СВЧ технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Данная контрольная работа ставит задачу дать физические представления о работе электронных приборов СВЧ и их применении в различных отраслях народного хозяйства, в частности, в пищевой промышленности, а также дать некотрые данные по волновым приборам, нагреву и сушки материалов с помощью СВЧ энергии.

Если в 40-х -- 50-х годах электроника СВЧ в основном служила потребностям радиолокации и связи, то в последние годы она все шире применяется во многих отраслях хозяйства, ускоряя научно-технический прогресс, повышая эффективность и качество производства.

Появлению новых областей применения мощной СВЧ электроники способствует ряд специфических свойств электромагнитных колебаний этого диапазона частот, которые позволяют создать неосуществимые ранее технологические процессы или значительно их улучшить. К ним относятся, например: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; возможность серийного изготовления простых по конструкции и удобных в эксплуатации мощных генераторов СВЧ энергии, с помощью которых могут осуществляться полимеризация и упрочнение различных изделий и материалов, в частности шин и лакокрасочных покрытий, упрочнение металлов, стабилизация параметров полупроводников и т.д.; все более широкое применение получают нагрев и сушка с помощью СВЧ различных материалов, в частности приготовление пищи, пастеризация молока и т.п.

1. Особенности нагрева диэлектриков в диапазонах УВЧ и СВЧ

В подавляющем большинстве случаев нагрев каких -- либо физических тел производится путем передачи тепла снаружи во внутрь за счет теплопроводности.

На СВЧ при рациональном подборе частоты колебаний и параметров камер, где происходит преобразование СВЧ энергии в тепловую, можно получить относительно равномерное выделение тепла по объему тела. Эффективность преобразования энергии электрического поля в тепло возрастает прямо пропорционально частоте колебаний и квадрату напряженности электрического поля. При этом следует отметить простоту подачи СВЧ энергии практически к любому участку нагреваемого тела.

Важное преимущество СВЧ нагрева -- тепловая безынерционность, т.е. возможность практически мгновенного включения и выключения теплового воздействия на обрабатываемый материал. Отсюда высокая точность регулировки процесса нагрева и его воспроизводимость.

Достоинством СВЧ нагрева является также принципиально высокий КПД преобразования СВЧ энергии в тепловую, выделяемую в объеме нагреваемых тел. Теоретическое значение этого КПД близко к 100%. Тепловые потери в подводящих трактах обычно невелики, и стенки волноводов и рабочих камер остаются практически холодными, что создает комфортные условия для обслуживающего персонала.

Важным преимуществом СВЧ нагрева является возможность осуществления и практического применения новых необычных видов нагрева, например избирательного, равномерного, сверхчистого, саморегулирующегося.

Избирательный нагрев основан на зависимости потерь в диэлектрике от длины волны, т.е. зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ? как функции длины волны ? . При этом в многокомпонентной смеси диэлектриков будут нагреваться только те части, где высокий tg ?.

Равномерный нагрев. Обычно передача тепла осуществляется за счет конвекции, теплопроводности и излучения. Отсюда неизбежен температурный градиент (перепад) от поверхности в глубину материала, причем тем больший, чем меньше теплопроводность. Уменьшить или почти устранить большой градиент температур можно за счет увеличения времени обработки. Во многих случаях только за счет медленного нагрева удается избежать перегрева поверхностных слоев обрабатываемого материала. Примерами таких процессов является обжиг керамики, получение полимерных соединений и т.п. С помощью СВЧ энергии можно не только равномерно нагревать диэлектрик по его объему, но и получать по желанию любое заданное распределение температур. Поэтому при СВЧ нагреве открываются возможности многократного ускорения ряда технологических процессов.

Сверхчистый нагрев. Если при нагреве газовым пламенем, а также с помощью дуговых горелок происходит загрязнение материалов, то СВЧ энергию можно подводить к обрабатываемому материалу через защитные оболочки их твердых диэлектриков с малыми потерями. В результате загрязнения практически полностью устраняются. Кроме того, помещая нагреваемый материал в откачанный объем или инертный газ, можно устранить окисление его поверхности. Загрязнения от диэлектрика, через который подводится СВЧ энергия, весьма малы, т.к. в случае малых потерь даже при пропускании большой СВЧ мощности этот диэлектрик остается практически холодным.

