Способ измерения диэлектрических потерь

1120 10 Изобретение относится к технике измерений на субмиллиметровых волнах и предназначено для измерения потерь в высококачественных диэлектрических материалах. 5Известен способ определения диэлектрических потерь твердых материалов путем измерения коэффициента пропускания исследуемого образца при падении на него излучения под углом Брюстера Ц .Недостатком данного способа является невысокая точность определениядиэлектричесКих потерь слабопоглощающих материалов. 15Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения диэлектрических потерь, включающий амплитудную модуляцию потова электромагнитного излуче О ния субмиллиметрового диапазона по- очередным введением в него с Фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 3 интенсив ности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь,Кроме того, по известному способу регистрируют также прошедший через 30 образцы поток излучения и выделяют его переменную составляющую интенсивности, пропорциональную разности коэффициентов пропускания исследуемого и сравнительного образцов 121.Недостатком известного способа измерения является низкая точность измерения малых диэлектрических потерь, обусловленная тем, что для его реализации необходим сравнительныйобразец с точно известными малыми диэлектрическими потерями и поКазателем преломления. В настоящее время такие эталоны для субмиллиметравого диапазона волн неизвестны так как неизвестен способ точного измерения малых диэлектрических потерь. Кроме того, в диэлектрических образцах с малыми потерями существуют осцилляции коэфФициентов пропуска" ния и отражения с периодом, зависящим от И, 3 и 3, где О - показатель преломления, о 1 - толщина образца,9 - длина волны. Вследствие этого выходной сигнал приемника обусловлен 55 не столько разностью коэффициентов поглощения исследуемого и сравнительного образцов, сколько различи 223 2ем их показателей преломления и периодов интерференционной асцилляции коэффициентов пропускания и отражения. Даже при существовании сравнительного образца с известными малымн диэлектрическими потерями для удовлетворительной точности измерений па этому способу необходимо, чтобы коэффициенты пропускания сравнительного и исследуемого образцов на рабочей длине волны имели максимальные значения. Эта условие может бытьобеспечено только очень высокой точностью обработки образцов. Например, чтобы систематическая ошибка измеряемого сигнала, обусловленная отличиемпавеличины - от требуемого значенияХне превышала 57 при и = 2,= 1 мм,о = 5 мм и 1 = 10 ( 8 - показатель поглощения образца), отличие значепония -- от требуемого как для исследуемого, так и для сравнительногообразца не должно превышать 0,047 Эта значит, что образец толщиной3 = 5 мм должен иметь допуск па толщине Ь = 2 мкм, чта значительно вышеточности обработки по первому классу60 = 8 мкм) . Увеличение допускана толщину образца приводит к резкому снижению точности измерений. Цель изобретения - повышение точности измерений диэлектрических потерь. Поставленная цель достигается тем, чта согласно способу измерения диэлектрических потерь, включающему амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметравого диапазона поочередным введением в него с Фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 3 интенсивности отраженного ат образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь, исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцам часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного излучения введением в него с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую 3 о отраженного при этом излу 1120223 4чения, а диэлектрические потери определяют из соотношения 1 р -- р Ф с 5 1- -11 в Ф 113/ 1 г г л г,гги ,5 где г.=1 -,р 2 Н г 3ЭО - показатель преломления диэлектрического образца ф3 - толщина диэлектрического образцаР - коэффициент отражения зеркала% - длина волны излучения;3 - угол диэлектрических потерь.На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фиг. 2 и 3 крайние положения зеркала с образцом относительно потока излучения при модуляции.Устройство содержит субмиллиметровый генератор 1, делитель 2 потока излучения, диафрагму 3, модулятор и приемник 5. Модулятор 4 содержит диэлектрический образец б,плоское зеркало 7, каретку 8, кривошипношатунный механизм 9, электродвигатель 10 с редуктором и датчик 11 опорного напряжения. Приемник 5 содержит квадратичный детектор 12, усилитель 13, синхронный детектор 14 и индикатор 15.Генератор 1 предназначен для формирования близкого к параллельному потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона. В качестве генератора 1 используются субмиллиметровый оптический кванто 40 вый генератор или лампа обратной волны. Диэлектрический образец 6 представляет собой плоскопараллельную пластину и характеризуется соотноше. вием 31, где к - коэффициент по 45 глощения, 3 - толщина образца. 15 30 Диэлектрический образец 6 закреплен на поверхности плоского зеркала7 так, что они находятся в оптическом контакте, т.е. зазор 1 междуобразцом 6 и зеркалом 7 и длинаэлектромагнитного излучения находят ся в соотношении 1Ъ,Электродвигатель 10 с помощью 55кривошипно-шатунного механизма 9,соединенного с осью 16 каретки 8,обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой Г плоскогозеркала 7 с диэлектрическим образцом6 (фиг. 2) .Электродвигатель 10 с помощьюкривошипно-шатунного механизма 9,соединенного с осью 17 каретки 8,обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой Р плоскогозеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 (фиг.3) .Предложенный способ реализуетсяследующим образом,С помощью генератора 1 формируютпоток излучения, а с помощью делителя 2 осуществляют отделение частипотока излучения, которую используютдля контроля стабильности мощностиили для измерения длины волны.Поток излучения модулируют. по амплитуде поочередным введением в него диэлектрического образца 6, находящегося в оптическом контакте с зеркалом 7, и зеркала 7 без образца 6, Для этого с помощью диафрагмы 3 ограничивают поперечные размеры потока излучения, прошедшего через делитель 2. Плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленным на части его отражающей поверхности диэлектрическим образпом 6 с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательное движение с частотой Г, задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлект-рическим образцом 6 относительно потока излучения приведены на фиг,2.При этом в первую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 пропускают через образец 6 и отражают с помощью зеркала 7. Отраженный поток излучения вновь пропускают через образец 6, Ослабленный вследствие двойного прохождения через образец 6 поток излучения через диафрагму 3 поступает на делитель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения к приемнику 5. Во вторую половину периода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делйтель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения в приемник 5.(4) 10 При использовании высокоотражающего зеркала 7, для которого отличием значения 1 от единицы можно пренебречь, потери в образце 6 определяют из выражения Предлагаемый способ обеспечивает определение диэлектрических потерь 1 3 на основании измерений переменной составляющей 3 интенсивности принятого излучения. Величина определяется в основном характеристикой поглощения исследуемого образца и может быть измерена с высокой точнос-. тью. Следствием этого является более высокая точность определения ф 3 предложенным способом по сравнению с известными. Достижению высокой точности измерения 1 ф 8 предложенным способом способствует увеличение допуска на толщину исследуемого образца,) 8Для реализации той же точности измерения сигнала при тех же значениях О, 31 и 1, что и в примере, рассмотренном для известного способа, в результате расчетов получаем допустимую относительную оцмбку знапачения , равную 0,42, что свидетельствует о снижении требований к точности обработки исследуемого об-разца в 10 раэ.Таким образом, модуляция потока излучения по амплитуде поочередным введением в него образца, находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала беэ образца и последующая амплитудная модуляция потока излучения введением в него с той же частотой только зеркала обеспечивают при регистрации амплитудно-модулированного сигнала определение абсолютных значений малых диэлектрических потерь с повышенной точностью. Кроме того, предложенный способ измерения диэлектрических потерь исключает необходимость использования сравнительных образцов с точно известными характеристиками пропускания и отражения.1120223 Составитель С. ГолубевТехред Л.Мнкеш Корректор 0.Билак Редактор А, Козориз Филиал ППП "Патент", гУжгород, ул . Проектная, 4 Заказ 7731/31 Тираж 822 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/5