РАДИОВОЛНОВОЙ СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к области физических измерений, в частности – к квазиоптическим радиоволновым спектрометрам, в которых в качестве источника излучения применяются перестраиваемые лампы обратной волны (ЛОВ) и используется эффект многократного взаимодействия излучения ЛОВ с исследуемым объектом в открытом квазиоптическом резонаторе типа интерферометра Фабри-Перо. Полезная модель может быть использована в научном приборостроении.
Известен радиоволновой спектрометр, в котором для обеспечения многократного взаимодействия излучения с исследуемым объектом применен открытый резонатор с вогнутыми зеркалами, обеспечивающими, как известно, значительно более высокую добротность по сравнению с резонаторами плоскопараллельной геометрии [1]. Недостатком данного технического решения является то, что при возбуждении резонатора в широкой полосе частот в нем, кроме основного типа колебаний, происходит возбуждение еще и высших типов колебаний, затрудняющих интерпретацию результатов измерений.
В качестве пространственного фильтра, подавляющего высшие типы волн, здесь может быть использована апертура применяемых зеркал: известно, что размер «пятен поля» на зеркалах для высших типов волн больше, чем для основных осевых колебаний [2]. Однако, при фиксированных размерах зеркал, обеспечивающих подавление высших мод в низкочастотной области диапазона перестройки, в высокочастотной его области, где размеры «пятен поля» для всех видов колебаний уменьшаются, высшие типы волн подавить не удается. Если же уменьшить апертуру зеркала до размеров, обеспечивающих подавление высших мод на высокочастотной границе диапазона, то в низкочастотной области снижается добротность основного вида колебаний.
Известен открытый оптический резонатор, в котором для подавления высших мод и сохранения высокой добротности основного (осевого) вида колебаний применена диафрагма, раскрыв которой соответствует диаметру «пятна поля» основной моды и не позволяет возбуждаться модам высшего порядка, поскольку «пятна поля» высших мод на зеркалах, как известно, имеют больший диаметр, по сравнению с диаметром основной моды [3].
Однако, при перестройке генератора вверх по частоте размер пятен поля всех мод (включая высшие) будет уменьшаться, соответственно, при фиксированном размере диафрагмы, оптимальном в начале диапазона, в конце диапазона перестройки ЛОВ-генератора данная диафрагма уже не будет подавлять высшие типы колебаний. Если же уменьшить размер диафрагмы до размеров, обеспечивающих подавление высших мод на высокочастотном конце диапазона, то это приведет к снижению добротности основных видов колебаний в низкочастотной области.
Наиболее близким техническим решением является ЛОВ-спектрометр, описанный в работе «Спектральные измерения диэлектрических свойств полипропиленовых пленок в субтерагерцовом диапазоне частот» [4]. В этом спектрометре многократное взаимодействие электромагнитного поля с исследуемым объектом осуществлено с помощью открытого резонатора -  плоскопараллельного интерферометра Фабри-Перо, где обеспечивается преимущественно один вид колебаний, параллельный его продольной оси, и, соответственно, эквидистантный спектр резонансных частот, по измерению сдвига которых исследуемым объектом производятся измерения диэлектрической проницаемости этого объекта. Вместе с тем, добротность такого резонатора невысока и существенно зависит от степени параллельности образующих резонатор зеркал. Близкое расположение зеркал и исследуемого объекта приводит к неконтролируемым переотражениям, также усложняющим интерпретацию результатов измерений.
Цель, на которую направлена полезная модель - создать спектрометр, в котором, при возбуждении ЛОВ-генератором открытого резонатора во всем диапазоне перестройки частоты ЛОВ, в резонаторе поддерживался бы только один осевой вид колебаний, и подавлялись высшие моды резонатора, наличие которых затрудняет интерпретацию результатов измерений спектральных характеристик исследуемого объекта.
Таким образом, задача заключается в подавлении высших мод резонатора спектрометра при сохранении высокой добротности основного вида колебаний во всем диапазоне перестройки частоты ЛОВ-генератора спектрометра.
