ЭТУ_Куликова_2014

свойств материала и размеров датчика, длины волны лазерного излучения, ориентации силовых линий ЭП относительно датчика, частоты колебаний генератора ВЧ или СВЧ энергии в камере нагрева. Генераторы, применяемые в промышленности, вырабатывают, как правило, высокостабильную по частоте колебаний электромагнитную энергию. Таким образом, при обеспечении постоянства коэффициента K, основные сложности определения плотности энергии будут связаны с измерением ∆N. Особенности измерения этого параметра (в том числе определение дробной части интерференционной полосы) подробно рассмотрены в статье [9], а типичная интерференционная картина, получаемая на экране компьютера, приведена на рисунке 7.6.

Рисунок 7.7 – Распределение плотности электромагнитной энергии на высоте 10 мм от дна камеры СВЧ печи (точки – экспериментальные значения)

Результаты исследования распределения плотности электромагнитной энергии w в камере СВЧ печи с применением полупроводникового лазера марки HLDPM12-655-25 показаны на рисунке

7.7.

Выше изложенный метод нахождения распределения плотности ЭМП можно применять в лабораторных исследованиях, а также в опытноконструкторских работах с целью оптимизации камер ВЧ или СВЧ нагрева

[9].

151

7.4. Генераторы СВЧ. Магнетроны. Волноводы. Объемные резонаторы. Излучатели СВЧ – энергии

СВЧ - генератор – прибор, в котором электрическая энергия постоянного или переменного тока преобразуется в энергию электромагнитного поля сверхвысоких частот.

Основные требования, предъявляемые к источнику СВЧ - энергии, следующие: возможно меньшая стоимость эксплуатации, высокий КПД, высокий уровень выходной мощности, надежность, долговечность и низкая стоимость, как можно больший характеристический вес (отношение выходной ценности к весу), ремонтопригодность, простота конструкции и управления.

В установках диэлектрического нагрева применяют следующие СВЧ - генераторы: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны. Мы остановимся на рассмотрении первых, как наиболее полно удовлетворявших вышеперечисленным требованиям.

Этот тип электронного СВЧ - генератора обладает максимальным КПД при минимальных габаритах в диапазонах частот 2450 и 315 МГц и уровне мощности 1...10 кВт.

Конструктивно магнетрон (рисунок 7.8) представляет собой диод, состоящий из катода, анодного блока, содержащего объемные резонаторы, и устройства для вывода СВЧ - энергии в нагрузку. В конструкции магнетрона входит также и магнитная система, без которой магнетрон не может генерировать СВЧ - энергию. Магнитная система, создавшая необходимое магнитное поле вдоль оси катода, представляет собой электромагнит или постоянный магнит с полюсными наконечниками вне магнетрона.

Анодный блок 2 выполнен в виде массивного медного цилиндра с центральным круглым сквозным отверстием и симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполнявшими роль объемных резонаторов. Каждый резонатор 3 соединяется щелью 4 с центральным отверстием, в котором расположен катод 1. Bce резонаторы связаны один с другим, поскольку переменный магнитный поток одного резонатора замыкается через соседние резонаторы. Кроме того, резонаторы соединены друг другом электрически медными перемычками. Связанные между собой резонаторы образуют замедляющую систему, называемую резонаторной системой магнетрона. Являясь анодом, резонаторная система принимает поток электронов и обеспечивает отвод тепла. Катод изготавливают из вольфрама. Для вывода энергии колебаний в одном из резонаторов предусмотрена петля связи 5. С боковых сторон анод закрыт крышками, образующими вместе с анодом вакуумное пространство. Анод магнетрона имеет высокий положительный потенциал относительно

152

катода. Анод является корпусом магнетрона, поэтому его заземляют. Катод находится под высоким отрицательным потенциалом.

