Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu hấp thụ sóng radar dải tần x và s tt nghiên cứu vật liệu polyme

Các tấm panel hấp thụ radar, các tấm lợp kho tàng, các loại lớp phủ trên bến bãi, công trình quân sự cũng như các phòng không phản xạ sóng điện từ đã được chế tạo cho các công trình quân

SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

~~~~~~~~~o0o~~~~~~~~~

TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG

RADAR DẢI TẦN X VÀ S

CHỦ TRÌ ĐỀ TÀI : T.S NGUYỄN VĂN DÁN

T/p Hồ Chí Minh 7 – 2007

SỞ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

~~~~~~~~~o0o~~~~~~~~~

TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG

RADAR DẢI TẦN X VÀ S

Cơ quan chủ quản : Sở Khoa Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh

Cơ quan chủ trì : Trung Tâm Nghiên Cứu Vật Liệu Polyme

Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh

Cơ quan phối hợp : Bộ Tư Lện Hải Quân_Bộ Quốc Phòng

TTCGCNM – trực thuộc TTNĐ Việt – Nga

Chủ trì đề tài : TS.Nguyễn Văn Dán : B/m Kim loại & hợp

LỜI CẢM ƠN

Đề tài hoàn thành trên cơ sở sự quan tâm và giúp đỡ về tài chính và quản lý của Sở KHCN TPHCM

Nhân dịp này chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới các cơ quan, đơn vị đã hợp tác và giúp đỡ cho đề tài :

1 Sở KHCN.TPHCM

2 Bộ Tư Lệnh Hải Quân_BQP

3 TTCGCNM_TTNĐ Việt Nga

4.Lữ đoàn 171_ Hải Quân_BQP

5.Viện Siêu Cao Tần_TTKHKTQS_BQP

6 Bộ môn Viễn Thông_ĐHBK_TPHCM

7 TTNCVL Polymer ĐHBK_TPHCM

8 Các bộ môn và trung tâm thuộc khoa CNVL_ĐHBK_TPHCM

CÁC SẢN PHẨM KHOA HỌC CUẢ ĐỀ TÀI

1- Báo cáo tổng kết đề tài

2- Luận án tốt nghiệp của sinh viên: Trần Minh Tâm “ Nghiên cứu vật liệu hấp thụ RADAR trên cơ sở cao su neoprene” TP HCM 2006 3- Luận án cao học : Nguyễn Đình Trung “ ảnh hưởng của hàm lượng bột hấp thụ và hàm lượng cao su neoprene đến độ hấp thụ và cơ tính của vải hấp thụ RADAR” TP HCM 2006

4- Báo cáo khoa học nhân kỷ niệm 50 năm thành lập Trường ĐHBK Hà Nội Nguyễn Văn Dán – Hoàng đình Chiến “ Sự phản xạ và chống phản xạ sóng điện từ “ HN 10/2006

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ RADAR CHƯƠNG 1 11

SÓNG ĐIỆN TỪ 1.1 KHÁI NIỆM VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ 11

1.2 CẤU TẠO VÙNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỬ CỦA CHẤT RẮN 13

1.3 TƯƠNG TÁC CUẢ SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI VẬT RẮN 16

1 4 THIÉT KẾ TỔNG THỂ CÁC HỆ VẬT LIỆU HẤP THỤ VÀ CHỐNG PHẢN XẠ SÓNG ĐIỆN TỪ 39

CHƯƠNG 2 41

RADAR VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG RADAR

2.1 RADAR 41

2.1.1 Nguyên lý hoạt động của các loại radar 41

2.1.2 Một số hệ thống radar 45

2.2 PHÁT HIỆN MỤC TIÊU BẰNG RADAR 46

2.2.1 Phương trình radar _ khoảng cách cực đại phát hiện mục tiêu 46

2.2.2 Đo độ hấp thụ sóng radar của vật liệu 50

2.3 VẬT LIỆU HẤP THỤ RADAR 56

2.3.1 Nguy trang radar 56

2.3.2 Các hiệu ứng chống phản xạ RADAR 59

2.3.3 Các hiệu ứng hấp thụ radar 60

2.3.4 Hàm phản xạ radar của vật liệu 66

PHẦN II 73

THỰC NGHIỆM CHƯƠNG 3 74

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HẤP THỤ SÓNG RADAR VỚI MÀU SẮC NGUỴ TRANG KHÁC NHAU 3.1 THIẾT KẾ TỔNG THỂ 74

3.1.1 Yêu cầu đối với vật liệu ngụy trang RADAR màu sắc khác nhau 74

3.1.2 Thiết kế tổng thể các hệ vật liệu ngụy trang hấp thụ và chống phản xạ sóng RADAR màu sắc khác nhau 77

3.2 CHẾ TẠO MẪU 80

3.2.1 Nguyên vật liệu ban đầu 80

3.2.2 Chế tạo sơn keo hấp thụ 89

3.2.3 Chế tạo hạt hấp thụ 95

3.2.4Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ RADAR màu sắc khác nhau 97 3.2.4.1 – RAMs vải ngụy trang màu sắc khác nhau 97

3.2.4.2 - RAMs lớp phủ trên kim loại màu sắc khác nhau 108

3.2.4.3 – RAMs kết cấu ngụy trang màu sắc khác nhau 116

3.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 123

3.3.1 Khảo sát độ bền màu của các RAMs 123

3.3.2 Đo độ hấp thụ, phản xạ và suy hao RADAR của RAMs 124

3.3.3 Các phương pháp thử cơ tính 125

3.3.4 Phương pháp thử ảnh hưởng của môi trường đến cơ tính và độ hấp thụ radar 125

3.4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.4.1 Khảo sát sự bền màu của lớp phủ nguỵ trang 127

3.4.2 Aûnh hưởng của hàm lượng hạt hấp thụ và lớp phủ nguỵ trang đến độ hấp thụ RADAR của RAMs 133

3.4.3 Cơ tính của RAMs 138

3.4.4 Aûnh hưởng của thời tiết, bức xạ mặt trời và môi trường nước biển đến cơ tính và độ hấp thụ của RAMs 140

3.5 KẾT LUẬN 143

CHƯƠNG 4 145

THỬ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG

4.1- PHƯƠNG ÁN THỬ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 145

4.2 – MẪU THỬ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 146

4.3-PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 147

4.4- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 148

4.4.1- Độ bền màu 148

4.4.2 Độ hấp thụ của RAMs sau khi thử hiện trường 150

4.4.3- Cơ tính của RAMs sau khi thử hiện trường 151

4.5 – KẾT LUẬN VỀ THỬ NGHIỆM HIỆN TRƯỜNG 153

CHƯƠNG 5 154

HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO RAMs NGỤY TRANG 5.1- HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO RAMs KẾT CẤU NGỤY TRANG 154