Саморегулирующийся нагрев. При нагреве для целей сушки качество получаемого материала существенно улучшается за счет того, что нагрев высушенных мест автоматически прекращается. Объясняется это тем, что тангенс угла диэлектрических потерь таких материалов, как, например, дерево, прямо пропорционален влажности. Поэтому с уменьшением влажности в процессе сушки потери СВЧ энергии уменьшаются, а нагрев продолжается только в тех участках обрабатываемого материала, где еще сохранилась повышенная влажность.

2. Получение СВЧ энергии большой мощности

Чтобы применение СВЧ энергии было экономически оправдано, необходимо выбирать такие СВЧ приборы, которые имели бы в сочетании следующие характеристики: высокий КПД преобразования энергии промышленной частоты в СВЧ энергию (не менее 50%, а лучше 70% -- 90%) ; высокий уровень выходной мощности в непрерывном режиме (около 1 кВт и более); простые и дешевые источники питания (желательно питать СВЧ прибор, непосредственно подключая его к вторичной обмотке силового трансформатора промышленной электросети без выпрямителей и фильтров); простота конструкции, надежность, большой срок службы (не менее 2 -- 5 тысяч часов); возможность эффективной работы при переменной нагрузке.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют магнетроны, пролетные многорезонаторные клистроны и амплитроны.

Наибольшее распространение в качестве источника СВЧ энергии получили магнетроны. Относительная простота конструкции малые размеры и высокий КПД делают их наиболее пригодными для использования во многих областях СВЧ энергетики. Опыт применения магнетронов и исследования их свойств привели к тому, что в настоящее время они почти исключительно применяются в промышленных СВЧ установках.

Рассмотрим подробнее работу магнетрона непрерывного действия в качестве источника СВЧ энергии для промышленного применения.

3. Резонаторные камеры для установок СВЧ нагрева диэлектриков

диэлектрик нагрев резонаторный

Конструкция резонаторных камер должна быть такой, чтобы внутри них нагрев был одинаков в любой части внутреннего объема, занятого обрабатываемым диэлектриком. С другой стороны, объем камер должен быть достаточно большим, чтобы в течение каждого цикла обрабатывать значительное количество материала и полностью использовать мощность СВЧ генератора. Как уже говорилось, для промышленного применения выделены небольшие участки спектра электромагнитных излучений, поэтому произвольно выбирать рабочую длину волны нельзя. Одним из наиболее удобных диапазонов для нагрева диэлектриков является диапазон волн вблизи 12,6 см (2375 ±50 МГц).

Исходя из приведенных требований в устройствах СВЧ нагрева находят применение резонаторные камеры в виде прямоугольных объемных резонаторов, линейные размеры которых в 5 -- 6 раз превышают длину волны генератора. В подобном резонаторе может существовать несколько различных видов колебаний (более десяти), у каждого из которых свое распределение электрического и магнитного полей внутри объема резонатор+а. Такие резонаторы называются многомодовыми, т.е. в них может быть одновременно возбуждено несколько видов колебаний.

Размеры и параметры объемных резонаторов могут быть рассчитаны на ЭВМ и оптимизированы. Задача оптимизации состоит в том, чтобы выбрать такие размеры резонатора, при которых в нем можно было бы возбуждать только определенные виды колебаний, а интерференция между ними давала бы возможно более равномерное поле по объему. При этом возбуждающие колебания устройства должны устанавливать строго определенные соотношения между амплитудами тех видов колебаний, которые дают суммарное равномерное поле.

Несколько иной способ получения равномерности нагрева -- это применение двух или более генераторов, работающих на разных, но обычно близких частотах, или введение изменения во времени генерируемой длины волны в некоторых возможных пределах ±??.

Чем ближе по шкале длин волн расположены виды колебаний рассматриваемого многомодового резонатора, тем меньшее изменение длины волны генератора оказывается достаточным для улучшения равномерности нагрева и получения равномерного электромагнитного поля в нем даже при слабой загрузке резонатора обрабатываемым диэлектриком.

