Magnetically tunable bandpas filter of teraherz radiation.pdf Введение Волны терагерцового (ТГц) диапазона частот (0.1-10 ТГц), также называемые Т-лучами, расположены между микроволновым и инфракрасным спектральными диапазонами. Терагерцовое излучение используется для контроля и диагностики биологических материалов [1], медицинских исследований [2, 3], контроля окружающей среды, химического анализа [4, 5], в элементах связи [6, 7], дефектоскопии [8, 9], для создания ТГц-радаров [10], ТГц-томографии и имиджинга [11, 12], обеспечения безопасности (обнаружение опасных предметов под одеждой, взрывчатых веществ, наркотических средств) [13, 14], высокоточного измерения толщины лакокрасочного покрытия автомобилей [15]. Эти приложения определяют актуальность создания источников терагерцового излучения с необходимыми характеристиками. Высокоэффективные модуляторы терагерцового диапазона частот крайне необходимы для создания новых недорогих функциональных устройств в данном диапазоне (фильтры [16], поглотители [17], переключатели [18]). ТГц-полосовые фильтры - это тип функциональных устройств, пропускающих частоты в пределах определенного диапазона и подавляющих/ослабляющих частоты вне этого диапазона. Подобные фильтры разделяются на неизменяемые (статические, неуправляемые) [19, 20] и управляемые (перестраиваемые, активные, функциональные), когда требуется непрерывная спектральная перестройка. Управляемые полосовые фильтры ТГц-излучения более универсальны и востребованы в реальных применениях. Свойства перестраиваемых фильтров зависят от метода управления: 1. Механически управляемые - посредством изменения углового положения устройства, либо его деформации (сжатие/растяжение) [21-23]. Недостаток - невысокая скорость и точность перестройки полосы пропускания. 2. Термически управляемые - за счет варьирования температуры материалов. Недостаток - медленная скорость модуляции терагерцового излучения [24-26]. 3. Электрически управляемые - структура фильтра содержит активные материалы с переменной диэлектрической проницаемостью, либо среды, позволяющие производить фазовый переход, контролируемый электрическим полем. Недостаток - достаточно сложная гибридная структура и необходимость соблюдения температурного режима [27-29]. 4. Магнитно-управляемые - перестройка фильтра происходит за счет влияния внешнего магнитного поля на магниточувствительные материалы, в том числе магнитные жидкости (МЖ) [30-32]. В основе лежит ориентация частиц вдоль вектора магнитного поля и формирование периодических нитевидных структур в течение нескольких секунд. Достоинством данного подхода является большое разнообразие вариантов магнитных жидкостей, что потенциально позволяет создавать фильтры с заданными параметрами. Магнитная жидкость - это устойчивый коллоидный раствор на основе магнитных частиц в базовой жидкости. Главными элементами состава МЖ являются твердая магнитная фаза и дисперсионная среда (жидкость-носитель), а также добавляют стабилизаторы. Чаще всего в качестве дисперсной магнитной фазы используются ферромагнитные, ферримагнитные металлы, оксиды металлов, а также сплавы со смешанной аморфно-кристаллической структурой. Жидкость-носитель является неотъемлемым компонентом МЖ, которая может быть полярной или неполярной. Основная функция этого компонента заключается в обеспечении среды, в которой «подвешиваются» частицы магнитного материала. Стоит отметить, что не все жидкости-носители пригодны для использования в ТГц-диапазоне, например, при наличии в их составе гидроксильных групп, которые дают сильное поглощение ТГц-излучения. Цель исследования - разработка магнитно-перестраиваемого узкополосного поляризационно-чувствительного фильтра терагерцового диапазона на основе изготовленных авторами магнитных жидкостей. Объект и методы исследования Нами было изготовлено 18 образцов МЖ с концентрацией магнитного порошка 2.5, 5 и 10 мас.