Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ СПУБЛИН И 4 С 01 М 220 с1 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ х участГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(56) Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. - М., Высшая школа, 1970,т.1, с. 100,Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники./Под ред,Б.Х.Кривицкого и В.Н.Дулина. - М.;Энергия, 1977, т.1, с. 220,(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ СРЕДОЙ ВОЛНЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ(57) Изобретение относится к техничфизике. Цель изобретения - повышее точности измерений - достиется изменением плотности энерги падающеи волны на величину, кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя (ИП), и впределах квазилинейного участка егопередаточной хар-ки, фиксированиемизмененных плотностей потоков энергии преломленной Хз и падающей Хволн. Коэф. пропускания Т определяется по ф-леТ = Г(1+дк ) О - У)1/Г(1+дк )х (У, - У, )3,где дКЬК - погрешности чувствительности ИП на квазилинейныхках его передаточной хар-ки,У, У, Уз, У - результаты фиксирования ИП, 4 илзобретение относится к техниче"- кой физике и может найти применение при исследованиях сред, относительно прозрачных в оптическом и микроволновом диапазонах длин волн, и мо жет использоваться для контроля или анализа электрофизических характеристик полупроводящих и диэлектрических материалов с применением бесконтактных методов измерений, а так же при автоматическом контроле или анализе сред с помощью вычислитель- но-управляющих комплексов на базе специализированных микро-ЗВМ, при измерениях пропусканий сред с помощью акустических ипи радиоактивных источников излучений (рентгеновского, гамма- или корпускулярного), а также методологически при измерениях неэлектрических величин.20Цель изобретения - повышение точности измерений.На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства, ре 25 ализующего способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения; на фиг.2 и 3 - варианты устройства; на фиг,4 - графики, поясняющие способ.Устройство (фиг.1) содержит управляемый СВЧ-генератор 1, соединенный с передающей антенной 2, между которой и приемной антенной 3 вводят исследуемую среду 4, Выход приемной антенны 3 соединен с измерительным преобразователем 5, выход которого, в свою очередь, соединен с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и циф 40 рового индикатора 7. От вычислитель- но-управляющего блока 6 команды управления подаются на СВЧ-генератор 1,Устройство (фиг.2) содержит управ ляемый СВЧ-генератор 1, соединенный через симметричный разветвитель 8 СВЧ-мощности с измерительным 9 и опорным 10 каналами, выходы которых подключены к входам управляемого переключателя 11 каналов. В измерительном канале 9 установлена волноводная ячейка 12 с исследуемой средой 4, а выход управляемого переключателя 11 каналов соединен с последовательной цепью, состоящей из измерительного преобразователя 5, вычислительноуправляющего блока 6 и цифрового индикатора 7. От вычислительно-управляющего блока 6 команды управлния подаются н СВ-генераторипереключатель 1 каналов,Устройство (фиг,З) состоит изуправляемого лазера 13, поляризованное излучение которого через управляемый ослабитель 14 падает нз поверхность исследуемой среды 4. Преломленное излучение на выходе егоиз исследуемой среды 4 фокусируется коллиматором 15, с выхода которого подается на вход измерительногопреобразователя 5, выходом соединенного с последовательной цепью, состоящей из вычислительно-управляющего блока 6 и цифрового индикатора 7.От вычислительно-управляющего блока 6команды управления подаются на управляемый лазер 13 и управляемый ослабитель 14. Схема устройства допускает изъятие исследуемой среды 4 изизмерительного тракта.На фиг,4 показаны два рабочихучастка (У 1-У,) и (У, - У ), т.е.