Расчетные методы контроля слоистых материалов и изделий на основе исследований коэффициентов отражения и прохождения электромагнитых волн тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Нгуайя Минамона Лор

  • Нгуайя Минамона Лор
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2011, Казань
  • Специальность ВАК РФ05.11.13
  • Количество страниц 122
Нгуайя Минамона Лор. Расчетные методы контроля слоистых материалов и изделий на основе исследований коэффициентов отражения и прохождения электромагнитых волн: дис. кандидат технических наук: 05.11.13 - Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий. Казань. 2011. 122 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Нгуайя Минамона Лор

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ И 8 ИЗДЕЛИЙ.

1.1. Волновое уравнение и электромагнитные волны.

1.2. Вещество в электромагнитном поле.

1.3. Электромагнитные волны в диэлектриках.

1.4. Электромагнитное поле в проводящей среде.

1.5. Электромагнитное поле в неоднородных средах.

1.6. Свойства материалов в нанометровом диапазоне электромагнитных волн.

ГЛАВА II. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В МНОГОСЛОЙНЫХ СТРУКТУРАХ.

2.1. Распространение электромагнитных волн в слоистых структурах и их характерные свойства. 36 '

2.2. Сравнительный анализ математических моделей, описывающих многослойные структуры.

2.3. Матрицы переноса.

2.4. Метод матрицы переноса в модели эквивалентной линии передачи.

ГЛАВА III. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В СЛОИСТЫХ СТРУКТУРАХ С РАЗЛИЧНОЙ ПРИРОДОЙ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ.

3.1. Расчет коэффициентов отражения электромагнитных волн от диэлектрических слоев.

3.2. Расчет коэффициентов прохождения электромагнитных волн в многослойных диэлектриках.

3.3. Резонансные режимы в поведение коэффициентов отражения и прохождения.

3.4. Основные свойства металлов и полупроводников в электромагнитном поле.

3.5. Технологические аспекты формирования слоистых структур из металлических и полупроводниковых пленок.

3.6. Влияние особенностей электрофизических параметров на коэффициенты отражения и прохождения волн.

ГЛАВА IV. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НЕОДНОРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ.

4.1. Эксплуатационные характеристики материалов и изделий в электроэнергетике.

4.2. Пространственные изменения электрофизических параметров.

4.3. Решение волновых уравнений с временными изменениями параметров.

4.4. Математическое моделирование неоднородных свойств материалов.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», 05.11.13 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Расчетные методы контроля слоистых материалов и изделий на основе исследований коэффициентов отражения и прохождения электромагнитых волн»

В последние годы вновь вырос значительный интерес к исследованиям свойств многослойных структур. В первую очередь этот интерес связан с тем, что бурно развивающиеся современные технологии позволяют получать искусственные материалы с недостижимыми, для встречающихся в природе естественных сред, физическими свойствами. Такого рода структуры в настоящее время широко используются в различных областях науки и техники. В связи с этим возникли задачи формирования многослойных структур с заранее заданными свойствами. Но такие задачи требовали соответственно и адекватных методов диагностики для контроля физических свойств и параметров материалов. Традиционно в таких случаях использовался метод сканирования слоистых сред электромагнитным излучением радиоволнового диапазона. Однако новые слоистые материалы, формируемые из диэлектриков, полупроводников и металлов, имеют сравнительно малые геометрические размеры. Этот факт потребовал для диагностических целей использования л диапазона электромагнитных волн от СВЧ до ультрафиолетового. Кроме того, слоистые материалы в процессе изготовления или эксплуатации по своим электрофизическим параметрам могут содержать однородные и/или неоднородные слои. Совокупность этих особенных свойств слоистых материалов способствует возникновению частотных и амплитудных искажений проходящих и отраженных сигналов, изменению их формы, сдвигу во времени, расширению угла рассеяния электромагнитных волн. Поэтому, изучая процессы распространения электромагнитных волн в таких веществах, можно прогнозировать их необычные свойства и эволюцию этих свойств путем диагностирования ряда электрофизических параметров.

В качестве диагностируемых характеристик электромагнитного излучения обычно выбирают коэффициенты отражения и прохождения, которые в рамках прямой задачи определяются основными электрофизическими параметрами: коэффициентом электропроводности, диэлектрической и магнитной проницаемостями. Поэтому разработка методов электромагнитного контроля слоистых материалов с различными физическими параметрами является актуальной и современной задачей.

Объектом исследования данной работы являются многослойные структуры, сформированные из диэлектрических, полупроводниковых и проводящих материалов.

