CC BY
9ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2006 Физика Вып. 1
Исследование кооперативного эффекта при рассеянии электромагнитного излучения сферическими частицами
Н. Н. Коротаев, И. Л. Вольхин, А. В. Долгин, Э. Л. Русинов
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
В плотноупакованных мутных средах происходит рассеяние света с переоблучением близкорасположенных частиц (кооперативный эффект). Определение расстояния между соседними частицами, на котором переоблучение исчезает, является актуальной задачей для теории и практики. В статье описана установка для измерения отражения электромагнитных СВЧ волн с длиной волны X - 9.5 мм. Измерено излучение, рассеянное назад от двух парафиновых и двух металлических шаров диаметром 2А. при их удалении друг от друга. Найдено расстояние, при котором шары перестают переоблучать друг друга. Результаты, полученные для СВЧ излучения на шарах, легко перенести в оптику, изменив соответственно длину волны, размеры рассеивающих частиц и расстояния между ними.
1. Введение
При распространении электромагнитного излучения в мутной (рассеивающей) среде происходит взаимное влияние соседних рассеивающих частиц друг на друга, которое называется кооперативным эффектом или эффектом переоблучения. Этот эффект связан с интерференцией волн на отдельных частицах и их ближайших соседях. В оптике он проявляется при прохождении света через плотно-упакованные среды (снег, лед, пена, биологические ткани, кровь, фотографические слои, дисперсные фильтры, люминесцентные экраны и т. д.). Математический аппарат расчета эффекта переоблучения сложен и громоздок. Экспериментально рассеяние излучения обычно изучается в оптическом диапазоне длин волн. Такие исследования затруднены из-за малых размеров микрочастиц. Изучение рассеяния коротковолновых электромагнитных волн СВЧ диапазона на модельных ансамблях частиц существенно облегчает исследования [1-3].
2. Экспериментальная установка
На рис.1 приведена схема экспериментальной установки. Источником СВЧ излучения служит генератор Ганна 1 (мощность 25 мВт, длина волны X = 9.5 мм). Через ферритовый вентиль 2 и модулятор 3 излучение поступает в направленный ответвитель 5 и далее через аттенюатор 9 в плечо 1 ферритового У-циркулятора 10. На рт диод моду-
15
лятора 3 от генератора 4 подаются импульсы прямоугольного напряжения типа меандр с частотой /~ 400 Гц, что приводит к модуляции СВЧ излучения с этой же частотой. С направленного ответвителя 5 СВЧ сигнал поступает на детектор 7. Про-детектированый сигнал подается на осциллограф 8 для контроля мощности и формы импульсов СВЧ излучения. На другом конце ответвителя 5 стоит согласованная нагрузка 6.
Из плеча 1 У-циркулятора излучение поступает в плечо 2 и далее через согласующий Е-Н трансформатор 11 - в излучающую прямоугольную рупорную антенну 12 с линзой 13. Сформированный
© Н. Н. Коротаев, И. Л. Вольхин, А. В. Долгин, Э Л. Русинов, 2006
72
Н. Н. Коротаев, И. Л; Вольхин, А. В. Долгий, Э. Л. Русинов
плоскопараллельный СВЧ луч (вектор Е ориентирован вертикально, т.е. перпендикулярно плоскости чертежа) облучает изучаемый объект 14, размешенный на пенополистирольной подставке, прозрачной для СВЧ излучения. Расстояние между частицей и раскрытием антенны Я составляет 25 см. В качестве объекта исследования используются два одинаковых парафиновых или стальных шара, моделирующих рассеивающие частицы.
Сигнал, рассеянный назад от частиц, попадает в антенну 12 и через Е-Н трансформатор 11 - в плечо 2 У-циркулятора 10 и дальше через плечо 3 на детекторную секцию 15. Сигнал с детектора на частоте 400 Гц усиливается узкополосным усилителем 16 и регистрируется цифровым вольтметром 17.
