Регистрация / Вход
Прислать материал

14.624.21.0003

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.624.21.0003
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений"
Название доклада
Разработка методов и метрологического обеспечения экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов
Докладчик
Сахаров Константин Юрьевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Проект направлен на решение задач обеспечения возможности проведения экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов, полупроводниковых наногетероструктур и углеродных наноматериалов, а также их метрологическое сопровождение.

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.

Основными задачами исследований являются:
- разработка сверхкороткоимпульсного метода определения поглощающих и экранирующих свойств наноструктурированных композиционных радиопоглощающих материалов в частотном диапазоне 100 МГц – 40 ГГц;
- разработка эскизной конструкторской документации и создание экспериментального образеца установки экспресс диагностики параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов;
- изготовление образцов композиционных наноструктурированных радиопоглощающих материалов;
- разработка методики проведения экспериментальных исследований наноструктурированных покрытий и материалов на установке экспресс диагностики;
- проведение экспериментальных исследований наноструктурированных покрытий и материалов;
- оценка эффективности полученных результатов в сравнении с современным научно-техническим уровнем;
- разработка рекомендации по возможности использования результатов работы в реальном секторе экономики.
Актуальность и новизна исследования
Одним из наиболее важных Приоритетов формирования и развития наноиндустрии является создание конструкционных наноматериалов для электромагнитных применений. Выполнение электромагнитных материалов на основе нанокомпозитов по сравнению с традиционными материалами требуют новых подходов в измерении их параметров, важным из которых является экспресс диагностика нанокомпозитных радиопоглощающих материалов (РПМ). Традиционные узкополосные измерения параметров РПМ требуют перестраиваемых по частоте генераторов, безэховых камер, больших размеров образцов РПМ, а также большого времени исследований. Предлагается к разработке экспресс метод диагностики с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов, который не имеет перечисленных выше недостатков.
Научная новизна заключается в создании методов и средств сверхширокополосных измерений коэффициентов отражения и пропускания радиопоглощающих материалов в диапазоне частот 100 МГц – 40 ГГц с помощью сверхкоротких электромагнитных импульсов с длительностью фронта до 10 пс, а также их метрологического обеспечения. 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.
Впервые разрабатываются электродинамические структуры биконических и плоских вибраторов, а также полосковых преобразователей для реализации метода сверхширокополосного импульсного зондирования радиопоглощающих материалов.
Впервые решается задача метрологического обеспечения измерений электромагнитных импульсов с длительностью фронта не более 10 пс.
Описание исследования

На основе аналитического обзора литературы и патентного поиска в области нанокомпозитных радиопоглотителей, методов и средств их сверхширокополосной диагностики, а также излучения и приема электромагнитных импульсов выбраны направления исследований. Определены схемные решения разрабатываемого метода экспресс диагностики, обоснованы решения о выполнении излучающего модуля с максимально широким спектром импульсов, перекрывающим рабочий диапазон частот исследуемого радиопоглощающего материала, а приемного модуля с переходной характеристикой, близкой к ступенчатой, чтобы обеспечить равномерный спектральный состав регистрируемых импульсов, позволяющий минимизировать погрешность, увеличить широкополосность и повысить чувствительность (расширить динамический диапазон) измерений.

Проведено макетирование, на основе которого в качестве источников излучения были выбраны электродинамические структуры, образованные прямолинейными импульсами тока, распространяющимися синфазно из одной точки как наиболее перспективные для формирования максимально широкополосных электромагнитных импульсов: плоские и линейные вибраторы, биконические структуры, а также ТЕМ-рупора.  В качестве приемников выбраны полосковые измерительные преобразователи, имеющие ступенчатую переходную характеристику.

Проведены теоретические исследования обработки сигналов для реализации метода экспресс диагностики: расчеты распространения сигналов по электродам излучающих антенн; анализ и обоснование методов фильтрации шумов в измерительном сигнале на основе цифровых фильтров, сглаживающего фильтра Савицкого-Голея, ядерного сглаживания и др., а также методов время-частотных преобразований видеоимпульсных сигналов на основе преобразования Фурье, вейвлет-преобразования, фрактального анализа и разложения по сдвиговым функциям. С целью минимизации погрешности метода экспресс диагностики теоретически обосновано применение методов ядерного сглаживания и динамического преобразования Фурье в прямоугольном окне.

Изготовлен по разработанной эскизной конструкторской документации  экспериментальный образец установки экспресс диагностики в составе, соответствующем требованиям ТЗ.

Создана математическая модель обработки измерительной информации при экспресс диагностике, предусматривающая векторную форму выходных параметров, ядерное сглаживание и динамическое преобразование Фурье. Адекватность модели обоснована численным экспериментом с применением аналитически заданного фильтра Баттерворта.

Разработана методика проведения исследований технических характеристик экспериментального образца установки экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов. Проведены исследования изготовленной установки по методике.

Разработано и реализовано метрологическое обеспечение метода экспресс диагностики параметров наноматериалов, включающее Методику передачи размеров единиц физических величин, измеряемых в установке экспресс диагностики параметров наноматериалов, от первичных эталонов для метрологического обеспечения метода экспресс диагностики параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов.