Предмет исследования связан с разработкой расчетных методов контроля слоистых материалов.

Целью работы: является разработка методов контроля слоистых материалов и изделий на основе исследований коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн в многослойных материалах из диэлектриков, полупроводников и металлов.

I

Основные задачи диссертационной работы.

1. Расчет коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн в диэлектрических и полупроводниковых средах.

2. Выявление связи коэффициентов отражения и прохождения с электрофизическими параметрами в многослойных диэлектрических веществах.

3. Исследование основных характеристик отражения и прохождения электромагнитных волн в многослойной среде диэлектрик-полупроводник и диэлектрик-металл.

4. Моделирование неоднородных свойств вещества многослойными структурами на основе анализа имеющихся экспериментальных данных и теоретических разработок.

Методы исследования. В качестве методов исследования слоистых структур использовались метод матриц переноса или метод характеристических матриц среды, позволяющие определить связь коэффициентов отражения и прохождения с амплитудными и энергетическими характеристиками плоских электромагнитных волн в многослойных средах. Энергетические спектральные зависимости коэффициентов отражения и прохождения получены с помощью пакетов программ МаШСАХ) и сравнивались с результатами экспериментальных исследований.

Достоверности полученных результатов и обоснованность выводов, содержащихся в диссертации, обеспечивается применением корректных методов теоретических исследований, повторяемостью результатов и сопоставимостью результатов с имеющимися экспериментальными и теоретическими данными.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:

1. В результате численных расчетов получены частотные зависимости | коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн в многослойных диэлектрических структурах.

2. Впервые предложен метод моделирования неоднородных свойств материалов набором слоистых структур диэлектрик-диэлектрик, диэлектрик-полупроводник, металл-диэлектрик и диэлектрик-металл-полупроводник.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основании данных исследований предлагаются конкретные слоистые структуры с заранее заданными свойствами в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн. Эти свойства позволяют использовать слоистые материалы в микро-, акусто- и СВЧ-электронике в качестве частотных фильтров.

На защиту выносятся:

1. Рассчитанные спектральные зависимости коэффициентов отражения и прохождения и их связь с электрофизическими и геометрическими параметрами в многослойных диэлектрических материалах.

2. Результаты соответствия расчетных и экспериментальных данных основных частотных характеристик отражения и прохождения электромагнитных волн в многослойной среде диэлектрик-диэлектрик, диэлектрик-полупроводник, диэлектрик-полупроводник-металл.

3. Выводы о возможности математического моделирования неоднородных свойств материалов многослойными структурами.

Апробация работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на аспирантско-магисгерских научных семинарах, посвященных «Дню энергетика» (Казань: КГЭУ, 2007, 2008, 2009); 3-й, 4-й и 5-й Международных молодежных научных конференциях «Тинчуринские чтения» (Казань: КГЭУ, 2008, 2009, 2010); двадцатой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции (Казань: КГЭУ, 2008); Всероссийских научно-практических конференциях по инновационному развитию агропромышленного комплекса (Казань: КГАУ, 2009, 2010).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 8 научных публикациях, включая 2 статьи в журналах из списка ВАК, 6 публикаций в материалах Международных и Всероссийских научных конференций.

Личный вклад. Автор принимал непосредственное участие в постановке задачи, расчете коэффициентов отражения и прохождения в многослойных структурах, в интерпретации и анализе полученных теоретических результатов, в сопоставлении их с известными экспериментальными данными.

Похожие диссертационные работы по специальности «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», 05.11.13 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Нгуайя Минамона Лор

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Рассчитаны коэффициенты отражения и прохождения электромагнитных волн СВЧ диапазона в слоистых диэлектрических средах и установлена связь между энергетическими коэффициентами отражения и прохождения и электрофизическими параметрами в многослойных диэлектриках.

2. Обнаружены зависимости между геометрическими параметрами слоев, кратностью их повторяемости и частотными характеристиками коэффициентов отражения и прохождения. Исследованы основные частотные характеристики отражения и прохождения электромагнитных волн в многослойной среде диэлектрик-полупроводник.

3. Изучены неоднородные среды с пространственными и временными зависимостями электрофизических характеристик. Показано, что для случая диэлектрических сред с временными зависимостями электрофизических характеристик возможны дополнительные механизмы диссипации электромагнитной энергии.

4. На основе программы МаШСАО предлагается метод математического моделирования неоднородных свойств материалов с помощью набора заданных слоистых структур.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Нгуайя Минамона Лор, 2011 год

1.Д. Ландау, Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1982, 620с.

