Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов и метрологического обеспечения экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноматериалы, конструкционные наноструктурированные радиопоглощающие материалы, диагностика, радиопоглощающие покрытия, электромагнитное излучение, поглощение, отражение, диапазон частот, спектральный состав, сверхкороткий электромагнитный импульс, сверхширокополосный метод, зондирование, измерение, характеристики

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задач обеспечения возможности проведения экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов, полупроводниковых наногетероструктур и углеродных наноматериалов, а также их метрологическое сопровождение. 2. Целью проекта является обеспечение возможности проведения экспресс диагностики электромагнитных (поглощающих и отражающих) параметров радиопоглощающих наноматериалов на основе аппаратурно-методической реализации зондирующих электромагнитных импульсов со сверхкороткой длительностью фронта до 10 пс и равномерным спектральным составом.

Основные планируемые результаты проекта:
1. В результате выполнения работы планируется:
- разработать сверхкороткоимпульсный метод определения поглощающих и экранирующих свойств наноструктурированных композиционных радиопоглощающих материалов в частотном диапазоне 100 МГц – 40 ГГц;
- разработать эскизную конструкторскую документацию и создать экспериментальный образец установки экспресс диагностики параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов;
- изготовить образцы композиционных наноструктурированных радиопоглощающих материалов;
- разработать методики проведения экспериментальных исследований наноструктурированных покрытий и материалов на установке экспресс диагностики;
- провести экспериментальные исследования наноструктурированных покрытий и материалов и произвести оценку эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
- разработать рекомендации по возможности использования результатов работы в реальном секторе экономики

2. Исследования по зондированию радиопоглощающих наноматериалов сверхширокополосными электромагнитными импульсами будут проведены в частотном диапазоне 100 МГц – 40 ГГц с короткой длительностью фронта до 10 пс. Будут разработаны методы обработки падающего, отраженного или прошедшего импульсов поля, обеспечивающие скоростные измерения (практически мгновенно за один импульс поля, без каких-либо перестроек и регулировок излучателей и приемников поля) экранирующих и поглощающих характеристик наноматериалов во всем диапазоне частот, что позволит реализовать оперативный процесс экспресс диагностики радиопоглощающих наноматериалов, например, при их поточном производстве.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1. Конечным продуктом, создаваемого с использованием результатов, полученных при выполнении проекта, является Методика экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов, а также проект ТЗ на ОКР. Место и роль проекта в решении задач экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов - создание метода экспресс диагностики с использованием электромагнитных импульсов со сверхкороткой длительностью фронта до 10 пс и равномерным спектральным составом.

2. Новизна предлагаемого к разработке метода диагностики радиопоглощающих наноматериалов заключается в аппаратурно-методической реализации процессов генерирования зондирующих электромагнитных импульсов со сверхкороткой длительностью фронта до 10 пс и равномерным спектральным составом, а также прецизионного измерения их параметров. Впервые будет решена задача метрологического обеспечения измерения электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов методом зондирования сверхширокополосным электромагнитным импульсом при длительности фронта менее 10 пс. Это позволит осуществлять экспресс диагностику в частотном диапазоне до 40 ГГц и не потребует наличия безэховой камеры и больших размеров объектов, что существенно экономит средства на изготовление новых радиопоглощающих наноматериалов.

3. Метод сверхширокополосного зондирования широко применяется для задач определения характеристик радиопоглощающих материалов. Отличие разрабатываемого метода заключается в аппаратурно-методической реализации процессов генерирования зондирующих электромагнитных импульсов со сверхкороткой длительностью фронта до 10 пс (в известных установках достигаются временные характеристики зондируемых импульсов только до 50 пс), а также в реализации метрологического обеспечения измерения параметров зондирующих импульсов с помощью государственного специального первичного эталона ГЭТ 178-2009.

4. Для реализации методов и метрологического обеспечения экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов предлагается создание экспериментального образца установки, которая обеспечивает измерение коэффициентов отражения и прохождения (поглощения) наноматериалов в области радиочастот. Основу установки должен составить комплекс излучателя и приемника сверхкоротких электромагнитных импульсов (СК ЭМИ). В качестве излучателя предполагается использовать сверхширокополосную антенну, возбуждаемую генератором импульсов напряжения со сверхкоротким фронтом. В качестве приемника предполагается использовать измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического поля (патент ВНИИОФИ) с выходом на стробоскопический осциллографический регистратор. Измерение коэффициентов отражения наноматериала проводится следующим образом:
- отражение от наноматериала сравнивается с отражением от металлического листа;
- регистрируется форма импульсов и рассчитываются их спектры;
- коэффициент отражения рассчитывается как частное деление амплитудных спектров. Расчет коэффициента поглощения производится по аналогичной формуле исходя из спектров падающего и прошедшего импульсов поля.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Области применения:
- авиастроение. Создание новых нанокомпозитных радиопоглощающих материалов для авиационно-космических технологий уменьшения радиозаметности. Реализация технологии "Стэлс" для самолетов 5-го поколения (включая высокотемпературные покрытия для сопла двигателя) путем внедрения новых нанокомпозитных радиопоглощающих широкополосных покрытий, полученных с использованием метода экспресс диагностики.
- производство товаров индивидуального потреблении. Создание защитных экранирующих материалов;
- медицина и здравоохранение. Экранирование помещений для магниторезонансной терапии и т.п.;
- контроль и улучшение окружающей среды. Создание электромагнитной среды, обеспечивающей уменьшение влияния на человека и технические средства электромагнитных излучений.