1

2

4

5

6

Рисунок 7.8 – Схема конструкции магнетрона: 1 – катод; 2 – анодный блок; 3 –резонатор; 4 – щель резонатора; 5 – петля связи; 6 – устройство вывода СВЧ -энергии;7 – резонатор колебательной системы

Резонаторы колебательной системы магнетрона 7 занимают область между анодом и катодом. Здесь движутся вышедшие из катода электроны, на которые воздействует постоянное (во времени) радиальное электрическое поле, постоянное (во времени) однородное направленное вдоль оси катода магнитное поле и переменное высокочастотное электрическое поле, создаваемое между сегментами анода резонаторной системы магнетрона. Перемещаясь от катода к аноду под действием постоянного электрического поля, электроны приобретает радиальную скорость. Так как постоянное магнитное поле направлено вдоль оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), то оно изменяет направление движения электронов: они как бы «закручивается» вокруг катода (рисунок 7.9).

Степень отклонения электронов от прямолинейного движения по радиусам зависит от силы магнитного и электрического полей. Чем сильнее магнитное поле и слабее электрическое, тем больше искривляется путь электронов. Магнитное поле не изменяет скорости электронов, а лишь изменяет траектории их движения.

При возбуждении резонаторной системы электрическое СВЧ - поле проникает через щели резонаторов в промежуток анод-катод с определенной периодичностью. Это поле либо тормозит электроны, либо дополнительно ускоряет их. Замедленные электроны отдают СВЧ - полю свою энергию и поддерживают колебание в резонаторах, смещаясь к резонаторной системе и увеличивая среднюю скорость.

153

Рисунок 7.9 – Траектория движения электронов в колебательном резонаторе магнетрона

Наиболее выгодным является такой режим работы магнетрона, когда колебания в соседних резонаторах сдвинуты по фазе на полупериод. В этом случае также через полпериода появляется тормозящее поле. Полпериода – это время, за которое электроны должны пролететь расстояние между щелями, что обеспечивается подборкой напряженности магнитного поля и анодного напряжения. Преобразование энергии электронов в энергии СВЧ - поля продолжается до тех пор, пока отдающие энергию электроны не достигнут анода. Электроны, попадающие в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию, отходят от резонаторной системы, возвращаются на катод, вызывая вторичную эмиссию и дополнительный разогрев катода.

Вобщей сложности электронный поток отдает СВЧ - полю больше энергии, чем ее отбирает, поэтому в магнетроне возникают незатухающие колебания.

Впространстве между катодом и анодом происходит группирование электронов. Электроны, вылетевшие из катода и попадающие в ускоряющее поле, после одного оборота возвращаются на катод. Это является причиной того, что против щелей, у которых в данный момент создается ускоряемое поле, электронов меньше, чем против щелей, у которых создается тормозящее поле (рисунок 7.10).

Электронный поток разбивается на несколько «спиц» в зависимости от количества резонаторов в магнетроне.

Через полпериода направление поля в резонаторах меняется на противоположное и «спицы» электронов перемещаются на один резонатор. Энергия высокой частоты, создаваемая в резонаторной системе движением электронов, переходит через выходное устройство одного из резонаторов анодного блока в нагрузку.

154

Рисунок 7.10 – Поперечный разрез многорезонаторного магнетрона

Вольт-амперной характеристикой магнетрона (рисунок 7.11) называется зависимость анодного напряжения UA от анодного тока IA при постоянной величине магнитного поля Н.

При малых анодных напряжениях (при Н=const) средняя переносная скорость электронов меньше фазовой скорости распространения электромагнитной волны вдоль анодной системы, условие синхронизма не соблюдается, поэтому высокочастотные колебания практически не возбуждаются, и почти все электроны, вылетевшие с катода, возвращаются обратно на катод.

При достижении анодным напряжением порогового значения начинают возбуждаться интенсивные колебания, и в этой области при незначительном увеличении анодного напряжения резко возрастает анодный ток.

Увеличение напряженности магнитного поля сдвигает ВАХ в сторону анодного напряжения. По ВАХ определяется статическое сопротивление магнетрона – сопротивление постоянному току ( R U A / I A ) и динамическое сопротивление, равное отношению соответствующих приращению анодного напряжения и анодного тока (Rдин=UA/IA). Значения этих сопротивлений используются при проектировании источника питания магнетрона.

Благодаря своим достоинствам – высокий КПД, простота изготовления, компактность, надежность, низкое анодное напряжение, отсутствие рентгеновского излучения – магнетрон является самым распространенным и перспективным генератором для установок диэлектрического нагрева.

