УДК 621.317
УСТРОЙСТВО КВАЗИОПТИЧЕСКОЙ РЕЗОНАТОРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ОСТЕКЛОВАННОГО ЛИТОГО МИКРОПРОВОДА
И. О. Дорофеев, Г.Е. Дунаевский
Рассмотрен преобразователь параметров сверхтонких проводников на базе открытого резонатора сантиметрового диапазона длин волн. На основе анализа спектральных характеристик резонатора с проводником найдены условия для достижения максимальной чувствительности такого преобразователя. Предложена схема реализации данных условий в устройстве бесконтактной неразрушающей радиоволновой резонаторной диагностики параметров литого остеклованного микропровода, производимого по технологии Улитовского—Тейлора. Приведены результаты испытаний действующего макета устройства на долговременную стабильность, на возможность фиксации малых локальных неоднородностей и медленных уходов параметров микропровода. Показано, что устройство обладает существенно более высокими характеристиками по сравнению с известными.
Ключевые слова: открытый резонаторный преобразователь, литой остеклованный микропровод, бесконтактная диагностика, радиоволновый контроль.
В настоящее время интенсивно развиваются исследования и технологии, направленные на создание новых искусственных материалов с уникальными свойствами на сверхвысоких частотах [1]. Данные материалы представляют собой, как правило, композиты с нано- и микромасштабными включениями [2]. Одним из таких включений может быть остеклованный литой микропровод, производимый по технологии Улитовского—Тейлора [3—6]. В большой степени основные характеристики получаемого материала непосредственно зависят от характеристик жилы микропровода. Параметры стеклянной изоляции и наностуктурного переходного слоя "стекло—металл" оказывают значительное влияние на свойства микропровода на этапе его формирования в процессе литья, однако затем на его электрофизические свойства влияют слабо.
Несмотря на довольно длительную историю производства микропровода, до сих пор существенным недостатком технологии его литья остается нестабильность параметров жилы получаемого проводника даже в пределах одного образца (одной катушки). Поэтому важное значение имеет непрерывный неразрушающий контроль характеристик его проводящей жилы. Реализация существующих низкочастотных емкостных [7] и оптических методов затруднена из-за влияния стеклянной оболочки. Реализация же высокочастотных волноводных методов [8] и методов с применением объемного резонатора [9] для контроля микропровода в случае его протяжки сталкивается с существенными трудностями, связанными с невозможностью оперативного размещения контролируемого участка в измерительном датчике.
Данные трудности удается во многом преодолеть при использовании открытого СВЧ-резонатора, этот метод является практически единственным радиоволновым СВЧ-методом, перспективным с точки зрения реализации непрерывного контроля непосредственно на установке для литья. К тому же этот метод по сравнению с волноводными радиоволновыми методами обладает существенно более высокой чувствительностью к изменениям параметров вносимого объекта из-за многократного взаимодействия электромагнитного поля с тонким проводником, имеющим весьма малые электрические размеры поперечного сечения.
Игорь Олегович Дорофеев, канд. физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Национального исследовательского Томского государственного университета. Тел. (3822) 41-39-64. E-mail: idorofeev@mail.ru
Григорий Ефимович Дунаевский, доктор техн. наук, профессор, зав. кафедрой Национального исследовательского Томского государственного университета. Тел. (3822) 41-39-64. E-mail: proecs@mail.tsu.ru
Разработанные до настоящего времени устройства для измерения и контроля параметров микропровода, использующие в качестве преобразователя открытые СВЧ-резонаторы [10], обладают рядом существенных недостатков, сдерживающих их применение в промышленности. Данные устройства ограничены использованием только для контроля узкого класса проводников, обладающих высоким погонным сопротивлением. Тонкий цилиндр, внесенный в пучность электрического поля основной моды открытого резонатора, вызывает перестройку резонансной частоты последнего и вносит дополнительные потери. На основании результатов, полученных в [11, 12], отношение уширения резонансной кривой резонатора к сдвигу резонансной частоты можно записать в виде
2А/" = 2Я + п/ ц0
А/' Г 2 Л ,
КУк1г0 у
где Я и X — активная и реактивная составляющие погонного комплексного сопротивления тонкого цилиндра радиусом гр на частоте /; к1 — волновое число в свободном пространстве; — магнитная постоянная; у — постоянная Эйлера. Для высокоомных проводников частотная перестройка открытого резонатора существенно ниже уширения резонансной кривой и на практике ею можно пренебречь. Тогда, в случае преобразователя, работающего в схеме "на проход", его чувствительность к малым вариациям потерь контро-
д Т2
лируемого проводника определим величиной 8Т = —1——, где Т — коэффи-
д!х
циент передачи открытого резонатора; — коэффициент потерь, вносимых проводником в открытый резонатор, который связан с уширением резонанс-
кЬА/"
ной кривой следующим образом: = —^—; Ь — длина резонатора. Как показано в [10], данную величину можно записать как
„ _ -8П1Л2 [1 + Р1 (1 + С )+Р2 (1 + С )]
{ [1 + Р1 (1 + С) + Р2 (1 + С2) ]2 + 4 (р5г )2} !рр + ^
где — коэффициенты потерь на связь открытого резонатора с внешними волноводными трактами; р р2 — коэффициенты связи; £ £2 — коэффициенты, описывающие дифракционные потери на элементах связи; Q0 — собственная добротность открытого резонатора; — коэффициент
/ - /р
его собственных потерь; 5Г = -——— — относительная расстройка;
/р0
/р0 — собственная частота рабочего типа колебаний преобразователя. Как показано в [10], максимальная чувствительность преобразователя к изменению потерь, вносимых в него контролируемым объектом, соответствует нулевой расстройке. Поэтому для высокоомных проводников целесообразно фиксирование в качестве выходного параметра коэффициента передачи резонатора на резонансной частоте. Учитывая, что нагруженная добротность открытого резонатора с проводником имеет невысокое значение, в этом случае можно использовать нестабилизированный генератор. Однако при этом долговременная стабильность такого прибора останется весьма низкой, потребуется его частая калибровка.
