Введение 4
1 Обзор литературы 6
1.1 Методы и средства исследования диэлектрических объектов в СВЧ
диапазоне 6
1.1.1 Гауссовские пучки и их основные свойства 6
1.1.2 Рассеивание гауссова пучка на диэлектрических цилиндрах 8
1.1.3 Спектрометр терагерцового диапазона (STD - 21) 11
1.2 Исследование диэлектрических цилиндрических образцов в СВЧ
диапазоне 14
1.2.1 Измерения различных видов образцов резонансными методами 21
1.2.2 Исследование сверхтонких проводящих цилиндров на СВЧ с
помощью открытого квазиоптического резонатора 23
2 Экспериментальное исследование диэлектрических цилиндров в пучках
гигагерцового и терагерцового диапазонов частот 26
2.1 Установка на базе спектрометра STD-21 26
2.2 Установка на основе квазиоптического тракта и векторного
анализатора цепей Agilent E8363B 29
2.3 Результаты измерений образцов в квазиоптических линиях
гигагерцового и терагерцового диапазонов частот 30
3 Исследование диэлектрических цилиндров в открытом резонаторе
четырехмиллиметрового и восьмимиллиметрового диапазона длин волн 33
3.1 Описание установки 33
3.2 Результаты измерений 35
Заключение 40
Список использованных источников
В настоящее время интерес исследователей, занимающихся изучением электрофизических свойств материалов в высокочастотной части электромагнитного спектра, направлен в сторону коротковолновой части миллиметрового диапазона длин волн и терагерцового диапазона. Диапазон, именуемый как терагерцовый, лежит в промежутке между радиочастотным и оптическим излучением [1]. В литературе встречаются разные определения его границ, однако в большинстве случаев к данному диапазону относят электромагнитные колебания с частотами от 1011 до 1013 Гц. Основная особенность данного диапазона в том, что до недавнего времени он был мало исследован в виду отсутствия генерирующей и приемной аппаратуры. В настоящее время ведется активное осваивание терагерцового диапазона. Терагерцовое излучение обладает одним из весьма полезнейших свойств: подобно рентгеновскому, оно позволяет заглянуть внутрь материи, просветить её [2]. Это может привести к появлению новых методов дефектоскопии и контроля качества на производстве. Еще одна не менее важная перспектива открывается и перед медициной, так как терагерцовое излучение, является безопасным для живых организмов.
Целью настоящей работы является исследование диэлектрических цилиндрических образцов в коротковолновой части миллиметрового и терагерцового диапазона частот.
Существует большое число различных диэлектрических цилиндров, например, различные виды изоляционных проводов, микропровода, рыболовные снасти, шовный медицинский материал. Рассмотрим частный случай, где в качестве тонкого диэлектрического образца использовалась медицинская саморассасывающаяся нить.
Медицинская нить - шовный материал для хирургии, изготовленный из полимеров гликолевой и молочной кислот [3]. К качеству таких нитей при производстве предъявляется очень высокие требования. К примеру, по всей длине нити должны обеспечиваться минимальные отклонения ее диаметра в процессе изготовления. Это можно обеспечить включением в технологический процесс устройств непрерывной диагностики. Перспективным является применение СВЧ радиоволнового контроля, обеспечивающего бесконтактность, высокую скорость и точность [4]. В данной работе рассмотрены резонаторы четырехмиллиметрового и восьмимиллиметрового диапазона длин волн , способ их применения, минусы и плюсы. В настоящее время в России активно развиваются технологии производства рассасывающихся медицинских нитей. В виду того, что отечественные нити будут существенно дешевле, а по качеству не будут уступать импортным, это позволит полностью заменить импортные нити, на нити отечественного производства.
Реализация сформулированной цели подразумевает решение следующих задач:
а) проведение обзора литературных источников;
б) освоение приемов измерений на спектрометре терагерцового диапазона СТД-21;
в) освоение приемов измерений в квазиоптическом открытом резонаторе в гигагерцовом диапазоне частот с использованием Agilent E8363B и Agilent N4257A;
г) проведение подготовки образцов;
д) измерение образцов в гигагерцовом и терагерцовом диапазоне частот.
Проведено исследование диэлектрических цилиндрических образцов медицинских нитей и отрезка лески различных диаметров в квазиоптических пучках гигагерцового и терагерцового диапазонов частот. Исследования в квазиоптическом тракте спектрометра показали, что использование измерения модуля коэффициента прохождения в полосе частот 115 - 500 ГГц для определения диаметра образца невозможно. Сопоставление измерений фазы коэффициента прохождения в диапазонах частот 30 - 40 ГГц и 115 - 500 ГГц свидетельствует о росте разрешающей способности фазовых измерений для определения диаметра цилиндра.
Исследования в открытом резонаторе миллиметрового диапазона длин волн (полоса частот 30 - 40 ГГц, 46 - 67 ГГц) показали, что значения крутизны преобразования сдвига резонансной частоты открытого резонатора выше, чем значения крутизны фазовых измерений в пучках квазиоптических трактов в полосе частот 115 - 500 ГГц. К тому же современная элементная база позволяет реализовывать устройства миллиметрового диапазона длин волн. Учитывая тот факт, что в терагерцовом диапазоне в настоящее время измерения можно проводить только в лабораторных условиях, резонаторная методика пока представляется предпочтительней. Преимущество резонаторного метода в том, что он обладает высокой чувствительностью при малых частотах, к недостаткам же резонаторного метода можно отнести сильную зависимость выходных сигналов от положения образцов в датчике. Пучковый метод избавляет наст от влияния неоднородности фиксации образца, но обладает недостатком, имеет низкую чувствительность при одинаковой частоте. Следовательно, целесообразно продолжить исследования в пучках открытых трактов для более высоких частот.
Данные результаты могут быть применимы для разработки устройств бесконтактной непрерывной диагностики диаметра медицинских нитей в процессе производства.