5.1.1 – Mục đích yêu cầu 154

5.1.2- Giải pháp hoàn thiện 154

5.1.2.1- Oån định nguồn nguyên vật liệu ban đầu 156

5.1.2.2- Hoàn thiện công nghệ chế tạo RAMs kết cấu 159

5.2 HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO RAMs NGỤY TRANG

TRÊN KIM LOẠI 5.2.1 – Mục đích yêu cầu 164

5.2.2 - Giải pháp hoàn thiện 164

5.2.2.1 - Oån định nguồn nguyên vật liệu ban đầu 165

5.2.2.2- Hoàn thiện công nghệ chế tạo RAMs nguỵ trang phủ trên kim loại 165

5.3- ĐO CÁC TÍNH CHẤT SAU KHI HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ 169

5.4- KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 169

5.4.1- Độ hấp thụ của các RAMs 169

5.4.2- Cơ tính của RAMs 170

5.5- KẾT LUẬN 172

PHẦN III 174

KẾT LUẬN A- Những kết luận về nghiên cứu vật liệu nguỵ trang RADAR 175

1- Về bản chất của sự nguỵ trang RADAR 175

2- Về nghiên cứu chế tạo vật liệu nguỵ trang RADAR 175

B- Những đề xuất và kiến nghị 177

TÀI LIỆU THAM KHẢO 178

PHỤ LỤC 181

MỞ ĐẦU

1- Tình hình nghiên cứu vật liệu hấp thụ RADAR ở nước ngoài

Vấn đề nghiên cứu vật liệu hấp thụ RADAR ( RAMs )nhận được sự quan tâm lớn trong lĩnh vực khoa học kỹ thuật quân sự thế giới và ở VN Sự dò tìm và phát hiện các mục tiêu bằng RADAR là kỹ thuật quan trọng nhất Nó cho phép phát hiện mục tiêu từ những khoảng cách xa hàng trăm kilomét với dộ chính xác cao Vấn đề “tàng hình “ các mục tiêu trước sự dò tìm của RADAR trở nên đặc biệt quan trọng Trong chiến tranh công nghệ cao các mục tiêu sẽ

bị tiêu diệt ngay từ trận đầu nếu chúng không được ngụy trang Vì thế những loại vật liệu ngụy trang nói chung và vật liệu ngụy trang RADAR nói riêng được ưu tiên nghiên cứu triển khai Những loại vật liệâu ngụy trang này được phủ lên trang thiết bị quân sự ( máy bay, tàu chiến , xe tăng…) hoặc dưới dạng vật liệu mềm che phủ lên mục tiêu ( các loại vải, tấm phủ ngụy trang, kết cấu che phủ…)

Vật liệu ngụy trang nói chung và RAMs nói riêng được nghiên cứu phát triển trên cơ sở lý thuyết tương tác của sóng điện từ ( SĐT )với vật rắn Tuy nhiên những vấn đề cụ thể về cả lý thuyết và công nghệ chế tạo đều được công bố rất hạn chế trên các tạp chí và patent quốc tế Tất cả các patent công bố có thể có được bằng các con đường khác nhau đều không áp dụng được tại VN hoặc không đạt được các tính năng kỹ thuật cho ngụy trang Cơ sở lý thuyết hấp thụ SĐT ( HTSĐT ) dựa trên tổn thất điện từ do trở kháng của vật liệu Điều này về nguyên lý hoàn toàn đúng tuy nhiên có lẽ còn quá chung chung

Dưới đây là một số thông tin về tình hình nghiên cứu RAMs của một số nước trên thế giới [1,2,3]

Các RAM được chế tạo dưới dạng tấm, cuộn, ngói, sơn Phần lớn các RAM là composite trên cơ sở các sợi, nền xốp, tổ ong có phủ liên kết, nhúng, tẩm keo hoặc sơn hấp phụ sóng radar

CHDCND Triều Tiên chế tạo các RAM dưới dạng tấm, cuộn, ngói, composite trên cơ sở cao su, polyme và các tác nhân trên cơ sở bột dẫn điện

Fe, Al, Ni và các loại vật liệu từ khác nhau Độ hấp thụ radar dải X, S, C vào khoảng – 15 DB RAMs cho dải X dày 2 mm, nặng 3 kg/m2 RAMs hấp thụ đồng thời hai dải X-S, dày 6 mm, nặng 14kg/ m2 RAMs hấp thụ đồng thời hai dải X-S-C-Ku có dạng hình chóp, dày 35 mm, nặng 25kg/ m2

Hàn Quốc chế tạo các RAM dưới dạng tấm, past, block và ngói trên cơ sở cao su, polyme dẫn điện và các tác nhân hấp thụ điện từ Các tấm panel hấp thụ radar, các tấm lợp kho tàng, các loại lớp phủ trên bến bãi, công trình quân sự cũng như các phòng không phản xạ sóng điện từ đã được chế tạo cho các công trình quân sự và dân sự Độ hấp thụ dải X,S,C và Ku cũng vào khoảng –

15 DB Theo thông báo chào hàng của công ty CONY Electronic Co LTD Hàn Quốc, họ có các RAMs hấp thụ dải X dày 1,2mm trong khi đó của Mỹ là 2,5mm và của Nhật là 2,39 mm

Hungary chế tạo RAM vừa có tính năng hấp thụ radar vừa hấp thụ hồng ngoại RAM của Hungary bao gồm nhiều lớp sơn phủ trên các kết cấu hoặc vật liệu nền có cấu trúc tổ ong xốp, rỗng…Ngoài ra còn có các tính chất như độ suy hao tối đa là –13,00DB (94%), chốâng hồng ngoại nhiệt với hệ số phát xạ là 0,35

Ixrael chế tạo các RAM dưới dạng composite bao gồm nền tổ ong sơn hấp thụ radar và hồng ngoại Composite này có độ suy hao trên sóng radar là –15DB (97%)và độ phát xạ từ 0,4 đến 0,9 tùy môi trường cần ngụy trang Thông báo cho biết các xe tăng của Ixrael sơn phủ ngụy trang giảm được 40 -50% bức xạ hồng ngoại và giảm tầm phát hiện xuống 50%

Mẫu máy bay F-117 của Mỹ bị bắn hạ ở Nam Tư có cấu trúc dạng tổ ong với chiều dầy khoảng 4cm trên cơ sở vật liệu hấp thụ điện từ Đương nhiên là nước chế tạo máy bay, Mỹ chủ động thiết kế các mặt tán xạ radar cho máy bay ném bom B2 kết hợp với sơn phủ hấp thụ, mức suy hao đạt được là -20DB(99%)

Các mẫu RAM của Nga thấy được dưới dạng lá cây, dải băng, trên cơ sở vật liệu hấp thụ điện từ, nhưng không có các thông số hấp thụ radar và hồng ngoại

