Рис. 4. СВЧ нагреватель для диэлектрического стержня в виде круглого волновода:
1 — волновод; 2 — нагреваемый диэлектрик; 3 — кварцевая трубка.
Обозначим через g1= радикальную постоянную для области, занимаемой диэлектриком. Здесь k=2p/l — волновое число, а b=2p/lв — постоянная распространения волны вдоль продольной оси в объеме обрабатываемого диэлектрика.
Рис. 5. Распределение мощности источников тепла P(r)/P(0) в зависимости от r/rд для различных значений e1 в нагревателе, изображенном на рис. 4 (rд=1 см; R=5 см; l=12,6 см).
Теоретический анализ показывает, что мощность источников тепла P(r) в зависимости g1r изменяется волнообразно, а перемещать максимумы и минимумы по направлению r можно изменяя g1. Поэтому для получения равномерного распределения источников по r необходимо подобрать соответствующие значения g1. Как видно из формулы для g1, при заданных значениях e1 и k=2p/l это равноценно подбору соответствующего значения b=2p/lв=w/vф, т.е. фазовой скорости волны vф вдоль продольной оси волноведущей системы.
Нагрев по сечению будет равномерным, если первый от оси максимум функции P(r)=f(g1r) располагается в пределах обрабатываемого диэлектрика при некотором значении 0<r0<rд, а минимум этой функции, в отличие от графиков, приведенных на рис. 5, будет расположен вне диэлектрика т.е. при r0>rд. Соответствующие расчеты показывают, что наименьшее отклонение функции P(r)=f(g1r) от равномерной имеет место при r0/rд=0,5 и не превышает ±7% своего значения на оси.
Для конкретного случая: rд=1 см; e1=35; l=12,6 см; т.е. k=2p/l=0,5 1/см (e1=35 соответствует диэлектрической постоянной обрабатываемого материала, который при термообработке на СВЧ требует равномерного распределения температуры по радиусу). Постоянная распространения волны b получается по расчету равной 1,56 1/см и lв=2p/b=4 см, т.е. длина волны в волноводе получилась меньше длины волны в свободном пространстве l=12,6 см. Это значит, что 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. 6.
Рис. 6. 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.
Теперь, когда известны диаметр диэлектрика 2r0 и его диэлектрическая проницаемость e1, рабочая длина волны l и замедление m, при котором имеет место равномерное распределение тепловых источников по поперечному сечению, и тип ЗС, необходимо так подобрать ее геометрические размеры, чтобы, кроме требуемого значения m (т.е. b), дисперсия вблизи рабочей длины волны была как можно меньше. Тогда легче добиться согласования ЗС с прямоугольным волноводом по которому подается СВЧ энергия. Увеличивается также полоса частот, в которой замедление постоянно и становятся в менее жесткими допуски на размеры конструктивных элементов ЗС.
Одно и тоже замедление, но при разной крутизне дисперсионной характеристики при рабочей длине волны, можно получить при разных сочетаниях размеров b и c (см. рис. 6). Наименьшая дисперсия получается при b=1,35 см и c=4,3 см.
Отметим интересные конструктивные особенности установки, приведенной на рис. 6. 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.
Сравнительные измерения показали, что при применении ЗС типа цепочки связанных резонаторов перепад температуры составляет 6°C (от
64°C на оси до 70°C при r=rд), а в круглом волноводе 37°C (от 68°C на оси до 31°C у стенки кварцевой трубки).
Плазменные СВЧ горелки (плазмотроны) и их применение
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.
Для понимания физики взаимодействия плазмы с СВЧ колебаниями необходимо отметить следующие обстоятельства.
Электрические и магнитные поля на СВЧ во времени меняются столь быстро, что за время нарастания амплитуды электрического поля до максимума (четверть периода СВЧ колебаний) электроны смещаются на очень небольшие расстояния x: x @ 2eE/(wm), где e и m — соответственно заряд и масса электрона. Важно обратить внимание, что x пропорционально E и обратно пропорционально квадрату угловой частоты сигнала w. При амплитуде E=Em=100 В/см и l=10 см (w=2p*3*10рад/с) x=0,01 мм. При Em=10 кВ/см x=1 мм.
Наименьшая масса иона у водорода, но и она в 1840 раз больше m. В результате при тех же условиях смещение иона водорода будет равно всего лишь 10 или 10 мм. Отсюда важное следствие: на СВЧ можно пренебречь движением ионов под действием СВЧ сигнала и рассматривать только движение электронов.
Основные параметры плазмы: N — концентрация заряженных частиц в единице объема; e — относительная диэлектрическая проницаемость плазмы на СВЧ, которая определяется без учета соударений электронов с ионами и нейтральными молекулами только значениями N и w по формуле
e = 1 - Ne / (wme0) = 1 - wп / w,
где wп = — плазменная круговая частота, а e0 = 0,886*10 A*c/(В*м) — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из формулы видно, что плазма является диэлектриком, у которого e<1, но могут быть и случаи, когда e становится отрицательной величиной или равняется нулю (при w=wп) или, переходя к плазменной частоте fп в герцах и подставляя численные значения e, m и e0, можно получить fп=wп/2p=8980 Гц, т.е. однозначно определяется концентрацией заряженных частиц в единице объема N. Из этого выражения видно, что при концентрации заряженных частиц в единице объема от 10 до 10 1/см плазменные частоты будут соответствовать СВЧ диапазону.
Физически представить плазменную частоту можно следующим образом. Предположим, что в квазинейтральной плазме мы отклонили один из электронов от положения равновесия и отпустили. Кулоновские силы, притягивающие электроны к ионам, будут возвращать его к положению равновесия (ионы из-за большой массы неподвижны!). Набрав определенную скорость, электрон проскочит положение равновесия (конечно, с затуханием). Эта частота качаний электронов около положения равновесия и равна fп.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
