Способ определения параметра киральности искусственных киральных сред



Способ определения параметра киральности искусственных киральных сред
Способ определения параметра киральности искусственных киральных сред

 


Владельцы патента RU 2418292:

Волобуев Андрей Николаевич (RU)
Панфёрова Татьяна Александровна (RU)
Осипов Олег Владимирович (RU)

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам определения электрофизических параметров искусственных киральных материалов, применяемых при изготовлении отражающих покрытий, волноведущих и излучающих структур СВЧ-диапазона. Предлагается экспериментальный способ измерения параметра киральности плоскопараллельного образца искусственной киральной среды с использованием сканирующего СВЧ-излучения с известной длиной волны при заданных значениях диэлектрической и магнитной проницаемостей вещества. Способ основывается на регистрации угла поворота плоскости поляризации СВЧ-излучения известной длины волны при прохождении плоскопараллельного образца кирального материала с помощью прямоугольной Е-плоскостной секториальной рупорной антенны. Параметр киральности образца вычисляется на основе экспериментально полученных данных как отношение угла поворота плоскости поляризации СВЧ-излучения к модулю волнового числа этого излучения. Технический результат изобретения - возможность определения параметра киральности материала в широком диапазоне длин волн СВЧ. 2 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к способам определения электрофизических параметров искусственных киральных материалов, применяемых при изготовлении отражающих покрытий, волноведущих и излучающих структур.

Известен оптический способ определения удельного вращения оптически активных сред с помощью измерения угла поворота плоскополяризованного света в оптически активной среде [1].

Однако с помощью указанного оптического метода невозможно получить численное значение параметра киральности искусственных киральных материалов, а можно измерить, например, концентрацию естественного оптически активного вещества - сахара в моче, например сахариметром.

Современные искусственные метаматериалы могут создаваться с использованием киральных проводящих композитов зеркально асимметричной формы с поперечными размерами, значительно меньшими длины волны СВЧ [2]. Искусственная киральная среда представляет собой композитный материал, где в твердую диэлектрическую основу включаются периодически расположенные и хаотически ориентированные проводящие микроэлементы зеркально асимметричной формы. В качестве киральных композитов могут использоваться трехмерные право- и левовинтовые спирали, полоски в виде буквы S и ее зеркального эквивалента, плоские спирали и др. элементы, обладающие свойством зеркальной асимметрии. Структуры, включающие в себя зеркально асимметричные композиты, называются киральными и в настоящее время находят применение при создании нового класса частотно- и поляризационно-селективных устройств СВЧ и при проектировании малоотражающих покрытий определенного диапазона частот.

Для описания электрофизических свойств киральной структуры, в отличие от диэлектрической, необходимо использовать три материальных параметра - относительные диэлектрическую проницаемость ε, магнитную проницаемость µ и параметр киральности χ [2]. Существующие на настоящий момент волноводные методы измерения электрофизических параметров образцов позволяют получать экспериментальные значения только ε и µ. Современные требования к созданию композиционных метаматериалов приводят к необходимости определения значения относительного параметра киральности образца с известными значениями диэлектрической и магнитной проницаемости и толщины. Известна теоретическая методика определения относительного параметра киральности кирального слоя на основе плоских S-элементов [3]. Экспериментальная реализация рассмотренного в [3] метода не представляется возможной.

Материальные уравнения киральной среды имеют вид [2]:

где и - напряженности электрической и магнитной составляющих поля, а и - их индукции, ε и µ - относительные диэлектрическая и магнитная проницаемости киральной среды; χ - параметр киральности, i - мнимая единица. Верхние знаки соответствуют киральной среде на основе правых форм зеркально асимметричных элементов, а нижние знаки - на основе левых форм.

Параметр киральности χ является связующим элементом двух дифференциальных уравнений второго порядка для векторов напряженности электрического и магнитного полей СВЧ-излучения в киральной среде [2]:

где - показатель преломления диэлектрической основы киральной среды, k=2π/λ - модуль волнового числа СВЧ-излучения в киральной среде, λ - длина волны этого излучения в киральной среде.

Для разделения уравнений (2) вводим напряженности электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией (поля Бельтрами), фиг.1.

