ИССЛЕДОВАНИЯ ПОГЛОЩЕНИЯ РАДИОВОЛН В ММ И СУБММ ДИАПАЗОНАХ МЕТОДАМИ ПРЕЦИЗИОННОЙ РЕЗОНАТОРНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

February 12, 2013 by admin Комментировать »

Паршин В. В., Третьяков М. Ю., Кошелев М. А., Кукин Л. М., Коваль И. А., Мясникова С. Е. Институт прикладной физики РАН ул. Ульянова, 46, г. Н-Новгород, 603950, Россия тел.: +7(8312) 164966, e-mail: parsh@appl.sci-nnov.ru

Аннотация – Приведены результаты исследований поглощения электромагнитных волн в атмосфере в диапазоне 100-370 ГГц. Получена прецизионная информация о параметрах уширения и сдвига давлением линий поглощения кислорода и водяного пара, а также о поглощении в континууме. Впервые получена информация о поглощении при отрицательных температурах.

I.                                       Введение

Распространение ММ и особенно СубММ волн в атмосфере в основном определяется поглощением молекулами кислорода и водяного пара. Помимо поглощения, обусловленного резонансным поглощением в кислороде (переходы тонкой структуры) и вращательных линиях водяного пара, существует и «не резонансное» т. н. континуальное поглощение, природа которого точно не установлена. (Обсуждаются варианты поглощения в молекулярных комплексах, поглощение индуцированное столкновениями и др.)

Для построения моделей распространения (поглощения) ММ и СубММ волн в атмосфере при разных метеоусловиях (давлениях, температурах, влажностях), а также для проверки существующих моделей необходима прецизионная информация как о параметрах линий поглощения – интегральном поглощении, уширении атмосферными газами, сдвиге давлением центральной частоты линии, так и о «континууме». Получить такую информацию на длинных открытых трассах невозможно ввиду неконтролируе- мости метеоусловий.

Настоящая работа является дальнейшим развитием работ [1-4] по исследованию атмосферного поглощения резонаторными методами. Основное «новшество» – это реальное продвижение в СубММ диапазон с непрерывным частотным сканированием, что является принципиальным отличием нашего спектрометра от существующих аналогов, и расширение температурного диапазона до -20 °С. До сих пор для расчёта поглощения при отрицательных температурах использовалась экстраполяция результатов «тёплых» измерений и к тому же только в отдельных частотных точках ММ и СубММ диапазонов [3, 7].

II.                              Основная часть

Для исследования атмосферного поглощения использовался резонаторный спектрометр с быстрым цифровым сканированием частоты излучения без фазовых скачков при переключениях, чувствительным элементом которого является высокодобротный (с добротностью -10®) резонатор, размещенный в закрытом боксе с дозированной подачей азота, кислорода, сухого воздуха и паров воды. Для возбуждения резонатора создан унифицированный ряд источников излучения на базе ламп обратной волны (ЛОВ) диапазона 36-370 ГГц с синтезированной частотой. Во всём диапазоне частот дискретность перестройки частоты = 0.3 Гц. Стабильность частоты излучения определяется базовым кварцевым или рубидиевым генератором. Полоса управления в системе ФАПЧ ~ 5 МГц.

Для перекрытия всего диапазона 36-370 ГГц используются 6 сменных модулей, выполненных с едиными установочными размерами. Высокодобротный квазиоптический резонатор и автоматизированная система сбора и обработки информации – общая для всех поддиапазонов [5, 6].

На рис.1. приведена широкодиапазонная запись поглощения излучения в атмосфере в диапазоне 45- 370 ГГц, полученная с помощью спектрометра.

Рис. 1. Широкодиапазонная запись поглощения в атмосфере в диапазоне 45-370 ГГц. Температура

равна 25.2°С; Давление =757 Торр; Влажность равна 5.3 Г/м^.

Fig. 1. The wide band record of atmosphere absorption.

Temperature = 25.2°C; Pressure = 757 Torr;

IHumidity =5.3 g/m^

Ha Рис.2, приведены записи спектра поглощения смеси водяного пара с азотом, содержащие линии воды на частотах 321 ГГц и 325 ГГц, а также континуум, в зависимости от концентрации паров воды.

На Рис.З. приведены записи линии поглощения чистого кислорода при -18°С и +23°С. Подобные записи для этих линий получены впервые.

III.                                   Заключение

Проведены исследования атмосферного поглощения в диапазоне частот 100-370 ГГц и в интервале температур от -23°С до +25°С. Впервые подробно исследована линия поглощения водяного пара на частоте 325 ГГц. Уточнены коэффициенты уширения чистым азотом и кислородом.

Полученные результаты позволили существенно уточнить модели атмосферного поглощения [3,4].

Полученные результаты при атмосферном давлении хорошо согласуются с результатами, полученными при низких давлениях с помощью спектрометра с радиоакустическим детектором [8].

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ: 05-02-17522-а и 06-02-72019-МНТИ а.

IV.                           Список литературы

Рис. 2. Спектр поглощения водяного пара в чистом азоте включающий линии поглощения воды на 321 ГГц и 325 ГГц и в континууме в зависимости от концентрации воды.

