И. К. Бейсембетов ректор Зам главного редактора
жүктеу/скачать 51,43 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Кремний құрамдас материал - диатомиттің құрылымдық сипаттамаларын зерттеу Түйіндеме.
- Research of structural characteristics of siliceous compound –diatomite Summary.
- С.Б. Ботаева, Ж.Р. Умарова, З.А. Маханова, А.С. Досаева
- МОДЕЛИРОВАНИЕ СИГНАЛОВ В ОПТОВОЛОКОННЫХ КОММУНИКАЦИЯХ
- Ключевые слова
Рис. 2. Результаты предварительного микроскопического анализа
По результатам электронно-микроскопического анализа на сканирующем электронном микроскопе G2 Pro определена топография в структурах диатомовых пород по площади «Жалпак». На всех изображениях сделанных на электронном микроскопе G2 Pro обнаружены квазидвухмерные решетки свидетельствующие о наноструктурности исследуемого материала. Спектрофотометрический анализ был проведен согласно стандарту ГОСТ 2642.3-97. При реги- страции оптического поглощения синего кремнемолибденового комплекса, обнаружены 4 полосы с максимумами при 305÷335нм, 618нм, 813нм и 968нм (Рисунок 3). Из рисунков 3, 4 следует, что ультрафиолетовая полоса с максимумом при 305÷335 нм очень чувствительна к концентрационному содержанию кремния в растворе. При 37,1% содержания крем- ния в растворе интенсивность этой полосы поглощения выходит за рамки возможности регистрации оптической плотности спектрофотометр «Evolution 300». ● Технические науки
220 №2 2016 Вестник КазНИТУ
Рис. 3. Спектр поглощения (оптическая плотность) раствора синего кремнемолибденовного комплекса, приго- товленного из диатомита с площади «Жалпак». Максимальная оптическая плотность - 7
Поэтому при больших концентрациях кремния в растворе для анализа целесообразно пользо- ваться интенсивностью полосой поглощения с максимумом при 618нм. Данная спектрофотометриче- ская методика достаточно достоверно анализирует силикаты Al 2 O
и Fe 2 O 3 , где концентрация алюми- ния и железа не превышает 10%.
Рис. 4. Спектр поглощения (оптическая плотность) раствора синего кремнемолибденовного комплекса, приго- товленного из диатомита с площади «Жалпак». Максимальная оптическая плотность – 1,7
Таким образом, спектрофотометрические анализы различных проб по площади «Жалпак» показыва- ют результаты, в которых предельные значения содержание SiO 2 варируется в интервале 72,69% - 75,15%. Установленные нами значения силикатов в диатомитах (в интервале 72,69 - 75,15%), находятся в согласии с данными по силикатному анализу. Обнаружен спектр поглощения аморфного кремния с максимумом при 305÷335 нм. Из силикатного анализа следует, что содержание оксида кремния (SiO 2 ) составляет в различных пробах от 71,48% до 78,14%. Эти результаты относятся к пробам диатомитов естественного проис- хождения, т.е. без технологии обработки. Известно, что после обработки с соблюдением соответ- ● Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №2 2016 221
ствующей технологии, которую мы разрабатываем, будет зарегистрирован аморфный кремний в диа- томитах. В настоящее время данная технологическая работа продолжается. Выводы Методами силикатного, спектрофотометрического, рентгено-дифракционного, рентгено- спектрального,химического, электронно-микроскопического анализов исследован состав диатомовых пород по площади «Жалпак». По результатам исследований определено значение концентрации дву- окиси кремния в природном диатомите, которое варьируется от 72,69% до 78,14%, что свидетель- ствует об однородности диатомовых пород. Таким образом, разработана методика спектрофотометрического анализа трех силикатных компонентов SiO 2 , Al
2 O 3 и Fe 2 O 3 присутствующих в составе диатомовых пород площади «Жалпак». Важным экспериментальным результатом является разработанная технология регистрации спектров поглощения (максимум при 305÷335 нм) аморфного кремния (диатомита) на базе современного спек- трофотометра «Evolution 300». Работа выполнена при поддержке программы «Комплексное освоение природных запасов диа- томитовых осадочных пород Приаралья (акватория Аральского моря) и Прикаспия (Туранская низ- менность) для вовлечения в индустриально-инновационную Программу развития Казахстана». (До- говор №176-2015).
