RU115926U1

RU115926U1 - THIN-FILM SENSOR OF ELECTROMAGNETIC RADIATION

Info

Publication number: RU115926U1
Application number: RU2011153062/28U
Authority: RU
Inventors: Александр Андреевич Канивец; Валерий Моисеевич Сарнацкий
Priority date: 2011-12-27
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Тонкопленочный датчик электромагнитного излучения, содержащий звукопровод, выполненный в форме цилиндра, на одном из оснований которого нанесен магнитострикционный элемент в виде однородной пленки толщиной 30 мкм из монокристаллического материала железо-иттриевого граната, средство создания постоянной составляющей магнитного поля, которая имеет направление вдоль оси звукопровода, отличающийся тем, что на втором основании эвукопровода нанесена пьезоэлектрическая пленка толщиной 30 мкм из монокристаллического материала иодата лития, на боковой поверхности звукопровода по обе стороны от магнитострикционного элемента установлены магниты с напряженностью постоянного магнитного поля, равной 14 Э, и вектором напряженности, направленным касательно к плоскости магнитострикционного элемента, причем установленные магниты выполнены идентичными цилиндрической поверхности звукопровода в форме сегмента, равного четверти диаметра звукопровода. A thin-film electromagnetic radiation sensor containing a sound conductor made in the form of a cylinder, on one of the bases of which a magnetostrictive element is applied in the form of a homogeneous film with a thickness of 30 μm made of a single-crystal material of yttrium iron garnet, means for creating a constant component of the magnetic field, which has a direction along the axis of the acoustic conduit, characterized in that a piezoelectric film with a thickness of 30 μm made of lithium iodate monocrystalline material is applied on the second base of the conduit, magnets are installed on the lateral surface of the acoustic conduit on both sides of the magnetostrictive element with a constant magnetic field strength equal to 14 Oe, and a vector of intensity directed tangentially to the plane magnetostrictive element, and the installed magnets are made identical to the cylindrical surface of the acoustic duct in the form of a segment equal to a quarter of the diameter of the acoustic duct.

Description

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано при эксплуатации установок, излучающих электромагнитную энергию в диапазоне средних, высоких и ультравысоких частот, при эксплуатации радиосредств с большой мощностью излучения для измерения и контроля уровня излучения, безопасного для обслуживающего персонала. Датчик электромагнитного излучения является самым важным элементом приборов, служащих для измерения интенсивности электромагнитного излучения, и от его чувствительности, полосы рабочих частот, от времени необходимого для проведения измерений зависит его применимость и эффективность работы при оценке степени биологической опасности электромагнитного излучения.The invention relates to the field of measurement technology and can be used in the operation of installations emitting electromagnetic energy in the range of medium, high and ultra-high frequencies, in the operation of radio devices with high radiation power for measuring and monitoring the level of radiation that is safe for staff. The electromagnetic radiation sensor is the most important element of the instruments used to measure the intensity of electromagnetic radiation, and its applicability and operational efficiency in assessing the degree of biological hazard of electromagnetic radiation depends on its sensitivity, the frequency band, and the time required for the measurements.

Уровень техники.The level of technology.

Аналогом предлагаемой полезной модели может служить известное устройство [1], предназначенное для одновременного измерения взаимно перпендикулярных электрических и магнитных составляющих электромагнитного излучения. Однако известное устройство имеет ограниченный частотный диапазон измерений, так как оно на входе содержит индуктивный и емкостной элементы, которые для достижения высокой чувствительности известного устройства должны быть настроены в резонанс с частотой измеряемого электромагнитного излучения.An analogue of the proposed utility model can be a known device [1], intended for simultaneous measurement of mutually perpendicular electrical and magnetic components of electromagnetic radiation. However, the known device has a limited measurement frequency range, since it contains inductive and capacitive elements at the input, which, in order to achieve high sensitivity of the known device, must be tuned in resonance with the frequency of the measured electromagnetic radiation.

