Наведенная анизотропия магнитной жидкости и методы ее определения в диапазоне длин волн 8 мм.-0,35 мм. тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

л» »»

7 дай\ ДОЗ

- ' " косковскг

овскиа ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ «ИЗККО-ТЕХНИЧЕСКИЯ ИНСТИТУТ

на правах рукописи УД'С 532.634+535.653

СЕМЕНОВ Александр Викторович

НАВЕДЕННАЯ АНИЗОТРОПИЯ ИАГНИТНОЯ ЖИДКОСТИ И МЕТОДЫ ЕВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН В мм. - 0.35 к*.

(01.04.03 - Радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации и» соискание ученой степени кандидата Физико-математических наук

Москва 1933г.

КОСКОВСКИЯ ОРДЕНЛ ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ «■ИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИв ИНСТИТУТ

на правах рукописи УДК 532.564+536.863

СЗК5Н0В Александр Викторович

лааздЕннАя анизотропия илгнитноа кадкбстн

Н МЕТОДЫ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН 8 им. - О.Эб им.

(01.04.03 - Радиофизика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой стзпени кандидата Физико-иатекатнческнх наук

Москва 1993г.

Работе выполнена в отделе колебаний Института обвей физики Российской Академии Идук.

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук Зав. лаб. "Физика субмиллнметрового диапазона" ИОФ РАН ВИНОГРАДОВ Евгений Александрович.

Офицальные оппоненты: доктор физико-математтеских наук Мурзин Владимир Николаевич. «ИАН

кандидат Физико-математических наук Минаков Александр Александрович. НО*АН.

*

Ведуцая организация: ИРЭ РАН.

Завита состоится "30" июня 1993 года з 'часов на заседании

Специализированного совета К.063.81.09

Московского Физико-Технического Института по адресу:

Москва, улица Профсовзная, дом 84/32, корпус В2. Отзывы направлять поядресу: 141700, г.Долгопрудный Моск. области Институтский пер. 9, МФТИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ. Автореферат разослан " " мая 1993 года.

Ученый секретарь Совета кандидат теп (еских наук

Н.П.Чубмнский.

1 I

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность .емы.

Важность освоения диапазонов миллиметровых к субмнллиметровых волн признавалась многими исследователями как в научных интересах, так и для технических приложений. До сих пор в этой области существует много "белых пятен" при исследовании 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 примемеиия в качестве материала для создания управляемых устройств а миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах.

На настоящий момент существует несколько концепций эффекта наведенной анизотропии в феррожидкостях. Наибольвее распространение получила кластерная модель магнитной жидкости, помещенной во вневн^е магнитное поле. Характерный пространственный период возникающих в магнитном поле такого рода образований (кластеров) много меньяе длины волны субмилиметрового 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 носит фундаментальный характер.

В последние несколько десятилетий в миллиметровой и субмиллиметровой области спектра, преимущественно в России.

интенсивно развивалось направление, называемо»

ЛОВ-спектроскопией. У ЛОВ-спектрометров в качестве монохроматического источника излучения используется лампа обратной волны (ЛОВ) с высокой монохроматичностью излучения (1>/Д1>) = ~Х0ь * более.

Специфика ЛОВ-спектроскопии основана на возможности »лектронной перестройки частоты источника излучения на сравнительно большую величину (порядка октавы) без какях-либо механических подстроек. С середины 60-х годов начали интенсивно развиваться методы ЛОВ-спектроскопии мм.-сбим. диапазона от простейших скалярных (снетке моцностных спектров) до векторных (например, определение спектров Фазы и мощности). Можно подразделить векторные методы ЛОВ-спектросхопии на динамические (там,. где производится механическая подвижка элементов интерферометра в процессе снятия спектра и (или) механическая, модуляция каким-либо элементом интерферометра) Н",статические (все элементы интерферометра гестко закреплены и неподвижны в процессе . сканирования чг*ся$ти).

