Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей

Резонаторы с волнами шепчущей галереи могут использоваться для исследования конденсированных сред, в частности для изучения свойств диэлектрических жидкостей. Однако электродинамические свойства реальных резонаторных структур указанного типа изучены недостаточно. Исследован микроволновый отклик ради...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Баранник, А.А., Витусевич, С.А., Проценко, И.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України 2017
Назва видання:	Радіофізика та електроніка
Теми:	Радиофизика твердого тела и плазмы
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122655
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей / А.А. Баранник, С.А. Витусевич, И.А. Проценко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 45-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-122655
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1226552025-02-23T20:05:05Z Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей Двошаровий квазіоптичний лейкосапфіровий резонатор для діелектрометрії біологічних рідин Two-layered quasioptical sapphire resonator for bioliquids dielectrometry Баранник, А.А. Витусевич, С.А. Проценко, И.А. Радиофизика твердого тела и плазмы Резонаторы с волнами шепчущей галереи могут использоваться для исследования конденсированных сред, в частности для изучения свойств диэлектрических жидкостей. Однако электродинамические свойства реальных резонаторных структур указанного типа изучены недостаточно. Исследован микроволновый отклик радиально-двухслойного квазиоптического резонатора в виде диэлектрического цилиндрического кольца, зажатого между двумя плоскими проводящими торцевыми стенками. Реальный резонатор имеет, как правило, дополнительный слой между лейкосапфировым кольцом и проводящей поверхностью, что исключает строгое решение соответствующей электродинамической задачи. Лейкосапфировый резонатор исследован методами численного моделирования и экспериментальных измерений его микроволнового отклика в 8-мм диапазоне. Получено хорошее соответствие экспериментально измеренных и вычисленных значений добротности и резонансных частот. Показано, что резонатор позволяет измерять комплексную диэлектрическую проницаемость водных растворов с погрешностью около 3 %. Резонатори з хвилями шепочучої галереї можуть використовуватися для дослідження конденсованих середовищ, зокрема для вивчення властивостей діелектричних рідин. Однак електродинамічні властивості реальних резонаторних структур цього типу досліджені недостатньо. Досліджений мікрохвильовий відгук радіально-двошарового квазіоптичного резонатора у вигляді діелектричного циліндричного кільця, затисненого між двома плоскими провідними торцевими стінками. Реальний резонатор має, як правило, додатковий шар між лейкосапфіровим кільцем і провідною поверхнею, що виключає строге рішення відповідної електродинамічної задачі. Лейкосапфіровий резонатор досліджений методами числового моделювання і експериментальних вимірювань його мікрохвильового відгуку в 8-мм діапазоні. Отримано добру відповідність експериментально виміряних і обчислених значень добротності та резонансних частот. Показано, що резонатор дозволяє вимірювати комплексну діелектричну проникність водних розчинів з похибкою приблизно 3 %. WGM resonators can be used for studies of condensed matter, especially for the study of the dielectric liquids properties. However, the electromagnetic properties of the real resonator structures are not well understood. The microwave response of quasioptical radially-two-layered dielectric resonator in the form of a cylindrical ring sandwiched between two flat conducting endplates is studied. Usually real resonator has an additional layer between the leucosapphire ring and a conducting surface, that eliminates a possibility of the rigorous solution for the corresponding electromagnetic problem. The leucosapphire resonator is studied with numerical modeling methods and experimental measurements in the Ka-band. A good agreement between the experimentally measured and calculated values of frequencies and Q-factors is achieved. It is shown that the resonator allows the measurement of the complex permittivity of solutions with an error of about 3 %. Работа выполнена при частичной поддержке Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) project (German Research Foundation Project VI 456/3-1). Авторы выражают благодарность проф. Черпаку Н. Т. и с.н.с. Губину А. И. за помощь и участие в обсуждении работы. 2017 Article Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей / А.А. Баранник, С.А. Витусевич, И.А. Проценко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 45-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1028-821X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122655 621.372.413 ru Радіофізика та електроніка application/pdf Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы
spellingShingle	Радиофизика твердого тела и плазмы Радиофизика твердого тела и плазмы Баранник, А.А. Витусевич, С.А. Проценко, И.А. Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей Радіофізика та електроніка
description	Резонаторы с волнами шепчущей галереи могут использоваться для исследования конденсированных сред, в частности для изучения свойств диэлектрических жидкостей. Однако электродинамические свойства реальных резонаторных структур указанного типа изучены недостаточно. Исследован микроволновый отклик радиально-двухслойного квазиоптического резонатора в виде диэлектрического цилиндрического кольца, зажатого между двумя плоскими проводящими торцевыми стенками. Реальный резонатор имеет, как правило, дополнительный слой между лейкосапфировым кольцом и проводящей поверхностью, что исключает строгое решение соответствующей электродинамической задачи. Лейкосапфировый резонатор исследован методами численного моделирования и экспериментальных измерений его микроволнового отклика в 8-мм диапазоне. Получено хорошее соответствие экспериментально измеренных и вычисленных значений добротности и резонансных частот. Показано, что резонатор позволяет измерять комплексную диэлектрическую проницаемость водных растворов с погрешностью около 3 %.
