Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

где ab─ коэффициент затухания в волноводе без диэлектрика;

S и S – площади поперечного сечения диэлектрического образца и волно-

вода;

lв – длина волны в волноводе, в отсутствии диэлектрика; х1 – расстояние от стенки волновода до диэлектрика.

В тех случаях, когда необходимо знать зависимость коэффициента затухания диэлектрика от температуры или влажности, его можно измерить. Для этого измеряют мощность Р0 на входе в систему, а затем - мощность Рl на выходе из секции волновода с диэлектриком длиной l. Выражение мощности при наличии потерь в диэлектрике может быть записано в виде:

Преобразуемая в тепло мощность в согласованном режиме определяется соотношением:

Из (4.23) и (4.24) определяется коэффициент затухания для нагреваемого образца по формуле:

Коэффициент затухания также зависит от температуры и влажности.

Чтобы достичь высокой эффективности использования энергии СВЧ генератора, следует стремиться согласовать волновое сопротивление пустого волновода с волновым сопротивлением волновода с диэлектриком.

Для увеличения интенсивности электрического поля в месте расположения тонких диэлектриков при фиксированной вводимой мощности можно использовать Н – образные (или П - образные) волноводы (рис.4.4), выполняя их из прямоугольного путем помещения вкладышей, регулирующих высоту и ширину выступающего гребня (â -q). Критическая частота для Н - образного волновода, выполненного на основе прямоугольного волновода с размерами a × b , будет определяться формулой [5]:

132

Размеры прямоугольного волновода a × b , используемого для выполнения Н- образного волновода, следует уменьшить, чтобы не возбудилась волна Н20. Вопервых, она имеет минимальное поле Е на выступах, во-вторых, при возбуждении одновременно воли Н20 и Н10 передаваемая мощность перераспределяется между ними и интенсивность электрического поля волны Н10 снижается. При толстых слоях диэлектрика в волноводе или больших величинах εr диэлектрика тоже могут возникнуть две волны.

Диэлектрики в волноводах можно перемещать (рис. 4.5) по направлению движения волны (согласно), против направления движения волны (встречно) и в поперечном направлении, т.е. когда энергия и диэлектрическая материя движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. В этих типах перемещений различными будут величины потерь мощности нагрева диэлектрика до определенной температуры (или сушки), необходимые технологические длины линий при известных коэффициентах затухания и одинаковых величинах входных мощностей, так как непрерывно изменяется температура образца, влажность и коэффициент затухания при поглощении мощности.

Круглые волноводы также можно использовать для нагрева (жидкостей, порошков и т.п.), если расположить по центру трубку из теплостойкого стекла с малыми потерями или фторопласта, а нагреваемый образец помещать в нее.

В круглом волноводе для нагрева используется волна типа Е01, имеющая аксиальную симметрию электрического продольного поля и максимальную плотность энергии на оси (рис 4.6).

133

Поля волны типа Е01 в полярных координатах описываются следующими уравнениями:

ZE – характеристическое (волновое) сопротивление волновода с диэлектриком на волне Е01, имеющее следующий вид:

Амплитуда А определяется выражением:

Энергия из прямоугольного волновода подается в круглый волновод с помощью трансформатора типа волны. Все изолирующие, крепежные элементы и вводные стеклянные трубки должны располагаться от этого трансформатора на расстоянии порядка длины волны в круглом волноводе на рабочем типе Е01. Ввод в круглый волновод диэлектрических материалов для нагрева производится через наружные металлические трубки, впаянные в основной волновод и работающие в запредельном режиме (режим не распространения всех типов волн). Входное сопротивление трубки в плоскости волновода в запредельном режиме будет чисто реактивным и энергия в нее не поступает.

В тех случаях, когда нагреваемые диэлектрики находятся вне волноводов, используются специальные излучатели. Для диатермии – спиральные антенны с отражателями в виде чаши (рис.4.7), для дробления камня - открытый конец волновода или открытый конец волновода со стержнями (рис.4.8). Спиральные антенны [10] позволяют получать осевое излучение с круговой поляризацией в направлении максимума диаграммы направленности (рис.4.7,б). Направление вращения плоскости поляризации совпадает с направлением намотки спирали. Волны с круговой поляризацией при отражении от поверхности диэлектрика изменяют на обратное направление вращения поляризации. Отраженная волна не может быть принята той же самой или соседней спиральной антенной с таким же направлением намотки спирали. Это позволяет устранять отраженные волны в тракте генератор – антенна. Спиральная антенна, кроме того, обладает широкополосными свойствами и ее можно присоединять к кабелю без сложного по конструкции дополнительного согласования.

135

ные между собой, благодаря чему энергия системой излучается радиально. Для прочности стержни покрываются сверху колпачком из синтетического материала (7). Эти зондовые излучатели вводятся через отверстие внутрь камня. Подводимая к излучателю мощность от двух магнетронов (1 и 2) , развязанных между собой с помощью поляризационной решетки (3), составляла более 6-7 киловатт. Время воздействия с последующим взрывом на глубине до 20 см., раскалыванием и дроблением составляет 2 минуты. Затем излучатель перемещается вглубь. Продвигаемый вперед излучатель позволяет получать лучшие результаты, чем неподвижный.