2. И.Е. Тамм. Основы теории электричества. М.: Наука, 1986, 624с.

3. И.П. Соловьянова, М.П. Наймушин. Теория волновых процессов. Электромагнитные волны. Учебное пособие. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ УПИ, 2005, 131с.

4. Вайнштейн Л.А. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988, 440с.

5. Томилин А.К. Основы обобщенной электродинамики. М.: Логос, 2009, 129с.

6. Акимов В.П. Электродинамика и распространение радиоволн. Санкт-Петербург, 2003, 76с.

7. Гольдштейн Л.Д., Зернов. Н.В. Электромагнитные поля и волны. М.: Наука, 1971, 664с.

8. Григорьев А. Д. Электродинамика и микроволновая техника. М.: Логос, 2007, 704с.

9. Л.М. Бреховских. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973, 343с.

10. Дж Слэтер. Диэлектрики, полупроводники, металлы. М.: Мир, 1969, 647с.

11. Иванов В. Б. Теория волн. Курс лекций. Иркутск: Иркут. ун-т, 2006, 210с.

12. Н.Д. Агеева, Н.Г. Винаковская, В.Н. Лифапов. Электротехническое материаловедение. Учеб. пособие. Владивосток: ДВГТУ, 2006, 76с.

13. В.Г. Герасимова., И.Н.Орлов. Электротехнический справочник. М.: МЭИ, 2007, Т.1. 440с.

14. Банков С. Е., Курушин А. А.Электродинамика и техника СВЧ для пользователей САПР. Москва. 2008. 276с.

15. Савченко А.О., Савченко О.Я. Электромагнитное поле диполя в анизотропной среде //ЖТФ, 2005. Т.75. в. 10. С.118-121.

16. Щеглов В.И. Прямые и обратные электромагнитные волны в композиционной среде, состоящей из магнитных и электрических элементов //Журнал радиоэлектроники. 2002. №8. С.1-17.

17. Литвинов О.С., Павлов К.Б., Горелик B.C. Электромагнитные волны и оптика. M.: МГТУ. им. Н.Э. Баумана, Т.4, 2002, 136с.

18. Долбичкин А. А., Неганов В.А., Осипов О. В. Приближенный метод решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на тонком киральном слое, расположенном на идеально проводящей плоскости //ЖТФ.2005. Т.75. в.1. С. 127-130.

19. Н.В. Орловская, Э.П. Шурина. Моделирование электромагнитных полей в среде с анизотропной электропроводностью //Вычислительные технологии.2006. Т.11. № 3. С. 99-116.

20. Красюк В.Н. Электромагнитные волны в средах с пространственно-временными изменениями параметров. Л.: Ленингр. ун-т, 1984, 216с. *

21. О.В. Шрамкова Затухание электромагнитных волн в полупроводниковой сверхрешетке, помещенной в магнитное поле // Журнал технической физики. 2004. том 74. вып. 2. С.92-97.

22. Булгаков A.A., Шрамкова О.В. // ФТП. 2000. Т. 34. Вып.6. С. 712-718.

23. Oliver Paul, Christian Imhof, Benjamin Reinhard, Remigius Zengerle, Rene Beigang. Negative index bulk metamaterial at terahertz frequencies // Optics Express. 2008. V.16. N.9. P.6736-6744.

24. Bulgakov A.A., Bulgakov S.A., Nieto-Vesperinas M. // Phys. Rev. B. 1998. Vol. 58. P. 4438-4448.

25. A.A. Геворгян Оптический диод на основе слоя спиральной периодической среды с большой анизотропией, находящегося во внешнем магнитном поле // Журнал технической физики. 2002. том 72. вып.8. С.77-83.

26. Будурис Ж., Шеневье П. Цепи сверхвысоких частот (теория и применение). М.: Сов. радио, 1979, 288с.

27. М.В. Шуба. Усиление магнитооптических эффектов в одномерных периодических диэлектрических структурах// Оптика. 2002. С. 12-13.

28. Самойлик С.С., Бондарев В. П. Энергетические характеристики проходного резонатора на прямоугольных волноводах с частичным диэлектрическим заполнением // Радюелектрошка, шформатика, управлшня. 2010. № 1.С. 15-20.

29. P. Yeh. Optical waves in layered media (N.Y., Wiley, 1988).

30. И.А. Случинская. Основы материаловедения и технологии полупроводников. Москва, 2002, 351с.

31. Lyubchanskii I. L., Dadoenkova N. N., Lyubchanskii M. I. at al. Magnetic photonic crystal // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. T.36. P.277-287.

