Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

141

резонатора уменьшается, то частота резонатора увеличивается. Следовательно, если перемещать периодически проводящее тело из области электрического поля в область магнитного поля, то можно получать небольшое уменьшение или увеличение частоты камеры относительно резонансной. Эта возможность регулировки частоты используется в некоторых камерах СВЧ печи, где применяются так называемые "мешалки" полей. Их роль состоит в настройке резонансной частоты того или иного вида колебания на частоту работающего генератора fR . Ис-

пользование "мешалок" приводит к улучшению равномерности распределения электрического поля по объему камеры [6] разогреваемый объект при этом неподвижен. Если помещать мешалки вблизи ввода энергии в камеру, то они будут отражать некоторую часть энергии. Это также будет приводить к изменению частоты генератора СВЧ.

"Мешалки" выполняются из тонкого алюминия, имеют вид 4-х или 5-и лопастного вентилятора (лопасти посажены на ось свободно). Края каждой лопасти загнуты (высота загиба 2-3 см) и слегка развернуты (рис. 4.12,а).

Загнутыми краями лопастей "мешалка" обращена к стенке камеры, в которой расположен ввод энергии в виде открытого конца волновода, впаянного краями в стенку в камеру. "Мешалки" от рабочего объема камеры частично экранированы алюминиевой пластинкой с отверстием 150×150 мм, симметрично расположенным против открытого волноводного ввода. Пластинка лежит свободно на диэлектрическом фторопластовом поддоне. Поток теплого воздуха после охлаждения магнетрона поступает в камеру на лопасти "мешалок" и приводит их в движение. Лопасти вращаются и при этом частично как бы перекрывают открытый конец волновода (рис. 4.12,б). Изменяется сопротивление излучения и возникает в волноводном тракте отраженная волна.

В последнее время в СВЧ печах вместо мешалок используются вращающиеся столики, это позволило уменьшить объем камеры. Вращающийся столик даже при малом числе колебаний позволяет равномерно разогревать объект и плавно изме-

142

нять сопротивление камеры в плоскости ввода энергии. Изменилась конструкция ввода энергии в резонатор. Камера внутри покрыта фторопластовой пленкой. Столик вращающийся, посуда выполняются из стекла.

Отметим, что при нагревании изменяются габариты, плотность вещества, испаряется вода, что приводит к уменьшению параметров εr и tgδ (рис. 4.13) и ко-

эффициента затухания, все это изменяет сопротивление камеры Zk на входе открытого конца волновода.

Оценка мощности, поступившей в камеру нагрева, выполняется легко,

если известны волновое сопротивление волновода и входное сопротивление СВЧ камеры. Стоячие волны в тракте между камерой и магнетроном характеризуются коэффициентом стоячей волны Kст , равным:

Kст = Umax ,

Umin

где Umax - напряжение в пучности;

Umin - напряжение в узле стоячей волны.

143

Допустимая величина Kст для работающих в СВЧ печах магнетронов 1 £ K ст < 3 , иначе сокращается срок службы генератора. В случае Kст > 3 отражен-

ная волна возвращается в магнетрон, изменяет структуру поля в его пространстве взаимодействия и отдача энергии электронами нарушается. При неизменной величине подводимой мощности не израсходованная электронами энергия попадает на анод и частично на катод магнетрона, которые сильно перегреваются, что сокращает срок службы. К тому же, отраженная волна вызывает изменение частоты и уменьшение, в соответствии с нагрузочными характеристиками, мощности магнетрона на выходе. Изменение частоты приведет к нарушению числа и видов колебаний в СВЧ печи в полосе частот 2450 ± 50 МГц. А это вызовет или не равномерный разогрев диэлектрика в камере, или его недостаточную температурную обработку.

Предположим, что сопротивление открытого конца волновода Zw и входное

Pген ,. В случае стоячих волн (будет при изменении сопротивления камеры Zk )

ние камеры Z kr в рабочем режиме.

Величина электрического поля Е в камере может быть определена из соотно-

Дверца СВЧ камеры должна удовлетворять следующим требованиям: хо-

рошая видимость продукта и отсутствие излучения ЭМ поля.