% и размерами частиц от 10 до 50 мкм (таблица). Параметры магнитных жидкостей № 2.5% 5% 10% 1 45-50 мкм 45-50 мкм 45-50 мкм 2 40-45 мкм 40-45 мкм 40-45 мкм 3 35-40 мкм 35-40 мкм 35-40 мкм 4 29-35 мкм 29-35 мкм 29-35 мкм 5 20-29 мкм 20-29 мкм 20-29 мкм 6 10-20 мкм 10-20 мкм 10-20 мкм Для синтеза МЖ использовались частицы аморфного сплава 5БДСР с высокой магнитной проницаемостью μ ≥ 40000. Сплав производится на Ашинском металлургическом заводе (Россия) и является аналогом сплавов «Finemet-Hitachi» (Япония). Микрочастицы получены методом размола ленты 5БДСР в высокоэнергетическом измельчителе («Grinder MG100») типа механической ступки. Данное оборудование пригодно для тонкого помола любых материалов до 9 баллов по шкале Mooca с возможностью измельчения до 10 мкм. Для определения размера микрочастиц применялся ситовый метод с применением калиброванных лабораторных сит («Вибротехник») с рассевом на виброприводе. В качестве жидкости-носителя и среды для долговременной стабилизации магнитных частиц использовалось автомобильное синтетическое моторное масло класса 5w40 марки «Toyota», которое обладает стабильными физико-химическими свойствами и хорошей прозрачностью в терагерцовом диапазоне частот [33]. Процедура приготовления МЖ осуществлялась по следующему способу: первоначально рассчитывалась концентрация магнитного порошка 2.5, 5 и 10 мас.% в соответствии с уравнениями: где - необходимая концентрация растворенного вещества; - масса жидкости-носителя (автомобильное синтетическое моторное масло класса 5w40); - масса частиц (микрочастицы 5БДСР). После этого частицы необходимого размера взвешивались на высокоточных лабораторных весах марки «Vibra» с ценой деления 0.001 г. Затем взвешенная порция частиц помещалась в пробирку, наполненную моторным маслом в расчетном количестве. Далее полученные образцы перемешивались двумя способами: сначала виброэксцентричным методом с использованием прибора Вортекс марки «Biosan», предназначенного для высокоэффективного перемешивания растворов (суспензий), затем с использованием ультразвуковой ванны марки «Vilitek VBS13D» в течение 15 мин. Заранее подготовленные ячейки наполнялись МЖ и у каждой запаивалась сверху крышка для герметичности (рис. 1). Для изготовления ячейки использовался оптически прозрачный для ТГц-излучения пластик. Ячейка имела габаритные размеры 5×12×15 мм, толщина стенок 1 мм. Рис. 1. Герметичные ячейки с МЖ. Концентрации частиц: 2.5 мас.% (а), 5 мас.% (б), 10 мас.% (в). Размер частиц: 1 - 45-50 мкм; 2 - 40-45 мкм; 3 - 35-40 мкм; 4 - 29-35 мкм; 5 - 20-29 мкм; 6 - 10-20 мкм Внешнее магнитное поле создавалось катушками индуктивности в виде колец Гельмгольца. Основные характеристики электромагнитов были описаны в работе [34]. Величина магнитной индукции катушек управляется изменением подаваемого напряжения. Измерение магнитной индукции и однородности поля выполнялось с помощью магнитометра марки «Актаком ATE - 8702» (рис. 2, а). Данный прибор позволяет проводить измерения постоянных (DC) и переменных магнитных полей (AC). Диапазоны измерений магнитометра: DC от 0 до 30000 Гс (3000 мТл); AC от 0 до 15000 Гс (1500 мТл). Минимальное разрешение: 0.1 Гс/0.01 мТл. Зависимость индукции магнитного поля электромагнитов от силы тока представлена на рис. 2, б. Электромагниты создавали стабильное магнитное поле с возможностью увеличения магнитной индукции до 57.2 мТл (при токе 0.92 А). Область однородности магнитного поля имеет форму сферы диаметром ≈ 11 мм, это превышает диаметр пучка типичных ТГц-спектрометров в сфокусированной