32. Yeh P., Yariv A., Hong C.-S. Electromagnetic propagation in periodic stratified media. I. General theory // J. Opt. Soc. Am. 1977. T. 67, № 4. P.423-436.

33. A.A. Булгаков, A.B. Мериуц, E.A. Ольховский Поверхностные электромагнитные волны на границе раздела двух диэлектрических сверхрешеток// Журнал технической физики. 2004. том 74. вып. 10. С. 103107.

34. Floquet G. // Ann de l'Ecole Normale. Serie 2. 1883. Vol. 12. P. 47-88.

35. Bloch F. // J. Physik. 1928. Vol. 52. P. 555-610.

36. Бриллюэн JI., Пароди M. Распространение волн в периодических структурах. М.: ИЛ. 1959. 458с.

37. Басс Ф.Г., Булгаков A.A., Тетервов А.П. Высокочастотные свойства полупроводников со сверхрешеткой. М.: Наука, 1989, 288с.

38. Тамм И.Е. //ЖЭТФ. 1933. Т. 3. Вып. 1. С. 34-38.

39. Лившиц И.М., Розенцвейг Л.Н. // ЖЭТФ. 1948. Т. 18. Вып. 11. С. 10121022.

40. Alfano R. R. Damping effects on the polaritons and plasmaritons dispersion waves in n-GaAs // J. Opt. Soc. Amer. 1970. T.60. №1. P.66-70.

41. Borstel G., Shuller E., Flage H. J. Surface phonon polaritons on absorbing crystal // Phys Stat. Sol. (В). 1976. T.76. P.759-768.

42. Kovener G. S., Alexander R. W., Jr., Beil J. R. Surface electromagnetic waves with damping//Phys. Rev. B. 1976. T.14. № 4. P.l458-1464.

43. Булгаков А. А., Кононенко B.K. Дисперсионные свойства периодической полупроводниковой структуры в магнитном поле, направленном вдоль оси периодичности //Журн. технической физики. 2003. Т.73. вып.11. С.15-21.

44. Булгаков А. А., Кононенко В. К. Дисперсионные свойства циклотронных волн в периодической структуре полупроводник диэлектрик // Журн. технической физики. 2004. Т.74. вып. 10. С.69 -74.

45. А. А. Булгаков, В. К. Кононенко, О. В. Костылева. Влияние диссипации на свойства циклотронных волн в полупроводниковой периодической структуре // Радиофизика и электроника. 2008. Т. 13. №1. С.94-98.

46. Д.А. Усанов, A.B. Скрипаль, A.B. Абрамов, A.C. Боголюбов. Изменение типа резонансного отражения электромагнитного излучения в структурах нанометровая металлическая пленка—диэлектрик // Письма в ЖТФ. 2007. Т.ЗЗ. вып.2. С. 13-22.

47. Е.А. Украинец, Н.В. Кольбун. Экранирующие свойства многослойных конструкций электромагнитных экранов на основе материалов смалоразмерными включениями металлов и жидких сред // Доклады БГУИР. 2003. №4. С.115-118.

48. В. И. Бел отелов, А.К. Звездин, В. А. Котов, А.П. Пятаков. Негиротропные магнитооптические эффекты в магнитных тонких многослойных пленках металл-диэлектрик// Физика твердого тела. 2003. Т.45. вып.10. С.1862-1869.

49. S.S.P. Parkin. //Appl. Phys. Lett. 1992. V.61. P.1358-1361.

50. С.В.Елисеева, Д.И.Семенцов. Спектр собственных электромагнитных волн периодической структуры ферромагнетик-полупроводник // Журнал технической физики. 2005. Т.75. вып.7. С.106-111.

51. Беспятых Ю.И., Дикштейн И.Е., Мальцев В.П. Особенности распространения электромагнитных волн в слоистых магнитных фотонных кристаллах // ФТТ. 2003. Т.45. №11. С. 2056-2061.

52. Булгаков А. А. Дисперсионные свойства периодической полупроводниковой структуры в магнитном поле, направленном вдоль оси периодичности//ЖТФ. 2005. Т.73. №11. С. 15-21.

53. Xiao ling Yu, Xiacheng Zhang, Huahui Li, Huahui He. Simulation and design for stratified iron fiber absorbing materials // Materials and Design. 2002. V.23. P.51-57.

54. Lee C.Y., Lee D.E., Kong Y.K. Matrix formalism of electromagnetic wave propagation through multiple layers in the near-field region: Application to the flat panel display // Phys. Rev. E. 2003. V.67. P.046-605.

