Использование микроволнового излучения дли исследования тонких плёнок жидкости на поверхности металла

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование микроволнового излучения дли исследования тонких плёнок жидкости на поверхности металла

Сергей Дмитриевич Крылов,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, Институт природных ресурсов, экологии и криологии СО РАН (672014, Россия, г. Чита, ул. Недорезова, 16 а),

В статье представлены результаты исследования электрических свойств тонких плёнок жидкости на поверхности металла с помощью микроволн. Исследования были выполнены в медном прямоугольном волноводе на частоте излучения 54.5 ГГц. Измерялась мощность микроволнового излучения, проходящего через волновод. На стенках волновода методом конденсации газа в жидкость при его охлаждении осаждались плёнки жидкого кислорода и аргона. Исследования выполнялись при предположении, что появление плёнки жидкости на стенках волновода будет менять величину проходящей мощности, т.е. проходящее микроволновое излучение будет зависеть от свойств плёнки на стенках волновода. Охлаждение осуществлялось с помощью жидкого азота. Обнаружено уменьшение электромагнитных потерь при пропускании микроволнового излучения. Этот эффект можно объяснить появлением высокопроводящей плёнки на границе металл - жидкость. Следовательно, использование микроволн для изучения тонких слоёв жидкости на металлической поверхности может дать необычную и недоступную для других методов информацию.

Ключевые слова: микроволновое излучение, электропроводность, тонкие плёнки жидкости, конденсация газа

Sergei D. Krylov,

Candidate of Physics and Mathematics, Senior Researcher, Institute of Natural Resources, Ecology and Cryology, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences (16 a Nedorezova st., Chita, 672014, Russia),

Using Microwave Radiation to Study Thin Liquid Films on a Metal Surface

This paper presents results of an investigation of the electrical properties of thin liquid films on a metal surface by means of microwaves. The studies were carried out in a copper rectangular waveguide at frequency of 54.5 GHz. The microwave radiation power passing through the waveguide was measured. The films of liquid oxygen and argon on the walls of the waveguide were deposited by the method of condensation from gas to liquid upon cooling. The investigations were carried out under the assumption that the appearance of a liquid film on the walls of the waveguide will change the value of the transmitted power, i. e. it will depend on the properties of the film on the walls of the waveguide. Cooling was carried out with the help of liquid nitrogen. A decrease in the electromagnetic losses during the microwave radiation passing was detected. This effect can be explained by the appearance of a high-conductivity film at the boundary metal - liquid. Therefore, the use of microwaves to study thin layers of liquid on a metal surface can give unusual and not available for other methods information.

Keywords: microwave radiation, electric conductivity, thin liquid films, gas condensation

Введение

микроволновое излучение пленка металл

Свойства вещества в тонком поверхностном слое на границе, отделяющей одно вещество от другого, значительно отличаются от свойств внутри объёма. Представляет научный и практический интерес изучение свойств вещества в тонком поверхностном слое, на границах двух сред [10]. Плёнки проявляют самые разнообразные свойства и в настоящее время широко используются в оптике, медицине, электронике и микроэлектронике, бытовых приборах и т. д. Соответственно широк и многообразен фронт исследований способов получения плёнок [4; 6] и их свойств [2; 3; 7; 11; 12].

В данной работе предпринята попытка исследовать свойства тонкого слоя жидкости на поверхности металла с помощью микроволн (СВЧ волн). Как известно, микроволновое излучение проникает в проводящие среды на глубину, соответствующую так называемому скин-слою (5). Толщина скин-слоя определяется электрической проводимостью материала (а) и частотой излучения (/): 5 = \JЖ^СТ^ [8]. В этой формуле р - магнитная проницаемость материала, для меди равна 1. Предполагается, что в тонком слое жидкости на поверхности металла могут появиться особые электрические свойства [5]. Такие свойства теоретически предсказаны для поверхности льда для квазижидкого слоя толщиной в единицы и десятки нанометров, проводимость которого возрастала на шесть порядков, по сравнению с водой [9]. То же для контакта двух диэлектриков с большой разницей значений статической диэлектрической проницаемости [13; 14]. Экспериментально плёнку с проводимостью выше проводимости меди для осаждения азота и, возможно, кислорода на внутренней поверхности медного резонатора наблюдали в [1], однако это наблюдение не было подтверждено другими способами.

Цели настоящей работы

Цели настоящей работы заключалась в измерении прохождения микроволнового излучения через металлический волновод, на внутреннюю поверхности которого осаждали различные жидкости. Для их равномерного осаждения использовали конденсацию газов в жидкое состояние при понижении температуры стенок волновода. Так как электромагнитная волна при распространении в волноводе взаимодействует только с внутренней поверхностью волновода, то появление жидкого слоя на поверхности волновода приводит к появлению поглощения, если проводимости слоя меньше проводимости металла или наоборот. Измеряя мощности проходящего через волновод микроволнового излучения, можно определить относительное изменение проводимости тонкого поверхностного слоя жидкости на металлической поверхности, т.е. получить сведения о необычных свойствах плёнки.