Аналогом предлагаемой полезной модели может служить также устройство [2], использующее антенны специальной формы и размеров для измерения параметров электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне. Однако устройство не позволяет проводить одновременно (без смены антенн) измерения величины напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения вследствие конструктивных особенностей применяемых антенн и их целевого назначения. Недостатком устройства также является низкая информативность контроля и необходимость применения значительного промежутка времени для проведения измерений, т.к. требует использование разных антенн при определении отдельно величины напряженности электрического и напряженности магнитного поля измеряемого электромагнитного излучения.An analogue of the proposed utility model can also be a device [2] that uses antennas of a special shape and size to measure the parameters of electromagnetic radiation in a wide frequency range. However, the device does not allow simultaneous (without changing the antennas) measurements of the magnitude of the magnetic and electrical components of electromagnetic radiation due to the design features of the antennas used and their intended purpose. The disadvantage of this device is the low information content of the control and the need to use a significant period of time for measurements, because requires the use of different antennas when determining separately the magnitude of the electric strength and magnetic field strength of the measured electromagnetic radiation.

Наиболее близким к заявленной полезной модели по решению технической задачи является устройство, описанное в технической литературе [3], предназначенное для измерения только магнитной составляющей электромагнитного излучения в широком частотном диапазоне. Известное устройство содержит звукопровод в форме цилиндра, на основания которого нанесены магнитострикционные элементы, средства создания магнитного поля с постоянной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, при этом магнитострикционные элементы для достижения широкополосности выполнены в виде набора поликристаллических частиц, размеры которых удовлетворяют задающему диапазону частот.Closest to the claimed utility model for solving the technical problem is the device described in the technical literature [3], designed to measure only the magnetic component of electromagnetic radiation in a wide frequency range. The known device contains a sound pipe in the form of a cylinder, on the base of which magnetostrictive elements are applied, means for creating a magnetic field with a constant component directed along the axis of the sound pipe, while magnetostrictive elements to achieve broadband are made in the form of a set of polycrystalline particles, the sizes of which satisfy the frequency range.

Технический результат заявленной полезной модели заключается в повышении информативности контроля, которая позволяет проводить измерения величин напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения, а также в сокращении времени проведения измерений и в расширении области рабочих частот.The technical result of the claimed utility model is to increase the information content of the control, which allows you to measure the magnitude of the magnetic and electrical components of electromagnetic radiation, as well as to reduce the time of measurement and to expand the range of operating frequencies.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном широкополосном датчике, представляющем собой измеритель магнитной составляющей электромагнитного излучения, включающем звукопровод и нанесенную на одно из оснований тонкую (не более 30 мкм) пленку из магнитострикционного материала, средство создания магнитного поля с постоянной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, в соответствии с заявленной полезной моделью, на противоположном основании звукопровода установлена тонкая (не более 30 мкм) пленка пьезоэлектрического кристалла, обладающая высокими электроакустическими характеристиками, позволяющими проводить измерения слабых электрических переменных полей в широком частотном диапазоне. Помимо этого, указанный технический результат в заявленном изобретении достигается тем, что в измерителе в качестве материала тонкой пленки магнитострикционного материала применяется кристалл железоиттриевого граната (далее: ЖИГ), позволяющий регистрировать с высокой эффективностью преобразования переменные магнитные поля в широком частотном диапазоне от единиц МГц до десятка ГГц [4], а для регистрации переменного электрического поля используется тонкая пленка пьезоэлектрического кристалла иодата лития, гексагональной модификации. Высокая эффективность и широкополосность работы преобразователей высокочастотного электрического поля на основе кристаллов иодата лития описаны в литературе [5].The specified technical result is achieved by the fact that in the known broadband sensor, which is a meter of the magnetic component of electromagnetic radiation, including a sound duct and a thin (not more than 30 microns) film of magnetostrictive material deposited on one of the bases, a means of creating a magnetic field with a constant component directed along the axis of the sound duct, in accordance with the claimed utility model, a thin (not more than 30 microns) piezoelectric film is installed on the opposite base of the sound duct Cesky crystal having a high electro-acoustic characteristics allowing measurements of weak electrical fields variable in a wide frequency range. In addition, the specified technical result in the claimed invention is achieved by the fact that the meter uses a crystal of iron-garnet garnet (hereinafter: YIG) as a material of a thin film of magnetostrictive material, which allows recording with high conversion efficiency variable magnetic fields in a wide frequency range from units of MHz to ten GHz [4], and a thin film of a piezoelectric crystal of lithium iodate, hexagonal modification, is used to register an alternating electric field. High efficiency and broadband operation of high-frequency electric field converters based on lithium iodate crystals are described in the literature [5].

