ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2024, № 11 · РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в минеральной среднеглинистой почве

Ю.И. Лукин1, А.Ю. Каравайский1

1 Институт физики им. Л.В. Киренского Сибирского отделения Российской академии наук - обособленное подразделение ФИЦ КНЦ СО РАН, Красноярск, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2024.11.18 УДК 537.86 EDN NDEPCC

Аннотация

Измерены спектры комплексной диэлектрической проницаемости образцов минеральной среднеглинистой почвы из Краснодарского края, Российской Федерации, с различной влажностью при температуре 20℃, в частотном диапазоне электромагнитных волн от 15 МГц до 50 ГГц. Проведен анализ диэлектрических релаксаций в исследуемой влажной почве с помощью метода восстановления функции распределения времен релаксаций из измеренных спектров комплексной диэлектрической проницаемости. Обнаружено, что для влажной минеральной почвы функция распределения времен релаксаций является дискретной с четырьмя релаксациями. Исследованы времена и относительный вклад диэлектрических релаксаций в спектр комплексной диэлектрической проницаемости минеральной почвы в зависимости от влажности в рассматриваемом частотном диапазоне.

  • диэлектрическая проницаемость
  • минеральная почва
  • спектроскопия
  • функция распределения времен релаксации
Abstract (in English)

The relaxation time distribution function for a mineral medium clay soil

The complex permittivity spectra of mineral medium-clay soil samples from The Krasnodar Territory, Russian Federation, with different moisture content at a temperature of 20℃, were measured in the frequency range of electromagnetic waves from 15 MHz to 50 GHz. An analysis of dielectric relaxations in the studied wet soil was carried out using the method of retrieving the relaxation time distribution function from the measured complex dielectric permittivity spectra. The relaxation time distribution function for the wet mineral soil was found to be discrete with four relaxations. The times and relative contributions of dielectric relaxations to the spectrum of complex permittivity of the mineral soil depending on moisture content were investigated in the frequency range under consideration.

Для цитирования

Лукин Ю.И., Каравайский А.Ю. Функция распределения времен диэлектрических релаксаций в минеральной среднеглинистой почве // Журнал радиоэлектроники. – 2024. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2024.11.18