Достигнутые параметры лучаих векторных статических методов: динамический диапазон 10* - 10е, воспроизводимость по мояности (при больаих пропусканиях) на уровне 0.3% - IX, Фазовые точности - 0.16°-0.4° при возможности измерять сколь угодно больвие - Фазовые зависимости от частоты.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Цель настоящей работы разделяется на две части: Основная цель диссертации заключается в исследовании наведенной анизотропии магнитной жидкости, а именно:

1) в определении разлкчныммнезависимыми методами ЛОВ-

спектроскопии в диапазонах длин волн (7.6км. - 0.37 мм. ) частотны* зависимостей комплексных показателей преломления магнитной жидкости на основе магнетита (¥еяОЛ) и типичного СВЧ-магнетика - феррита марки 1-СЧ-4, (с недавнего времени »тот Феррит используется в 1-ачестве основы магнитной жидкости); а так ае в определении и сравнении наведенных поперечным магнитным полем их анизотропий;

2) в определении применимости кластерной модели к классической линейной электродинамике фе! роандкостей в киллиметровсм и субмиллиметровом диапазонах;

3) в исследовании возможности применения магнитной сидкости в качестве материала для магнмтоуправляемых устройств данного диапазона.

Кроме того целью данной работы является дальнейшее развитие методов ЛОВ-спектроскопии, прежде всего расширение возмояностей »екторных статически» методов по динамическому диапазону мэаностных измерений, без суиественмых ограничений на фазочастотные характеристики измеряемого объекта, как то: по максимальной величине 'фазового сдвига, по отклонении фазочастотной характеристики от линейности.

Научная новизна работы заключается в следующем: 1) В диапазоне длин волн (7.5ик. - 0.37 км.) экспериментально определены частотные -ависимости комплексных показателей преломления магнитной жидкости на основе магнетита (РеяОЛУ и типичного СВЧ-феррита марки 1-СЧ-4 /обозначения: для аидкости: = ^ ^ ;

для феррита: п - п 1г ; где п=У в Ц , / I г г

а так же наведенных поперечным магнитным полем их анизотропий

/обозначения: для жидкости: - ♦ * Лг^! = Л|, +i »г^ ;

для Феррит» = +1 4а, ; о., = в., +i *«, . где а-У е, ■ Знак I применяется ддя обыкновенного луча (вектор X электромагнитной волны перпендикулярен направленно внешнего магнитного поля В)-, а знак \ - для необыкновенного ' (вектор К параллелен Я; индекс I - для жкдкостч, а г - для феррита)/.

При этом у Феррожидкости надежно установлено отсутствие особых точек в дмсперпсионной зависимости величин л\.(и)' п1Мо>)' л|1(ь>)' оп*ваиковаиныж Ранее, (соответствующая работа выполнена в более узком диапазоне 1.1 мм. - 0.4 мм. РГТВ -методами).

2) В миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах комплексный показатель преломления жидкости определен на основе численного ревения трехслойной электродинамической задачи (обратной задачи), являющейся модель» кюветы с прозрачными окнами.

3) 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) двулучелреломлеиие магнитной жидкости имеет обратный знак по отношению к. двулучепреломлению, обусловленному магнитной проницаемостью в феррите 1-СЧ-4: (л^- ли>0; ли <0).

б) Д*улучепреломление м дихроизм магнитной жидкости мало зависят от частоты, причем 2(о4- а11)= л^- п^ сопвЬ^^(это находится в хорошем соответствии с кластерной моделью Феррожидкости, аомещенной во вневнее магнитное поле), в отличае от анизотропии, обусловленной магнитной проницаемостью • Феррите

1-СЧ-4: л1Г- П|г и (ИЯ)"4.

4. Предложен и реализован новый векторный статический метод ЛОВ-спектроскопии, признаний изобретением. Метод позволил качественно расянрить динамический диапазон спектральных измерений модности ка 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 вейеств в миллиметровом и субмилхиметровои 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 п£и исследованиях всевозможных ведеств, прозрачных в миллиметровом - субмиллиметровом диапазонах: твердых тел, жидкостей.

Научные положения, выносимые на завмту.

1) В диапазоне длин волн (7.6мм. - 0.37 им.) определены частотные зависимости комплексных показателей преломления магнитной жидкости на основе магнетита (^е,0.,) и типичного СВЧ-магнетика - феррита марки 1-СЧ-4; а так же наведенные поперечным магнитным полем и г. анизотропии.