Công nghệ chế tạo RAMs không được tiết lộ và phổ biến Giá cả theo thông tin chào hàng của công ty Chang Kwuang - CHDCND Triều Tiên là 1200 USD/m2 tấm mẫu và 30 USD/1kg sơn

2- Tình hình nghiên cứu RAMs ở trong nước

Để chủ động phòng tránh đánh trả chiến tranh công nghệ cao, hiện tại ở VN có một số đề tài nghiên cứu về RAMs trong và ngoài quân đội Theo thông tin từ phòng KHCN & MT Hải Quân thì độ hấp thụ do nhóm đề tài thuộc quân đội nghiên cứu chỉ đạt được 20–30 %

3- Những kết quả nghiên cứu đã đạt được về vật liệu nguỵ trang RADAR của nhĩm đề tài ĐHBK TP HCM

Như trên đã trình bày vấn đề nghiên cứu RAMs là rất cần thiết đối với các nước trên thế giới và cả với VN Đối với VN lại càng quan trọng về cả hai phương diện : kinh tế và chiến thuật Chúng ta chưa chế tạo được vũ khí hiện đại nên việc bảo toàn lực lượng cho đòn quyết định là rất quan trọng Mặt khác trong chiến tranh giữ nước của VN thì chiến thuật phục kích ,bí mật – bất ngờ đượ áp dụng rất hiệu quả Nghiên cứu vật liệu hấp thụ RADAR (RAMs) là phù hợp với cách đánh truyền thống của chúng ta Tuy nhiên để nghiên cứu vật liệu hấp thụ RADAR trong điều kiện ít thông tin là rất khó khăn buộc chúng tôi phải đi từ những nghiên cứu định hướng về lý thuyết hấp thụ và chống phản xạ SĐT của vật liệu sau đó mới nghiên cứu công nghệ chế tạo chúng Có một số

câu hỏi và khó khăn khi triển khai nghiên cứu vật liệu HTSĐT được đặt ra :

- Ngoài nguyên nhân tổn thất điện từ do trở kháng của vật liệu thì còn nguyên nhân nào khác không, bản chất của sự nguỵ trang là gì?

- Những vấn đề về công nghệ chế tạo RAMs

Nghiên cứu RAMs tại ĐHBK.TP HCM đã tiến hành từ 1997 tới nay và đã trải qua 03 đề tài:

- Đề tài cấp trường ĐHBK.TP HCM 1997 – 1999 “ Nghiên cứu các hệ vật liệu hấp thụ và chống phản xạ sóng điện từ “ đã nghiệm thu đạt loại xuất sắc [4] Đề tài này được tiến hành nhằm mục đích : Nghiên cứu bản chất tương tác và các hiệu ứng hấp thụ sóng điện từ nói chung và sóng radar nói riêng của vật liệu Nghiên cứu này cho phép hiểu về bản chất sự hấp thụ và có thể thiết kế

tổng thể một loại vật liệu hấp thụ RADAR nói riêng và hấp thụ SĐT nói

chung

- Đề tài cấp bộ giáo dục đào tạo 2000 – 2001 “ Nghiên cứu chế tạo vật liệu hấp thụ sóng RADAR – vật liệu nguỵ trang “đã nghiệm thu đạt loại xuất sắc [5] Đề tài này được tiến hành nhằm mục đích : nghiên cứu chế tạo các hỗn hợp bột hấp thụ và vật liệu hấp thụ RADAR

- Đề tài cấp sở KHCN TP HCM 2004- 2005 “Nghiên cứu và triển khai ứng dụng một số hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên một số dải tần RADAR , tia

X và tia γ ” đã nghiệm thu đạt loại xuất sắc [6] Đề tài này đã được tiến hành

và đạt một số kết quả quan trọng như sau :

+ Nghiên cứu và chế tạo một số loại vật liệu hấp thụ radar đồng thời trên hai dải X (10 GHz) và S ( 3GHz ) có độ hấp thụ từ 94-96%

• Vải hấp thụ trên cơ sở vải bạt và sơn hấp thụ cao su

• Lớp phủ hấp thụ trên kim loại trên cơ sở sơn hấp thụ Epoxy

• RAMs dạng tháp trên cơ sở mút xốp và sơn hấp thụ cao su

+ Kết hợp cùng Bộ Tư Lệnh Hải Quân tiến hành thử nghiệm hiện trường trên

biển Vũng Tàu (4/2005 ) trên đồng thời hai dải sóng X và S cho các mẫu phủ hấp thụ do đề tài chế tạo Kết qủa cho thấy tầm phát hiện mục tiêu đối với các mẫu phủ hấp thụ đã giảm được hơn một nửa so với mẫu không phủ hấp thụ , tương đương với độ hấp thụ là 94 - 96% Một số hình ảnh của cuộc thử nghiệm hiện trường trên biển Vũng Tàu cho trên hình

a/ Tàu HQ 626 đang thả phao b/ Phao trên biển

c/ Dàn 5 phao trên biển d/ RADAR trên núi Vũng Tàu

Hình : một số hình ảnh của cuộc thử nghiệm hiện trường

+ Chế tạo và triển khai ứng dụng phòng hấp thụ SĐT đa công dụng:Trên cơ sở

vật liệu hấp thụ RADAR và đồng thời cũng là vật liệu hấp thụ tia X và tia

gama đã chế tạo thành công phòng cách ly điện từ và phòng chống bức xạ tia

X Kết quả đã được triển khai thành công vào việc chế tạo phòng chụp tia X

tại phòng khám đa khoa Hoa sen số 22 Lê Thánh Tôn ( Nhật Bản ) và tủ hút

chống phóng xạ của khoa Y học hạt nhân, bệnh viện 175, BQP.Một số hình

ảnh triển khai lắp đặt và kiểm tra ATBX phòng chụp tia X cơ sở Hoa Sen cho

trên hình

a/ Phòng chụp tia X – Hoa Sen ( Nhật Bản ) b/ Đo liều bức xạ

Hình : Một số hình ảnh triển khai lắp đặt và kiểm tra ATBX tại phòng khám đa

khoa Hoa Sen của Nhật tại 22 Lê Thánh Tôn - Quận I TP HCM

4- Những vấn đề cần nghiên cứu tiếp

Căn cứ theo các ý kiến đóng góp trong biên bản nghiệm thu đề tài “Nghiên

cứu và triển khai ứng dụng một số hệ vật liệu hấp thụ sóng điện từ trên một số

dải tần radar, tia X và tia γ ” theo hợp đồng số 50/HĐ – SKHCN diễn ra vào

ngày 7/06/2005 tại TTCGCNM số 3 đường 3-2 TP HCM, đề tài cần bước hoàn

thiện sản phẩm trước khi triển khai dự án P như hoàn thiện về công nghệ chế

tạo RAMs, về màu sắc nguỵ trang….Đó chính là lý do tiếp tục nghiên cứu đề tài

“Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ chế tạo vật liệu hấp thụ sóng radar dải tần