Литература

  1. Balanis C.A. Advanced engineering electromagnetics. - John Wiley & Sons, 2012.
  2. Eloranta J. K., Kadaba P. K. Dielectric relaxation of acetonitrile and propionitrile in benzene and carbon tetrachloride solutions // Materials Science and Engineering. - 1971. - V. 8. - No. 4. - P. 203-209.
  3. Tsuge K. Mechanical and Dielectric Relaxations in Paraffin Crystals // Japanese Journal of Applied Physics. - 1964. - V. 3. - No. 10. - P. 588.
  4. Hoffman J.D., Williams G., Passaglia E. Analysis of the α, β, and γ relaxations in polychlorotrifluoroethylene and polyethylene: Dielectric and mechanical properties // Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia. - New York: Wiley Subscription Services, Inc., A Wiley Company, 1966. - V. 14. - No. 1. - P. 173-235.
  5. Ye J.Z. et al. Dielectric Characteristics of Hydrated Paraffin // Advanced Materials Research. - 2012. - V. 535. - P. 2544-2549.
  6. Kremer F., Schönhals A. (ed.). Broadband dielectric spectroscopy. - Springer Science & Business Media, 2002.
  7. Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and absorption in dielectrics I. Alternating current characteristics // The Journal of chemical physics. - 1941. - V. 9. - No. 4. - P. 341-351.
  8. Davidson D.W., Cole R.H. Dielectric relaxation in glycerol, propylene glycol, and n-propanol // The Journal of Chemical Physics. - 1951. - V. 19. - No. 12. - P. 1484-1490.
  9. Havriliak S., Negami S. A complex plane analysis of α-dispersions in some polymer systems // Journal of Polymer Science Part C: Polymer Symposia. - New York: Wiley Subscription Services, Inc., A Wiley Company, 1966. - V. 14. - No. 1. - P. 99-117.
  10. Giese K. On the numerical evaluation of the dielectric relaxation time distribution function from permittivity data // Advances in Molecular Relaxation Processes. - 1973. - V. 5. - No. 4. - P. 363-373.
  11. Imanishi Y., Adachi K., Kotaka T. Dielectric relaxation spectra for the bulk and concentrated solutions of cis-polyisoprene // The Journal of chemical physics. - 1988. - V. 89. - No. 12. - P. 7593-7598.
  12. Belyaev B.A., Drokin N.A., Shabanov V.F. Reconstruction of the distribution function of relaxation times for 7CB and 7OCB liquid crystals from dielectric spectra // Physics of the Solid State. - 2006. - V. 48. - P. 973-978.
  13. Bello A., Laredo E., Grimau M. Distribution of relaxation times from dielectric spectroscopy using Monte Carlo simulated annealing: Application to α- PVDF // Physical review B. - 1999. - V. 60. - No. 18. - P. 12764.
  14. Zasetsky A.Y., Buchner R. Quasi-linear least squares and computer code for numerical evaluation of relaxation time distribution from broadband dielectric spectra // Journal of Physics: Condensed Matter. - 2010. - V. 23. - No. 2. - P. 025903.
  15. Macutkevic J., Banys J., Matulis A. Determination of the distribution of the relaxation times from dielectric spectra // Nonlinear analysis: modelling and control. - 2004. - V. 9. - No. 1. - PС. 75-88.
  16. Lawson C.L., Hanson R.J. Solving least squares problems. - Society for Industrial and Applied Mathematics, 1995.
  17. Beurthey S., Zaoui A. Structural morphology and relaxation spectra of viscoelastic heterogeneous materials // European Journal of Mechanics-A/Solids. - 2000. - V. 19. - No. 1. - P. 1-16.
  18. Whittall K.P., MacKay A.L. Quantitative interpretation of NMR relaxation data // Journal of Magnetic Resonance (1969). - 1989. - V. 84. - №. 1. - P. 134-152.
  19. Bobrov P.P., Kroshka E.S., Muzalevskiy K.V. The Effect of Dielectric Relaxation Processes on the Complex Dielectric Permittivity of Soils at Frequencies from 10 kHz to 8 GHz-Part II: Broadband Analysis // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. - 2023.
  20. Миронов В.Л., Лукин Ю.И. Многорелаксационная температурная модель комплексной диэлектрической проницаемости бентонитовой глины в диапазоне частот от 15 МГц до 15 ГГц // Радиотехника. - 2019. - Т. 83. - №. 12. - С. 33-45.
  21. Mironov V., Savin I.A temperature-dependent multi-relaxation spectroscopic dielectric model for thawed and frozen organic soil at 0.05-15 GHz // Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C. - 2015. - V. 83. - P. 57-64.
  22. Loewer M. et al. Ultra-broad-band electrical spectroscopy of soils and sediments-A combined permittivity and conductivity model // Geophysical Journal International. - 2017. - V. 210. - No. 3. - P. 1360-1373.
  23. Arcone S.A., Grant S.A., Boitnott G.E. Maxwell-Wagner relaxation in two desert soils at medium and high water contents: Interpretation from modeling of time domain reflectometry data // IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing. - 2015. - V. 9. - No. 1. - P. 201-211.
  24. Mironov V.L. et al. Method of retrieving permittivity from S12 element of the waveguide scattering matrix // 2013 International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON). - IEEE, 2013. - P. 1-3.
  25. Фрелих Г. Теория диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость и диэлектрические потери. - М.: ИЛ. - 1960.
  26. Grant E.H., Buchanan T.J., Cook H.F. Dielectric behavior of water at microwave frequencies // The Journal of Chemical Physics. - 1957. - V. 26. - No. 1. - P. 156-161.
  27. Wu A., Sun Y., Liu X.P. Granular dynamic theory and its applications. - Metallurgical Industry Press. - 2008.