Єременко 3 Е, Ганапольський Є М Інститут радіофізики та електроніки ім А Я Усикова НАН України вул Ак Проскури, 12, Харків, 61085, Україна Тел: +38 (057) 7023-553, e-mail: z_eremenko@irekharkovua

Анотація – Розроблено новий метод вимірювання комплексної діелектричної проникності сильно поглинаючої рідини в малому обсязі за допомогою обємного напівсферичного резонатора сантиметрового діапазону з малою центральної напівсферичної порожниною для вимірюваної рідини

I                                       Введення

Вимірювання комплексної діелектричної проникності сильно поглинаючих рідин на водній основі на СВЧ є ефективним способом отримання інформації про властивості рідин на молекулярному рівні, так як на цих частотах спостерігається максимальна частотна дисперсія води У ряді випадків, повязаних, наприклад, з виробництвом лікарських препаратів або з ідентифікацією або тестуванням рідини, її робочий обєм, доступний для вимірювання, виявляється досить малим Застосування в таких умовах відомих хвилеводних

[1] або резонаторних [2] методів для вимірювання будь-яких значень комплексної діелектричної проникності практично неможливо У звязку з цим виникає проблема створення ефективного способу вимірювання на НВЧ діелектричних властивостей рідин з великими значеннями ε та / або ε при досить малому обсязі використовуваного зразка

II                               Основна частина

Метою нашого докпада, який є логічним розвитком роботи [3], є опис нового методу вимірювання комплексної діелектричної проникності в малому обсязі сильно поглинає рідини Для цього в якості вимірювальної комірки був обраний обємний півсферичний резонатор з малою центральної напівсферичної порожниною Ця порожнина оточена твердим хімічно стійким діелектриком (наприклад, тефлоном) і заповнюється вимірюваної рідиною

Суттєві властивості нашого вимірювального резонатора (рис1) наступні

По-перше, в напівсферичним резонаторі, відкритому для порушення в будь-якій точці по радіусу, як робочий вибирається тип коливань, при якому малий обєм рідини в порожнині робить істотний вплив на добротність і зсув власної частоти По-друге, використовуючи сферичну симетрію такого резонатора, можна, не вдаючись до наближеного методу теорії збурень, із заданою точністю розрахувати необхідні оптимальні параметри вимірювальної комірки І, що суттєво, визначити залежності, що звязують зміщення резонансної частоти і величину навантаженої добротності з дійсної та уявної частинами діелектричної проникності вимірюваної рідини

Рис 1 Напівсферичний резонатор для вимірювання діелектричної проникності рідини: 1 – вхідний хвилевід: 2 – вихідний хвилевід 3 – дипольні елементи звязку резонатора з хвилеводом

4 – Вимірювана рідина 5 – тефлонова вставка 6 – металевий корпус резонатора (г ^ = 17,5 мм)

Fig 1 IHemispherical resonator for liquid permittivity measurement: 1 – input waveguide 2 – output waveguide 3-dipole elements of resonator-waveguide coupling 4 – liquid under examination 5 – polytetafluoro- ethylene insert 6 – resonator metal case (г ^ = 17,5 mm)

Puc 2 Залежність власної резонансної частоти резонатора f (a) і зворотного добротності 1 / Q (б) від omнouJeнuя радіусів г / рр 14іфрамі відзначені: 1 – порожня порожнину 2 – спирт 3 – вода

Fig 2 Dependence of eigen resonance frequency f (a) and inverse 1 / Q (6) on radii relation Т1/Т2 1 – empty cavity 2 – alcohol 3 – water

На рис2 показана залежність резонансної частоти і зворотної добротності від ставлення r ^ lr ^ для різних рідин в порожнині резонатора і робочої моді коливань тещ Власна частота коливань резонатора з порожньою порожниною (криві 1) незначно зростає, а зворотна добротність практично не змінюється, так як поле в цьому випадку в основному концентрується поза порожнини Якщо помістити в порожнину спирт (Криві 2), то зі збільшенням Tj власна частота резонатора зменшується, а зворотна добротність істотно зростає, оскільки максимум розподілу поля переміщається в порожнину зі спиртом (як у середовище з великим значенням діелектричної проникності) При цьому радіальний індекс коливань залишається / = 1 Якщо ж помістити в сферичну порожнину воду (криві 3), то виникає зворотна ситуація: з збільшенням власна частота резонатора зростає, але при цьому зворотна добротність зменшується немонотонно Ефект зростання частоти резонатора можна пояснити витісненням електромагнітного поля з порожнини, зайнятої рідиною з великими величинами ε [і ε (ε [і ε »1) При цьому витіснення поля супроводжується перетворенням основної моди коливань (/ = 1) в моди з /> 1 та відповідним збільшенням резонансної частоти

