Результат интеллектуальной деятельности: Устройство для формирования пространственного спирального поля

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в источниках излучения, предназначенных для решения задач облучения вещества физическими полями различной природы.

Известны излучатели пространственного поля, снабженные системами позиционирования по углу и азимуту (см. книгу: Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. В 2-х ч. Ч. 2. Антенны. - М.: Радио и связь, 1969 г., с. 310).

Недостатком известных излучателей является невозможность формирования спирального поля и обеспечения вращения пространственной спиральной волны, создаваемой антенной, вдоль оси ее распространения.

Известны излучатели пространственного спирального поля, в которых металлический проводник, в форме спирали, подсоединяют к центральному проводнику коаксиальной линии, а наружную оболочку коаксиальной линии к плоскому металлическому экрану (см. Большая Советская Энциклопедия. Т. 24. М.: изд-во «СЭ», 1976. Г.К. Галимов. Спиральные антенны. С. 960-961, рис. 2).

Недостатком этих решений является невозможность обеспечения вращения пространственной спиральной волны, создаваемой антенной, вдоль оси ее распространения.

Известно также устройство для формирования пространственного спирального поля, включающее излучатель поля, выполненный с возможностью взаимодействия с антенной, выполненной в форме тарелки, поверхность которой разрезана по радиусу от ее центра до края с отгибом краев разреза в плоскости, проходящей через линию разреза и ось симметрии антенны, проходящую через ее фокус (см. http://www.membrana.ru/particle/17678 или http://www.nature.com/ncomms/2014/140916/ncomms5876/full/ncomms5876.html).

Недостатком данной антенны является то, что не обеспечивается возможность интенсивного взаимодействия формируемого излучения с веществом облучаемого объекта, кроме того, для повышения эффективности работы антенны необходимо существенное повышение скорости вращения антенны, а это с учетом сопротивления воздуха приводит к росту вентиляторного эффекта - произвольного изменения геометрических параметров лопастей и, как следствие, к произвольному изменению рабочих параметров излучения, т.е. не стабильной работе устройства. Кроме того, в данной антенне невозможно регулировать параметры пространственной спиральной волны, воздействующей на объект, подстраивая ее параметры под волновые характеристики облучаемого объекта.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности взаимодействия формируемого устройством излучения с облучаемым веществом при повышении стабильности работы устройства.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, заключается в обеспечении вращения фронта пространственной спиральной волны вдоль оси его распространения, увеличении числа волн, вложенных одна в другую, а также обеспечении возможности регулировании шага спиральной волны и обеспечении стабильности работы при высоких скоростях вращения.

Для решения поставленной задачи устройство для формирования пространственного спирального поля, включающее излучатель поля, выполненный с возможностью взаимодействия с антенной, выполненной в форме тарелки, поверхность которой разрезана по радиусу от ее центральной части до кромки, с отгибом краев разреза в плоскости, проходящей через линию разреза и ось симметрии антенны, проходящую через ее фокус, отличается тем, что антенна выполнена с возможностью вращения относительно оси распространения фронта пространственной спиральной волны, при этом разрез поверхности антенны выполнен по радиусу не менее двух раз через равные угловые интервалы, причем антенна размещена в полости герметичной цилиндрической камеры, жестко скрепленной с валом вращения антенны и снабженной средствами вакуумирования, при этом внутренние поверхности боковой части и основание камеры выполнены из диэлектрика, например гетинакса, и покрыты слоем материала с высокой электропроводностью, например медью, а ее передняя часть выполнена прозрачной для излучения формируемого излучателем. При этом средство регулирования величины отгиба краев разреза содержит язычок, жестко закрепленный на стороне антенны, противоположной излучателю, на одном крае разреза и нависающий над вторым краем разреза, при этом язычок снабжен резьбой, через которую пропущен валик, снабженный такой же резьбой, при этом свободный конец валика пропущен через отверстие во втором крае разреза с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие, причем продольная ось валика ориентирована перпендикулярно, и поверхности язычка и поверхности второго края разреза, кроме того, выступающий из язычка свободный конец валика выполнен с возможностью передачи через него вращения, кроме того, в основании камеры, выполнены отверстия, соосные с валиками, с возможностью доступа к последним, снабженные герметичными пробками. Кроме того, на задней поверхности антенны жестко закреплен вал, предпочтительно трубчатый, цилиндрический, соосный с осью симметрии антенны, свободный конец которого кинематически связан с приводом вращения. При этом свободный конец вала сообщен с приводом вращения вала через муфту, выполненную из диэлектрика. Кроме того, вал размещен в полости жесткого цилиндрического корпуса, в подшипниках, зафиксированных в полости корпуса, при этом корпус установлен на станине на шарнире, предпочтительно шаровом, с возможностью поворота. При этом вал выполнен из металла и жестко скреплен с диэлектрической втулкой, которая жестко скреплена с антенной.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение комплекса функциональных задач.