Fig. 2. The water vapour absorption spectrum in pure Nitrogen including lines at 321 GHz and 325 GHz vs. water content

[1]  .         V. V. Parshin, A. F. Krupnov, S. E. Myasnikova, M. Yu. Tretyakov, V. N. Shanin. «The ultra-low absorption investigations in dielectrics and atmosphere at 45-200 GHz frequency range ». Proc. 10’^ Int. Conf. CriMiCo’2000 pp. 490-492, 2000.

[2]  .         A. F. Krupnov, M. Yu. Tretyakov, V. V. Parshin,

V. N. Shanin, S. E. Myasnikova. «Modern millimetre-wave spectroscopy of broad lines». Journal of Molecular Spectroscopy, V. 202, pp. 107-115, 2000.

[3]  .         S.-A. Boukabara, S. A. Clough, J.-L. Moncet, A. F. Krupnov, M. Yu. Tretyakov and V. V. Parshin. Uncertainties in the Temperature Dependence ofthe Line-Coupling Parameters ofthe Microwave Oxygen Band: Impact Study. IEEE transactions on Geoscience and Remote Sensing. V.43, No.5, pp. 1109-1114, 2005.

[4]  .         M. Yu. Tretyakov, G. Yu. Golubiatnikov, V. V. Parshin,

M. A. Koshelev, S. E. Myasnikova, A. F. Krupnov, and

P. W. Rosenkrantz. «Experimental Study ofthe Line Mixing Coefficient for 118.75 GHz Oxygen Line». JMS, V 223/1, pp. 31-38, 2004.

[5]  .         V. N. Shanin, V. V. Dorovskikh, M. Yu. Tretyakov,

V. V. Parshin and A. P. Shkaev. An Automated MMillimeter- Wave Resonator Spectrometer for Investigating the Small Absorption in Gases. Instruments and Experimental Techniques. V.46, No.6, pp. 798-803, 2003

[6]  .         Мясникова С. Ε., Паршин В. В., Андрианов А. Ф., Третьяков М. Ю., Шанин В. Н., ШкаевА. П. « Резонаторный спектрометр диапазона 36-370 ГГц Результаты исследований диэлектриков со сверхмалым поглощением». Proc. 15-th Int. Conf. CriMiCo’2005. Pp. 717-718, 2005.

[7]  .         Q. Ma, R. H. Tipping. A simple analytical parameterization for the water vapor millimeter wave foreign continuum. Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer. V.82, pp. 517-531,2003.

[8]  .         M. Yu. Tretyakov, V. V. Parshin, M. A. Koshelev,

A. P. Shkaev, A. F. Krupnov. Extension ofthe Range of Resonator Scanning Spectrometer into Submillimeter Band and Some Perspectives of Its Further Developments, Journal of Molecular Spectroscopy, doi: 10.1016/j. jms.2006.04.016.

Fig. 3. The record of pure Oxygen line at 118 GHz, at -18 °Cand+23 °C

THE ABSORPTION INVESTIGATION OF MM AND SUBMM WAVES BY METHODS OF PRECISE RESONATOR SPECTROSCOPY

Parshin V. V., Tretyakov M. Yu., Koshelev M. A., Kukin L. М., Koval I. A,. Myasnikova S. E.

Institute of Applied Physics RAS 46 Ulyanov St., Nizhny Novgorod, 603950, Russia

Puc. 3. Запись линии поглощения чистого кислорода на 118 ГГц при -18^С и +23°С.

Abstract – The results of absorption investigation of electromagnetic waves in atmosphere in the frequency range 100 – 370 GHz are presented. The precise information about integral absorption, broadening parameters and central frequency shifts of line absorption of Oxygen and water vapour are obtained. For the first time the absorption data at negative temperatures was obtained.

I.                                         Main Part

The advanced resonator spectrometer works in all MM range and partly advanced in SubMM range. Those are 36 – 370 GHz.

For the measuring resonator exciting and for precise recording of the resonance curve the uniform set of radiation sources (6 units) in the frequency range 36 – 370 GHz on the base of BWO with the frequency step = 0.3 Hz was created. Quartz or Rubidium reference frequency generator defines the frequency stability. The frequency operation range in the PLL system is ~ 5 MHz.

The main results of atmosphere investigation are presented on the Fig.1 – 3. There are wide band records of atmosphere absorption, the water vapour absorption spectrum in pure Nitrogen including lines at 321 GHz and 325 GHz vs. water content and the record of pure Oxygen line at 118 GHz, at -18 °C and +23 °C.

II.                                        Conclusion

The investigations of atmosphere absorption in the frequency range 100 – 370 GHz and the temperature interval have been provided. For the first time the water line at 325 GHz was carefully investigated. The broadening coefficient for Nitrogen and Oxygen is made more precise.

The obtained results permitted essentially to improve the absorption models [3, 4].

The results obtained at atmosphere pressure are in good agreement with the results obtained at low pressure with the RAD-spectrometer [8].

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты