Афонін Д. Г., переддень Е. Р.

Московський державний університет ім. М. В. Ломоносова Фізичний факультет Воробйови Гери, Москва, 119992, ГСП-2, Росія тел. (095) 939-2094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Анотація Наведені результати по використанню кремнієвого діода для дослідження розподілу електромагнітного поля і вимірювання температури в сильних СВЧ полях. Описано переваги застосування для цих цілей кремнієвого діода.

I. Вступ

При здійсненні технологічних процесів, пов’язаних з нагріванням матеріалів в електромагнітних (ЕМ) полях НВЧ діапазону високої інтенсивності (зокрема, розміщених в обсязі мікрохвильової печі (МВП), часто виникає завдання вимірювання температури в різних просторових областях цих матеріалів. Крім того, в ряді випадків, необхідно знати розподіл (ЕМ) поля в обсязі МВП, одним із способів вимірювання якого є приміщення в зазначений обсяг термодатчика (ТД), нагрівання якого пропорційний інтенсивності ЕМ поля в точці його розташування.

II. Основна частина

В якості такого ТД в даній роботі запропоновано використовувати кремнієвий напівпровідниковий діод, в зв’язку з тим, що іншим ТД притаманний ряд недоліків [1].

Термопара виявляється практично непридатною для вимірювань, що здійснюються в полях великої інтенсивності через сильний розігріву провідників, що становлять термопару і виведення її з ладу. Цьому сприяє використання (у недорогих термопар) як одного з провідників, сплаву з високим питомим опором, а також малого поперечного перерізу провідників.

Термістор володіє дуже сильно вираженою (експоненційної) залежністю опору від температури, що ускладнює його застосування для температурних вимірювань.

У запропонованому варіанті ТД, на основі кремнієвого напівпровідникового діода, використовується факт залежності напруги на прямосмещенном р-n переході від температури навколишнього середовища (при забезпеченні сталості струму, що протікає через цей перехід). Характеристики такого ТД наступні:

-Температурний діапазон: 0 .. + 150 С;

– Високий ступінь лінійності в зазначеному діапазоні температур;

– Малі розміри датчика, що дозволяють досягати високого просторового дозволу;

– Мала тимчасова інерційність, обумовлена ​​коротким часом нагріву ТД з малими геометричними розмірами;

– Простота, надійність, мала вартість датчика.

У вимірах використовувалася бруківка схема,

містить напівпровідниковий кремнієвий діод. Сигнал, пропорційний температурі, знімався з діагоналі моста і подавався на пристрій обробки та індикації.

ТД може бути використаний в двох режимах.

1. У режимі вимірювання власне температури. При цьому ТД розміщується всередині деякого матеріалу, в точці, температура якої повинна бути виміряна.

2. У режимі вимірювання інтенсивності ЕМ поля. Якщо ТД оточити деяким добре поглинає матеріалом невеликого обсягу, то ТД може, фактично, грати роль датчика ЕМ поля (ЕМПдатчіка), так як його нагрівання буде пропорційний інтенсивності ЕМ поля в даній точці. Переміщуючи ЕМП-датчик всередині обсягу простору, де присутня СВЧ поле, можна вимірювати розподіл цього поля.

В якості поглинаючого матеріалу на СВЧ можуть бути використані як тверді матеріали (наприклад: гума, пластилін), так і рідкі (наприклад: невеликий об’єм води в пробірці, всередині якої розташований датчик). Але найбільш оптимальним з усіх поглинаючих матеріалів (серед доступних і відносно недорогих), як з’ясувалося з великої низки експериментів, виявилася суміш епоксидної смоли з наповнювачем з активованого вугілля (в співвідношенні 7:3; занадто велика кількість вугілля робить датчик крихким, а надто мале не забезпечує достатній ступінь поглинання ЕМ поля).

