Измерительная ячейка на основе кварцевого квазиоптического резонатора для исследования диэлектрических жидкостей в субтерагерцевом диапазоне

Abstract

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.

У цій роботі запропоновано вимірювальну комірку для визначення комплексної проникності рідин, які займають малий об’єм, у субтерагерцовому діапазоні, на основі кварцового квазіоптичного резонатора, покритого шаром пластика з МФК. Проведено експериментальні дослідження резонаторної структури і запропоновано модель для числових досліджень у програмі COMSOL Multiphysics. Шляхом порівняння значень частоти і добротності резонатора з відповідними значеннями, які було отримано обчисленням, проведено коректування моделі для випадку заповнення МФК водою. Показано, що модель для числових досліджень коректно описує резонаторну структуру. Отримано значення частоти і добротності резонатора при заповненні МФК речовинами з відомими значеннями комплексної діелектричної проникності (метанол, пропанол, етанол, ацетон). Значення частоти і добротності резонатора, отримані числовим і експериментальним шляхом, добре збігаються, що вказує на можливість використання резонатора в якості вимірювальної комірки для визначення діелектричної проникності речовин, які займають малий об’єм, з використанням спеціальної калібрувальної процедури

In the paper we propose a measurement cell for the determination of complex permittivity of liquids in sub-THz range on the basis of quasi-optical quartz resonator with a layer of plastic comprising a microfluidic channel. Experimental studies of the resonator structure are carried out and a model for numerical research in the software COMSOL Multiphysics is proposed. By means of c omparing the resonator frequencies and Q-factors values with the corresponding values obtained with the numerical model the correction of the model has been carried out for the water-filled microfluidic channel. It is shown that the model for numerical studies correctly describes the resonator structure. The values of the resonator frequency and Q-factor obtained experimentally and numerically, for the microfluidic channel filled with the substances with well-known complex permittivity (methanol, propanol, ethanol, acetone), are in good agreement, which indicates the possibility of using the resonator as a measurement cell allowing the research on smallliquid permittivity using the special calibration procedure.