Заявленное изобретение поясняется Фиг.1, Фиг.2 и Фиг.3The claimed invention is illustrated in figure 1, figure 2 and figure 3

На Фиг.1 представлена схема устройства.Figure 1 presents a diagram of a device.

Устройство содержит звукопровод (1), магнитострикционный элемент (2) в виде тонкой пленки монокристаллического ЖИГ, средство создания постоянной составляющей магнитного поля (3) для установления величины подмагничивающего поля, направленного по оси звукопровода, магниты (4) для создания магнитного поля с вектором напряженности, направленным касательно к плоскости магнитострикционного элемента, пьезоэлектрический преобразователь (5), выполненный в виде тонкой пленки монокристаллического иодата лития гексагональной модификации.The device contains a sound duct (1), a magnetostrictive element (2) in the form of a thin film of a single-crystal YIG, means for creating a constant component of the magnetic field (3) to establish the magnitude of the magnetizing field directed along the axis of the sound duct, magnets (4) to create a magnetic field with a tension vector directed relative to the plane of the magnetostrictive element, the piezoelectric transducer (5), made in the form of a thin film of monocrystalline lithium iodate hexagonal modification.

Пример конкретной реализации заявляемой полезной модели представлен на Фиг.2, где схема предлагаемого устройства показана в виде прямоугольника и выделена пунктиром, а связанные с работой предлагаемого устройства внешние средства выделены в виде прямоугольников, обозначающих: ограничительное сопротивление (6), источник постоянного напряжения (7) и регистрирующее устройство (8).An example of a specific implementation of the claimed utility model is shown in FIG. 2, where the diagram of the proposed device is shown in the form of a rectangle and is dotted, and the external means associated with the operation of the proposed device are highlighted in the form of rectangles, indicating: limiting resistance (6), constant voltage source (7 ) and a recording device (8).

Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the claimed device is as follows.

Перед началом измерений электромагнитного излучения выбирают оптимальный режим работы магнитострикционного элемента, соответствующий максимуму его чувствительности. Для этого на средство создания постоянной составляющей магнитного поля (3) через ограничительное сопротивление (6) подается напряжение от источника постоянного напряжения (7). Величина напряжения подбирается равным значению, при котором величина создаваемого поля подмагничивания, направленного вдоль оси звукопровода, соответствует максимуму чувствительности магнитострикционного преобразователя. В результате проведения многочисленных лабораторных испытаний было обнаружено, что дополнительно значительное (до 10 раз и более) повышение чувствительности можно достичь созданием небольшого магнитного поля касательно плоскости расположения пленки. Это осуществляется с помощью слабых магнитов (4). При этом для пленки ЖИГ величина напряженности касательного магнитного поля составляет 14 эрстед. Лабораторными испытаниями установлено, что максимальное увеличение эффективности преобразования достигается для магнитов, выполненных в форме сегмента, равного четверти диаметра звукопровода, и расположенных на цилиндрической поверхности звукопровода, т.к. при таких условиях достигается наибольшая степень однородности магнитного поля, приложенного касательно к плоскости пленки, приводящая к однородной структуре полосовых доменов в плоскости пленки, колебания которых увеличивают эффективность преобразования напряженности магнитного переменного поля в ультразвуковые колебания.Before starting measurements of electromagnetic radiation, the optimal mode of operation of the magnetostrictive element corresponding to the maximum of its sensitivity is selected. For this, a voltage from a constant voltage source (7) is supplied to the means for creating a constant component of the magnetic field (3) through the limiting resistance (6). The voltage value is selected equal to the value at which the magnitude of the created bias field, directed along the axis of the sound duct, corresponds to the maximum sensitivity of the magnetostrictive transducer. As a result of numerous laboratory tests, it was found that an additional significant (up to 10 times or more) increase in sensitivity can be achieved by creating a small magnetic field relative to the plane of the film. This is done using weak magnets (4). Moreover, for the YIG film, the tangential magnetic field strength is 14 Oersted. Laboratory tests found that the maximum increase in conversion efficiency is achieved for magnets made in the form of a segment equal to a quarter of the diameter of the sound duct and located on the cylindrical surface of the sound duct, because under such conditions, the greatest degree of uniformity of the magnetic field is achieved, applied relative to the plane of the film, leading to a homogeneous structure of strip domains in the plane of the film, the oscillations of which increase the efficiency of the conversion of the magnetic field to the ultrasonic vibrations.

