• Українська
  • English
  • Русский
ISSN 1028-821X (Online)
ISSN 2415-3400 (Print)

ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЯЧЕЙКА НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО КВАЗИОПТИЧЕСКОГО РЕЗОНАТОРА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ В СУБТЕРАГЕРЦЕВОМ ДИАПАЗОНЕ

Баранник, АА, Губин, АИ, Проценко, ИА, Черпак, НТ
Витусевич, СА
Organization: 

1Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины
12, ул. Ак. Проскуры, Харьков, 61085, Украина
E-mail: i.o.protsenko@gmail.com

2Институт Петера Грюнберга,
Научно-исследовательский центр,
Юлих, Германия (Peter Grünberg Institute Forschungszentrum Jülich, Germany)

https://doi.org/10.15407/rej2016.02.074
Язык: русский
Аннотация: 

Использование резонаторов с модами шепчущей галереи позволяет достигнуть высокой точности измерений при определении диэлектрической проницаемости веществ благодаря их высокой добротности. Резонатор с микрофлюидным каналом (МФК) является перспективным для исследования малых объемов веществ, что особенно актуально для биологических жидкостей. Ранее в качестве измерительной ячейки был предложен сапфировый резонатор с МФК, позволяющий определять диэлектрическую проницаемость жидкостей в 8-мм диапазоне длин волн. Однако для применения в субтерагерцевом диапазоне более перспективным является резонатор, изготовленный из кварца, так как его добротность выше. В настоящей работе предложена измерительная ячейка для определения комплексной проницаемости жидкостей, занимающих малый объем, в субтерагерцевом диапазоне, на основе кварцевого квазиоптического резонатора, покрытого слоем пластика с МФК. Проведены экспериментальные исследования резонаторной структуры и предложена модель для численных исследований в программе COMSOL Multiphysics. Посредством сравнения значений частоты и добротности резонатора с соответствующими значениями, полученными путем вычислений, произведена корректировка модели для случая заполнения МФК водой. Показано, что модель для численных исследований корректно описывает резонаторную структуру. Получены значения частоты и добротности резонатора при заполнении МФК веществами с известными значениями комплексной диэлектрической проницаемости (метанол, пропанол, этанол, ацетон). Значения частоты и добротности резонатора, полученные численным и экспериментальным путем, совпадают с высокой точностью, что указывает на возможность использования резонатора в качестве измерительной ячейки для определения диэлектрической проницаемости веществ, занимающих малый объем, с использованием специальной калибровочной процедуры.

Ключевые слова: кварцевый квазиоптический резонатор; микрофлюидный канал; комплексная диэлектрическая проницаемость; биологические жидкости.

Статья поступила 27.04.2016
PACS 77.22.Ch; 87.85.Fk
УДК 621.372.413
Radiofiz. elektron. 2016, 21(2): 74-78
Полный текст (PDF)

References: 
  1. A dielectric resonator for measurements of complex permittivity of low loss dielectric materials as a function of temperature / J. Krupka, K. Derzakowski, B. Riddle, J. Baker-Jarvis // Meas. Sci. Technol. – 1998. – 9, N 10. – P. 1751–1756.
  2. Whispering-Gallery-Mode Resonator Technique With Microfluidic Channel for Permittivity Measurement of Liquids / A. I. Gubin. A. A. Barannik, N. T. Cherpak et al. // IEEE Trans. on MW Theory and Tech. – 2015. – 63, N 6. – P. 2003–2009.
  3. Радиационная добротность диэлектрических резонаторов различной формы с исследуемыми проводниками и жидкими диэлектриками / А. А. Баранник, С. А. Виту-севич, И. А. Проценко и др. // Радиофизика и электрон. – 2015. – 6(20), № 3. – P. 55–61.
  4. Two-layered disc quasi-optical dielectric resonators: electrodynamics and application perspectives for complex permittivity measurements of lossy liquids / A. A. Barannik, N. T. Cherpak, Yu. V. Prokopenko et al. // Meas. Sci. Technol. – 2007. – 18, N 7. – P. 2231–2238.
  5. WGM resonators with microfluidic channel for sub-mm wave characterization of biological liquids / A. A. Barannik, N. T. Cherpak, A. I. Gubin et al. // Proc. of German Microwave Conf. (GeMiC 2016). – Bochum, 2016. – Р. 15–18.
  6. 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 / W. J. Ellison // J. Phys. Chem. Ref. Data. – 2007. – 36, N 18. – P. 1–18.
  7. Barthel J.  High frequency permittivity and its use in the investigation of solution properties / J. Barthel, R. Buchner // Pure Appl. Chem. – 1991. – 63, N 10. – P. 1473–1482.