Устройство для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах

 

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ .СФЕРИЧЕСКИ-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ , содержащее источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор. моделирующий действие среды, и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью повыщения точности воспроизведения закона преломления электромагнитных волн: и обеспечения устойчивости работы , рефрактор выполнен в виде линзы, изготовленной из оптически однородного материала , толщина которой от центра к периферии изменяетсяПО закону 2(p)--Sf S,гдё7 (Р) -толщина линзы; (Р)-заданный угол отклонения лучей в сферически-слоистой среде; Р - прицельный параметр луча; Л/ - показатель преломления мате (D риала линзы. (Л с: О сд N оо со Фиг.1

„„SU„,,. 1054830

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

З(51) С 09 В 23/06

1 с, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Z(P) = со .(Сsin+(P)dр, ) й/-созе(Р) ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3459211 /28-12 !

22) 23.06.82

46) 15.11.83. Бюл. № 42 (72) П. В. Блиох и А. А. Минаков (71) Отделение радиоастрономии Института радиофизики и электроники АН Украинской ССР, г. Харьков (53) 614.844 (088.8) (56) 1. Мировицкий Д. И., Черкунова Г. П.

Тезисы докладов,Х11 Всесоюзной конференции rio распространению радиоволн. Ч. 1.

Томск, 1978, с. 250-251. (54) (57) УСТРОЛСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В НЕОДНОРОДНЫХ СФЕРИЧЕСКИ-СЛОИСТЫХ СРЕДАХ, содержащее источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор, моделирующий действие среды, и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что, с целью повышения точности воспроизведения закона преломления электромагнитных волн и обеспечения устойчивости работы, рефрактор выполнен в виде линзы, изготовленной из оптически однородного материала, толщина которой от центра к периферии изменяется по закону где Z(P) — тол щи н а л инзы;

+(P) — заданный угол отклонения лучей в сферически-слоистой среде;

P — прицельный параметр луча;

hf — показатель преломления мате риала линзы.

1054830

Изобретение относится .к учебным приборам и наглядным пособиям и предназначено для моделирования преломления световых электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, например, таких, как атмосфера и ионосфера планет, короны Солнца, поля тяготения звезд.

Известно устройство для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, содержащее источник излучения световых .электромагнитных волн, рефрактор, моделир) ющий действие среды, и регистрируюгцее устройство (I ).

Недостатком данного устройства является невысая точность воспроизведения закона преломления электромагнитных волн из-за неустойчивости работы рефрактора, представляющего собой подогреваемую или охлаждаемую металлическую сферу, окруженную газовой средой.Для получения заданного закона изменения показателя преломления необходимо получение соответствукнцего градиента температур в газе, что достигается подбором среды и подогревом металлической сферы,а для воспроизведения среды с немонотонным ходом показателя преломления необходимо производить кратковременный (импульсный) подогрев сферы, что часто сопровождается случайными турбулентными неоднородностями среды, вызывающими флуктуации показателя преломления и, следовательно, неточности воспроизведения среды и неустойчивости работы рефрактора.

Цель изобретения — повышение точности воспроизведения закона преломления электромагнитных волн и обеспечение устойчивости работы.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для моделирования преломления электромагнитных волн в неоднородных сферически-слоистых средах, содержащем источник излучения световых электромагнитных волн, рефрактор, моделирующий действие среды, и регистрирующее устройство, рефрактор выполнен в виде линзы, изготовленной из опгически однородного материала, толщина которой от центра к периферии изменяется по закону

Z(P) s - $ ям Ф(Р)

g — cQS 1 (Р) гдето(Р) — толщина линзы;

Ф(Р) — заданный угол отклонения лучей в сферически-слоистой среде;

P — прицельный параметр луча; ф — показатель преломления материала линзы.

На фиг. 1 изображено устройство для демонстрации преломления электромагнитный волн (света) в неоднородных сферически-слоистых средах; на фиг. 2 — ход лучей в сферически-слоистой среде и в моделирующей линзе; на фиг. 3 — рефрактор-линза, моделирующая преломление лучей в короне Солнца; на фиг. 4 — рефрактор-линза, моделирующая преломление лучей в поле тяготения звезды; на фиг. 5 — демонстрация зависимости угла преломления от

5 величины прицельного параметра луча Р; нз фиг. 6 — демонстрация фокусирующего действия сферически-слоистой среды; на фиг. 7 — демонстрация изображений источника, наблюдаемых сквозь сферическислоистую среду. 0 Предложенное устройство состоит из источника 1 излучения (фиг. 1), рефрактора 2 и регистратора 3. В качестве источника 1 излучения может использоваться лампа накаливания с оптической системой, дающей коллимированный пучок света, например демонстрационный диапроектор.

