Dielectric measurements of high loss liquids at millimeter wave range
Abstract
Based on literature and own data the dielectric measurement methods at the millimeter-wave range are considered that are used to study high loss liquids (in particular, biological origin ones). Both traditional (resonator and waveguide) and upcoming methods - time-domain spectroscopy and quasi-optical in terahertz frequency range are examined. Experimental data are considered that show the possibilities and perspectives of millimeter-wave dielectric measurements to study the molecular properties of liquids.
Downloads
References
Список литературы:
Grant E.H., R.J.Sheppard R.J., South G. P. Dielectric Behaviour of Biological Molecules in Solutions.-Oxford. 1978. P. 238.
Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства чистых жидкостей. Москва. Изд-во стандартов. 1972. С. 412
Ellison W.J., Lamkaouchi K., Moreau J.-M. Water: A dielectric reference // J. of Molec. Liquids. 1996. Vol. 68. P.171-279.
Малеев ВЛ., Гасан А.И., Семенов М.А., Кашпур В.А. Физические свойства системы ДНК вода //Биофизика. 1996. Т. 38. №5. 768-790.
Mattos C. Protein - water interactions in a dynamic world // Trends in Biochem. Sciences. 2002.
Vol .27. N°4. P. 203-208.
Mashimo S., Kuwabara S, Yagihara S., Higasi K. Dielectric relaxation time and structure of bound water in biological materials // J. Phys. Chem. 1987. Vol. 91. P. 6337-6338.
Markelz A. G., Roitberg A., Heilweil E.J. Pulsed Terahertz Spectroscopy of DNA, Bovine Serum Albumin and Collagen between 0.1 and 2.0 THz // Chem. Phys. Lett. 2000. Na320. P. 42-52.
Бареева Р. С. Изменение диэлектрических свойств мочи человека при мочекаменной болезни // Автореф. дисс. канд. физ.-мат. наук. - Санкт-Петербург. 2005. С. 18.
Pousi J.P., Raisanen A.V. Applications of Terahertz Technology // Proc. of the Third Annual SMARAD Research Seminar, Helsinki. P. 35—38.
Ахадов Я.Ю. Диэлектрические свойства бинарных растворов, Москва. Изд-во Наука. 1977. С. 400.
Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. Москва. Изд-во Высшая школа 1975. С. 570.
Bordi F., Cametti C, Colby R. H. Dielectric spectroscopy and conductivity of polyelectrolyte solutions // J. Phys. Condens. Matter. 2004. Vol. 16. R1423-R1463,
Sato T., Buchner R. Dielectric Relaxation Processes in Ethanol/Water Mixtures // J. Phys. Chem. A. 2004. Vol.108. P. 5007-5015.
Sato T., Buchner R. Dielectric Relaxation Spectroscopy of 2-propanol - water mixtures // J. Chem. Phys. 2003. Vol. 18. P. 4603-4613.
Meriakri V.V., Chigrai E. E., Nikitin I. P., Parkhomenko M.P. Moisture determination in materials and media by means of millimeter waves // 5th Int. Conf. on Interaction of Electromagnetic Wave with Water and Moist Substances. 2000. P. 154-161.
Мериакри В.В., Пархоменко М.П. Применение диэлектрического волновода для контроля содержания воды в спирте // Электромагнитные волны и системы 2000. Т. 5. №1. С. 32-40.
Брандт. А.А. Исследование диэлектриков на сверхвысоких частотах. Москва. Наука. 1963. С. 404.
Ressel M., Klein O., Donovan S., Gruner G. Microwave Cavity Perturbation Technique: Part III: Applications // Int. J. IR & MMW. 1993. Vol. 14. P. 2489-2517.
Vertiy A. A., Gavrilov S. P., Ozel M. E. Millimeter wave investigation of dielectric cylinders absorption cross-section by resonant method // Int. J. IR & MMW. 1996. Vol. 17. P. 1285-1299.
Gatash S.V. Very high-frequency dielectrometer for the study of dynamical properties in disperse water systems // Pадиофизика и электроника. 1999. №1.C. 129-132.
Afsar M. Ding H. A novel open-resonator system for precise measurement of permittivity and loss-tangent // IEEE Trans. Inst. & Meas. 2001. Vol. 50. P. 402-405.
Krupka J. Cros D., Aubourg M., Guillon P. Study of whispering gallery modes in anisotropic single-crystal dielectric resonators // IEEE Trans, on MTT 1994. Vol. 42. P. 56-61.
Филиппов Ю.Ф. Колебания шепчущей галереи в диэлектрическом полусферическом резонаторе на неидеально проводящей плоскости // Радиофизика и электроника. 2007. Т. 12. №1. С. 156-162.