Обзор продукта обеспечивается окнами, а защита от СВЧ излучения через окна и контакты дверцы с камерой - специальными их конструкциями.

Для предотвращения излучения непосредственно из окна последнее либо выполняется из диэлектрических материалов с металлическими присадками (свинцовые стекла), либо делается из стекла "пирекс" и покрывается перфорированной металлической пленкой – сеткой. Коэффициент прозрачности такой плен-

144

ки высок, поэтому обрабатываемый продукт хорошо виден. Коэффициент излучения определяется размерами отверстий, расстоянием между ними и может быть определен (в децибелах) по номограмме рис. 4.14 [10] или по формуле, приведенной на том же рисунке.

Чтобы дверки СВЧ печей были герметичны по высокой частоте, используются бесконтактные дверные ловушки (рис. 4.15).

В точках k − f (рис. 4.15,г) короткое замыкание, в точках c − e - дверной контакт, в точках a − b - вход в ловушку.

Входное сопротивление Zвх однородного участка линия определяется [5] в

где l - длина однородного участка линии;

Zc - сопротивление нагрузки линии на конце участка;

145

147

Применение калориметрического метода для измерения СВЧ мощности является частным случаем его использования в области физических исследований [1, 2]. Широкое применение этого метода оправдано простотой превращения энергии электрического тока в теплоту. Устройство калориметрических ваттметров СВЧ весьма разнообразно и определяется в основном уровнем мощности, диапазоном частот и требуемой точностью.

Все калориметры можно разделить на две большие группы. Это калориметры с переменной температурой, в которых мощность определяется по изменению температуры рабочего тела калориметра, и калориметры с постоянной температурой. Тепловые процессы, происходящие в калориметре, в зависимости от оболочки калориметра могут носить адиабатический или изотермический характер. Для калориметрического тела с неидеальной изоляцией уравнение теплового равновесия имеет вид:

ла; — скорость изменения температуры рабочего тела; θ — разность температур рабочего тела и окружающей среды; Rтпл — тепловое сопротивление меж-

ду рабочим телом и окружающей средой.

Общее решение уравнения (4.44) запишем как:

где R тплcto - тепловая постоянная времени калориметрической системы.

При идеальной теплоизоляции рабочего тела уравнение (4.44) упрощается:

Решение уравнения (4.46) дает линейную зависимость температуры рабочего те-

ла от времени (рис. 4.16), если Р = const, ct o = const .

При конечном, но достаточно большом значении теплового сопротивления скорость изменения температуры в начальный период практически такая же, как

лых значениях Rтпл время установления температуры уменьшается, но одновременно уменьшается и степень разогрева рабочего тела.

На практике применяют устройства как с большим, так и с малым значением Rтпл. В первом случае величину измеряемой мощности определяют исходя из

скорости изменения температуры рабочего тела dθ / dt в момент подачи мощности, а во втором — по разности температур θ в установившемся режиме.

Калориметры с переменной температурой

К этой группе приборов относятся как статические, так и проточные калориметрические ваттметры. В статических приборах рабочее тело приемного

148

преобразователя, где энергия СВЧ колебаний превращается в тепловую, неподвижно и в процессе измерения не изменяет формы и физических свойств.

В проточных калориметрах содержится жидкость, играющая роль переносчика тепла от рабочего тела во внешнюю среду. Если для этих целей используют дистиллированную воду или растворы на ее основе, то в силу ее большой поглощающей способности на частотах свыше 500 МГц (tgδ > 0,01, рис. 4.17) она может одновременно выполнять роль объемного поглотителя мощности СВЧ в приемных преобразователях (калориметрических нагрузках) и является, таким образом, рабочим телом калориметра.

