CC BY
9ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2007 Физика Вып. 1 (6)
Установка для исследования индикатрис рассеяния одиночных частиц
И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, А. В. Олейников, С. Ю. Ромахин
Пермский государственный университет, 614990, Пермь, ул. Букирева, 15
Описана установка, состоящая из СВЧ генератора на диоде Ганна с длиной волны Х-9.5 мм, волноводного тракта, излучающей и приемной рупорных антенн, волноводного моста и системы регистрации. Установка позволяет получать индикатрисы рассеяния излучения одиночными частицами различной формы и различного материала. Произведена настройка установки и получены пробные индикатрисы рассеяния излучения металлическим кубом и шаром эквивалентного диаметра.
1. Введение
При расчете распространения излучения через мутные рассеивающие среды необходимо знать оптические характеристики отдельных частиц. Одной из важных характеристик является индикатриса рассеяния излучения частицей. В работе [1] приведено описание установки для исследования дифракции излучения на отдельных частицах. Эта установка была модернизирована и приспособлена для изучения индикатрис рассеяния одиночных частиц.
2. Экспериментальная установка
Схема экспериментальной установки для исследования индикатрис рассеяния излучения одиночными частицами представлена на рис. 1. Она состоит из двух функциональных частей: системы генерации СВЧ излучения с антенно-волновым фактом и системы регистрации рассеянного излучения.
Источником СВЧ излучения служит- генератор на диоде Ганна 1, обеспечивающий генерацию плоскополяризованного излучения с длиной волны = 9.5 мм и моищостью около 25 мВт. Для развязки генератора и антенно-волноводного тракта использован ферритовый вентиль 2. С помощью модуляторной секции 3 с р-1-п диодом осуществляется модуляция СВЧ сигнала. Низкочастотный модулирующий сигнал типа меандр с частотой /=400 Гц подается на модулятор 3 с генератора НЧ 4. Промодулированный СВЧ сигнал подается на вход крестообразного направленного ответвителя 5. Ответвленный сигнал поступает на аттенюатор 6 и далее на гибкий волновод 7. При на-
стройке установки для контроля мощности и формы СВЧ излучения вместо гибкого волновода подключается детекторная линия с осциллографом (на схеме не показаны). На другом конце ответвителя 5 стоит согласованная нагрузка 8. Прямо прошедший сигнал с выхода направленного ответвителя 5 регулируется подстроечным аттенюатором поглощающего типа 9 и поступает на вход 1 У-циркулятора 10. Выход 3 циркулятора соединяется с согласованной нагрузкой 11. Основной сигнал с выхода 2 У-циркулятора 10 поступает на согласующий Е-Н трансформатор 12. Он служит для согласования волновых сопротивлений циркулятора и антенны. Рупорная СВЧ антенна 13 с раскрывом прямоугольной формы 72 х 34 мм и линзой 14 формирует пучок СВЧ излучения, который направляется на рассеивающий образец 15.
Рассеянное излучение, пройдя через линзу 16, поступает в приемную антенну 17 с раскрывом прямоугольной формы 72 * 34 мм, установленную на поворотном устройстве (на блок-схеме не показано). На фланце приемной антенны установлен поглотитель 18, уменьшающий паразитное отражение. Сигнал с выхода антенны 17 через согласующий Е-Н трансформатор 19 поступает в плечо Н двойного волноводного моста 20. Опорный сигнал с выхода диэлектрического волновода 7 подается в плечо 1. В плечо 2 включен поршень 21 для балансировки фаз принимаемого и опорного сигналов. Сигнал разбаланса с плеча Е поступает на детекторную секцию 22. Продетектированный сигнал с детектора подается на узкополосный усилитель 23, настроенный на частоту модуляции СВЧ излучения 400 Гц, и регистрируется цифровым вольтметром 24.
©И. Л. Вольхин, Н. Н. Коротаев, А. В. Олейников, С. 10. Ромахин, 2007
89
90
//. Л. Вольхин, Н Я Коротаев, А. В. Олейников, С. Ю. Ромахин
С помощью аттенюатора 9 устанавливается интенсивность СВЧ волны, облучающей рассеивающую частицу 15. Рассеивающая частица извлекается и производится балансировка моста 20 до получения минимального напряжения на вольтметре 24. Она осу ществляется методом последовательных приближений с помощью замыкающего поршня 21. балансирующего фазы регистрируемого и опорного сигналов., и аттенюатора 6, регул прущего мощность опорного сигнала.