Напряженность плоскополяризованного электрического поля электромагнитной СВЧ-волны в киральной среде равна суперпозиции напряженностей электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией . Используя общую связь напряженностей электрического и магнитного полей в электромагнитной волне, можно найти напряженность магнитного поля в этой волне в виде . Следовательно, связанные дифференциальные уравнения (2) разделяются на два независимых уравнения для электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией:

где kR=k(n+χ) и kL=k(n-χ) - волновые числа электрических полей с правокруговой и левокруговой поляризацией в киральной среде.

Используя общую связь между волновым числом и показателем преломления вещества, находим показатели преломления полей с правокруговой и левокруговой поляризацией nR=n+χ и nL=n-χ.

На основе феноменологических представлений Френель получил формулу для вычисления угла поворота плоскости поляризации света в оптически активной (киральной) среде [4]:

где d - толщина среды, фиг.2. Величина α=π(nR-nL)/λ носит название удельного вращения.

Подставляя выражения для nR и nL в формулу Френеля (4), получаем:

где удельное вращение α=kχ.

Таким образом, физический смысл параметра киральности заключается в его равенстве удельному вращению, нормированному на волновое число.

Учитывая связь волнового числа электромагнитной волны в вакууме kвак=2π/λвак, где λвак - длина волны СВЧ-излучения в вакууме (фиг.2), и в среде , находим из формулы (5) параметр киральности:

Формула (5) позволяет вычислить параметр киральности искусственной киральной среды по измеренному углу поворота плоскости поляризации волны, прошедшей через киральный образец.

Для нахождения параметра киральности образца с помощью прямоугольной Е-плоскостной секториальной рупорной антенны 1 [5] плоскополяризованная СВЧ-волна заданной длины λвак направляется на плоский киральный образец (фиг.2). СВЧ-волна, прошедшая через киральный образец, воспринимается такой же рупорной антенной 2. Плоскость поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны на входе из кирального образца определяется путем вращения рупорной антенны 2 вокруг своей оси. При появлении максимальной интенсивности СВЧ-излучения, регистрируемого от рупорной антенны 2, измеряется угол поворота рупорной антенны 2 относительно рупорной антенны 1. Угол поворота между антеннами 1 и 2 равен углу поворота плоскости поляризации φ плоскополяризованной СВЧ-волны заданной длины λвак при ее прохождении через киральный образец. Используя известные данные о величинах d, ε и µ, по формуле (6) вычисляется параметр киральности χ исследуемого образца.

Предлагаемый экспериментальный способ измерения параметра киральности обладает следующими достоинствами:

1. Киральный образец находится в свободном пространстве, что не накладывает ограничений на его поперечные размеры.

2. Измерения можно проводить в широком диапазоне длин волн СВЧ.

3. Для проведений измерений не требуется определять точные значения мощности отраженной и прошедшей через киральный образец электромагнитных волн.

Источники информации

1. Ливенцев Н.М. Курс физики для медвузов. - М.: Высшая школа, 1974. - 648 с.

2. Неганов В.А., Осипов О.В. Отражающие, волноведущие и излучающие структуры с киральными элементами. - М.: Радио и связь, 2006. - 280 с.

3. Boruhovich S.P., Prosvirnin S.L., Schwanecke A.S., Zheludev N.I. Multiplicative measure of planar chirality for 2D meta-materials // Proceedings of the European Microwave Association, 2006. - V.2. - P.89-93.

4. Волькенштейн М.В. Биофизика. - М.: Наука, 1981. - 576 с.

5. Неганов В.А., Табаков Д.П., Яровой Г.П. Современная теория и практические применения антенн. - М.: Радиотехника, 2009. - 720 с.

Способ определения параметра киральности среды, основанный на регистрации угла поворота плоскости поляризации СВЧ-волны в киральном образце с помощью прямоугольной Е-плоскостной секториальной рупорной антенны, отличающийся тем, что регистрируется численное значение угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны заданной длины и с помощью однозначной связи угла поворота плоскости поляризации плоскополяризованной СВЧ-волны, толщины образца киральной среды, относительных диэлектрической и магнитной проницаемостей киральной среды, длины СВЧ-волны в вакууме, определяется параметр киральности.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиационной техники, а именно к способам бесконтактного контроля технологических параметров различных производственных процессов, например измерения уровня или плотности веществ в различных емкостях, основанным на определении изменения интенсивности потока ионизирующего излучения после его взаимодействия с контролируемым веществом.

Изобретение относится к области анализа материалов радиационными методами и может быть использовано для определения концентрации серы в нефти и нефтепродуктах непосредственно в технологических трубопроводах на потоке.