2) На основе численного расчета трехслойной злектро-

- е -

динамической задачи (обратная задача), являюцейся моделью кювет» с прозрачными окнами реализована методика определения дисперсии комплексного показателя преломления прозрачных жидкостей в миллиметровом и субмиллнметровом диапазонах. Методика вппробирована на магнитной жидкости и керосине.

3) В дисперпсионной зависимости комплексного показателя преломления феррожидкости (я1), а также в частотных зависимостях наведенной в певшим насыеасцкы кагниткым поле» анизотропии для обыкновенного и необыкновенного '"^(у)'

лучей отсутствуют особые точки, публиковаваиеся ранее.

4) Показатель преломления магнитной жидкости, состоящей из 10Х к&гнетнта в керосине) (у) ^ изменяется монотонно о» величины.1.796 при 41.4 ГГц до 1.731 при 766.2 ГГЦ (относительная точность измерений 0.1*), л показатель поглощения отвеличины 0.0282 при 41ГГц до 0.0411 при 790,9ГГц. (относительная точность измерений 2Х).

5) Двулуч«првло»:лекме магнитной жидкости имеет обратный знак по отноаенко' к двулучепреломлении в феррите 1-СЧ-4, обусловленному магнитное проницаемостью (njt- olt>0; nj(- 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- nAl )= п^- coaat^y в

отличав от двулучепреломленив в Феррите 1-СЧ-4, обусловленного магнитной проницаемость»: ajf- nlfa (щЯ)"1.

7)Наведенная анизотропия магнитной жидкости в миллиметровом и субмиллнметровом диапазонах главным образок обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости для магнитные полей, малых по сравнении с величиной поля Ферромагнитного резонанса

(вследствие 5-го и в-го пунктов).

8) Пункта с 3-го по 7-й находятся в хорошем соответствии с кластерной моделью феррожидкости, помещенной во внешнее магнитное поле.

9) Предложен и реализован новый векторный метод а 70В-спектроскопии, признанный изобретением. При реализации метода достигнуты рекордные параметры спектральных измерений 'практически без ухудшения остальных параметров) в миллиметровом н субмиллиметровом диапазонах длим волн* динамический диапазон для спектральных амплитудно - Фазовых измерений расширился с 104 до 107 при высокой Фазовой чувствительности (0.3° для пропусканий порядка единицы) без ограничений на фазочастотние характеристики измеряемого объекта, как то: по максимальной величин* Фазового сдвига и по отклонению Фазочастотной 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) ХХУП-я международная конференция по инфракрасныммежхукародная 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 РАН (Октябрь 1992). на семинаре отдела субмиллиметровой спектроскопии Института Общей физики РАН

(Февраль 1993) и на семинаре Отдеяа СКП 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 Suballliaeter Waves" (срок публикации - сентябрь 1993).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, грех глав, заключения и списка цитируемой литературы; изложена на 139 страницах

машинописного текста, содержит 33 рисунка, 1 таблицу. Список литературы включает 106 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертации; . выявлен круг научных проблем, связанных с важнотыо исследований магнитной жидкости и ее наведенной анизотропии в миллиметровом и субмиллиметровои диапазонах длин волк; подчеркнута специфика ЛОВ-спектроскопии и ее современных методов измерений; сформулирована цель работы и определены основные задачи исследования; сформулированы научные положения, выносимые на защиту.

Первая глава нсснт обзорный характер. 1В разделе 1.1 рассматривается структура современных Феррожидкостей и их отличие от предшествующих им грубых взвесей.

Затем описываются основные статические свойства магнитной

жидкости - обоснование стабильности и устойчивости магнитных коллоидов при среднем размере частиц 70-100 Ангстрем.

В разделе 1.3 приводится конечные результаты теоретического обоснования образований цепей - кластеров под действием анеанего постоянного магнитного поля, что обуславливает анизотропии среды.

Далее рассматривается эффекты двулучепреломления м дихроизма магнитной жидкости, возникающие под действием поперечного магнитного поля в оптическом диапазоне; качественное отличие эффектов наведенной анизотропии дле сильно разбавленной пидкостя (концентрация магнитной фазы 10"® - 10"*) и для феррожидкостей с нормальной концентацией (0.01 - 0.3).

