Резонаторні камери для установок свч нагрівання діелектриків
Конструкція резонаторних камер повинна бути такою, щоб усередині них нагрівання було однаковим у будь-якій частині внутрішнього об'єму, зайнятого оброблюваним діелектриком. З іншого боку, об'єм камер повинен бути досить великим, щоб протягом кожного циклу обробляти значну кількість матеріалу та повністю використовувати потужність НВЧ генератора. Як мовилося раніше, для промислового застосування виділено невеликі ділянки спектра електромагнітних випромінювань, тому довільно вибирати робочу довжину хвилі не можна. Одним з найбільш зручних діапазонів для нагрівання діелектриків є діапазон хвиль поблизу12,6 см(2375±50 МГц).
Виходячи з наведених вимог у пристроях НВЧ нагрівання знаходять застосування резонаторні камери у вигляді прямокутних об'ємних резонаторів, лінійні розміри яких у5 - 6разів перевищують довжину хвилі генератора. У подібному резонаторі може існувати кілька різних видів коливань (понад десять), у кожного з яких свій розподіл електричного та магнітного полів усередині об'єму резонатора. Такі резонатори називають багатомодовими, тобто. у них може бути одночасно збуджено кілька видів коливань.
Поля різних видів коливань, якщо вони збуджені одного генератора з фіксованою довжиною хвилі, можуть у різних точках внутрішнього обсягу резонатора интерферировать, тобто. складатися і відніматися. В результаті в деяких точках можуть бути сильніші поля (від складання полів кількох видів коливань), а в інших – слабші (внаслідок віднімання). Тому сумарне поле може бути суттєво нерівномірним.
Розміри та параметри об'ємних резонаторів можуть бути розраховані на ЕОМ та оптимізовані. Завдання оптимізації полягає в тому, щоб вибрати такі розмірирезонатора, при яких у ньому можна було б збуджувати лише певні види коливань, а інтерференція між ними давала б, можливо, більш рівномірне поле за обсягом. При цьому збуджуючі коливання пристрою повинні встановлювати певні співвідношення між амплітудами тих видів коливань, які дають сумарне рівномірне поле.
Дещо інший спосіб отримання рівномірності нагріву - це застосування двох або більше генераторів, що працюють на різних, але зазвичай близьких частотах, або введення зміни в часі довжини хвилі, що генерується, в деяких можливих межах±Dl.
Чим ближче за шкалою довжин хвиль розташовані види коливань аналізованого багатомодового резонатора, тим менша зміна довжини хвилі генератора виявляється достатньою для поліпшення рівномірності нагріву та отримання рівномірного електромагнітного поля в ньому навіть при слабкому завантаженні резонатора оброблюваним діелектриком.
Для НВЧ нагрівання найбільш придатні такі багатомодові резонатори, у яких резонансні довжини хвиль різних видів коливань розташовані за шкалою довжин хвиль не згустками, а більш рівномірно. Це виходить, коли розміри резонатораa,bтаlрезсумірні, але з рівні, тобто. коли резонатор є паралелепіпедом, близьким до куба, але не куб (рис. 2).
Мал. 2. Порушення робочої камери пристроїв нагрівання діелектриків:
1 - робоча камера; 2 і 3 - прямокутні хвилеводи від НВЧ генераторів з робочими довжинами хвиль l1і l2.
Наприклад, для робочого діапазону довжин хвиль12,6±0,252 смпрактично рівномірний спектр резонансних довжин хвиль або резонансних частот досягається при співвідношенняхaxbxlрез=52x57x58або56x57x60 см. Різко нерівномірний спектр виходить приaxbxlрез=58x60x60або59x59x60 смі тим більше в кубічному резонаторі59x59x59 см. Цікаво, що в першому випадку в смузі довжин хвиль12,6±0,252 смє62виду коливань з різними резонансними частотами, другому -56, а відповідно в третьому, четвертому, п'ятому є тільки30,33та15.
Якщо резонансні частоти двох чи кількох видів коливань рівні між собою, такі види коливань називаються виродженими. У кубічному резонаторі є шестиразове виродження багатьох видів коливань, а третьому і четвертому — дво- і іноді триразове виродження. Ось чому в цих резонаторах менше резонансних частот, ніж у першому і другому, при одній і тій же смузі робочих довжин хвиль, що розглядається.
Рівень завантаження резонаторних камер. Тут потрібно розрізняти два випадки. Якщо резонатор повністю заповнений діелектриком з високим значенням діелектричної проникностіeі великими втратами, то різко падає його навантажена добротність і узгодити введення енергії, що забезпечує повну передачу НВЧ енергії від генератора обсяг діелектрика, відносно просто.
Складніша ситуація, якщо резонатор завантажений діелектриком слабо або коли в резонаторі є значний обсяг діелектрика з малимe(менше2) або малий обсяг діелектрика з високим значеннямe. При цьому власні види коливань резонатора різко зміщуються за частотою, а добротність резонатора цих видів коливань знижується незначно. Тому такий резонатор у першому наближенні можнарозраховувати без урахування втрат.
Порушення робочих камер. Так як у промислових установках необхідно передавати в робочу камеру НВЧ потужність високого рівня, що вимірюється кіловатами в безперервному режимі, то з багатьох типів збуджувальних пристроїв виявляються придатними тільки такі, що мають достатню електричну міцність. До подібних збудливих пристроїв, наприклад, відноситься відкритий кінець прямокутного хвилеводу, розташований у відповідному місці стінки робочої камери (див.рис. 2).
Відкритий кінець хвилеводу міститься там, де у необхідних видів коливань в резонаторі розташовуються пучності магнітного поля, причому напрям силових ліній магнітних полів має бути паралельним як у хвилеводі з хвилеюH10, так і для робочого вигляду коливань камери. Навпаки, для тих видів коливань, порушення яких небажано, в цьому місці повинен бути вузол магнітного поля або силові лінії їх магнітних полів повинні бути перпендикулярні силовим лініям магнітного поля робочих видів коливань.
На рис. 2 схематично показані робоча камера і два хвилеводи, що її збуджують. Застосовуючи два введення, можна збільшити кількість збуджуваних у заданому діапазоні видів коливань і таким чином збільшити рівномірність нагріву діелектрика.
Щоб уникнути передачі НВЧ енергії з одного введення в інший, можна застосовувати або різну їх поляризацію (векторEу хвилеводі2перпендикулярний векторуEу хвилеводі3нарис.2), або помістити друге введення в області вузлів магнітного поля тих видів коливань, які збуджуються першим введенням, або застосувати обидва ці способи.