ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГЕНЕРАТОРОВ МАГНЕТРОННОГО ТИПА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

January 27, 2015 by admin Комментировать »

Я. А. Старец

ЗАО "Тантал-Наука", Саратов

Магнетроны для медицинских установок имеют мощность от долей ватта до 250-300 Вт, и вряд ли здесь возможно серьезное развитие.

Бытовые магнетроны применяются в СВЧ-печах в интервале мощности от 500 Вт до 1-1,2 кВт в диапазоне частот 2400-2500 МГц. Номенклатура их чрезвычайно широка.

Известные в настоящее время промышленные магнетроны имеют мощность от 1 до 20 кВт в диапазоне частот 2400-2500 МГц и 50-100 кВт и более на частотах 915 и 433 МГц.

Перечисленные выше магнетроны сохраняют господствующее положение в различных областях применения благодаря своим эксплуатационным характеристикам и сравнительно низкой себестоимости. К числу основных эксплуатационных характеристик относятся выходная мощность, КПД, долговечность, устойчивость работы в широком диапазоне нагрузок, накальные характеристики приборов. Одним из важнейших параметров является также способность поглощения СВЧ-энергии веществом в различных участках диапазона.

Основное отличие магнетронов, работающих на частотах около 915 МГц, в том, что перечисленные требования могут рассматриваться независимо друг от друга. Существующие конструкции обеспечивают оптимальные параметры вплоть до нескольких сотен киловатт. Прогнозировать появление магнетронов со средней мощностью порядка 0,5-1 МВт можно, но это будет зависеть, главным образом, от конкретных задач промышленности.

При разработке магнетронов, работающих на частотах 2400-2500 МГц, отсутствие взаимного влияния перечисленных выше параметров имеет место до мощностей порядка 0,8-1,2 кВт. В интервале от 1 до 5-6 кВт существует прямая взаимозависимость всех перечисленных выше параметров, в первую очередь взаимосвязь мощности и КПД с устойчивостью (КСВН), а при дальнейшем повышении мощности – также и с долговечностью. При мощности в 10 кВт и выше коренным образом изменяется подход к конструированию резонаторной системы и катода. Необходимо вводить жидкостное охлаждение непосредственно в замедляющую систему и катод.

Существующие конструкции магнетронов, работающих на частотах 2,4-2,5 ГГц, обеспечивают весь интервал мощностей от единиц ватт до 15-20 кВт. Наряду с бытовыми магнетронами, которые применяются и в отдельных промышленных установках, наибольшее применение находят магнетроны мощностью 3 и 5 кВт; их эксплуатационные характеристики не уступают зарубежным образцам, а по такому параметру, как долговечность, значительно их превышают. Так, выпускаемый у нас 3-киловаттный магнетрон М-141, обеспечивающий взаимозаменяемость с соответствующими конструкциями фирмы Philips, благодаря внесенным усовершенствованиям работает в итальянских и немецких установках полимеризации резины (города Екатеринбург и Балаково) в среднем более 10 тысяч часов, отдельные образцы – более 25 тысяч часов. Основными задачами в этом диапазоне в ближайшие годы являются создание магнетрона мощностью 50 кВт и повышение КПД до 80% для магнетронов, работающих 4-5 тысяч часов в год. Особо стоит вопрос о двухрежимных магнетронах.

Создание магнетрона мощностью 50 кВт с долговечностью 4-5 тыс. часов и более представляется в настоящее время возможным, хотя задача эта непростая. Наш опыт позволяет ее решить на базе магнетрона М-146 с боковым катодом, который выстреливает поток по оси прибора. Первые приборы должны быть изготовлены в середине 2001 года. Имеющийся задел позволит в дальнейшем повысить мощность до 100 кВт.