Оранский А.Н. Волны шепчущей галереи // Квантовая электроника. 2002. Т. 32. № 5. С. 377-400.
Eremenko Z.E., Filipov Yu.F., Kharkovsky S.N. и др. Whispering-Gallery Modes in Shielded Hemispherical Dielectric Resonators // IEEE Trans, on MTT. 2002. V. 50. P. 2647-2649.
Ganapolskii E.M., Golik A.V. A Sapphire Sphere Resonator for the Measurement of Low Dielectric Losses in the Millimetre-Wave Range in Liquids // Meas.Sci. Technol. 1997. Vol. 8. P. 1016-1022.
Лавринович А.А., Филиппов Ю.Ф., Черпак Н.Т. Спектральные свойства дискового квазиоптического диэлектрического резонатора с неоднородностью в виде капилляра с водой // Радиофизика и электроника. 2004. Т. 9. №3. С. 496-502.
Кириченко А.Я., Когут А.Е., Блудов Ю.В. и др. Влияние металлического зеркала на вынужденные колебания шепчущей галереи полусферического диэлектрического резонатора // Радиофизика и электроника. 2005. Т. 10. №1. С. 20-24.
Кириченко А.Я., Мартынюк С.П., Моторненко А.П., Скуратовский И.Г. /Азимутальные колебания в составном дисковом диэлектрическом резонаторе // Радиофизика и электроника. 2006. Т. 11. №3. С. 339— 343.
Cherpak N.T. et al. A new technique of dielectric characterization of liquids // In the book: Nonlinear Dielectric Phenomena in Complex Liquids. 2004. Kluwer Academic Publisher. The Netherlands.
Eremenko Z.E., Ganapolskii E.M. Method of microwave measurement of dielectric permittivity in a small volume of high lossy liquid // Meas. Sci. Technol. 2003. Vol. 4. P. 2096-2103.
Eremenko Z.E. A study of the E-field dependence of resonant modes of a layered semi-ball immersed in lossy liquid // Meas. Sci. Technol. 2007. Vol. 18. P. 3303-3308.
Eremenko Z.E., Ganapolskii E.M., Vasilchenko V.V. Exact-calculated Resonator Method for Permittivity Measurement of High Lossy Liquids at Millimeter Wavelength // Meas. Sci. Technol. 2005. Vol. 16. P. 1619-1627.
Jain R.C., Voss W.A.G. Dielectric measurement methods for industrial scientific and medical applications in the microwave frequency range // IEEE Technical Rev.. 1994. Sept & Dec. Vol. 11. P. 297-311.
Van Loon R. and Finsy R. Measurement of complex permittivity of liquids at frequencies from 60 to 150GHz // Rev. Sci. Instr. 1974. Vol. 45. 523 -525.
Afsar M., Suwanvisan N., Yong Wang. Permittivity measurement of low and high loss liquids in the frequency range of 8 to 40 GHz using waveguide transmission line technique //. Microwave and Optical Technol. Letters.2005.Vol. 48. 275-281
Fuchs K.., Kaatze U. Dielectric spectra of mono- and disaccharide aqueous solutions // J. Chem. Phys. 2002. Vol. 116. P. 7137-7144.
Alekseev S. I., Ziskin M. C. Reflection and absorption of millimeter waves by thin absorbing films // Bioelectromagnetics. 2001. Vol. 21. P. 264-271.
Alison J.M., Sheppard R.J. A precision waveguide system for the measurement of complex permittivity of lossy liquids and solid tissues in the frequency range 29 GHz to 90 GHz-Part III // Meas. Sci. Technol. 1001. Vol. 2. 975-979.
Alison J. M., Sheppard R. J. Dielectric properties of human blood at microwave frequencies // J. Phys. Med. Biol. 1993. Vol. 38. P. 971-978.
Zanforlin L. Permittivity Measurements of Lossy Liquids at Millimeter-Wave Frequencies // IEEE Trans, on MTT. 1983. Vol. 83. P. 417-419.
Buckmaster H.A. Hansen C.H., Zaghloul H. Complex Permittivity Instrumentation for High-Loss Liquids at Microwave Frequencies // IEEE Trans, on MTT. 1985. Vol. 33. 822-824.
Ашеко А.А,, Гордиенко В.Г., Стрельцина А.К., Шарков Е.А. Диэлектрические свойства водных электролитных систем. III. Частота 35,5. ГГц. Вестник ХНУ. 2000. Т 496. Сер. физич. "Ядра, частицы, поля", вып, 4 /12/. С. 58-62.