Пьезоэлектрический преобразователь (5) соединен с помощью высокочастотного кабеля с регистрирующим устройством (8) и датчик помещают в произвольно выбранную область пространства для измерения параметров электромагнитного излучения, в частности, напряженности переменного электрического и напряженности переменного магнитного поля. Переменное электрическое поле, созданное источником электромагнитного излучения, и приложенное к пленке пьезоэлектрического преобразователя, приводит преобразователь в колебательное движение за счет обратного пьезоэлектрического эффекта. Колебания, возбужденные пьезоэлектрическим преобразователем распространяются в звукопроводе, отражаются от противоположного торца и через промежуток времени, необходимый для прохождения ультразвуковой волной двойной длины звукопровода, регистрируют измерительным устройством. При работе излучателя в импульсном режиме регистрируют серию эхо-импульсов, испытавших многократное отражение в звукопроводе. Амплитуда первого зарегистрированного сигнала прямо пропорциональна величине напряженности переменного электрического поля, которая после проведения калибровочных измерений может быть определена в абсолютных единицах. Так как в электромагнитной волне вектор напряженности электрического поля перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля, величина последнего определяется поворотом датчика относительно первоначально выбранного направления в пространстве на угол равный 90°. При этом к магнитострикционному элементу будет приложено переменное магнитное поле, которое за счет магнитоупругого взаимодействия приводит в колебательное движение магнитострикционный элемент, от которого ультразвуковая волна распространяется по звукопроводу по направлению к пьезоэлектрическому преобразователю. В измерительном устройстве за счет прямого пьезоэффекта появляется сигнал, амплитуда которого прямо пропорциональна напряженности переменного магнитного поля.The piezoelectric transducer (5) is connected via a high-frequency cable to a recording device (8) and the sensor is placed in an arbitrarily selected region of space for measuring electromagnetic radiation parameters, in particular, alternating electric intensity and alternating magnetic field strength. The alternating electric field created by the electromagnetic radiation source and applied to the film of the piezoelectric transducer causes the transducer to oscillate due to the inverse piezoelectric effect. Oscillations excited by the piezoelectric transducer propagate in the sound duct, are reflected from the opposite end, and after a period of time necessary for the ultrasonic wave to travel the double length of the sound duct, register with a measuring device. When the emitter is operating in a pulsed mode, a series of echo pulses are recorded that have experienced multiple reflection in the sound pipe. The amplitude of the first recorded signal is directly proportional to the magnitude of the intensity of the alternating electric field, which after calibration measurements can be determined in absolute units. Since in an electromagnetic wave the electric field vector is perpendicular to the magnetic field vector, the magnitude of the latter is determined by the rotation of the sensor relative to the initially selected direction in space by an angle equal to 90 °. In this case, an alternating magnetic field will be applied to the magnetostrictive element, which, due to magnetoelastic interaction, causes the magnetostrictive element to vibrate, from which the ultrasonic wave propagates through the sound duct towards the piezoelectric transducer. Due to the direct piezoelectric effect, a signal appears in the measuring device whose amplitude is directly proportional to the intensity of the alternating magnetic field.