REFERENCES [1] Lemonas J.F. Diatomite // Am. Ceramic Soc. Bull. – 1997. – Vol. 76. – P. 92-95. [2] Elden. H.,Morsy G., BakrM. Diatomite: Its Characterization, Modifications and Applications //Asian Journal of Materials Science. - 2 (3), 2010. – P. 121-136, [3] Tsai W.T., Hsien K.J., Chang Y.M., Lo C.C. Removal of herbicide paraquat from an aqueous solution by ad- sorption onto spent and treated diatomaceous earth // Bioresource Technology. – 2005. – Vol. 96. – P. 657-663. [4] Al-degs Y., Khraisheh M.A., Tutunji M.F. Sorption of lead ions on diatomite and manganese oxides modi- fied diatomite // Wat. Res. – 2001. – Vol. 35, No. 15. – P. 3724-3728. [5] Arik H. Synthesis of Si3N4 by the carbo-thermal reduction and nitridation of diatomite // Journal of the Eu- ropean Ceramic Society. – 2003. – Vol. 23. – P. 2005-2014. [6] Zhaolun W., Yuxiang Y., Xuping Q., Jianbo Z., Yaru C., Linxi N. Decolouring mechanism of zhejiang diat- omite. application to printing and dyeing wastewater// Environ. Chem. Lett. – 2005. – Vol. 3. – P. 33-37. [7] Adachi S., Mori H. Optical properties of fully amorphous silicon // Physical review B. – Vol. 62 (5), 2000. – P. 10 158 – 10 164. [8] Travis W., Ramirez J., Kilin D., Micha D. Optical properties of amorphous and Crystalline silicon surfaces functionalized with Ag adsorbates //International journal of quantum chemistry. – Vol 110 (15), 2010. – P 3005- 3015. [9] Hassan M.S., Ibrahim I.A., Ismael I.S. Diatomaceous deposits of Fayium, Egypt: Characterization and evalu- ation for industrial application// Chinese J. Geochemis. – 1999. – Vol. 18. – P. 233-241. [10] Yuan P., Wu D.Q., He H.P., Lin Z.Y. The hydroxyl species and acid sites on diatomite surface: A com- bined IR and raman study// Applied Surface Sci. – 1997. – Vol. 227. – P. 30-39.
Инсепов З.А., Шункеев К.Ш., Юриш В.В., Гринберг М., Максимова С.Я., Аймаганбетова З.К., Темирбаева А.А. Кремний құрамдас материал - диатомиттің құрылымдық сипаттамаларын зерттеу Түйіндеме. Мақалада Ақтөбе облысының Мұғалжар ауданының «Жалпақ» аймағының диатомиттерінің рентгендифракциялық, рентген-спектралды, электронмикроскопиялық,спектрофотометрлік,силикат (химия- лық)анализдердің нәтижелері сипатталған. Табиғи диатомиттегі 72,69% тен 78,14% арасындағы кремний қыш- қылының концентрациясы анықталды. Бұл диатомиттердің біртектілігін дәлелдейді. Аморфты кремнийдің жұ- тылу спектрлерінің (максимум 305-335 нм) тіркеу әдістемесі заманауи «Evolution 300» негізінде жасақталды.
Insepov Z.A., Shunkeyev K.Sh., Yurish V.V., Grinberg M., Maksimova S. Y., Aimaganbetova Z.K., Temirbayeva A.A.
photometry and silicate (chemical) analyzes of samples of rocks from the area of diatomite "Zhalpak" of Aktobe re- gion Mugalzhar district. The value of the concentration of silica in natural diatomite which ranges from 72.69% to 78.14% was determined, which indicates about the homogeneity of diatomite rocks. The methods of absorption spectra (maximum at 305-335 nm) of amorphous silicon (diatomaceous earth) on the basis of a modern spectrophotometer «Evolution 300» was obtained. ● Технические науки
222 №2 2016 Вестник КазНИТУ
УДК 621.315 С.Б. Ботаева, Ж.Р. Умарова, З.А. Маханова, А.С. Досаева (Южно-Казахстанский государственный университет имени М.Ауэзова Шымкент, Республика Казахстан, saule_bb@mail.ru)
собственных и частотных характеристик оптоволоконного кабеля, а также диаграммы излучения и поглощения энергии в световоде. Известно что, совокупность мод, образующих электромагнитное поле в многомодовых световодах, при распространении излучения по световоду меняет свою структуру, так как моды более высоких порядков испы- тывают большее затухание. Этим модам и соответствуют лучи, распространяющиеся под большими углами. Рассматриваются случаи когда, при наличии неоднородностей последние создают связи между отдельными модами, приводящими к частичному переходу энергии от одних мод к другим. Это приводит к появлению мод, которые не могут распространяться в данном световоде и поэтому излучаются во внешнее пространство, что создает дополнительные потери энергии на рассеяние. Ключевые слова: Оптоволоконные линии передачи, оптический сигнал, многомодовые световоды, мо- дуляция, оптический кабель. Возможности увеличения потока информации в последнее время, наиболее полно реализуются при использовании цифровых систем передачи и оптоволоконных кабелей. Оптоволоконная