Фізичні основи ближньопольової НВЧ діагностики матеріалів і середовищ

Abstract

В дисертації вирішено проблему створення загальної теорії НВЧ ближньопольової діагностики, яка необхідна для подальшого розвитку НВЧ пристроїв й систем для визначення параметрів матеріалів, середовищ і об’єктів природного та штучного походження. У роботі запропоновано та розвинуто нові аналітико-чисельні методи і підходи дослідження резонаторних вимірювальних перетворювачів (РВП), які є перспективними для діагностики напівпровідників і діелектриків. Вивчено фізичні особливості метрологічної взаємодії об’єктів з електромагнітним полем у ряді типів конструкцій РВП. Створено основи загальної теорії ближньопольової НВЧ діагностики. Вперше запропоновано аналітико-чисельні методи моделювання РВП з коаксіальною вимірювальною апертурою, що відрізняються ступенем коректності постановки та розв’язку електродинамічних задач. Розроблено та реалізовано аналітико-чисельний алгоритм, що базується на подані поля у різних частинах системи за допомогою функцій Гріна для рівнянь Максвелла і напівобертань інтегрального оператора, що формує характеристичне рівняння РВП. Розвинуто наближення заданого поля у розрізі апертури та алгоритм його використання. Розроблено теорію та дано фізичне обґрунтування методам підвищення просторової та параметричної роздільної здатності мікрохвильової скануючої мікроскопії (МСМС) напівпровідників за допомогою коаксіальних мікрозондових РВП шляхом збільшення внеску нормальної електричної компоненти поля у порівнянні з тангенціальною. Вперше запропоновано ефективний метод підвищення просторової роздільної здатності за рахунок двоетапної комп’ютерної обробки сигналів сканування при реконструкції неоднорідностей. Запропоновано й обґрунтовано напрямок покращення якісних характеристик РВП, у тому числі для МСМС, для чого використано складені РВП з роздільним керуванням добротністю його частин і оптимізації геометрії зонду. Обґрунтовано аналітико-чисельний алгоритм дослідження взаємодії РВП тороїдального типу з анізотропними об’єктами та в умовах потужних НВЧ полів. Теоретично досліджено особливості трансформації НВЧ полів середовищами з діелектричними та магнітними параметрами, які є швидкозмінними. Розвинуто теорію та методи практичної реалізації НВЧ вологометрії сипких матеріалів у напрямку здійснення щільнісно незалежних вимірювань шляхом оптимального вибору електродинамічної структури РВП і комбінації сигналів вимірювальної інформації. Запропоновано новий напрям НВЧ гігрометрії, у якому використовуються особливості спеціалізованих РВП, добротність яких чутлива до діелектричної проникності заповнюючого вологого газового середовища. При цитуванні документа, використовуйте посилання http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/24392

