Method of Measurements of Relative Permittivity and Dielectric Loss Tangent of Micropowders in a Wide Frequency Range

Abstract

Діелектричні та магнітні мікропорошки знайшли своє призначення у широкому спектрі науковотехнічних задач. Наприклад, мікропорошки застосовують як основу поглинаючих мікрохвильових покриттів для зменшення відбиття хвилі в антирадарних системах. У надсучасних квантових обчислювальних схемах і детекторах з наднизьким рівнем шуму, мікропорошки використовуються як наповнювачі коаксіальних термоблокуючих фільтрів. Такі фільтри вкрай необхідні для забезпечення шумової ізоляції глибоко охолоджених пристроїв від вимірювальної апаратури, яка знаходиться при кімнатній температурі. Для розрахунків пристроїв на основі мікропорошків необхідно отримати їх діелектричні та магнітні характеристики. Для цього на низьких частотах використовують конденсаторні або індуктивні методи, а на мікрохвильових частотах – хвилеводні методи. В роботі запропоновано метод визначення діелектричних та магнітних характеристик мікропорошків для покриття проміжного діапазону метрових та сантиметрових довжин хвиль. Метод базується на вимірюванні частотних залежностей втрат та зміни фази сигналу, що проходить скрізь відрізок коаксіальної лінії передачі з мікропорошковим наповненням. З використанням запропонованого метода проведені дослідження мікропорошків з оксиду графену, графіту та карбонільного заліза та знайдені значення їх діелектричних/магнітних проникностей та тангенсів втрат в діапазоні частот 300 кГц – 26.5 ГГц. Приведено структурний аналіз форми та розмірів зерен мікропорошків. Зроблені розрахунки визначення достовірного частотного діапазону для вимірювання діелектричних/магнітних параметрів досліджених мікропорошків, та проведено оцінку чутливості запропонованої методики.

Dielectric and magnetic powders find their use in a wide spectrum of scientific and technical tasks. For example, micropowders are used as a base of microwave absorbing coverage for the reflection reduction of the electromagnetic waves in the anti-radar systems. In the modern quantum computing and ultra-low noise detectors, they are used as a filling of the coaxial thermal blocking filters. Such filters are extremely necessary to ensure the noise shielding of deeply cooled devices from the measurement equipment under room temperature. For correct calculations of devices based on micropowders, it is essential to obtain their dielectric and magnetic properties. For this reason, parallel plates and induction techniques are used in the low-frequency range, and waveguide methods are used in the HF and SHF ranges. An experimental method for determining the dielectric and magnetic properties of micropowders that covers the meter to centimeter range is proposed. The main idea is to measure frequency dependences of losses and phase changes of the signal transmitted through a coaxial line segment with powder filling. Using the stated technique, we perform the measurements of graphene oxide, graphite and carbonyl iron micropowders, and the values of relative permittivity/permeability and loss tangent in the range 300 kHz – 26.5 GHz are obtained. The structural analysis of the shape and dimensions of micropowders grains is given. Determination of a reliable frequency range for measuring the dielectric/magnetic parameters of investigated micropowders is obtained, and the sensitivity of the offered technique is estimated.