Затем приводится ряд теорий, объяснявших эффект наведенной анизотропии; наиболее широкое распространение получила следующая колцепция: под действием внеянего постоянного магнитного поля частицы Формируются в кластеры, параллельные направлению поля, которые, в свою очередь, приводят к появлению двулучепреломления и дихроизма для вневнего зондирующего электромагнитного излучения.

После этого рассматриваются всевозможные зависимости эффекта; от величины магнитного поля, температуры, концентрации, типа магнитной аидкоти, растворителя. При этом экспериментально проявляются законы, присущие всем типам магнитных жидкостей, как то: "Slmularlty law" (закон подобия - линейная замена координат приводит к универсальной зависимости эффекта для любой феррожидкости), "Curie-Weiss like low" (аналогичный аакон^Кюри -Вейса)

Эффект наведенной анизотропии анализируется, используя теорию Ландау фазовых переходов второго рода.

В рамках модели невзаимодействуюцнх кластеров приводятся формулы диэлектрических проиицаемостей для необыкновенного (е|) и обыкновенного (Бд) «УЧ«Й:

2е®м е»м

е. « (1 .- €>„) ♦ -:- ; е. = (1 - Фм) ♦ ---

где е = / в )- относительна.! диэлектрическая константа

вееествв самих частиц относительно растворителя.

После »того рассмотрены экспериментальные результаты по определению днвдроизма в ГОС диапазоне описаны динамические свойства магнате - оптического эффекта, что важно для оценки верхней частот модуляции на основе этого эффекта (10-30 кГц).

Затес« сделан обзор работ о непосредственном наблюдении ыагнитшзх мвкрокяастеров н способах их визуализации: характерный пространственный период макрокластеров для различных Феррожидкостей варьируется в пределах Б-30 ики - много менызе длины волны мнялнметроЕОГо - субмиллиметрового нзлученив.

П. наконец, обсуждается единственная работа,непосредственно . относяцався к теме диссертации, выполненная в субынллиметровоы диапазоне (длина волн: 1.1 мм - 0.4 мм) с помоцыа методов дисперсионной Фурье -спектроскопии. В ней делается акцент на особенности дисперсии показателей преломления и поглощение: дво точки, в которых рвется производная по а и к.

Вторая главе посэяцгна экспериментальному определению частотных зависимостей комплексных показателей преломления магнитной жидкости на основе магнетита (Ув О ) и типичного СВЧ-ферркта парки 1-СЧ-4 в диапазоне длин волн (7.6мм. - О.ЗТ мм.)

& разделе 2.1 рассмотрены методы исследования жидкостей в субмндлиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн, приведены

основные характеристики ЛОВ-спектрометра НАСС-Э и параметры исследованной жидкости.

В разделе 2.2 приводится Формула пропускания трехслойной системы - электродинамической модели кюветы с прозрачными окнами.

Затем приведена методика определения частотного спектра

показателя преломления: ннтерферометрнческие измерения в кювета

переменной толщины (в раздвижной кювете), показан спектр

показателя преломления в анроком диапазоне длин волн 7.6 мл.

0.36 мм. без каких - либо особых точек в отлнчае от

опубликованной ранее работы. Показатель преломления магнитной

жидкости, состоящей из 10Х магнетита в керосине)

изменяется монотонно от величины 1.796 при 41.4 ГГц до 1.731 при

766.2 ГГЦ (относительная погревность измерений О.IX),

В раздело 2.4 описывается методика определения спектральной

зависимости показателя поглощения магнитной жидкости в раздркжиой

кпвзте. В определенном таги» образом спектре показателя

поглозеннг тахге не обнаругено особих точек - показатель

поглокекня (£,,,.,) от величины 0.0262 при 41ГГц до 0.0411 при ЧШ)

790,9ГГц. (относительная погревность измерений 2%).

