CC BY
13ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2003 Физика Вып. 1
Исследование распространения света через микрочастицу методом моделирования на СВЧ с применением жидкостной модели диэлектрической частицы
И. Л. Вольхин, Н. Н. Корогаев, С. Г. Чудинов, О. В. Филимонова
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Методом физического моделирования оптических явлений на СВЧ с использованием жидкостной модели исследовано распространение света через вытянутые слабопоглощающие диэлектрические частицы с различным поперечным сечением.
1. Введение
Обычно экспериментальные исследования рассеяния света малыми частицами производятся в мутных средах, включающих большое число частиц. Измеряют коэффициенты пропускания, поглощения, рассеяния, индикатрису рассеяния и т.п., по которым определяют форму, размеры и оптические параметры частицы (обратная задача). Или решается прямая задача, т.е. по заданным параметрам частицы определяется световое поле. Однако такие эксперименты ничего не говорят о распределении электромагнитного поля световой волны внутри частицы и в непосредственной близости от ее поверхности. Для отдельной диэлектрической микрочастицы несферической формы, размеры которой соизмеримы с длиной волны падающего излучения, теоретический расчет распространения света внутри и в непосредственной близости от ее поверхности затруднен, а прямые экспериментальные исследования в оптическом диапазоне невозможны из-за отсутствия микроприемников света. Поэтому для исследований был использован метод физического моделирования, позволяющий перенести опыты из оптической области в область СВЧ, где эксперименты проводить проще [1-3].
В [4-6] приведены данные о распространении СВЧ излучения в монолитной парафиновой модели частицы. Были получены зависимости интенсивности излучения на передней (по отношению к направлению распространения излучения) и задней
гранях модельной частицы. Однако монолитная модель не позволяла получить распределение интенсивности излучения внутри частицы. Поэтому опыты были продолжены на пластинчатой парафиновой модели частицы [7]. Модель состояла из пакета тонких парафиновых пластинок, в одной из которых размещался датчик СВЧ излучения. Пластинка с датчиком перемещалась внутри пакета эстафетным механизмом. С помощью пластинчатой модели получено распределение интенсивности излучения внутри частицы. Наблюдалась сложная картина осцилляций мощности вдоль ее оси. Оставалось неясным, являются ли эти осцилляции результатом интерференции волн внутри частицы или они связаны с пластинчатой структурой модели. Для выяснения этого вопроса была изготовлена жидкостная модель частицы, в которой можно было перемещать приемник излучения.
2. Метод физического моделирования
Моделирование заключается в том, что длина волны падающего излучения и размеры частиц а увеличены пропорционально, примерно в 105 раз. При этом величина параметра дифракции р=тш/А0 для модельных и реальных частиц была одинаковой. Длина волны модельного излучения в воздухе составила Ао*3.2 см, а размеры модельных частиц находились в пределах 2н-44 см. Величина показателя преломления вещества модельных частиц по отношению к СВЧ излучению была такой же, как у вещества реальных частиц для видимого света. В качестве материала для изготовления модельных
© И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, С. Г. Чудинов, О. В. Филимонова, 2003
73
частиц выбрано трансформаторное масло, имеющее для излучения с Ло~3 см магнитную проницаемость ц=1, показатель преломления п» 1.5 и тангенс угла диэлектрических потерь tg5«10”4 [8].
3. Экспериментальная установка
Схема установки представлена на рис.1. Жидкостная модель состояла из пенополистирольной кюветы 1, заполненной трансформаторным маслом
2. Поскольку пенополистирол прозрачен для СВЧ излучения, то можно считать, что модельная частица представляла собой прямоугольный параллелепипед трансформаторного масла. Для устранения просачивания масла вігутренняя поверхность кюветы покрывалась тонкой полиэтиленовой пленкой толщиной 0.01 мм (на рисунке не показана).
Модель частицы помещалась в безэховую камеру 3. Датчик СВЧ поля 4 представлял собой СВЧ диод ДК-8В с миниатюрной антенной, размещенный в пенополистирольной обойме, закрепленной на конце деревянного щупа 5. Щуп крепился на подвижной части устройства горизонтального перемещения 6.
