СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

ВЕСТНИК АКАДЕМИИ ВОЕННЫХ НАУК

3(24)/2008 (спецвыпуск)

В.А. АЛЕКСАШЕНКО

действительный член АВН, д.т.н.,

А.А. СОЛОДОВ,

А.А. СОЛОВЬЕВ,

член-корреспондент АВН, профессор

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Искусственные материалы, из которых можно выполнять покрытия со специфическим слабым отражением и большим поглощением в СВЧ-диапазоие вызывают интерес, например, в связи с защитой от излучения персонала, обслуживающего мощную СВЧ-аппаратуру, в задачах измерений полей и во многих других случаях. В рамках указанных задач можно рассмотреть проблему создания предельно легких поглощающих экранов (например, с типичной рабочей площадью от 10 до 100 м2). Прообразом таких сред могут служить пылевые облака, состоящие из фрактальных кластеров, т.е. частиц с рыхлой структурой. Массовая доля кластеров, взвешенных в воздухе, может быть незначительной, поэтому облако как среда характеризуется коэффициентом преломления п ~ 1, и отражение от границы облака в СВЧ - диапазоне весьма мало. Кластеры часто формируются в виде рыхлых нитей с отношением длины к поперечнику L / d >>1. Если, кроме того, кластеры собраны из проводящих частиц, то в объеме облака возникает сильное поглощение СВЧ-излучения. При этом удельный расход массы (г/м2) на создание поглощающего облака оказывается незначительным. Характеристики указанного поглощения и удельные расходы массы были измерены в экспериментах с облаками сажи, которая формировалась в виде нитей при сжигании ряда органических веществ [1]. Недостаток экранирующего облака - ограниченное время жизни. Однако, анализ показывает, что возможны технологии создания легких стационарных поглощающих экранов.

Рассмотрим поглощение СВЧ - излучения в объеме, заполненном имитаторами кластеров.

На границе раздела двух сред происходит отражение волн. При нормальном падении ЭМ волны на плоскую границу раздела вакуум - поглощающая среда коэффициент отражения имеет величину [2]:

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

В качестве имитатора кластера можно рассматривать искусственное полимерное волокно, содержащее диспергированный проводящий материал в виде наполнителя. Следует ожидать, что при объемной доле наполнителя >~20% часть проводящих частиц соединяется мостиками проводимости, в этом случае возникают проводящие участки, которые распределены вдоль нити случайным образом. В другом варианте можно использовать в качестве основы стеклянные нити, на которых по технологии низкотемпературной металлизации созданы проводящие участки.

Распределяя нити с проводящими участками в некотором объеме, можно имитировать облако кластерных частиц. Если расстояния между нитями меньше длины волны, то среду можно считать квазиоднородной. Эффективная диэлектрическая проницаемость среды в этом случае удовлетворяет оценке

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Оценки эффектов поглощения можно получить, приписывая среде эффективную проводимость о. Уравнения Максвелла для проводящей среды с диэлектрической проницаемостью ε ~ ε 0 записываются в виде [31:

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Физически ясно, что отражение волны при переходе в проводящую среду слабое, если индуцируемые в среде токи (поляризации или проводимости) слабо возмущают поле падающей волны. Следовательно, для выполнения нужного свойства необходимо в (3) выполнить условие

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Соотношения (4) и (5) позволяют сформулировать количественные требования к поглощающей среде. Оценка длины поглощения (5) основана на предположениях: а) поляризация среды полем ЭМ волны незначительна, б) токи проводимости малы в смысле (4), и поглощение излучения можно учесть по теории возмущений. Первое предположение может быть выполнено для всего СВЧ-диапазона. Очевидно, (4) нарушается при достаточно малой граничной частоте ωmin. Для некоторой частоты ωmax длина волны сравнивается с размером неоднородностей, и модель однородной среды становится некорректной. Т.о., в рабочем диапазоне частот ωmin < ω < ωmax взаимодействие ЭМ излучения и среды постоянно в том смысле, что коэффициент отражения волны на входе в среду мал, и поглощение волны проходит на длине l, не меняющейся внутри указанного интервала (ωmin, ωmax).

Среда может быть выполнена, например, как регулярная решетка из проводящих нитей с шагом 1 мм. Т.о., верхняя граница по частоте определяется конструктивными соображениями и лежит в диапазоне длин волн ~ 1 мм. Вторая граница определяется совместно критериями (4) и (5). Пусть, например, допустимая толщина поглощающего слоя ~1 м, и длина поглощения l~10-100 см. Тогда для частот в области λ* = Зсм, ω* = 2π 1010, критерии (4), (5) дают соотношения:

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Критерии (6) найдены по заданной толщине поглощающего экрана и позволяют найти длину поглощения и нижнюю границу частот, на которых экран работоспособен. Например, выбор проводимости среды 1/100 Сим фиксирует длину поглощения l = 0.5 м. При толщине поглощающего экрана 0.5-1 м экран эффективен в диапазоне длин волн ~ 1 мм σ 0.5 м.