В настоящее время номенклатура производимого микропровода гораздо шире и включает в себя проводники, изготавливаемые в том числе и из материалов с высокой проводимостью. В этом случае, как следует из (1), частотная перестройка открытого резонатора проводником может быть сопоставима с уширением полосы пропускания. Следовательно, чувствительность преобразования будет определяться не только (2), но и чувствительностью к вариации фазы, которая имеет вид [10]
^ = ---. (3)
{[1+в (1+с)+02 (1+с 2) ]2+4 (а 8Г )2} 11 „ о+1
Максимальная чувствительность при перестройке резонатора объектом в схеме "на проход" достигается при расстройке относительно резонанса, значение которой для одинаковых элементов связи (р1 = р2 = р) равно
1 + 2В (1+ С)
до = -^Г1 • (4)
Следовательно, для использования всех преимуществ резонаторного метода необходимо строить схему контролирующего устройства, у которого выходным сигналом будет коэффициент передачи открытого резонатора на оптимальной частоте. Значение этой частоты определяется соотношением между (2) и (3), то есть непосредственно характеристиками самого микропровода. Для высокоомного микропровода эта частота будет близка к резонансной, для низкоомного может быть смещена к значению, определяемому из (4).
Следует отметить, что в общем случае устройство контроля, построенное по схеме фиксации коэффициента передачи преобразователя, является принципиально однопараметровым, в то время как взаимодействие электромагнитного поля резонатора с тонким проводником обусловливается рядом характеристик последнего. Если отрезок микропровода не имеет дефектов, то его можно представить как цилиндрический проводник, покрытый слоем диэлектрика, не влияющим на результаты СВЧ-измерений. Тогда, как видно из (1), изменение характеристик резонатора будет зависеть от погонного комплексного сопротивления жилы микропровода
2 = Я + = , (5)
2%Щ ^ (к2Го )
где к2 = (1- /) /ц2с — волновое число в проводнике; а — удельная
к2
проводимость; = — — волновое сопротивление; и9 — магнитная прони-
2 с 2
цаемость материала жилы.
В частности, для проводников, для которых скин-эффект слабо выражен и электромагнитное поле взаимодействует со всем объемом жилы, в общем случае отклик резонатора, а значит, и выходной сигнал будут зависеть от диаметра жилы, его удельной проводимости и магнитной проницаемости (как от действительной, так и от мнимой части).
Поэтому наиболее рационально использовать однопараметровое устройство как универсальный дефектоскоп, реагирующий на все изменения перечисленных выше характеристик микропровода. При этом, если задать
предельное отклонение каждого параметра проводника в значениях выходного сигнала с помощью эталонных образцов, то можно отслеживать однородность жилы микропровода в пределах заданных значений. Это будет свидетельствовать об определенном заданном качестве катушки или ее участка. Конечно, возможен случай, когда уходы разных параметров могут компенсировать друг друга и мы не увидим отклик в виде выходного сигнала, однако на практике такая ситуация представляется весьма маловероятной.
Такой дефектоскоп может работать в двух режимах, зависящих от степени локализации характеристик микропровода. Первый режим соответствует случаю, когда какой-либо параметр проводника медленно меняется на расстоянии, превышающем длину участка взаимодействия с электромагнитным полем резонатора. Тогда выходной сигнал устройства будет представлять собой величину, пропорциональную результату усреднения по характеристикам микропровода на этом участке. Второй режим соответствует наличию на микропроводе малой по сравнению с размером данного участка неоднородности. Здесь величина выходного сигнала будет определяться геометрическими и электрофизическими параметрами самой неодн
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.