X và S”

Những nghiên cứu hoàn thiện công nghệ và màu sắc ngụy trang được tiến hành

trên cơ sở phiếu yêu cầu về tính chất và sự nguỵ trang của Bộ Tư Lệnh Hải

Quân

Những vấn đề cần được nghiên cứu bổ sung để hoàn thiện các nghiên cứu về màu sắc ngụy trang và công nghệ chế tạo RAMs bao gồm:

- Nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu sơn phủ hấp thụ có mầu sắc khác nhau

Trong đề tài trước các RAMs mới chỉ có một màu xám đen trong khi đó yêu cầu trong kỹ thuật tàng hình với các mầu sắc rất đa dạng và được bố trí xen kẽ nhau.Trong đề tài này sẽ nghiên cứu chế tạo các loại sơn hấp thụ màu xám đen, lá cây già, lá cây non, màu nước biển và màu đất

- Nghiên cứu chế tạo RAMs với các màu sắc nguỵ trang khác nhau Đây là

bước hoàn thiện sản phẩm cho phù hợp với yêu cầu thực tế của môi trường nguỵ trang Những môi trường nguỵ trang thông thường có màu sắc khác nhau như màu đen, xanh lá cây non, xanh lá cây già, màu nước biển, màu đất xám, đất đỏ, màu cát hoặc màu loang lổ kết hợp của các màu trên Trong đề tài này sẽ nghiên cứu chế tạo loại RAMs có màu nguỵ trang trên cơ sở các sơn hấp thụ màu xám đen, lá cây già, lá cây non và màu đất

- Aûnh hưởng của các tác nhân như môi trường nước biển và bức xạ mặt trời đến độ hấp thụ radar và cơ tính của RAMs Những nghiên cứu này được tiến

hành thí nghiệm trong các buồng gia tốc trong phòng thí nghiệm TCQG như thiết bị phun sương muối và Solar box

- Nghiên cứu ổn định quy trình chế tạo RAMs Đây là bước quan trọng nhất

trước khi đưa RAMs vào ứng dụng thực tế Quy trình công nghệ phải bảo đảm sản phẩm RAMs trong sản xuất loạt nhỏ hay loạt lớn đều có chất lượng không

khác biệt nhau nhiều về các chỉ tiêu tính chất

- Phơi mẫu trên hiện trường sau đó kiểm tra độ hấp thụ radar và cơ tính của RAMs Đây là một nội dung quan trọng nhằm khẳng định khả năng làm việc

thực tế của RAMs Nghiên cứu này đã được tiến hành trong đề tài trước từ

năm 2000 – 2005 tuy nhiên điều kiện môi trường là trên sân phơi tại TP HCM Trong đề tài này hiện trường dự kiếân triển khai sẽ là một sân phơi mẫu trên tàu Hải Quân quanh năm hoạt động trên môi trường biển, mưa, nắng…

PHẦN I

TỔNG QUAN VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ

VÀ VẬT LIỆU HẤP THỤ

RADAR

CHƯƠNG 1

SÓNG ĐIỆN TỪ [7,8,9,10,11,12]

1.1 KHÁI NIỆM VỀ SÓNG ĐIỆN TỪ

Theo quan niệm cổ điển, bức xạ điện từ được xem như là sóng gồm hai thành phần điện trường và từ trường vuông góc với nhau và với cả phương

truyền (hình 1-1) Ánh sáng, nhiệt (hay năng lượng bức xạ), sóng rađa, sóng

radio, tia Rontgen, tất cả đều là những dạng bức xạ điện từ Mỗi một dạng được đặc trưng trước tiên bởi một phạm vi đặc thù của bước sóng và kỹ thuật tạo ra nó Phổ của bức xạ điện từ trải rộng từ tia γ (do các chất phóng xạ phát ra) có bước sóng cỡ 10-12m(10-3nm), qua tia Rontgen, tia tử ngoại, ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại và cuối cùng tới sóng radio (sóng vô tuyến điện) với bước sóng dài tới 10-5m Phổ này được cho trên (hình 1-1) theo thang loga

Hình1-1: Sóng điện từ với các thành phần điện trường ε , từ trường H và bước sóng λ

Ánh sáng nhìn thấy nằm trong một vùng hẹp của phổ với bước sóng từ 0,4

m

µ (4.10-7m) đến 0,7 µm Màu sắc cảm nhận được là do bước sóng xác định Ví dụ, bức xạ có bước sóng cỡ 0,4 µm hiện màu tím Ánh sáng trắng đơn giản là hỗn hợp của tất cả các màu sắc Phần này chủ yếu trình bày các vấn đề có liên quan đến các bức xạ nhìn thấy, theo định nghĩa chỉ là những bức xạ mà mắt ta nhạy cảm được

Tất cả các bức xạ điện từ đều truyền qua chân không với cùng một tốc độ bằng tốc độ ánh sáng (C=3.108 m/s) Tốc độ này liên hệ với hằng số điện môi

dV BH ED dV

H E

2 1 )

2 1 2

1 ( 2

0 2

Trong đó

ε là hằng số điện môi và µ là độ thẩm từ của vật liệu

B là cảm ứng từ và H là cường độ từ trường

D là cảm ứng điện và E là cường độ điện trường

Từ cơng thức này, ta thấy năng lượng của sĩng điện từ bao gồm hai thành phần đĩ là năng lượng của điện trường và năng lượng của từ trường trong tồn bộ thể tích mà ta xét

Nhiều khi thích hợp hơn là xem bức xạ điện từ theo quan điểm cơ học lượng tử Bức xạ điện từ không phải là các sóng mà là gồm các bó hay các nhóm năng lượng được gọi là photon Năng lượng E của một photon bị lượng tử hoá, tức là chỉ có thể có những giá trị riêng quy định bởi hệ thức:

