Устройство для визуализации высокоэнергетических сверхвысокочастотных (СВЧ) полей

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ микрокапиллярная подложка из теплоизолирующего материала. При заполнении капилляров водой создается материал,который удовлетворяет необходимым требованиям. Разработанный по схеме термоиндикатор, был применен для получения изображения электрического поля в резонаторе СВЧ энергетической установки, предназначенной для сушки овощей. Он может быть расположен в любой области сушильной камеры, в любом ее сечении. В случае необходимости такой индикатор может располагаться внутри сыпучих или вязких материалов, подлежащих СВЧ обработке, и давать информацию о структуре СВЧ полей внутри обрабатываемых объемов. Немаловажным является то обстоятельство, что такой индикатор весьма прост в обращении и не требует больших затрат. Эксперименты показали, что возможности такого термоиндикатора далеко не исчерпаны и, кроме того, здесь имеются пути улучшения его параметров.(72) Вертий Алексей Алексеевич Саутбеков Сеил Сейтенович Сиренко Юрий Константинович(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫХ (СВЧ) ПОЛЕЙ(57) Предлагаемое изобретение относится к устройствам для визуализации СВЧ полей высокой мощности. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение качества получаемых изображений, в том числе и увеличение их разрешающей способности. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении применяется специальная Предлагаемое изобретение относится к устройствам для визуализации СВЧ полей высокой мощности. К настоящему времени известен ряд устройств для регистрации интенсивности электромагнитного поля,основанных на использовании так называемого термографического эффекта. Эти методы получили название радиотермографических 4 11. По-видимому,методы радиотермографии первоначально были связаны с индикацией поля ИК области спектра. Действительно, в этом диапазоне регистрация поля основывается на тепловом воздействии пучков электромагнитных волн. В частности, в работах 4 6 поводились исследования по визуализации инфракрасного излучения при помощи люминофоров, обладающих термографическим эффектом, который заключается в данном случае в уменьшении интенсивности свечения (тушение люминесценции) при нагревании люминофора. Известно устройство А.П. Бакулин, Е.А. Виноградов, Н.А. Ирисова. Получение видимого изображения миллиметрового диапазона. ПТЭ,6,152, 1970 В.М. Мещанкин, В.И. Михеенков, Е.С. Семилектов. Визуализация СВЧ полей при помощи выпаривания воды из раствора. Радиотехника и электроника, т. , 9, 1735 для визуализации электромагнитного СВЧ поля на люминофорах,изготовленных на основеис активацией никелем и серебром. Для обеспечения нагрева при облучении люминофор наносится на поглощающую подложку из слюды с напыленным на нее слоем высокоомного металла. Возбуждение люминесценции осуществлялось ультрафиолетовым излучением. В местах нагрева (области интенсивной амплитуды поля) вследствие описанного выше термографического эффекта, который заключается в уменьшении интенсивности свечения (тушение люминесценции) при нагревании люминофора, то есть происходило тушение люминесценции, что и обеспечивало формирование изображения распределения интенсивности электромагнитного поля на поверхности люминофора. Другая разновидность устройств визуализации заключается в использовании свойств жидких кристаллов изменять свою окраску под воздействием температуры. В работах К. ,(перевод русск.),41, 8, 1968, 130 , .. , 57, 554, 1969 приведены изображения электромагнитных полей, полученные на таких индикаторах. Для этого на диэлектрическую обойму натягивалась мембрана из майларовой пленки толщиной 0,5 мм, на которую была напылена тонкая пленка металла. Раствор наносился методом распыления. При помощи такого индикатора в поле происходило свечение жидкого кристалла, причем окраска менялась в зависимости от интенсивности падающей волны. Оказалось, что динамический диапазон регистрируемой мощности составляет 7 дБ, что обеспечивалось перепадом температур соответствующих от голубого к красному свечению. 2 Известно также устройство с применением фотоматериалов для регистрации интенсивности падающего поля Кох, Эртень. СВЧ термография,ТИИЭР, т. 55, 3, 193, 1967. Эксперименты проводились следующим образом предварительно засвеченная фотобумага фотобром 4. 41, 13, 1968 (рус. Перевод). Визуальное наблюдение картины поля. Электроника. Т. 41,13, стр. 23-33, 1968 или поляроидная пленка поликолор-58, смачивалась проявителем и затем подвергалась воздействию электромагнитного излучения. В связи с тем, что с увеличением температуры скорость проявления возрастает,выбором необходимой экспозиции удавалось достичь существенного потемнения фотоматериала в областях нагрева. Таким образом,регистрировались изображения распределения электромагнитного поля. Отметим еще одно устройство,тесно примыкающее к термографическим и позволяющим измерять распределение полей А.П. Бакулин, Е.А. Виноградов, Н.А. Ирисова, С.А. Фридман. Получение видимого изображения радиоизлучения миллиметрового диапазона. Письма в ЖТЭФ, т.8, 5. 261, 1968. В этом случае в поле вносится тонкопленочная распределенная нагрузка в виде металлической пленки. Под действием СВЧ энергии пленка нагревается вследствие интенсивного поглощения электромагнитной волны, что приводит к формированию температурного рельефа на поверхности пленки,который отображает распределение падающего потока мощности. Регистрация этого температурного рельефа осуществляется посредством термозонда,выполненного из термоэлектрического полупроводникового соединения в форме параллелепипеда с размерами 0,5 х 0,5 х 5 мм 3. К торцам зонда присоединены проволочные отводы. С целью улучшения теплового контакта термозонд припаивается к поглощающей пленке. Припаянный термозонд перемещают вместе с плавающей пленкой в объеме камеры. Однако, как отмечено в А.