55. Li Jensen, Zhou Lei, Chan C.T., Sheng P. Photonic band gap from a stack of positive and negative index materials // Phys. Rev. Let. 2003. V.90. №8. P.893-901.

56. Звездин A.K., Котов В.А. Магнитооптика тонких пленок. М.: Наука, 1988, 192с.

57. А. М. Attiya. Analysis of two-dimensional magneto-dielectric grating slab // Progress In Electromagnetics Research. 2007. PIER 74. P. 195-216.

58. Pendry J. В., A. MacKinnon. Calculation of photon dispersion // Phys. Rev. Lett. 1992. V.69.N.19. P.2772-2775.

59. Pieper. R., M. Shirvaikar., J. Salvatierra. A transmission line model for analysis of thin film optical filters // IEEE System Theory Symposium, USA, 2006. P.186-191.

60. H. Oraizi., M. Afsahi. Analysis of planar dielectric multilayers as FSS by transmission line transfer matrix method (TLTMM) // Progress in electromagnetics research, 2007. PIER 74. P.217-240.

61. Pochi Yeh., Amnon Yariv., Chi-Shain Hong. Electromagnetic propagation in periodic stratified media. I. General theory // J. Opt. Soc. Am. 1977. V.67. N.4. P.423-437.

62. Su Chen., Yang Wang., Duanzheng Yao., Zhitang Song. Absorption enhancement in ID Ag/Si02 metallic-dielectric photonic crystals.// Optica Applicata, Vol. XXXIX, No.3, 2009. -P.473-479.

63. Sava V., Matti H. A., J. Herben. Modal Transmission-Line Modeling of Propagation of Plane Radiowaves Through Multilayer Periodic Building Structures // IEEE Transactions on antennas and propagation. 2003. V.51. N.9. P.2244-2251.

64. C.B. Полтавцев, Б.В. Строганов. Экспериментальное исследование силы осциллятора экситонного перехода в одиночных квантовых ямах GaAs // Физика твердого тела. 2010. Т.52. вып.9. С.1769-1775.

65. Лотфуллин Р.Ш., Нгуайя M.jl, Кубарев А.Ю., Кубарев Ю.Г. Исследование коэффициентов отражения и прохождения электромагнитных волн в слоистых диэлектрических структурах // Вестник Казанского ГАУ, 2010. №4(18). С.114-116.

66. В. В.Устинов, А. Б. Ринкевич., JI. Н. Ромашев. Взаимодействие электромагнитных волн с мультислойными нано структурами железо/хром // Журнал технической физики. 2005. Т.75. вып.4. С.96-102.

67. Chandra S.R. Kaipa, Alexander В. Yakovlev, Francisco Medina, Francisco Mesa, Celia A.M. Butler, Alastair P. Hibbins. Circuit modeling of the transmissivity of stacked two-dimensional metallic meshes // Optics Express. 2010. V.18. N.13. P.13309-13320.

68. Sievenpiper D.F., Sickmiller M.E., Yablonovitche E. 3D wire mesh photonic crystals // Phys. Rev. Letters. 1996. V.76(14). P.2480-2483.

69. Pendry J.B., A. Holden J., Stewart W.J., Youngs I. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures // Phys. Rev. Letters. 1996. V.76(25). P. 4773-4776.

70. Ward A.J., Pendry J.B., Stewart W.J. Photonic dispersion surfaces // Journal of Physics: Condensed Matter. 1995. V.7(10). P.2217-2224.

71. Junfei Yu., Yifeng Shen., Xiaohan Liu., Rongtang Fu., Jian Zi., Zhiqiang Zhu. Absoiption in one-dimensional metallic-dielectric photonic crystals // Journal of Physics: Condensed Matter. 2004. V.16(7). P.L51-L56.

72. M.Jl. Нгуайя. Особенности распространения электромагнитных волн в многослойных структурах // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. 2011. №1-2. С.121-124.

73. Минамона Лор Нгуайя, Кубарев А.Ю., Кубарев Ю.Г. Электромагнитные методы контроля дефектных изделий и материалов // Сборник материалов XX Всероссийской межвузовской научно-технической конференции. 4.1. Казань: КВАКУ. 2008. С. 65-66.

74. АТЛАС ЧАСТОТНЫХ СПЕКТРОВ КОЭФФИЦИЕНТОВ ОТРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН В МНОГОСЛОЙНЫХ1. СТРУКТУРАХ

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.