Для СВЧ нагрева наиболее пригодны такие многомодовые резонаторы, у которых резонансные длины волн различных видов колебаний расположены по шкале длин волн не сгустками, а возможно более равномерно. Это получается, когда размеры резонатора a, b и lрез соизмеримы, но не равны, т.е. когда резонатор представляет собой параллелепипед, близкий к кубу, но не куб (рис. 1).

Рис. 1. Возбуждение рабочей камеры устройств нагрева диэлектриков:

1 -- рабочая камера; 2 и 3 -- прямоугольные волноводы от СВЧ генераторов с рабочими длинами волн l1 и l2.

Если резонансные частоты двух или нескольких видов колебаний равны между собой, то такие виды колебаний называются вырожденными. В кубическом резонаторе имеется шестикратное вырождение многих видов колебаний, а в третьем и в четвертом -- двух- и иногда трехкратное вырождение. Вот почему в этих резонаторах меньше резонансных частот, чем в первом и во втором, при одной и той же рассматриваемой полосе рабочих длин волн.

Возбуждение рабочих камер. Так как в промышленных установках необходимо передавать в рабочую камеру СВЧ мощность высокого уровня, измеряемую киловаттами в непрерывном режиме, то из многих типов возбуждающих устройств оказываются пригодными только такие, которые имеют достаточную электрическую прочность. К подобным возбуждающим устройствам, например, относится открытый конец прямоугольного волновода, расположенный в соответствующем месте стенки рабочей камеры (см. рис. 1).

4. СВЧ нагрев движущихся диэлектрических лент и изделий круглого поперечного сечения

Применение СВЧ нагрева движущихся лент позволяет существенно поднять производительность установок нагрева и во многих случаях значительно улучшить качество выпускаемой продукции. Так, полимеризация в СВЧ полях капроновых канатов увеличивает их прочность на разрыв в несколько раз. При СВЧ сушке стеклоленты удается понизить ее конечную влажность до 1% и увеличить скорость процесса до 4 -- 5 м/мин. Длина камеры, в которой происходит сушка, составляет 1 м при СВЧ мощности на входе 1,5 кВт. Сушка СВЧ нагревом бумажной ленты на бумагоделательных комбинатах позволяет увеличить скорость протягивания ленты через сушильную камеру с 8 до 100 м/мин.

Первоначально в высокочастотных установках для фиксации и сушки крученых изделий из синтетических волокон обрабатываемые изделия протягивали между пластинами конденсаторов.

Главными недостатками этих установок являлись низкий КПД, сложность экранирующих конструкций и электрические пробои при влажном состоянии изделий. Эти недостатки можно устранить, применив в качестве основы камеры сушки и фиксации ЗС, по продольной оси которой протягивается крученое волокно, а на конце ЗС подключается согласованная нагрузка (рис. 2), которая служит для поддержания режима бегущей волны в ЗС. Обеспечение равномерности нагрева по толщине. Для тонких лент (бумаги, стеклоткани и т.п.) проблемы неравномерности нагрева по толщине не возникает, поскольку толщина лент меньше (обычно в 200 -- 500 раз) рабочей длины волны и нагревающее электрическое СВЧ поле практически не меняется по толщине материала. Иное дело для материала круглого поперечного сечения (капроновые канаты, сосисочный фарш и пр.), где диаметр поперечного сечения соизмерим с рабочей длиной волны (скажем, более 0,1?), особенно если диэлектрическая проницаемость материала велика и равна нескольким десяткам. Тогда электрическое СВЧ поле, а следовательно, и нагрев по сечению могут быть крайне неравномерны. Ели не добиться равномерности выделения тепла по сечению, то выравнивание температуры будет происходить за счет теплопроводности и тогда, чтобы не перегреть области с сильным полем, придется снижать мощность СВЧ нагрева и удлинять время обработки. В результате преимущества СВЧ нагрева могут быть сведены к нулю. Рассмотрим конкретный пример.

Для получения равномерного нагрева по радиусу следует применить замедляющую систему осесимметричного типа с замедлением, равным 2 -- 3 . Это сравнительно небольшое замедление характерно для ЗС типа цепочки связанных резонаторов или диафрагмированного волновода. Именно такая ЗС и применяется в установке для термообработки, например сосисочного фарша, схематически показанной на рис. 4.