техноло- гия заняла прочные позиции на рынке сетевых услуг. Оптоволоконные линии используются для передачи информации по оптическим диэлектриче- ским волноводам, которые в настоящее время рассматриваются не только как самая совершенная фи- зическая среда передачи данных, но и как самая перспективная среда для передачи большого объёма информации на значительные расстояния. По сравнению с существующими, радиорелейными и ра- диолиниями, а также проводными, воздушными и кабельными линиями связи, оптоволоконные ли- нии имеют существенные преимущества. По оптической линии связи можно передавать информацию со скоростью порядка 1012 бит/с. Такая скорость не является предельной и может быть увеличена за счет передачи информации сразу на нескольких длинах волн, поскольку световые волны могут рас- пространяться в волноводе независимо друг от друга. Оптоволоконные передающие системы имеют значительные преимущества над металлически- ми кабельными системами передачи: - высокая ширина диапазона передачи (свыше 30000 речевых каналов по одному оптическому волокну); - малое значение коэффициента затухания в широкой полосе частот; - большие длины регенерационных участков; - высокая защищённость от внешних электромагнитных полей; - малая металлоёмкость линий передачи и отсутствие дефицита цветных металлов кабеля; - отсутствие излучения во внешнюю среду; - малые габаритные размеры и масса. Оптоволоконные линии передачи позволяют значительно уменьшить расход дефицитных ме- таллов (меди, свинца), уменьшить габариты и массу оборудования линейного тракта. По таким пара- метрам, как скрытность и помехозащищенность, они не имеют себе равных. Они превосходят все существующие на сегодняшний день линии связи по ширине полосы пропускаемых частот и другим параметрам. Именно поэтому оптоволоконные линии передачи находят широкое применение в авто- матике, телемеханике, связи, вычислительной технике и других отраслях науки и техники [1]. Рассмотрим распространение сигналов по оптическому кабелю. Передача сигналов по оптиче- скому кабелю имеет свои особенности, которые связаны со способом передачи оптических сигналов, а также с тем, что распространение излучения по световоду является многомодовым (многолучевым). Предварительно рассмотрим, что представляет собой оптический сигнал, распространяющийся по кабелю. Если электрический сигнал ) (t u модулирует излучатель, например, изменяет ток накачки полупроводникового лазера в соответствии с изменением ) (t u изменяется мощность излучения ла- зера. Следовательно, по кабелю распространяется сигнал:
● Техникалық ғылымдар
ҚазҰТЗУ хабаршысы №2 2016 223
) ( ) ( t u k t p ,
где ) (t p – мощность оптического сигнала; k – коэффициент пропорциональности. При этом полагаем, что излучатель не вносит никаких искажений. Если бы оптоволоконный кабель и фотоприемник не вносили никаких искажений, то на его выходе (после фотоприемника) возникал бы сигнал той же формы, что и на входе ) (t u . Так, если входной сигнал представляет собой синусоидальное напряжение , sin
t U u m где
– частота, модулирующая излучатель, то при указанных выше допущениях на выходе кабеля также присутствовал бы синусоидальный электрический сигнал (фазовый сдвиг во внимание не при- нимается). В действительности возникают неизбежные искажения [2]. При передаче синусоидального сигнала мощность излучения будет меняться по следующему закону
) sin 1 ( ) ( ~ 0 t M P t p ,
(1)
где 0 P – мощность излучения при отсутствии модуляции; M – глубина модуляции. Здесь мощность оптического излучения определена как эффективное значение мощности за пе- риод оптической частоты и пропорциональна квадрату напряженности (Н – магнитного или Е – элек- трического поля). Если перенос излучения осуществляется только одной модой, получим выражение, описывающее изменение во времени поля излучения (например, электрического) в таком виде:
t M kE t E m 0 cos cos 1 ) ( ,
(2)
где 0 – оптическая частота; m E – амплитуда напряженности поля E . Таким образом, при принятом способе передачи оптических сигналов, т.е. модуляции мощно- сти оптического излучения, сигнал, распространяющийся по кабелю, содержит не одну частоту мо- дуляции, а спектр частот. Если бы по закону модулирующего сигнала изменялась не огибающая мощность излучения, а электрическое поле, в рассматриваемом случае это изменение описывалось бы известным выражением
t M E t E m 0 sin ) sin
1 ( ) ( .