Рефрактор 2 выполнен в виде линзы, изготовленной из оптически однородного материала. Форма поверхности линзы выполнена таким образом, чтобы закон преломления лучей г (Р) в линзе был точно таким же, как и в сферически-слоистой среде. С целью упрощения изготовления одна из поверхностей линзы делается плоской. Уравнение второй поверхности Z = Z (P) определяется из закона преломления лучей

25 N sin@ = ь1п 1 . (1)

Учитывая, что (Р) = б (Р) + т" (Р), а

tgd(P) р

35 р,р

7(Р) сo„ > < 1>) () Z(P) соп51-) ып ИР) dP (g

N со5 Ч (P)

30 где Z (Р) — толщина линзы;

Ч (P) — угол преломления луча в моделируемой сферически-слоистой среде;

F — прицельный параметр луча;

Я вЂ” показатель преломления вещества, из которого изготовлена линза.

Значение константы в этом выражении выбирается таким образом, чтобы во всей области изменения прицельных параметров

40 лучей выполнялось условие Z(P))O .

Выполнение линь, моделирующих преломление электромагнитных волн в таких сферически-слоистых средах, как солнечная корона и поле тяготения звезды, может быть определено для короны Солнца как

45 (Р) = А ()» . Р) Р У)1 (3) где А = 3 — константы, зависящие от длины электромагнитной волны и распределения электронной плотности;

50 г — радиус Сол н ца; знак «-» указывает на отрицательную рефракцию в короне

Солнца.

Согласно выражению (2) находим уравнение поверхности линзы, обечпечивающей

55 заданное 13) отклонение лучей

1054830

1.2

Для преломления электромагнитных волн в поле тяготения звезды (Р ) = — р -1 (5 ) гдето- . — гравитационный радиус звезды.

Уравнение поверхности линзы определяется по формуле (р) с пз fy) > P>R гг р 51

N-1 R

При выводе формул (4) и (6) интеграл в выражении (2) вычислен приближенно, с учетом малости углов преломления I VJ 41

Для демонстрации преломления лучей в качестве регистратора 3 используется плоский рассеивающий экран, установленный либо вдоль оптической оси рефрактора-линзы (в этом случае на экране видно продольное сечение луча), либо перпендикулярно оси (в этом случае на экране видно поперечное сечение луча).

Предлагаемое устройство для демонстрации прелом. пения электромагнитных волн (света) в неоднородных сферическислоистых средах работает следующим образом.

Поток параллельных лучей, идущих от источника 1 света (фиг. 1), падает на рефрактор 2, выполненный в виде линзы. Преломленные линзой по заданному закону лучи света демонстрируются регистратором 3. В предлагаемом устройстве могут быть реализованы различные режимы работы. демонстрация зависимости угла преломления 9 от величины прицельного параметра луча P (фиг. 5). Непрозрачной диафрагмой из потока параллельных лучей, падающих на линзу, выделяется узкий пучок на различных расстояниях P от оптической оси рефрактора-линзы. Экран-регистратор расположен вдоль оптической оси линзы и на нем наглядно видно, как преломляются лучи, имеющие различные прицельные параметры; демонстрация фокусирующего действия сферически-слоистой среды (фиг. 6) . Источник света освещает всю поверхность линзы. Экран-регистратор устанавливается либо вдоль оси линии (при этом на нем видно продольное сечение фокальной области линзы); либо поперек оси (при этом на экране можно наблюдать поперечное сечение фокальной области); демонстрация дифракционных явлений, возникающих при прохождении электромагнитных волн через сферически-слоистые среды. Устройство работает аналогично описанному, но источник света в этом случае должен когерентно освещать всю поверхность линзы. Для этого необходимо вместо лампы накаливания использовать лазер с соответствующей оптической системой, позволяющей расширить и коллимировать лазерный пучок. Регистрация распределения интенсивности в диффракционных диаграммах производится фотометром; демонстрация изображений источника, наблюдаемых сквозь сферически-слоистую среду (фиг. 7). Наблюдаемый объект играет

20 роль источника света. Он может наблюдаться через линзу либо визуально, либо его изображение фотографируется с помощью обычного фотоаппарата. Точность воспроизведения изображения столь высока, что

zs предлагаемое устройство может быть использовано для анализа видимых сквозь сферически-слоистую среду изображения сложных объектов.

Использование предлагаемого устройства в учебном процессе позволяет: обеспечить точное и устойчивое воспроизведение законов преломления в сферически-слоистых средах с любой радиальной зависимостью показателя преломления; наглядно представлять деформацию изображения объекта произвольной формы при наблюдении его сквозь сферически-слоистую среду с высокой точностью; значительно упростить демонстрации эффекта преломления, что позволяет использовать устройство не только в специально оборудованных лабо4О раториях, но и в любых аудиториях. Это удобно при организации научно-популярных лекций.

l05 1830 дцаррогиа Гефракторв гиюр 4ьг Х исл7,малюю

1054830 ре г опрапюр

РеррааырПИН30

Фиг.б

9айя3аеим обрекл

Составитель Б. Андреев

Техред И. Верес Корректор A. Дзятко

Тираж 488 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий .

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Редактор N. Бандура

Заказ 9108/54