Затем рассматривается методика определенна спектральной зависимости наведенной постоянный поперечным кагннтнии полем (0.4 Т - больсе, чем поле ндсиаення 0.16 Т) анизотропии: спектров комплексного показателя преломления жидкости без магнитного полз (ntjM|), обыкновенного (ЛА1(Ш)> " необыкновенного яучоЯ:

под мояностние спектры пропусканий, пользуясь Формулой пропускания трехслойной системы, методом простого коордннятпого спуска подгонялась теоретическая крив» я с учетом «янвйиоА дисперсии по П,(Ы) и *1(ш)' критврв® " икншогм суммы

псзвягтсяь поглощенно пемателяпрглдмленад

Рисунок 1. Спектр комплексного показателя преломления магнитной видкости и его наведенной поперечным магнитным полем анизотропии

среднеквадратичных отклонений теоретической кривой от

экспериментальных точек.

Полученные спектральные зависимости л.,... и с учетом

ИИ) МЫ)

дипер.скн представлены на рисунке 1. Сравнивая спектральную зависимости п1(Ш) и *1(ш)" полученные в кювете переменной толщины, со спектром, полученным вышеописанным методом (рисунок 1), можно'сказать, что спектры по о1 совпали с точностью: 0.1%, (то есть почти точность калибровки ЛОВ). Спектр по , полученный в кювете переменной толщины , на длинных волнах

(более 3 мм.) совпадает со спектром на 5Х-10Х (из-за

погрешности, связанной с ограничением максимальной толщины кюветы); на коротковолновом участке (1мм. и короче) - в пределах 1Х-2*.

Таким же методом (обработка спектров мощностных пропусканий) были подучены спектры комплексного показателя преломления феррита н его наведенной анизотропии.

На основании этих измерений было показано, что: двулучепреломление магнитной жидкости имеет обратный знак по отношению к двулучепреломлению, обусловленному магнитной проницаемостью в Феррите 1-СЧ-4: (л^- лА1 <0; n¡t~ ЛЧ ®

диапазоне 38 ГГц - 570 ГГц и двулучепреломление и дихроизм магнитной хтдкости мало зависят от частотм (не волее, чем 20Х по всему спектру), в отличае от анизотропии, обусловленной магнитной «троницаемостью в феррите 1-СЧ-4: n|f~ "jf81 (Ий"'.

Сравнивая спектры двулучепреломления и дихроизма в этом диапазоне м для оптических - ПК измерений, была выявлена общая закономерность: 2(nt- nit)s °i= сопя'(И)- H" основании всех

этих Фактов был сделан вывод о том, что наведенная анизотропия магнитной жидкости для магнитных полей, малых по сравнения с величиной поля Ферромагнитного резонанса главным образом обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости; и, таким образом, полученные данные находятся в хорошем соответствия с кластерной моделью феррожидкости, помещенной во внешнее магнитно* поле.

Третья глава посвящена исследованию методами магнитной спектроскопии наведенной поперечным магнитным полем анизотропии магнитной жидкости и феррита в зависимости от величины магнитного поля (до 1.1Т). Квазиоптическая схема эксперимента была собрана на базе ЛОВ-спектрометра МАСС-1 и аналогична установке в применявшейся в оптическом диапазоне длг таких целей.

В диапазоне Зв - 52 ГГц были получены магнитные спектры

коэффициента пропускания - обыкновенного и необыкновенного лучей образцов магнитной жидкости и Феррита через каждые - 0.Б ГГц и через 40 ГГц - в диапазоне 60 - 300 ГГц.

Внешний вид зависимостей магнитных спектров для обыкновенного и необыкновенного лучей совпадают для субмиллиметрового - миллиметрового и оптического - ИК диапазонов. Небольшие расхождения в графиках пропусканий вызваны интерференцией внутри кюветы. Был наблюден Ферромагнитный резонанс, как для феррита, так и для магнитной жидкости, обусловленный магнитным резонансом внутри частиц в области частот 36 ГГц - 45 ГГц и, соответственно, магнитных полей 8 Кэ - 11 Кэ (в зависимости коэффициента пропускания от поля для необыкновенного дуча); быд показан характер магнитного резонанса в координатах частота - поле: смещение по закону: Я/ш -const.