format	Article
author	Баранник, А.А. Витусевич, С.А. Проценко, И.А.
author_facet	Баранник, А.А. Витусевич, С.А. Проценко, И.А.
author_sort	Баранник, А.А.
title	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
title_short	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
title_full	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
title_fullStr	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
title_full_unstemmed	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
title_sort	двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей
publisher	Інститут радіофізики і електроніки ім. А.Я. Усикова НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Радиофизика твердого тела и плазмы
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/122655
citation_txt	Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей / А.А. Баранник, С.А. Витусевич, И.А. Проценко // Радіофізика та електроніка. — 2017. — Т. 8(22), № 1. — С. 45-50. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series	Радіофізика та електроніка
work_keys_str_mv	AT barannikaa dvuhslojnyjkvazioptičeskijlejkosapfirovyjrezonatordlâdiélektrometriibiologičeskihžidkostej AT vitusevičsa dvuhslojnyjkvazioptičeskijlejkosapfirovyjrezonatordlâdiélektrometriibiologičeskihžidkostej AT procenkoia dvuhslojnyjkvazioptičeskijlejkosapfirovyjrezonatordlâdiélektrometriibiologičeskihžidkostej AT barannikaa dvošarovijkvazíoptičnijlejkosapfírovijrezonatordlâdíelektrometrííbíologíčnihrídin AT vitusevičsa dvošarovijkvazíoptičnijlejkosapfírovijrezonatordlâdíelektrometrííbíologíčnihrídin AT procenkoia dvošarovijkvazíoptičnijlejkosapfírovijrezonatordlâdíelektrometrííbíologíčnihrídin AT barannikaa twolayeredquasiopticalsapphireresonatorforbioliquidsdielectrometry AT vitusevičsa twolayeredquasiopticalsapphireresonatorforbioliquidsdielectrometry AT procenkoia twolayeredquasiopticalsapphireresonatorforbioliquidsdielectrometry
first_indexed	2025-11-24T21:30:50Z
last_indexed	2025-11-24T21:30:50Z
_version_	1849708878499938304
fulltext	РРААДДИИООФФИИЗЗИИККАА ТТВВЕЕРРДДООГГОО ТТЕЕЛЛАА ИИ ППЛЛААЗЗММЫЫ _________________________________________________________________________________________________________________ __________ ISSN 1028821X Радиофизика и электроника. 2017. Т. 8(22). № 1 © ИРЭ НАН Украины, 2017 УДК 621.372.413 А. А. Баранник, С. А. Витусевич, И. А. Проценко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины 12, ул. Акад. Проскуры, Харьков, 61085, Украина E-mail: i.o.protsenko@gmail.com Peter Grünberg Institute Forschungszentrum Juelich, Юлих, Германия ДВУХСЛОЙНЫЙ КВАЗИОПТИЧЕСКИЙ ЛЕЙКОСАПФИРОВЫЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ ДИЭЛЕКТРОМЕТРИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ Резонаторы с волнами шепчущей галереи могут использоваться для исследования конденсированных сред, в частности для изучения свойств диэлектрических жидкостей. Однако электродинамические свойства реальных резонаторных структур ука- занного типа изучены недостаточно. Исследован микроволновый отклик радиально-двухслойного квазиоптического резонатора в виде диэлектрического цилиндрического кольца, зажатого между двумя плоскими проводящими торцевыми стенками. Реальный резонатор имеет, как правило, дополнительный слой между лейкосапфировым кольцом и проводящей поверхностью, что исключа- ет строгое решение соответствующей электродинамической задачи. Лейкосапфировый резонатор исследован методами численного моделирования и экспериментальных измерений его микроволнового отклика в 8-мм диапазоне. Получено хорошее соответствие экспериментально измеренных и вычисленных значений добротности и резонансных частот. Показано, что резонатор позволяет изме- рять комплексную диэлектрическую проницаемость