В диссертации решена проблема создания общей теории СВЧ ближнеполевой диагностики, которая необходима для дальнейшего развития СВЧ устройств и систем для определения параметров материалов, сред и объектов естественного и искусственного происхождения. В работе предложены и развиты новые аналитико-численные методы и подходы к исследованию перспективных для диагностики полупроводников и диэлектриков резонаторных измерительных преобразователей (РИП). Изучены физические особенности метрологического взаимодействия объектов с электромагнитным полем различных конструктивов РИП. На основе обобщения результатов теоретического и экспериментального исследований существенно развиты принципы микроволновой микроскопии полупроводниковых объектов и СВЧ влагометрии. Созданы основы общей теории ближнеполевой СВЧ диагностики объектов различного происхождения. Впервые предложены аналитико-численные методы моделирования РИП с коаксиальной измерительной апертурой, отличающиеся степенью строгости постановки и решения соответствующих электродинамических задач. Для представления градуировочных характеристик преобразования и проверки выводов из оценок по более приближенным моделям разработан и реализован численно-аналитический алгоритм, базирующийся на представлении поля в различных частях системы с помощью функций Грина для уравнений Максвелла и полуобращений интегрального оператора, формирующего характеристические уравнения РИП. Для предварительных физических исследований указанной системы и оптимизации построения РИП развит алгоритм использования приближения заданного поля в сечении измерительной апертуры. Установлено, что для микроволновой сканирующей микроскопии с коаксиальным микрозондовым РИП существуют физически обоснованные методы повышения пространственной и параметрической разрешающей способности микроскопии полупроводников путем увеличения вклада нормальной электрической компоненты поля коаксиального микрозонда по сравнению с тангенциальной. Разработан двухэтапный алгоритм, эффективный при компьютерной обработке сигналов сканирования для определения параметров неоднородности при реконструкции по типу томографии. При этом была на порядок повышена пространственная разрешающая способность микроволновой микроскопии. Предложено и обосновано направление повышения чувствительности и разрешающей способности микроволновой микроскопии, базирующееся на раздельном управлении потерями в частях сложного микрозондового РИП и концентрации поля в неоднородности путем оптимизации геометрии зонда. Создана общая теория РИП с объемным метрологическим взаимодействием, включающая как формулировку характеристических уравнений, так и детализацию физических особенностей их функционирования. В частности, выделены РИП Н-типа как перспективные для модификации характеристик преобразования в широких пределах изменения чувствительности по различным параметрам путем изменения концентрации поля в объекте. Обоснован численно-аналитический алгоритм исследования взаимодействия РИП тороидального типа с анизотропными объектами и в условиях сильных СВЧ полей. Теоретически исследованы особенности трансформации СВЧ полей средами с быстро изменяющимися диэлектрическими и магнитными параметрами. Развита теория и методы практической реализации СВЧ влагометрии сыпучих материалов в направлении осуществления плотностно независимых измерений путем оптимального выбора электродинамической структуры РИП и комбинации сигналов измерительной информации. Предложено новое направление СВЧ гигрометрии, использующее особенности специализированных РИП, добротность которых чувствительна к диэлектрической проницаемости заполняющей влажной газовой среды. При цитировании документа, используйте ссылку http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/24392

The problem of creation of the near field microwave diagnostics general theory has been solved in the dissertation needed for the further development of microwave devices and systems for estimation of the parameters of materials, media and objects of the natural and artificial nature. New analytical-numerical methods and approaches to investigation into the resonant measuring transducers (RMT) promising to diagnose of semiconductors and dielectrics are offered and developed. Physical features of the objects metrological interaction with RMT various constructives electromagnetic field are investigated. Foundations of the various origin objects’ near-field microwave diagnostics general theory are created. Analytical-numerical methods for the RMT with a coaxial measuring aperture distinctive in the degree rigor of the corresponding electrodynamics problems statement and solution are offered for the first time. The analytical-digital algorithm based on the field representation in different parts of the system using Green functions for Maxwell equations and semi-converted integral operator forming the RMT characteristic equation is developed and realized. The algorithm for the use of the given field approximation in the aperture cross-section is developed, investigated and applied. The theory is developed and physical proof is given for the methods of the spatial and parametric resolution of the semiconductors microwave microscopy using coaxial microprobe RMTs through the increase in the contribution of the normal electric component of the field as compared to the tangential one. The effective method for the spatial resolution increase at the cost of scanning signals computer processing for the nonhomogeneity reconstruction is offered on this basis for the first time. The direction of improvements in the RMT qualitative characteristics including microwave microscopy based on separate control of quality factor and concentration of the field in nonhomogeneity through optimization of the probe geometry optimization and the volume being filled is offered and substantiated. The numerical-analytical algorithm for investigation into the toroidal-type RTM interaction with anisotropic objects and under the strong microwave fields conditions is justified. The theory and methods of practical realization of the bulk materials microwave moisture metering in the direction of density-free measurements realization through the RMT electrodynamics structure optimal choice and measurement information signals combination are developed. A new direction of the microwave hygrometry using the specialized RMTs’ features, their quality factor being sensitive to the dielectric permeability of the filling humid gaseous medium is offered. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/24392