Разработана программа и методики проведения экспериментальных исследований электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов на экспериментальном образце установки экспресс диагностики. Изготовлены образцы РПМ для экспериментальных исследований на основе резины с нанокомпозитом, а также полиэфирных тканей с покрытием из нержавеющей стали, полученных ионно-абсорбционным методом. Проведено исследование их поглощающих и отражающих характеристик узкополосными методами и методом зондирования сверхкороткими электромагнитными импульсами. Сравнение полученных результатов экспериментальных исследований электромагнитных параметров РПМ показало их совпадение в пределах погрешности методов измерений.

Проведена оценка полноты решения задачи и достижения поставленных целей ПНИ, которая показала их полное выполнение.

Результаты исследования

Определены схемно-технические решения метода экспресс диагностики, выбраны и обоснованы излучающие антенны: плоский вибратор с полувысотой – 539 мм и шириной – 500 мм; биконус с полувысотой – 100 мм и диаметром основания – 100 мм; ТЕМ-рупор с углом раскрыва - 16° и площадью раскрыва – 3 см2.

Проведены теоретические исследования обработки сигналов для реализации метода экспресс диагностики. Обосновано применение ядерного сглаживания и динамическое преобразование Фурье в прямоугольном временном окне.

Разработана Программа и методики проведения экспериментальных исследований электромагнитных параметров РПМ на экспериментальном образце установки, определяющая аппаратурную реализацию частотных поддиапазонов и расстояние R от излучающей антенны до исследуемого образца РПМ: R ≥ 1,3·10-2 м в диапазоне 3 – 40 ГГц; R ≥ 0,45 м в диапазоне 1 – 10 ГГц; R ≥ 1,0 м в диапазоне 0,1 – 1,0 ГГц.

Обоснованы и разработаны требования по метрологическому обеспечению метода экспресс диагностики, предусматривающие прослеживаемость к государственным первичным эталонам ГЭТ 148-2013 и ГЭТ 178-2010.

Изготовлен и откалиброван с использованием государственного первичного эталона ГЭТ 178-2010 первичный измерительный преобразователь напряженности импульсного электрического поля на основе полосковой линии. Получены – коэффициент преобразования 4,29∙10-4 В/(В/м), время нарастания переходной характеристики не более 8 пс.

Разработана эскизная конструкторская документация на экспериментальный образец установки экспресс диагностики. Изготовлен экспериментальный образец.

Разработана методика проведения исследований технических характеристик установки экспресс диагностики в соответствии с требованиями ТЗ по ГОСТ 8.563-20090. Проведены исследования, в результате которых для излучаемого модуля минимальная длительность фронта составила не более 10 пс при амплитуде не менее 10 В/м. Для приемного модуля время нарастания переходной характеристики составило не более 10 пс при погрешности измерения амплитуды импульсов поля не более 7%.

Разработана методика передачи единиц физических величин, измеряемых в установке, от первичных эталонов ГЭТ 182-2010 и ГЭТ 178-2010 с применением ГЭТ 148-2013.

Разработана методика экспресс диагностики электромагнитных параметров наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов. Проведены исследования для подтверждения соответствия Методики установленным метрологическим требованиям к измерениям.

Разработаны технические требования и предложения по разработке, производству и эксплуатации продукции с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера. Разработан проект технического задания на проведение ОКР.

Результаты исследований удовлетворяют требованиям ТЗ и условиям Соглашения о предоставлении субсидии.

Результаты выполнения ПНИ по совершенствованию существующих в России и за рубежом методов и средств сверхширокополосного зондирования радиопоглощающих материалов соответствуют мировому уровню научных разработок в области диагностики наноматериалов, так как решают задачу увеличения широкополосности методов и повышения их точности и достоверности за счет применения специальных излучателей и приемников электромагнитных импульсов, а также метрологического обеспечения, предусматривающего прослеживаемость измерений к государственным первичным эталонам России.

Практическая значимость исследования
Основные области применения полученных результатов ПНИ это - создание электромагнитной среды, обеспечивающей уменьшение влияния электромагнитных излучений на человека и технические средства, а также уменьшение радиозаметности объектов.
Планируется внедрение разработанной в процессе ПНИ Методики экспресс диагностики электромагнитных параметров радиопоглощающих наноматериалов в опытное производство новых наноматериалов.
Результаты интеллектуальной деятельности ПНИ защищены патентом РФ на полезную модель №155117 от 28 августа 2015 года «Устройство для измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов» и заявкой на выдачу патента на изобретение № 2016101668 от 20.01.2016 г. на «Способ измерения коэффициента отражения радиопоглощающих материалов».
Предполагается постановка ОКР по разработке установок экспресс диагностики.
Результаты работы окажут влияние на развитие научно-технических и технологических направлений создания новых конструкционных наноматериалов для электромагнитных применений. Предполагается повышение производительности труда при создании радиопоглощающих наноматериалов за счет существенного уменьшения времени на диагностику при поточном производстве, а также уменьшение отрицательного техногенного воздействия электромагнитных излучений на людей и окружающую среду за счет создания новых эффективных радиопоглощающих наноматериалов.
Возможная форма коммерциализации полученных результатов - серийное изготовление установок экспресс диагностики радиопоглощающих наноматериалов с использованием сверхкоротких электромагнитных импульсов.
В настоящее время ООО «КОРТЭК», являющийся индустриальным партнером, осваивает направление деятельности по наноиндустрии. Результаты планируемой ПНИ позволят индустриальному партнеру выйти на рынок аналитического оборудования для определения электромагнитных параметров наноматериалов. Потенциал использования результатов ПНИ обусловлен наличием собственной производственно-технологической базы и квалифицированным коллективом исполнителей.