Квазиоптическая кювета Советский патент 1985 года по МПК G01N21/03 

2. Кювета по п. 1,ртличаю щ а я с я тем, что ее окно выполнено из материала, волновое сопротивление которого находится в интервале между волновым сопротивлением среды, примыкающей к окну кюветы с внешней стороны и волновым сопротивлением среды, примыкающей к окну кюветы с внутренней сто РОНЫ, причем окно снабжено дополнительным электропроводящим покрытием, расположенным на его внутренней поверхности, импеданс 2;,, которого в рабочем диапазоне длин вол излучения соответствует соотношению

для 5 - поляризащ-ш излучения -I соебз содЭц.

«лиУ( WiW,

для Р- поляризации измерения -1 -t

Z WsCosQj W cos 04

где Vl - волновое сопротивление

среды, примыкающей к окну с внутренней по отношению к к оболочке среды;

83, 04 углы между нормалью к внутренней поверхности окна и направлением распространения излучения соответственно в прилегающей к окну среде по направлению к окну и внутри окна от его внутренней поверхности,

а эффективная толщина дополнительно

го электропроводящего покрытия

удовлетворяет условию

г«мии с с оПгдеР 7 предельная минимальная эффективная толщина дополнительного электропроводя-, щего покрытия,

1. КВАЗИОПТИЧЕСКАЯ КЮВЕТА содержащая оболочку, снабженную по меньшей мере одним окном, выполненным из материала, прозрачного дл излучения длиной волны Л, отли чающая с я тем, что,с целью упрощения передаточной частотной характеристики кюветы, ее окно снаб жено электропроводящим покрытием, расположенным на его внешней поверх ности, причем импеданс 2 покрытия в рабочем диапазоне длин волн излучения соответствует соотношению для 3 поляризация излучения j COS0, COS 9, или 2. - поляризации измерения j1 1t , Z Wjcos 9 - волновое сопротивление материала, из которого изготовлено окно; 2 волновое сопротивление .среды, примыкающей к окну с внешней по отношению к оболочке стороны; . 2 углы между нормалью к внешней поверхности окна и направлением распространения излучения соответственно внутри окна к его внешней поверхности и примыкающей к окну внешней среде по направлению от окна, ективная толщина с/ электропровоо покрытия удовлетворяет услоUH O,; f предельная минимальная эффективная толщина электропроводящего покрытия.

1

Изобретение относится к технике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, а именно к квазиоптическим кюветам, которые служат для размещения в них веществ, помещаемых в квазиоптический тракт в тех случаях, когда эти вещества не сохрацяют форму (жидкости, порошки и тли) или когда требуется не допустить контакта вещества с внешней средой (гигроскопичные, агрессивные и т.п. вещества), и могут быть использованы как для исследования названных веществ, так и для изготовления из них элементов квази оптических трактов.

Цель изобретения - упрощение переддточной частотной характеристики кюветы путем уменьшения в ней эффек.тивного количества слоев, что значительно упрощает процесс ее использования, позволяет сократить процесс измерения и упростить математическую взаимосвязь параметров кюветы с ее выходным сигналом, т.е. упростить вычислительную часть измерительной аппаратуры.

На. фиг. 1 изображена кювета с одним окном, раГ)отаюн;им в качестве

2

I выходного, согласованным как на внешней, так и на внутренней поверхностях; на фиг. 2 - то же, с окном, работающим в качестве входного,

согласованным на внешней поверхности; на фиг, 3 - то же, с двумя окнами, вьшолненными в виде призм и согласованными на внешних поверхностях; на фиг. 4 - то же, для твердого вещества с двумя плоскопараллельными окнами, согласованными на внешних поверхностях.

