WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 11 03;09;12 Температурная зависимость коэффициента отражения микроволнового излучения от слоя магнитной жидкости 2 © Д.А. Усанов,1 Ал.В. Скрипаль,1 Ан.В. Скрипаль,1 А.Э. Постельга,1 Ю.Л. Райхер,2 В.И. Степанов 1 Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского, 410012 Саратов, Россия e-mail: usanovda@info.sgu.ru 2 Институт механики сплошных сред УрО РАН, 614013 Пермь, Россия e-mail: raikher@icmm.ru (Поcтупило в Редакцию 27 декабря 2005 г. В окончательной редакции 30 марта 2006 г.) В диапазоне 24 GHz для интервала температур 293-333 K выполнены измерения коэффициента отражения СВЧ-излучения от плоского слоя магнитной жидкости, намагниченного полем 11.5 kOe; объемная концентрация магнитной фазы (магнетит) составляла 15 vol%. В указанной области динамическая восприимчивость наночастиц имеет сильную дисперсию (ферромагнитный резонанс). Для интерпретации эксперимента использована теория высокочастотного намагничивания ансамбля невзаимодействующих изотропных суперпарамагнитных частиц. Найдено, что эта простая модель позволяет удовлетворительным образом описать температурную и частотную зависимости коэффициента отражения.

PACS: 75.50.Mm Введение ком СВЧ-излучения служит генератор 1 качающейся частоты 8 mm диапазона, включенный через вентиль 2 Теория динамического намагничивания однодоменной в H-плечо двойного волноводного тройника 3. Мощчастицы во внутреннем поле анизотропии и внешнем ность излучения, поступающего в H-плечо тройника, намагничивающем поле, начало которой положено в контролируется с помощью измерителя мощности 4, работах [1,2], является удобным способом описания установленного в этом плече. В измерительном плече взаимодействия излучения с магнитной жидкостью. Этот находится магнитная жидкость 5, она помещена между подход позволил исследовать особенности формировадвумя тонкими, „прозрачными“ для СВЧ диэлектриния частотных зависимостей коэффициентов отражения ческими прокладками, которые препятствуют ее расэлектромагнитных волн от магнитной жидкости в диапатеканию по волноводу. В результате интерференции зоне частот 0.1-6.0 [3–6] и 8.0-34.0GHz [7], а также волн, отраженных от нагрузки в опорном плече и от объяснить частотное смещение минимумов коэффициента отражения электромагнитной волны и изменение абсолютного значения модуля коэффициента отражения в минимумах частотной зависимости при воздействии внешнего магнитного поля [8,9].

В работах [10,11] теоретически было установлено, что изменение температуры магнитной жидкости должно приводить к изменению частотных зависимостей мнимой части магнитной восприимчивости. Экспериментально влияние температуры на магнитную восприимчивость магнитной жидкости и на частотные зависимости коэффициента отражения электромагнитного излучения от нее прежде не изучалось. Проведение таких исследований интересно как в фундаментальном отношении (установление степени адекватности теоретической модели реальной ситуации), так и с прикладной точки зрения (анализ магнитных частиц, использование слоя магнитной жидкости в качестве материала для создания СВЧ-устройств).

Схема эксперимента Принципиальная схема радиоинтерференционной измерительной установки приведена на рис. 1. Источни- Рис. 1. Схема эксперимента.

Температурная зависимость коэффициента отражения микроволнового излучения... Магнитная проницаемость µ магнитной жидкости является комплексной величиной и определяется через действительную m и мнимую m компоненты магнитной восприимчивости µ = 1 + m - im. (2) Для разбавленной магнитной жидкости, частицы которой имеют слабую магнитную анизотропию, величиРис. 2. Схема заполнения волновода слоем магнитной жидко- ны m и m определяются выражениями [2]:

сти. 1 и 3 — незаполненные области волновода, 2 — магнитная MS жидкость, 4 — короткозамыкающий поршень.

m = L[(T )] H 4 (1 + 2)2H +(2 - 1)2H, магнитной жидкости в измерительном плече, в E-плече 4 (1 + 2)2H + 2(2 - 1)2H + двойного волноводного тройника формируется разностный СВЧ-сигнал. Для регулировки фаз и амплитуд MS интерферирующих волн в опорном и измерительном m = L[(T )] H плечах двойного волноводного тройника расположены 2 подвижные короткозамыкающие поршни 6, 8 и аттенюаH 2 + H(1 + 2), (3) тор 7. 4 (1 + 2)2H + 2(2 - 1)2H + Сигнал с измерителя мощности 9, расположенного в E-плече волноводного тройника, поступает через 1 1 µ0MSV = -, (T ) = H. (4) аналого-цифровой преобразователь 10 в компьютер 11, L[(T )] (T ) kT где сравнивается с сигналом, поступающим с измерителя мощности 4, расположенного в H-плече волно- Здесь L() — функция Ланжевена, = H — приведенводного тройника. Конструкция измерительного плеча ное магнитное поле, — суперпарамагнитный параметр установки показана на рис. 2. Созданная таким образом (ланжевеновский аргумент) магнитной жидкости, MS — резонансная интерференционная система обеспечивает намагниченность насыщения твердого магнетика, V — чувствительность, достаточную для регистрации инфор- объем магнитной частицы, — параметр затухания мативного сигнала. ларморовой прецессии в однодоменной частице, — объемная доля твердой фазы магнитной жидкости.