Behrends R,t Fuchs K., Kaatze U. et al. Dielectric properties of glycerol/water mixture at temperatures between 10 and 50°C // J. Chem. Phys. 2006, Vol. 124. P, 144512.
Richards M. G. M.f Sheppard R. J. A precision waveguide system for the measurement of complex permittivity of lossy liquids and solid tissues in the frequency range 29 GHz to 90 UHz-Part II // Meas, Sci, Technol 1991, Vol, 2.P. 663-667.
Szwarnowski S., Sheppard R. J. Precision waveguide cells for the measurement of permittivity of lossy liquids at 70GHz // J. Physics E; Sci. Instruments. 1979. Vol, 10. P. 1163-1167.
Steel M. C, Sheppard R. J., Collins R. Precision waveguide cells for the measurement of complex permittivity of lossy liquids and biological tissues al 35GHz // J. Physics E: Sci. Instruments. 1987. Vol. 20, P, 872-877.
Wei Y., Sridhar S, Biological Applications of a Technique for Broadband Complex Permittivity Measurements// IEEE. MTT-S Digest. 1992. P. 1271-1274.
Беляков Е.В. Резонансный КВЧ диэлькометр для поглощающих жидкостей // Электронная техника.Сер.Электроника СВЧ. 1997. Вып. 7(401).
Masaki K., Atsuhiro N., Kaori F,., Shunsuke M. Complex permittivity measurement at millimetre-wave frequencies during the fermentation process of Japanese sake // J. Phys. D; Appl. Phys. 2007. Vol. 40. P54-60.
Березовский В.К. и др. Метод измерения диэлектрической проницаемости жидкостей в СВЧ диапазоне//Электромагнитные волны и системы. 2005. т. 10. №10, С. 50-56.
Afsar M.N., Suwanvisan N., Wang Y. Permittivity measurement of low and high loss liquids in the frequency range of 8 to 40 GHz using waveguide transmission line technique // Microwave and Optical Technol.Letters.2006. Vol. 48. P. 275-281.
Горошко А.И., Дядюк В.И., Майта Н.А. и др. Применение радиоволн миллиметрового и
субмиллиметрового диапазона // Научное совещание АН УССР по проблеме "Физика и техника
миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов". Харьков. 1990. С, 145-156.
Grant E.H., Shack R. Complex permittivity measurements at 8-6 mm wavelength over the temperature range1-60°C//Br. J. Appl. Phys. 1967. Vol. 18. P. 1807-1814.
Mattar K.E., Buckmaster H.A. Development and optimization of a 50-75 GHz complex permittivity
instrumentation system for high loss liquids // Meas.Sci.TechnoL 1991. Vol. 2. P. 891-898.
Кашпур В.А., Малеев В.Я. Дифференциальный метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости в мм диапазоне растворов с большими потерями //1971. ПТЭ. №3. С. 140-142.
Кашпур В.А., Дубовицкая О.В., Красницкая А.А., Малеев В.Я. Влияние у-облучения на состояние ион-гидратной оболочки ДНК//Вісник ХДУ. 1998. №410. Біофізичний вісник. Вип. 1. С. 111-115.
Кашпур В.А., Хорунжая О.В., Красницкая А.А. и др. КВЧ диэлектрическая проницаемость и структурные изменения ДНК из печени крыс, облученных в Чернобыльской зоне // Радиофизика и электроника. 2001.
Т.6. №2-3. С 345-349.
Хорунжая О.В., Кашпур В.А., Красницкая А.А., Малеев В.Я. Влияние гамма излучения на гидратацию и структуру комплекса ДНК - кофеин //. Вісник ХНУ/ № 665. Біофізичний Вісник. 2005.Вип..1,2005 (15).С 68-72.
Fellner-Feldegg H. The measurements of dielectrics in time domain // J. Phys. Chem. 1969. Vol.73. P. 616-623.
Cole R. H., Berberian J. G., Mashimo S. et al. Time-domain reflection methods for dielectric measurements to 10 GHz // J. Appl. Phys. 1989. Vol. 66. P. 793-802.
Berberian J. G.; Cole R. H. Approach to glassy behavior of dielectric relaxation in 3-bromopentane from 298 to 107°K //J. Chem. Phys. 1986. V. 84. P. 6921-6927.
Berberian J.G., King E. An overview of time-domain spectroscopy // J. Non.-Cryst. Solids. 2002. Vol.305.P.10-18.
Bertolini D., Cassettari M., Salvetti G. et al. Time domain reflectometry to study the dielectric properties of liquids: Some problems and solutions // Rev. Sci. Instr. 1991. Vol. 62. P. 450-456.