области. Например, спектрометр ТГц-TDS («T-Spec 1000 Teravil», Эстония) имеет диаметр пучка ≈ 4 мм. Рис. 2. Стенд для измерения магнитной индукции и однородности поля (а) и зависимость индукции магнитного поля электромагнитов от силы тока (б): 1 - индукция магнитного поля без ферримагнитных сердечников; 2 - индукция магнитного поля с ферримагнитными сердечниками Экспериментальные исследования прототипа полосового фильтра в терагерцовом диапазоне частот проводились в режиме пропускания с помощью ТГц-спектрометра реального времени (ТГц-TDS), в диапазоне от 0.2 до 1.5 ТГц («T-Spec 1000 Teravil», Эстония). Внутри спектрометра устанавливалась оптическая стойка с регулируемой высотой, на которой размещались электромагниты таким образом, чтобы генерируемое магнитное поле было ориентировано в вертикальной плоскости и перпендикулярно направлению распространения ТГц-излучения, а пучок ТГЦ-излуче¬ния проходил через центр ячейки (рис. 3). Для получения референтного сигнала регистрировалось пропускание ячейки, заполненной чистым автомобильным синтетическим моторным маслом классом 5w40. Усреднение проводилось по 256 отсканированным кривым. Перед процедурой измерений ячейка помещалась в прибор Вортекс на 30 с для перемешивания МЖ. Затем ячейка размещалась в спектрометре, включалось магнитное поле и происходила регистрация спектральных характеристик. Значение магнитной индукции варьировалось в интервале от 3.5 до 57.2 мТл. Измерения каждого образца повторялись не менее 5 раз. Рис. 3. Схема расположения электромагнитов внутри ТГц-спектрометра Результат и обсуждение Были исследованы ТГц-спектральные характеристики полученных ячеек, наполненных вариантами МЖ, приведенных в таблице, во внешнем однородном магнитном поле. На рис. 4 представлены спектры пропускания ячеек с концентрацией магнитного порошка 2.5 мас.% в двух состояниях. При отсутствии напряжения на электромагнитах магнитное поле не генерируется, во всех образцах частицы в МЖ не ориентированы и расположены хаотично по всему объему ячейки. В этом состоянии происходит несущественное ослабление излучения в области от 0.2 до 1.5 ТГц, уменьшающееся с частотой, что связано с поглощением металлического наполнителя. При подаче напряжения на катушки индуктивности создается магнитное поле, частицы в МЖ ориентируются вдоль вектора магнитного поля, формируя периодическую нитевидную структуру. Приведенные результаты при действии внешнего магнитного поля свидетельствуют о том, что ячейки, содержащие МЖ с размером частиц 45-50 мкм, 40-45 мкм, 35-40 мкм и концентрацией 2.5 мас.% (рис. 4, а, б, в), не обеспечивают селективность ослабления ТГц-излучения. Образцы ячеек, наполненные МЖ на основе частиц 5БДСР размером 29-35 мкм, 20-29 мкм, 10-20 мкм с концентрацией магнитного порошка 2.5 мас.% (рис. 4, г, д, е), действуют как полосовые фильтры низких частот. С уменьшением размера частиц пик пропускания смещается в область высоких частот, а с увеличением величины магнитной индукции полоса пропускания фильтра сужается. Рис. 4. Средние значения и среднеквадратичные отклонения ТГц-спектров пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5БДСР 2.5 мас.%: 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 6.7 мТл; 3 - B = 30.3 мТл; 4 - B = 57.2 мТл. Размер частиц: 45-50 мкм (а); 40-45 мкм (б); 35-40 мкм (в); 29-35 мкм (г); 20-29 мкм (д); 10-20 мкм (е) На рис. 5 показаны спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5 мас.