Для упрощенной оценки расхода материалов можно принять модель, в которой проводимость среды s пропорциональна объемной доле проводящего материала в поглощающем слое:

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

В табл. 1 приведена проводимость некоторых проводников и полупроводников.

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Используя табл. 1 и соотношение (7), можно оценить теоретический расход проводящих материалов на создание экранов. Согласно (6), требуемая проводимость среды может лежать в диапазоне 1/ 100 Сим. Оценка по (7) дает массу поглощающих медных нитей, обеспечивающих указанную проводимость, на уровне 10-1 : 10-2 г на 1 м3 поглощающего объема. При использовании Ge расход материала составил бы 1 кг/м3.

В конструктивном варианте с установкой нитей в рабочем объеме в виде регулярной решетки с шагом 1 нить/мм 2 расчетная толщина медной нити менее 0.1 мкм. Такая нить может существовать только на носителе. В качестве носителя проводников могут быть использованы полимерные или стеклянные нити. При выборе конструктивного варианта 1 нить /мм2 при толщине несущей нити 10 мкм расход диэлектрического материала составляет ~0.1 дм3 на 1 м3 поглощающей среды. Таким образом, весовые характеристики поглощающих экранов в излагаемом варианте могут составить 0.5 - 1 кг/м3 поглощающего объема.

Рыхлая поглощающая среда, имитирующая пылевое облако из фрактальных кластеров, может выполняться на основе диэлектрических нитей, которые служат носителями для волокон проводящих материалов. Как показано выше, требования по проводимости среды ограничивают толщину металлического волокна на уровне 0.1 мкм. Создание композита в виде диэлектрического волокна, несущего тонкий проводник, по-видимому, можно провести несколькими методами.

А. Приготовление металлических волокон толщиной ~0.1 мкм и соединение их с диэлектрическими волокнами.

Б. Введение в материал, из которого выполняется синтетическое волокно, диспергированного проводящего наполнителя.

С. Использование в качестве носителей стеклянных волокон, с проведением низкотемпературной металлизации поверхности волокон.

По-видимому, метод А наиболее привлекателен, но и наименее разработан.

В основе метода Б лежит эмпирическое правило, по которому диспергированные частицы, расположенные случайным образом в некоторой матрице, соединяются в цепочки, если их объемная доля превышает некоторую граничную величину. Например, керамические изделия с плотностью 90% и выше могут иметь закрытые поры, однако при однородной пористости более 20% почти вся пористость становится открытой. Следовательно, выполняя волокна из синтетического материала, в который введен диспергированный проводящий наполнитель, можно получить композитную нить, содержащую проводящие отрезки. При этом требуемая доля наполнителя может составлять 20% или несколько выше. Данный метод привлекателен тем, что наполнителем может служить дешевая угольная сажа. При протяжке волокон через фильеры может сказаться эффект группировки включений в виде осевых структуры.

Данная технология разбивается на две задачи: 1 - получение наполнителя в виде диспергированного проводящего материала и 2 - введение наполнителя в несущее волокно. Первая задача может считаться решенной, т.к. разработан, описан в литературе и используется целый ряд методов получения мелкодисперсных металлических частиц [6,7].

Например, испарение металлов в токе инертных газов позволяет получать значительные количества зольных частиц. Хорошим методом получения мелкодисперсных металлических частиц может оказаться процесс, основанный на восстановлении солей металлов водородом. Обычно по данному методу получают золи благородных металлов. Технология включает пропитку подходящей матрицы раствором соли, сушку, восстановление соли в токе водорода и некоторые финишные операции. Например, при получении золей Pd исходным веществом служит PdCl2 или Pd(NH3)4Cl2. По данному методу, в частности, были получены золи Си, Mo, Ru, Ag, Re, Os, Ir, Au.

Вторая часть - изготовление композитного волокна со структурой «проводник на диэлектрике» с нормированными параметрами по весу, поперечнику и проводимости волокна нуждается в технологической проработке. Например, волокно из термопластичного материала, предположительно, можно получить выдавливанием расплава через фильеру. В подобном варианте потребуется отработка нетривиальной операции по перемешиванию расплава и мелкодисперсного наполнителя до получения однородной исходной массы.

По-видимому, хорошим методом нанесения проводящего покрытия на стеклянное волокно может оказаться рассмотренный выше процесс, основанный на восстановлении солей металлов водородом. По данному методу на волокно можно нанести сплошную проводящую пленку, либо покрытие из зольных частиц, распределенных по поверхности волокна в виде проводящей сетки.

В рассмотренных технологиях, по-видимому, наиболее вероятен вариант, когда на нити создается не сплошной проводник, а разделенные слоями диэлектрика проводящие отрезки со случайным распределением размеров. В следующем разделе показано, что указанная структура проводника сохраняет поглощение СВЧ - излучения, если геометрические параметры проводящих отрезков удовлетворяют условию d/L

В том случае, если проводящая структура на поверхности нити распадается на систему проводящих отрезков, можно получить оценку поглощении ЭМ излучения, рассматривая задачу о поглощении независимым проводящим отрезком. Принимается, что отрезок имеет вид диэлектрической иглы, на поверхности которой имеется тонкий проводящий слой. Геометрию иглы характеризует отношение поперечника и длины d/L. Минимальная гипотеза о связи электрических характеристик исходного проводника и иголки можно выразить соотношением:

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Для расчета поглощения ниже используется модель иглы в виде вытянутого проводящего эллипсоида вращения, для которой известны точные решения задачи о поляризации во внешнем поле.

