книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

Фиг. 13. Схематическое изображение промышленной конвейерной СВЧ-печи, на котором показаны основные узлы модульной системы (фирма «Литтон индастриэ*).

Ввод

V. Обсуждение результатов

Выбор вместо более мощных амплитронов и клистронов маломощных магнетронов и создание модульных систем в диапазоне 2450 Мгц объясняется рядом причин. Для надежной работы амплитронов мощностью 50— 100 кет

или выше требуется довольно сложная схема. Кроме того, необходимо обеспечить повышенное давление в тракте, нужны специальные фильтры и автономная систе­ ма охлаждения. Источники питания существующих кли­ стронов мощностью 30 и 100 кет имеют очень большие

размеры из-за низкого к. п. д. самих генераторов и в ряде случаев из-за масляных трансформаторов, которые при­ ходится помещать в специальные противопожарные ячейки. В случае применения клистронов и амплитронов обяза­ тельно нужно устанавливать такие быстродействующие устройства защиты, как мощные выключатели питания, датчики дугового разряда, блокировочные устройства по отраженной мощности, схемы выключения, циркуляторы и пр. Все эти устройства повышают стоимость, усложняют эксплуатацию и повышают потенциальную ненадежность всей установки.

В модульной конструкции установки с несколькими источниками СВЧ-энергии легче создать требуемое рав­ номерное распределение энергии, так как каждый из источников создает свое распределение горячих и холод­ ных точек. Усреднение этих распределений обычно при­ водит к более однородному нагреву. Напротив, один ге­ нератор может дать лишь одно распределение. Кроме то­ го, каждый генератор многомодульной системы работает на немного отличающейся частоте, что также способст­ вует более равномерному распределению энергии. Введе­ ние энергии от одного мощного генератора в нескольких точках должно дать более равномерное распределение, чем при введении энергии только в одной точке. В много­ модульной системе несколько проще решается и задача паразитных излучений. Излучение на гармониках вне отведенной для СВЧ-нагрева полосы частот не должно выходить за установленные нормы. Перед конструктором оборудования, которое будет работать в непосредственной близости от мощных генераторов, возникают значитель­ ные трудности. Так, например, генератор мощностью 100 кет будет создавать поле гармоник с напряженностью

в 40 раз выше, чем в случае 40 генераторов мощностью по 2,5 кет каждый.

Уровень просачивающейся энергии СВЧ зависит от длины волны, а также от поглощающей способности по­ глощающего материала. Значительно большая глубина уровня половинной мощности для воды на частоте 915 Мгц

определяет размеры торцевых отверстий, прикрываемых обычно водяными панелями с целью улавливания пара­ зитных излучений. При этом в случае торцевых отверстий больших размеров требуются более длинные водяные на­ грузки. Вероятным направлением дальнейших работ в этой области можно считать повышение поглощающей способности концевых нагрузок путем их охлаждения водой или воздухом (при наличии ребристого радиатора).

В числе других преимуществ модульных систем отме­ чались возможность хранения на складе меньшего числа запасных блоков, уменьшение времени простоев из-за ремонта благодаря быстрой замене неисправного модуля, возможность обслуживания менее опытным персоналом и более простое управление режимом работы системы.

Чрезвычайно большой гарантируемый срок службы амплитрона означает уменьшение эксплуатационных рас­ ходов в случае, если амплитрон эксплуатируется при уров­ нях мощности, близких к номинальным. Но эксплуата­ ционные расходы, значительная часть которых состав­ ляет амортизацию стоимости амплитрона, остаются на том же уровне и тогда, когда прибор эксплуатируется в ре­ жиме пониженной мощности. В многомодульной установ­ ке в режиме пониженной мощности часть модулей просто выключают, и тем самым амортизационные расходы умень­ шаются.

Обозначения

а, Ь, с — размеры резонансной камеры;

е— основание натуральных логарифмов;

Е— энергия электромагнитного поля;

Ео — начальная энергия;

/о — частота; к — постоянная затухания;

т, п, р — номера видов колебаний; N — число видов колебаний; Р — глубина проникновения; V — объем;

Гпогл — поглощенная мощность;

х— глубина, на которой определяется Е\

X — длина волны;

в' — диэлектрическая проницаемость; г" — коэффициент потерь;

в* — комплексная диэлектрическая проницаемость; е0 — диэлектрическая проницаемость в вакууме;

6 — угол диэлектрических потерь.

ры производится либо через специальные входы, сконст­ руированные так, что они не пропускают энергию из камеры, либо через дверцы специального типа [1]. Уста­ новки с резонансными камерами более универсальны и пригодны для обработки всех видов материалов (за исклю­ чением тонких). В числе их преимуществ — минимальное отношение поверхности металла к объему и большая гиб­ кость конструкции. Этим объясняется широкое распро­ странение многовидовых резонансных камер и интеграль­ ных сборок резонаторов в СВЧ-энергетике в настоящее время. Некоторые сведения, полезные для проектирова­ ния, читатель найдет в работах [2—3].

При расчете многовидового резонатора нужно учиты­ вать два основных требования. Во-первых, связь между источником и резонатором должна оставаться постоян­ ной для самых различных нагрузок, отличающихся свои­ ми диэлектрическими свойствами и их изменением с 1 емпературой. Во-вторых, точки максимального преобразо­ вания энергии должны быть равномерно распределены по материалу. Уменьшение площади металлических поверх­ ностей при заданном объеме уменьшает потери в стенках резонатора. В этом отношении угловые петли связи, металлические ^крыльчатки для «перемешивания» видов колебаний и усложненные устройства связи с источником нежелательны. Стабильность и равномерность нагрева [5] в первую очередь зависят от того, насколько много видов колебаний возбуждается в резонаторе во всех на­ грузочных режимах.

|^В данном разделе обсуждается задача получения вы­ сокой плотности видов колебаний в пределах заданной узкой полосы частот с учетом требований, предъявляе­ мых к конструкции резонансной камеры и обеспечиваю­ щих нормальную работу типичных мощных магнетронов. Авторы полагают, что метод целых чисел, разработан­ ный для определения размеров мишени, дает во многих случаях хорошее начальное приближение для проведе­ ния расчета с помощью электронной вычислительной машины. Приводятся результаты, характеризующие не­ которые энергетические распределения внутри резонатора, и описываются способы, которыми их можно полу­ чить.