%. Когда магнитное поле отсутствует, происходит ослабление терагерцового излучения, близкое по уровню с неориентированными образцами с меньшей концентрацией магнитных частиц. Ячейки, содержащие магнитную жидкость с размерами частиц 45-50 мкм, 40-45 мкм, 35-40 мкм (рис. 5, а, б, в) с ростом величины магнитного поля позволяют неселективно ослаблять ТГц-излучение в диапазоне от 0.2 до 1.5 ТГц. При данной концентрации магнитных частиц ячейка, содержащая МЖ с частицами размерами 29-35 мкм, 20-29 мкм, 10-20 мкм (рис. 5, г, д, е), в магнитном поле дает один пик пропускания на низких частотах. С уменьшением размера частиц этот пик смещается в область больших частот, а с увеличением величины магнитного поля ширина пропускания уменьшается. На рис. 6 представлены спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией магнитного порошка 10 мас.%. Наибольшую эффективность модуляции поляризованного ТГц-излучения, при воздействии внешнего магнитного поля, демонстрируют образцы ячеек, содержащие магнитную жидкость на основе частиц размером 29-35 мкм, 20-29 мкм и 10-20 мкм (рис. 6, г, д, е). При слабом магнитном поле (величина магнитного поля - единицы мТл) прототип полосового фильтра имеет один пик пропускания в области низких частот, а с увеличением значения магнитной индукции полоса пропускания уменьшается и начинает образовываться новый пик пропускания на более высоких частотах. Рис. 5. Средние значения и среднеквадратичные отклонения ТГц-спектров пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5БДСР 5 мас.% : 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 6.7 мТл; 3 - B = 30.3 мТл; 4 - B = 57.2 мТл. Размер частиц: 45-50 мкм (а); 40-45 мкм (б); 35-40 мкм (в); 29-35 мкм (г); 20-29 мкм (д); 10-20 мкм (е) Рис. 6. Средние значения и среднеквадратичные отклонения ТГц-спектров пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5БДСР 10 мас.%: 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 6.7 мТл; 3 - B = 30.3 мТл; 4 - B = 57.2 мТл. Размер частиц: 45-50 мкм (а); 40-45 мкм (б); 35-40 мкм (в); 29-35 мкм (г); 20-29 мкм (д); 10-20 мкм (е) Ниже представлены ТГц-спектры пропускания для значений магнитной индукции в интервале от 3.5 до 57.2 мТл образцов ячеек, способных селективно пропускать излучение в диапазоне от 0.2 до 1.5 ТГц. Данные ячейки содержат МЖ с размером частиц 29-35 мкм, 20-29 мкм, 10-20 мкм, но с разной концентрацией частиц по массе. На рис. 7 представлены спектры пропускания ячеек, содержащих МЖ с концентрацией частиц 2.5 мас.%. Рис. 7. Спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 2.5 мас.%: 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 3.5 мТл; 3 - В = 6.7 мТл; 4 - В = 12.9 мТл; 5 - В = 18.8 мТл; 6 - 57.2 мТл. Размер частиц: 29-35 мкм (а); 20-29 мкм (б); 10-20 мкм (в) На рис. 8 показаны спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5 мас.%. Рис. 8. Спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 5 мас.%: 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 3.5 мТл; 3 - В = 6.7 мТл; 4 - В = 12.9 мТл; 5 - В = 18.8 мТл; 6 - 57.2 мТл. Размер частиц: 29-35 мкм (а); 20-29 мкм (б); 10-20 мкм (в) На рис. 9 представлены спектры пропускания ячеек, наполненных МЖ с концентрацией частиц 10 мас.%. Рис. 9. Спектры пропускания ячеек с МЖ с концентрацией частиц 10 мас.%: 1 - без магнитного поля (B = 0); 2 - B = 3.5 мТл; 3 - В = 6.7 мТл; 4 - В = 12.9 мТл; 5 - В = 18.8 мТл; 6 - 57.2 мТл. Размер частиц: 29-35 мкм (а); 20-29 мкм (б); 10-20 мкм (в) Заключение Показано, что полоса пропускания разработанного магнитно-перестраиваемого полосового фильтра ТГЦ-диапазона на основе магнитной жидкости зависит от размера магнитных частиц и от их количества в единице объема. В ходе исследований фильтра было выявлено, что для модуляции терагерцового излучения можно считать оптимальной концентрацию частиц от 2.5 мас.% и с размером частиц от 10 до 35 мкм. Образцы с такой конфигурацией магнитной жидкости работают как полосовой фильтр низких частот.

Скачать электронную версию публикации