного излучения.Тезисы Международной конференции по нефтехимии,Ба-ку,1994,с.222

2. Э.Р.Касимов, М.А.Калафи, Ч.О.Каджар. Эффект безотражательного поглощения сверхвысокочастотного излучения в растворах ацетон-бензол. Физика,т.2,1995,сс.37-44

3. Ч.О.Каджар, З.Р.Касимов. Безотрагательные поглотители сверхвысочастотного излучения. Труды П Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники", Таганрог,1995,с.88

4. Э.Р.Касимов. Резонансное неотражающее поглощение в растворах. Тезисы конференции аспирантов АН Азербайджана,Баку,1995 г.

5. Э.Р.Касимов. Методика измерений диэлектрических и магнитных свойств сильнопоглощающих жидких композиционных материалов в диапазоне сверхвысоких частот. Тезисы конференции аспирантов АН Азербайджана,Баку,1996 г.

6. Ч.О.Кадкар, З.Р.Касинов, Г.Н.Насибов. Методика измерения диэлектрических коэффициентов сильнопоглощающих полярных жидкостей в диапазоне сверхвысоких частот. Измерительная техника, N 2, 1896, сс.46-47

7. Р.М.Касимов, М.А.Калафи,З.Р.Касимов,Ч.С.КадЕар,Э.Ю.Салаев. Эффект гашения отраженного электромагнитного излучения полярными циэлектрикакк. Курная технической физики,т.66,N 5,1398,сс.167-171

ГАСЫМОВ ЕМИН РАСИМ оглу

"Пол1ар гарышыгларда вэ мэГшулларда електромагнит шуаларын экс олунмадан удулмасы"

х у л а с а

Икила|'лы метал-диелектрик системиндэ электромагнит шуаларын экс олунмадан (там) удулмасы еффектини ¡аратма шэраити тапылмышдыр. Бу еффект ергук маддэнин далга дисперсна са(1эсиндэ резонанс олак тезликдэ вэ диелектрикин экс етмэ ла]ынын галынлыгында олур. Ге|'ри-пол)'ар Иэлледичилврдз пол|'ар маддэ, бинар мэИлулларда електромагнит шуалары экс олунма]ан удулма еффектинин експериментап тапылмасы-нын MYMKYHлYjYнэ эсасланыр.

Електромагнит шуапарынын экс олунма|ан удма еффекти олан бинар гарышыгларда вэ мэЬлулларда резонанс тезли]'и, ертмэ ла]"ынын галын-лыгы, пол]ар компонентлэрин консентраси|'асынын тапылмасы учун алгоритм вэ Иесаблама програмлары ишлэнилмишдир.

Микродалга диапазонунда, 1,5 см вэ 8,15 мм далгаларда диелектрик хассэлпэри вэ далганын экс олма хусуси^'этлэрини е]рэнмэк учун ики експериментал гургу ишлэниб Иазырланмышдыр. Иэмин диапазонда чох удучу пол]ар ма]е вэ мэИлулларын диелектрик эмсалларыны елчмвк учун ¡ени експрес-метод ишлэниб Ьазырланмышдыр.

Нэзэри фарзимэ|э всасланараг, илк дэфэ тэчруби ¡олла асетон, су, формамид, ге)'ри-пол]ар бензол вэ диоксан мэЬлулларында електромагнит шуаларыны экс олунмадан удулма еффекти, нэзэри Иесабламалара у)гун резонанс диелектрик ©мсаллары вэ мэЬлулда пол ¡ар компонентле-рин консентраси)'асы тапылмышдыр.

Далганын экс олма эмсалынын минимум нэмрэси вэ бинар мэИлулла-рын пол]ар компонентинин резонанс гатылыгы арасында функсионал элагэ тапылмышдыр. Бу элагэ|э эсасэн ге]ри-пол]ар муЬитдэ аз мигдар-лы пол]ар маддэнин гатылыгыны елчмэк учун ¡ени метод ¡арадылмыш-дыр.

Илк дэфэ формамид вз онун диоксан мэЬлулунда динамик хассалзри тедгиг олунмушдур вэ онларда ики деба] типли диспеси|а саЬаси тапылмышдыр. Онларын арасында аз тезлик саИэси Ыдрокен элагэлэрлэ бирлэшэн дипол молекуллар комплекслэрин парчаланма просеси илэ баглыдыр.

KASIMOV EMIN RASIM OGLY

NON-REFLECTIVE ABSORPTION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN POLAR MIXTURES AND LIQUIDS.

SUMMARY

Conditions have been found for emergence of non-reflective(compl effect of absorbing electromagnetic radiation in the two-layer syste: dielectric metal. This effect is revealed in the area of the wave i persion of the material covered under definite resonant values of rai tion frequencies and thickness of reflecting layer of the dielectric

A possibility has been proved of experimental discovery of non-: lective absorbing effect of electromagnetic radiation in the binary ; vents of polar stuff in the non-polar solvents.

Algorithms have been worked out as well as program means of call lating resonant values of frequencies, thickness of layer for cover, concentration of the polar component in the binary mixtures and si vents, bringing about the effect of non-reflective absorption of elei romagnetic radiation.

Two experimental devices have been worked out for the survey dielectric properties and characteristics of the wave reflection polar solvents in the scope of ultra high frequences when the length the waves is 1.5 cm and 8.15 mm.

Express-method has been worked out to define rate of polar h: consumption absorbing solvents at ultra high frequencies according measured two informative parameters: thickness of layer of the stuff the minimum point of the reflected wave and the rate of the stand: wave with the infinite thickness of the stuff layer.

Experimental survey of acetone, water and formamide solvents in 1 non-polar benzene and dioxan enabled to reveal for the first t: theoretically forecast effects of the non-reflective absorption electromagnetic radiation and resonant values of dielectric rates < concentrations of the polar component in the solvent corresponding w: the calculated figures.

Functional correlation has been established between the number the zero minimum rate of the wave reflection and resonant value of I polar component rate of binary solvents enabling to implement on : basis a new method of measurement of small concentrations of po! stuff in the non-polar areas.

Dynamic properties of the formamide and its solvents in the dio; have been for the first time surveyed and the existence of two dispi sion areas of Debaeyv type has been established where low frequei area is determined by the disintegration processes of the molecu! complexes of dipole moleculars formed at the expense of the hydro; bonds.