Проблемой повышения КПД до 80% мы занялись для установок, преобразующих СВЧ- энергию в световую. Этот способ даёт возможность в 5-10 раз увеличить светоотдачу по сравнению с лампами накаливания и ртутными лампами при спектре, соответствующем солнечному. Установка выпускается фирмой FL (США). Полученный результат является следствием отхода от традиционных решений при определении основных параметров конструкции и закреплен патентом. Поставка таких приборов начнется в ближайшее время.

Важным в развитии магнетронного направления является всемерное расширение их применения в различных технологических процессах. Сегодня, как правило, магнетроны мощностью до 10-15 кВт работают на частотах около 2400 МГц, а 25 кВт и выше – 915 и 433 МГц. В отдельных случаях выбор диапазона зависит не только от мощности, но и от поглощающих свойств вещества, подвергающегося воздействию СВЧ-энергии. Особенно наглядно это проявляется при решении задачи уничтожения отравляющих веществ, утилизации отходов АЭС и при некоторых других процессах.

Особняком стоит проблема взаимодействия СВЧ-энергии с живыми организмами, например при уничтожении микробов в наполнителях лекарств или обработке пищевых продуктов. В начале 90-х гг. мы впервые столкнулись с проблемой импульсного воздействия на микроорганизмы в диапазоне частот около 2400 МГц, т. е. при значениях hv во много раз меньших, чем те, которые могут привести к разрушению даже очень крупных молекул. При обеззараживании наполнителей лекарств эффект был получен при импульсной мощности порядка 20 кВт и скважности 50 (средняя мощность менее 1 кВт) – количество микробов уменьшилось на три порядка за время обработки менее 1 минуты.

Проведенное совместно с химиками обсуждение показало, что мы совершенно не знали в то время о существовании сложных образований в воде, называемых кластерами. Разрушение этих образований приводило к гибели микробов, которые более чем на 90% состоят из воды. Этот случай дал толчок к более глубокому изучению взаимодействия СВЧ-энергии с веществом, в частности к исследованию проблем, связанных с уничтожением отравляющих веществ. Следует отметить, что эти исследования требуют взаимодействия ученых и инженеров разных областей знаний. Принципиально новые технологии, скорее всего, будут рождаться на стыке наук, так как в каждой отдельной области многие направления исчерпали себя.

Неожиданно мы столкнулись с проблемой психологического характера, выражающейся в нежелании специалистов-химиков допускать кого бы то ни было в свою область и непонимании характера взаимодействия СВЧ-энергии с веществом, принципиально отличающегося от понятий о теплопроводности (причем это непонимание имеет место на весьма высоком уровне специалистов). Преодоление этих трудностей – очень не простое дело, которым мы занимаемся в области уничтожения отравляющих веществ более 5 лет.

Вначале на заменителях современных нервно-паралитических газов (зарин, зоман, УХ) и старых (иприт и др.) были проверены их поглощающие свойства при воздействии излучения частотой 915 и 2450 МГц. Оказалось, что последняя цифра дает во много раз лучшие результаты. Разложение отравляющих веществ идёт интенсивно при температуре от 150 до 270°С. Решающую роль играет разница между температурой разложения и кипения: если она велика (для УХ около 100°С), то задача решается сравнительно легко; при малой разности значительная часть газов улетает, если не поддерживать узкий температурный интервал с помощью обратной связи. К сожалению, в условиях, в которых мы оказались, осуществить это не удалось. Для УХ результат был положительным: остаток вещества в сосуде и теплообменнике был ниже разрешающей способности средств измерения (ниже КГ6). Для зарина и зомана нужны другие условия эксперимента из-за небольшой разницы между температурой кипения и разложения.

Необходимо отметить, что в настоящее время существуют два способа решения задачи: термический (нагрев и сжигание в специальных печах), который применяли в США (завод в штате Юта), и химический из двух стадий – разложение с помощью моноэтаноамина с последующим разбавлением полученного продукта (3-^5-10"5) и его битумизацией.