(3)
Спектр этого сигнала, как известно, содержит только три составляющие на частотах 0 0 0 , , . Спектр же, определяемый выражением (2), содержит бесконечное число ча- стот хотя и быстро убывающих амплитуд. Отсюда следует, что при модуляции оптической мощности спектр передаваемого сигнала обогащается, что дает свой вклад в искажение сигнала. Следует отме- тить, что при 1 M спектр содержит только две составляющие на частотах
0 0 , . Так как в реальных световодах существует большое число мод, то спектральный состав распростра- няющегося по оптическому кабелю сигнала оказывается более сложным, чем излучаемого. Так как обычно оперируют с выражением для огибающих (1), а частоты модуляции 0
, то указанное обобщение спектра незначительно сказывается на условии распространения сигналов, однако учитывать это обстоятельство необходимо, особенно при измерениях характеристик передачи оптоволоконного кабеля [2]. Другой особенностью передачи сигналов по оптическому кабелю является многомодовое рас- пространение. Независимо от закона, описывающего профиль показателя преломления сердечника ● Технические науки
224 №2 2016 Вестник КазНИТУ
световода, можно в самом общем случае указать те факторы, которые определяют распространение и искажение оптических сигналов: - различие коэффициентов распространения
на данной частоте для разных мод; - нелинейная зависимость от частоты коэффициента распространения для данной моды; - дисперсия в материале, т.е. зависимость показателя преломления от частоты. Все эти факторы приводят к различиям скоростей распространения модовых составляющих сигналов в зависимости от i -того порядка моды и частоты . Совокупное действие этих факторов определяет характеристики передачи оптоволоконного кабеля (частотные, временные), а также инте- гральные и частные параметры искажений дисперсии импульсов, среднеквадратические и линейные значения ширины полосы частот и т.д. [3].
Применительно к оптоволоконным кабелям необходимо уточнить понятие частотных характе- ристик. Такие определения, как зависимость от частоты отношения амплитуд гармонического сигна- ла на выходе волокна к амплитуде на его входе (для амплитудно-частотной характеристики) и зави- симость сдвига фазы выходного гармонического сигнала от частоты относительно входного (для фа- зовой характеристики) являются неправомочными. Так как приходится оперировать с огибающей мощности сигнала при модуляции оптической несущей, в отличие от указанного обычного определе- ния, относящегося к амплитудно-частотной характеристике, вводится понятие модуляционно- частотные характеристики (МЧХ). Напомним, что амплитудно-частотная ) ( C и фазо-частотная ) (
характеристики объединяются в общую характеристику, называемую комплексным коэффи- циентом передачи: ) ( ) ( ) (
j e C K .
При модуляции излучателя ) ( C соответствует изменению коэффициента модуляции на вы- ходе кабеля в зависимости от , т.е. ) ( ) ( M C . Отсюда следуют такие определения: модуляционная амплитудно-частотная характеристика, модуляционная частотно-фазовая характеристика. Модуляционная амплитудно-частотная характеристика представляет собой зависимость моду- ля комплексного коэффициента передачи огибающей мощности оптического излучения, модулиро- ванного гармоническим сигналом, от частоты модуляции. Частотно-фазовая характеристика – это зависимость фазы комплексного коэффициента переда- чи огибающей мощности оптического излучения, модулированного гармоническим сигналом, от ча- стоты модуляции. Модуляционно-частотные характеристики полностью определяют особенности оптического волокна как направляющей системы и искажение сигналов. Можно также пользоваться характеристиками, относящихся не к частотной, а к временной об- ласти, а именно: переходные и импульсные характеристики. Переходная характеристика – это огибающая мощность оптического сигнала на выходе кабеля, если на его входе огибающая оптической мощности является единичным сигналом. Единичный сиг- нал, обозначаемы ) (t l , – это сигнал, возникающий скачком от нуля до единицы в момент 0
и существующий после своего возникновения бесконечно долго. Импульсная характеристика – это огибающая мощности оптического сигнала на выходе кабеля, если на его входе огибающая мощности огибающая оптической мощности является единичным им- пульсом. Единичный импульс, обозначаемый ) (t (или дельта-импульс), является производной от единичного сигнала. Если выбрать некоторый момент времени
, то
) (
равна нулю при всех значениях
, а при
совершает скачок в бесконечность и затем уменьшается до нуля при всех
, при этом площадь этого импульса равна единице. Переходная ) , ( t h и импульсная ) ,
t g характеристики полностью определяют распространение сигналов по оптическому кабелю. Пользуясь данными характеристиками, можно найти форму выходного сигнала оптоволоконного ка- беля при известной форме входного. Кроме того, по этим характеристикам можно найти модуляци- онно-частотные характеристики (фазовую и амплитудную). Переходную характеристику можно определить экспериментально, а импульсную, как правило, аналитически. |