Для вывода соотношения, определяющего коэффиТеоретическое обоснование методики циент отражения R электромагнитной волны от слоя измерений магнитной жидкости длиной Lf, находящегося на расстоянии Lv от короткозамыкающего поршня (см. рис. 2), Мощность СВЧ-излучения, поступающего в E-плечо воспользуемся выражениями для компонент электричеволноводного тройника в результате интерференции ского и магнитного полей в незаполненных областях волн, отраженных от нагрузки в опорном плече и волновода и в слое магнитной жидкости (области 1, от измеряемого объекта, определяется коэффициентом и 2 на рис. 2):

отражения R электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости и разностью длин L измерительного и E1 = E(x) A1 exp(-0z ) +B1 exp(0z ), опорного плеч [12]:

P0 H1 = -0H(x) A1 exp(-0z ) - B1 exp(0z ), P = 1 + |R|2 + 2|R| cos( + ), (1) E2 = E(x) A2 exp(-z ) +B2 exp(z ), где = 2 L/u — время задержки электромагнитной волны в измерительном плече, u — скорость распроH2 = -H(x) A2 exp(-z ) - B2 exp(z ), странения волны в пустом волноводе, — частота сигнала, P0 — мощность излучения, поступающего в E3 = E(x) A3 exp(-0z ) +B3 exp(0z ), H-плечо волноводного тройника. Начальный сдвиг фаз H3 = -0H(x) A3 exp(-0z ) - B3 exp(-0z ). (5) соответствует минимуму ответвления энергии в E-плечо тройника при равенстве длин измерительного и опорноЗдесь 0 = 2/a2 - 20µ0, 2 = 2/a2 - 20µ0µ — го плеч.

постоянные распространения электромагнитной волны Коэффициент отражения R электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости, определяется толщиной в пустом волноводе и в слое магнитной жидкости слоя, диэлектрической и магнитной µ проницаемо- соответственно, a — размер широкой стенки волновода, стями магнитной жидкости. 0 и µ0 — электрическая и магнитная постоянные.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 128 Д.А. Усанов, Ал.В. Скрипаль, Ан.В. Скрипаль, А.Э. Постельга, Ю.Л. Райхер, В.И. Степанов Используя условия сшивания полей на границах x = и x = Lf и учитывая, что в плоскости x = Lg + Lv (на металлической стенке) поле E3 = 0, получим A1 + B1 = A2 + B2, 0(A1 - B1) =(A2 - B2), A2 exp(-Lf ) +B2 exp(Lf ) =A3 exp(-0Lf ) - exp -0(Lf + 2Lv), A2 exp(-Lf ) - B2 exp(Lf ) = A3 0 exp(-0Lf ) + 0 exp -0(Lf + 2Lv). (6) Решая систему уравнений (8) относительно неизвестных x1 = B1/A1, x2 = A2/A1, x3 = B2/A1 и x4 = A3/Aи определяя коэффициент отражения электромагнитной волны от слоя магнитной жидкости как R = x1, получим:

Рис. 3. Зависимости относительной мощности излучения P/P0, отраженного от слоя магнитной жидкости, от 0 sinh(Lf ) 1+ exp(-20Lv) - 20 cosh(Lf ) частоты нормированной на частоту 0, соответствующую ми exp(-20Lv) - 2 sinh(Lf ) 1- exp(-20Lv) нимуму зависимости P/P0 при 293 K для различных значений R =.

0 sinh(Lf ) 1+ exp(-20Lv) + 20 cosh(Lf )+ температуры T : T = 293 K (1 — эксперимент, 1 — теория); T = 313 K (2 — эксперимент, 2 — теория); T = 333 K +2 sinh(Lf ) 1- exp(-20Lv) (3 — эксперимент, 3 — теория).

(7) Использование выражения (1) с учетом соотношений (2)–(4) и (7) позволяет рассчитать величину мощявляется температурный рост эффективного параметра ности излучения, отраженного от слоя магнитной жидзатухания прецессии, см. (4). Возникающее уменьшение кости, которая может быть экспериментально измерена добротности прецессионного движения в частицах выи определяется толщиной слоя, диэлектрической и зывает снижение частоты вынужденных СВЧ-колебаний магнитной µ проницаемостями магнитной жидкости.

