КОМПЛЕКС ДЛЯ МАГНИТОУПРАВЛЯЕМОЙ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНОЙ МОДУЛЯЦИИ ТЕРАГЕРЦОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
COMPLEX FOR MAGNETICALLY CONTROLLED AMPLITUDE-FREQUENCY MODULATION OF TERAHERTZ RADIATION

Изобретение относится к области широкополосной терагерцовой (ТГц) спектроскопии и предназначено для управления амплитудой и частотным спектром ТГц излучения. Амплитудно-частотные модуляторы ТГц диапазона частот имеют широкий спектр применений: частотные фильтры, поглотители, переключатели, аттенюаторы, затворы. Амплитудно-частотные модуляторы (АЧМ) ТГц диапазона различаются по методу управления:
1. Механическое управление - за счет ручного вращения устройства, либо его деформации (сжатие/растяжение) [1, 2].
2. Термоуправление - за счет изменения температуры. Недостаток - инерционность [3, 4].
3. Воздействие электрическим полем на среды с переменной диэлектрической проницаемостью либо материалы, позволяющие производить фазовый переход, контролируемый электрическим полем [5, 6]. Недостаток - сложная структура модулятора.
4. Воздействие магнитным полем на магниточувствительные материалы, в частности, магнитные жидкости. Магнитно-управляемые модуляторы на основе магнитных жидкостей обладают малыми потерями в ТГц диапазоне и обладают достаточным быстродействием - порядка нескольких секунд [7, 8, 9].
Известен модулятор излучения терагерцевого диапазона, состоящий из стопы жидкокристаллических ячеек, каждая из которых составлена из двух подложек, разделенных спейсерами [10]. Технический результат - обеспечение модуляции излучения терагерцевого диапазона с малыми напряжениями, присущими жидким кристаллам (ЖК), и малыми временами переключения. Активным материалом данного устройства является нематический жидкий кристалл пентил-цианобифенил. Недостатки модуляторов на ЖК: сложная гибридная структура и необходимость соблюдения температурного режима, поскольку в ЖК происходит кристаллизация при температурах ниже 22,5°C, ЖК переходит в изотропное состояние при температурах выше 35,5°C, в интервале температур от 22,5 до 35,5°C ЖК имеет нематическую фазу.
Известен перестраиваемый полосовой фильтр, содержащий пару резонансных полостей щелевой линии, образованных в металлической пленке, покрывающей плоскую поверхность ферритовой подложки [11]. Внешнее управляющее магнитное поле направлено поперек резонансных полостей линии щели. Частотный сдвиг полосы пропускания происходит за счет того, что магнитное поле вызывает изменение электрической длины резонансных полостей, поскольку магнитная проницаемость ферритового материала изменяется приложенным полем.
3
4
25
43
3
25
43
3,
В качестве прототипа выбрана конструкция кюветы с магнитной жидкостью, состоящую из наночастиц FeO и изопарафинового легкого углеводородного масла (CHNO), включающая кварцевую кювету и два постоянных магнита [12]. Данная конструкция работает следующим образом. В кварцевую кювету наливается магнитная жидкость. Кювета размещается на пути ТГц излучения. Кювета имеет малое поглощение в отсутствие магнитного поля. При приближении магнитов к кювете, магнитные частицы в магнитной жидкости выстраиваются вдоль вектора магнитной индукции, в результате изменяется интенсивность ТГц излучения, проходящего через кювету с магнитной жидкостью. Недостатком является использование дорогостоящей кварцевой кюветы, а также постоянных магнитов, что затрудняет изменение величины магнитного поля, воспроизводимость результатов за счет механического управления. Кроме этого, изопарафиновое углеводородное масло с химической формулой CHNOиспользованное в данном устройстве, является нейроактивным стероидом (минаксолоном), который был разработан как общий анестетик, но был исключен до регистрации из-за токсичности, и отсутствует в продаже [13]. Это снижает доступность и затрудняет его использование в практической деятельности.
Задачей технического решения является снижение сложности изготовления и упрощение управления амплитудно-частотными характеристиками терагерцового излучения.
