Паршин В В, Третьяков М Ю, Кошелев М А, Кукін Л М, Коваль І А, Мясникова С Є Інститут прикладної фізики РАН вул Ульянова, 46, м Н-Новгород, 603950, Росія тел: +7 (8312) 164966, e-mail: parsh@applsci-nnovru

Анотація – Наведено результати досліджень поглинання електромагнітних хвиль в атмосфері в діапазоні 100-370 ГГц Отримано прецизійна інформація про параметри уширения і зсуву тиском ліній поглинання кисню і водяної пари, а також про поглинання в континуумі Вперше отримано інформацію про поглинання при негативних температурах

I                                       Введення

Поширення ММ і особливо субмм хвиль в атмосфері в основному визначається поглинанням молекулами кисню і водяної пари Крім поглинання, обумовленого резонансним поглинанням в кисні (переходи тонкої структури) і обертальних лініях водяної пари, існує і «не резонансне» т н контінуальноє поглинання, природа якого точно не встановлена (Обговорюються варіанти поглинання в молекулярних комплексах, поглинання індуковане зіткненнями та ін)

Для побудови моделей розповсюдження (поглинання) ММ і субмм хвиль в атмосфері при різних метеоумовах (тисках, температурах, вологості), а також для перевірки існуючих моделей необхідна прецизійна інформація як про параметри ліній поглинання – інтегральному поглинанні, розширенні атмосферними газами, зсуві тиском центральної частоти лінії, так і про «континуумі» Отримати таку інформацію на довгих відкритих трасах неможливо зважаючи неконтрольованих-мости метеоумов

Справжня робота є подальшим розвитком робіт [1-4] з дослідження атмосферного поглинання резонаторними методами Основне «нововведення» – це реальне просування в субмм діапазон з безперервним частотним скануванням, що є принциповою відмінністю нашого спектрометра від існуючих аналогів, і розширення температурного діапазону до -20 ° С Досі для розрахунку поглинання при негативних температурах використовувалася екстраполяція результатів «теплих» вимірювань і до того ж тільки в окремих частотних точках ММ і субмм діапазонів [3, 7]

II                              Основна частина

Для дослідження атмосферного поглинання використовувався резонаторний спектрометр з швидким цифровим скануванням частоти випромінювання без фазових стрибків при перемиканнях, чутливим елементом якого є високодобротних (з добротністю -10 ®) резонатор, розміщений в закритому боксі з дозованою подачею азоту, кисню, сухого повітря і пари води Для порушення резонатора створений уніфікований ряд джерел випромінювання на базі ламп зворотної хвилі (ЛОВ) діапазону 36-370 ГГц з синтезованою частотою У всьому діапазоні частот дискретність перебудови частоти = 03 Гц Стабільність частоти випромінювання визначається базовим кварцовим або рубідієвого генератором Смуга управління в системі ФАПЧ ~ 5 МГц

Для перекриття всього діапазону 36-370 ГГц використовуються 6 змінних модулів, виконаних з єдиними установочними розмірами Високодобротних квазіоптичний резонатор і автоматизована система збору і обробки інформації – загальна для всіх піддіапазонів [5, 6]

На рис1 приведена широкодіапазонна запис поглинання випромінювання в атмосфері в діапазоні 45 – 370 ГГц, отримана за допомогою спектрометра

Рис 1 Широкодіапазонна запис поглинання в атмосфері в діапазоні 45-370 ГГц Температура

дорівнює 252 ° С Тиск = 757 Торр Вологість дорівнює 53 Г / м ^

Fig 1 The wide band record of atmosphere absorption

Temperature = 252°C Pressure = 757 Torr

IHumidity =53 g/m^

Ha Рис2, наведені записи спектра поглинання суміші водяної пари з азотом, що містять лінії води на частотах 321 ГГц і 325 ГГц, а також континуум, в залежності від концентрації парів води

На РісЗ наведені записи лінії поглинання чистого кисню при -18 ° С і +23 ° С Подібні записи для цих ліній отримані вперше

III                                   Висновок

Проведено дослідження атмосферного поглинання в діапазоні частот 100-370 ГГц і в інтервалі температур від -23 ° С до +25 ° С Вперше детально досліджена лінія поглинання водяної пари на частоті 325 ГГц Уточнено коефіцієнти уширения чистим азотом і киснем

Отримані результати дозволили суттєво уточнити моделі атмосферного поглинання [3,4]

Отримані результати при атмосферному тиску добре узгоджуються з результатами, отриманими при низьких тисках за допомогою спектрометра з радіоакустичного детектором [8]

