книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

VII. Заключение

Изучение вопросов генерации и применений интенсив­ ных электронных пучков, полученных с помощью источ­ ника СВЧ-энергии, затрагивает целый ряд инженерных и научных дисциплин. Например, чтобы понять и суметь использовать явления, связанные с проникновением элек­ трона, обладающего большой энергией, в живые клетки, требуются совместные усилия инженеров, физиков, хи­ миков, биологов и медиков. В предыдущих разделах упомянуты некоторые проблемы, относящиеся к фунда­ ментальным и прикладным исследованиям, выполняемым в этих областях науки и техники при помощи электрон­ ных СВЧ-ускорителей. Описаны применения ЛУЭ на современном этапе и в обозримом будущем.

О б о з н а ч е н и я

АР — полные потери мощности в поверхности резона­ торов по всей длине волновода, Мет;

Ц — время наполнения волновода ускорителя электро­ магнитным полем, мксек;

У0 — энергия, запасенная электромагн итным полем, дж; / — частота, Мгц; е — заряд электрона, к;

т — релятивистская масса электрона, кг; т0 — масса покоя электрона, кг;

V — скорость электрона, м/сек;

с— скорость света, м/сек;

Р— отношение с/с;

В— индукция магнитного поля, тл;

118(Липе 1965).

Ыу 1 п б о о Л Л . Л . , СусПс РагНс1е Ассе1ега!огз, РппсеГоп, Ие\у

Ыа!1. Сошт. оп РасИаНоп Рго!есИоп, ЗЫеЫтд Гог Ы§к-епег§у е1ес!гоп ассе!ега!ог тзГаИакопз, Ыа!1. Виг. 318. (1Л5) НапЛ-

Применение а научных исследованиях

А 11 е п А. О., Тке РаЛ]'аНоп СкепНзку оГ ЧУаГег апЛ А^иеоиз ЗоШИопз, РппсеГоп, №\у Легзеу, Уап кГозкапЛ, 1961.

Ь о е у 1 п б е г Н . р КасИаИоп ТЬегару \уИЬ Н^Ь Епег^у Е1ес1гопз, ВюрЬуз. ЬаЬ. КерГ. № 17, ЗГапаагЛ 1Лп!У., ЗГапГогЛ, СаПГог-

Неапп@з ЬеГоге Лот! СоттИГее оп АГопис Епегду, Липе 9 апЛ 10,

5.5. ИОНИЗОВАННЫЕ ГАЗЫ

5.5Л. ВВЕДЕНИЕ

О к р е с с

СВЧ-энергшо начинают применять для получения ионизованных газов или плазмы в различных областях техники. Типичными примерами могут служить ускоре­ ние химических реакций, управляемые ядерные реакции и приведение в движение космических объектов. Рассмо­ трение каждого из примеров ставит целью познакомить читателя с этими областями.

Современное развитие химии плазмы, электрохимии, а также успехи в электротехнике, электронике и СВЧтехнике должны способствовать возобновлению интереса к вопросам синтеза многих экономически важных хими­ ческих продуктов. Подобный синтез может быть осуществ­ лен как с помощью электрического возбуждения, вызы­ ваемого прохождением постоянного или переменного то­ ков, так и с помощью электрического разряда или плаз­ мы, получаемых в результате приложения постоянного, переменного или СВЧ-поля. Возбуждение газового раз­ ряда или плазмы для синтеза материалов осуществляется с помощью высоких и сверхвысоких частот и с исполь­ зованием сравнительно низких энергий электронов (< 5 0 эв). Пока этот метод синтеза оказался особенно по­ лезным для получения органических соединений.

Стремление использовать газовый разряд или плазму является следствием того факта, что большинство элек­ трохимических реакций связано с дополнительными реак­ циями, загрязняющими получаемый продукт. При этом очистка продукта настолько дорога, что экономические преимущества от использования электрохимических про­ цессов обычно сводятся к нулю. Эффективность, а также управление важными процессами химической промышлен-