Рабочим телом для статических калориметров может служить как вода, так и твердые объемные и пленочные поглотители. В случае использования твердых материалов приборы называют «сухими» калориметрами. При высокой степени тепловой изоляции калориметрического тела величину измеряемой мощности определяют умножая известное значение теплоемкости рабочего тела на скорость изменения его температуры по формуле (4.46). В формулу подставляют значения теплоемкости в джоулях на градус Цельсия. Если теплоемкость выражена на градус Цельсия, то справедливо выражение

4.2.2.Болометрические методы

Воснову приборов, использующих болометрический метод, положено изменение сопротивления резистивного термочувствительного элемента под действием энергии СВЧ, превращенной им в теплоту. Изменение сопротивления термочувствительного элемента, пропорциональное подводимой СВЧ мощности, измеряют с помощью мостовых измерительных устройств, в одно из плеч которых он включен. На СВЧ применяют два вида термочувствительных элементов — болометры и термисторы (терморезисторы). В зависимости от вида применяемого термочувствительного элемента ваттметры называют болометрическими или термисторными.

149

Основными узлами болометрических и термисторных ваттметров являются приемные преобразователи, измерительное и отсчетное устройства.

Приемные преобразователи. Приемный преобразователь — это отрезок СВЧ тракта, на конце которого включен термистор или болометр. Эти элементы выполняют роль оконечной нагрузки и именно в них энергия. СВЧ превращается в тепловую.

Термисторы изготовляют из полупроводниковой массы в виде бусинки диаметром 0,2 — 0,5 мм (рис. 4.18, а) или цилиндра диаметром 0,2—0,3 мм и длиной 1—1,5 мм (рис. 4.18, б). Полупроводниковая масса представляет собой порошкообразную смесь окислов меди, марганца, кобальта, титана и др., спекаемую в определенной среде. В электрическую цепь термистор включают с помощью вваренных в его тело выводов), 3 из платины, платино-иридиевого или платино-ролиевого сплава. Диаметр

выводов 25—50 мкм. Чтобы увеличить проводимость полупроводниковой массы, в нее добавляют порошок меди. Для жесткости конструкции термисторы типов Т8, Т9, ТШ, ТВ помещают в стеклянный баллон диаметром до 3 мм и длиной до 10 мм с проволочными выводами диаметром 0,8 мм. Широкое распространение получили также безбаллонные термисторы типа ТШ-1, терморезисторы СТЗ-18, "ТЗ-29, на базе которых созданы высокочастотные термисторные коаксиальные вставки.

Болометры представляют собой тонкую металлическую проволоку длиной 0,8—1,2 мм (проволочные болометры) или тонкую металлическую пленку (из платины, палладия), нанесенную в вакууме на основание (подложку) из стекла или слюды (пленочные болометры). Для изготовления проволочных болометров применяют платиновую проволоку диаметром 1 мкм. Плёночные болометры бывают нитевидными (рис. 4.19) и плоскими (рис. 4.20). В нитевидных тонкопленочных болометрах основанием служит нить из стекловолокна диаметром 3 мкм, а в плоских — слюда толщиной 30—50 мкм. Нитевидные болометры устанавливают на опорах в зазоре между серебряными электродами, которые наносят на слюдяной диск (основание), вжиганием (рис. 4.19). Механиче-

150

ское крепление и электрический контакт болометров с электродами осуществляют с помощью токопроводящей массы. Опора из нитей стекловолокна обеспечивает зазор между основанием и болометром, необходимый для согласования и создание определенного теплового режима.

Для включения в линию передачи болометры имеют серебряные или платиновые контакты. Серебряные контакты изготавливают вжиганием серебряной пасты или напылением в вакууме серебряной пленки на подслой из никеля или

(Oм) — сопротивление постоянному току, при котором болометр (термистор) согласуется с волновым сопротивлением линии передачи;

-температурный коэффициент сопротивления

Рис. 4.20. Виды плоских болометров для коаксиальных (а) и волноводных (б) трактов: 1 — контакт; 2 — термочувствительная пленка; 3— основание из слюды.

т. е. относительное изменение сопротивления в результате изменения температу-

ры, 1/° С;

— постоянная рассеяния

т. е. отношение приращения мощности, рассеиваемой в болометре (термисторе), к возникающему в результате этого повышению его температуры по сравнению с температурой окружающей среды, Вт/° С;

— чувствительность

температуры болометра (термистора) при изменении его теплового режима и выражается временем, в течение которого предварительно нагретый болометр (термистор) остывает в е раз по сравнению с первоначальной разностью температур относительно окружающей температуры;