Кювета- (фиг. 1) представляет собой оболочку 1, открытую сверху

и снабженную снизу окном 2, выполненным из материала, прозрачного для излучения. Внешняя поверхность окна 2 снабжена электропроводя- покрытием 3, импеданс которого на рабочих частотах соответствует условию согласования волновых сопротивлений материала, из которого сделано окно 2, и внешней среды. Кювета заполнена веществом 4,

волновое сопротивление Wj которого таково, что волновое сопротивление . материала, из которого вы-, полнено окно 2, лежит между волновым сопротивлением внешней среды

3

Ч1/2 и волновым сопротивлением Л вещества 4. Внутренняя поверхность окна 2 снабжена дополнительным электропроводящим покрытием 5, импеданс которого на рабочих частотах соответствует условию согласования волновых сопротивлений среды 4 и материала, из которого изготовлено окно 2, В состав покрытий 3 и 5 входят материалы, электропроводность которых достаточно высока, что эффективная толщина эти покрытий не превышает одной десятой от длины волны, а предельная минимальная эффективная толщина от длины волны этих покрытий такова, что их импедансы удовлетворяют условию согласования покрытий, вьшолненных из наиболее низкоомного (на рабочей длине волны) из соответствующих материалов.

Кювета (фиг. 1) работает следующим образом.

Через открытую верхнюю частЬ оболочки 1 излучение падает на верхнюю границу слоя вещества 4, частично отражаясь от нее и частично проходя внутрь вещества 4. Отраженная часть излучения уходит из кюветы, а прошедшая попадает на внутреннюю поверхность окна 2, снабженную покрытием 5. Здесь;, благодаря .свойствам покрытия 5 не происходит отражения излучения. Часть излучения поглощается в покрытии 5, а другая проходит внутрь окна 2. Достигая внешней поверхности окна 2 излучение попадает на покрытие 3, благодаря свойствам которого также не отражается, а выходит во внешнюю среду, частично поглощаясь в покрытии 3.

Таким образом, во всех участках кюветы (фиг. 1) реализован режим бегущей волны, а резонансные явления отсутствуют. В виду этого упрощается аппаратная функция кюветы: настоящая кювета электродинамически эквивалентна бесконечному полупространству, заполненному веществом 4, в то время как без покрытий 3 и 5 ее аппаратная функция обу ловлена двумя электродинамически связанными слоями конечной толщины (слой вещества 4 и окно 2). В частности, если вещество 4 не обладает потерями, коэффициенты отражения и пропускания, а также фаза коэффи870264

циеита отражения кюветы (фиг. 1) не зависят от-частоты, а фаза коэффициента пропускания зависит от частоты линейно.

5 Кювета, изображенная на фиг. 2, имеет окно 2, снабженное электропроводящим Покрытием 3, расположенным на внешней поверхности окна 2.

Кювета (фиг. 2) работает следующим образом.-

Излучение падает снизу на внешнюю поверхность окна 2, снабженную-покрытием 3. Здесь оно частично прос ходит внутрь окна 2, частично поглощается в покрытии 3, частично отражается и уходит из кюветы. Необходимо заметить, что в данном случае покрытие 3 не устраняет отQ ражения, так как направление распространения излучения противоположно направлению согласования. Излучение, прошедшее внутрь окна 2, достигает его внутренней поверхнос-

5 ти, которая совпадает с нижней границей слоя вещества 4. Здесь излучение частично проходит сквозь слой вещетсва 4, уходя из кюветы, частично поглощается в нем и частично отражается внутрь окра 2. Далее отраженное излучение вновь попадает на гашнюю поверхность окна 2, снабженную покрытием 3. Теперь оно уже лишь выходит наружу и поглощается в покрытии 3, но не

отражается внутрь окна 2, что о&условлено свойствами покрытия 3. Углы Э и Gj , входящие в условие согласования волновых сопротивлений, оботначены на фиг. 2.

Кювета (фиг. 2) реально является трехслойной системой: слой вещества 4, окно 2 и покрытие 3. ;Во всех слоях кюветы реализуется

5 режим стоячей волны, так как имеются волны, идущие в двух направлениях. Резонировать, однако, может лишь слой вещества 4, так как только у него обе границы отражают излучение внутрь кюветы. Таким образом, кювета (фиг. 2) электродинамически эквивалентна (с точностью до коэффициента) одиночному слою вещества 4, граничащему

5 сверху с полупространством, заполненным, например, воздухом, а снизу с полупространством, заполненным материалом из которого изготов-

леио окно 2, например фторопластом. Это упрощает аппаратную функцию кюветы (фиг. 2) по сравнению с известной. Ее коэффициент пропускания в частности, зависит от частоты излучения, параметров вещества 4 и толщины его слоя в соответствии с одиночной функцией Эйри, домноженной на постоянный коэффициент. Характеристики Кюветы определяют величину этого коэффициента и параметры функции Эйри.