водных растворов с погрешностью около 3 %. Ил. 5. Табл. 3. Библиогр.: 8 назв. Ключевые слова: радиально-двухслойный резонатор, моды шепчущей галереи, комплексная диэлектрическая проницае- мость, биологические жидкости. Применение резонаторов с модами шеп- чущей галереи (ШГ), называемых также квазиопти- ческими диэлектрическими резонаторами (КДР), для определения диэлектрических свойств ве- ществ позволяет, как правило, добиться высокой точности измерений благодаря высокой доброт- ности резонаторных структур. Для определения комплексной диэлектрической проницаемости жидкостей были предложены радиально-двух- слойные цилиндрические КДР с торцевыми про- водящими стенками (ТПС) [1, 2]. Исследуемая жидкость помещается во внутреннюю полость КДР, т. е. представляет внутренний слой резона- тора. Частота и добротность такого резонатора зависят от свойств жидкости во внутреннем слое. Отсюда следует принципиальная возможность определять свойства исследуемой жидкости по измеренным характеристикам резонатора. В [3, 4] исследовался и использовался в качестве измерительной ячейки радиально-двух- слойный тефлоновый резонатор с ТПС. Были проведены расчеты частоты и добротности резо- натора на основе характеристического уравнения и экспериментальные исследования при заполне- нии полости резонатора водно-спиртовыми рас- творами, и сопоставлены их результаты. Однако чувствительность использованного резонатора оказалась недостаточной. Сделано предположение, что более высо- кую чувствительность измерений может обеспе- чить резонатор, изготовленный из диэлектрика, характеризуемого более высокими значениями проницаемости [5]. Кроме того, такой резонатор в принципе позволяет исследовать меньшие объе- мы веществ. В [5] представлены результаты чис- ленных исследований радиально-двухслойного цилиндрического КДР, проницаемость диэлект- рика которого равна проницаемости лейкосапфи- ра. Экспериментальные исследования показали, что в реальных условиях всегда имеют место микрозазоры между лейкосапфировым диском и металлом, заполненные воздухом или жидкостью. Кроме того, аналитический подход, используе- мый в работах [5, 6], не учитывает потери в ме- таллических стенках, т. е. торцевые стенки резо- натора задаются как идеальные. В данной работе рассмотрен радиально- двухслойный лейкосапфировый резонатор с мед- ными ТПС, который может быть использован как основа измерительной ячейки для изучения жид- костей. Для лучшей фиксации и во избежание появления воздушных зазоров и проникновения воды в них торцевые стенки фиксировались с помощью клея БФ-2. Слой клея оказывает влия- ние на частоту и добротность резонатора, и это влияние не учитывается при использовании стро- гих аналитических методов [3–6]. В программе COMSOL Multiphysics была создана модель резо- натора, позволяющая учесть особенности реаль- ной резонаторной структуры. В работе сопостав- ляются результаты численных и эксперименталь- ных исследований лейкосапфировых КДР с целью определения, может ли реальная резонаторная структура быть использована в качестве измери- тельной ячейки для определения диэлектрической проницаемости жидкостей. Проведены экспериментальные исследо- вания резонатора при заполнении внутренней полости растворами биологических жидкостей. Действительная и мнимая части комплексной диэлектрической проницаемости растворов опре- делялись с помощью калибровочной процедуры, предложенной в [7]. mailto:i.o.protsenko@gmail.com А. А. Баранник и др. / Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый… _________________________________________________________________________________________________________________ 46 1. Радиально-двухслойный КДР – основа измерительной ячейки. Основой измерительной ячейки является