ности можно улучшить с помощью электрических или СВЧ-полей. Очевидным преимуществом достаточно высо­ кочастотного или сверхвысокочастотного тока является то, что, используя электрическую или магнитную со­ ставляющую поля, создаваемого в газе внешним СВЧисточником, можно избавиться от применения металли­ ческих электродов, поглощающих реагирующие с ними вещества или загрязняющих продукт. Полезный «выход» в различных газах (например, в азоте, водороде, кисло­ роде и т. д.), достигаемый при СВЧ-разряде, оказывается примерно в 10 раз выше, чем в случае разрядов низко­ частотного переменного или постоянного тока при тех же значениях напряженности поля и давления газа. Выход реакции зависит от условий электрического разряда в газе, геометрии реактора и от времени пребывания реагента в разряде. Время реакции должно быть регулируемым для того, чтобы избежать или свести к минимуму разложение получаемого продукта. Следовательно, нахождение оп­ тимальной продолжительности реакции является наибо­ лее важной задачей, определяющей полезный выход продукта. Хотя СВЧ-разряды можно поддерживать при атмосферном давлении, в обсуждаемых типичных приме­ рах используется давление ниже атмосферного. Если большая мощность не требуется в течение длительного времени (например, когда необходимо только периоди­ чески стимулировать с помощью СВЧ-энергии какую-то отдельную реакцию), тогда целесообразно использовать импульсный СВЧ-источник. В этом случае характеристи­ ки импульса (такие, как скорость нарастания, длитель­ ность импульса и т. п.), а также частота повторения им­ пульсов могут иметь важное значение для реакции. Мно­

гие существенные задачи химической технологии потре­ буют своего решения прежде, чем подобная эксперимен­ тальная техника приобретет промышленные масштабы. Необходимым условием является также снижение стои­ мости СВЧ-энергии, которая еще достаточно велика. Решение указанных задач позволило бы в недалеком бу­ дущем вести органический синтез с помощью СВЧ-энер­ гии в промышленных масштабах, что составило бы значи­ тельную конкуренцию давно установившимся процессам, основанным на использовании ископаемого топлива для

ких давлений газа) используется тот факт, что различ­ ные неустойчивости, экспоненциально растущие со вре­ менем в системах ограничения их постоянным током, в системах ограничения с помощью СВЧ-полей не имеют достаточно времени для своего развития. В последнем случае (управляемая ядерная реакция) используется резонансное поглощение энергии электронами на цикло­ тронной частоте в постоянном удерживающем плазму маг­ нитном поле. Обсуждаются основные требования, глав­ ные задачи и перспективы развития работ.

Другой пример применения СВЧ-плазмы связан с ис­ пользованием СВЧ-энергии для приведения в движение космических кораблей. Основным параметром для раз­ личных движителей, применяемых в космических целях, является их удельный импульс &/&, который характери­ зует отношение силы тяги к весу ракетного топлива. Оче­ видным преимуществом электрореактивных движителей является возможность получать удельный импульс, по величине на два порядка превышающий импульс, дости­ жимый при химическом окислении топлива. Приводимое ниже рассмотрение касается применения СВЧ-полей для получения высокоионизованной плазмы, для связи с плазмой на циклотронной частоте и для ускорения ее. При этом предполагается наличие приложенного извне магнитного поля. Обсуждаются физические предпосылки и электрические требования к безэлектродному ускори­ телю, позволяющему получить желаемые тяговые харак­ теристики. Отсутствие электродов и движущихся меха­ нических частей является существенной особенностью, которая заслуживает серьезного внимания, так как про­ стота конструкции и большой срок службы имеют важное значение. Конкурирующие в технико-экономическом от­ ношении направления продолжают развиваться, потому что СВЧ-энергия пока является относительно дорогой, хотя в ближайшем будущем ожидается снижение ее стоимости. Таким образом, очень высокий к. п. д. источ­ ника СВЧ-энергии (>90% ), большой срок службы и на­ дежность являются основными необходимыми условиями, которые могут определять конкурентоспособность сверх­ высокочастотных плазменных движителей для космиче­ ских целей.

6.5.2. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ В СВЧ-РАЗРЯДЕ

Б а д д у р , Д а н д а с

I. Введение

Производство больших количеств химических про­ дуктов требует значительных затрат энергии. Традицион­ ным источником такой энергии являются разнообразные виды ископаемого топлива. Таким образом, энергию, тре­ буемую для производства одних химических продуктов, получают благодаря потреблению других. Поскольку любое ископаемое топливо используется в качестве сырья для производства различных химикатов, ясно, что для осуществления все большего числа химических реакций в промышленном масштабе было бы желательно исполь­ зовать нехимический источник энергии.

Основным источником дешевой электроэнергии для осуществления химических реакций в промышленном масштабе в недалеком будущем видимо станут атомные электростанции. Использование других источников, та­ ких, как солнечная радиация (играющая большую роль в химии живых организмов), быстрые нейтроны или ядерное излучение, в обозримом будущем не приобретет, ве­ роятно, должного промышленного значения.