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Можно принять, что длина проводящей иглы много меньше длины волны, и задачу о ее поляризации во внешнем осциллирующем поле можно рассматривать в длинноволновом приближении. Переход к эллиптическим координатам позволяет разделить переменные в уравнении Лапласа для потенциала φ.

Δφ(ξ,η) = ρ/ε

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

В статической задаче потенциал φеig находится из условия, по которому во внутренней области проводящего эллипсоида E=grad (φext+φeig)=0, и условия сшивки решений для внутренней и внешней области эллипсоида, следующее из непрерывности потенциала на границе эллипсоида. Потенциал φеig, фиксированный указанными условиями, описывается формулами (верхняя и нижняя строка в (10b) отвечает внутренней и внешней области эллипсоида):

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

Для численной оценки смысла (12) примем, что частота СВЧ - излучения отвечает диапазону 1 см, несущая нить имеет поперечник 10 мкм. Проводящее покрытие толщиной 0.1 мкм выполнено из меди. Принимаемая расчетная эффективная проводимость нити σeff ~ 105 - 106 сим). Для выполнения критерия (12), требуется игла, длина которой превышает 500 мкм=0.5 мм.

Т.о., реально создание поглощающих объемов, элементарные рабочие элементы которого представляют собою независимые иглы, электрические параметры которых удовлетворяют критерию (12).

Таким образом на базе рыхлых структур, имитирующих нитевидные фрактальные кластеры, могут быть получены искусственные слабо проводящие среды с электромагнитными характеристиками, в которых сочетаются свойства газов (диэлектрическая проницаемость близка 1) и материалов с низкой проводимостью (проводимость среды в интервале σ~ 10-2 Сим). На базе указанных сред можно создавать экраны, не отражающие, но поглощающие СВЧ - излучение.

Технологически, указанные материалы могут быть выполнены на основе тонких диэлектрических несущих нитей с наполнителем из мелкодисперсных проводящих материалов. В других вариантах можно использовать стеклянные нити, на которые наносится слой из проводящих мелодисперсных частиц, которые образуют на поверхности нити проводящую сетку.

В численных примерах рассмотрен вариант, когда композитные нити поставлены в виде регулярной решетки с плотностью нитей ~ 1 нить/мм2. Если проводящие участки на нитях достаточно длинные, то можно пользоваться понятием эффективной проводимости среды. В указанном варианте технологический критерий эффективности среды сводится к неравенствам (6а,b). По оценкам, в данном варианте экраны, не отражающие, но поглощающие СВЧ-излучение, могут иметь толщину порядка 0.1 - 1 м при удельной массе экрана порядка 0.5 кг/м3.

Проводящие участки на нитях могут быть короткими, в этом случае они имеют вид «иголок». Наиболее сложный вариант возникает в том случае, если расстояние между иголками оказывается больше размера иглы. В этом варианте отдельная игла может эффективно работать на поглощение, если выполнен критерий (12). В подобном варианте массовые характеристики экрана возрастают пропорционально доле непроводящих участков на несущей нити.

Рисунок 1 иллюстрирует использование описываемых экранов для защиты небольшого объекта с поперечником ~3 м. Толщина экрана принимается 1 м. Принимается, что конструкция нити позволяет пользоваться критериями (6а,b) и массовыми характеристиками, следующими из указанных критериев. Если длина поглощения l равна 40 см, то за счет двойного прохождения волны в поглощающем слое, достигается ослабление отраженной волны в ~ 100 раз. Расчетная масса экрана на рис. 1 порядка 75 кг.

СОЗДАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ПОГЛОЩАЮЩИХ СРЕД

ЛИТЕРАТУРА

1. Алексашенко В.А.,Соловьев А.А.Солдатов В.П.Янин В.П. Волосы ангела - разгадка тайны. Омск., АВН,2007г.,46 с.

2. Зейтц Ф. Современная теория твердого тела . М.-Л., 1949.

3. Фейнман Р., Лейтон Р., Лэндс М. Фейнмановские лекции по физике, т. 6. М., Мир, 1977.

4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика. М., 1963.

5. Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. М., Наука, 1976.

6. Curtin W.F., Spitzer R.C., Ashcroft N.W., Sievers A.J. Rhis Rev. Lett. 54,1071. (1985).

7. Haipern W.P. Quantum size effects in metal particles. Rev. Mod. Phys. v.58, n3, July 1986, pp 533-606 .


Для комментирования необходимо зарегистрироваться на сайте

  • &amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;a href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX" data-mce-href="http://www.instaforex.com/ru/?x=NKX"&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;InstaForex&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;lt;/a&amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;amp;gt;
  • share4you сервис для новичков и профессионалов
  • Animation
  • На развитие сайта

    нам необходимо оплачивать отдельные сервера для хранения такого объема информации