цилиндрический КДР, внешний слой которого изготовлен из лейкосапфира. Диаметр резонатора D2  14,51 мм, высота НКДР  2,51 мм, диаметр внутреннего слоя (по- лости) D1  8,54 мм. Резонатор ограничен двумя идеально проводящими плоскостями. Исследуе- мое вещество представлено внутренним слоем резонатора (рис. 1) [1]. Риc. 1. Резонатор из лейкосапфира (1) с внутренним слоем (полостью) (2), ограниченный идеально проводящими плоскос- тями (3) Исследуемое вещество взаимодействует с электромагнитным полем резонатора и, следова- тельно, оказывает влияние на его характеристики. Таким образом, используя изменения значений резонансной частоты и добротности, полученные экспериментально при заполнении резонаторной полости жидкостью, можно определить диэлект- рическую проницаемость исследуемого вещества. Однако для экспериментальных исследо- ваний использовался КДР с двумя ТПС, изготов- ленными из меди (DТПС  20 мм, НТПС  5 мм). Исследуемое вещество помещается в полость резонатора через отверстия в ТПС (Dотв.  3 мм). Схематически измерительная ячейка показана на рис. 2. Риc. 2. Измерительная ячейка на основе радиально- двухслойного КДР: 1 – кольцо из лейкосапфира; 2 – внутрен- няя полость КДР с исследуемой жидкостью; 3 – медные ТПС; 4 – отверстия в ТПС для заполнения КДР жидкостью; 5 – клей БФ-2 Следует отметить, что полное исключе- ние проникновения воды и водных растворов в микрощели между диэлектрическим диском и ТПС представляет определенную техническую сложность. В данной работе проводящие стенки фиксируются на кольце из лейкосапфира с по- мощью клея БФ-2. Слой клея достаточно тонкий, однако оказывает существенное влияние на частоту и добротность резонатора. Программа COMSOL Multiphysics, используемая для расче- тов, позволяет учитывать влияние слоя клея на частоту и добротность резонатора. Так как слой клея слишком тонкий для того, чтобы его измерить, толщина клея опре- делялась путем сопоставления данных, получен- ных в результате численных и эксперименталь- ных исследований КДР, заполненного воздухом. Таким же образом была определена диэлектри- ческая проницаемость клея. Полученные значе- ния составляют соответственно НБФ  12 мкм,  БФ  3,3(1 – 0,0025i). В табл. 1 представлены частота и добротность резонатора, заполненного воздухом, с модой ШГ НЕ15 1  , где 0 <  < 1. Таблица 1 Частота и добротность радиально- двухслойного лейкосапфирового резонатора КДР Частота, ГГц Добротность Без слоя клея 36,400 5572 Со слоем клея 36,853 4298 Видно, что частота КДР со слоем клея примерно на 450 МГц выше, а добротность ниже, чем у резонатора без клея. Распределение Еz -компоненты электро- магнитного поля данной моды представлено на рис. 3. Риc. 3. Распределение Еz -компоненты электромагнитного поля моды ШГ НЕ15 1  в радиально-двухслойном лейкосапфи- ровом КДР 2. Радиально-двухслойный КДР, запол- ненный водой. Экспериментальные исследова- ния радиально-двухслойного КДР проводились в диапазоне 30…40 ГГц. Спектры радиально- двухслойного КДР при заполнении воздухом (пунктирные линии) и дистиллированной водой (сплошные линии) представлены на рис. 4. В спектре резонатора с воздухом четко просле- 1 2 D 1 D 2 Н К Д Р 3 3 2 1 5 4 DТПС H Т П С H Б Ф Dотв. D1 D2 H К Д Р А. А. Баранник и др. / Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый… _________________________________________________________________________________________________________________ 47 живаются два набора мод – НЕn 1  (с одной вариа- цией электромагнитного поля вдоль радиуса КДР) и НЕn 2  (с двумя вариациями электромаг- нитного поля вдоль радиуса КДР). Однако при заполнении резонатора дистиллированной водой моды с двумя вариациями затухают. Это объяс- няется тем, что электромагнитное поле моды НЕn 2  имеет более высокую интенсивность в об- ласти резонатора, где находится вода – сильно- поглощающая жидкость. 