Вначале эксперимента шары 14 устанавливаются вплотную друг к другу. Производится измерение рассеянного от них сигнала. Далее один шар убирается и снова производится замер. Затем первый шар ставится на место и убирается второй шар. После этого снова производится замер. Дальше убираются оба шара и измеряется фон. При этих измерениях расстояние между центрами шаров Ь равняется их диаметру. Расстояние I между центрами частиц постепенно увеличивается, и измерение повторяется. Эксперимент продолжается до тех пор, пока частицы полностью остаются в границах пучка СВЧ излучения на уровне половинной мощности.
3. Результаты эксперимента и их обсуждение
Целью эксперимента являлось определение расстояния между центрами частиц, при котором они перестают влиять друг на друга. Поясним, что под отсутствием взаимного влияния мы понимаем исчезновение интерференции волн, отраженных от частиц. Для характеристики эффекта переоблучения введем коэффициент взаимного влияния рассеивающих частиц
= _У_п_ и,+и'2'
Здесь V] 2 - напряжение, пропорциональное интенсивности (мощности) сигнала, рассеянного назад от двух частиц; и\ - напряжение, пропорциональное интенсивности (мощности) рассеянного назад сигнала от первой частицы; 112 - напряжение, пропорциональное интенсивности (мощности) сигнала, рассеянного назад от второй частицы.
Если частицы влияют друг на друга, т.е. волны, отраженные от них, интерферируют, то складываются амплитуды этих волн и коэффициент Г) Ф 1, т. к. /7, + иг^им. Если частицы не влияют друг на друга, т.е. волны от них не интерферируют, то
складываются интенсивности (мощности) этих волн и коэффициент Г| = 1, т. к. 11] + и2= И\2.
На рис. 2 и 3 показаны зависимости г| = /(1), полученные экспериментально на описанной установке.
Л
Рис. 2. Зависимость цотЬ для парафиновых шаров
19 24 29 34 39 I, мм
Рис. 3. Зависимость Г) от Ь для металлических шаров
На рис. 2 приведены результаты исследования зависимости ті =]{1) для двух парафиновых шаров диаметром О - 19 мм. Из рисунка видно, что с увеличением расстояния между центрами шаров I Г| стремится к единице. Следует отметить, что интенсивности волн, рассеянных назад от объектов, были небольшими вследствие незначительных размеров шаров и напряжений Ип, 11 \ и ІІ2. Интенсивность волны, отраженной от линзы антенны в сторону циркулятора, была того же порядка, что и интенсивность рассеянного от шаров излучения. Вследствие этого погрешность доходила до 30%. Для получения качественного результата приходилось проводить одни и те же измерения многократно.
Исследование кооперативного эффекта
73
На рис. 3 представлены результаты с использованием металлических шаров диаметром £>=19 мм. Как и в предыдущем случае, при увеличении расстояния между центрами шаров I п стремится к единице.
Из рисунков видно, что взаимное воздействие парафиновых и металлических шаров друг на друга прекращается при расстоянии между их центрами £ - 20.
В связи с важностью вопроса определению расстояния, при котором прекращается взаимное влияние рассеивающих частиц, посвящено много теоретических и экспериментальных работ [4-6]. В данной статье мы приводим новый метод определения расстояния между рассеивающими частицами, на котором прекращается переоблучение частиц и исчезает кооперативный эффект.
Результаты, полученные в работе, можно легко перенести в оптику, изменив соответственно длину волны излучения, размеры рассеивающих частиц и расстояния между ними.
Список литературы
1. Способ исследования оптических свойств фотографического слоя: А. с. 938304 СССР, МКИЗ 009В25/100 / Шварц В. М. Коротаев И. И., Мейкляр П. В., Сересов Г. П., Пирожков Б. И. (СССР). № 2971639. Заявл. 11.08.80. Опубл. 23.06.82. Бюл. № 23.
2. Вольхин И. Л., Коротаев И. Н. И Радиофизика и электроника. 1997. Т. 2, №2. С. 7.
3. Вольхин И. Л., Коротаев И. И. // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 1. С. 80.
4. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехтеориздат, 1951. 288 с.
5. Иванов А. П., Лойко В. А., Дик В. П. Распространение света в плотноупакованных дисперсных средах. Минск: Наука и техника, 1988. 191 с.
6. Борн М, Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970. 856 с.
7. Хюлст В. Рассеяние света малыми частицами. М.: Изд - во иностр. лит., 1961. 536 с.