1.2 CẤU TẠO VÙNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN TỬ CỦA CHẤT RẮN

Một chất có thể xem như cấu tạo bởi một số lớn nguyên tử, được đưa vào sắp xếp với nhau có trật tự trong một mạng tinh thể Ở khoảng cách khá xa thì mỗi nguyên tử là độc lập với nhau và có mức năng lượng và cấu hình điện tử trong nguyên tử giống như nguyên tử đứng cô lập Nhưng khi các nguyên tử càng xích lại gần nhau thì các điện tử càng bị kích thích bởi các điện tử và hạt nhân của nguyên tử khác lân cận Ảnh hưởng này làm cho mỗi một trạng thái điện tử trong nguyên tử riêng biệt bị phân tách thành một loạt các trạng thái điện tử nằm sát nhau hình thành nên một vùng năng lượng điện tử Sự giãn (mở rộng) từ một mức năng lượng điện tử trong nguyên tử thành một vùng năng lượng trong vật rắn tùy thuộc vào khoảng cách giữa các nguyên tử, sự giãn này bắt đầu từ các điện tử ngoài cùng của nguyên tử bởi vì chúng bị nhiễu loạn trước tiên khi các nguyên tử liên kết lại với nhau Trong mỗi vùng, các mức năng

vùng năng lượng có thể xảy ra với các lớp điện tử ở gần hạt nhân nhất Ngoài

ra, ở các vùng kế nhau có thể tồn tại những khe năng lượng (hay còn gọi là những vùng cấm): Bình thường thì các điện tử không được phép chiếm lĩnh những mức năng lượng nằm trong các khe này

Các tính chất điện từ của vật rắn phụ thuộc vào cấu trúc vùng năng lượng điện tử của nó, cụ thể là vào sự sắp xếp các vùng ngoài cùng và cách thức lấp đầy chúng bởi các điện tử Theo quan điểm này, vùng chứa các điện tử có năng lượng cao nhất (hay các điện tử hóa trị) được gọi là vùng hóa trị Còn vùng dẫn sẽ là vùng có năng lượng cao hơn kề trên đó mà trong đa số các trường hợp, về

cơ bản là bỏ trống Có thể có 4 kiểu cấu trúc vùng khác nhau:

Hình 1-2: Các cấu trúc vùng điện tử khác nhau có thể có trong các vật rắn ở A-Vùng hóa trị đã được lấp đầy; A’ – Vùng hóa trị còn trống; B - khe vùng; C –

vùng dẫn còn trống; E F – năng lượng Fermi

- Ở loại thứ nhất (Hình 1-3a) vùng hóa trị chỉ mới lấp đầy một phần Năng lượng ứng với mức cao nhất nó bị chiếm, được gọi là năng lượng Fermi (EF) Đây là cấu trúc điển hình cho kim loại

- Ở loại cấu trúc vùng thứ hai (Hình 1-3b), cũng tìm thấy trong các kim loại, vùng hóa trị bị lấp đầy và còn phủ lên cả vùng dẫn

- Hai cấu trúc cuối cùng (Hình 1-3c, d), ở mỗi cấu trúc tất cả các trạng thái trong vùng hóa trị đều bị điện tử chiếm hết Tuy nhiên, ở đây không có sự dính

phủ với vùng dẫn còn trống, điều này tạo ra một khe năng lượng xen ở giữa gọi là vùng cấm Là cấu trúc đại diện cho bán dẫn và điện môi

Phân chia vật rắn theo mức năng lượng

Chỉ có những có những điện tử ở mức năng lượng nào lớn hơn mức Fermi thì mới chịu tác dụng và được gia tốc khi có mặt điện trường Đây là những điện tử tham gia vào quá trình dẫn điện, chúng được gọi là những điện tử tự do

a Kim loại :

Để cho điện tử trở nên tự do, cần phải kích thích nó lên một trạng thái năng lượng cho phép và còn trống ở trên EF Đối với các kim loại có các cấu trúc vùng như trên hình 1-4a hay 1-4b đã có sẵn các mức năng lượng trống nằm sát kề ngay mức bị chiếm cao nhất tại EF Do vậy, chỉ cần một năng lượng rất nhỏ để đưa điện tử lên các trạng thái trống nằm dưới như nêu trên (hình 1-3)

Hình 1-3: Sự chiếm các trạng thái điện tử trong kim loại (a) trước và (b) sau kích

thích điện tử

b Cách điện và bán dẫn:

Các chất cách điện và bán dẫn không có những trạng thái còn trống nằm kề ngay bên trên của vùng hóa trị đã đầy Do đó, để trở thành tự do, các điện tử phải được nâng mức vượt qua khe vùng năng lượng, nhảy vào trạng thái còn

một năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai trạng thái đó, xấp xỉ bằng năng lượng khe Eg Thường năng lượng kích thích là từ nguồn phi điện như nhiệt hoặc ánh sáng.

Hình 1-4 : Sự chiếm các trạng thái điện tử trong chất cách điện và chất bán dẫn (a)

trước và (b) sau một kích thích điện tử từ vùng hóa trị lên vùng dẫn

1.3 TƯƠNG TÁC CUẢ SÓNG ĐIỆN TỪ VỚI VẬT RẮN

Khi sóng điện từ đi từ môi trường này sang môi trường khác (chẳng hạn từ không khí vào vật rắn) thì một số bức xạ điện từ có thể được truyền qua môi trường, một phần bị hấp thụ và một phần bị phản xạ trên bề mặt phân cách giữa hai môi trường Cường độ I0 của chùm bức xạ tới bề mặt môi trường rắn phải bằng tổng cường độ của các chùm bức xạ truyền qua, hấp thụ và phản xạ tương ứng là IT, IA, và IR, tức là:

I0 = IA + IT + IR (1.5)

1

0 0 0

= + +

I I I I I

Trong đó, T, A, R tương ứng biểu diễn truyền qua (IT/I0), độ hấp thụ (IA/I0) và độ phản xạ (IR/I0), tức là những tỷ phần của bức xạ tới được truyền qua, phản xạ và hấp thụ bởi vật liệu

1.3.1 Phản xạ sóng điện từ

1- Sự phản xạ sóng điện từ ( bản chất của sự phản xạ)

Một chùm sóng điện từ đập vào bề mặt vật rắn bao giờ cũng phản xạ lại với quy luật hình học : góc tới bằng góc phản xạ

Cường độ tia phản phụ thuộc vào sự hấp thụ, tán xạ và tương quan sóng điện từ của chất và trạng thái bề mặt vật liệu.Chúng tôi thể hiện phát biểu đó bằng công thứcù dưới đây:

bị giao thoa, chia cắt nhau làm giảm phản xạ

IRTP là thành phần phản xạ do bức xạ thứ phát

Ta xét riêng một nguyên tử , đồ thị năng lượng nguyên tử của nó được biểu diễn như sau :

Hình 1.6: Sơ đồ sự hấp thụ photon

Giả sử có một photon ứng với năng lượng hν > Ei + 1 – Ei, kích thích một điện tử tại mức E2 nhảy lên mức E4

Tại E4 điện tử tồn tại không lâu, gần như ngay lập tức nó nhảy về mức

E2 và phát ra ( phát trở lại ) một sóng điện từ có cùng năng lượng hν nhưng ngược chiều với chùm tới – bức xạ thứ phát

