книги / Сверхвысокие частоты. Основы и применения техники СВЧ

спирт менее полярен. При большем молекулярном весе частота релаксации молекулы спирта меньше и область аномальной дисперсии и поглощения сдвинута в сторо­ ну более длинных волн диапазона СВЧ.

При всех релаксационных исследованиях необходи­ мо следить за тем, чтобы действительно исследовалось релаксационное поведение отдельных молекул. В слу­ чае же дипольных жидкостей молекулы достаточно сильно связаны и не могут считаться независимыми. Чтобы можно было в чистом виде исследовать релак­ сацию отдельных молекул, следует проводить экспери­ менты с растворами полярных жидкостей, разбавлен­

4. Релаксация и структура жидкости

Если же измерение релаксации проводится, напро­ тив, в чистых жидкостях или сильно концентрирован­ ных растворах, то надо иметь в виду, что в этом слу­ чае свободное вращение молекул сильно тормозится жидкостью. Поэтому из измерения дисперсии и погло­ щения можно сделать определенные выводы и о струк­ туре самой жидкости, если, конечно, известны особен­ ности релаксацииотдельных молекул и их структура, которые в свою очередь могут быть установлены по ре­ зультатам исследования жидкостей, разбавленных не­ полярным растворителем.

Изучение аномальной дисперсии и поглощения СВЧэнергии в жидкостях началось с исследований, относя­ щихся ко времени зарождения радиотехники. Эти пер­ вые исследования проводились с СВЧ-источниками не­ когерентных, сильно затухающих колебаний и поэтому сопровождались значительными ошибками. Лишь со­ временная СВЧ-техника и появление источников не­ затухающих колебаний привели к точным методам исследования. Стоит также упомянуть еще, что класси­ ческая теория Друде пытается объяснить явление ано­ мальной дисперсии и поглощение электрических волн

вжидкостях собственными колебаниями молекул ана­ логично тому, как объясняется дисперсия веществ

вклассической оптике. В случае СВЧ, однако, это

231

XI

ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ

Применение сверхвысоких частот для исследования плазмы (ионизированного газа) основано на том, что плазма на СВЧ обладает свойствами диэлектрической среды с комплексной диэлектрической проницаемостью; прохождение СВЧ-волны через плазму сопровождается ее ослаблением и появлением фазового сдвига. И то, и другое зависит от частоты волны. В данной главе описаны физические основы СВЧ-диагностики плазмы. Вопросы техники измерений освещаются в гл. XIII.

Фазовая скорость электромагнитной волны в иони­ зированном газе рассчитывается согласно выражению

(158)

п- а д ) ! ’

вкотором с — скорость распространения волны в ваку­

уме (скорость света), f — частота волны и

кубическом сантиметре (концентрация электронов).

ее амплитуда практически полностью затухает после прохождения короткого отрезка пути. Волны с часто­ той f > f P пропускаются плазмой; при этом однако из­ меняется фаза волны. На рис. 109 дается зависимость плазменной частоты от концентрации электронов для значений N в интервале от 1 0 10 до 1017. Соответствую­

щие этим концентрациям плазменные частоты лежат между 1 Ггц (Я=30 см) и 1000 Ггц (А.=0,3 мм), т. е. в

233

перпендикулярно вектору электрического поля волны, то плазма обладает свойствами двойного преломления. Волны с противоположной круговой поляризацией рас­ пространяются в такой среде с разными фазовыми ско­ ростями. В этом случае фазовая скорость вычисляется по формуле

©с/ю

в которой (Dp=2nfp — плазменная круговая частота и tйс=еВ)т — электронная циклотронная частота. Поло-

Рис. 109. Связь между плазменной частотой и концентрацией электронов.

жительный знак во втором члене знаменателя выраже­ ния (160) соответствует случаю, когда вектор электри­ ческого поля волны вращается в направлении, проти­ воположном движению электронов плазмы, а знак минус — случаю, когда направления их вращений сов­ падают. Если же вектор электрического поля волны на­ правлен вдоль статического поля, то внешне магнит­ ное поле не влияет на скорость распространения элек­ тромагнитной волны. В принципе все методы экспери­ ментальной диагностики плазмы основаны на измере­ ниях сдвига фаз и затухания волн СЙЧ при их прохож­ дении через плазму. К области задач диагностики плазмы относится также определение температуры плазмы. Нагретое непрозрачное и неотражающее элек­ тромагнитные лучи тело носит название абсолютно чер­ ного тела, интенсивность излучения которого для дан­ ной температуры определяется законом излучения Планка. С повышением температуры максимум интен­

234

XII

ПРИМЕНЕНИЕ СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ

ВПРОМЫШЛЕННОСТИ, МЕДИЦИНЕ

ИБИОЛОГИИ

Применение СВЧ для промышленных, медицинских и биологических целей основано на нагревании диэлек­ трических веществ в полях сверхвысоких частот. Прав­ да, механизм поглощения энергии и вызванное этим на­ гревание биологических объектов имеет несколько иную природу, чем для обычных диэлектриков. Поэтому раз­ личные области отмеченных здесь применений должны все же обсуждаться отдельно.

