устройство для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров

Формула изобретения

1. Устройство для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров, содержащее источник электромагнитной энергии, систему диагностики и передающую линию с исследуемой средой, имеющую закороченный выход, отличающееся тем, что передающая линия разомкнута со стороны ввода электромагнитной энергии и с обоих концов имеет диэлектрические вставки, выполненные из материала с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды, при этом передающая линия выполнена с окнами для системы диагностики, а система диагностики размещена напротив окон вне исследуемой среды.

2. Устройство для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров по п.1, отличающееся тем, что передающая линия выполнена однородной.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, может быть использовано для измерения характеристик электромагнитного импульса при его распространении в невозмущенной среде, вследствие чего можно определить электрофизические параметры этой среды.

Известно устройство для определения характеристик электромагнитного импульса в среде (Арсеньян Т.И. Ослабление радиоволн СВЧ на линиях связи в интенсивном песчано-пылевом атмосферном аэрозоле. Радиотехника, №5, 1989 с.) Оно представляет собой передающую воздушную линию в пустыне протяженностью 46 км с приемным и передающим терминалом. Измерялась постоянная распространения радиоволн () на этой трассе.

Недостатком этой линии является ее большая протяженность, невозможность определения динамики трансформации импульса.

Наиболее близкой к заявляемому устройству является устройство для определения параметров диэлектрических материалов (Мартынов А.П., Маслов Е.Л., Покусин Д.Н., Субботин И.Ю., Титков А.Д. Устройство для определения параметров диэлектрических материалов, Заявка на изобретение №96106684/09, 10.02.2000, БИ №4), содержащее источник электромагнитной энергии, систему диагностики, состоящей из измерительного блока, подключенного к вычислительному блоку, и элементов съема электромагнитной энергии, также устройство содержит передающую линию в виде отрезка трубы с исследуемой средой, на боковой стенке трубы вдоль оси, параллельной продольной оси трубы, расположены элементы возбуждения и съема электромагнитной энергии, и соединены соответственно с источником электромагнитной энергии и измерительным блоком, выполненным в виде измерителя затухания электромагнитной волны, при этом на концах отрезка трубы установлены коротко замыкающие элементы.

Недостатками этого устройства являются измерения затухания электромагнитной энергии на конечном расстоянии, определяемом промежутком между элементом возбуждения электромагнитной энергии и элементом съема электромагнитной энергии (регистрация параметров импульсов ограничена размерами трубы), невозможность определения динамики трансформации импульса и наличие высокоточной системы диагностики.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание устройства с малыми размерами для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров за счет многократного прохождения электромагнитного импульса через одну и ту же невозмущенную среду в режиме бегущей волны, что необходимо, например, для определения коэффициента затухания импульса в диспергируемых средах.

Техническим результатом предлагаемого решения являются возможность измерений характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров на больших базах пробега с применением менее точной системы диагностики и определения динамики трансформации импульса.

Данный результат достигается тем, что в устройстве для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров, содержащее источник электромагнитной энергии, систему диагностики и передающую линию с исследуемой средой, имеющую закороченный выход, новым является то, что передающая линия разомкнута со стороны ввода электромагнитной энергии и с обоих концов имеет диэлектрические вставки, выполненные из материала с тангенсом угла диэлектрических потерь меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды, при этом передающая линия выполнена с окнами для системы диагностики, а система диагностики размещена напротив окон вне исследуемой среды.

Кроме того, передающая линия выполнена однородной - ее волновое сопротивление постоянно.

Эффект многократного прохождения электромагнитного импульса достигается за счет установления циклического процесса движения электромагнитного импульса в передающей однородной линии в режиме бегущей волны путем его отражений от разомкнутого и закороченного концов однородной передающей линии.

Необходимость в высокоточной системе диагностики в прототипе обуславливается наличием потерь электромагнитной энергии на элементах съема этой энергии. Отсутствие затухания электромагнитной энергии от системы диагностики в заявляемом устройстве приводит к возможности применения менее точной системы.

Применение пассивных методов диагностики приводит к тому, что потери энергии импульса обусловлены лишь взаимодействием с исследуемой средой.

Передающая линия состоит из трех зон: зоны I и III - области, содержащие диэлектрические вставки с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды; зона II - рабочая область, в которой находится исследуемая среда (см. фиг.1).

В однородной передающей линии источником электромагнитной энергии возбуждается электромагнитный импульс, распространяющийся от начала линии к закороченному концу. В рабочей области происходит взаимодействие электромагнитного импульса с исследуемой средой. От закороченного конца линии импульс отражается, следовательно, на размер области III накладывается условие: (чтобы избежать вычитание сигналов при наложении падающей и отраженной волн) где L₃ - размер области III, ₃ - скорость распространения импульса в области III, ₀ - длительность импульса. Во избежание диссипации энергии импульса в области III и изменения его параметров, часть линии, примыкающая к замкнутому концу (область III), содержит диэлектрическую вставку с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды. Для исследования прохождения электромагнитного импульса в средах, важным фактором является то, что электромагнитный импульс должен распространяться в невозмущенной среде, для этого необходимо, чтобы к моменту прихода импульса из области III в область II, в последней завершились все рекомбинационные процессы. Таким образом, на размеры области III накладывается дополнительно следующее условие: где L₃ - размер области III, ₃ - скорость распространения импульса в области III, ₀ - длительность импульса, _вост - время восстановления первоначальных электрофизических свойств среды в области II. Следовательно, размер области III непосредственно связан с длиной импульса и параметрами исследуемой среды.

Далее, импульс распространяется в обратном направлении через область II к разомкнутому концу линии, где он начинает снова взаимодействовать со средой в рабочей области II. На разомкнутом конце происходит отражение импульса, во избежание диссипации энергии импульса в области I и изменения его параметров, часть линии, примыкающая к разомкнутому концу (область I), содержит диэлектрическую вставку с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды. На размер области I накладывается условие где L₁ - размер области I, ₁ - скорость распространения импульса в области I, ₀ - длительность импульса, _вост - время восстановления первоначальных электрофизических свойств среды в области II, так как ограничения, аналогичные ограничениям на размеры области III, накладываются на размеры области I.

Затем, импульс попадает в область II, таким образом, устанавливается циклический процесс, что позволяет проводить исследование импульса, распространяющегося на большие расстояния в невозмущенной среде (проводить несколько измерений параметров импульса в процессе его пробега по линии, тем самым, исследовать динамику трансформации импульса) и дает возможность определять электрофизические параметры этой среды.

Для исследования параметров импульса, во избежание его затухания от системы диагностики, необходимо применение пассивной диагностики (например, на основе вращения плоскости поляризации света). По полученным параметрам импульса определяются электрофизические характеристики исследуемой среды, например, по затуханию импульса в исследуемой среде определяется проводимость этой среды,

На фиг.1 приведен пример выполнения устройства для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров в виде коаксиальной однородной передающей линии.

На фиг.2 схематически изображена диэлектрическая вставка.

Заявляемое устройство для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров состоит из источника электромагнитной энергии 1, центрального 4 и внешнего 2 проводников коаксиальной однородной передающей линии, закороченной на одном конце и разомкнутой со стороны ввода электромагнитной энергии, имеющей диэлектрические вставки 3 с тангенсом угла диэлектрических потерь, меньшим, чем тангенс угла диэлектрических потерь исследуемой среды (капролон, полиэтилен, элегаз (SF₆) и т.п.), вставленные на обоих концах линии, окон 5 для пассивной системы диагностики, состоящей из передающего блока 7, излучателя 6, блока приемника 8 и приемного устройства 9. Внутри коаксиальной однородной передающей линии находится исследуемая среда 10. Диэлектрическая вставка 3 состоит из корпуса и находящегося в нем наполнителя 11.

Например, если исследуемая среда является воздухом, находящимся под давлением 10 Top и нормальной температуре, и напряженностью электрического поля 100 кВ/м, то концентрация электронов после окончания воздействия спадает экспоненциально и через 10 нс уменьшится в е раз. Таким образом, минимальное время восстановления первоначальных электрофизических свойств среды в области II _вост=10 нс. При длительности импульса облучения ₀=1 нс, необходимая длина трубы становится равной 7 м.

В примере выполнения устройства для определения характеристик электромагнитного импульса в среде и ее параметров при его распространении в невозмущенной среде, позволяющего определять электрофизические характеристики этой среды, коаксиальная однородная передающая линия длиной 7 м выполнена из меди, линия заполнена воздухом (исследуемой средой) при давлении 10 Top и нормальной температуре. Окна, прозрачные для аппаратуры пассивной диагностики, выполнены из стекла толщиной 2 мм. Внутренний диаметр внешнего проводника передающей однородной коаксиальной линии равен 28 мм, внешний диаметр внутреннего проводника равен 7,7 мм, диэлектрические вставки размером 3,2 м выполнены из тонкого капролонового корпуса и находящегося в нем элегаза (SF₆) при давлении 10 атм и нормальной температуре.

Воздух и элегаз имеют примерно равную диэлектрическую проницаемость, но при таких временах облучения (наносекунды) воздух ослабляет импульс больше, чем элегаз. Следовательно, изменение параметров импульса определяется только воздухом.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет измерять характеристики импульса на больших базах пробега, определять динамику трансформации импульса и применить менее точную систему диагностики.