Признаки, указывающие, что «антенна выполнена с возможностью вращения относительно оси распространения фронта пространственной спиральной волны», позволяют пространственную спиральную волну, создаваемую антенной, вращать вдоль оси ее распространения.

Признак, указывающий, что «разрез поверхности антенны выполнен по радиусу не менее двух раз через равные угловые интервалы», позволяет увеличить число волн, вложенных одна в другую, что повысит эффективность взаимодействия излучения с веществом, а также подавить биения, вызванные асимметрией масс вращения, и тем самым повысить точность формирования параметров пространственных спиральных волн.

Признаки, указывающие, что «антенна размещена в полости герметичной цилиндрической камеры», позволяют снизить "вентиляционный эффект" за счет исключения притока воздуха в камеру извне при вращении антенны.

Признак, указывающий, что камера «жестко скреплена с валом вращения антенны», обеспечивает прочность и жесткость антенны и, следовательно, точность и устойчивость формирования параметров пространственной спиральной волны.

Признак, указывающий, что камера снабжена «средствами вакуумирования», позволяет снизить "вентиляционный эффект", как за счет исключения притока воздуха в камеру извне при вращении антенны, так и при разгоне, и торможении антенны.

Признаки, указывающие, что «внутренние поверхности боковой части и основание камеры выполнены из диэлектрика, например гетинакса, и покрыты слоем материала с высокой электропроводностью, например медью», позволяют экранировать камеру от внешних электромагнитных волн, носящих характер помех.

Признак, указывающий, что «передняя часть камеры выполнена прозрачной для излучения формируемого излучателем», позволяет обеспечить прохождение электромагнитных волн от излучателя к антенне и от антенны к облучаемому веществу.

Признаки «…средство регулирования величины отгиба краев разреза содержит язычок, жестко закрепленный на стороне антенны, противоположной излучателю, на одном крае разреза и нависающий над вторым краем разреза, при этом язычок снабжен резьбой, через которую пропущен валик, снабженный такой же резьбой, при этом свободный конец валика пропущен через отверстие во втором крае разреза с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие, причем продольная ось валика ориентирована перпендикулярно и поверхности язычка, и поверхности второго края разреза, кроме того, выступающий из язычка свободный конец валика выполнен с возможностью передачи через него вращения…» позволяют регулировать величину отгиба разрезов, т.е. изменять расстояния между ними, тем самым позволяют подстраивать шаг пространственной спиральной волны под волновые характеристики облучаемого объекта.

Признаки «…в основании камеры, выполнены отверстия, соосные с валиками, с возможностью доступа к последним, снабженные герметичными пробками…» обеспечивают доступ к средству регулирования величины отгиба краев разреза и одновременно возможность герметизации камеры после регулирования шага пространственной волны перед вакуумированием.

Признак, указывающий, что «на задней поверхности антенны жестко закреплен вал», обеспечивает возможность придания вращения антенне при вращении вала.