Рассеивающая частица 15 помещается обратно, и балансировка моста нарушается. Так как сигнал разбаланса невелик, то детектор работает на квадратичном участке вольтамиерной характеристики и показания вольтметра 24 пропорциональны интенсивности рассеянного излучения. При больших сигналах разбаланса детектор может выйти на линейный участок характеристики и в этом случае показания вольт-
3. Методика проведения
эксперимента
Нодкдошдае авдшшриш рассеяния излучения оддакучшё часшвдей производилось следующая швйм. Обе антенный передающая 14 и приемная аюшша 16, ориентируются широкой сироший в шрижнпазьной плоскости, при этом зесгир метрической поляризации £ направлен ааер\ ((щерведшюг. лярно плоскости рис. 1). Приемная ашетга 16 с шшгсадью поворотного устройства З'стаЕавдпввеюв лол углом 180- к направленно рас-шросиршшш СВЧ шжчетш. В центре поворот-шаго кэуга. кл шешшаяькой подставке из пенопласта. шфшрачлшш для СВЧ излучения, Зоашшитгаегав раосевгааюшая частица 15. Цен-ицш аащу'Чаййшшей ашеашл. рассеивающей частиною ш шриамгоой аадедаш находятся на одной ли» шш.
Установка для исследования индикатрис рассеяния одиночных частиц
91
метра 24 будут пропорциональны напряженности СВЧ поля рассеянного частицей. Для правильной работы установки необходимо измерять мощность излучения, поэтому интенсивность ПОЛЯ, облучающего частицу, необходимо уменьшить с помощью аттенюатора 9 и вновь сбалансировать установку. Установка позволяет измерять рассеянное излучение под углами от -150 до +150 градусов и назад под углом 180 градусов. На углах, при которых приемная антенна уже не принимает прямо прошедшее излучение передающей антенны, гибкий волновод отсоединяется и измерение рассеяния излучения продолжается без него. Для измерения интенсивности излучения, рассеянного назад, мост 20 подключается к выходу 3 У-циркулятора 10 вместо согласованной нагрузки 11.
4. Проверка работоспособности установки
В работе [2] показано, что при расчете оптических характеристик кубические частицы с ребром а можно заменить шарами эквивалентного диаметра Д если диаметр сферы £ = 1.15 а при а ~ 1 -^4 А.. На рис. 2 представлены индикатрисы рассеяния излучения с X = 9.5 мм, для алюминиевого куба с
размеры частиц были примерно в два раза меньше размера СВЧ луча на уровне половинной мощности. После балансировки моста проводящая частица сильно экранировала падающее излучение в месте нахождения приемной антенны. Прямой сигнал оказывался меньше опорного, что и вызывало появление провала на индикатрисах рассеяния.
Для кубической частицы первый боковой максимум шире и выше, чем для шарообразной. Несколько не совпадает и угловое распределение боковых лепестков: у шара боковые лепестки ближе к главному максимуму, чем у куба. Вероятно, влияние формы рассеивающей проводящей частицы сказывается только на боковых лепестках индикатрисы рассеяния.
Из полученных результатов можно сделать вывод о качественном совпадении расчетных и экспериментальных результатов, что свидетельствует о работоспособности установки. Для снижения погрешности измерений индикатрис рассеяния излучения частиц под малыми углами, вероятно, необходимо использовать более мощные СВЧ генераторы, расширить поперечное сечение падающего пучка, отодвинуть рассеивающую частицу и увеличить радиус вращения приемной антенны Л.
Рис. 2. Индикатриса рассеяния излучения: сплошная линия - проводящего куба, пунктирная линия - сферы эквивалентного диаметра
а = 34 мм и стального шара эквивалентного диаметра £) = 40 мм.
Из рис. 2 видно, что высота и ширина главных максимумов индикатрисы рассеяния для шара и куба совпадают. Теоретические расчеты показывают, что при углах рассеяния, близких к нулю, индикатрисы рассеяния должны иметь максимум. На графиках рис. 2 в центре наблюдается провал. Это, вероятно, связано с тем, что частицы облучались узким пучком СВЧ излучения. Поперечные
Список литературы
1.
Коротаев Н. Я, Вольхин И. Л., Долгин А. В., Русинов Э. ЛII Вестн. Перм, ун-та. 2006. Вып. 1. Физика. С. 74.
2. Иванов А. П., Лойко В. А. Оптика фотографического слоя. Минск: Наука и техника, 1983. С. 304.