Яа длине волны 1.66 мм. были получены концентрационные

зависимости магнитных спектров феррожидкостей при трех значениях

концентрации - 2.2%, 4Х и 10Х. Оказалось, что, как и в оптике -

ИК диапазоне, в пределах погрешности измерений выполняется t»

подобный закон Кюри - Вейса для магнитной жидкости, что обусловлено одинаковой Физикой явлений для оптики - НК н для миллиметрового - субмиллиметрового диапазонов): возникающие в магнитной жидкости под действием магнитного поля кластеры, характерные размеры которых много меньше длины волны излучения. Б случае оптики главную роль играют микрокластеры несколько частиц слипшихся вместе и выстроившихся вдоль внешнего магнитного поля, а для миллиметрового - субмиллинетрового диапазонов - микро- и макрокластеры.

Из магнитных спектров для Феррожидкости и Феррита были

сделаны качественные оценки магнитной проницаемости (А' и ¡Д", и было подтверждено, что для умеренных магнитных полей (порядка полей насыяения) двулучепредомленне и дихроизм магнитной хидкотн обусловлен изменением диэлектрической, а не магкнтной проннцаемостьи.

Четвертая глава посвящена яозому статическому веяторнсау методу в Субмилзиметровой ЛОВ-Спектроскопии.

Сначала рассматриваются векторные методы ЛОВ спектроскопии, наиболее известные на данный момент о связи с основной задачей я спецификой ЛОВ-спектроскопии при исследовании нового веиестса з рамках классической лякейной электродинамики; приводится последовательная классификация методов по оновним признакам: скаляриио и векторные, динамические и статические; рассматриваются их параметры, недостатки и преимуиества.

Далее (пункт 4.25 идет подробное описание принципа' габоты нового метода. Отличительная его особенность от известных статичских методов - введение модуляции внутрь интерферометра.

Интенсивность излучения на выходе дву«лучевого ийтерферомета, достигающего приемника, может быть представлена в следувцен виде:

/= ¡^1® + + 21' ! Л^ 'соя(а)

где I -полная (в том числе неиодулированкая) интенсивность излучения на приемнике, - амплитуда части излучения па

приемнике, прояедней по плечу 1. \КЛ 1 - амплитуда другой частя излучения на приемнике, проведаей по пдечу 2, а а - Фазовый сдвиг между плечами интерферометра. Яныим словами эта интенсивность состоит из трех компонент: интенсивностей плеч 1 н 2 (квадраты соответствующих амплитуд) н перекрестной компоненты.

Выбирается такая модуляция излучения, чтобы выл регистрируем

ливь интерференционный член. 7я1 = 2 ¡Г, !!£",! ооа(а).. используя

селективность приемника. Положительный эффект в данном случае

обусловлен возможностью увеличения динамического диапазона

3 4

примерно в квадрат раз (в 10 - 10 раз).

Основа данного метода, как и в предыдущем статическом методе - два измерения на каждой частоте, .выполненные при различных разбалансах интерферометра (друг относительно друга, например, на 80°). После дополнительно* , разбаладоировки интерферометра на заданный 'угол Д, ^ равный 90°, приемник зарегистрирует интенсивность модулированной части излучения, определяемую формулой

= 2 \\ !|Л;!ооа(а+А)= - 2 ¡Д; ! ¡/Г, ! зШа)

Эти уравнения позволяют рассчитать синус и косинус неизвестной фазы а например по формулам:

сол«х) = Гт1 /(/„: ♦ ;

«¿.(а) = - /(С ♦

что однозначно задает Фазовый разбаланс а, т.е. задача измерения фазового разбаланса интерферометра ревена.

В действительности измеряются проекции комплексного вектора пропускания на некий косоугольный базис (в силу того, что вносимый в интерферометр разбаланс является частотно зависимым). После этого простыми тригонометрическими преобразованиями непосредственно вычисляются мнимая и вещественная части комплексного пропускания (или отражения).

В пункте 4.3 приведен результат апробации данного метода на известных тест - объектах. Новый метод был реализован, с использованием интерферометра Маха - Цандера. Квазиоптическая схема била собрана на базе спектрометра МАСС-3.

