§ 7. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОНИЦАЕМОСТИ ФЕРРОМАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ОБЛАСТИ САНТИМЕТРОВЫХ ВОЛН С ПОМОЩЬЮ ВОЛНОВОДА

В этом параграфе мы остановимся на определении высокочастотной магнитной проницаемости методом измерения импеданса волновода в области длин волн от 1 до 60 см. Этот метод, предложенный в работе [33], получил название метода короткого замыкания — холостого хода. Его обычно применяют при исследовании ферромагнитных материалов с низкой проводимостью типа ферритов. Однако его можно использовать и для изучения ферромагнитных металлов, если последние взяты в виде порошка [13, 34, 35]. Известно, что ферромагнитные соединения типа ферритов обладают низкой проводимостью, поэтому высокочастотное магнитное поле проникает в них значительно глубже, чем в металл. Магнитную проницаемость при высоких частотах можно определить по двум параметрам, а именно по волновому сопротивлению среды относительно волнового сопротивления свободного пространства и по коэффициенту распространения электромагнитной волны

где абсолютные магнитная и диэлектрическая проницаемости.

Блок-схема установки для измерения электрических и

магнитных характеристик ферромагнитных материалов в области сантиметровых волн показана на рис. 108.

При исследовании на длинах волн 20—60 см удобно использовать специальный волновод диаметром внешнего проводника а внутреннего — при длине щели волновода 1100 мм.

Рис. 108. Блок-схема установки для измерения комплексной магнитной проницаемости в области сантиметровых волн: 1 — блок питания, 2 — генератор, 3 — постоянный аттенюатор, 4 — выходное контрольное устройство, 5 — переменный аттенюатор, волновод со щелью, 7 — исследуемый образец, 8 — нагрузка, 9— кристаллический детектор, 10 — шунт, 11 — гальванометр

Внутренний проводник делают из тонкостенной трубки и поддерживают тремя полистироловыми стержнями, которые находятся друг от друга на расстоянии Эти стержни оказывают незначительное влияние на распространение электромагнитной волны в цолноводе. Детектор может свободно перемещаться, при этом положение его каретки отсчитывается с точностью до двумя микрометрическими шкалами.

С коаксиальным волноводом через кабель соединяется триодный генератор. При измерении на длинах волн в диапазоне используют стандартный генератор с отражательным клистроном (мощность генератора контролируют детектором, который расположен на входе волновода). Диаметр внешнего проводника волновода равен а диаметр внутреннего проводника — при длине щели Внутренний проводник с одной стороны прикреплен к входу волновода, с другой — скреплен с образцом.

Когда производят измерение на длинных волнах см, генератор через короткий коаксиальный кабель питает прямоугольный волновод, имеющий сечение Аттенюатор в виде плоской призмы сделан из диэлектрического материала, обладающего хорошим поглощением, при этом затухание должно быть около 6 дб. Переменный аттенюатор выполнен из материала с большим сопротивлением и опускается через продольную центральную щель в волновод. Для прямоугольного волновода величины

зависят от критической длины пустого волновода, которая равна его двойной ширине, их определяют из соотношений:

Здесь критическая длина волны пустого волновода, ширина волновода, характеристическое сопротивление пустого волновода.

Таким образом, если известны то можно определить комплексные величины Входные сопротивления волновода в случае короткого замыкания и в случае открытого входа выражены соотношениями

где длина образца.

Для коаксиального волновода с основным типом колебаний имеем

Величину у определяют из формулы (13.80), а полные входныё сопротивления находят из измерений фигур стоячих волн по формуле

где коэффициент стоячей волны в случае первого и второго измерений, расстояние от минимума напряжения до входной грани образца и - фазовая скорость, где — измеренная длина волны в волноводе.

Коэффициент стоячей волны рассчитывают по формуле

где минимальное напряжение, V — напряжение на расстоянии х от минимума.

Обычно дробь тогда формула (13.86) принимает более простой вид:

Величины I и определяют опытным путем, а произведение при помощи таблиц комплексного гиперболического тангенса.

После соответствующих преобразований из (13.79) и (13.80) можно найти формулу для вычисления комплексной диэлектрической и магнитной проницаемости которые имеют вид:

или

и

где длина волны в пустом волноводе; критическая длина волны в волноводе.

Расчеты по формулам (13.89) и (13.90) представляют значительные трудности.

В работе [6] даны упрощенные формулы для определения указанных величин. Эти формулы можно получить из (13.89) и (13.90), если предположить, что тангенс угла диэлектрических и магнитных потерь сравнительно небольшой — меньше 0,1. Тогда полученные формулы приобретают вид

и

где длина волны в образце. Величина

определяется из равенства

Установка для измерения температурной зависимости комплексной магнитной проницаемости ферритов при помощи коаксиальных линий описана в работе [45]. Эта установка дает возможность проводить измерения в диапазоне волн 30—3 см в широком температурном интервале от 100 до 600° К. В установке используются как стандартная аппаратура, так и специально сконструированные узлы: приставка с короткозамыкающим поршнем и устройство для получения низких и высоких температур.

Заданную температуру получают методом обдува газообразным азотом исследуемого образца.

Измерять комплексную диэлектрическую и магнитную проницаемости на сантиметровых волнах можно также с помощью метода «двух толщин», который используют как в резонаторных, так и волноводных методах [6, 23, 25]. Если применяют цилиндрический резонатор, то обычно берут два образца в виде дисков, при этом толщина одного из них в два раза больше толщины другого. При измерении определяют положения поршня в момент резонанса для случаев, когда нет образцов и при наличии их. Принимая во внимание, что измеряемые образны имеют малые потери, в работе были получены следующие формулы для определения

где приведенное волновое сопротивление резонатора.

Метод «двух толщин» можно применить и к короткозамкнутому волноводу [7]. В этом случае измеряют коэффициенты стоячей волны и расстояние от минимума стоячей волны до передней стенки образца и по формуле (13.85) рассчитывают входное сопротивление волновода

Для расчета используют формулы (13.89) и (13.90).

Коэффициент у вычисляют из уравнения

В другом варианте этого метода [17] измеряют коэффициент отражения волны для двух образцов и рассчитывают входное

сопротивление волновода. Магнитную и диэлектрическую проницаемости определяют в этом случае по формулам

где а — размер широкой стенки прямоугольного волновода. Эти параметры материала можно определять также по методу трех реактивных нагрузок, который подробно описан в работе [9], и по методу короткого замыкания и согласованной нагрузки [23].