Необхідність оточення кремнієвого діода сільнопоглощающей діелектричної оболонкою обумовлена ​​вимогою досягнення високої ізотропності ТД (в іншому випадку, нагрів кремнієвого діода, що є, взагалі кажучи, приватним випадком короткої штирьовий антени, може залежати від поляризації ЕМ поля в місці його розташування).

На рис.1, представлені результати експериментів з вимірювання розподілу ЕМ поля всередині МВП за допомогою епоксидного ЕМП-датчика на основі кремнієвого діода, переміщуваного всередині її обсягу вздовж прямої лінії. По осі ординат відкладена величина приросту температури датчика, (в порівнянні з вихідною температурою навколишнього середовища), пропорційна інтенсивності ЕМ поля всередині МВП. На рис.1, виразно видно періодичність розподілу ЕМ поля всередині МВП.

Як ЕМП-датчика найбільш оптимальним чином зарекомендував себе кремнієвий діод КД522, що володіє наступними перевагами:

– Скляний корпус (нагріву піддається, по суті, тільки р-n перехід, що забезпечує малу теплову інерцію);

– Малі геометричні розміри (гарне просторове дозвіл);

– Стабільний температурний коефіцієнт напруги, мало відрізняється у різних примірників діодів.

СВЧ енергія в обсяг МВП подавалася від магнетрона, що працює на частоті близько 2,5 ГГц і має максимальну вихідну потужність 1 кВт.

III. Висновок

Запропоновано та експериментально перевірений простий і надійний метод вимірювання температури та розподілу ЕМ поля всередині обсягу простору з НВЧ полем великої інтенсивності, де як термоус ЕМП-датчика використовується кремнієвий напівпровідниковий діод, поміщений в оболонку з епоксидної смоли з графітовим наповнювачем.

Похибка вимірювання температури склала: + 3.0 град. С при подачі сигналу з датчика безпосередньо на пристрій індикації; + 0.5 град. С при використанні певних схемотехнічних коштів (стабілізований джерело живлення; застосування прецизійного малошумні підсилювача з малим температурним дрейфом; ретельне екранування; компенсація слабких нелінійностей і т.д.).

Похибка вимірювання просторового розподілу ЕМ поля визначалася розміром епоксидної оболонки діода, і в наведених експериментах становила +2 мм при частоті ЕМ поля близько 2,5 ГГц.

IV. Список літератури

[1] Зі, С. Фізика напівпровідникових приладів: в 2-х кн.,

2-е изд. М.: Мир, 1984.

APPLICATION OF SILICON DIODE FOR TEMPERATURE MEASUREMENTS IN STRONG MICROWAVE FIELDS

Afonin D. G., KanunovYe. R.

Physics Department, Moscow State University

Vorobyovy Gory, Moscow, GSP-2, Russia, 119992 phone +7 (95) 9392094, e-mail: afonin@phys.msu.su

Abstract This paper discusses the application of silicon diode in the research of EM distribution and temperature measurements in strong microwave fields. Advantages of using silicon diodes for these purposes are outlined.

I.  Introduction

Temperature and EM-field distribution measurements in microwave fields are often required at present. Problems encountered during these procedures may be tackled by placing a sensor element in the field.

II.  Main part

Several types of sensor elements have been tested, including thermocouple, thermistor, etc., but all of them have displayed a number of drawbacks. We have focused on a silicon diode as an optimal sensor element which in the process of measurements was connected to a bridge circuit.

The silicon diode was used in two modes:

1.     Temperature measurements.

2.Electromagnetic intensity measurements, in which case it is necessary to cover the diode with strong absorber.

III.  Conclusion

Silicon diodes may be used as high-quality sensor elements in temperature measurements and during electromagnetic investigations (if placed inside a strong absorber shell made, for example, of graphite and epoxy resin mixture).

The error in temperature measurements, depending on the complexity of experimental setup, was ±0.5…3.0°C; the error in the EM field space resolution measurements was ±2mm at the frequency of about 2.5GHz.


Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2003р.