Преяде всего была продемонстрирована хорокая воспроизводимость веагорных спектров (комплексная единица): мощность IX-2*, фаза 0.3°, амплитуда 0.6Х-1Х. Фиэовая чувствительно» метода была продемонстрирована на комплексном спектре пропускания лавсановой пленки £*=10мки.: мнимая часть стала меньше нуля примерно на ЗХ, что отразилось в Фазовом спектре изменением относительно нуля примерно на 3°, Проведя через экспериментальные точки фазового спектра прянув линия по методу наименьших квадратов, был замечем наклон, соответствующий спектральной зависимости Фазового сдвига лавсановой пленки от частоты. При этой дисперсия (среднеквадратичный рагброс) относительно этой прямой г составила порядка 0.4°.

Возможность измерений новым методом сколь угодно бсльпих фазовых разбалансов была продемонстрирована на комплексный спектре тефлоновой пластины 4=62 ± 0.5мм.

Достигнутый динамический диапазон продемонстрирован на спектре заготовки стекла толщиной <£=28мм. Комплексный спектр пропускания в координатах мнимая - вещественная части и фаза - мощностное пропускание изображено на рисунке 2. Т&кми образом, несмотря на перепады в мощности в зоне генерации ятятт в 60-100 раз, комплексный спектр образца с ношюстюши пропусканиями порядка 10~® - ю~7 смят новым методом без срывов Фазовой карактернстики на всех участках частотного спектр*.

Для того, чтобы продемонстрировать большой- динамический диапазон по перепадам моцгости на протягении одного спектра, бмл использован следующий образец: резонатор Фабри-Перо, основанный

на двух металлических пленках с мощмостк"ми пропусканиями

-3 Ч

Г, =5 10 и У-=3.5 10 . Рассчитанный по »ТИМ значениям

Рисунок 2. Комплексный спектр пропускания стеклянной пластинки толк. 28.6мм в декартовых (справа) и полярных (слева) координатах

комплексный спектр пропускания резонатора совпал с непосредственно измеренным (в минимумах - 5 10" в максимумах 6 10"® - контраст 100).

Также новым методом был определен спектр комплексного показателя преломления керосина - разбавителя магнитной жидкости.

Новый векторный статический метод открывает новые возможности субммллиметровой спектроскопии, прежде всего при исследовании высокопроводяпих сред - металлов, сверхпроводников и т.д.), резонансных явлений (магнитные резонансы, ЭПР, объемные резонансы). Причем надо отметить, что если для трехмерных объектов этот метод дает возможность исследовать слои более толстые, чем при исследовании обычными методами, ливь в два раза (так как пропускание экспоненциально падает с толщиной), то для

импедансных (электродинамически двумерных) структур этот маигрмя по толщине может оказаться в 10 - 100 и более раз - корень квадратный из реального выигрыша по динамическому диапазону (причем надо сказать, что импедансными являются большинство хорошо проводящих структур - металлы, сверхпроводники и т.д.).

Немаловажную роль представляет собой возможность измерять этим методом большие Фазовые разбалансы: это может быть использовано прежде всего для достижения больших точностей по показателям преломления при исследованиях всевозможных веществ, прозрачных в миллиметровом - субмиллиметровом диапазонах: твердых тел.. жидкостей.

Для больших пропусканий (порядка единицы) этот метод уступает лучким статическим методам проинерно в два раза по точности в фазе и в мощностном пропускании, но превосходит динамические методы по Фазовой точности, однако сильно выиггызает в точности при малых пропусканиях (10 и меньве) у всех известных методов. Новый метод оказался очень удобным (слабо чувствительным по отношению к балансировке интерферометра, к «го юстировке). В этом смысле метод оказался очень простим в техническом отношении. В силу своей простоты для болыеих пропусканий этот метод может быть использован как для прецизионных, так и для предварительных измерений, с последу»«ими измерениями другими статическими методами.

В заключении диссертации сформулированы ее основные выводы:

1) Различными^независимыми методами ЛОВ-спектроскопии а диапазонах длин волн (7.6мм. - 0.37 мм.) определены частотные зависимости комплексных показателей преломления иагштиЫ! жидкости на основе магнетита ОГе^О^) и типичного СВЧ-магиетмха -

Феррите марки 1-СЧ-4; а так пе. наведенные поперечным магнитным пояем ив анизотропии.