Технический результат в разработанном комплексе для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения достигается за счет того, что он так же, как и прототип, содержит магнитную систему и кювету с магнитной жидкостью. Новым в разработанном комплексе для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения является то, что вместо кварцевой, используется кювета из оптически прозрачного для ТГц излучения пластика, наполненная суспензиеймагнитных частиц из сплава, обладающего высокой магнитной проницаемостью в автомобильном моторном масле, а также тем, что используются электромагниты, выполненные в виде катушек Гельмгольца с сердечниками из материала с высокой магнитной проницаемостью при этом кювета размещается между электромагнитами для получения внутри нее сильного и однородного магнитного поля, величина которого может меняться при изменении подаваемого на электромагниты напряжения.
Пример реализации.
Кювета, наполненная магнитной жидкостью (Фиг. 1), представляет собой корпус 1 из оптически прозрачного пластика с габаритными размерами (ДхВхШ) 5×12×14 мм, толщина стенок 1 мм. Например, кювета может быть напечатана на 3D принтере, окна изготовлены из листового фторопласта. Магнитная жидкость 2 изготовлена на основе автомобильного синтетического моторного масла класса 5w40 марки Toyota, обладающего стабильными физико-химическими свойствами, а также хорошей прозрачностью в терагерцовом диапазоне [15] с добавлением магнитных частиц, полученных из аморфного сплава 5БДСР (магнитная проницаемость μ≥40000). Фракционный состав порошка в магнитной жидкости составлял 30-50 мкм. Корпус 1 закрывается крышкой 3 [14].
Каркас катушек Гельмгольца спроектирован в системе автоматизированного проектирования (САПР) и изготовлен на 3D принтере из пластика марки «PLA» (Фиг. 2). Катушки Гельмгольца (Фиг. 3) выполнены в виде двух катушек индуктивности 4 с внешним диаметром 70 мм. Намотка провода 5 на каркас катушек Гельмгольца 6 осуществлялась строго виток к витку обмоточным проводом ПЭТВ-2 диаметром 0,5 мм и насчитывала порядка 1800 витков. Для улучшения характеристик создаваемого магнитного поля использовалась пара сердечников 7 диаметром 30 мм, изготовленные из магнитомягкого ферромагнитного материала.
Измерения величины магнитной индукции и однородности магнитного поля выполнены с помощью магнитометра «Актаком ATE-8702». Данный прибор позволяет проводить измерение постоянных (DF) и переменных магнитных полей (AF). Диапазоны измерений магнитометра: DF от 0 до 30000 Гс (3000 мТл); AF от 0 до 15000 Гс (1500 мТл), цена деления прибора: 0,01 мТл. На Фиг. 4 представлена зависимость индукции магнитного поля катушек Гельмгольца от силы тока, где кривая 1 показывает индукцию магнитного поля без ферромагнитного сердечника, кривая 2 показывает индукцию магнитного поля с ферромагнитным сердечником. Изготовленные катушки Гельмгольца (Фиг. 3) генерируют стабильное магнитное поле с магнитной индукцией до 57,2 мТл, при токе 0,92 А. Область однородности магнитного поля имеет форму сферы диаметром 11 мм, что превышает диаметр пучка типичных ТГц спектрометров. Например, ТГЦ спектрометр T-SPEC (EXPLA, Эстония) имеет диаметр пучка 3 мм.
Реализованная конструкция комплекса для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения (Фиг. 5) состоит из корпуса 8 с катушками Гельмгольца 9, кюветы, наполненной магнитной жидкостью 10 и размещенной между катушками Гельмгольца, разъема 11 для подсоединения источника внешнего напряжения. В корпусе 8 имеется сквозное отверстие 12 диаметром 15 мм для прохождения пучка ТГц излучения.
Комплекс для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения работает следующим образом.