-1/2
Задача решена тем, в радиоволновом спектрометре, включающем перестраиваемый ЛОВ–генератор, блок частотной перестройки ЛОВ-генератора, квазиоптический тракт, детектор прошедшего или отраженного резонатором излучения и включенный в квазиоптический тракт открытый квазиоптический резонатор, в котором размещают исследуемый объект, в отличие от прототипа, по крайней мере одно из зеркал упомянутого квазиоптического резонатора выполнено вогнутым, возле вогнутого зеркала установлена ирисовая диафрагма, оборудованная приводным механизмом для изменения диаметра апертуры, при этом спектрометр содержит программируемый источник импульсного напряжения, управляющий упомянутым приводным механизмом, причем входным сигналом программируемого источника импульсного напряжения служит сигнал блока частотной перестройки, благодаря чему приводной механизм обеспечивает изменение диаметра апертуры диафрагмы A синхронно с перестройкой частоты f ЛОВ-генератора по закону A=cf , где с - константа.  Приводной механизм может быть выполнен на основе серводвигателя.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена схема предлагаемого радиоволнового спектрометра (фиг. 1). Цифрами на чертеже обозначены:
1 – ЛОВ-генератор;
2 – блок частотной перестройки ЛОВ-генератора;
3 – квазиоптический тракт;
4 - детектор;
5 - открытый резонатор;
6 – ирисовая диафрагма;
7 – приводной механизм диафрагмы;
8 – программируемый источник импульсного напряжения
Радиоволновой спектрометр действует следующим образом:
При включении питания на все элементы спектрометра блок частотной перестройки 2 вырабатывает сигнал и задает ЛОВ-генератору 1 значение частоты генерации. Генерируемые ЛОВ колебания с заданной частотой поступают в квазиоптический тракт и через расположенный в нем открытый резонатор попадают на детектор. Поскольку одновременно блок частотной перестройки 2 подает сигнал на программируемый источник импульсного напряжения 8, то на привод двигателя поступают импульсы, обеспечивающие раскрыв апертуры до такой величины, которая необходима для поддержания на данной частоте только основной моды и подавления всех высших мод. Поскольку процедура спектрального исследования предполагает сканирование частоты генератора, например, ступенчато, блок частотной перестройки 2 подает генератору 1 сигнал для перестройки к следующей частоте и одновременно подает генератору импульсов 8, управляющих серводвигателем 7, сигнал к перестройке диафрагмы 6 под новую частоту. Таким образом, при перестройке ЛОВ генератора 1 происходит синхронное изменение апертуры диафрагмы 6, обеспечивающее возбуждение в резонаторе 5 только основных видов колебаний и подавление высших мод.
Заявленная полезная модель позволяет обеспечить высокую чувствительность измерений, присущую открытым резонаторам с вогнутыми зеркалами, во всей полосе перестройки.
-1/2
Достижению технического результата способствует зависимость радиуса «пятна поля» открытого резонатора с вогнутыми зеркалами от частоты возбуждающих резонатор колебаний. Согласно упомянутой выше работе Л.А. Вайнштейна, в открытом резонаторе, образованном вогнутыми сферическими зеркалами, радиус «пятен поля» для всех видов колебаний пропорционален величине f , при этом при всех значениях частоты f он минимален для основного вида колебаний.
00
В резонаторе с вогнутыми зеркалами с одинаковыми зеркалами радиусом вогнутости ρ, установленными на расстоянии L, радиус «пятна поля» W основного вида колебаний на зеркале описывается соотношением:
00
½
W = Ф(1/f)  K(L, ρ).
Существенно, что величина K(L, ρ) определяется только размерами резонатора и не зависит от частоты колебаний, то есть, радиус «пятна поля» на зеркале для резонатора с фиксированным расстоянием между зеркалами изменяется с изменением частоты по закону
00
-1/2
W ~ f
Это означает, что если использовать диафрагму, апертура которой при изменении частоты f будет синхронно изменяться по указанному закону, то условия возбуждения основных (осевых) видов колебаний при перестройке генератора изменяться не будут.
mn
Радиусы «пятен поля» на зеркалах W для высших типов колебаний (m, n) ведут себя аналогично. Но, поскольку для них «пятна поля» изначально имели большие, по сравнению с основным, радиусы, то и при вариациях частоты f данное превышение будет сохраняться. Соответственно, если в начале диапазона перестройки ЛОВ размер диафрагмы выбран соответствующим сохранению добротности только основной моды, то и при перестройке частоты ЛОВ с синхронным изменением апертуры диафрагмы по указанному закону, будет сохранена добротность только основных видов колебаний и подавлены все высшие типы волн.
Применение вогнутых зеркал (хотя бы одного) позволяет возбудить в резонаторе колебания с ограниченным радиусом «пятна поля» на зеркалах, что недостижимо для резонатора с плоскими зеркалами, используемыми в плоскопараллельном интерферометре Фабри-Перо, где поле занимает всю апертуру используемых отражателей. Кроме того, в резонаторе с вогнутыми зеркалами основной вид колебаний имеет радиус, изначально меньший, нежели радиусы всех высших типов, что и используется в полезной модели, где для подавления нежелательных высших мод применяется диафрагма. Таким образом, при размещении в резонаторе диафрагмы с возможностью синхронного изменения ее диаметра с изменением частоты генератора обеспечивается возбуждение основного колебания и подавление высших мод, т.е. обеспечивается неизменный одномодовый режим во всем диапазоне работы спектрометра.
Технический результат - высокая чувствительность измерений радиоволнового спектрометра во всей полосе перестройки ЛОВ-генератора.
Цитируемая литература
1. Нонг Куок Куанг Измерение свойств диэлектриков в открытом резонаторе на частотах от 95 до 176 ГГц//Вестник ИРГТУ №3 (74), 2013, С.97.
2. Вайнштейн Л.А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. М. Изд-во Сов. Радио, 1969.
3. Р. Кольер, К. Беркхарт, Л. Лин. «Оптическая голография», под ред. Ю.И.Островского. Изд-во «Мир». - М., 1973 г. с.354.
4. С.А. Кузнецов, М.А. Астафьев, П.А. Лазорский, В.Ф. Скляров, Е.А. Лоншаков, А.В. Аржанников. //Вестн. НГУ. Серия Физика. 2014. Т9. вып. 4, С.15-38.