2. Планируется внедрение разработанной в процессе ПНИ Методики экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов в опытное производство новых наноматериалов. Предполагается постановка ОКР по разработке установок экспресс диагностики радиопоглощающих наноматериалов для серийного изготовления.
Будут проведены сертификационные испытания установки экспресс диагностики с целью утверждения типа в качестве средств измерений. После чего, она будет внесена в Государственный Реестр РФ средств измерений. Проведение данного мероприятия позволит выйти на рынок установкам экспресс диагностики наноматериалов.

3. Планируемые результаты работы окажут влияние на развитие научно-технических и технологических направлений создания новых конструкционных наноматериалов для электромагнитных применений. Радиопоглощающие материалы на основе нанокомпозитов по сравнению с традиционными материалами требуют новых подходов в измерении их параметров, важным из которых является экспресс диагностика радиопоглощающих наноматериалов, которая позволяет осуществлять их тестирование при поточном производстве в реальном режиме времени. Как правило, в процессе разработки радиопоглощающих наноматериалов с новыми свойствами первоначально изготавливается единичный образец материала, с которым проводятся исследования. Вследствие уникальности образца стоимость его изготовления велика и напрямую зависит от размеров образца. В некоторых случаях технология создания наноматериалов малыми партиями вообще не позволяет создавать образцы с большими размерами. Предлагаемый к разработке экспресс метод диагностики с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов за счет временной селекции не требует больших размеров зондируемых объектов и специальных безэховых помещений, что позволит существенно уменьшить стоимость разработки новых радиопоглощающих наноматериалов, а также время из изготовления при поточном производстве.

4. Планируемые результаты работы несомненно окажут влияние на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры в части:
- практического применения разрабатываемого метода экспересс-диагностики радиопоглощающих материалов;
- аппаратурной реализации метода экспересс-диагностики.
- калибровки и метрологического обеспечения измерений параметров электромагнитных полей сверхкороткой длительности до 10 пс.
В настоящее время интерес к данной тематике проявлен во многих странах (например, посещение в ноябре 2015 сотрудников сверхкороткоимпульсных технологий Северо-западного института ядерных технологий КНР), а результатом популяризации результатов ПНИ на российских мероприятиях стало обращение ряда промышленных и научно-технических организаций на услуги измерений и калибровки в области параметров электромагнитных импульсов сверхкороткоимпульсного диапазона, а также на изготовление преобразователей напряженности импульсного электрического поля.

Текущие результаты проекта:
В 2015 году

1. Проведены теоретические исследования обработки сигналов для реализации метода экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов, в результате которых определены геометрические параметры антенн излучающего модуля: плоская вибраторная антенна ПВА-50 со сдвоенными электродами треугольной формы: высота одного вибратора – 539 мм, ширина – 500 мм, угол между сдвоенными электродами в вибраторе - 24°; биконическая антенна БА-10: высота одного конуса – 100 мм, диаметр основания – 100 мм; ТЕМ-рупорная антенна ТЕМ-Р: длина рупора – 50 мм, угол раскрыва - 16°, площадь раскрыва – 3 см2.
Расчетная погрешность измерения коэффициента отражения (поглощения) радиопоглотителей в динамическом диапазоне 0,01-1 составила не более 8%.
2. Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов, соответствующая требованиям технического задания.
3. Разработана методика проведения исследований технических характеристик экспериментального образца установки экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов.
4. Разработана Программа и методики проведения экспериментальных исследований электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов на экспериментальном образце установки экспресс диагностики.
5. Обоснованы и разработаны требования по метрологическому обеспечению метода экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов. Разработанные требования предусматривают прослеживаемость измерений к государственным первичным эталонам ГЭТ 148-2013 и ГЭТ 178-2010.
6. Создана математическая модель обработки измерительной информации при экспресс диагностике электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов. Определены требования к форме представления входных и выходных параметров в виде векторов значений и переменных, содержащих шаги по времени и частоте. В дискретной форме записана совокупность математических выражений для ядерного сглаживания, динамического преобразования Фурье, получения векторов значений коэффициентов отражения и поглощения, перевода индексов элементов вектора в значения частотных отсчетов. Разработаны вычислительные алгоритмы, реализующие указанные выше математические выражения, а также необходимые вспомогательные операции по сопряжению ЭВМ и осциллографического регистратора, передаче данных и выводу результатов. На языке программирования C# разработаны программные коды, реализующие основные вычислительные алгоритмы. Разработана программа обработки измерительной информации, реализованная для операционной системы Microsoft Windows (версии 7 и выше) с использованием программной платформы .NET Framework, включающей графический интерфейс пользователя. Проверена адекватность разработанной математической модели на примере сравнения результатов обработки известных сигналов при помощи математической модели и аналитически заданного фильтра низких частот Баттерворта.
7. Изготовлен первичный измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического поля со сверхкороткой длительностью фронта до 10 пс и равномерным спектральным составом. Преобразователь создан на основе полосковой линии с участком воздушного заполнения.
8. Проведена калибровка изготовленного первичного измерительного преобразователя с использованием государственного первичного эталона ГЭТ 178-2010. Получено время нарастания переходной характеристики не более 10 пс. Длительность переходной характеристики составила не менее 1 нс, предел допускаемой погрешности измерений составил не более 7 %.
4. Принято участие в в 5-ти мероприятиях, направленных на освещение и популяризацию результатов ПНИ – докладах на научно-технических конференциях и симпозиумах с опубликованием тезисов и выставке.
5. Проведены дополнительные патентные исследования, главным из которых явилось получение патента РФ на полезную модель RU 1555117 «Устройство для измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов». Данный патент определен базовым для создания экспериментального образца установки экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов.
6. Подготовлена заявка на патент на изобретение «Способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов». Получение патента предполагается на следующих этапах ПНИ.