СПОСОБ СВЧ-ОБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ (ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к области СВЧ-энергетики и может быть использовано при СВЧ-сушке и СВЧ-обработке строительных материалов.

В СВЧ-энергетике обработка вещества производится с помощью мощного потока СВЧ-электромагнитных волн. Между излучателем электромагнитных волн и обрабатываемым материалом имеется область свободного пространства, волновое сопротивление которого обычно отличается от сопротивления обрабатываемого материала. На границе раздела неизбежно возникают отражения, которые приводят в дальнейшем к нарушению режима работы генератора СВЧ и линии передачи. Кроме того, значительная амплитуда отраженной от вещества волны означает, что она поглощается не в обрабатываемом материале, а направляется опять в излучатель. Последнее, кроме нарушения режима линии, работы генератора, вызывает также резкое уменьшение КПД всей установки [Черняев Л.К. Согласование в высокочастотных трактах. - М.: Сов. Радио, 1967, с. 67]. Для уменьшения коэффициента отражения может быть использован «просветляющий» слой диэлектрика с электрическими характеристиками, являющимися средним геометрическим из характеристик свободного пространства и диэлектрика, при этом толщина «просветляющего» слоя должна быть равной четверти длины волны в нем. Эта идея широко распространена в оптике [Л.Д. Гольдштейн, Н.В. Зернов. Электрические поля и волны. - М.: Сов. радио, 1971, с. 240]. Подобный подход является малопродуктивным в СВЧ-энергетических установках, так как требует для каждого из обрабатываемых материалов «своего» диэлектрика достаточно большой толщины с минимальными потерями в нем.

Наиболее близким к предложенному способу техническим решением, принятым за прототип, является способ СВЧ-сушки древесины, заключающийся в увеличении скорости сушки древесины за счет того, что получают минимальное (нулевое) значение интенсивности отраженного излучения [патент RU 2114361, Кл. F26B 3/347, 1998]. В основу прототипа положен принцип согласования пространства с веществом путем подбора угла падения волны. Способ СВЧ-сушки древесины состоит в том, что пиломатериал одного сорта укладывают горизонтально рядами с зазором между досками. Сложенный штабель облучают СВЧ-излучением с одной или двух его поверхностей. Облучают поверхность штабеля СВЧ-излучением с поляризацией, параллельной плоскости падения, под углом Брюстера, который поддерживают постоянным в процессе сушки путем изменения направления облучения.

Реальные же диэлектрики, обрабатываемые в СВЧ-установках, всегда имеют большие потери электромагнитной энергии. Кроме того, в случае нечетко выраженной границы раздела сред (сыпучие материалы) угол падения электромагнитной волны для разных участков будет различный, что не дает возможности в полной мере реализовать предложенный способ. Процесс сушки занимает длительное время, а нагрев материала должен осуществляться медленно, следовательно, является энергоемким. Эти недостатки свойственны прототипу.

Известно, что все диэлектрические вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла диэлектрических потерь (tg δ). На практике чаще всего приходится работать с диэлектрическими веществами неизвестных электрических характеристик.

Техническим результатом изобретения является минимизация отражения электромагнитных волн СВЧ-излучателя от слоя диэлектрических материалов, что ведет к максимальному поглощению СВЧ-энергии диэлектрическими материалами, а также снижение энергоемкости.

Это достигается двумя вариантами решения задачи.

Согласно первому варианту способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов заключается в том, что диэлектрический материал с известной диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла диэлектрических

потерь (tg δ) помещают в металлическую камеру напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя и компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления.

Согласно второму варианту способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов состоит в том, что диэлектрический материал с неизвестной диэлектрической проницаемостью (ε) и тангенсом угла потерь (tg δ) помещают в металлическую камеру напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, определяют положение сечения волноводной линии, в котором входное сопротивление равно волновому. СВЧ-излучатель располагают на расстоянии, кратном целому числу длин полуволн от найденного расстояния между СВЧ-излучателем и границей раздела поверхности диэлектрического материала и свободного пространства (l).

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ, согласно первому варианту, отличается тем, что диэлектрический материал размещают в металлической камере напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучая СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя и компенсируют реактивную составляющую входного сопротивления.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ, согласно второму варианту, отличается тем, что диэлектрический материал размещают в металлической камере напротив и перпендикулярно СВЧ-излучателю, облучая СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности, определяют положение сечения волноводной линии, в котором входное сопротивление равно волновому, СВЧ-излучатель располагают на

Расстоянии, кратном целому числу длин полуволн от найденного расстояния между СВЧ-излучателем и границей раздела обрабатываемой поверхности диэлектрического материала и свободного пространства.

Таким образом, оба заявляемых решения соответствуют критерию изобретения «новизна».

Экспериментальная проверка заявляемого способа может осуществляться на СВЧ-установке, схема которой представлена на фиг. 1, на фиг. 2 - графическая зависимость активной составляющей от коэффициента фазы, на фиг. 3 - графическая зависимость реактивной составляющей входного сопротивления от коэффициента фазы.