Đối với kim loại gồm nhiều mức năng lượng trống tồn tại ngay tron dải hoá trị, nó nhận sự kích thích và chuyển dời electron bởi tất cả các sóng điện từ từ radio cho đến tia γ Với các sóng điện từ tần số trong khoảng radio đến vùng giữa tử ngoại, kim loại hầu như là phản xạ với hiệu suất cao từ 0.9 ÷ 0.95 Một phần năng lượng bị mất do chuyển thành nhiệt trong quá trính chuyển dời điện tử Đối tia X và tia γ do năng lượng photon quá lớn, các điện tử bị kích thích – chuyển dời và bị bứt ra khỏi nguyên tử, thậm chí tia X và tia

γ năng lượng cao > 1 MeV còn tương tác với trường điện từ của hạt nhân tạo ra

e- và e+, biểu hiện bằng khả năng đâm xuyên ( truyền qua) rất lớn

Điện tử chỉ bị kích thích và chuyển dời khi tối thiểu nặng lượng photon lớn hơn năng lượng hai mức kế tiếp gần nhất của điện tử :

Ei + 1 : mức năng lượng kề trên còn trống

Ei : mức năng lượng điện tử chiếm chỗ

Ngoài ra mức độ đâm xuyên còn phụ thuộc vào chiều dày của vật liệu

Ví dụ kim loại vẫn cho ánh sáng truyền qua khi chiều dày vật liệu kim loại nhỏ hơn100nm Trong trường hợp này năng lượng photon ánh sáng lớn hơn tổng năng lượng hấp thụ ( và thứ phát ) do kích thích và chuyển dời điện tử khi d≤

dtới hạn ( chiều dày tới hạn)

Đối với chất bán dẫn và điện môi do cấu tạo vùng hoá trị được lấp đầy điện tử và phân cách với vùng dẫn bởi khe vùng( vùng cấm) nên tương tác của sóng điện từ với chúng phức tạp hơn

Nếu năng lượng photon lớn hơn năng lượng khe vùng thì mới có khả năng kích thích và chuyển dời điện tử nhảy lên vùng dẫn hoặc vùng exiton

Trong vùng ánh sáng nhìn thấy với λmin ≈ 0.4 µm, λmax ≈ 0.7 µm khi đó năng lượng cực đại và cực tiểu của photon ánh sáng là :

Tóm lại cường độ phản xạ sóng điện từ là một hàm số phụ thuộc vào trạng thái bề mặt, biên dạng hình học, năng lượng sóng điện từ( ν hoặc λ) và bản chất vật liệu

2- Chống phản xạ sóng điện từ

Trong ngụy trang SĐT thì chống phản xạ là vấn đề quan trọng, nhằm giảm thiểu thông tin phản hồi về thiết bị dò tìm của đối phương bảo vệ an toàn cho mục tiêu Vì thế nghiên cứu chống phản xạ SĐT có ý nghĩa to lớn trong nghiên cứu vật liệu ngụy trang điện từ nói chung và RADAR nói riêng

Như trên đã trình bày , từ công thức ( 1.7 ) hh TP

I =I +I , sự phản xạ SĐT phụ thuộc vào trạng thái hình học bề mặt của vật liệu và phản xạ thứ phát do hành vi tái hợp điện tử – lỗ trống của các điện tử trong vật liệu khi bị SĐT kích thích lên mức năng lượng cao hơn Vì thế chống phản xạ SĐT cũng sẽ phụ thuộc vào khả năng giảm thiểu hai thành phần phản xạ này bằng những biện pháp khác nhau:

- Chống phản xạ bằng tán xạ bề mặt: Bề mặt vật liệu nhẵn phảng thì SĐT phản xạ nhiều còn bề mặt gồ ghề nhấp nhô thì SĐT phản xạ ít ( tán xạ

SĐT ) Vì thế để chống phản xạ SĐT, bề mặt vật liệu cần được thiết kế và chế tạo dạng nhấp nhô nếu điều kiện cho phép Vấn đề này được trình bày trong phần tán xạ SĐT ở phần 3 mục 1.3.4

- Chống phản xạ bằng cách phủ một màng mỏng thích hợp : ứng dụng hiệu ứng giao thoa trên bản mỏng khi phủ một lớp phủ có chiết suất tuân

theo công thức ( 1.27 ) nph = n dm và chiều dày lớp phủ thỏa mãn (1.28 )

dph =

p

n

λ thì tia phản xạ sẽ bị khử bỏ Vấn đề này sẽ được trình bày

trong phần giao thoa SĐT mục 1.3.4

- Chống phản xạ bằng cách hạn chế tối đa sự phản xạ bề mặt bằng các hiệu ứng cáp quang và ống dẫn sóng hoặc vật liệu có chiết suất âm.Phần này sẽ được trình bày trong phần khúc xạ và phản xạ SĐT trong mục 1.3.4

- Chống phản xạ thứ phát bằng cách ứng dụng triệt để các hiệu ứng HTSĐT Chùm SĐT sau khi được truyền thảng vào vật liệu với các biện pháp chống phản xạ bề mặt nêu trên cần được chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác thông qua các hiệu ứng hấp thụ SĐT Phần này được trình bày trong mục 1.3.2

3- Độ phản xạ

Khi truyền từ môi trường này sang môi trường khác, một phần bức xạ điện

từ bị phản xạ tại mặt phân cách giữa hai nôi trường, cả ngay khi hai môi trường là trong suốt

Độ phản xạ được định nghĩa : R

O

I R I

= (1.10)

Theo (1.5) IR = Ihh + IT I hh I TP

= = Rhh + RTP (1.11)

Như đã nói trên Ihh phụ thuộc vào diện tích, hình dạng, góc tương tác và kích thước của mẫu ITP phụ thuộc vào bản chất điện từ của vật liệu ( µ, ε ) và năng lượng bức xạ điện từ ( hν hoặc hc/λ )

Đối với ánh sáng, việc tính độ phản xạ R theo chiết suất của chấät rắn phi kim loại như sau :

- Nếu ánh sááng tớùi đập vuông góc với mặt phẳng mẫu thì :

( ) ( )

2

1 2 1 2

−

=

n n n n

Trong đó n1, n2 là triết suất của hai môi trường

- Nếu ánh sáng không vuông góc với bề mặt phân cách thì R sẽ phụ

thuộc vào góc tới ϕ

- Nếu môi trường thứ nhất là không khí hoặc chân không thì :

( )

2

2 2

11

−

=

n n

Vật rắn có chiết suất càng cao thì R càng lớn

1.3.2 - Hấp thụ sóng điện từ

Trong nghiên cứu ngụy trang SĐT nhằm hạn chế tối đa tín hiệu phản xạ về thiết bị thu nhận của đối phương , ngoài các biện pháp chống phản xạ do phản xạ trên bề mặt vật liệu thì biện pháp giảm cường độ phản xạ thứ phát bằng cách hấp thụ SĐT là đặc biệt quan trọng