Рис. 4. Схема СВЧ нагревателя для термообработки сосисочного фарша:

1 -- ЗС типа «диафрагмированный волновод»; 2 -- кварцевая трубка, заполненная фаршем; 3 -- коаксиально-волноводный переход; 4 -- дрехдецибельный мост для деления мощности СВЧ генератора пополам; 5 -- короткозамыкающие поршни в прямоугольном волноводе; 6 -- согласующие секции диафрагмированного волновода.

Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной на рис. 4. Во-первых, СВЧ энергия от генератора разветвляется на две равные части в трехдецибельном волноводном мосте и подается с обоих концов ЗС типа цепочки связанных резонаторов (диафрагмированного волновода) навстречу друг другу через коаксиально-волноводные переходы. В этом случае получается более «мягкий» нагрев обрабатываемого материала, а генератор предохраняется от отражений в периоды отсутствия сырья. Длина рабочей части ЗС выбрана такой, чтобы встречные волны при заполнении центральной части ЗС фаршем, т.е. диэлектриком с большими потерями, затухали немного дальше середины волновода. Диаметр d выбирают таким, чтобы в пределах этого отрезка коаксиальной линии не было высших типов волн, а могла распространяться только волна типа ТЕМ. Согласование прямоугольного волновода с ЗС осуществляется экспериментально путем подбора положения короткозамыкающих поршней диаметра внешнего проводника первой секции ЗС и формы утолщения центрального проводника в коаксиально-волноводном переходе.

5. Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны)

Свойства электронно-ионной плазмы. Плазма -- это состояние вещества, находящегося в газообразном состоянии, в котором большое количество атомов и молекул ионизированно; атомы стали ионами, т.е. электрически заряженными частицами, потеряв один или несколько электронов. Кроме ионов в плазме имеются и свободные электроны. Если их заряд приблизительно равен заряду ионов, то такая плазма называется квазинейтральной, т.е. в целом ее электрический заряд равен нулю.

Важным для практического применения плазмы параметром является ее температура T, которая характеризуется некоторой средней скоростью движения свободных электронов к ней. Температура плазмы при СВЧ разряде обычно 6000 -- 7000K. С другой стороны, и электропроводимость плазмы s, и ее диэлектрическая проницаемость e являются функциями температуры T.

Принцип устройства СВЧ плазмотронов заключается в передаче СВЧ энергии веществу, находящемуся в газообразном состоянии, с целью перевода его в плазму. Обычно газ подается под определенным давлением (может быть выше, ниже или равным атмосферному) по диэлектрической, чаще всего кварцевой или керамической трубке, которая должна быть помещена в область максимальной напряженности электрического поля СВЧ колебаний. В стационарном состоянии выход тепла из плазмы полностью компенсируется поступлением в плазму СВЧ энергии, т.е. плазма является активной нагрузкой для генератора СВЧ.

Одним из наиболее простых по конструкции является плазмотрон волноводного типа, схематически изображенный на рис. 5. Разрядная диэлектрическая трубка пропущена через середины широких стенок прямоугольного волновода и перпендикулярно им. Вне волновода разрядная трубка окружена экранирующими металлическими трубками, являющимися запредельными волноводами для СВЧ сигнала, возбуждающего плазму.

Рис. 5. Схема устройства плазмотрона волноводного типа:

1 -- прямоугольный волновод (b -- размер узкой стенки); 2 -- экранирующие запредельные трубки; 3 -- разрядная диэлектрическая трубка; 4 -- плазменный шнур; 5 -- согласованная нагрузка.

Плазма имеет вид шнура или цилиндра с диаметром dпл, на 2 -- 3 см меньшим внутреннего диаметра разрядной трубки D, и длиной, лишь немного превышающей размер узкой стенки прямоугольного волновода b. Плазменный шнур ограничен по длине в тех точках запредельных экранных трубок, где СВЧ мощность уже недостаточна для поддержания разряда, т.е. горения плазмы.

Одним концом плазмотрон волноводного типа присоединен к СВЧ генератору, а другим -- к согласованной нагрузке или к замкнутому на конце отрезку прямоугольного волновода (короткозамыкателю). Одна часть СВЧ энергии поглощается в плазме, а оставшаяся доля частично проходит за разряд и частично отражается от него.