Gestblom B., Noreland E., Sjoblom J. A Precision Dielectric Time Domain. Spectroscopy Method in the Gigahertz Range//J. Phys Chem. 1987. Vol. 91. P. 6329-6331.
Feldman Y., Andrianov A., Polygalov E. et al. Time domain dielectric spectroscopy: An advanced measuring system // Rev. Sci. Instr. 1996. Vol. 67. P. 3208-3216.
Mashimo S., Umehara T., Ota T. et al. Evaluation of complex permittivity of an aqueous solution by time-domain reflectometry // J. Mol. Liq. 1987. Vol. 36. P. 135-151.
Umehara T, Kuwabara S., Mashimo S, Yagiihara S. Study on Hydration of B-, A-, and Z-DNA // Biop. 1990. Vol.30. P. 649-656.
Miura N, Asaka N., Shinyashiki N., Mashimo S. Microwave Dielectric Study on Bound Water of Globule Proteins in Aqueous Solution // Biop. 1994. Vol. 34. P. 357-364.
Мериакри В.В. Диэлектрическая спектроскопия мм и субмм диапазонов волн и ее применения// Радиотехника. 2005. №8. С, 97-102.
Ghodgaonkar, M. F., Varadan V.V., VaradanV. K. A free space method for measurement of dielectric constants and loss tangents at microwave frequencies // IEEE Trans. Instr. and Measure. 1989. Vol. 37. P. 789-793.
Friedsam G. L., Biebl E. M. A broadband free-space dielectric properties measurement system at millimeter wavelengths // IEEE Trans. Instr. and Measure. 1997. Vol. 42. P. 515-518.
Lyashchenko A. K., Zasctsky A. Y. Complex dielectric permittivity and relaxation parameters of concentrated aqueous electrolyte solutions in millimeter and centimeter wavelength ranges // J. Mol. Liquids. 1998. Vol. 77. P. 61-75.
. Hollinger R.D., Jose K.A. Tellakulla A. et aL Microwave characterization of dielectric materials from 8 to 110 GHz using a free-space setup // Microwave and Optical Technol. Letters. 2000. Vol. 26. P. 100-105.
Scales J. A., M. Barzle M. Millimeter Spectroscopy of rocks and fluids // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol.88. P. 062906.
Lamkaouchil K., Balana A., Delbos G., Ellison W.J. Permittivity measurements of loss liquids in the range 26-110 GHz// Meas. Sci. Technol. 2003. Vol. 14. P. 444-450.
Meriakri V.V., Chigrai E.E., Kim D. et al. Dielectric properties of glucose solutions in the millimeter-wave range and control of glucose content in blood // Meas. Sci. Technol. 2007. Vol. 18. 977-982.
Кузнецов А.Н., Турковский И.И., Парамонов Б.А. КВЧ-диэлектрометрия при оценке структурной организации растворов солей и тканевых жидкостей здоровой и рубцовой ткани // Биофизика. 2004. Т. 49. №4. С. 727-730.
Ronne C, Thrane L., Astrand P. et al. Investigation of the temperature dependence of dielectric relaxation in liquid water by THz reflection spectroscopy and molecular dynamics simulation // J. Chem. Phys. 1997. Vol. 107.C.5319-5331.
H. Siegel H. Terahertz Technology in Biology and Medicine // IEEE Trans, on MTT. 2004. Vol. 52. P. 2438-2447.
Woolard D.L, Koscica T., Rhodes D.L. et al. Millimeter Wave-induced Vibrational Modes in DVA as a Possible Alternative to Animal Tests to Probe for Carcinogenic Mutations // J. Appl, Toxicology, 1997. Vol. 17. P. 243-246
Globus T.R., Woolard D.L., Khromova T. et al. THz-Spectroscopy of Biological Molecules // Journal of Biological Physics 2003. Vol. 29. P. 89-100.
Authors who publish with this journal agree to the following terms:
- Authors retain copyright and grant the journal right of first publication with the work simultaneously licensed under a Creative Commons Attribution License that allows others to share the work with an acknowledgement of the work's authorship and initial publication in this journal.
- Authors are able to enter into separate, additional contractual arrangements for the non-exclusive distribution of the journal's published version of the work (e.g., post it to an institutional repository or publish it in a book), with an acknowledgement of its initial publication in this journal.
- Authors are permitted and encouraged to post their work online (e.g., in institutional repositories or on their website) prior to and during the submission process, as it can lead to productive exchanges, as well as earlier and greater citation of published work (See The Effect of Open Access).