Khi sĩng điện từ tương tác với vật chất, một phần năng lượng của nĩ bị hấp thụ Xuất phát từ cơng thức (1.3)

∫

=

V V

dV BH ED dV

H E

2 1 )

2 1 2

1 ( 2

0 2

ε

Ta thấy rằng hấp thụ sĩng điện từ bao gồm hấp thụ thành phần sĩng điện và hấp thụ thành phần sĩng từ Sự hấp thụ sĩng điện từ là sự chuyển đổi năng lượng

của sĩng điện từ thành các dạng năng lượng khác thơng qua các hiệu ứng hấp thụ Như ta đã đã trình bày trong các phần trên, điện trường và từ trường cĩ liên hệ với nhau và chuyển hĩa lẫn nhau, nên đơi khi rất khĩ phân biệt giữa các tác dụng này

1 - Các hiệu ứng hấp thu ïvà chuyển đổi thành phần sóng điện

a - Hiệu ứng cảm ứng điện từ:

Khi ta đặt kim loại hay một vật dẫn điện vào trong một điện từ trường biến thiên thì trong vật dẫn xuất hiện một dòng điện cảm ứng biến thiên với

tần số f bằng tần số biến thiên của sóng điện từ (hình 3-1) Dòng điện cảm ứng

siêu cao tần chỉ xuất hiện trên bề mặt vật dẫn một lớp mỏng ∆ :

f

5030

µρ

=

∆ cm (1.14)

ρ- Điện trở suất vật liệu, µ- độ từ thẩm vật liệu, f – tần số sóng

∆ càng mỏng thì mật độ dòng điện cảm ứng càng lớn, theo định luật Lenz, nhiệt tỏa ra sẽ rất lớn Đây là một hiệu ứng gây tổn thất cho sóng radar rất lớn

Joule-1 Vòng cảm ứng (cuộn dây)

2 Đường sức

3 Chi tiết cảm ứng

Hình 1-7: Hiệu ứng cảm ứng điện từ

Hiệu ứng này chỉ phát huy tác dụng trong các dải tần số từ viba đến radio

Ơû những dải tần cao hơn của sóng điện từ, tác dụng của sóng điện từ với vật dẫn điện ưu tiên cho hiệu ứng kích thích-chuyển dời điện tử

b - Các hiệu ứng phân cực điện môi:

Khi đặt chất điện môi vào trường điện từ, trong chất điện môi sẽ xảy ra hiện tượng phân cực :

- Phân cực điện tử (f ≈ 1017Hz ÷ 10 18Hz)

- Phân cực ionû (f ≈ 1013Hz ÷ 10 14Hz)

- phân cực xoay hướng (f ≈ 106Hz ÷ 10 10Hz)

Sự phân cực phụ thuộc vào tần số của sóng điện từ Mỗi kiểu phân cực xảy ra trong khoảng tần số xác định kèm theo sự giảm đột ngột hằng số điện môi Tổn hao dòng phân cực( hấp thụ năng lượng sóng điện từ) gây ra bởi sự làm đổi hướng đám mây điện tử, sự sắp xếp lại các ion và sự xoay hướng của các mômen lưỡng cực theo điện từ trường ngoài

Hình 1.8 : Sơ đồ biểu diễn các trạng thái phân cực điện tử (a), phân cực ion

(b), và phân cực xoay (c)

Sự phụ thuộc của các dạng phân cực theo tần số sóng điện từ như đã trình bày ở trên Điều đáng lưu ý là cả 3 dạng phân cực trên đều gây ra tổn hao năng lượng sóng điện từ dưới dạng nhiệt

Khi tần số sóng điện từ vượt quá ngưỡng của một dạng phân cực nào đó, chẳng hạn với các lưỡng cực điện hoặc từ là 1013Hz Các lưỡng cực không kịp xoay theo chiều điện từ trường ngoài Lúc này các lưỡng cực bị đứng yên và “rung lên”

Hiện tượng này làm sóng điện từ bị mất năng lượng rất nhiều và chủ yếu là dưới dạng nhiệt

Khi chúng ta phân tán các kim loại trong chất điện mơi, thì ngồi hiệu ứng phân cực điện mơi, các hạt kim loại cịn tạo thành các lưỡng cực điện, quá trình xoay các lưỡng cực điện làm tăng độ hấp thụ của hệ chất điện mơi - hạt kim loại Hình 1.9 trình bày sự hình thành lưỡng cực điện trong hạt kim loại phân tán trong chất điện mơi

Hình 1.9: Sự hình thành lưỡng cực điện trong hạt

kim loại phân tán trong chất điện mơi

c- Hiệu ứng điện giảo

Dưới tác dụng của điện từ trường ngoài vật liệu thay đổi kích thước gọi là hiện tượng điện giảo hoặc từ giảo Ngày nay người ta ứng dụng và làm các bộ dao động có tần số cố định Với những bề dày khác nó cộng hưởng với những tần số khác chuyển dao động điện từ thành dao động cơ Dao động cơ học với tần số cao phát ra âm thanh mà tai người không nghe được gọi là siêu âm Hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các thiết bị siêu âm, loa, cảm biến…

Vật liệu điện giảo bao gồm các vật liệu như PZT, BaTiO3, Secnhét….Vật liệu từ giảo bao gồm các vật liệu như Ni, hợp kim FeAl14, CoFe, CoFe49V2…

d- Các hiệu ứng hấp thụ do kích thích – chuyển dời điện tử:

Như đã trình bày trên phần phản xạ, sóng điện từ có năng lượng lớn hơn năng lượng giữa hai mức kế tiếp sẽ kích thích điện tử chuyển dời lên mức năng lượng cao hơn

E = hν > ∆ E = Ei +1 - Ei

- Với kim loại rất nhiều mức trống trong miền hoá trị với ∆ E nhỏ chỉ cần sóng điện từ có năng lưọng nhỏ đã đủ để kích thích điện tử nhảy lên mức năng lượng caohơn

- Với các chất bán dẫn và cách điện, năng lượng sóng điện từ cần phải có

E = hν > Eg ( năng lượng vùng cấm)

Trong quá trình bị kích thích chuyển dời, điện tử để lại lỗ trống và ngay sau đó lập tức lại nhảy trở về với việc thứ phát bức xạ điện từ một cấp hoặc nhiều cấp

ƒ Nếu thứ phát một cấp, tổn hao năng lượng điện từ do công chuyển dời

điện tử và dạng năng lượng tổn hao là nhiệt năngø rất nhỏ Bức xạ thứ phát là tia phản xạ như hình 1.10