30 35 40 60 40 20   HE 12 1  HE 13 1  HE 14 1  HE 15 1  S 2 1 , д Б Частота, ГГц HE 16 1   Риc. 4. Спектры радиально-двухслойного лейкосапфирового КДР при заполнении внутренней полости воздухом и дистил- лированной водой На рис. 5 представлены графики зависи- мости частоты и добротности радиально- двухслойного КДР при заполнении полости воз- духом и дистиллированной водой для мод ШГ НЕn 1  от азимутального индекса n. Линиями представлены результаты численных исследова- ний, точками – экспериментальных (треугольни- ки соответствуют заполнению КДР воздухом, кружки – заполнению водой, ромбы – разнице между частотами КДР с водой и с воздухом). В модели резонатора с полостью, заполненной дистиллированной водой, использовались пара- метры слоя клея, приведенные в разд. 1. Значения диэлектрической проницаемости дистиллирован- ной воды при температуре 25 С для расчета взя- ты из [8]. Для дальнейшего уменьшения влияния неполного соответствия модели и реальной изме- рительной ячейки на результат измерений рас- сматривались не абсолютные значения частоты и добротности, а сдвиг частоты (вставка на рис. 5, а) и разница величин, обратных доброт- ности, относительно резонатора, заполненного воздухом. Из данных, приведенных на рис. 5, вид- но, что модель корректно описывает реальную измерительную ячейку, так как данные расчета и эксперимента хорошо совпадают. Следовательно, данную структуру можно использовать для опре- деления диэлектрической проницаемости жидкос- тей, включая водные растворы. 12 13 14 15 16 30 35 40 45 12 13 14 15 16 0 4 8 12 16 F в о д а-F в о зд у х , М Г ц Азимутальный индекс, n Ч ас то та , Г Г ц Азимутальный индекс, n а) 12 13 14 15 16 0 1 2 3 4 5 6 Д о б р о тн о ст ь , Q ,  1 0 3 Азимутальный индекс, n б) Риc. 5. Частота (а) и добротность (б) радиально-двухслойного КДР с модами ШГ НЕn 1  3. Определение комплексной диэлект- рической проницаемости растворов биологи- ческих жидкостей. Проведены эксперименталь- ные исследования КДР при заполнении полости различными растворами биологических жидкос- тей: глюкозы (20 %), лактальбумина (5 ммоль/л), бычьего сывороточного альбумина (5 ммоль/л). В табл. 2 приведены спектральные и энергетиче- ские характеристики резонатора с модой ШГ НЕ15 1 . Для частоты, характерной для данной моды (36,85 ГГц), диэлектрическая проницае- мость дистилированной воды при температуре 25 С составляет  воды  21,34(1 – 1,39i). Для по- вышения точности измерений рассмотрены не абсолютные величины частоты и добротности КДР, а сдвиг частоты и величин, обратных доб- ротности, относительно соответствующих харак- теристик резонатора с внутренней полостью, за- полненной дистиллированной водой. Обе характеристики резонатора, как час- тота, так и добротность, зависят от действитель- ной ( ) и мнимой ( ) частей комплексной ди- электрической проницаемости жидкости в резо- наторе. 12 13 14 15 16 Азимутальный индекс, n 16 12 8 4 0 F в о д а – F в о зд у х , М Г ц А. А. Баранник и др. / Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый… _________________________________________________________________________________________________________________ 48 Таблица 2 Характеристики лейкосапфирового КДР при заполнении растворами биологических жидкостей Раствор Разница частот, Fр-ра – Fводы, Гц величин, обратных добротности, Qр-ра –1 – Qводы –1 глюкозы (20 %) –1,63×106 –4,21×10–5 бычьего сывороточного альбумина (5 ммоль/л) –1,95×106 –5,21×10–5 лактальбумина (5 ммоль/л) –7,10×105 –1,11×10–5 ___________________________________________ Это затрудняет определение проницае- мости исследуемой жидкости. Для того, чтобы получить значения комплексной проницаемости жидкости, заполняющей КДР, использовалась калибровочная процедура, подробно описанная в [7]. С этой целью построена номограмма, показыва- ющая изменение частоты и добротности резона- тора с модой НЕ15 1  при его заполнении вещест- вами с различными значениями   и   диэлект- рической проницаемости относительно соот- ветствующих характеристик резонатора с полостью, заполненной дистиллированной водой (рис. 6). 