намагниченности магнитной жидкости. Именно такая тенденция прослеживается в сдвиге частотных зависимоРезультаты и обсуждение стей на рис. 3. С другой стороны, термофлуктуационное усиление магнитной релаксации означает, что линия На рис. 3 приведены результаты измерений частотной поглощения в частицах расширяется; так что энергия, зависимости относительной мощности излучения P/P0, поглощаемая магнитной жидкостью, „размазывается“ отраженного от слоя магнитной жидкости, при компо спектру. В исследованной узкой частотной области натной температуре и нагреве на 20 и 40 выше ее.

этот эффект должен проявляться как уменьшение поВ качестве исследуемой магнитной жидкости использоглощения и, таким образом, приводить к возрастанию валась магнитная жидкость на основе керосина с магнаблюдаемого коэффициента отражения. Последовательнетитовыми частицами, стабилизированными олеиновой ность расположения кривых на рис. 3 по вертикальной кислотой, с параметрами: диаметр частиц d = 4nm, координате подтверждает этот вывод.

= 0.15, = 0.1. Параметры заполнения волновода Что касается количественных соотношений, то, наимели следующие значения: Lf = 20, Lv = 175 mm. На пример, согласно нашим измерениям, при увеличении этом же рисунке приведены результаты расчета с ис- температуры на 40 величина относительной мощнопользованием выражения (1) частотной зависимости сти P/P0 в области минимума увеличивается на 5%, при относительной мощности излучения P/P0, отраженного этом частота, соответствующая минимуму мощности от слоя магнитной жидкости.

излучения, отраженного от слоя магнитной жидкости, Переходя к обсуждению, отметим прежде всего ка- уменьшается на 4.5 MHz. Теоретический расчет этой чественное согласие предсказаний суперпарамагнитной же ситуации при указанных выше значениях геометмодели магнитодинамического поведения [2,11] с ре- рических и материальных параметров дает следующие зультатами выполненных экспериментов. В самом деле, значения: при увеличении температуры на 40 величина согласно теории при повышении температуры интен- мощности, отраженного излучения, в области минисифицируются ориентационные флуктуации магнитных мума увеличивается на 6%, при этом частота, соотмоментов частиц, т. е. усиливается их суперпарамагне- ветствующая минимуму величины P/P0, уменьшается тизм. Отражением этого факта в расчетных формулах на 3.5 MHz.

Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Температурная зависимость коэффициента отражения микроволнового излучения... Заключение Выполненные эксперименты показали возможность количественного измерения температурных зависимостей параметров магнитной жидкости в СВЧ-диапазоне.

Использование теории динамического намагничивания однодоменных частиц, даже в ее простом варианте (монодисперсные изотропные частицы), позволило корректно описать влияние температуры на коэффициент отражения электромагнитной волны от магнитной жидкости и согласовать между собой экспериментальные и расчетные данные.

В Институте механики сплошных сред работа была выполнена при поддержке Программы сотрудничества между УрО и СО РАН и CRDF Award PE-009.

Список литературы [1] Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. // ЖЭТФ. 1974. Т. 67.

С. 1060–1073.

[2] Гехт Р.С., Игнатченко В.А., Райхер Ю.Л., Шлиомис М.И. // ЖЭТФ. 1976. Т. 70. С. 1300–1311.

[3] Fannin P.C., Scaife B.K.P., Charles S.W. // J. Magn. Magn.

Mater. 1988. Vol. 72. N 1. P. 95–99.

[4] Fannin P.C., Charles S.W., Relihan T. // Mater. Sci. Techn.

1993. Vol. 4. P. 1160–1162.

[5] Fannin P.C., Charles S.W. // J. Phys. D: Appl. Phys. 1991.

Vol. 24. N1. P. 76–77.

[6] Fannin P.C., Relihan T., Charles S.W. // J. Phys. D: Appl.

Phys. 1995. Vol. 28. N 10. P. 2003–2006.

[7] Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Ермолаев С.А. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 19. Вып. 16. С. 47–50.

[8] Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Курганов А.В. Тр. 9-й Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям. Плес, 2000. С. 121–125.

[9] Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Курганов А.В. // ЖТФ. 2001. Т. 71. Вып. 12. С. 26–29.

[10] Raikher Y.L., Stepanov V.I. // Phys. Rev. B. 1994. Vol. 50. N 9.

P. 6250–6259.

[11] Raikher Y.L., Stepanov V.I. // Phys. Rev. B. 1995. Vol. 51.

N 22. P. 16 428–16 431.

[12] Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. М.: Высшая школа, 1970. Т. 1. 372 с.




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.