Использование электроэнергии в химических реакто­ рах имеет длительную историю. В конце прошлого столе­ тия был открыт новый вид дешевой энергии — гидроэлек­ трической. Гидроэлектроэнергию стали применять для проведения химических процессов. Первый экономически оправдавший себя завод был построен в Норвегии в 1908 г. Здесь был налажен процесс связывания азота посредством пропускания воздуха через электрическую дугу. Вскоре эту же работу выполнили в Париже [1]. Однако дальнейшее развитие получил процесс связыва­ ния азота с помощью синтеза аммиака из его элементов. Этот процесс был осуществлен фирмой ВАЗР (ВосПзЬе АпШп ипб ЗобаГаЪпк) в Германии. В результате к 1930 г. процесс получения азота с помощью электрической дуги полностью устарел.

Наряду с этим в фирме ВА5Р, в которой продолжали следить за совершенствованием электрического дугового процесса, заметили, что он может найти применение в производстве ацетилена. После 20 лет исследовательской работы той же фирмой в 1940 г. была создана промышленная установка. За 1962 г. здесь была достигнута произ­ водительность 100 000 т/год ацетилена и 55 000 т/год этилена, что значительно превысило производительность (25 000 т/год ацетилена), полученную на сравнительно новой дуговой ацетиленовой установке в Монтегю (шт. Ми­ чиган), пущенной в 1963 г. [2].

Многочисленные применения электричества в виде плазмы постоянного тока были найдены также для веде­ ния химических процессов в масштабах опытного про­ изводства [3]. Однако работы по применению высоко­ частотной электроэнергии, и в особенности энергии СВЧ для производства химикатов, все еще находятся в ста­ дии поиска и исследований.

Бринер, проводивший с 1905 г. в области химии экс­ перименты с применением дугового разряда на постоян­ ном токе, был одним из первых, кто начал использовать высокие частоты для синтеза химикатов (Женевский уни­ верситет, Швейцария [4]). В 1941 г. в работе [5] он рас­ смотрел вопросы применения ВЧ-энергии (до 100 Мгц) для синтеза как самостоятельную проблему. Кроме упо­ мянутых выше двух процессов, он описал процесс образо­ вания цианистого водорода НСЫ из различных углево­ дородов и азота, пропускаемых через высокочастотный разряд, а также синтез озона и процесс производства аммиака из смеси азота и водорода.

В последнее время возрос интерес к химическим реак­ циям, протекающим при высоких температурах, что свя­ зано с появлением плазменных «горелок» (плазмотронов — Ред.) — приборов, позволяющих развивать в дуге высо­ кие температуры посредством пропускания постоянного тока или тока высокой частоты через кольцевой зазор между двумя концентрическими электродами. Взаимо­ действующие газы, проходящие через этот кольцевой зазор," участвуя в разряде, оказываются в зоне высоких температур, необходимых для протекания некоторых хи­ мических. реакций.

II. Преимущества низкотемпературной плазмы

Основные работы по химическим реакциям в высоко­ температурной плазме позволяют считать, что одной из главных функций высокой температуры является образо­ вание промежуточных компонент реакции (свободных ра­ дикалов), которые, взаимодействуя друг с другом, в конечном итоге приводят к получению желаемого про­ дукта. В водородоуглеродной дуговой системе, например, было обнаружено [6], что ацетилена получается гораздо больше 10%, предсказанных расчетом для условий тер­ модинамического баланса при любой температуре. От­ сюда следовал вывод, который затем был подтвержден в работе [71, что свободные радикалы (в данном случае СаН и Н) образуются в горячей зоне дуги и взаимодейст­ вуют друг с другом даже во время неравновесного про­ цесса охлаждения, когда продукты реакции извлекаются из дугового реактора с помощью охлаждаемого водой отборника.

В обзоре [8] тенденций, существующих в области изу­ чения химических реакций при высокой температуре, особое внимание обращается на то, что главным препят­ ствием на пути промышленной реализации высокотем­ пературного процесса являются потери энергии на ста­ дии охлаждения продукта. Следовательно, если большая часть реакции протекает в виде взаимодействия свобод­ ных радикалов, указанные потери энергии могут быть значительно уменьшены благодаря образованию радикалов при менее высоких температурах.

III. Теоретические предпосылки выбора СВЧ-диапазона

Плазма по определению является частично ионизован­ ным газом, содержащим молекулы, атомы, ионы, электроны и свободные радикалы, каждый из которых движется с некоторой скоростью. Если распределение по скоростям таково, что средние энергии всех частиц одинаковы, то говорят, что плазма находится в тепловом равновесии (изотермическая плазма), и к ней применимы законы тер­ модинамики. Среднюю энергию >1.тетины можно выразить