3 2 1 0 7,5 5,0 2,5 0,0 2,5  '  15,34  '  17,34  '  19,34  '  21,34  ''  29,71  ''  27,71  ''  25,71  ''  23,71 F р-ра – F воды , 10 6  ''  20,71  ''  17,71 Q р -р а– 1 – Q в о д ы – 1 ,  1 0 – 5 Рис. 6. Номограмма для определения действительной и мни- мой частей комплексной проницаемости жидкостей с по- мощью радиально-двухслойного КДР Видно, что величина мнимой части ди- электрической проницаемости вещества, пред- ставляющего внутренний слой КДР, вносит более существенный вклад в изменение частоты, а ве- личина действительной части – в изменение доб- ротности. Данное явление связано с процессом изменения распределения электромагнитного поля резонатора в условиях больших потерь в слое жидкости [6]. Эта особенность отличает ди- электрометрию жидкостей с большими и малыми потерями микроволновой энергии. В номограмму помещались значения сдвига частоты и величины, обратной доброт- ности, для растворов различных биологических веществ (табл. 2). На рис. 6 кружком обозначены соответствующие значения для раствора глюко- зы, квадратом – для раствора лактальбумина, тре- угольником – для раствора бычьего сывороточно- го альбумина, полученные экспериментально. С помощью номограммы определены значения действительной   и мнимой   частей комплекс- ной диэлектрической проницаемости исследуе- мых растворов (табл. 3). Таблица 3 Диэлектрическая проницаемость растворов биологических жидкостей Раствор Комплексная диэлектрическая проницаемость действительная часть,   мнимая часть,   глюкозы (20%) 17,04 22,19 бычьего сывороточ- ного альбумина (5 ммоль/л) 16,42 20,96 лактальбумина (5 ммоль/л) 19,53 26,31 Относительная погрешность измерения диэлектрической проницаемости рассчитана спо- собом, описанным в [3]. Как для действительной, так и для мнимой частей диэлектрической прони- цаемости она составляет примерно 3 %. Выводы. Исследования радиально-двух- слойного КДР, внешний слой которого изготов- лен из лейкосапфира, а внутренний слой пред- ставляет из себя полость, куда помещается жид- кость, ограниченного двумя ТПС, показали, что данная структура может быть использована в ка- честве основы измерительной ячейки для опреде- ления диэлектрической проницаемости конден- сированных сред. Для устранения микрозазоров между ТПС и кольцом из лейкосапфира плоскос- ти фиксировались с помощью тонкого слоя клея БФ-2. Толщина клея и его диэлектрическая про- ницаемость определены путем сопоставления результатов эксперимента и численных исследо- ваний на основе модели резонатора, созданной в программе COMSOL Multiphysics для случая, когда полость резонатора заполнена воздухом. Для численного исследования резонатора с по- лостью, заполненной жидкостями, использована модель с установленными параметрами клеевого слоя. – – – – – – А. А. Баранник и др. / Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый… _________________________________________________________________________________________________________________ 49 Определены диэлектрические свойства растворов биологических жидкостей (глюкозы, бычьего сывороточного альбумина и лактальбу- мина) в 8-мм диапазоне длин волн. Для этого с помощью численного моделирования была по- строена номограмма, позволяющая по спектраль- ным и энергетическим характеристикам резона- тора с соответствующей модой определить дейст- вительную и мнимую части диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости. Относи- тельная погрешность измерений диэлектрической проницаемости составляет около 3 %. Получен- ные данные соответствуют значениям, приведен- ным в [7]. С точки зрения дальнейшего повышения чувствительности измерительной ячейки, пер- спективным является использование резонатора, изготовленного из диэлектрика со значением проницаемости, превышающим диэлектрическую проницаемость воды. Работа выполнена при частичной под- держке Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) project (German Research Foundation Project VI 456/3-1). Авторы выражают благодарность проф. Черпаку Н. Т. и с.н.с. Губину А. И. за по- мощь и участие в обсуждении работы. Библиографический список 1. Квазіоптичний діелектрометр: пат. 59568 А Україна: 7G01R27/26 / О. А. Баранник, Ю. В. Прокопенко, Т. О. Смир- нова, Ю. Ф. Філіпов, М. Т. Черпак. № 2002086550; заявл. 06.08.2002; опубл. 15.09.2003, бюл. № 9. 5 с. 2. Cherpak N. T., Barannik A. A., Prokopenko Yu. V., Smirno- va T. A. and Filipov Yu. F. A new technique of dielectric characterization of liquids. Nonlinear dielectric phenomena in complex liquids. S. J. Rzoska and V. P. Zhelezny (eds.) NATO Science Series. Vol. 157. Kluwer Academic Publ., 2004. P. 63–67. 3. Barannik A. A., Cherpak N. T., Prokopenko Yu. V., Fili- pov Yu. F., Shaforost E. N. and Shipilova I. A. Two-layered disc quasi-optical dielectric resonators: electrodynamics and application perspectives for complex permittivity measure- ments of lossy liquids. Meas. Sci. Technol. 2007. N 18. P. 2231–2238. 4. Баранник О. А., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак М. Т. Електромагнитні мікрохвилі шепочучої га- лереї в рідинах. Доп. НАН України. 2003. № 3. С. 77–79. 5. Barannik A. A., Cherpak N. T., Filippiov Yu. F., Pro- kopenko Yu. V., Shipilova I. A. Whispering gallery mode sapphire resonator for microwave characterization of lossy liquids. Proc. of The Sixth Int. Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Kharkov, Ukraine, 2007. Р. 922–924. 6. Кириченко А. Я., Прокопенко Ю. В., Филиппов Ю. Ф., Черпак Н. Т. Квазиоптические твердотельные резонаторы. Киев: Наук. думка, 2008. 296 с. 7. Gubin A. I., Barannik A. A., Cherpak N. T., Protsenko I. A., Pud S., Offenhäusser A., and Vitusevich S. A. Whispering- Gallery-Mode Resonator Technique With Microfluidic Channel for Permittivity Measurement of Liquids. IEEE Trans. on MW Theory and Tech. 2015. Vol. 63, N 6. P. 2003–2009. 8. Ellison W. J. Permittivity of Pure Water, at Standard Atmospheric Pressure, over the Frequency Range 0–25 THz and the Temperature Range 0–100°C. J. Phys. Chem. Ref. Data. 2007. Vol. 36, N 18. P. 1–18. REFERENCES 1. BARANNYK, O. A., PROKOPENKO, Yu. V., SMYR- NOVA, T. O., FILIPOV, Yu. F., CHERPAK, M. T., 2002. Quasioptical dielectrometer. Patent UA, №. 59568 (in Ukrainian). 2. CHERPAK, N. T., BARANNIK, A. A., PROKOPENKO, Yu. V., SMIRNOVA, T. A., FILIPOV, Yu. F., 2004. A new technique of dielectric characterization of liquids. In: Nonlinear dialect- ric phenomena in complex liquids. S. J. Rzoska and V. P. Zhelezny (eds.), NATO Science Series, Kluwer Academic Publ., vol. 157, pp. 63-67. 3. BARANNIK, A. A., CHERPAK, N. T., PROKOPENKO, Yu. V., FILIPOV, Yu. F., SHAFOROST, E. N., SHIPILOVA, I. A., 2007. Two-layered disc quasi-optical dielectric resonators: electrodynamics and application perspectives for complex permittivity measurements of lossy liquids. Meas. Sci. Technol. no. 18, pp. 2231–2238. 4. BARANNYK, O. A., PROKOPENKO, Yu. V., FYLYPPOV, Yu. F., CHERPAK, M. T., 2003. Electomagnetic WGM in liquids. Dopovidi NAN Ukrayiny. no. 3, pp. 77–79 (in Ukrainian). 