Признаки, указывающие, что вал выполнен предпочтительно трубчатым и цилиндрическим, обеспечивают линейный, а не площадной контакт торца вала с чашей антенны, что позволяет сохранить возможность ее упругого деформирования, снизить материалоемкость устройства и упростить организацию «работы» вала с подшипниками.

Признак, указывающий, что вал выполнен соосным «с осью симметрии антенны», исключает неконтролируемые «биения» антенны, т.е. сохранение постоянным положения ее оси симметрии и постоянство положения оси распространения пространственной спиральной волны.

Признак, указывающий, что «свободный конец» вала «кинематически связан с приводом вращения», обеспечивает возможность передачи вращения на вал.

Признаки, указывающие, что «свободный конец вала сообщен с приводом вращения вала через муфту, выполненную из диэлектрика», позволяют исключить возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн, а не волн иной физической природы, например звуковых, биологических или биоинформационных и т.п.

Признаки, указывающие, что «вал размещен в полости жесткого цилиндрического корпуса, в подшипниках, зафиксированных в полости корпуса», обеспечивают возможность вращения антенны с повышенными скоростями.

Признаки, указывающие, что «корпус установлен на станине на шарнире, предпочтительно шаровом, с возможностью поворота», обеспечивают возможность произвольного пространственного ориентирования антенны и, соответственно, пространственной спиральной волны.

Признаки, указывающие, что «вал выполнен из металла и жестко скреплен с диэлектрической втулкой, которая жестко скреплена с антенной», как вариант, позволяют исключить возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн, а не волн иной физической природы, например звуковых, биологических или биоинформационных и т.п.

На фиг. 1 схематически показан вид сбоку устройства; на фиг. 2 показан вид сзади тарелки антенны; на фиг. 3 показан фрагмент герметичной цилиндрической камеры со средством регулирования величины отгиба краев разреза; на фиг. 4 показана плоская волна, сформированная излучателем, при отсутствии вращения; на фиг. 5 показана спиральная вращающаяся волна, формируемая антенной с одним разрезом; на фиг. 6 показана спиральная вращающаяся волна, формируемая антенной с двумя разрезами.

На чертежах показаны излучатель поля 1, антенна 2, ее разрез 3, отгиб 4 краев 5 разреза 3, ось симметрии 6 антенны 2, фокус 7 антенны 2, задняя поверхность 8 антенны 2, ее кромка 9, вал 10, диэлектрические втулка 11 и муфта 12, подшипник 13, жесткий цилиндрический корпус 14, стойка 15, станина 16, шарнир 17, свободный конец 18 вала 10, привод вращения 19, валик 20, его резьба 21 и головка 22, отверстие 23 язычка 24, гайка 25, шайба 26, продольная ось 27 валика 20, передняя стенка 28, основание 29 и боковая стенка 30 камеры 31, ее ниппельно-золотниковый вход 32, герметичные пробки 33, покрытие 34 из токопроводящего материала.

Излучатель поля 1 выполнен с возможностью взаимодействия с антенной 2, выполненной в форме тарелки, которая разрезана дважды через равные угловые интервалы, отстоящие друг от друга на 180 градусов, до кромки 9 антенны 2 с отгибом 4 его краев 5 в плоскости, проходящей через линию разреза 3, ось симметрии 6 антенны 2 и ее фокус 7. В качестве излучателя поля 1 может быть использован, например, электромагнитный или ультразвуковой излучатель или контейнер с каким-либо биообъектом и т.п.

В качестве базовой конструкции для антенны 2 используют тарельчатую антенну, выполненную из металла, толщиной, обеспечивающей ее упругое деформирование. Под центральной частью антенны понимаем ее центральную площадь, ограниченную линией контакта с антенной 2 полого вала 10.