Описание эксперимента

Измерения выполнялись в прямоугольном волноводе, на внутренние стенки которого осаждали различные жидкости. Для их равномерного осаждения использовали конденсацию газов в жидкое состояние при понижении температуры волновода. Охлаждение исследуемого волновода осуществлялось с помощью жидкого азота следующим образом. Исследуемый волновод помещался в металлическую ёмкости, в которую по трубке из сосуда Двюара подавался струйкой жидкий азот. Сама ёмкости вместе с волноводом помещалась в пенопластовый контейнер для термоизоляции. В начальный период волновод охлаждался парами азота, а затем жидкий азот заливал волновод. Температура, которую удавалось достичь, составляла --195.8 °С, т. е. равнялась температуре кипения жидкого азота. Через охлаждаемый волновод пропускались газы: кислород, температура кипения которого --183 °С, аргон, температура кипения 186 °С, углекислый газ СО`2 и водород. Углекислый газ и водород исследовались для того, чтобы сравнить результаты измерений с аргоном и кислородом. Углекислый газ из газообразного состояния при атмосферном давлении переходит в твёрдое, минуя жидкое состояние при температуре --78.5 °С. Для водорода жидкого состояния с помощью охлаждения азотом достичь нельзя. Температура кипения водорода --259 °С, т. е. значительно ниже температуры кипения азота.

Схема экспериментальной установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 - генератор микроволнового излучения Г4-142; 2 - исследуемый волновод; 3 - металлическая ёмкость; 4 - трубки для подвода газа в волновод; 5 - термопара; б - пенопластовый контейнер; 7 - вентиль; 8 - детектор; 9 - система сбора информации фирмы “Agilent”

Fig. 1. Diagram of the experimental setup: 1 - the microwave radiation generator G4-142; 2 - the studied waveguide; 3 - metal vessel; 4 - pipe for supplying a gas into the waveguide; 5 - thermocouple; 6 - foam container; 7 - valve; 8 - detector; 9 - the system of gathering information of the company “Agilent”

Сигнал от генератора микроволнового излучения Г4-142 подавался на исследуемый участок волновода, а далее через вентиль на детектор и систему сбора информации фирмы “Agilent”. Частота подаваемого сигнала 54.5 ГГц. Газмеры исследуемого волновода: длина волновода 124 мм, внутренние размеры 5x3 мм. Волновод изготовлен из меди. Гегистрация мощности проходящего микроволнового излучения осуществлялась непрерывно с записью на компьютер. Одновременно с измерением проходящей мощности излучения с помощью термопары регистрировалась температура исследуемого волновода.

Результаты измерений

Результаты измерений изменения проходящей мощности микроволнового излучения при заполнении волновода кислородом представлены на рис. 2.

Из рисунка видно, что при пропускании кислорода через волновод первоначально в момент появления жидкого кислорода наблюдалось небольшое увеличение сигнала в пределах 15 %. Это можно объяснить появлением плёнки кислорода на стенках волновода, что ведёт к улучшению прохождения микроволнового излучения через волновод. Далее наблюдались хаотические флуктуации проходящей мощности, связанные с увеличением толщины плёнки кислорода и стоком жидкости в нижнюю часть волновода. Когда в волноводе накопилось много жидкости, флуктуации уменьшились -- средняя часть графика. Затем при нагревании наблюдался обратный процесс -- увеличение флуктуаций и их исчезновение, когда весь кислород перешёл в газообразное состояние. Такое же поведение сигнала наблюдается с аргоном (рис. 3).

Рис. 2. Результаты измерений мощности проходящего через волновод микроволнового излучения Р (в относительных единицах) при заполнении волновода жидким кислородом: левая ось - значения мощности; правая ось - температура волновода Т; штриховая горизонтальная линия - уровень мощности, проходящей через волновод без жидкости

Fig. 2. The results of measurement of the power passing through the waveguide of the microwave radiation P (in relative units) when filling the waveguide with liquid oxygen: left axis - values of power; the right axis is the temperature of the waveguide T; the dashed horizontal line is the level power passing through the waveguide without fluid

Отличие от первого эксперимента в том, что в момент появления флуктуаций наблюдается более значительное увеличение сигнала приблизительно на 40 процентов.

При выполнении этого же эксперимента с водородом такого поведения сигнала не наблюдается (рис. 4).

Рис. 3. Результаты измерений мощности проходящего через волновод микроволнового излучения при заполнении волновода жидким аргоном

Fig. 3. The results of measurement of the power passing through the waveguide of the microwave radiation when filling the waveguide with liquid argon

Объясняется это тем, что водород в жидкое состояние не переходит и жидкости на стенках волновода не образуется.

Интересное наблюдение с углекислым газом (рис. 5).

Puc. 4. Результаты измерений мощности проходящего через волновод микроволнового излучения Р при заполнении волновода водородом

Fig. 4. The results of the measurement of the power passing through the waveguide of the microwave radiation P when filling the waveguide with hydrogen

Puc. 5. Результаты измерений мощности проходящего через волновод микроволнового излучения Р при заполнении волновода углекислым газом

Fig. 5. The results of measurement of the power passing through the waveguide of the microwave radiation P when filling the waveguide with carbon dioxide

Есть изменения сигнала, но быстрых флуктуаций, связанных с конденсацией газа, не наблюдается. Углекислый газ при температуре --78.5 °С переходит в твёрдое состояние, минуя жидкое.

Выводы