Изобретение относится к устройству для исследования заполненных сосудов на наличие инородных тел, таких как осколки стекла, с транспортирующим устройством для транспортировки сосудов по отдельности последовательно друг за другом в один ряд в плоскости транспортировки, с источником рентгеновских лучей для испускания рентгеновского луча в заданном направлении и с устройством приема рентгеновских лучей после прохождения через сосуды.

Изобретение относится к неразрушающим методам исследования структурно-динамических свойств вещества, а именно к области анализа атомных и молекулярных движений (колебания, диффузия, релаксация) в реальном времени на наноскопических масштабах с помощью неупругого рассеяния нейтронов.

Изобретение относится к области исследования физических свойств материалов и обеспечения контроля за состоянием технических объектов, находящихся под действием механических и/или термомеханических нагрузок в среде, характеризуемой определенной температурой и химическим составом.

Изобретение относится к области радиационной техники и предназначено для контроля состава и размещения груза в закрытых контейнерах в морских и речных портах, а также на железнодорожных станциях, где происходит загрузка и выгрузка контейнеров.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в различных отраслях промышленности, в частности в нефтяной промышленности, для определения газосодержания в газожидкостной смеси с помощью радиоизотопных средств измерения.

Изобретение относится к конструктивным элементам систем неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами, а именно к преобразователям проникающих излучений с каналами транспортировки излучения и преобразования излучений.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиационными методами и может быть использовано для их дефектоскопии в производственных и полевых условиях, а также для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах.

Изобретение относится к технике высоких давлений и может быть использовано для разнообразных научных исследований, в частности для изучения состояния вещества при сверхвысоких давлениях и температурах в связи с реконструкцией строения глубинных частей Земли, а также для изучения фундаментальных физических свойств вещества

Изобретение относится к технике обнаружения взрывчатых веществ, в частности к системам обнаружения и идентификации взрывчатых веществ на входе в здание, и может быть использовано для обнаружения взрывчатых веществ в различных закрытых объемах и на теле человека, находящегося в местах массового скопления людей

Изобретение относится к неразрушающим методам определения количественного состава полимерных композиционных материалов, в частности к определению величины содержания связующего и наполнителя при пропитке волокнистого длинномерного материала связующим, и может найти применение в авиационной, судостроительной и других отраслях промышленности

Изобретение относится к способу изготовления вала для турбины и/или генератора посредством сварного соединения и к валу, изготовленному упомянутым способом. Осуществляют удаление по меньшей мере с одной стороны основной ограничивающей круговой поверхности соответственно одной центральной части соответствующего элемента (5) вала относительно оси вращения (2) для получения соответственно одной открытой полости (11) по меньшей мере в одном цилиндре (3) в пределах оставшегося трубообразного ребра (13). Размещают два элемента (5) вала вдоль оси вращения (2) коаксиально друг другу с образованием полого пространства (15). Получают первый трубчатый кольцевой шов (17) посредством электродуговой сварки в узкий зазор. В одном из двух элементов (5) вала выполняют сквозное отверстие (18) снаружи в полое пространство (15). Осуществляют оценку качества первого трубчатого кольцевого шва (17) изнутри полого пространства (15) во время и/или после сварки посредством введенного через сквозное отверстие (18) в полое пространство (15) воспринимающего устройства (19) или источника (19а) излучения. Таким образом, можно непосредственно регулировать процесс сварки. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой микроэлектронике. Сущность изобретения: в способе диагностики полупроводниковых эпитаксиальных гетероструктур, включающем сканирование образца в условиях брэгговского отражения в пошаговом режиме, производимом путем изменения угла падения рентгеновского луча, использование рентгеновской однокристальной дифрактометрии с немонохроматическим, квазипараллельным пучком рентгеновских лучей и позиционно-чувствительным детектором, рентгеновскую трубку и детектор устанавливают относительно углового положения характеристического пика θ от одной из систем кристаллографических плоскостей гетероструктуры на угол θ1=θ±(0.5°÷4°), по отклонению положения интерференционного пика тормозного излучения на шкале детектора от угла падения рентгеновского луча определяют погрешность положения образца, с учетом полученной погрешности независимым перемещением устанавливают трубку в положение Δθ, при котором ось симметрии между трубкой и детектором перпендикулярна к выбранной системе кристаллографических плоскостей, при таком положении трубки проводят пошаговое сканирование в диапазоне углов, характеризующих выбранную систему кристаллографических плоскостей, независимым перемещением устанавливают трубку на угол Δθ1=Δθ±(0.2°÷1°), выводя максимум тормозного пика за границы характеристического пика, затем проводят пошаговое сканирование всех слоев гетероструктуры, оставляя неизменным угловое положение характеристического пика от системы кристаллографических плоскостей путем перемещения шкалы детектора, и определяют угловые положения пиков от всех слоев гетероструктуры. Техническим результатом изобретения является повышение разрешения и точности измерения углов Брэгга наблюдаемых максимумов интенсивности при исследовании широкозонных гетероструктур AlGaN/GaN и КНИ-структур с субмикронными и нанометровыми слоями и, следовательно, более точное определение фазового состава и свойств слоев, формирующих гетероструктуры. 1 табл., 5 ил.