5. BARANNIK, A. A., CHERPAK, N. T., FILIPPIOV, Yu. F., PROKOPENKO, Yu. V., SHIPILOVA, I. A., 2007. Whispering gallery mode sapphire resonator for microwave characterization of lossy liquids. Proc. of The Sixth Int. Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves. Kharkov, Ukraine, pp. 922–924. 6. KIRICHENKO, A. Ja., PROKOPENKO, Ju. V., FILIPPOV, Ju. F., CHERPAK, N. T., 2008. Quasioptical solid-state resonators, Kiev, Naukova dumka (in Russian). 7. GUBIN, A. I., BARANNIK, A. A., CHERPAK, N. T., PROTSENKO, I. A., PUD, S., OFFENHÄUSSER, A., VITUSEVICH, S. A., 2015. Whispering-Gallery-Mode Resonator Technique With Microfluidic Channel for Permittivity Measurement of Liquids. IEEE Trans. on MW Theory and Tech. vol. 63, no. 6, pp. 2003–2009. 8. ELLISON, W. J., 2007. Permittivity of Pure Water, at Standard Atmospheric Pressure, over the Frequency Range 0–25 THz and the Temperature Range 0–100 °C. J. Phys. Chem. Ref. Data. vol. 36, no. 18, pp. 1–18. Рукопись поступила 14.12.2016. А. А. Barannik, S. А. Vitusevich, I. А. Protsenko TWO-LAYERED QUASIOPTICAL SAPPHIRE RESONATOR FOR BIOLIQUIDS DIELECTROMETRY WGM resonators can be used for studies of condensed matter, especially for the study of the dielectric liquids properties. However, the electromagnetic properties of the real resonator structures are not well understood. The microwave response of quasioptical radially-two-layered dielectric resonator in the form of a cylindrical ring sandwiched between two flat conducting endplates is studied. Usually real resonator has an additional layer between the leucosapphire ring and a conducting surface, that eliminates a possibility of the rigorous solution for the correspond- ing electromagnetic problem. The leucosapphire resonator is studi- ed with numerical modeling methods and experimental measure- ments in the Ka-band. A good agreement between the experimen- tally measured and calculated values of frequencies and Q-factors is achieved. It is shown that the resonator allows the measurement of the complex permittivity of solutions with an error of about 3 %. А. А. Баранник и др. / Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый… _________________________________________________________________________________________________________________ 50 Key words: radially-two-layered resonator, WGM, complex permittivity, biological liquids. О. А. Баранник, С. О. Вітусевіч, І. О. Проценко ДВОШАРОВИЙ КВАЗІОПТИЧНИЙ ЛЕЙКОСАПФІРОВИЙ РЕЗОНАТОР ДЛЯ ДІЕЛЕКТРОМЕТРІЇ БІОЛОГІЧНИХ РІДИН Резонатори з хвилями шепочучої галереї можуть використовуватися для дослідження конденсованих середо- вищ, зокрема для вивчення властивостей діелектричних рідин. Однак електродинамічні властивості реальних резонаторних структур цього типу досліджені недостатньо. Досліджений мікрохвильовий відгук радіально-двошарового квазіоптичного резонатора у вигляді діелектричного циліндричного кільця, затисненого між двома плоскими провідними торцевими стін- ками. Реальний резонатор має, як правило, додатковий шар між лейкосапфіровим кільцем і провідною поверхнею, що виключає строге рішення відповідної електродинамічної задачі. Лейкосапфіровий резонатор досліджений методами числового моделювання і експериментальних вимірювань його мікро- хвильового відгуку в 8-мм діапазоні. Отримано добру відповід- ність експериментально виміряних і обчислених значень доб- ротності та резонансних частот. Показано, що резонатор дозволяє вимірювати комплексну діелектричну проникність водних розчинів з похибкою приблизно 3 %. Ключові слова: радіально-двошаровий резонатор, моди шепочучої галереї, комплексна діелектрична проник- ність, біологічні рідини.

Двухслойный квазиоптический лейкосапфировый резонатор для диэлектрометрии биологических жидкостей

Репозитарії

Схожі ресурси