УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ФОРМЫ ОГИБАЮЩЕЙ СВЧ ИМПУЛЬСА И ЕГО ЭНЕРГИИ Российский патент 2002 года по МПК G01R21/01 G01R29/02 H04R17/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в условиях сильных электромагнитных помех, при наличии редко повторяющихся (однократных) импульсов, когда требуется определение основных характеристик в течение одного импульса, например, при работе мощных релятивистских СВЧ генераторов, использующих в качестве инжекторов электронов сильноточные ускорители,
Обычно в известном уровне техники при таких условиях для регистрации СВЧ излучения используются либо малочувствительные быстродействующие датчики мощности с широким динамическим диапазоном и выходным сигналом порядка десятков вольт (для уверенной регистрации скоростным осциллографом), либо чувствительные тепловые датчики интегральной СВЧ энергии за импульс.

В качестве датчиков СВЧ мощности и энергии в однократных импульсах могут быть использованы вакуумные диоды, полупроводниковые детекторы на горячих носителях, калориметрические измерители энергии импульсов и др. (Белоусов В. И. , Зеленцов В.И., Офицеров М.М. и др. Высокочастотные измерения в релятивистской электронике // Релятивистская высокочастотная электроника. Горький: ИПФ АН СССР, 1979, с. 275-292).

Однако применение вакуумного диода в качестве детектора СВЧ импульса возможно только в диапазоне длин волн более 10 см, где его резонансные свойства несущественны, а калориметрические измерители обычно используются только для регистрации излучения с большой энергией в импульсе. Высокочувствительные калориметры для регистрации импульсов с энергией 10^-2-10^-1 Дж представляют собой сложные технические устройства и трудны в изготовлении, что ограничивает возможности их использования.

Использование же для этих целей полупроводниковых детекторов на горячих носителях, действие которых основано на эффекте объемного детектирования, требует применения жидкого азота, что также ограничивает возможность их применения.

В уровне техники известны технические решения, в которых для детектирования микроволного излучения используется термоакустический эффект. Например, такое техническое решение описано в авторском свидетельстве СССР 1388817 А1, опубл. 15.04.1988. Датчик СВЧ излучения, описанный там, содержит поглотитель СВЧ излучения, звукопроводы и пьезоэлемент, соединенный с регистратором. При работе этого датчика в результате поглощения СВЧ энергии происходит нагревание поглотителя, вызывающее его стремление к расширению. Возникающее за счет этого в поглотителе напряжение сжатия распространяется по звукопроводам в виде звуковых импульсов, которые каждый в свое время приходят на пьезоэлемент. Это техническое решение отличается точностью измерения, однако обладает и недостатками, которые связаны прежде всего с тем, что с его помощью нельзя производить регистрацию формы огибающей СВЧ импульса, что является актуальным при работе мощных релятивистских генераторов, использующих к качестве инжекторов электронов сильноточные ускорители.

Изобретение основано на использовании термоакустического эффекта и позволяет создать устройство для регистрации формы огибающей СВЧ импульса и его энергии, простое и доступное в изготовлении, надежное в эксплуатации, обеспечивающее высокую точность измерения.

Это является техническим результатом изобретения, обеспечение которого достигается за счет того, что устройство для регистрации формы огибающей СВЧ импульса и его энергии содержит последовательно размещенные прозрачную для волн СВЧ диапазона пластину, поглотитель СВЧ излучения, звукопровод и пьезоэлемент, соединенный с регистратором, причем акустический импеданс прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины и акустический импеданс поглотителя СВЧ излучения связаны между собой соотношением ρ₁c₁≫ρ₂c₂, где ρ₁ и ρ₂ - это плотность материала соответственно прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины и плотность материала поглотителя СВЧ излучения, a c₁ и с₂ - это скорость звука, соответственно в прозрачной для волн СВЧ диапазона пластине и в поглотителе СВЧ излучения, звукопровод, размещенный после поглотителя СВЧ излучения, представляет собой слой деионизированной и обезгаженной водной среды, при этом отношение толщины L этого слоя к скорости звука с₃ в нем, равное времени пробега акустического импульса t₃ по этому слою, и время помехи t_П связаны между собой соотношением: L/c₃=t₃>t_П, а выбор материала поглотителя определяется соблюдением условия: время пробега акустического импульса по толщине скин-слоя поглотителя намного меньше длительности СВЧ импульса.

В частных случаях выполнения в устройстве для регистрации формы огибающей СВЧ импульса и его энергии поглотителем может являться слой электропроводного материала, напыленный на поверхность прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины, контактирующей с поверхностью звукопровода, поглотитель может выполнен в виде пластины из электропроводного материала, находящейся в акустическом контакте с поверхностью прозрачной для волн СВЧ пластины.

Регистратор может быть снабжен средством воспроизведения формы огибающей импульса, включающей в себя дисплей и/или средство записи на материальном носителе.