Источником СВЧ излучения (^0~3.2 см) служил клистронный генератор 7 (клистрон К-54). Длину волны Х0 можно было менять в пределах 3.02^-3.49 см, что позволяло плавно изменять параметр дифракции р в пределах 15%. При этом степень монохроматичности излучения практически не менялась и составляла Д/7/«0.004, где /-частота клистрона, а Д/- ширина полосы пропускания на уровне половинной мощности. Излучение было промодулировано по амплитуде меандром с частотой 400 Гц. Сигнал с клистрона через ферри-
товый вентиль 8, подстроечный аттенюатор 9, направленный ответвитель 10, калиброванный аттенюатор 11 и согласующий трансформатор 12 подавался на вход ячейки Фарадея 13 с блоком питания 14, с помощью которой можно было изменять ориентацию электрического вектора Е СВЧ волны в пределах 90°. С выхода ячейки Фарадея СВЧ волна поступала в коническую рупорную антенну^ с диэлектрической линзой 16. С помощью зеркала 17 СВЧ излучение направлялось вдоль безэховой камеры 3 на исследуемую жидкостную модель частицы 2 и регистрировалось датчиком 4. Продетектированный сигнал с датчика 4 подавался на вход узкополосного усилителя 18, настроенного на частоту модуляции (400 Гц). Напряжение на выходе усилителя и регистрировалось вольтметром 19. Затухание, вносимое калиброванным аттенюатором 11 Ро/Р, было выбрано так, что СВЧ детектор работал на квадратичном участке вольтам-перной характеристики и напряжение и было пропорционально интенсивности СВЧ излучения /.
Постоянство мощности СВЧ Р0 обеспечивалось аттенюатором 9 и контролировалось вольтметром 20 и осциллографом 21, подключенными к детекторной секции 22 на выходе направленного ответвителя 10.
4. Результаты исследований
На рис.2 изображена модель жидкостной частицы (без кюветы), оси координат и датчик СВЧ излучения. Датчик перемещался вдоль оси у с шагом 1 мм. Измерялось распределение интенсивности СВЧ излучения 1=/(у) на разных глубинах погружения датчика (г) внутри и за пределами частицы.
Рис. 2. Жидкостная модель частицы
Для излучения трех длин волн с А-о=3.02; 3.20 и 3.49 см получено распределение /=Ду) для ряда частиц квадратного ах а и прямоугольного axb сечения с длиной / в пределах 24+44 см. Распределение /=Ду) найдено на различных расстояниях z внутри масла, на поверхности и в воздухе.
Датчик СВЧ Масло Охающая /
_ волна^_
Падающая СВЧ волна
Огибающая Начало волна координат
Исследование распространения света через микрочастицу
75
Результаты для модельной частицы квадратного сечения с а=2.0 см для излучения с А.0=3.20 см
I, отн.ед. Направление СВЧ волны-------►
у, мм
Рис. 3. Зависимость I=f(y) для частицы квадратного сечения с а=2.0 см на Хо-3.20 см
/, отн.ед. Направление СВЧ волны-------►
О 100 200 300 400
25 20 15 10 5 0
0 50 100 150 200 250
у, мм
Рис. 6. Зависимость I=f(y) для частицы прямоугольного сечения с а=24.0 см и Ь=17.0 см на Хо=3.20 см
при г=0 мм (на оси частицы) представлены на рис.З. Из рисунка видно, что вдоль длинной оси частицы (вдоль у) имеют место осцилляции СВЧ мощности 1 с малым Гмис большим Тк пространственными периодами. На этом же рисунке приведено распределение СВЧ мощности в пустой кювете (без масла). В отсутствие пенополистироль-ной кюветы уровень мощности в месте расположения кюветы был таким же, как и внутри пустой кюветы. Постоянный уровень интенсивности излучения в пустой кювете свидетельствует о том, что кювета не вносит искажений в распределение СВЧ поля в безэховой камере, т.е. не влияет на результаты измерений интенсивности излучения в модельной частице.
На рис.4 и 5 приведены зависимости 1=/\(у) при ^0=3.02 см и 2=0 мм для частиц квадратного сечения с а=2.9 см и аг=8.0 см соответственно, а на рис.6 - для частицы прямоугольного сечения с о=24.0 см и 6=17.0 см. Из рисунков следует, что распределение интенсивности излучения в этих частицах носит похожий характер. Однако имеются и различия. При увеличении поперечного сечения модельной частицы амплитуда осцилляций мощности излучения вначале увеличивается, проходит через максимум при а~Хо, а затем уменьшается. Это согласуется с результатами работы [7].
Для частицы прямоугольного сечения (рис.6) площадь поперечного сечения ахЬ=408 см? много больше квадрата длины волны Х,о2=10.24 см2. В этом случае следует пользоваться законами геометрической оптики. Можно считать, что осцилляции интенсивности I с малым пространственным периодом Гм в этой частице возникают в результате интерференции падающего излучения с излучением, отраженным от задней поверхности модели, и являются стоячей волной. Пространственный период этой волны Ти=Х/2, где X - длина волны СВЧ излучения в масле. Учитывая это, можно рассчитать величину показателя преломления «=Л.0/27’М=1.49, что соответствует табличным данным.