Кювета (фиг. 3)в отличие от кювет изображенных на фиг. 1 и 2, имеет оболочку, содержащую не одно, а два окна 2, которые снабжены электропроводящими покрытиями 3, и размещенньп-ш на внешних поверхностя окон 2. Характерно, что в данном случае внешние поверхности окон 2 закрыты электропроводящим покрытием 3 лишь частично. Внутри кюветы (фиг. 3) размещено вещество 4.

Кювета (фиг. 3) работает следующим образом.

Излучение падает снизу на часть внешней поверхности нижнего окна 2, свободную от электропроводящего покрытия 3. Здесь оно частично отражается и уходит из кюветы, а частично проходит внутрь окна 2. Благодар отсутствию в этом месте покрытия 3, здесь не происходит поглощения излучения, что повьш ает коэффициент полезного действия кюветы (фиг. 3). Излучение, прошедшее внутрь нижнего окна 2, достигает слоя вещества 4, частично проходя сквозь него, частично поглощаясь и частично отражаясь в сторону нижнего окна 2. Излучение-, отраженноеот слоя веществ 4, достигает внешней поверхности нижнего окна 2 в месте, снабженном покрытием 3, благодаря чему выходит из наружу, частично поглощ1ясь в покрытии 3, но ие отражаясь внутрь кюветы.

Таким образом, в нижнем диэлектрческом окне 2 кюветы (фиг. 3) реализуется режим бегутцей волны и оно не резонирует. Излучение, прошедшее сквозь слой вещества 4 в верхнее окно 2, достигает его внешней поверхности в месте, снабженном покрытием 3. Здесь также отсутствует отражение внутрь кюветы, благодаря чему и верхнее окно 2 также не резонирует .

Таким образом, реальная кювета (фиг. 3), содержащая пять слоев различных веществ (два окна 2, два проводящих покрытия 3 и один слой вещества 4) пропускает и отражает излучение, как одиночный слой вещества 4 в бесконечной среде, заполненной материалом окон. В частQ ности, если окна 2 выполнены из кварца, то кювета (фиг. 3) электродинамически эквивалентна (с точностью до коэффициента) слою вещества 4 в пространстве, заполнён5 ном кварцем..

Кювета (фиг. 4) .предназначена специально, для веществ, находяпщхся в твердом состоянии. Несущим элементом всей конструкции в данном спу0 чае является объект из вещества 4, размещаемого в кювете. Оболочка 1 кювё.ты представляет собой пленку, например лаковую, покрывающую объект из вещества 4. Материал оболочки 1 диэлектрик, прозрачный для излучения, а два окна 2 являются по сути, частью оболочки 1. Окна 2 в данном случае плоскопараллельны, а их наружные поверхности снабжены электропроводящцми покрытиями 3.

Кювета (фиг. 4) работает анало. гично описанным.

Оболочка кюветы может быть элементом, несущим механические нагрузки или не быть несущим (например, пленка лака, лавсана, полиэтилена и т.п.), может быть открытой или закрытой (герметичной), прозрачной или непрозрачной для излучения и т.д.

Окна кюветы могут быть плоскопараллельными, клиновидными или иметь другую форму, изготовлены из. диэлектрических (кварц, тефлон,

полистирол, керамика и т.д.), полупроводниковых (кремний, германий и т.д.) или других материалов, прозрачных для излучения. Количество окон в кювете может быть одно, два или более, причем разные окна могут иметь одинаковую или разную конструкцию и граничить с одинаковыми или различными средами. Они могут быть ортогональны или наклонны по отношению к оптической оси -кюветы и различно располагаться по отношению одно к другому. Они могут быть соединены с оболочкой разъемно, неразъемно или даже пред-.

ставлять собой неотъе -темую часть оболочки, прозрачную для излучения и Т.Д-.

Электропроводящие покрытия окон могут быть съемными или несъемными однослойными или многослойными. Он могут содержать слои металлов, полупроводников, диэлектриков и других материалов (с целью обеспечения съемности, защиты от коррозии и,т,п.), причем требования отнсятся к покрытию в целом, а не к отдельньм слоям. Требуемая электропроводность покрытия может быть обеспечена как при изготовлении покрытия, так и выбором соответствующих внешних параметров при его эксплуатации (электрическое и маг:нитное поля, теьтература, внешнее облучение, приводящее к фотоэффекту и т.д.). Покрытия могут быть на всех окнах кюветы, на некоторых из них или даже на одном, причем покрытия па разных окнах могут быть .одинаковы или различны. Соответствующие поверхности окон могут быть снабжены электропроводящими покрытиями полностью или частично и т.д. Вещества, размещенные в кювете,могут быть твердыми, жидкими, порошкообразными и другими.

Предлагаемая кювета позволяет получить существенно более простую передаточную функцию. В частности, в известных кюветах при использовании окон из слюды или кварца, толщина которых составляет всего 100 мкм на длине волны , rJ 3 мм коэффициенты пропускания и отражения кюветы с веществом могут отличаться от соответствующих коэффициентов одиночного слоя этого вещества на десятки процентов по амплитуде и на десятки градусов по . фазе. Таким образом, если речь иде о более высоких точностях,, то известная кювета при заполнении однородньм веществом электродинамичеки представляет собой трехслойную структуру (слой вещества, размещенного в кювете, и два окна).

В то же время предлагаемая кювета в зависимости от числа электропроводящих покрытий, электродинамически двух- или однослойна, а в случае применения дополнительного покрытия взаимодействует с

излучением так, как будто она не содержит ни одного слоя конечной толщины. Соответствующее уменьшение эффективного количества слоев может быть получено, с точностью по меньшей мере до единиц процентов по амплитуде и до долей градуса по фазе коэффициентов пропускания и отражения.

В виду того, что передаточная частотная функция предлагаемой кюветы упрощается при любой толщине окон, они могут быть сделаны достаточно толстыми (например, 10 мм вместо О,1 мм) и, следовательно, прочными. Таким образом, она может выдерживать значительный перепад давлений между веществом внутри нее и внешней средой. По этой же причине кювета может иметь существенно большие поперечные размеры, чем известная, что уменьшает дифракционные искажения излучения.

Квазиоптическая кювета может применяться для измерения параметров размещаемых в ней объектов. При этом объектом измерения может быть как жидкость (твердое тело, порошок и т.п.), непосредственно наливаемая в кювету, так и объект, погружаемый в эту жидкость (иммерсия). В этом случае упрощение передаточной частотной функции кюветы по сравнению с известной ведет либо к увеличению точности измерений до i 10 раз и более (если многослойность известной кюветы учитывалась недост; таточно полно), либо к упрощению в нескох-ько раз математической обработки результатов измерений (если многослойность известной кюветы учитьшалась полностью), что ведет к соответствующему укорочению времени измерений или к возможности упрощения вычислительной части измерительной аппаратуры, причем возможно одновременное достижение нескольких названных эффектов.

Кювета может также служить для размещения внутри нее различных элементов квазиоптических трактов, таких как линзы, призмы, аттенюаторы, фазовращатели и т.п., которые изготовлены из веществ с известными параметрами. Кювета позволяет сделать амплитудные параметры этих элементов постоянными с точностью не хуже единиц процентов, а фазо-

вые - линейно зависящими от частоты с точностью на уровне долей градуса в частотном диапазоне, измеряемом несколькими октавами, что до десяти раз и более превьшает соответствующие параметры аналогичных .

элементов, размещаемых в известной кювете.

Применение предлагаемой кюветы 5 наиболее целесообразно в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн и вблизи него.

7,2