Заявленный тонкопленочный датчик электромагнитного излучения по сравнению с известными аналогами и устройством-прототипом, позволяет за счет применения пленок ЖИГ и пленок кристалла иодата лития гексагональной модификации с повышенным значением пьезоэлектрических модулей и пьезокоэффициентов [6] проводить измерения напряженности переменного магнитного и переменного электрических полей в широком диапазоне частот, т.е. повысить информативность измерений, расширить полосу рабочих частот, и сократить время измерений, т.к. все измерения проводятся с применением одного датчика.The claimed thin-film electromagnetic radiation sensor in comparison with the known analogues and the prototype device allows the use of YIG films and films of hexagonal modification of lithium iodate crystal with an increased value of piezoelectric modules and piezoelectric coefficients [6] to measure the intensity of alternating magnetic and alternating electric fields in a wide range frequencies i.e. to increase the information content of the measurements, expand the band of operating frequencies, and reduce the measurement time, because All measurements are carried out using a single sensor.

Выявленные отличительные признаки в заявленной полезной модели, а также их взаимосвязь и достижение их совокупностью указанного технического результата, заявителем не обнаружены при анализе известных в пауке, технике и патентных источниках решениях на дату подачи заявки, из чего следует, что заявленная полезная модель соответствует критерию "существенные отличия".Identified distinctive features in the claimed utility model, as well as their relationship and the achievement of their totality of the specified technical result, the applicant was not found in the analysis of solutions known to the spider, technology and patent sources on the filing date of the application, which implies that the claimed utility model meets the criterion " significant differences. "

Пример реализации работы заявленной полезной модели.An example of the implementation of the claimed utility model.

На Фиг.3 (а и б) иллюстрируются результаты исследований, подтверждающие достижение технического результата. На Фиг.3 приведены осциллограммы регистрации переменного электрического (Фиг.3а) и переменного магнитного (Фиг.3б) полей, полученные при апробации заявленной полезной модели. Для проведения испытаний создавалось электромагнитное излучение путем подачи на одновитковый контур диаметром 20 см импульсного напряжения длительностью 1 мкс с частотой заполнения импульса 100 МГц. При этом датчик располагался на оси контура на расстоянии 2 м от контура. Подобная конфигурация излучателя позволяет по известным формулам распространения электромагнитных волн (и по значениям параметров излучающего контура) рассчитать значения напряженности переменного электрического и переменного магнитного поля в месте расположения датчика. Проведенные расчеты показывают, что при заданной частоте излучения, величине напряжения на контуре и по его импедансу величина напряженности переменного магнитного поля Н в месте расположения контура равна Н=0,5 а/м, а величина напряженности переменного электрического поля Е равна Е=3 в/м.Figure 3 (a and b) illustrates the results of studies confirming the achievement of a technical result. Figure 3 shows the oscillograms of registration of an alternating electric (Fig.3a) and alternating magnetic (Fig.3b) fields obtained by testing the claimed utility model. To conduct the tests, electromagnetic radiation was created by applying a 1-μs pulse voltage with a pulse filling frequency of 100 MHz to a single-turn circuit with a diameter of 20 cm. The sensor was located on the axis of the circuit at a distance of 2 m from the circuit. Such a configuration of the emitter allows using the well-known formulas for the propagation of electromagnetic waves (and the values of the parameters of the emitting circuit) to calculate the values of the intensity of an alternating electric and alternating magnetic field at the location of the sensor. The calculations show that for a given frequency of radiation, the magnitude of the voltage on the circuit and its impedance, the magnitude of the intensity of the alternating magnetic field H at the location of the circuit is H = 0.5 a / m, and the magnitude of the intensity of the alternating electric field E is E = 3 in / m

