ТОНКОПЛЕНОЧНЫЙ ДАТЧИК ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при эксплуатации установок, излучающих электромагнитную энергию в диапазоне средних, высоких и ультравысоких частот, при эксплуатации радиосредств с большой мощностью излучения для измерения и контроля уровня излучения, безопасного для обслуживающего персонала. Датчик электромагнитного излучения является самым важным элементом приборов, служащих для измерения интенсивности электромагнитного излучения, и от его чувствительности, полосы рабочих частот, от времени необходимого для проведения измерений зависит его применимость и эффективность работы при оценке степени биологической опасности электромагнитного излучения.
Уровень техники.
Аналогом предлагаемой полезной модели может служить известное устройство [1], предназначенное для одновременного измерения взаимно перпендикулярных электрических и магнитных составляющих электромагнитного излучения. Однако известное устройство имеет ограниченный частотный диапазон измерений, так как оно на входе содержит индуктивный и емкостной элементы, которые для достижения высокой чувствительности известного устройства должны быть настроены в резонанс с частотой измеряемого электромагнитного излучения.
Аналогом предлагаемой полезной модели может служить также устройство [2], использующее антенны специальной формы и размеров для измерения параметров электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне. Однако устройство не позволяет проводить одновременно (без смены антенн) измерения величины напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения вследствие конструктивных особенностей применяемых антенн и их целевого назначения. Недостатком устройства также является низкая информативность контроля и необходимость применения значительного промежутка времени для проведения измерений, т.к. требует использование разных антенн при определении отдельно величины напряженности электрического и напряженности магнитного поля измеряемого электромагнитного излучения.
Наиболее близким к заявленной полезной модели по решению технической задачи является устройство, описанное в технической литературе [3], предназначенное для измерения только магнитной составляющей электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне. Известное устройство содержит звукопровод в форме цилиндра, на основания которого нанесены магнитострикционные элементы, средства создания магнитного поля с постоянной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, при этом магнитострикционные элементы для достижения широкополосности выполнены в виде набора поликристаллических частиц, размеры которых удовлетворяют задающему диапазону частот.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении информативности контроля, которая позволяет проводить измерения величин напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения, а также в сокращении времени проведения измерений и в расширении области рабочих частот.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном широкополосном датчике, представляющем собой измеритель магнитной составляющей электромагнитного излучения, включающем звукопровод и нанесенную на одно из оснований тонкую (не более 30 мкм) пленку из магнитострикционного материала, средство создания магнитного поля с постоянной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, в соответствии с заявленной полезной моделью, на противоположном основании звукопровода установлена тонкая (не более 30 мкм) пленка пьезоэлектрического кристалла, обладающая высокими электроакустическими характеристиками, позволяющими проводить измерения слабых электрических переменных полей в широком частотном диапазоне. Помимо этого, указанный технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в измерителе в качестве материала тонкой пленки магнитострикционного материала применяется кристалл железоиттриевого граната (далее: ЖИГ), позволяющий регистрировать с высокой эффективностью преобразования переменные магнитные поля в широком частотном диапазоне от единиц МГц до десятка ГГц [4], а для регистрации переменного электрического поля используется тонкая пленка пьезоэлектрического кристалла иодата лития, гексагональной модификации. Высокая эффективность и широкополосность работы преобразователей высокочастотного электрического поля на основе кристаллов иодата лития описаны в литературе [5].
Заявленное изобретение поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3
На Фиг.1 представлена схема устройства.
Устройство содержит звукопровод (1), магнитострикционный элемент (2) в виде тонкой пленки монокристаллического ЖИГ, средство создания постоянной составляющей магнитного поля (3) для установления величины подмагничивающего поля, направленного по оси звукопровода, магниты (4) для создания магнитного поля с вектором напряженности, направленным касательно к плоскости магнитострикционного элемента, пьезоэлектрический преобразователь (5), выполненный в виде тонкой пленки монокристаллического иодата лития гексагональной модификации.
Пример конкретной реализации заявляемой полезной модели представлен на Фиг.2, где схема предлагаемого устройства показана в виде прямоугольника и выделена пунктиром, а связанные с работой предлагаемого устройства внешние средства выделены в виде прямоугольников, обозначающих: ограничительное сопротивление (6), источник постоянного напряжения (7) и регистрирующее устройство (8).
Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом.
Перед началом измерений электромагнитного излучения выбирают оптимальный режим работы магнитострикционного элемента, соответствующий максимуму его чувствительности. Для этого на средство создания постоянной составляющей магнитного поля (3) через ограничительное сопротивление (6) подается напряжение от источника постоянного напряжения (7). Величина напряжения подбирается равным значению, при котором величина создаваемого поля подмагничивания, направленного вдоль оси звукопровода, соответствует максимуму чувствительности магнитострикционного преобразователя. В результате проведения многочисленных лабораторных испытаний было обнаружено, что дополнительно значительное (до 10 раз и более) повышение чувствительности можно достичь созданием небольшого магнитного поля касательно плоскости расположения пленки. Это осуществляется с помощью слабых магнитов (4). При этом для пленки ЖИГ величина напряженности касательного магнитного поля составляет 14 эрстед. Лабораторными испытаниями установлено, что максимальное увеличение эффективности преобразования достигается для магнитов, выполненных в форме сегмента, равного четверти диаметра звукопровода, и расположенных на цилиндрической поверхности звукопровода, т.к. при таких условиях достигается наибольшая степень однородности магнитного поля, приложенного касательно к плоскости пленки, приводящая к однородной структуре полосовых доменов в плоскости пленки, колебания которых увеличивают эффективность преобразования напряженности магнитного переменного поля в ультразвуковые колебания.