4.1.3.Нагрев в поле стоячей волны

Термообработка диэлектриков в ЭМ поле стоячей волны производится с помощью объемных резонаторов. Система такого типа называется СВЧ печью или микроволновой печью.

СВЧ печь - это конструктивное устройство, ограничивающее область взаимодействия между полями СВЧ и нагреваемым продуктом.

Печи СВЧ по уровню используемой мощности делятся на две группы: -малой мощности от 0,6 кВт до 2 кВт для бытовых использований; -мощные от 2 кВт до 100 кВт для промышленных применений.

СВЧ печь включает восемь основных узлов и элементов:

1)источник питания генератора и вспомогательных элементов;

2)СВЧ генератор - магнетрон, клистрон, ЛОВМ и т.п.;

3)секция передачи энергии от генератора к нагревательной камере;

4)устройство связи, обеспечивающее передачу энергии в камеру;

5)устройства распределяющие (выравнивающие) СВЧ поля, которые способствуют достижению равномерного нагрева образца в камере;

6)резонансная камера, работающая в полосе заданных частот;

7)герметизирующие уплотнения или ВЧ – ловушки, предотвращающие паразитные излучения;

8)устройства управления рабочим режимом и схемы безопасности. Дополнительно СВЧ печь может иметь гриль, конфорки.

Особенности работы и характеристики генераторов СВЧ рассмотрены в

главе 2.4. Вопросы пунктов 1) и 8) не составляют предмет рассмотрения для данного пособия. Некоторые особенности формирования ЭМ поля для нагрева в устройствах и конструктивные особенности элементов, относящиеся к пунктам 3, 4, 5, 6, 7, будут рассмотрены ниже. Остановимся на основных положениях, определяющих работу резонансной камеры.

Нагревательная камера СВЧ печи - призматический резонатор прямоугольной формы сечения, имеющий размеры a×b×h (рис. 4.9), выполненный из метал-

136

ла (нержавеющая сталь, алюминий и т.п., относительная магнитная прони-

цаемость которых μr = 1).

Проводящие стенки необходимы для отражения электромагнитных волн, падающих на их поверхность. В результате этого между параллельными поверхностями камеры возникают стоячие волны электрических и магнитных полей, с разным числом полупериодов (вариаций) функций cos или sin вдоль соответствующих осей координат. Эти различия отмечаются в величинах индексов полей m, n, p. Индекс m означает число вариаций по оси x в пределах стороны à , индекс

138

наблюдаться перегрев, а остальные части изделия будут нагреваться слабо. Чтобы получить равномерное распределение поля в резонаторе надо использовать много типов колебаний Hmnp и Emnp , а для этого следует увеличить в необходи-

мых пределах внутренние размеры (объем) резонатора. Поля этих колебаний, имеющие одну резонансную частоту или близкие, смешиваются друг с другом и образуют общее, почти равномерное в любом направлении и сечении электрическое и магнитное поля. Окончательно выбранные размеры резонатора должны быть такими, чтобы производственные допуски при изготовлении камеры не вызывали существенного нарушения работоспособности системы. Для заданных размеров резонатора существует определенный набор значений m,n,p, который наилучшим образом удовлетворяет этому требованию [1].

Набор целых чисел m, n, p, удовлетворяющий (4.34) для заданной частоты - fR 0 , показывает, сколько видов колебаний может возникнуть в резонаторе. Число

колебаний N в резонаторе объемом V=a´b´h можно определить [6,7] по формуле:

140

За период колебания Т в резонатор вводится от генератора мощность Pk , ко-

торая, делится (принимаем) поровну, между N возбужденными одновременно колебаниями. Таких колебаний может быть минимум два, это определяется рассчитанным спектром частот колебаний и вырождением колебаний Н и Е при одинаковых индексах.

дающей с рабочей частотой генератора. Этот момент при конструировании печи должен учитываться.

Как правило, объем диэлектрика Vε всегда много меньше объема камеры V .

Это позволяет, используя метод малых амплитуд [1], определить изменение частоты камеры при внесении образца:

V

Предполагая, что поле в СВЧ камере при возбуждении нескольких колебаний усредняется и не зависит от координат, получим:

Используя полосу рабочих частот генератора, можно определить допуск на объем диэлектрика Vε, и, в соответствии с (4.5), можно оценить толщину разогреваемого образца.

Если в резонатор поместить идеально проводящее не магнитное тело, объем

Согласно (4.38), металлическое тело, вносимое в Е-поле резонатора, как бы вытесняет электрическое поле. Концентрация электрического поля в новом объеме, чуть меньшем, возрастает, отчего эквивалентная емкость резонатора увеличивается. Частота резонатора fm уменьшается по отношению к fR 0 . А помещенное в

магнитное поле тело, как бы увеличивает магнитное поле, появляется дополнительная параллельная индуктивность, а т.к. общая эквивалентная индуктивность