ƒ Nếu thứ phát nhiều cấp, sóng điện từ có thể bị thứ phát gồm nhiều

sóng điện từ thành phần với ν1, ν2 …khác ν Bức xạ thứ phát có thể là photon ánh sáng nhìn thấy hoặc không nhìn thấy và phonon như hình 1.11

Hình 1-10:Cơ chế hấp thụ photon của vật liệu phi kim loại (a) và phát xạ photon (b)

Hình 1-11 : Cơ chế kích thích điện tử từ một mức tạp chất trong khe vùng hấp thụ photon(a) và phát xạ hai photon (b) hoặc sản sinh một phonon hoặc một photon (c)

Chú ý rằng thứ phát cũng có thể do nhiều kích thích bởi các sóng điện từ khác nhau như hình hình 1.12 Kết quả ngược lại với thứ phát nhiều bước, năng lượng photon thứ phát bằng tổng năng lượng các photon kích thích

∆E1 + ∆E2 = hν1 + hν2 = hν

Hiệu ứng này gọi là hiệu ứng bẩy điện tử Các điện tử bị kích thích bởi sóng điện từ có năng lượng hν1 và nhảy lên một mức tạp chất nhận ( accepxtơ) Tại đây nếu không tác dụng thành phần sóng điện từ hν2 thì điện tử sẽ định sứ tại đây Nếu tác dụng hν2 ( ví dụ nhiệt) đủ kích thích điện tử ở mức nhận nhảy lên vùng kích thích ( sát chân vùng dẫn) thì ngay sau đó sẽ xảy ra sự giáng điện tử với việc phát ra bức xạ thứ cấp với năng lượng hν

Điện từ + lỗ trống = năng lượng

Năng lượng được giải phóng ra có thể là chùm bức xạ bức xạ thứ phát ngược chiều nhưng cùng tần số với bức xạ tới (phản xạ), cũng có thể gồm nhiều bức xạ thứ phát khác tần số vối sóng tới và luôn luôn có tổn hao dưới dạng nhiệt Thứ phát nhiều cấp cùng với việc phát ra các phôton ánh sáng là tiền đề cho một nhóm vật liệu hết sức quan trọng trong điện _ điện tử đó là nhóm vật liệu quang _điện tử

2- Các hiệu ứng hấp thụ và chuyển đổi thành phần sĩng từ

a- Hiệu ứng xoay lưỡng cực từ

Hiện tượng sắp xếp lại các lưỡng cực từ trong chất sắt từ và pherit từ gọi là phân cực từ Cũng giống như vật liệu lưỡng cực điện, lưỡng cực từ ở hai đầu với

các cực từ Bắc (N) và Nam (S) Bản chất của lưỡng cực từ là do mômen spin điện

tử quy định Cấu tạo của vật liệu từ bao gồm các đomen từ mà mỗi vùng đomen là một lưỡng cực từ được đặc trưng bằng mômen từ Mi (M=ΣMi)

(1.15)

H: Cường độ từ trường Ampe vòng/met (ostest)

µo : Độ thẩm từ của chân không Henry/met

Thành phần Mr

0

µ là phần đóng góp của vật liệu từ cao hơn nhiều lần so với

thuận từ hay nghịch từ do chính thành phần từ trường riêng Mr

0

µ của vật liệu từ này

µr = , µ : độ từ thẩm (H/m)

Bình thường khi chưa có từ trường ngoài, ∑M i = 0, khi có từ trường ngoài, một ngẫu lực tác dụng lên lưỡng cực từ làm các lưỡng cực sắp xếp theo từ trường ngoài và được gọi là sự phân cực từ như hình vẽ:

Hình 1.13: Sơ đồ sắp xếp các đomen từ theo từng giai đoạn từ hóa

- Gây tổn hao thành phần từ trường của sĩng điện từ Các lưỡng cực từ khi xoay theo từ trường ngồi bị ma sát và làm vật liệu nĩng lên

- Các vật liệu từ khác nhau khi bị từ hĩa trong các dải tần sĩng điện từ khác nhau là khác nhau Nĩi chung cho đến nay hoạt động của vật liệu từ chỉ giới hạn trong dải tần nhỏ hơn hoặc bằng 9GHz

Như vậy ở khoảng tần số sĩng điện từ ≤ 9GHz, vật liệu từ sẽ hấp thụ năng lượng của sĩng điện từ và chuyển thành nhiệt năng

2 Hiệu ứng từ giảo

Dưới tác dụng của từ trường ngồi vật liệu thay đổi kích thước gọi là hiện tượng từ giảo Cũng như hiện tượng điện giảo trình bày ở trên, hiệu ứng này được ứng dụng để chế tạo các thiết bị siêu âm, loa, cảm biến…

Vật liệu từ giảo bao gồm các vật liệu như Ni, hợp kim FeAl14, CoFe, CoFe49V2…

3- Độ hấp thụ

Độ hấp thụ sóng điện từ được biểu diễän bằng công thức

IT = I0 exp (-β.x) (1.17) Trong đó :

IT là cường độ tia truyền qua trong trường hợp không có phản xạ

I0 là cường độ tia tới

β là hệ số hấp thụ của chất

x là chiều dày vật liệu

Xác định độ truyền qua T cuả mẫu được tiến hành bằng cách cho chùm sóng điện từ truyền qua không khí và nhận ở thiết bị thu Io sau đó đặt mẫu và

đo được IT

Như vậy từ (1.27) khi biết T và chiều dày vật liệu có thể xác định được hệ số hấp thụ β

Khi đo được T và R bằng phương pháp đã nêu trên ta có thể tính đưọc độ hấp thụ sóng điện từ của vật liệu theo (1.5)

1.3.3 Truyền qua

Công thức (1.27) là công thức được thành lập khi coi rằng không có phản xạ sóng điện từ trên bề mặt mẫu Tuy nhiên bao giờ cũng có một phần năng lượng bị phản xạ dù rất bé Trong trường hợp này chúng ta xét mẫu trong suốt

Khi đó sự thay đổi cường tia truyền qua mẫu sẽ thay đổi theo

Công thức (1.19) cho thấy sự truyền qua không chỉ phụ thuộc vào sự hấp thụ mà còn vào sự phản xạ Khi đó xác định độ truyền qua T cần phải xác định độ phản xạ R như đã trình bày ở trên

Như đã trình bày ở trên độ phản xạ, độ hấp thụ của chất rắn đều phụ thuộc vào bản chất điện từ của vật liệu ( µ và ε) và vào năng lượng sóng điện từ ( hν hoặc hc/λ ) Vì thế độ truyền qua ngoài sự phụ thuộc vào bản chất vật liệu, còn phụ thuộc vào bước sóng λ ( tần số ν) của sóng điện từ

1.3.4 Các hiệu ứng khác của tương tác sóng điện từ với vật rắn