Приведенные осциллограммы на Фиг.3а и Фиг.3б и результаты расчетов значений напряженностей электрических и магнитных полей свидетельствует о высокой чувствительности заявленной полезной модели, не уступающей известным антенным датчикам, применяемым в приборах для контроля уровня электромагнитного излучения [2].The oscillograms shown in FIGS. 3a and 3b and the results of calculating the values of electric and magnetic fields indicate a high sensitivity of the claimed utility model, not inferior to the known antenna sensors used in devices for monitoring the level of electromagnetic radiation [2].

Как показали результаты конкретной реализации заявленной полезной модели, предлагаемая конструкция устройства имеет высокую чувствительность и точность при определении напряженности переменного магнитного и электрического полей, что позволяет применять его для измерения параметров электромагнитного полей высокочастотных установок и антенн при оценке биологически опасного уровня электромагнитного излучения. Кроме того, повышении информативности контроля полезной модели позволяет использовать ее с большой эффективностью при измерении величин напряженности магнитной и электрической составляющей электромагнитного излучения с помощью одного датчика, в широкой области рабочих частот и при существенном сокращении времени измерений.As the results of a specific implementation of the claimed utility model showed, the proposed device design has high sensitivity and accuracy in determining the intensity of alternating magnetic and electric fields, which allows it to be used to measure the electromagnetic field parameters of high-frequency installations and antennas in assessing the biologically hazardous level of electromagnetic radiation. In addition, increasing the information content of the control of the utility model makes it possible to use it with great efficiency when measuring the magnitude of the magnetic and electrical components of electromagnetic radiation with a single sensor in a wide range of operating frequencies and with a significant reduction in measurement time.

Список использованных источниковList of sources used

1. Патент РФ №832497, МПК G01R 29/08, 1978 А.Я.Картелев1. RF patent No. 832497, IPC G01R 29/08, 1978 A.Ya. Kartelev

2. Техническое описание измерителя уровней электромагнитного излучения Р 3-31. www.skbriap.ru2. Technical description of the level meter of electromagnetic radiation P 3-31. www.skbriap.ru

3. А.А.Кулешов, В.М.Сарнацкий, А.Шоно. Письма в ЖТФ, 18, 37 (1992).3. A.A. Kuleshov, V. M. Sarnatsky, A. Shono. Letters in ZhTF, 18, 37 (1992).

4. Гласс Х.Л. Ферритовые пленки для СВЧ устройств ТИИЭР. 1988. т.76. №2. С.64-724. Glass H.L. Ferrite films for microwave devices TIIER. 1988.V. 76. No. 2. S.64-72

5. Акустические кристаллы / Под ред. Шаскольской М.П., М.: Наука, 1982, 632 с.5. Acoustic crystals / Ed. Shaskolskaya M.P., Moscow: Nauka, 1982, 632 p.

6. Патент РФ на полезную модель №103002, МПК G01N 29/24, 20106. RF patent for utility model No. 103002, IPC G01N 29/24, 2010

Claims

A thin-film electromagnetic radiation sensor containing a sound guide made in the form of a cylinder, on one of the bases of which a magnetostrictive element is applied in the form of a uniform film 30 microns thick from a single-crystal material of yttrium iron garnet, a means of creating a constant component of the magnetic field that has a direction along the axis of the sound guide, characterized in that a piezoelectric film 30 μm thick of a single-crystal material of lithium iodate is deposited on the second base of the eukewire, On the side surface of the sound duct, on both sides of the magnetostrictive element, magnets are installed with a constant magnetic field strength of 14 Oe and a tension vector directed relative to the plane of the magnetostrictive element, and the installed magnets are identical to the cylindrical surface of the sound duct in the form of a segment equal to a quarter of the diameter of the sound duct.