Пьезоэлектрический преобразователь (5) соединен с помощью высокочастотного кабеля с регистрирующим устройством (8) и датчик помещают в произвольно выбранную область пространства для измерения параметров электромагнитного излучения, в частности, напряженности переменного электрического и напряженности переменного магнитного поля. Переменное электрическое поле, созданное источником электромагнитного излучения, и приложенное к пленке пьезоэлектрического преобразователя, приводит преобразователь в колебательное движение за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Колебания, возбужденные пьезоэлектрическим преобразователем распространяются в звукопроводе, отражаются от противоположного торца и через промежуток времени, необходимый для прохождения ультразвуковой волной двойной длины звукопровода, регистрируют измерительным устройством. При работе излучателя в импульсном режиме регистрируют серию эхо-импульсов, испытавших многократное отражение в звукопроводе. Амплитуда первого зарегистрированного сигнала прямо пропорциональна величине напряженности переменного электрического поля, которая после проведения калибровочных измерений может быть определена в абсолютных единицах. Так как в электромагнитной волне вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля, величина последнего определяется поворотом датчика относительно первоначально выбранного направления в пространстве на угол равный 90°. При этом к магнитострикционному элементу будет приложено переменное магнитное поле, которое за счет магнитоупругого взаимодействия приводит в колебательное движение магнитострикционный элемент, от которого ультразвуковая волна распространяется по звукопроводу по направлению к пьезоэлектрическому преобразователю. В измерительном устройстве за счет прямого пьезоэффекта появляется сигнал, амплитуда которого прямо пропорциональна напряженности переменного магнитного поля.
Заявленный тонкопленочный датчик электромагнитного излучения по сравнению с известными аналогами и устройством-прототипом, позволяет за счет применения пленок ЖИГ и пленок кристалла иодата лития гексагональной модификации с повышенным значением пьезоэлектрических модулей и пьезокоэффициентов [6] проводить измерения напряженности переменного магнитного и переменного электрических полей в широком диапазоне частот, т.е. повысить информативность измерений, расширить полосу рабочих частот, и сократить время измерений, т.к. все измерения проводятся с применением одного датчика.
Выявленные отличительные признаки в заявленной полезной модели, а также их взаимосвязь и достижение их совокупностью указанного технического результата, заявителем не обнаружены при анализе известных в пауке, технике и патентных источниках решениях на дату подачи заявки, из чего следует, что заявленная полезная модель соответствует критерию "существенные отличия".
Пример реализации работы заявленной полезной модели.
На Фиг.3 (а и б) иллюстрируются результаты исследований, подтверждающие достижение технического результата. На Фиг.3 приведены осциллограммы регистрации переменного электрического (Фиг.3а) и переменного магнитного (Фиг.3б) полей, полученные при апробации заявленной полезной модели. Для проведения испытаний создавалось электромагнитное излучение путем подачи на одновитковый контур диаметром 20 см импульсного напряжения длительностью 1 мкс с частотой заполнения импульса 100 МГц. При этом датчик располагался на оси контура на расстоянии 2 м от контура. Подобная конфигурация излучателя позволяет по известным формулам распространения электромагнитных волн (и по значениям параметров излучающего контура) рассчитать значения напряженности переменного электрического и переменного магнитного поля в месте расположения датчика. Проведенные расчеты показывают, что при заданной частоте излучения, величине напряжения на контуре и по его импедансу величина напряженности переменного магнитного поля Н в месте расположения контура равна Н=0,5 а/м, а величина напряженности переменного электрического поля Е равна Е=3 в/м.
Приведенные осциллограммы на Фиг.3а и Фиг.3б и результаты расчетов значений напряженностей электрических и магнитных полей свидетельствует о высокой чувствительности заявленной полезной модели, не уступающей известным антенным датчикам, применяемым в приборах для контроля уровня электромагнитного излучения [2].
Как показали результаты конкретной реализации заявленной полезной модели, предлагаемая конструкция устройства имеет высокую чувствительность и точность при определении напряженности переменного магнитного и электрического полей, что позволяет применять его для измерения параметров электромагнитного полей высокочастотных установок и антенн при оценке биологически опасного уровня электромагнитного излучения. Кроме того, повышении информативности контроля полезной модели позволяет использовать ее с большой эффективностью при измерении величин напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения с помощью одного датчика, в широкой области рабочих частот и при существенном сокращении времени измерений.
Список использованных источников
1. Патент РФ №832497, МПК G01R 29/08, 1978 А.Я.Картелев
2. Техническое описание измерителя уровней электромагнитного излучения Р 3-31. www.skbriap.ru
3. А.А.Кулешов, В.М.Сарнацкий, А.Шоно. Письма в ЖТФ, 18, 37 (1992).
4. Гласс Х.Л. Ферритовые пленки для СВЧ устройств ТИИЭР. 1988. т.76. №2. С.64-72
5. Акустические кристаллы / Под ред. Шаскольской М.П., М.: Наука, 1982, 632 с.
6. Патент РФ на полезную модель №103002, МПК G01N 29/24, 2010