Способ измерения диэлектрических потерь Советский патент 1984 года по МПК G01N21/41 

11

Изобретение относится к технике измерений на субмиллиметровых волнах и предназначено для измерения потерь в высококачественных диэлектрических материалах.

Известен способ определения диэлектрических потерь твердьй материалов путем измерения коэффициента пропускания исследуемого образца при падении на него излучения под углом Брюс тер а lj ,

Недостатком данного способа является невысокая точность определения диэлектрических потерь слабопоглоща ю щих материалов.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ измерения диэлектрических потерь, включакщий амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей J интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь.

Кроме того, по известному способу регистрируют также прошедший через образцы поток излучения и выделяют его переменную составляющую интенсивности, пропорциональную разности коэффициентов пропускания исследуемого и сравнительного образцов 2j.

Недостатком известного способа измерения является низкая точность измерения малых диэлектрических потерь, обусловленная тем, что для его реализации необходим сравнительный образец с точно известными малыми диэлектрическими потерями и поКазатепем преломления. В настоящее время такие эталоны для субмиллиметрового лиапазона волн неизвестны так как неизвестен способ точного измерения малых диэлектрических потерь.

Кроме того, в диэлектрических образцах с малыми потерями существуют осцилляции коэффициентов пропускания и отражения с периодом, зависящим от h, d и Л , где и - показатель преломления, сз - толщина образца, - длина волны. Вследствие этого выходной сигнал пр1гемника обусловлен не столько разностью коэффициентов поглощения исследуемого и сравнительного образцов, сколько различи232

ем их показателей преломления и периодов интерференционной осцилляции коэффициентов пропускания и отражения. Даже при существовании сравнительного образца с известными малыми диэлектрическими потерями для удовлетворительной точности измерений по этому способу необходимо, чтобы коэффициенты пропускания сравнит.ельного и исследуемого образцов на рабочей длине волны имели максимальные значения. Это условие может быть обеспечено только очень высокой точностью обработки образцов. Например,

чтобы систематическая ошибка измеряемого сигнала, обусловленная отличием

nd величины -J- от требуемого значения,

не превышала 5%, при п 2, 1 мм, (3 5 мм и k 10 (К - показатель поглощения образца), отличие значеnd

ния - от требуемого как для исследуемого, так и для сравнительного

образца не должно превышать 0,04%. Это значит, что образец толщиной (3 5 мм должен иметь допуск по толщине ud 2 мкм, что значительно выше точности обработки по первому классу

(id 8 мкм). Увеличение допуска

на толщину образца приводит к резкому снижению точности измерений.

Цель изобретения - повьшение точ, ности измерений диэлектрргческих потерь.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения диэлектрических потерь, включающему

амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 3 интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь, исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцом часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного

излучения введением в него с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую JQ отраженного при этом излу3чения, a диэлектрические потери оп деляют из соотношения 1 WS--T frq(5 n Pt 059K()sin(p м™ L где t ср П - показатель преломления диэлектрического образца, (3 - толщина диэлектрического о разца; Г - коэффициент отражения зеркала ; Х - длина волны излучения; 8 - угол диэлектрических потер На фиг. 1 приведена структурная схема устройства, реализующего пре лагаемый способ} на фиг. 2 и 3 крайние положения зеркала с образцом относительно потока излучения при модуляции. Устройство содержит субмиллиметровый генератор 1, делитель 2 поток излучения, диафрагму 3, модулятор 4 и приемник 5. Модулятор 4 содержит диэлектрический образец 6,плоское зеркало 7, каретку 8, кривошипношатунный механизм 9, электродвигатель 10 с редуктором и датчик 11 опорного напряжения. Приемник 5 содержит квадратичный детектор 12, ус литель 13, синхронный детектор 14 и индикатор 15. Генератор 1 предназначен для формирования близкого к параллельно му потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона. В качестве генератора 1 используются субмиллиметровый оптический квантовьщ генератор или лампа обратной во ны. Диэлектрический образец 6 представляет собой плоскопараллельную пластину и характеризуется соотноше нием kc3 1 , где k - коэффициент поглощения, d - толщина образца. Диэлектрический образец 6 закреп лен на поверхности плоского зеркала 7 так, что они находятся в оптическом контакте, т.е. зазор h между образцом 6 и зеркалом 7 и длина электромагнитного излучения находят ся в соотношении Ь « Tk . Электродвигатель 10 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 16 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступатель234ное движение с частотой F плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 (фиг.2). Электродвигатель 10 с помощью кривошипно-шатунного механизма 9, соединенного с осью 17 каретки 8, обеспечивает возвратно-поступательное движение с частотой F плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 (фиг.3). Предложенный способ реализуется следующим образом. С помощью генератора 1 формируют поток излучения, а с помощью делителя 2 осуществляют отделение части потока излучения, которую используют для контроля стабильности мощности или для измерения длины волны. Поток излучения модулируют, по амплитуде поочередньгм 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 образцом 6 с помощью каретки 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательное движение с частотой F, задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлектрическим 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 из- лучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делитель 2 потока, с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения в приемник 5.

