РАЗДЕЛ 2
ПРИМЕНЕНИЕ МОДУЛЯЦИОННЫХ ПРИНЦИПОВ В ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СЕНСОРАХ ЗАКРЫТОГО ТИПА
Электромагнитная диагностика веществ и объектов обычно основана на измерении их диэлектрических свойств. Можно использовать измерение магнитной проницаемости. Но существенное отличие магнитной проницаемости от магнитной постоянной имеют лишь ферромагнетики. Непосредственная цель измерения диэлектрической проницаемости на практике возникает с только в задачах электро- или СВЧ техники. В остальных случаях ВД представляет собой совокупность косвенных методов оценки параметров. Так как вопросы сохранения информации представлены выше, то данный и последующие разделы полностью посвящены радиофизическим и волновым задачам ВД.
Представляя задачи волновой диагностики, необходимо учитывать два противоположных, но взаимосвязанных фактора. Во-первых, приоритет практических потребностей, во-вторых, эффективность теоретических методов исследований. Первый определяет круг задач и степень их важности, второй - ход их решения. Поэтому, представляя далее литературу, посвященную ВД, необходимо выделить наиболее распространенные практические методы и указать наиболее общие теоретические вопросы, решение которых будет способствовать развитию данной области.
Соответственно целям настоящей работы основной вопрос обзора литературы состоит в определении круга наиболее актуальных задач и характерных методов их решений, полученных при создании ВС. Лабораторные условия допускают обработку материала с целью придания ему заданной формы или адаптацию рабочей области ВС под форму исследуемых образцов. Поэтому для обеспечения лабораторных измерений волновая задача обычно формулируется в строгой постановке. То есть, при которой вся рабочая область ВС или ее части имеют форму, совпадающую с осями координатной системы, и параметры всех частей рабочей области определены.
Историю, современное состояние и тенденции развития методологии радиофизических измерений параметров веществ в условиях, допускающих высокую степень контроля, можно представить на примерах СВЧ измерений влажности и параметров полупроводников. Эти два направления охватывают измерения параметров веществ, которые могут иметь разную физическую структуру (полупроводниковые подложки и сыпучие вещества), разное агрегатное состояние и размеры. Различными являются и цели измерений. В первом случае определяются интегральные характеристики веществ с однородной или сложной пространственной структурой и по ним определяют параметры вещества или объекта. Во втором - электрофизические параметры являются целью. Таким образом, рассматривая эти два направления можно выделить общий круг радиофизических задач, обеспечивающих лабораторные измерения.
Давний интерес и интенсивное развитие СВЧ методов измерения влажности обусловлено двумя факторами. Во-первых, трудоемкостью и сложностью прямых методов, которые практически исключают возможность создания приборов неразрушающего экспресс-контроля, во-вторых, относительно высокой чувствительностью электродинамических методов к изменению этого параметра [34-39]. Второе обусловлено существенным отличием значений диэлектрической проницаемости у воды и у наиболее широко распространенных материалов, а так же их растворением в воде с образованием проводящих областей.
На первых этапах исследования среди основных задач была задача поиска оптимальных форм области взаимодействия СВЧ поля с исследуемым объектом [40-44]. При этом одним из критериев являлась упрощение граничных условий. Как правило, объем резонатора или отрезок волновода полностью заполнялся измеряемым веществом. В случае внешнего расположения вещества предполагалось бесконечное удаление его границ от элемента связи. Однако, необходимость увеличения количества первичной информации потребовала изменения подходов [45-48]. Были разработаны более сложные конструкции волновых сенсоров, различные варианты возбуждения полей и выделения информационных сигналов [49-55].
При измерении параметров сыпучих материалов добавилась задача описания их свойств, с учетом случайного распределения неоднородностей и адекватного представления его интегральных характеристик [56-62].
По мере исчерпания ресурсов варьирования формами ВС возрастала актуальность задач развития иных способов совершенствования датчиков. Среди них были более совершенные способы выделения полезной информации, в том числе и с помощью технических средств [63-68]. Но основным направлением развития самих ВС становится уточнение теоретических решений [69-74].
Немаловажным направлением является расширение диапазона применений известных конструкций и методов [75,76].
Аналогичные тенденции можно наблюдать и в развитии методов измерения параметров полупроводниковых материалов [77-86]. Однако формулировки конкретных задач имеют принципиальные отличия. Прежде всего, отличались цели измерений, определяющие то, какая теоретическая задача должна решаться. При измерении параметров п/п среднее значение действительной части диэлектрической проницаемости известно с высокой точностью. Измерению подлежит параметры проводимости, включая ее пространственное распределение. Однако в этом случае граничные условия детерминированы - пластины п/п материалов, как правило, тонкие, а эпитаксиальные слои существенно меньше длины волны. Актуальной является задача определения пространственного распределения проводимости [87-94].
К особенностям можно отнести существенно меньшие размеры объекта, требование обеспечения пространственной разрешающей способности и более высокой точности измерений [95,96]. Характерной особенностью п/п является нелинейность материалов и анизотропия материалов и структур [97-100].
Изменение параметров п/п при внешнем воздействии дают важную информацию для разработчиков [101-103]. Такие измерения не следует относить к модуляционным, но необходимо отметить, что идея изменения граничных условий для получения дополнительной информации существовала [104].
Измеряемые образцы, пр