История электротехники
Шрифт:
На базе быстропроточного газового лазера ТЛ-5, модернизированного твердотельного лазерного излучателя со средней мощностью до 250 кВт и двухкоординатного стола с рабочим полем 3x4 м и скоростью перемещения до 3,5 м/мин в ВЭИ разработан универсальный лазерный комплекс.
11.3.3. ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ
В силу исторической приоритетности потребностей военной техники уже в предвоенные (30-е годы) и особенно в последующие 40–80-е годы усилия многих ученых и инженеров, целых научных и производственных коллективов были сосредоточены на создании и выпуске различных СВЧ-приборов и устройств военного назначения (до 90% ламп закупалось военной промышленностью). Такая концентрация сил происходила как в СССР,
В технологической СВЧ-электронике функция электромагнитных волн — энергетическое воздействие на объект, при этом важную роль играет правильный выбор рабочей частоты электромагнитных колебаний и уровня мощности их источника. Оптимизация взаимодействия электромагнитных полей СВЧ-излучения с объектом требует учета многих факторов, таких как форма и объем объекта, физико-химический состав и структура и др.
СВЧ-технологии — относительно молодые направления техники. Их развитие началось в середине 40-х годов и расширялось по мере создания источников СВЧ-колебаний: триодов, тетродов, магнетронов, пролетных клистронов. Сегодня, на рубеже XX и XXI вв., номенклатура объектов, обрабатываемых СВЧ-излучением, заметно растет, но результаты воздействия на различные микро- и макрообъекты изучены далеко не во всей полноте. Их принято разделять на тепловые и нетепловые, а объекты обработки — на неживые и живые (биологические). Доминирующим в развитии технологий СВЧ-обработки следует признать СВЧ-нагрев неживых объектов (материалов, продуктов). Это направление начало особенно интенсивно развиваться в 60-х годах и уже глубоко проникло в промышленную и бытовую сферы.
В промышленных установках СВЧ-нагрева используются как одиночные источники СВЧ-энергии с требуемой выходной мощностью, так и комбинации из двух, трех и более (до десятков) СВЧ-генераторов, работающих одновременно или по определенной пространственно-временной программе. В бытовых установках (например, в микроволновых печах), как правило, используется один магнетрон.
С конца 60-х годов и по настоящее время изучаются медико-биологические эффекты воздействия СВЧ-облучения на живые микро- и макрообъекты. В конце 90-х годов начато создание установок автономных и комплексных воздействий, например СВЧ- и УФ-облучений. Так, в 1997 г. специалистами ОАО «Плутон» создана портативная установка бактерицидной обработки проточных жидкостей, медицинских инструментов, отходов. В конце 90-х годов начинают применять импульсные, в том числе моноимпульсные режимы для мощного локального теплового и, возможно, «нетеплового» СВЧ-воздействия на микрообъект в целях деструктуризации или «угнетения» этого микрообъекта. Частным случаем такого технологического процесса является безнагревная антисальмонельная обработка сырых яиц домашней птицы.
В технологических СВЧ-установках в основном используются магнетроны. Однако находят применение и пролетный клистрон (например, в СВЧ-сушилках крупногабаритных материалов), ниготрон (например, в мощных плазмотронах), гиротрон (например, в установках нагрева плазмы). Однако магнетрон вряд ли утратит свои позиции в XXI в. По-видимому, первым из исследователей, поместившим вакуумный диод с коаксиальными электродами в продольное магнитное поле для управления отсечкой тока, был немецкий инженер К. Гадинг (К. Gading, 1910 г.), запатентовавший такой прибор, видя в нем конкурента изобретенному за 3 года до этого Ли де Форестом триоду.