Антенна 2 размещена в полости герметичной цилиндрической камеры 31, жестко скрепленной с валом 10 вращения антенны 2 и снабженной средствами вакуумирования (для чего использован ниппельно-золотниковый вход 32, размещенный на основании 29 камеры 31, обеспечивающий разъемное соединение со шлангом вакуумного насоса известной конструкции (не показан) без нарушения герметичности камеры 31 при отсоединении этого шланга. При этом внутренние поверхности камеры 31 (основание 29 и боковая стенка 30) выполнены из диэлектрика, например гетинакса и покрыты слоем материала с высокой электропроводностью, например медью, а ее передняя стенка 28 (обращенная к излучателю 1) выполнена прозрачной для излучения формируемого излучателем. Антенна 2 выполнена с возможностью вращения (приводом 19, закрепленным на свободном конце 18 вала 10) относительно оси симметрии 6 антенны 2, совпадающей с осью распространения фронта пространственной спиральной волны. Диэлектрические втулка 11 и муфта 12 исключают электрический контакт антенны 2 с валом 10. Вал 10 выполнен цилиндрическим, трубчатым и жестко скреплен с задней поверхностью 8 антенны 2. Вал 10 может быть выполнен из металла и скреплен с антенной 2 через диэлектрическую втулку 11, которая непосредственно может быть закреплена на антенне 2 (в этом случае отпадает необходимость использования диэлектрического материала в муфте 12). Это же обеспечивается при изготовлении вала 10 из диэлектрического материала.

Непосредственное соединение антенны 2 и/или цилиндрической камеры 31 с валом 10 может быть обеспечено, например, втулками, с внешними сторонами которых жестко, например сваркой, скрепляют кромки центрально расположенных (посадочных) отверстий антенны и камеры 31 (не показаны), при этом сами втулки могут быть жестко скреплены с валом болтами или сваркой.

Вал 10 выполнен соосным с осью симметрии 6 антенны 2, при этом его свободный конец 18 кинематически связан с приводом вращения 19. Кроме того, вал 10 размещен в полости жесткого цилиндрического корпуса 14, в подшипниках 13, зафиксированных в полости корпуса 14, установленной на станине 16 стойкой 15 шарнира 17, предпочтительно шаровом, что позволяет осуществить разворот устройства в нужном направлении.

Средство регулирования величины отгиба 4 краев 5 разреза 3 содержит язычок 24, жестко закрепленный на задней поверхности 8 антенны 2, противоположной излучателю 1, на одном крае 5 разреза 3 и нависающий над вторым краем 5 разреза 3, при этом язычок 24 снабжен отверстием 23 с резьбой, через которую пропущен валик 20, снабженный такой же резьбой 21, при этом свободный конец валика 20 пропущен через отверстие во втором крае 5 разреза 3 с возможностью свободного вращения в нем и невозможностью возвратно-поступательного перемещения через это отверстие 23, причем продольная ось 27 валика 20 ориентирована перпендикулярно и поверхности язычка 24, и поверхности второго края 5 разреза 3. Оно использовано в количестве, соответствующем количеству разрезов (по одному на каждый разрез).

В основании 29 камеры выполнены сквозные отверстия (не показаны), снабженные резьбой, соосные с валиками 20, с возможностью доступа к последним, снабженные герметичными пробками 33, состоящими из шестигранных болтов (с резьбой, соответствующей резьбе вышеупомянутых сквозных отверстий), на которые надеты шайбы и герметизирующие, например резиновые, уплотнительные прокладки (не показаны). Торцы валиков 20 снабжены шлицами или граненной головкой (под отвертки или торцовые ключи - не показаны).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Перед началом работы устанавливают требуемую величину отгиба 4 краев 5 разреза 3 (для получения заданного шага формируемой спиральной волны), используя средства регулирования величины отгиба 4 краев 5 разреза 3. При этом для увеличения величины отгиба краев 5 разреза 3 антенны 2 валик 20 максимально выкручивают из отверстия 23 с резьбой, выполненного на язычке 24, что обеспечивает максимальное отодвигание друг от друга краев 5 соответствующего разреза 3 (при этом конический конец валика 20 упирается в стенки отверстия второго края 5 разреза 3, обеспечивая его отодвигание). При необходимости минимизации отгиба 4 валик 20 вращают в обратную сторону, выкручивая его на заднюю поверхность 8 антенны 2 (противоположную излучателю 1), что обеспечивает сближение краев 5 разреза 3. Далее до упора закручивают герметичные пробки 33, обеспечивая герметичность камеры 31. Далее, к ее ниппельно-золотниковому входу 32 подключают вакуумный насос известной конструкции, снабженный средствами измерения разрежения. При достижении давления в камере порядка 2-3×10^-4 Па вакуумный насос выключают, отсоединяют от камеры 31. При этом ниппельно-золотниковый вход 32 обеспечивает герметичность камеры в процессе отсоединения вакуум-насоса.