Изобретение поясняется графическими материалами, где на фиг.1 показана его блок-схема, на фиг.2 показан тепловой механизм генерации звука СВЧ импульсом, а также дана таблица, где представлены значения проводимости и глубины скин-слоя для металлов и воды на длине волны 8 мм.

Как показано на фиг.1 падающий импульс микроволнового излучения проходит через пластину 1, прозрачную для волн СВЧ диапазона. На границе раздела сред этой пластины и среды поглотителя 2 часть энергии падающего излучения отражается, а оставшаяся часть проходит в поглотитель 2 СВЧ излучения, что вызывает мгновенное выделение тепла в поглотителе 2. Тепловое расширение образует акустические волны, которые распространяются от границы поглотителя 2. В соответствии с изобретением рассматривается случай, когда акустический импеданс прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины 1 и акустический импеданс поглотителя 2 СВЧ излучения связаны между собой соотношением ρ₁c₁≫ρ₂c₂, где ρ₁ и ρ₂ - это плотность материала соответственно прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины 1 и поглотителя 2 СВЧ излучения, a с₁ и с₂ - это скорость звука соответственно в прозрачной для волн СВЧ диапазона пластине 1 и в поглотителе 2 СВЧ излучения.

Когда импульс СВЧ излучения имеет гауссовское распределение f(t) = (π)^1/2exp[-(t/τ_R)²], где τ_R - длительность СВЧ импульса, термоакустический импульс может быть выражен в следующей аналитической форме (Гусев В.Е., Карабутов А.А. Лазерная оптоакустика. - М.: Наука, 1991):

где α - коэффициент поглощения СВЧ энергии, с₂ - скорость звука в поглотителе 2, β - температурный коэффициент объемного расширения поглотителя 2, с_р - удельная теплоемкость поглотителя 2, Φ - функция ошибки, которая определяется следующим образом:

Выражение (1) показывает, что акустический импульс давления в этом случае имеет форму однополярного симметричного импульса сжатия.

Когда импульс СВЧ излучения поглощается в очень тонком слое (скин-слое) поглотителя 2, т. е. выполняется условие τ_R≫αc₂)^-1, что соответствует требованию, что время пробега акустического импульса по толщине скин-слоя поглотителя много меньше длительности СВЧ импульса, профиль получаемого термоакустического импульса полностью соответствует форме падающего СВЧ импульса. Можно оценить, что для СВЧ импульса длительностью 5 нс толщина поглощающего слоя должна быть менее 1 мкм: В этом случае в качестве поглотителей можно использовать проводящие материалы. В проводящем материале с проводимостью σ волна с частотой f поглощается на глубине (d) скин-слоя: d = (πfμμ₀σ)^-1/2, где μ - магнитная проницаемость, μ₀ - магнитная постоянная (μ₀ = 4π•10^-7 H/м). В таблице приведены значения глубины скин-слоя для различных материалов. Видно, что хорошо проводящие металлы Аl и Сu можно использовать для термоакустического преобразования СВЧ энергии в акустическую.

Для случая измерения энергии СВЧ импульса, спектр акустического импульса, возбужденного в поглощающей среде 2, может быть выражен следующим образом:

где - спектр огибающей СВЧ импульса. С₁ - константа. В области низких частот ω≪2π/τ_R спектральные компоненты огибающей микроволнового импульса практически постоянны и определяются плотностью энергии на поверхности поглощающего слоя где I_a - интенсивность излучения на границе. Амплитуды низкочастотных составляющих акустического импульса также не зависят от частоты. Можно показать, что в 3-мерном случае, когда учитываются конечные размеры микроволнового пучка и поглощающего объема, низкочастотные компоненты гермоакустического сигнала пропорциональны общей поглощенной энергии. Поэтому энергия СВЧ импульса может быть измерена по сигналу, произведенному термоакустическим импульсом в области низких частот,
В соответствии с изобретением звукопровод 3, размещенный после поглотителя 2 СВЧ излучения, представляет собой слой деионизированной и обезгаженной водной среды, причем отношение толщины L этого слоя к скорости звука с₃ в нем, равное времени пробега акустического импульса t₃ по этому слою, и время помехи t_П связаны между собой соотношением: L/c₃=t₃>t_П. За счет соблюдения этого условия происходит задержка акустического сигнала, возбужденного падающим СВЧ излучением, по времени от момента генерации СВЧ импульса, и необходимые характеристики последнего регистрируются без присутствующих в этих условиях помех.

Изобретения поясняется на конкретном примере его выполнения, который соответствует его блок-схеме, изображенной на фиг.1. Конкретный пример выполнения изобретения реализован на действующей экспериментальной установке. Пластинка 1 из кварцевого стекла или из керамики 22ХС толщиной 5 мм использовалась в качестве среды, прозрачной в миллиметровом диапазоне длин волн. В качестве поглотителя 2 микроволнового излучения с длиной волны 8 мм использовалась алюминиевая пластинка толщиной 2 мм. Прозрачная пластина 1 помещалась перед поглотителем 2. Чтобы обеспечить хороший акустический контакт, поверхности и прозрачной и поглощающей пластин были тщательно отполированы и слегка увлажнены. Импульс СВЧ излучения, длительностью по уровню 0,5 амплитудного значения порядка 5 нc, направлялся на поверхность прозрачной пластины 1.

Акустический импульс, возбужденный в поглощающей алюминиевой пластине, распространяется в водяном слое 3, который имеет толщину 2,2 мм. Для детектирования акустического сигнала использовался широкополосный (1-100 МГц) пьезопреобразователь 4 на основе кристалла ниобата лития LiNbO₃ При проведении эксперимента, когда преобразователь работал в режиме короткого замыкания, электрический заряд, вызываемый мгновенным акустическим давлением, измерялся электродами, помещенными на заднюю поверхность пьезопреобразователя 4. Толщина пьезопреобразователя 4 была больше пространственной длины детектируемого акустического сигнала. Преобразователь был нагружен на сопротивление 50 Ом, чтобы обеспечить быстрый разряд его собственной емкости. Сигнал усиливался широкополостным усилителем 5 и регистрировался цифровым осциллографом 6. Временная задержка акустического сигнала относительно СВЧ импульса складывалась из времени распространения звука в слое алюминия, воды и ультразвуковом преобразователе. В проводимом эксперименте суммарное время задержки составляло 2,7 мкс. Уровень помех, создаваемый электронным ускорителем в момент генерации СВЧ импульса, был порядка нескольких десятков вольт и быстро спадал во времени.

Изобретение относится к измерительной технике. Изобретение основано на использовании термоакустического эффекта и позволяет создать устройство для регистрации формы и энергии СВЧ импульса, простой и доступный в изготовлении, надежный в эксплуатации, обеспечивающий высокую точность измерения. Устройство содержит последовательно размещенные прозрачную для волн СВЧ диапазона пластину, поглотитель СВЧ излучения, звукопровод и пьезоэлемент, соединенный с регистратором, причем акустический импеданс прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины и акустический импеданс поглотителя СВЧ излучения связаны между собой соотношением ρ₁c₁≫ρ₂c₂..Звукопровод представляет собой слой деионизированной и обезгаженной водной среды, при этом отношение толщины L этого слоя к скорости звука с₃ в нем, равное времени пробега акустического импульса t₃ по этому слою, и время помехи t_П связаны между собой соотношением L/c₃= t₃>t_П, а выбор материала поглотителя определяется соблюдением условия: время пробега звукового импульса по толщине скин-слоя поглотителя много меньше длительности СВЧ импульса. Техническим результатом является создание простого и надежного устройства, обеспечивающего высокую точность измерения. 4 з.п.ф-лы, 2 ил., 1 табл.

1. Устройство для регистрации формы огибающей СВЧ импульса и его энергии, содержащее последовательно размещенные прозрачную для волн СВЧ диапазона пластину, поглотитель СВЧ излучения, звукопровод и пьезоэлемент, соединенный с регистратором, причем акустический импеданс прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины и акустический импеданс поглотителя СВЧ излучения связаны между собой соотношением ρ₁c₁≫ρ₂c₂, где ρ₁ и ρ₂ - плотность материала соответственно прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины и плотность материала поглотителя СВЧ излучения, а с₁ и с₂ - скорость звука соответственно в прозрачной для волн СВЧ диапазона пластине и в поглотителе СВЧ излучения, звукопровод, размещенный после поглотителя СВЧ излучения, представляет собой слой деионизированной и обезгаженной водной среды, при этом отношение L этого слоя к скорости звука с₃ в нем, равное времени пробега акустического импульса t₃ по этому слою, и время помехи t_П связаны между собой соотношением L/c₃= t₃>t_П, а выбор материала поглотителя определяется соблюдением условия: время пробега акустического импульса по толщине скин-слоя поглотителя много меньше длительности СВЧ импульса. 2. Устройство для регистрации СВЧ импульса по п. 1, отличающееся тем, что поглотителем является слой электропроводного материала, напыленный на поверхность прозрачной для волн СВЧ диапазона пластины, контактирующей с поверхностью звукопровода. 3. Устройство для регистрации формы СВЧ импульса по п. 1, отличающееся тем, что поглотитель выполнен в виде пластины из электропроводного материала, находящейся в акустическом контакте с поверхностью прозрачной для волн СВЧ пластины. 4. Устройство для регистрации формы СВЧ импульса по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что регистратор снабжен средством воспроизведения формулы импульса. 5. Устройство для регистрации формы СВЧ импульса по п. 4, отличающееся тем, что средство воспроизведения формы импульса включает в себя дисплей и/или средство записи на материальном носителе.