Осцилляции СВЧ мощности с большим пространственным периодом Гк возникают из-за того, что волна, прошедшая внутри модели, интерферирует с волной, испытавшей дифракцию на частице (огибающая волна, рис.2). В этом случае разность фаз между интерферирующими волнами составляет Дф=2тсу(и-1)/^о. Здесь п - показатель преломления вещества (масла). Периодическое изменение Дф вдоль оси частицы у приводит к появлению периодических изменений мощности с большим пространственным периодом Тк. Учитывая, что набег фазы между двумя соседними минимумами (или максимумами) составляет Дф=2я, находим показатель преломления масла «=(7К+Х0)/7’К=1.44, что в пределах ошибки измерений соответствует значе-
у, мм
Рис. 4. Зависимость 1-/(у) для частицы квадратного сечения с а=2.9 см на Хо=3.02 см
1, отн.ед. Направление СВЧ волны---------►
0 100 200 300 400
у, мм
Рис. 5. Зависимость 1-Ду) для частицы квадратного сечения с а=8.0 см на Хо=3.02 см
/, отн.ед. Направление СВЧ волны----------►
нию п, полученному по мелкомасштабным осцилляциям.
Эксперименты показали, что мелкомасштабные и крупномасштабные осцилляции СВЧ излучения имеются и за пределами боковых поверхностей частицы. Их наличие позволяет сделать вывод о том, что СВЧ волна выходит из частицы через её боковые поверхности и интерферирует с волной, распространяющейся в воздухе.
При уменьшении размеров частицы от а=24см до я=2см (рис.5-3) характер мелкомасштабных и крупномасштабных осцилляций не меняется. Из рис.7 и 8 следует, что при уменьшении а периоды Гм и Т’к сначала незначительно увеличиваются, а
Тм, см
р^тш/Хо
Рис. 7. Зависимость Тм от поперечных размеров частицы
Т’к, СМ
25
20
т
15 1
X
10 \
•
5 0 ' V • •—
О 5 10 15 20
р=7Т а/\о
Рис. 8. Зависимость Тк от поперечных размеров частицы
начиная с а~Х=Зсм резко возрастают. Никаких 6. скачков при приближении а к X не наблюдается. Отсюда можно сделать вывод, что во всех случаях 7. (а»Х, а>Х, а~Х и а<Х) имеет место интерференция падающего и рассеянного изнутри частицы излу- 8. чения, а также дифракция излучения на частице.
Казалось бы, что электромагнитное поле внутри модельной частицы с а~(0.5-гЗ)А, должно быть сильно неоднородным и очень сложным. Однако, как показывают опыты (рис.3-5), картина распределения поля внутри частицы имеет очень четкую периодическую структуру. Полученные данные согласуются с результатами экспериментов, проведенных на монолитной и пластинчатой моделях диэлектрических частиц [4-7].
5. Заключение
Разработана и сконструирована жидкостная модель диэлектрической частицы, позволяющая изучать распределение интенсивности электромагнитного поля внутри частицы и вблизи ее поверхности. Опыты показали, что внутри частицы наблюдаются осцилляции интенсивности излучения с малым Ти и большим Тк пространственными периодами. Для крупной частицы с поперечным сечением а»Х эти осцилляции объяснены интерференцией падающей волны с волной, отраженной от задней грани, и дифракцией волны на частице. При уменьшении а вплоть до а<Х характер осцилляций не меняется и периоды Тм и Тк изменяются непрерывно (без скачков). Отсюда сделан вывод, что во всех случаях (а»Х, а>Х, а~Х и а<Х) в частице имеет место интерференция падающей и рассеянной изнутри волн, а также дифракция волны на частице.
Список литературы
1. Способ исследования оптических свойств фотографического слоя: A.c. 938304 СССР, МКИЗ G09B25/100 / Шварц В. М., Коротаев H. H., 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 H. H. II Радиофизика и электроника. 1997. Т. 2, № 2. С. 7.
3. Вольхин И. Л., Коротаев H. H. II Приборы и техника эксперимента. 1999. № 1. С. 80.
4. Вольхин И. Л., Коротаев H. H., Мейкляр П. В., Шварц В. М. // Опт. и спектр. 1991. Т. 71, вып. 2. С. 340.
5. Сересов Г. П., Мейкляр П. В., Шварц В. М., Коротаев H. H., Вольхин И. Л. // Журн. науч. и прикл. фотогр. и кинематогр. 1990. Т. 34, Вып.
З.С. 194.
Вольхин И.Л., Коротаев H.H. II Вестн. Перм. ун-та. 1998. Вып. 4. Физика. С. 69.
Вольхин И.Л., Коротаев H.H. II Там же. 1999. вып. 5. Физика. С. 7.
Кикоин И. К. Таблицы физических величин. М.: Атомиздат, 1976. 1008 с.