6. Излучатели СВЧ энергии

Излучатели СВЧ энергии фактически представляют собой передающие антенны того или иного типа, направляющие СВЧ энергию на обрабатываемый участок материала; СВЧ излучатели необходимы там, где надо нагревать часть большого предмета.

Подобные излучающие устройства необходимы и при СВЧ сушке некоторых материалов, и при влагометрии, и при стерилизации ран на поверхности тела, и при воздействии на культуры микроорганизмов и т.д.

Рис 6. СВЧ облучатель в виде открытого конца волновода прямоугольного поперечного сечения.

Простейшим СВЧ излучателем является открытый конец волновода (рис. 6).

Меньшую площадь облучения дает излучатель в виде открытого конца H-образного волновода (рис. 7). На этом рисунке пунктиром показана зона максимального нагрева.

Рис. 7. СВЧ облучатель в виде открытого конца H-образного волновода.

Наилучшее согласование со свободным пространством имеет рупорная антенна с корректирующей диэлектрической линзой 1 в ее раскрыве (рис. 8). Она применяется либо для создания плоского фронта СВЧ волн (рис. 8, a), либо фокусировки СВЧ излучения на небольшой площади подобно обычной двояковыпуклой линзы в оптическом диапазоне. Минимальный диаметр пятна в фокусе получаетя примерно равным рабочей длине волны ? (рис. 8, b).

Рис. 8. СВЧ облучатель в виде рупорно-линзовой антенны для создания плоского фронта волны (a) и для фокусировки излучения (b).

На рис. 9 показан рупорно-параболический облучатель, применяемый для раскалывания бетонных плит. При ?=12,6 см и Pизл=2,5 кВт бетонная плита толщиной 200 мм раскалывается через несколько секунд или минут после начала облучения.

Рис. 9. СВЧ облучатель в виде рупорно-параболической антенны.

При использовании электромагнитных волн коротковолновой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов применение резонаторных камер, ЗС и волноводов, в которых производится воздействие СВЧ колебаний на вещество, становится нецелесообразным из-за их малых поперечных размеров. Более эффективно осуществить направленное излучение СВЧ энергии и при этом получить равномерное по интенсивности поле излучения на заданной площади и близкое к нулю поле вне этой площади.

7. Сублимационная сушка

Одним из сравнительно новых способов консервации продуктов обеспечивающих максимальное сохранение вкусовых свойств и качеств свежих продуктов, является сублимационная сушка. При такой сушке хорошо сохраняются витамины, белки и ароматические вещества, продукты имеют малую массу и в герметичной упаковке, например из полиэтиленовой пленки, могут без ухудшения качества храниться многие годы.

В технологическом процессе сублимационной сушки продукты сначала быстро замораживают, потом помещают в вакуумную камеру, где производится откачка давления остаточных газов до 2,7 -- 8 Па. В вакууме происходит интенсивное испарение льда. Этот процесс идет с поглощением тепла. Чтобы в процессе испарения температура продукта не падала слишком сильно, необходимо подводить тепло извне. Это так называемая теплота возгонки.

Сублимационную сушку можно проводить путем теплоизлучения: например, получать тепло от специальных пластин, нагреваемых горячей жидкостью и помещаемых в вакуумной камере вблизи лотков с замороженными продуктами. Постепенно лед будет испаряться (практически полностью), а продукт приобретает вид губки значительно меньшей массы. Испаряемая влага не откачивается насосами, а конденсируется на специальных конденсационных пластинах, охлаждаемых до температуры ниже --55°C. Эти пластины периодически очищают от наросшего льда.

После герметизации в полиэтиленовые пакеты сублимированные продукты можно перевозить и хранить без охлаждения.

Наиболее длительной и сложной технологической операцией при теплоизлучении является возгонка льда, которая в начале процесса сушки проходит при температуре поверхности продукта (-- 40 ??--50)°C. В процессе сушки граница между высушенной и замороженной частями продукта, т.е. поверхность возгонки, постепенно перемещается вглубь, так что снаружи образуется высушенный слой с малой теплопроводностью, который препятствует передаче тепла к внутренним замороженным частям продукта. В результате для сушки теплоизлучением требуется от 8 до 24 ч. Если попытаться сократить это время, то можно перегреть наружные высушенные слои.