Для передачи СВЧ - энергии от генератора к рабочей камере установки диэлектрического нагрева используются волноводы, имеющие прямоугольное сечение.

155

Волновод представляет собой устройство, ограничивающее область распространения электромагнитных колебаний и направляющее поток СВЧ - энергии в заданном направлении. Волноводы выполняются в виде голых металлических труб различного поперечного сечения (прямоугольного, круглого, П - образного, Н -образного).

UA

Потери энергии на излучение в волноводах отсутствуют, так как все электромагнитное поле заключено внутри волновода.

Простейшим типом электромагнитной волны в волноводе является плоская поперечная волна, в которой силовые линии электрического и магнитного полей расположены в поперечных плоскостях, перпендикулярных направлениям распространения волны.

Вэлектромагнитной волне электрическое и магнитное поля изменяются во времени и пространстве по закону синуса. Изменение электрического поля в какой-либо точке пространства всегда сопровождается появлением и изменением магнитного поля и наоборот. Оба поля существует совместно и одновременно, образуя единое электромагнитное поле. В распространяющейся или «бегущей» волне изменения электрического и магнитного полем совпадают по фазе. Другими словами, нарастание одного поля соответствует нарастании другого, и максимума амплитуд они достигает одновременно, магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми, а электрические силовые линии либо идут от заряда одного знака к заряду противоположного знака, либо, как и магнитные силовые линии, могут быть замкнутыми.

Вволноводе прямоугольного сечения могут распространяться волны различных типов. Но основным является волна H . У H – волн напряженность магнитного поля H имеет поперечную и продольную составляющую, а вектор электрического поля расположен в плоскости поперечного сечения волновода, т.е. имеет только поперечную составляющую. Индексы обозначают класс волны. Первая цифра для волн

впрямоугольном волноводе характеризует изменение электромагнитного

156

поля вдоль широкой стенки волновода (0 – если изменения нет, т.е. оно постоянно; 1 – изменения на полупериоде; 2 – изменения на полном периоде и т.д.). Второй индекс характеризует изменение поля вдоль узкой стенки. В H – волне вдоль широкой стенки волновода расположена одна ячейка поля (т.е. электрическое поле в поперечном сечении имеет один максимум), а в направлении, параллельном узкой стенке (по высоте волновода), поле не меняется (рисунок 7.12).

Для определения длины волны волновода необходимо знать критическую длину волны данного волновода.

Критической длиной волны ( кр ) называется такая максимальная длина

волны, при которой в данном волноводе электромагнитные колебания не распространяются. Критическая длина волны зависит от формы и размеров поперечного сечения волновода.

E,Hпопер

Hпрод

E, H

а)7 b

а

Нпрод

iпопер

Рисунок 7.12 – Структура поля волны H в волноводе прямоугольного сечения: а – в поперечном сечении; б – вдоль продольной оси волновода

157

В прямоугольном волноводе критическая длина волны рассчитывается по формуле

прямоугольном волноводе.

Если электромагнитная волна распространяется по волноводу от генератора к нагрузке и полностью в ней поглощается, то в волноводе устанавливается режим бегущей волны. Если в месте нагрузки замкнуть волновод накоротко, то вся мощность отразится обратно и в виде отраженной волны будет распространяться к генератору: в волноводе устанавливается режим стоячей волны.

Стоячая волна в волноводе характеризуется коэффициентом стоячей волны напряжения (КСВН), который равен отношению поля в максимуме к полю в минимуме стоячей волны. Для бегущей волны КСВН=1 (нагрузка идеально согласована с волноводом). При полном отражении этот коэффициент равен бесконечности. Хорошим согласованием считается, когда КСВН=1,05...2. При КСВН=2 от нагрузки отражается только 11 % падающей мощности.

СВЧ устройство, позволяющее накапливать электромагнитную энергию, называется объемным резонатором.

Конструкция резонаторных камер обеспечивает равномерный нагрев внутреннего объема камеры, занятого диэлектриком. Резонаторные камеры выполняются в виде прямоугольных объемных резонаторов, линейные размеры которых в 5...6 раз превышают длину волны генератора.