Следует отметить, что известны рупорные СВЧ-излучатели с различным поперечным сечением [Франклин А.З. Антенны СВЧ. М.: Сов. Радио, 1957]. Из Большой Советской Энциклопедии известно, что в случае рупорных излучателей существует понятие «раскрыв» (наибольшее сечение) СВЧ-излучателя. Размеры раскрыва СВЧ-излучателя определяют по формулам. Используя данные СВЧ-генератора, определяют длину падающей волны и для данного диэлектрического материала подбирают линейные размеры раскрыва СВЧ-излучателя.

Установка для осуществления способа СВЧ-обработки диэлектрических материалов состоит из металлической камеры 1, которая соединена с СВЧ-излучателем 2, размеры раскрыва которого можно изменять. СВЧ-излучатель расположен напротив и перпендикулярно поверхности диэлектрического материала 3, который помещают в металлическую камеру. СВЧ-генератор 4 присоединяют к СВЧ-излучателю.

Способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов согласно первому варианту осуществляется следующим образом. В металлическую камеру 1 предложенной установки (фиг. 1) напротив и перпендикулярно раскрыву СВЧ-излучателя 2 помещают диэлектрический материала 3, например, насыпают на радиопрозрачную ленту песок, фиксируя его радиопрозрачными пенополистирольными вкладышами, которые не влияют

на работу устройства, но позволяют фиксировать его в металлической камере или помещают в металлическую камеру блок пенобетона. Подобное размещение способствует тому, что диэлектрический материал облучается подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности и коэффициент поглощения стремится к максимальному значению. Подбирают размеры раскрыва СВЧ-излучателя таким образом, чтобы вся обрабатываемая поверхность диэлектрического материала подвергалась облучению в процессе обработки. Используя математический пакет MathCAD и формулу полного входного сопротивления, а также зная электрические характеристики диэлектрических веществ, получают графические зависимости нормированной активной и реактивной составляющих входного сопротивления волновода от коэффициента фазы (βl). По полученным графическим зависимостям определяют значение коэффициента фазы (βl), соответствующее тому, что активная составляющая входного сопротивления стремится к единице, т.е. R(βl)→1 (фиг. 2). По полученным данным коэффициента фазы определяют расстояние l, на которое и устанавливают СВЧ-излучатель. По значениям коэффициента фазы (βl) определяют значение реактивной составляющей входного сопротивления (фиг. 3) и компенсируют ее вводом в волновод дополнительного реактивного сопротивления, имеющего противоположный знак по отношению к расчетному, определенному из графика. Компенсация реактивной составляющей входного сопротивления осуществляется с помощью диафрагмы или введения реактивного штыря. Подключают СВЧ-генератор 4 и облучают СВЧ-излучением подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности диэлектрического материала.

Способ СВЧ-обработки диэлектрических материалов, согласно второму варианту, в случае, если неизвестны значения диэлектрической проницаемости (ε) и тангенса угла диэлектических потерь (tg δ), заключается в следующем. В металлическую камеру 1 предложенной установки (фиг. 1) напротив и перпендикулярно раскрыву СВЧ-излучателя 2 помещают диэлектрический материал 3, например песок или блок пенобетона. Подобное размещение способствует тому, что диэлектрический материал облучается подачей электромагнитных волн перпендикулярно его поверхности и коэффициент поглощения стремится к максимальному значению. Посередине широкой стенки металлической камеры прорезана неизлучающая щель, по которой может в продольном направлении перемещаться детекторный зонд, который подключают к ваттметру, что позволяет измерять режим работы волноводной линии. Подключают СВЧ-генератор 4 и облучают подачей электромагнитных волн перпендикулярно поверхности диэлектрического материала. Измеряют режим работы линии передачи, т.е. с помощью детекторного зонда определяют коэффициент стоячей волны как отношение максимального и минимального значений амплитуды напряжения, которое вдоль волноводной линии меняется от сечения к сечению. В сечениях максимумов и минимумов напряжения входное сопротивление является активным. В других сечениях сопротивление комплексное, и при переходе через максимум характер реактивности меняется. Таким образом, вдоль линии происходит изменение сопротивления. Участок линии длиной, равной целому числу длин полуволн, не изменяет сопротивления. Находят то сечение линии, в котором входное сопротивление равно волновому (активная составляющая волнового сопротивления). В этом сечении вычисляют реактивную составляющую волнового сопротивления по формулам. Для обработки результатов служат специальные круговые диаграммы Вольперта, по данным которых и определяется расположение сечения линии, имеющее полученное значение реактивной и активной составляющих волнового сопротивления. Реактивную составляющую входного сопротивления подбирают по модулю равной полученному ранее волновому сопротивлению, а по знаку противоположную ему. Известно, что поперечные сечения волноводной линии с одинаковым входным сопротивлением периодически повторяются через расстояние, равное половине длины волны. СВЧ-излучатель располагают на расстоянии,

кратном целому числу длин полуволн от найденного расположения сечения линии, т.е. располагают его на расстоянии l от поверхности диэлектрического материала. Например, для диэлектрического материала пенобетона определено по предложенному способу расстояние от раскрыва СВЧ-излучателя до диэлектрического материала, l=0,16 м такое, чтобы обеспечить максимальное поглощение электромагнитных волн в обрабатываемом слое диэлектрического материала, следовательно, снизить энергоемкость использования СВЧ-энергии.