Сверхвысокочастотный нагрев позволяет подводить тепло равномерно по всему объему. А это позволяет уменьшить время сушки в 10 раз и более, что обеспечивает в конечном счете не только уменьшение стоимости сушки в 2 -- 5 раз, но и улучшает качество сушеной продукции. Кроме того, появляется возможность создания не камерных, а конвейерных установок для сублимационной сушки. Общие капиталовложения, необходимые для сооружения крупного цеха сублимационной сушки с СВЧ нагревом, примерно на 30% меньше, чем при использовании нагрева за счет теплоизлучения.

Рассмотрим некоторые особенности сублимационной сушки с помощью СВЧ нагрева на примере сушки мяса.

8. Примеры применения СВЧ нагрева для приготовления пищи

В настоящее время СВЧ печи могут найти применение не только в общественном питании (рестораны, столовые, вагоны-рестораны), но и в быту.

Приготовление мяса. Благодаря выделению тепла во всем объеме довести до готовности мясо с СВЧ печи можно всего лишь за 1 -- 5 мин (в сковородке на это требуется 40 мин). Равномерное выделение тепла по объему каждого куска обеспечивает в приготовленном мясе отсутствие непроваренных или непрожаренных мест. Кроме того, при столь быстром подогреве не происходит выпаривание соков, поэтому вкусовые качества получаются более высокими, чем при обычных способах готовки.

Размораживание мяса, фруктов и овощей. Замороженные продукты приобретают все большую популярность. Однако перед употреблением их необходимо разморозить, что требует длительного времени. После медленного размораживания их качество заметно ниже, чем у свежих продуктов. Чтобы представить выигрыш во времени при использовании СВЧ печей для размораживания, можно привести следующие данные по традиционным способам размораживания. Время оттаивания куска мяса массы 1,3 кг в холодильнике (мясо переложено из морозильной камеры в пространство с плюсовой температурой, близкой к нулю) 24 ч; при комнатной температуре 10 -- 12 ч; при использовании вентилятора -- 5 -- 6 ч; в печи при 72°C или в проточной воде в водонепроницаемой упаковке 3 -- 4 ч.

С помощью СВЧ нагрева разморозить фрукты и овощи можно за 1 -- 3 мин. Это дает не только экономию времени, но и настолько увеличивает качество размороженных овощей и фруктов, что они почти не отличаются от свежих.

Глубина проникания СВЧ поля в замороженное мясо увеличивается с 2,85 см при --1,1°C до 68,7 см при --51°C на частоте 1000 МГц и с 1,5 см при 1,1°C до 42,3 см при --51°C на частоте 3000 МГц. Хотя разница здесь не столь велика, все же считается, что более глубокий прогрев удается обеспечить на более низких частотах, т.е. при рабочей частоте вблизи 1000 МГц, особенно если размеры обрабатываемого продукта превышают 5 см по толщине.

Торговые автоматы. Широкое распространение в торговле получили автоматы для продажи, например, газированной воды и газет, находят применение на почтах и в гостиницах автоматы по продаже конвертов и открыток и т.д.

Одной из главных целей применения автоматики в торговле является возможность покупки товаров в любое время суток. Для непортящихся товаров, таких, как газированная вода, сигареты, газеты и пр., эта задача технически решена. Иное дело -- автоматы для продажи скоропортящихся продуктов и тем более таких, которые желательно принимать в пищу в горячем виде. С применением СВЧ появилась возможность для проектирования и изготовления подобных автоматов. Потребности в таких автоматах, безусловно, есть: например, на вокзале можно было бы в любое время через несколько минут получить стакан горячего молока, кусок горячей отварной или жареной курицы.