Благодаря отдельным фазовым соотношениям между подводимой волной и волнами, отраженными от элементов волновода, ограничивающих полость собственно резонатора, в объемном резонаторе достигается резонанс.

Простейший резонатор представляет собой отрезок прямоугольного волновода, ограниченный металлическими стенками, одна из которых имеет отверстие для ввода энергии. Работает такой резонатор в режиме стоячей волны.

В волноводе, подводящем энергию, помимо прямой волны существуют отраженные от входной стенки резонатора волны, которые проникают через отверстие связи в сторону генератора. Собственно, в резонаторе распространяются просачивающиеся в него волны и волны, отраженные от обеих стенок. Геометрические размеры резонатора выбирает так, чтобы «просачивающаяся» волна, уже прошедшая резонатор, отраженная от замыкавшей стенки и вернувшаяся к входной стенке, попадала бы в фазу новой «просочившейся» волны. В этом случае происходит суммирование

158

или накопление энергии, вводимой в резонатор. Длина резонатора при этом должна быть равна примерно целому числе полуволн в нем.

Встационарном режиме волна, отраженная от входной стенки, полностью компенсируется просочившейся из резонатора волной и происходит согласование резонатора с подводящим энергию волноводом.

Врезонаторе существует более десяти видов различных колебаний, каждое из которых характеризуется своим распределением электрическом

имагнитного поля внутри объема резонатора. Резонаторы, в которых может быть одновременно возбуждено несколько видов колебаний, называются многомодовыми. Многомодовый резонатор представляет

собой параллелепипед, размеры a, b и lрез которого соизмеримы. Геометрические размеры параллелепипеда близки к кубу, но кубом параллелепипед не является, что обеспечивает практически равномерный спектр резонансных длин волн различных колебаний или резонансных частот.

Например, для рабочего диапазона длин волн 12,6±0,252 см (2375±50 МГц) практически равномерный спектр резонансных длин волн и

резонансных частот достигается при соотношениях a×b×lрез=52×57×58 (или 56×57×60) см.

Основными параметрами резонатора являются: резонансная частота

представляющая собой меру активных потерь в резонаторе. Добротность резонатора пропорциональна отношению накопленной в резонаторе энергии к энергии, рассеиваемой в нем за период электромагнитных колебаний.

В технологических установках требуется передавать в рабочую камеру СВЧ мощность высокого уровня, измеряемую киловаттами в непрерывном режиме, для чего из всего многообразия типов возбуждающих устройств могут быть использованы лишь те, которые имеют достаточную электрическую прочность. Таким возбуждавшим устройством является открытый конец прямоугольного волновода, расположенный в соответствующем месте стенки рабочей камеры (рисунок 7.13).

Открытый конец волновода помещают там, где у требуемых видов колебаний в резонаторе располагаются кучности магнитного поля. При этом направление силовых линий магнитных полей должно быть параллельным как в возбуждающем волноводе с волной Н10 ,так и для рабочего вида колебаний в камере.

На рисунке. 7.13 представлена рабочая камера и два возбуждаюших ее волновода. Применением двух вводов достигается увеличение числа возбуждаемых в заданном диапазоне видов колебаний и увеличение равномерности нагрева диэлектрика.

159

Для исключения передачи СВЧ энергии из одного ввода в другой применяют различную их поляризацию, при которой вектор Е в волноводе 2 перпендикулярен вектору Е в волноводе 3.

Излучатели СВЧ - энергии представляют собой передающие антенны, направляющие СВЧ - энергию на обрабатываемый участок материала.

Например, подобные устройства необходимы при воздействии на культуры микроорганизмов.

Простейшим СВЧ - излучателем является открытый конец волновода (рисунок 7.14). Для ограничения сверхвысокочастотных токов по фланцу примечают специальные канавки 1, заполненные поглощающим материалом.

1

a

Рисунок 7.13 – Возбуждение рабочей камеры устройств диэлектрического нагрева:1 – рабочая камера; 2 и 3 – прямоугольные волноводы от СВЧ – генератора с рабочими длинами λ1 и λ2

Рисунок 7.14 – СВЧ - излучатель в виде открытого конца волновода прямоугольного сечения: 1 – канавки, b – размер узкой стенки волновода

160