Рис. 10. Схематическое изображение СВЧ блока плазменного источника возбуждения спектра типа ПВС-1:
1 — магнетрон; 2 — плазмотрон волноводного типа; 3 — согласованная нагрузка; 4 — кварцевая трубка для подачи плазмообразующих газов и образования плазменного столба; 5 — конденсор; 6 — щель анализатора спектра.
Схема СВЧ блока применительно к спектральному анализу приведена на рис. 10. Газ для образования плазмы подается в трубку из кварцевого стекла через завихряющую форсунку, не показанную на схеме. Через ту же форсунку или вдоль оси кварцевой трубки по отдельной трубке подается анализируемое вещество, которое распыляется в виде аэрозоля. Излучение плазменного столба через конденсатор проектируется на щель анализатора спектра, с помощью которого производится анализ обычными спектральными методами. Расход газа может составлять 8 — 10 л/мин при давлении, близком к атмосферному, плазменный столб длиной 25 — 30 мм имеет диаметр — 5 — 8 мм. Коэффициент передачи СВЧ энергии в разряд 0,55 — 0,6.
Время анализа по сравнению с химическими методами сокращается в 2 — 5 раз. Вследствие высокой температуры, высокой чистоты в зоне нагрева и высокой стабильности плазменного источника появилась возможность анализировать как легко- и средневозбудимые, так и трудновозбудимые элементы, а также определять с высокой точностью средние и большие концентрации элементов. Кроме того, из-за отсутствия электродов открылась возможность анализа кислотных и щелочных растворов.
Практическое использование источника ПВС-1 показало, что температура плазмы СВЧ разряда равна 4000 — 8000K, коэффициент вариации, характеризующий нестабильность самого источника, 1,5% — 2%, а при анализе коэффициент вариации 2% — 3%, чувствительность анализа 10 — 10 мг/мл.
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. 11. СВЧ облучатель в виде открытого конца волновода прямоугольного поперечного сечения.
Простейшим СВЧ излучателем является открытый конец волновода (рис. 11). Для ограничения высокочастотных токов по фланцу, а следовательно, и СВЧ поля применяют специальные канавки 1, заполненные поглощающим материалом (b — размер узкой стенки волновода).
Открытый конец стандартного прямоугольного волновода является весьма эффективной антенной. Даже без каких-либо подстроечных устройств Kстv в волноводе равен 1,6, т.е. от открытого конца волновода отражается менее 5,5% передаваемой по волноводу мощности.
Меньшую площадь облучения дает излучатель в виде открытого конца H-образного волновода (рис. 12). На этом рисунке пунктиром показана зона максимального нагрева.
Рис. 12. 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. 13). Она применяется либо для создания плоского фронта СВЧ волн (рис. 13, 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 l (рис. 13, b).
Рис. 13. СВЧ облучатель в виде рупорно-линзовой антенны для создания плоского фронта волны (a) и для фокусировки излучения (b).
На рис. 14 показан рупорно-параболический облучатель, применяемый для раскалывания бетонных плит. При l=12,6 см и Pизл=2,5 кВт бетонная плита толщиной 200 мм раскалывается через несколько секунд или минут после начала облучения.
Рис. 14. 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.
Равномерное излучение на прямоугольном участке поля создает пирамидальный рупор, подключенный к прямоугольному волноводу с волной H10. Однако постоянство плоскости поляризации напряженности электрического поля E в этом случае допустимо не для всех применений. Например, наиболее эффективно воздействуют миллиметровые волны на бактерии тогда, когда вектор E параллелен большему размеру бактерии. А так как бактерии ориентированы в облучаемом пространстве хаотически, то для повышения эффективности облучения желательно иметь равномерное по мощности распределение поля на площади, ограниченной кругом, и в пределе этой площади иметь круговую поляризацию вектора E.
Подобного типа облучатель для рабочей длины волны 7,1±0,2 мм изображен на рис.15. Он состоит из перехода со стандартного прямоугольного волновода сечением 2,6x5,2 мм на круглый волновод диаметром 6,2 мм. В этом переходе волна H10, распространяющаяся в прямоугольном волноводе, плавно и без отображений преобразуется в волну H11 круглого волновода с сохранением плоскости поляризации вектора E. Для получения круговой поляризации вектора напряженности электрического поля в круглом волноводе используется секция круглого волновода, в которую помещена четвертьволновая полистироловая пластина (e=2,56) толщиной 1,1 мм и длиной 10 мм с плавным сужением на концах для предотвращения отражений, плоскость которой расположена под углом 45° к направлению вектора E в прямоугольном волноводе. Далее круглый волновод диаметром 6,2 мм переходит в излучающий рупор с углом раскрыва 36° и диаметром раскрыва 150 мм. Применялись также рупоры с раскрывами 50 и 300 мм. Для формирования равномерного поля облучения в раскрыве рупора помещена диэлектрическая линза из фторопласта (e=2,08), имеющая специально рассчитанный профиль по стороне, обращенной к волноводу, и плоскую поверхность на стороне объекта облучения.
Идеальную равномерность поля в пределах радиуса R получить невозможно. Равномерность считается достаточной, если перепады интенсивности поля в пределах круга радиуса R не превышают 3 дБ.
Наилучшая равномерность напряженности поля получилась при раскрыве рупора 150 мм. Размер равномерно облучаемой поверхности при этом можно регулировать изменением расстояния L. При L³400 мм равномерность поля по сечению луча уже практически не меняется. Таким образом, увеличивая L, можно получить увеличение диаметра 2R равномерно облученной поверхности.
Рис. 15. Облучатель с круговой поляризацией вектора напряженности электрического поля:
1 — переход с прямоугольного волновода с сечением 2,6x5,2 мм на круглый волновод диаметром 6,2 мм; 2 — фазосдвигающая диэлектрическая пластина; 3 — рупор с раскрывом 150 мм; 4 — линза из фторопласта; 5 — прижимное кольцо.
Применение рассмотренной квазиоптической системы формирования пучка электромагнитных волн позволило передавать на облучаемую поверхность 80% энергии, излучаемой рупором при допустимом изменении интенсивности напряженности электрического поля на 3 дБ от максимального значения. Без применения описанной системы формирования на равномерно облучаемую поверхность приходится только 55% излученной рупором энергии поля волны H11. Применение линзы эквивалентно увеличению площади облучаемой поверхности примерно в 1,5 раза.
Таким образом, рассмотренный тип облучателя позволяет получить равномерную с точностью до 3 дБ облучаемую поверхность на длине волны 7,1 мм диаметром от 50 до 300 мм. Диаметр облучаемой поверхности определяется расстоянием от рупорно-линзевой антенны до объекта облучения.
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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