В, В и Г, Г , передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 в параметрическомУ = А,+ К,Х; (1)У = А + К Х (2)и временномУ = Р(Т, - Т)(3)У = А(Т - Тз) (4)ее представлениях,где А А, - начальные уровни выходных сигналов измерительного преобразователя 5на первом и втором участках его передаточной характеристики,К К- чувствительности измерительного преобразователя 5 по отношению квходным сигналам Х напервом и втором участкахего передаточной характеристики,п 1, и - показатели нелинейностипервого и второго участков передаточной характеристики измерительногопреобразователя 5,(Т-Т)(Т-Т) -время уравновешиваниявыходного сигнала Уизмерительного преобразователя на квазилинейных отрезках В,В,и Г, Гего передаточной характеристики.3 12819При этом У - выходной сигнал - "отклик" измерительного преобразователя 5 на входной сигнал Х.Вследствие квазилинейности участков В, В и Г, Г передаточной характеристикип,=п=1 (5)а соотношения (1) и (2) преобразуются к видуУ = А,+ К,Х (6) 10У=А+ КХ (7)В исходном состоянии исследуемая среда 4 выведена из измерительного тракта (промежутка между передающей 2 и приемной 3 антеннами). 15Первоначально по команде вычисли- тельно-управляющего блока 6 включают СВЧ-генератор 1 и устанавливают мощность Р, его квазимонохроматического излучения. Затем фиксируют дат" 20 чиком измерительного преобразователя 5 нормальную составляющую СВЧ- мощности Р (точка А на квазилинейном участке Г Г передаточной характеристики измерительного преобразо вателя 5, фиг.4), после чего отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности Р, который аналитически описывают квазилинейной зави симостью видаУ, А+КР (8) где А - начальный уровень выходного сигналаУ, измерительногопреобразователя 5 в моментизмерения мощности Р,;К - крутизна в точке А квазилинейного участка Г, Гпередаточной характеристики. 40 86 4пусканием Т 1, падающего, зондирующего излучения мощностью Р, после чего фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющую падающей СВЧ-мощности Р, на выходе ее иэ исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность(точка Б на кваэилинейном участке В, Вг передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг.4).Далее отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности Рг, который аналитически описывают квази- линейной зависимостью видаУг= Аг+ КгРг= Аг+ Кг(ТаР,) (10) где А - начальный уровень выходного2сигнала Уг измерительногопреобразователя 5 в моментизмерения мощности Р,К - крутизна в точке Б кваэилинейного участка В, Вг передаточной характеристики.Затем вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала Уг, алгоритм аналитического описания (10) выходного сигнала Уг .После этого по команде вычисли- тельно-управляющего блока 6 изменяют мощность излучения Р СВЧ-генератора 1, падающую на исследуемую среду, на величину (Р ), кратную порогу чувствительности измерительного преобразователя 5 в пределах соотношения1 аР, =жг (11)Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала У измерительного преобразователя 5, алгоритм аналитического описания (8) выходного сигнала У,Затем вводят в промежуток между передающей 2 и приемной 3 антеннами исследуемую среду 4 таким образом, что исследуемая область ее- находится в минимуме отражения падающего, зондирующего излучения мощностью Р (т.е. в максимуме пропускания), Исследуемую среду 4 - полупроводниковый материал в этом случае ориентируют по исследуемому кристаллографическому направлению характеризующемуся вероятным прогде Ж - 2 - 3 - коэффициент пропорциональности;Р,Р в . известное значение 45 пороговои чувствительности изме"рительного преобразователя 5 с учетом внутренних (шу мовых) и сторонних(11), вызывает на передаточной ха рактеристике (фиг.4) квазилинейнуювариацию(+ТаР, ) = БВ(12) или же квазилинейную вариациюют на выходе измерительного преобразователя 5 результат У 4 фиксирования им мощности Р, который аналитически описывают кваэилинейной за 5 висимостью видаУ = А+ К,Р = А 4+ К(Р, + дР ) (17)где А - начальный уровень выходно 4го сигнала У измерительФного преобразователя 5 вмомент измерения мощности Р 1 .Далее вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющегоблока 6 кодовое значение выходногосигнала У, апгоритм аналитическогоописания (17) выходного сигнала У 4 .