Наши эксперименты показали, что при СВЧ-нагреве удельное значение необходимой мощности уменьшается в десятки раз, так как при температуре внутри снаряда 300°С его оболочка имеет менее 200°С, при внешнем нагреве – до 700-800°С. Это связано с низкой величиной теплопроводности фосфорного ангидрида, образующегося при разложении ФОВ.

В настоящее время мы обратили свои усилия на предложенный двухстадийный процесс, вернее, на его вторую стадию, заменяя битумизацию остекловыванием. Это дает возможность полного разложения остатков ОВ в основной массе получаемого твердого остатка.

Развитие применения СВЧ-энергии в промышленности, скорее всего, пойдет по пути взаимодействия ее с веществом, при этом знаний у представителей отдельных областей явно недостаточно для решения крупных проблем. Приведем только два примера: 1) утилизация отходов АЭС и атомных электростанций; это проблема мирового порядка; 2) увеличение выхода цветных и благородных металлов при предварительной обработке породы СВЧ- энергией, например, золота, серебра (так, применение СВЧ для предварительной обработки золотоносных пород позволит увеличить извлечение содержащегося в ней золота с 81-82% до 97-98%). Вопрос объединения усилий стоит весьма остро, в этой связи полезным может стать создание целевого совета под патронажем Академии наук.

В заключение отметим, что настало время улучшить характер подготовки специалтов-электронщиков, проводя специальные курсы или семинары по материаловедению и химии хотя бы в ведущих вузах страны. Возможна организация специальных курсов усовершенствования для опытных инженеров и научных работников с привлечением специалистов из смежных областей.

* * *

1.            В разработке магнетронов для промышленных нужд можно ожидать появления на рынке 50-киловаттного магнетрона, работающего в диапазоне частот 2400-2500 МГц уже в ближайшие год-два. Можно прогнозировать появление магнетрона с мощностью до 100 кВт в течение 5-6 лет. Как в сантиметровом, так и в дециметровом диапазонах будут развиваться двухрежимные магнетроны, главным образом для применения в биотехнологиях. При этом временные параметры будут определяться развитием самой биотехнологии. Следует ожидать появления магнетронов мощностью до 5 кВт и работающих на частоте около 5800 МГц, которая также выделена для промышленного применения (в настоящее время значение мощности в этом диапазоне не превышает 1 кВт). На частотах 915 и 433 МГц также будут расти значения мощности, и уже в этом десятилетии реальной является цифра 500 кВт.

2.            Главным направлением в области применения магнетронов должно стать изучение процессов взаимодействия СВЧ-энергии с веществом, как с живым (разрушение кластеров), так и во всех сферах технологических процессов, о которых шла речь выше. Скорость этого движения будет зависеть от степени взаимодействия основных специалистов в различных областях технологии со специалистами в области вакуумной СВЧ-электроники. При этом инициатива во многом будет зависеть от нас, в первую очередь в поисках этих новых направлений. Уже сейчас ясно, что к их числу относятся вопросы уничтожения и хранения остатков ОВ и отходов атомной промышленности, обогащения руд и извлечения из них благородных и редких металлов и многие другие.

3.            Целесообразно и необходимо внести в ближайшие годы изменения в систему подготовки и переподготовки кадров с целью сближения точек зрения на эти проблемы ученых и инженеров различных школ и областей знания.

Литература

1.         Адамович В. А., Еремин В. П., Перовский Э. В., Старец Я. А. Магнетрон для СВЧ-нагрева: Патент 2 143 767.

Россия. Приоритет от 02.06.98.

2.         Старец Я. А., Кочергин А. И. Способ термического разложения отравляющих веществ: Патент 2 093 229.

Россия. Приоритет от 19.03.96.

3.         Proceedings of International Symposium on Gold Metallurgy. Winnipeg, Canada. 1987. P. 327-393.

Источник: ВАКУУМНАЯ СВЧ ЭЛЕКТРОНИКА: Сборник обзоров. — Нижний Новгород: Институт прикладной физики РАН, 2002. — 160 с.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты