Способ измерения компонент тензоров электрической и магнитной проницаемостей гиротропных сред Советский патент 1959 года по МПК G01R27/26 G01R27/22 G01R33/12 

Предметом изобретения является способ определения всех компонент тензоров электрической s,.. и магнитной s-. проницаемости гиротропных сред (ферриты, электронная и ионная плазма в магнитном поле и т. д.) с помощью цилиндрического резонатора (эндовибратора).

Особенность предлагаемого способа заключается в том, что в резонаторе (как без образца, так и с образцом) поочередно возбуждаются нормальные колебания с эллиптической поляризацией, при которых электрический и магнитный векторы в каждой точке объема резонатора вращаются в плоскости, перпендикулярной оси резонатора. Искомые значения комплексной электрической проницаемости ,-. и комплексной магнитной проницаемости ,-„ вычисляются из данных измерения сдвига резонансных частот и измерения добротности эндовибратора при внесении в него испытуемого образца.

Образцы исследуемого гиротропного материала могут иметь различную форму. Однако практически при измерениях в цилиндрическом резонаторе наиболее удобен образец в виде круглого цилиндра. Поэтому в основу дальнейшего описания предлагаемого способа положено применение такого образца. Измерения проводятся следующим образом. Сначала колебания возбуждаются в эндовибраторе, не содержащем образца. При этом измеряются резонансная частота ш и полуширина полосы пропускания 8/ , т. е. величина, обратная добротности эндовибратора.

Затем в эндовибратор вносят образец и измеряют новые значения

этих величин « и §/. . По измеренным таким путем смещению резонамсной частоты Асо(о ю и расширению AS/-0/-о/ полосы про пускания вычисляют компоненты тензора магнитной (для ферритов) и электрической (для плазмы) проницаемостей.

В качестве примера описывается схема измерений указанным способом магнитной проницаемости ферритов. Формулы для вычисления приводятся для частного случая образца в виде цилиндра, радиус f которого Много меньше длины волны Я в материале образца, т. е. справедливо квазистатическое приближение.

Намагниченный феррит представляет собой гиротропную среду и описывается тензором магнитной проницаемости:

f/я

{В выражении 1 принято, что ось oz :нараллельна внешнему магнигному полю Яо).

Все три диагопальных э.темента тензора , величины:

Hj : Hj--/|l, ; ., jl., ::a.j-у1л з.

Для измерения -, р-г, и a., изготавливается эндовибратор, рассчитанный на колебание типа Ящ, и производятся три измерения.

В этом резонаторе, пока пустом, без образца, возбуждается (через отверстие в центре его основания) колебание Ящ и измеряются резонансная частота этого колебания и полуширина полосы пропускания 8 / (опыт 1).

В резонатор по его оси помешают исследуемый образец, снова возбуждают колебание Ящ, но уже эллиптически поляризованное с правым

направлением вращения, и измеряют резонансную частоту «+ и полуширину полосы пропускания резонатора с образцом S/- (опыт 2).

Из этих двух опытов вычисляют вызванное образцом смещение резонансной частоты и расширение полосы пропускания:

До (7--(1); До/- 8/- --о/(2)

Затем в резонаторе с образцом возбуждается эллиптически поляризованпое колебание типа Ящ с левым вращением и измеряются резонансная частота и полуширина полосы пропускапия 5/ (опыт 3).

Далее вычисляют вызванные образцом смещение резонансной частоты и расширение полосы пропускапия:

Дсоя « - - (U; До/ о/ - о/.

Направление вращения определяется относительно внешнего статического намагничивающего поля Яо. Поэтому для того, чтобы перейти от схемы опыта 2 к схеме опыта 3, достаточно, не меняя возбуждения резонатора, изменить направление поля Яо на обратное, например, переключением тока в обмотке электромагнита, создающего поле Яо.

Из данных всех трех опытов вычисляют , J-o. 2 no следующим расчетным формулам:

(1) . -з-комплексные

(3)

JJ- Ь2

Р- 1,. ,

Л 2где Ji(K(sR)-бесселева функция первого порядка, число резонатора без образца /i(/Co/)0 .

5 ) , где С-скорость света, L-высота резонатора.

3 и s - действительная и мнимая части комплексной электрической проницаемости; г -уг . Величины г и s измеряются предварительно по смещению резонансной частоты и расширению полосы пропускания, создаваемыми образцом в резонаторе, рассчитанном на колебания типа 011 или Ящ.

Кроме указанного выше способа компоненты i,- могут измеряться еще одним независимым путем. Измерение двумя независимыми путями уменьшает вероятность экспериментальных ошибок. Этот второй способ измерения состоит в следующем. Изготовляют резонатор, рассчитанный на колебание типа iio, и измеряют вызванные образцом смешение резонансной частоты А и расширение полосы пропускания До/ отдельно для колебаний с правым и левым вращением. Из данных измерений вычисляют j-i, t, «2, по следующим расчетным формулам:

Дш

1 -D

,1 -

1 Jj2о

До)

1 -г D

(4)

(5)

Л (/Го/) (К,КГ-1

(

Д W

D (6)

д. D (О

1 D f „Т

(7)

№ 121510

где знак плюс, между первым и вторым слагаемыми соответствует -i,„ „ „ 4 V (Ко К) Rг..о

2, знак минус- 1- 2, -2; J-) , где До А-собственное число нолого резонатора: 1о{КоК)0.

Диагональный элемент з можно измерить, например, в резонаторе, рассчитанном на колебания тина Яоц.

,. {Ко R}.0.

,.,.1 + 2 - . - .{8

где KoR определяется условием Iu(KoR)0.

Выше в качестве примера были описаны измерения в резонаторах с колебаниями типа Ящ, Яоц и цо. Однако все измерения можно проводить и с колебаниями иных типов, соответственно, и в других резонаторах, и при различных положениях образца. Тогда расчетные формулы 4-8 несколько изменят свой вид. Например, для колебания тина fiопр величины Лив формулах 4-5 равны:

(nirfn(h-,R) (K,Rri

. тгС

rii&In(K,R) 0;S

Измерение компонент тензора электрической проницаемости е проводится аналогичным образом, например, в резонаторах с колебаниями иь о11 и Яцо. В расчетных.формулах следует при переходе от p.(V к S;K произвести следующую замену: 1;к на е. ; s на jj.; w In на In; In на In.

На блок-схеме устройства для осуществления предлагаемого способа измерения комлонент тензоров диэлектрической и магнитной проницаемости обозначено: 1-образец; .З резонатор; 3-электромагнит; 4- клистрон; 5-волномер; 6-осциллограф; 7-детектор; 5-аттенюатор;. 9-усилитель.

Предмет изобретения

2,Способ по н. 1, отличающийся тем, что в резонаторе, кроме колебаний с правым и левым направлениями вращения плоскости поляризации, возбуждают колебания типа Но„р или олр