Вьщеляют переменную составпяющую J интенсивности принятого излучения, Для этого с помощью квадратичного детектора 12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитудно-модулированного излучения. С помощью уси,пителя 13 усиливают сигнал с выхода детектора 12, ас помощью синхронного детектора 14 осуществляют вьщеление переменной составляющей 3 интенсивности из выходного напряжения усилителя 13. Опорное напряжение с частотой F для синхронного детектора 14 формируют с помощью датчика 11 модулятора 4, регистрацию сигнала 3 осуществляют с помощью индикатора 15, Коэффициент отражения системы образец 6 - зеркало 7, а следовательно, и измеряемая величина 3 периодически меняются с увеличением отношеnd

ния 7Г из-за интерференции излучения (

многократно отраженного от передней поверхности диэлектрической пластины и зеркала, В общем случае, т.е. при произвольном значении отношения

nd

-7Г-, СВЯЗЬ между диэлектрическими

потерями и переменной составляющей 3 интенсивности принятого излучения выражается соотношением

9.()ein9

(2) Sin(ptn co5(p

где С const,

W - мощность излучения генератора 1,

Для определения неизвестной величины произведения осуществляют модуляцию потока излучения генератора 1, прошедшего через делитель 2, введением в него с частотой F только плоского зеркала 1. При этом с помощью диафрагмы. 3 ограничииают поперечные размеры потока излучения, прошедшего через делитель 2„ Плоское зеркало 7 модулятора 4 с закрепленным на части его отражающей поверхности диэлектрическим образцом 6 с помощью каретки. 8 и кривошипно-шатунного механизма 9 совершает возвратно-поступательное движение с частотой F , задаваемой электродвигателем 10. Крайние положения плоского зеркала 7 с диэлектрическим образцом 6 относительно потока излучения приведены на фиг.З. При этом в первую половину периода модуляции потока излучения после диафрагмы 3 отражают с помощью зеркала 7 без образца 6 и передают через диафрагму 3 на делитель 2 потока,

S с помощью которого осуществляют отделение части потока излучения к при, емнику 5. Во вторую половину Лериода модуляции поток излучения после диафрагмы 3 проходит над зеркалом

1 без отражения. При этом сигнал на входе приемника 5 отсутствует. Прием амплитудно-модулированного излучения осуществляют с помощью приемника 5.

Выделяют переменную составляющую

JQ интенсивности принятого излучения . Для этого с помощью детектора 12 приемника 5 осуществляют детектирование амплитудно-модулированного

0 излучения. С помощью усилителя 13 усиливают сигнал с выхода детектора

12,а с помощью синхронного детектора 14 осуществляют вьщеление переменной составляющей ISg интенсивности из выходного напряжения усилителя

13.Опорное напряжение с частотой

F для синхронного детектора 14 формируют с помощью датчика 11 модулятора 4, регистрацию сигнала 3 осу0 ществляют с помощью индикатора 15. В этом случае Ид CWTo,По измеренным значениям Л и U определяют диэлектрические потери idО из соотношения (1).

В частном случае реализации предложенного способа толщинаd диэлектрического образца 6 Удовлетворяет соотношению

1.

(3)

п -тгде m - целое число.

Поэтому существует более простая связь между потерями tgS в диэлектрическом образце и переменной составляющей J интенсивности принятого излучения:

:-cw2it S

Переменн;1Я составлянщая Зд принятого излучения, как и в общем случае, имеет вид: .

По измеренньш значениям D и З определяют диэлектрические потери в образце 6 из выражения

TlV

2

ч llTd

При использовании высокоотражающе го зеркала 7, для которого отличием значения f от единицы можно пренебречь, потери в образце 6 определяют из выражения

(4)

Предлагаемый способ обеспечивает определение диэлектрических потерь trf S на основании измерений переменной составляющей 3 интенсивности прИ нятого излучения. Величина определяется в основном характеристикой поглощения исследуемого образца и может быть измерена с высокой точностью. Следствием этого является более вью окая точность определения trf 8 предложенным способом по сравнению с известными. Достижению высокой точности измерения tgfi предложенным способом способствует увеличение допуска на толщину исследуемого образца.

1202238

Для реализации тон же точности измерения сигнала при тех же значениях ft , , и k , что и в примере, рассмотренном для известного спосо5 ба, в результате расчетов получаем допустимую относительную оимбку значения -7i равную 0,4%, что свидетельствует о снижении требований к точности обработки исследуемого образца в 10 раз.

Таким образом, модуляция потока излучения по амплитуде поочередным введением в него образца, находящегося в оптическом контакте с зеркалом, и зеркала без 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. KjjoMe того, предложенный способ измерения диэлектрических потерь исключает необходимость использования сравнительных образцов с точно известными характеристиками пропускания и отражения.

7 8

/7

/ / / /

/

Ю

/

А

/ / X

/V

,w

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ, включанлций амплитудную модуляцию потока электромагнитного излучения субмиллиметрового диапазона поочередным введением в него с фиксированной частотой исследуемого и сравнительного образцов, измерение переменной составляющей 1 интенсивности отраженного от образцов излучения и определение по результатам измерений диэлектрических потерь,, отл и ч а ющи и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, исследуемый образец оптически соединяют с эталонным зеркалом, в качестве сравнительного образца используют не перекрытую исследуемым образцом часть зеркала, дополнительно модулируют поток электромагнитного излучения введением в игго с той же частотой неперекрытой части зеркала, измеряют переменную составляющую Q отраженного при этом излучения, а диэлектрические потери определяют из соотношения Сз; м )- , foit т JQJ (Л где f Ф 2 tr nd л n - показатель преломления диэлектрического образца, ci - толщина диэлектрического об-. разца; f - коэффициент отражения зеркала; - длина волны излучения j 8 - угол диэлектрических потерь.

Фиг.З