Комплекс (Фиг. 5) размещается сквозным отверстием 12 на пути распространения пучка ТГц излучения. Кювету 10 из оптически прозрачного для ТГц излучения пластика, наполненной суспензией магнитных частиц 2, размещают между катушек Гельмгольца 9. При отсутствии напряжения, катушки Гельмгольца 9 не генерируют магнитное поле, и расположенные в кювете 10 магнитные частицы 2, расположены хаотично (не ориентированы). В этом режиме наблюдается слабое ослабление ТГц излучения в области от 0,2 до 1,5 ТГц, возрастающее с частотой (Фиг. 6). Далее комплекс для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения подключается к источнику питания постоянного тока с переменным выходным напряжением 0-30 В, 3 А (Фиг. 7). При подаче напряжения, катушки Гельмгольца 9 создают магнитное поле, расположенные в кювете 10 магнитные частицы 2, выстраиваются вдоль вектора магнитной индукции, образуя нитевидную структуру (Фиг. 8). В результате комплекс для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения действует как фильтр низких частот (при величие магнитного поля - единицы мТл) или как фильтр высоких частот (при величие магнитного поля - десятки мТл) (Фиг. 6). Таким образом, меняя величину магнитного поля, можно управлять характеристиками комплекса для магнитоуправляемой амплитудно-частотной модуляции терагерцового излучения.
Список литературы
1. Ruan J-F., Lan F., Tao Z., Meng Z-F., Ji S-W. Tunable terahertz metamaterial filter based on a applying distributed load // Physics Letters A. 2022. V. 421. doi: 10.1016/j.physleta.2021.127705.
2. Akter N., Karabiyik M., Pala N. Highly tunable, flexible and stretchable frequency selective surface-based THz bandpass filter // 2019 IEEE Photonics Conference (IPC). 2019. doi: 10.1109/IPCon.2019.8908502.
3. Ling F., Huang R., Meng Q., Li W., Zhang B. Study on thermally control terahertz narrow bandpass filter // Proceedings of SPIE. 2017. V. 10250. doi: 10.1117/12.2266752.
4. Nemec H., Duvillaret L., Garet F. Thermally tunable filter for terahertz range based on a one-dimensional photonic crystal with a defect // Journal of Applied Physics. 2004. V. 96. doi: 10.1063/1.1787623.
5. Одит М.А., Вендик И.Б., Козлов Д.С., Торбенко В.Н. Управляемый фильтр ТГц-диапазона // С. 335-339.
6. Chen Y., Cheng J., Liang C. Switchable terahertz band-pass/band-stop filter enabled by hybrid vanadium dioxide metamaterial // Advances in Condensed Matter Physics. 2020. V. 2020. doi: 10.1155/2020/3902835.
7. Усанов Д.А., Постельга А.Э., Бочкова Т.С., Гаврилин В.Н. Динамика агломерации наночастиц в магнитной жидкости при изменении магнитного поля // Журнал технической физики. 2016. Т. 86. № 3. С. 146-148.
8. Антонюк О.А., Коваленко В.Ф., Молдован Б.Н., Петричук М.В. Периодическая структура игольчатых магнитных кластеров в магнитной жидкости // Журнал технической физики. 2005. Т. 75. С. 93-97.
9. Liu X., Xiong L., Yu X., He S., Zhang B., Shen J. Magnetically controlled terahertz modulator based on Fe3O4 nanoparticle ferrofluids // Journal of Physics D: Applied Physics. 2018. V. 51. N 10. doi: 10.1088/1361-6463/aaab97.
10. Пасечник С.В., Шмелева Д.В., Цветков В.А., Дубцов А.В., Демидова Л.Ф. Модулятор терагерцевого излучения. Патент RU 2 625 636. 22.09.2016.
11. Elio A. Mariani, Richard A. Stern. Slot linetunable bandpass filter. Feb. 2, 1988. United States Statutory Invention Registration. Reg. Number: H432. 1988.
12. Chen S., Fan F., Chang S., Miao Y., Chen M., Li J., Wang X., Lin L. Tunable optical and magneto-optical properties of ferrofluid in the terahertz regime // Optics Express. 2014 V. 22. N 6. P. 6313-6321
13. Минаксолон [Электронный ресурс] URL: https://wikidemia.ru/w/Minaxolone (дата обращения 20.05.2022).
14. Кочнев З.С., и др. Управление поляризационно-чувствительными фильтрами терагерцового диапазона, основанное на формировании магнитным полем структур микрочастиц сплава 5БДСР в жидкой среде. Изв. вузов. Физика. 2021. №11. DOI: 10.17223/00213411/64/11/134.
15. Zyatkov D.O., Kochnev Z.S., Knyazkova A.I., Borisov A.V. Analysis of the spectral characteristics of promising liquid carriers in the terahertz spectral range // Russian Physics Journal. 2019. Vol. 62, № 3. P. 400-405.