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы, причем в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 B, а на другую - переменное напряжение - меандр амплитудой ±15 B и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы. Технический результат - упрощение конструкции и повышение надежности измерения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области неразрушающего контроля материалов и изделий радиографическими методами и может быть использовано в производственных и полевых условиях для обнаружения опасных материалов на контрольно-пропускных пунктах, на железнодорожных станциях, в аэропортах, таможенных службах, а также в научных исследованиях. Техническим результатом изобретения является повышение пространственного разрешения экрана-преобразователя до десятков микрометров, не зависящего от длины экрана-преобразователя и энергии излучения, уменьшение вклада в сцинтилляционный сигнал рассеянного излучения и тем самым увеличение контраста радиографического изображения, и одновременно получение изображений в различных участках спектра. Технический результат достигается тем, что в экране-преобразователе однокоординатные сцинтилляционные детекторы последовательно расположены в направлении распространения просвечивающего излучения, перекрывая сечение просвечивающего пучка, выходы однокоординатных сцинтилляционных детекторов объединены на фотоприемном устройстве так, что повторяют форму перекрываемого сечения, соединены последовательно. 5 ил.

Использование: для измерения поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов. Сущность изобретения заключается в том, что детектируют и регистрируют плотность потока гамма-квантов, рассеянных на электронах атомов вещества при взаимодействии потока первичного гамма-излучения источника ионизирующего излучения с материалом грунта и определяют плотность грунта по зарегистрированной плотности потока гамма-квантов, при этом детектор и гамма-источник предварительно удаляют от поверхности грунта на такое расстояние, при котором во всем диапазоне измерения поверхностной плотности имеет место прямая (возрастающая) зависимость между зафиксированной детектором интенсивностью рассеянного грунтом излучения гамма-источника и поверхностной плотностью контролируемого грунта и, одновременно, погрешность измерения поверхностной плотности, обусловленная неоднородностью рельефа гетерогенного грунта, имеет допустимое значение. Технический результат: повышение точности при измерении поверхностной плотности преимущественно гетерогенных грунтов. 4 ил.

Изобретение относится к газовой промышленности и предназначено для исследования газоконденсатных смесей в пористой среде, а именно для определения давления начала конденсации в пористой среде. Техническим результатом является повышение точности, а также снижение трудоёмкости измерения давления начала конденсации газоконденсатных смесей в пористой среде. Способ определения давления начала конденсации в пористой среде включает подачу исходной газоконденсатной смеси в пористую среду, подготовку пористой среды, размещение подготовленной пористой среды в рентгенопрозрачном кернодержателе, создание горного давления в пористой среде, подачу метана под давлением, равным пластовому давлению, создание и поддержание постоянного пластового давления в рекомбинаторе и в пористой среде, подачу исходной газоконденсатной смеси в пористую среду при давлении, равном пластовому, путем прокачки 2-3 поровых объемов исходной газоконденсатной смеси, моделирование процесса истощения пористой среды при выбранном шаге снижения давления, прогрев рентгеновской трубки и сканирование пористой среды на каждом шаге снижения давления, регистрацию значения интенсивности рентгеновского излучения при выбранном давлении после каждого сканирования пористой среды, построение графика изменения интенсивности рентгеновского сигнала, проходящего через пористую среду, от давления следующим образом: по оси абсцисс откладывают значения давления Р (МПа) в процессе истощения пористой среды, по оси ординат - значения интенсивности рентгеновского излучения I (отн. ед.). Процесс истощения пористой среды производят до получения экстремума на графике, по которому определяют значение давления начала конденсации Pн.к. (МПа). 1 ил., 1 табл.
Наверх