Как показали экспериментальныерезультаты применения предлагаемогоспособа измерения, суммарное времяпроведения четырех измерительных 20 тактов (8), (10), (15) и (17), учитывая и время вычисления значения Твычислительно-управляющим блоком 6,находится в пределах 0,6 - 0,8.с.Это позволяет принять в пределах 25 квазилинейиого участка В,В передаточной характеристики (фиг.4) изме.- рительного преобразователя 5А = Аз (18)в пределах квазилинейного участка З 0 Г, Г передаточной характеристики(фиг.4) измерительного преобразователя 5 10 А = А (19)Затем вводят в запоминающее уст ройство вычислительно-управляющегоблока 6 условия (18) и (19), послечего вычислительно-управляющий блок 6определяет промежуточные результаты:40 К Уз - УТ3 тем е Фмее 4 м (22)а К У - У,45на оснований введенных в его запоминающее устройство .алгоритмов (8)(10), (15) и (17) и условий (18)и (19).Далее ВВОдят В эапоминаЮщее устройство вычислительно-управляющегоблока 6 алгоритмы аналитических описаний чувствительностей К, и К измерительного преФ образователя 5 на квазилинейных 5281986(-Т дР, ) = БВ (13)нормальной составляющей мощности Рв пределах соотношенияР =Х(Р,+дР) = Р+ ТАР 1(14)где мобностц Р - результат преломления исследуемой средой 4 падающей на нее мощности (Р, + д Р,) СВЧгенератора 1.Как видно иэ графической зависимости (фиг,4) слабое изменение(- ЬР, ) падающей мощности Р, в пределах соотношения (11), вызывает напередаточной характеристике кваэилинейную вариацию (13), и так какточка В находится ближе к значениюГ измерительного преобразователя 5нежели точка В, то естественно, чтоквазилинейная вариация (13) приводитк возрастанию суммарной относительной погрешности измерительного преобразователя 5,С учетом указанного при предлагаемом способе используют преимущественно квазнлинейную вариацию (12),Далее фиксируют датчиком измерительного преобразователя 5 нормальную составляющую падающей СВЧ-мощности (Р, + д Р, ) на выходе ее из исследуемой среды 4, т.е. преломленную мощность Р - соотношение (14),что соответствует точке В, (фиг.4).Затем отмечают на выходе измерительного преобразователя 5 результат У фиксирования им мощности Р,который аналитически описывают квазилинейной зависимостью видаУ = А+ КРэ = А+ КТ (Р, +дР)(15)где А - начальный уровень выходногозсигнала измерительного преобразователя 5 в момент измерения им мощности Рз.После этого вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовое значение выходного сигнала УЗ, алгоритм аналитического описания (15) выходногосигнала У . Далее выводят исследуемую среду 4,фиксируют измерительным преобразователем 5 нормальную составляющуюмощностиР = (Р, +АР,) (16)излучения СВЧ-генератора 1, что соответствует точке Г на квазилинейном участке Г, Г передаточной характеристики измерительного преобразователя 5 (фиг,4), после чего отмечаУ - У = К ТР, дР,; (20) К,= К, (1 + д К,)(23) К= К (1 + ЬК ) (24)участках Г, Г и В, В его передаточной характеристики (фиг.4),Затем вычислительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство алгоритмов (23) и (24) определяет промежуточный результат 1 + К У - УгТ = (25)+ Кг У 4Ю После этого вводят в запоминающее устройство вычислительно-управляющего блока 6 кодовые значения погрешностей Ь К, и й Кг чувствительности измерительного преобразователя 5 на квазилинейных участках Г, Г и В, В г его передаточной характеристики (фиг.4).Далее вычислительно-управляющий блок 6 на основании введенных в его запоминающее устройство кодовых значений выходных сигналов У, - У измерительного преобразователя 5 и погрешностей К, и Кг его чувствительности определяет по алгоритму (25) значение пропускания Т исследуемой средой 4 квазимонохроматического, зондирующего излучения Р СВЧ-генератора 1. 15 По команде вычислительно-управляющего блока 6 индицируют результат измерения пропускания Т исследуеЭ 35 мой среды 4 на цифровом индикаторе 7, после чего по команде вычислительноуправляющего блока 6 устанавливают первоначальное значение Р мощности СВЧ-генератора 1 и выключают его.