Робота виконана за підтримки грантів РФФД: 05-02-17522-а і 06-02-72019-МНТІ а

IV                           Список літератури

Рис 2 Спектр поглинання водяної пари в чистому азоті включає лінії поглинання води на 321 ГГц і 325 ГГц і в континуумі залежно від концентрації води

Fig 2 The water vapour absorption spectrum in pure Nitrogen including lines at 321 GHz and 325 GHz vs water content

[1]           V V Parshin, A F Krupnov, S E Myasnikova, M Yu Tretyakov, V N Shanin «The ultra-low absorption investigations in dielectrics and atmosphere at 45-200 GHz frequency range » Proc 10^ Int Conf CriMiCo’2000 pp 490-492, 2000

[2]           A F Krupnov, M Yu Tretyakov, V V Parshin,

V N Shanin, S E Myasnikova «Modern millimetre-wave spectroscopy of broad lines» Journal of Molecular Spectroscopy, V 202, pp 107-115, 2000

[3]           S-A Boukabara, S A Clough, J-L Moncet, A F Krupnov, M Yu Tretyakov and V V Parshin Uncertainties in the Temperature Dependence ofthe Line-Coupling Parameters ofthe Microwave Oxygen Band: Impact Study IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing V43, No5, pp 1109-1114, 2005

[4]           M Yu Tretyakov, G Yu Golubiatnikov, V V Parshin,

M A Koshelev, S E Myasnikova, A F Krupnov, and

P W Rosenkrantz «Experimental Study ofthe Line Mixing Coefficient for 11875 GHz Oxygen Line» JMS, V 223/1, pp 31-38, 2004

[5]           V N Shanin, V V Dorovskikh, M Yu Tretyakov,

V V Parshin and A P Shkaev An Automated MMillimeter- Wave Resonator Spectrometer for Investigating the Small Absorption in Gases Instruments and Experimental Techniques V46, No6, pp 798-803, 2003

[6] Мясникова С Ε, Паршин В В, Андріанов А Ф, Третьяков М Ю, Шанін В Н, Шкаєва П «резонаторні спектрометр діапазону 36-370 ГГц Результати досліджень діелектриків з надмалим поглинанням » Proc 15-th Int Conf CriMiCo2005 Pp 717-718, 2005

[7]           Q Ma, R H Tipping A simple analytical parameterization for the water vapor millimeter wave foreign continuum Journal of Quantitative Spectroscopy &amp Radiative Transfer V82, pp 517-531,2003

[8]           M Yu Tretyakov, V V Parshin, M A Koshelev,

A P Shkaev, A F Krupnov Extension ofthe Range of Resonator Scanning Spectrometer into Submillimeter Band and Some Perspectives of Its Further Developments, Journal of Molecular Spectroscopy, doi: 101016/j jms200604016

Fig 3 The record of pure Oxygen line at 118 GHz, at -18 °Cand+23 °C

THE ABSORPTION INVESTIGATION OF MM AND SUBMM WAVES BY METHODS OF PRECISE RESONATOR SPECTROSCOPY

Parshin VV, Tretyakov M Yu, Koshelev MA, Kukin L М, Koval I A, Myasnikova S E

Institute of Applied Physics RAS 46 Ulyanov St, Nizhny Novgorod, 603950, Russia

Puc 3 Запис лінії поглинання чистого кисню на 118 ГГц при -18 ^ С і +23 ° С

Abstract – The results of absorption investigation of electromagnetic waves in atmosphere in the frequency range 100 – 370 GHz are presented The precise information about integral absorption, broadening parameters and central frequency shifts of line absorption of Oxygen and water vapour are obtained For the first time the absorption data at negative temperatures was obtained

I                                         Main Part

The advanced resonator spectrometer works in all MM range and partly advanced in SubMM range Those are 36 – 370 GHz

For the measuring resonator exciting and for precise recording of the resonance curve the uniform set of radiation sources (6 units) in the frequency range 36 – 370 GHz on the base of BWO with the frequency step = 03 Hz was created Quartz or Rubidium reference frequency generator defines the frequency stability The frequency operation range in the PLL system is ~ 5 MHz

The main results of atmosphere investigation are presented on the Fig1 – 3 There are wide band records of atmosphere absorption, the water vapour absorption spectrum in pure Nitrogen including lines at 321 GHz and 325 GHz vs water content and the record of pure Oxygen line at 118 GHz, at -18 °C and +23 °C

II                                        Conclusion

The investigations of atmosphere absorption in the frequency range 100 – 370 GHz and the temperature interval have been provided For the first time the water line at 325 GHz was carefully investigated The broadening coefficient for Nitrogen and Oxygen is made more precise

The obtained results permitted essentially to improve the absorption models [3, 4]

The results obtained at atmosphere pressure are in good agreement with the results obtained at low pressure with the RAD-spectrometer [8]

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р