III                                   Висновок

Таким чином, розглянутий метод дозволяє виміряти комплексну діелектричну проникність в малому обсязі сильно поглинає рідини Дано теоретичне обгрунтування цього методу [4] за допомогою рішення точного характеристичного рівняння для даного резонатора Як характерний приклад проведено вимірювання діелектричних властивостей спирту і води Отримані експериментальні дані досить задовільно узгоджуються з теоретичними Виявлено ефект виштовхування поля з порожнини з рідиною з великими значеннями дійсної і уявної частин діелектричної проникності [4]

IV                            Список літератури

[1] р м ГлібіцкіО, В А Кашпур Метод вимірювання діелектричної проникності в міліметровому діапазоні розчинів біоматеріалів в залежності від температури . СБ науч тр Ан УРСР Ін-т радіофізики та електроніки Київ: Наук Думка, 1989 с10-15

[2] Лабутин С А Лопаткін А В резонаторні система СВЧ-вимірів комплексної діелектричної проникності матеріалів Прилади й техніка експерименту,

1998, № 3, с 166-167

[3] Ganapolskii Є М and GolikA V А Sapphire sphere resonator for the measurement of low dielectric losses in the millimetre-wave range in liquids / / Measurement Science and Technology, 1997, Vol8, pp 1016-1022

[4] Eremenko Z E, Ganapolskii E M Method of microwave measurement of dielectric permittivity in small volume of high loss liquid using hemispherical cavity resonator Measurement Science and Technology, 2003, Vol14, pp 2096 – 2103

MICROWAVE MEASUREMENT OF HIGHLOSS LIQUID PERMITTIVITY INSMALL VOLUME

Eremenl<o Z E, Ganapoisl<ii E IVI

Usikov Institute for Radiophysics and Electronics of National Academy of Sciences of Ukraine Proskura Str 12, Kharkov, 12, 61085, Ukraine Ph: +38(057) 7023-553, e-mail: z_eremenko@irekharkovua

Abstract – New measurement permittivity method of high loss liquid in small volume using semi-spherical microwave resonator with small central cavity for measuring liquid was worked out

I                                         Introduction

The complex permittivity measurement of high loss liquid with water base on microwave is effective way to obtain the information about properties of liquids on molecular level, because of maximal frequency dispersion on this frequencies In a series of cases that are relevant to the medicine production or identification, available liquids volume is rather small The sage in such a case known waveguide [1] or resonance [2] methods are practically impossible The problem of effective microwave technique arises for measurement of dielectric properties of liquids with high ε and/or ε&quot values at rather small sample volume

II                                        Main part

The purpose of our report is the description a new method of permittivity measurement in small volume of high loss liquid For that we used a cavity semi-spherical microwave resonator with a small central cavity This central cavity was surrounded with chemical-resistant dielectric (e q Teflon) and filled with monitoring liquid The essential features of our measuring resonator (fig1) are as follows First, semispherical resonator that is open for excitation in any radius point and we can use such an oscillation mode when even small liquid volume has great influence on quality factor and resonant frequency of the resonator Second, using spherical symmetry such a resonator we can calculate with definite accuracy optimal resonator parameters without perturbation approach And, it is essential we can determine the dependences between resonant frequencies, the load quality factor and real and imaginary parts of liquid permittivity

III                                       Conclusion

Thus, the considered method permits to measure complex permittivity in a small volume of high loss liquid We produced the theoretical base of our method by solving rigorous characteristics equation for such a resonator [4] As a specific example we measured the dielectric properties of water and pure alcohol The obtained experimental data have a good agreement with numerical results We detected the pushing effect of electromagnetic field out of the cavity with high loss liquids that have high values of real and imaginary permittivity parts [4]

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