1. Применение в промышленности

Если электромагнитная волна пропускается через диэлектрик или же это вещество помещается в поле стоячей СВЧ-волны, то благодаря диэлектрическим по­ терям происходит нагревание облучаемого материала. В области коротких и ультракоротких волн диэлектри­ ческий образец помещается в переменное электриче­ ское ВЧ-поле квазистационарного колебательного LC- контура. Точно так же можно нагреть и металлическое тело, если поместить его в переменное магнитное поле, которое индуцирует в металле вихревые токи и вызы­ вает тем самым нагревание металла. На сверхвысоких частотах вместо квазистационарных контуров приме­ няют объемные резонаторы. При этом диэлектрический образец нагревается благодаря тому, что электромаг­ нитная волна, т. е. волна СВЧ-колебаний, пронизывает диэлектрическое вещество. Для диэлектрика е потерями мощность, передаваемую единице его объема, можно рассчитать с помощью соотношения

в котором Е означает напряженность электрического пе­ ременного поля в рассматриваемом веществе, f — ча*

236

стоту волны, е — диэлектрическую постоянную и 6 —

так называемый угол диэлектрических потерь. Из соот­ ношения (162) видно, что, с одной стороны, выгоднее работать на возможно более высоких частотах. Од­ нако, с другой стороны, глубина проникновения волны в среду с ростом частоты уменьшается. Если глубиной проникновения волны в вещество (глубиной скии-слоя) называть глубину s, на которой энергия поля умень­ шается на 37% (1 /а), то для s имеем

1

(163)

/ K e t g f i

На практике рабочая частота промышленных уст­ ройств устанавливается вполне определенной; .она рав­ няется, например, в СВЧ-диапазоие 2400 Мг*ЦВ табл. 5 для этой частоты представлены значения глубины про­ никновения СВЧ-поля, рассчитанные для различных пищевых продуктов [29].

Глубина скин-слоя для некоторых пищевых продук­ тов очень мала, и при больших объемах возникает опасность одностороннего нагрева. В устройствах, ко­ торые используют в качестве рабочего контура полые резонаторы, можно получить достаточную глубину

237

скин-слоя благодаря тому, что СВЧ-энергия со всех сто­ рон проникает в нагреваемую диэлектрическую среду.

Помимо приготовления пищи, процесс диэлектриче­ ского нагревания СВЧ-полями используется также и для промышленных целей, например в мебельной про­ мышленности для склеивания фанеры. На установке,

Рис. ПО. Склеивание дерева за счет диэлектрического на грева:

а —резонансный метод; б —метод облучения.

показанной на рис. ПО, а, склеиваемые куски дерева нагреваются в высокочастотном электрическом поле коаксиального резонатора. При этом поле концентрирует­ ся в склеиваемом слое над специальным выступом, свя­ занным с внешним проводником резонатора. Для склеи­ вания больших поверхностей применяют метод облуче­ ния (рис. ПО,б). СВЧ-излучение с помощью рупорной антенны и линзы фокусируется в пятно, имеющее раз­ меры порядка половины длины волны. Чтобы устранить отражения от поверхности облучаемой диэлектрической среды, эта поверхность покрыта слоем толщиной Х/4 с подходящей диэлектрической постоянной.

2. СВЧ-терапия

Лечебное действие волн СВЧ, применяемых в меди­ цине, обусловлено, как полагают в настоящее время, исключительно выделением тепла при поглощении СВЧ биологическими тканями. Рис. 111 показывает, как по­ глощают СВЧ-энергию различных длин волн мышцы, кожа, жир и кости [30]. Поглощение энергии и вызван­

238

ное этим нагревание имеет место главным образом в поверхностных хорошо проводящих тканях мышц и ко­ жи при ничтожном поглощении и нагревании жировых и костных тканей, расположенных над ними. СВЧ-те- рапия поэтому и предназначена в первую очередь для лечения поверхностных слоев тканей. Преимуществен­ ное нагревание мышц и кожи связано с наличием в них большого количества жидкости, в особенности воды,

§

II

I

I

&I

Рис. 111. П оглощ ение биологическими тканями.

которая из-за дипольной релаксации молекулы НгО имеет в диапазоне сантиметровых волн область ано­ мальной дисперсии и поглощения (гл. X). Процессы дисперсии и поглощения волн СВЧ в биологических тканях еще более запутаны, так как эти ткани состоят из многих слоев с различными диэлектрическими свой­ ствами. Кроме того, существенную роль здесь играют также дисперсия и поглощение в протоплазме и ядре биологической клетки, имеющих ионную проводимость. Необходимо сказать, что СВЧ-терапия весьма успешно применяется при лечении фурункулов и карбункулов. Далее следует упомянуть о ее благоприятном влиянии при заболеваниях суставов, особенно при кровоизлия­ ниях, дисторсиях (растяжениях) и вывихах. СВЧ-те­ рапия является надежным лечебным средством при

239