Однако наиболее заметный интерес к диоду в магнитном поле был проявлен учеными и инженерами разных стран в период 1919–1939 гг. Из первых исследователей «магнитного диода» со сплошным анодом и нитевидным прямонакальным катодом следует выделить американца А. Халла (A. Hull), в 1921 г. описавшего движение электронов в пространстве между коаксиальными цилиндрическими электродами в присутствии однородного магнитного поля. А. Халлом был введен термин «магнетрон». При этом магнетрон отнюдь не рассматривался как генератор СВЧ-колебаний. Эффект генерирования электромагнитных колебаний в магнетроне открыли
В период 1926–1936 гг. магнетрон развивался уже как генератор электромагнитных колебаний. В 1927 г. А.А. Слуцкин и Д.С. Штейнберг (СССР) впервые создали магнетрон в диапазонах 60–30 и 7,5 см. Основная тенденция этого периода — увеличение мощности и продвижение в диапазон все более коротких волн — решалась в рамках использования магнитного диода с разрезным анодом и внешнего колебательного контура.
В 1929 г. А. Окабе (A. Okabe), Япония, добился генерирования колебаний в диапазоне волн 3–5 см магнетроном с четырехсегментным анодом, а в 1932 г. Е. Мегоу (E.C.S. Megaw), Англия, получил колебания с длиной волны 40–60 см на магнетроне с двенадцатисегментным анодом. Важной вехой в развитии теории и практики создания магнетронов явилось введение в 1934 г. К. Постумусом (К. Posthumous), Голландия, концепции вращающегося поля для электромагнитных колебаний типа «бегущей волны» и принципа синхронизма при взаимодействии электронов с электромагнитными волнами.
В русле упомянутой задачи наращивания мощности и увеличения частоты, пожалуй, наиболее весомым надо считать появление в 1936–1940 гг. магнетронов с цельномедным анодом, содержащим непосредственно в теле анода несколько полых СВЧ-резонаторов вместо внешних LC-контуров. Работы в 1935–1940 гг. в СССР проводились под руководством М.А. Бонч-Бруевича инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым. Были получены рекордные по тому времени мощности непрерывных колебаний — до 300 Вт с длиной волны 9 см. В дальнейшем во всем мире стали разрабатываться именно многорезонаторные магнетроны.
Одной из ранних проблем, возникших в мно-горезонаторных магнетронах, явилась неустойчивость генерации, а с увеличением уровней мощности этой проблеме сопутствовала не менее существенная — недолговечность тонкого катода. Первая из них была успешно решена введением в анодную резонаторную систему связок [Дж. Сэйерс (J. Sayers), Англия, 1941 г.], а позже использованием разнорезонаторных систем [Дж. Рэндол, X. Бут (J.T. Randall, H.A. Boot), Англия]; вторая — введением полого цилиндрического катода с подогревателем. В радиоламповой технике такой катод был предложен русским ученым А.А. Чернышевым (1918 г.), а для магнетронов в 1933 г. — американским инженером К. Хенселлом (К. Hansel).
В период 1941–1945 гг. преимущественно создавались импульсные магнетроны для радиолокаторов. В этот период появилось множество усовершенствованных конструкций и технологий, измерений и испытаний. Вплоть до 1946 г. лидерство во всех этих направлениях удерживали страны Запада. После войны значительные успехи были достигнуты и в СССР (С.А. Зусмановский, А.П. Федосеев, П.И. Седов, И.М. Гаврилин и др.).
В СССР в период 1946–1975 гг. также преимущественно развивались импульсные магнетроны различных частотных диапазонов и уровней мощности, хотя с 60-х годов стали появляться и магнетроны непрерывного действия. Тем не менее в мировой практике уже к середине 60-х годов лидирующее положение в создании и выпуске магнетронов для технологических установок заняла Япония, в настоящее время экспортирующая на мировой рынок не только микроволновые печи, но и магнетроны различных уровней мощности (500–900 Вт) для их изготовления. Значительный рывок в 1988–1990 гг. был сделан в Южной Корее. В США и России разработан ряд типов магнетронов непрерывного действия для технологических целей на частотах 915 и 2450 МГц. Достигнуты уровни мощности 100 Вт — 100 кВт и КПД до 85%.
Современные магнетроны непрерывного действия для различных технологических установок содержат в подавляющем большинстве связочные резонаторные системы и спиральные прямонакальные катоды. Эти приборы характеризуются устойчивостью к изменениям нагрузки, что существенно, например, для таких новейших технологий, как СВЧ-накачка безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения — светильников и облучателей.
Различные типы магнетронов в зависимости от уровня мощности имеют конструкции с воздушным или жидкостным охлаждением.