Принцип торгового автомата для продажи холодный и нескоропортящихся пищевых продуктов известен и применяется в закусочных-автоматах: после опускания жетона или монеты заранее приготовленная порция продукта подается потребителю. При использовании СВЧ техники для создания автоматов по продаже горячих продуктов эта обычная схема должна быть дополнена двумя устройствами: холодильником для хранения продуктов и СВЧ печью, куда после опускания монеты или жетона должны подаваться порции продуктов и где за 1 -- 3 мин производится не только их оттаивание, но и нагрев до необходимой температуры. Далее -- обычная выдача порции потребителю. Холодильник и СВЧ печь -- это уже хорошо отработанные элементы, так что теперь дело за конструкторами и технологами подобных автоматов.

Значительно более простыми могут быть торговые автоматы, которые выдают замороженные порции продуктов, а покупатель перед употреблением в пищу сам разогревает их в СВЧ печах, установленных в том же зале закусочной-автомата.

В описанных применениях СВЧ печей реализуются преимущества централизованного приготовления продуктов питания, при котором более эффективно используется квалифицированный персонал, широко применяются механизация и автоматизация трудоемких процессов.

Питание в больницах. Пищеблоки крупных больниц обычно расположены в отдельных помещениях, и пока оттуда питание доставляется к постели больного, пища становится если не холодной, то чуть теплой. СВЧ печи позволяют преодолеть этот недостаток. Быстрый разогрев блюд можно вести вблизи каждой палаты. Особенно это важно в инфекционных отделениях больниц, где каждую порцию можно разогревать на бумажных тарелочках однократного использования.

Весьма перспективной представляется организация питания, при которой в больницах пища не готовится, а поступает со специализированных предприятий на склад больницы в виде замороженных или охлажденных порций, откуда персонал, обслуживающий больных питанием, их получает и разогревает в СВЧ печах непосредственно перед подачей больному. Подсчитано, что при такой организации экономится 18% средств на питание. А это означает, что на 18% можно увеличить расходы на продукты при одних и тех же ассигнованиях на питание.

СВЧ печи в быту. В последнее время, особенно в новых жилых домах вместо газа для приготовления пищи используется электричество. При этом снижается загрязнение воздуха, полностью устраняется опасность взрывов, но электрические плиты сравнительно медленно разогреваются и довольно долго остывают после выключения.

Следующий шаг по применению электричества в быту -- широкое внедрение СВЧ печей. В последние годы ведущие фирмы США и Японии наладили массовый (с 1975 г. свыше 1 млн. шт. в год) выпуск бытовых плит, предназначенных для квартир и коттеджей. Они представляют собой комбинацию обычной трех-четырехкомфорочной электроплиты с СВЧ печью. СВЧ печь может быть расположена как духовка под электроплитой или же над ней в виде шкафчика.

При широком использовании СВЧ печей в быту получает быстрое развитие и индустрия приготовления замороженных порционных блюд, специально предназначенных для быстрого оттаивания и разогрева в СВЧ печах. Так что в недалеком будущем хозяйки будут покупать порционные замороженные блюда, хранить их в морозильных камерах своих холодильниках и подавать к столу в размороженном и разогретом в СВЧ печах виде через считанные минуты после извлечения из холодильника.

9. Защита от СВЧ излучений

Во всех предыдущих параграфах были даны описания мощных СВЧ устройств, в которых генераторы высокочастотных энергии имели мощность около единиц киловатт в непрерывном режиме. Даже если небольшая часть этой мощности просачивается в окружающее установку пространство, это может представлять опасность для окружающих: воздействие достаточно мощного СВЧ излучения на зрение, нервную систему и другие органы человека может вызвать серьезные болезненные явления. Поэтому при работе с мощными источниками СВЧ энергии необходимо неукоснительно соблюдать требования техники безопасности.

В нашей стране установлена безопасная норма СВЧ излучения, т.е. так называемая санитарная норма -- 10 мкВт/см. Она означает, что в месте нахождения обслуживающего персонала мощность потока СВЧ энергии не должна превышать 10 мкВт на каждый квадратный сантиметр поверхности. Эта норма взята с многократным запасом. Так, например, в США в 60-е годы была норма в 1000 раз большая -- 10 мВт/см.

Следует отметить, что по мере удаления от мест излучения СВЧ мощности -- от резонаторных камер или волноведущих систем, где производится обработка с помощью СВЧ энергии, -- поток излученной энергии быстро ослабевает (обратно пропорционально квадрату расстояния). Поэтому можно установить безопасную границу, где уровень излучения ниже нормы, и выполнить ее в виде ограждения, за которое нельзя заходить во время выполнения технологического процесса. При этом защитные устройства получаются достаточно простыми и недорогими.