При включении в работу устройства, излучатель поля 1 генерирует плоскую волну (см. фиг. 4), которая, попадая на антенну 2, отражается ею в пространство, принимая вследствие «работы» антенны 2 либо спиральную форму (см. фиг. 5) при одном разрезе антенны, либо форму (см. фиг. 6) при разрезе в двух местах.

Регулирование шага волны позволяет подстраивать шаг формируемой пространственной спиральной волны при вращении антенны 2 под волновые характеристики облучаемого объекта и тем самым повысить эффективность воздействия на объект и точность получаемой информации об объекте. Вращение тарелки антенны 2 придает сформированной при этом пространственной спиральной волне вращение относительно оси симметрии 6 антенны 2, совпадающей с осью распространения фронта пространственной спиральной волны. При этом привод вращения 19, взаимодействуя с валом 10 антенны 2 (либо через муфту 12, либо через диэлектрическую втулку 11, в зависимости от наличия того или иного узлов), обеспечивает вращение вала 10, а с ним и самой антенны 2. Вращением антенны 2 обеспечивается как правое, так и левое вращение поля, причем диэлектрические свойства муфты 12 или втулки 11 исключают возможность передачи электромагнитного воздействия на узлы устройства, что важно при использовании антенны для излучения электромагнитных волн. Формирование разрезов 3 антенны 2 не менее двух раз через равные угловые интервалы обеспечивает подавление биений, вызванных асимметрией масс вращения, а вакуумирование камеры дополнительно снижает сопротивление среды вращению антенны 2 и степень проявления вентиляторного эффекта. Тем самым обеспечивается повышение точности формирования параметров пространственных спиральных волн и стабильность их параметров. Кроме того, увеличение числа разрезов 3 увеличивает число волн, вложенных одна в другую, что повышает эффективность взаимодействия излучения с веществом. Регулирование (см. фиг. 3) величины отгиба 4 краев 5 разреза 3 позволяет подстраивать шаг пространственной спиральной волны под волновые характеристики облучаемого объекта и тем самым повысить эффективность воздействия на объект и/или достоверность получаемой информации об объекте.

Покрытие основания 29 и боковой стенки 30 цилиндрической камеры 31 слоем материала с высокой электропроводностью, например медью, предотвращает попадание на антенну 2 электромагнитных волн, носящих характер помех.

Вращение пространственной спиральной волны относительно оси ее распространения повышает эффективность процесса взаимодействия формируемого устройством излучения с веществом и информативность такого взаимодействия. Например, в технологиях облучения твердых, жидких и газообразных сред, обработки и обеззараживания семян, сыпучих пищевых продуктов. В медицине и биологии могут использоваться как при исследовании живого вещества, так и в диагностике и терапии: ИК, УВЧ и СВЧ - терапии. В ультразвуковом диапазоне - в химии, биотехнологии и металлообработке позволяют повысить эффективность технологических процессов. Специфические особенности распространения и взаимодействия вращающегося пространственного спирального поля в веществе (отражение, поглощение, пропускание, рассеяние) позволяют повысить глубину проникновения излучения в вещество и характер его взаимодействия, что позволит: в геологии и геофизике повысить глубину и разрешающую способность разведки полезных ископаемых и получить более детальную картину о структуре исследуемого вещества; в подводной ультразвуковой локации повысить информативность сигналов, помехозащищенность каналов и дальность обнаружения.