На этом процесс измерения пропускания Т исследуемой средой 4 падающего, квазимонохроматического, зондирующего излучения Р, СВЧ-генератора 1 оканчивают.Иэ соотношения(25) видно, что при предлагаемом способе измерений точность определения пропускания Т исследуемой среды 4 зависит лишь от остаточных мультипликативных погрешностей Ь Кь К чувствительности измерительного преобразователя 5 на кваэилинейных участках (У- У,), (У - Уг ) его передаточной характеристики (фиг.4). Это является повьппением точности измерения пропускания исследуемой средой волны электромагнитного излучения в сравнении с известными способами измерений. Использование устройства по фиг,2 позволяет устанавлинать стационарно в измерительном канале 9 исследуемую среду 4. При этом результаты (18) и (17) фиксирования СВЧ-мощностей Р, и Р получают при подключении опорного канала 10 к входу измерительного преобразователя 5, результаты (10) и (15) фиксирования СВЧ -мощностей Р и Рз получают при подключении измерительного канала 9 к входу измерительного преобразователя 5, Измерительный 9 и опорный 10 каналы подключают к входу измерительного преобразователя 5 с помощью управляемого переключателя 11, управляемого (по программе) вычислительноуправляющим блоком 6, В остальном процесс измерения пропускания Т исследуемой средой 4 с использова ием структурной схемы по фиг.2 полностью идентичен процессу измерения пропускания Т исследуемой средой 4 с исЭпользованием структурной схемы по фиг.1.Недостаток этого варианта устройства (фиг,2) состоит в необходимости "нулевой" балансировки измерительного 9 и опорного 10 каналов перед установкой исследуемой среды 4 в ячейку измерительного канала 9, Так как суммарное время проведения четырех измерительных тактов (8), (10), (5) и (17) учитывая и время вычисления значения Т вычислительно-управляю%щим блоком 6, находится в пределах 0,6-0,8 с, то уход "нуля" балансировки незначителен в течение времени измерения и им можно пренебречь.Использование устройства по фиг,3 позволяет определять пропускания Т исследуемой средой 4 в оптическом диапазоне длин волн квазимонохроматических излучений управляемого лазера 13.Процесс измерения методологически идентичен процессу измерения с использованием устройства по фиг,1. Датчик измерительного преобразователя 5 фиксирует нормальные составляющие интенсивностей 3, - 3потоков зондирующих излучений, при этом результаты У фиксирований интенсивностей 3 аналитически описывают квазилинейными зависимостямиУ=А+ К 3характеризующими квазилинейные участки В, Вг и Г, Гг передаточной харак9 1 281теристики измерительного преобразователя 5 (фиг,4).Слабое изменение интенсивности 3излучения управляемого лазера 13 проводят по команде вычислительно-уп.равляющего блока 6 и с помощью ослабителя 14, При этом так же, каки при использовании устройства пофиг. 1,з,- т (,+ ьз) =З, + т з,(соотношения (11) и (14. 986 10ности измерительного преобразователя и в пределах квазилинейного участка его передаточной характеристики, фиксируют измененные плотности потоков энергий преломленной Хэ и падающей Х волн, а коэффициент пропускания Т 1 определяют по формулеФормула изобретения 15Способ определения коэффициента пропускания средой волны электромагнитного излучения, основанный на облучении среды квазимонохроматическим излучением и фиксировании изме 20 рительным преобразователем плотностей потоков энергий падающей Х и пре ломленной Х волн, о т л и ч а ющ и й с я тем, что, с целью повышения точности измерения, изменяют плотность энергии падающей волны на величину, кратную порогу чувствитель У, У, Уэ, У,результаты фиксирования измерительным преобразователем плотностей потоков энергий волн зондирующего излучения Х Х, Хз, Х соответственно. где ЬК, ЬК - погрешности чувствительности измерительного преобразователяна квазнлинейных участках его передаточнойхарактеристики,Фиг, Я Х Вма ФСоставитель Ю.Мамонтовдактор И.Николайчук Техред Л.Сердюкова Коррек Ильи ПодписноеССР акаэ 4/ зкгород, ул. Проектная, 4 онзводственно-полиграфическое предприя е,258/41 ТирВНИИПИ Государ по делам изобр 113035, Москв лс 776твенного комитета Стений и открытийЖ, Раушская наб