2) Предложена методика по определению комплексного показателя преломления жидкости в миллиметровом и субмидлиметровом диапазонах на основе расчета трехслойной электродинамической задачи (обратная задача), являвшейся моделью кюветы с прозрачными окнами.

3) В дисперпсионной зависимости комплексного показателя преломления Феррожидкости (Й1(Ш))> а также в частотных зависимостях наведенной внеянкм насыщающим магнитным полем анизотропии дм обыкновенного (ш)' и нв0быкн08енн0Г0

лучей отсутствуют особые точки, опубликованные ранее. /Знак 1 применяется для обыкновенного луча (вектор Л электромагнитной волны перпендикулярен направлению внешнего магнитного поля Я): а знак | - для необыкновенного (вектор £ параллелен Я); индекс I - для жидкости, а г - для феррита/

4} Показатель преломления магнитной жидкости, состоящей из 10* магнетита в керосине) (^(ц)) изменяется монотонно от величины 1.796 при 41.4 ГГц до 1.731 при 765.2 ГГЦ с относительной погрешностью 0.1%, а показатель поглощения (^(щ)) отвеличнны 0.0282 при 41ГГц до 0.0411 при 790,9ГГц. с относительной погрешностью ЗХ.

б) Двулучепреломление магнитной жидкости имеет обратный знак по отношению к двулучепреломлению, обусловленному магнитной проницаемостью в Феррите 1-СЧ-4 (лХ1- "^<0: лАГ- л|г>0).

6) В диапазоне 36 ГГц - 570 ГГц двулучепрелоиление и дихроизм магнитной жидкости мало зависят от частоты (не более, чем 20*), причем 2(п1- пА1)= л^ - п1= сопзЬ^у в отличае от

анизотропии, обусловленной магнитной проницаемость» в феррит« 1-СЧ-4: U|jf - nif а (ыЯГ®.

7) Наведенная анизотропия магнитной жидкости для магнитных полей порядка полей насыщения (не более 0.4 Тесла) главным образом обусловлена анизотропией диэлектрической проницаемости (вследствие 6-го и 6-го пунктов выводов).

8) Выводы с 3-го по 7-й находится в хороаем соответствии с кластерной модель» феррожидкости, помещенной во внеянее магнитное поле.

9) Предложен, и реализован новый векторный метод в ЛОВ-спектроскопии, признанный изобретением. При реализации метода достигнуты рекордные , параметры спектральных измерений (практически без ухудшения остальных параметров) в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн: динамический диапазон для спектральных амплитудно - Фазовых измерений расяирился с 10* до 10' при возможности измерять спектры фазовых разбалансов вплоть до величин, ограниченных, длиной коогерентности источника излучения.

Основные__результаты__опубликованы в следующих научных

работах:

1.* 8e«M>nov A.V. , Vinogradov i.A., "Induced Anisotropic in Ferroflulds in Milliliter and Subeillieeter. Frequency Rang«" Proceedings ot the Annual International Magnetooptical Conference, Ш01, Septeaber, Harkov.

2. BemenovA.V., Vinogradov S.A., "Induced Birefriengenc« and Dicchroiza of Ferroflulds in Millimeter and Subailliaeter

Frequency Hange" The Journal of Magnetic Society of Japan»

i

Proceedings of the Annual International Magnetooptical conference

* ,»

Beptenber, 1932.

3. Виноградов E.A., Семенов A.B., "Наведенная • анизотропия магнитной жидкости и спектральные методы в диапазоне длин.волн 8 мм. - 0.35 мм.", Тезисы докладов по магнитным жидкостям! г. Плес, 13-15 мая 1991 стр.117-118.

4. Виноградов Е.А., Латыиев А.Б., Семенов A.B., "Метод спектральных исследований в квазиоптической кювете в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн", Радиотехника и электроника, номер Б, 1893: стр. 38-39.

5. Латыиев А.Б., Лукьянов Д.А., Семенов A.B.. "Способ определения фазового разбаланса двухлучевого интерферометра". Патент СССР Н 5015144/28, приоритет от 04.12.01. положительное реяение от 28.04.92.