В бытовых СВЧ печах для предотвращения излучения через загрузочные люки, дверцы и крышки наиболее распространены контактные устройства в виде множества пружинок из листового материала, например бериллиевой бронзы БрБ2. Такие пружинки создают контакт для СВЧ токов по всему периметру загрузочного люка. Подобная система была применена в отечественной СВЧ печи, в ряде японских печей.

В настоящее время существует несколько видов как твердых, тик и мягких (типа резины) поглощающих материалов, которые уже при толщине в несколько миллиметров обеспечивают практически полное поглощение просачивающейся СВЧ энергии.

Поглощающий материал закладывается в щели между теми металлическими деталями резонаторных камер или волноведущих структур, которые не могут быть соединены сваркой или пайкой.

Предотвращение излучения через отверстие для наблюдения или подачи воздуха осуществляется применением металлических трубок достаточно малого внутреннего диаметра и необходимой длины. Такие трубки являются запредельными волноводами и практически не пропускают СВЧ энергию. Необходимо, чтобы внутренний радиус R был в 10 -- 15 раз меньше рабочей длины волны. Для промышленных установок СВЧ нагрева характерна необходимость многоразового открывания и закрывания люков загрузки, и т.д. От этих операций защитные устройства, в особенности контактные, постепенно изнашиваются. Кроме того, с течением времени контактные поверхности окисляются. В результате излучение может возрасти в несколько раз и даже на один-два порядка. Поэтому необходимы систематическое наблюдение за состоянием защитных устройств, проведение периодических замеров уровня излучения. Отсюда и жесткие требования к надежности защитных устройств. Чтобы в эксплуатации нормы облучения не были превышены, заводские сдаточные нормы на излучение делают более жесткими. Так, в Японии допускается увеличение излучения от заводских норм до эксплуатационных при количестве открываний более 100 тыс. раз. Собственно, при таких условиях и проводятся периодические заводские испытания защитных устройств.

Заключение

Приведенные в этой работе описания электронных приборов СВЧ и их применений, конечно, далеко не исчерпывает всего их многообразия. Ограниченная тематика работы позволила рассмотреть только наиболее распространенные и типичные явления в СВЧ электронике, в частности, в энергетике СВЧ в народном хозяйстве.

Что касается применений, то здесь опущены такие важные и интересные разделы как телевидение, радиолокация, радионавигация, радиорелейные линии, передача электрической энергии из космоса на Землю и многое другое, описанию которых посвящены другие работы, а также, впрочем, и обширная научная и научно-популярная литература.

Насколько в недалеком будущем расширится использование СВЧ электроники в народном хозяйстве, можно показать на таком примере. Общепринятым считается мнение, что в современной жизни отказаться от применения ядохимикатов в сельском хозяйстве нельзя. Однако необходимо принимать меры по сокращению их использования. Одним из эффективных способов в этом направлении является применение электроники СВЧ. Уже первые опыты показали, что на участке, обработанном СВЧ излучением, урожай на 60% выше, чем при химической обработке. Кроме того, предварительная до сева обработка почвы СВЧ облучением задерживает появление сорняков, что тоже способствует повышению урожайности.

Другой пример применения СВЧ электроники в сельском хозяйстве относится уже к послеуборочным проблемам. Сушка хлопка-сырца СВЧ энергией перед его длительным хранением резко повышает качество и уменьшает отходы.

Таким образом, можно с уверенностью утверждать, что с каждым годом области применения электроники сверхвысоких частот будут расширяться, обеспечивая и убыстряя развитие производительных сил и улучшая условия труда.

Список литературы

1. И.В. Лебедев Техника и приборы СВЧ. Часть I. -- Москва: Высшая школа, 1970.

2. И.В. Лебедев Техника и приборы СВЧ. Часть II. -- Москва: Высшая школа, 1972.

3. Ю.Н. Пчельников, В.Т. Свиридов Электроника сверхвысоких частот. -- Москва: Радио и связь, 1981.

Размещено на Allbest.ru