П. Бакулин, Е.А. Виноградов, Н.А. Ирисова. Получение видимого изображения миллиметрового диапазона. ПТЭ, 6, 152, 1970, данный метод обладает весьма серьезными недостатками при измерениях больших температурных градиентов,требует применения сканирующих устройств,которые необходимо размещать в области анализа поля. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является подход,позволяющий получать изображения полей высокой мощности, предложенный в .. . 41, 13, 1968(рус. Перевод). Визуальное наблюдение картины поля. Электроника. Т. 41,13, стр. 23-33, 1968. Он заключается в использовании свойств хлористого кобальта СС 262 О, который в нормальных условиях представляет собой порошок, окрашенный в темно-малиновый цвет. Обезвоживание этого порошка приводит к изменению его цвета до темно 30981 синего. Водный раствор тонким слоем наносили на подложку. Падающее СВЧ-поле образовывало на поверхности подложки тепловой рельеф,повторяющий распределение интенсивности этого поля,что приводило к неравномерному выпариванию воды из раствора в различных участках поверхности подложки. В результате получалась картина распределения СВЧ поля. Использование устройств, основанных на изменении яркостного распределения, индикаторной панели сохраняет такие важные качества, как наглядность полученной информации и одновременно фиксирует полученную картину, что позволяет избавиться от средств визуального вывода информации интенсивности свечения в объеме камеры. Поэтому такие методы более предпочтительны для использования при контроле камер СВЧ нагрева. Однако, к сожалению, им присущи и недостатки. Пожалуй, наиболее серьезным недостатком этой группы устройств является наличие металлической подложки, которая изменяет геометрию камеры и, как следствие,искажает структуру измеряемого поля, приводит к возрастанию КСВ (коэффициента стоячей волны) в подводящих энергию трактах, что может привести к выходу энергетической установки (например,магнетронного генератора) из строя. Поэтому эти устройства способны фиксировать поле только в областях, где его концентрация невысока. Однако,даже в этом случае следует отметить, что металлическая подложка вследствие хорошей теплопроводности смазывает картину распределения поля, делает нечеткими градиенты границы поля. Это существенно искажает и ухудшает качество изображения. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение качества получаемых изображений, в том числе и увеличение их разрешающей способности. Поставленная задача решается тем, что в предлагаемом решении применяется специальная пористая подложка, насыщенная дистиллированной водой. Основываясь на анализе разработанных в настоящее время термографических методов и учитывая то обстоятельство, что разрабатываемый метод должен обеспечить контроль поля в установках СВЧ нагрева, можно сделать вывод о том, что чувствительность термоиндикатора не должна быть достаточно высокой. Рассмотрим процесс регистрации структуры электромагнитного поля при помощи термоиндикатора. Выберем в качестве такого термоиндикатора слой диэлектрика, у которого коэффициент отражения видимого света является функцией температуры (например, начиная с определенного порога,определяемого чувствительностью этого индикатора). На фиг.1 представлен примерный вид такой зависимости ( - коэффициент отражения видимого света, Т - температура индикатора). Видно, что начиная с некоторого значения Тпор происходит сильное изменение отражающих свойств индикатора. Таким образом, в областях с сильной концентрацией поля будет наблюдаться интенсивный СВЧ - нагрев, который при достижении температуры ТТпор приведет к созданию яркостного рельефа на поверхности термоиндикатора. Совершенно очевидно, что регулируя уровень чувствительности индикатора,можно сдвигать Тпор и таким образом строить рельефы полей для различных уровней мощности(пунктир на фиг.1). Количественные данные о структуре поля могут быть получены при калибровке спадающей области функции . Однако для визуализации поля небходимо иметь индикатор с достаточно крутым изменениемпри ТТпор. Таким образом, в идеальном термоиндикаторе температурный рельеф однозначно определяется рельефом электродинамического поля. Действительно,температура индикатора пропорциональна поглощаемой мощности погл,(1) где погл- диэлектрическая проницаемость- коэффициент потерь в материале индикатора. Отсюда видно, что при одной и той же функции для данного индикатора можно регистрировать рельефы поля на различных уровнях Е 2(х) только за счет изменения, т.е. потерь в индикаторе. Однако, как правило, СВЧ потери в материале тесно связаны с другим очень важным для термографии параметром коэффициентом теплопроводности. Опыт показывает,что увеличение потерь (а следовательно, и увеличение чувствительности индикатора) приводит к росту теплопроводности, а это может существенно ухудшить разрешающую способность метода. Физические закономерности, определяющие процессы, связанные с распределением температуры в термоиндикаторе, в общем случае сложны и определяются законами Фурье - внутренней теплопроводности и Ньютона - конвективного теплообмена между поверхностью твердого тела и окружающей жидкой или газообразной средой. Рассмотрим термоиндикатор в виде тонкого слоя с параметрамии(фиг.2). Пусть характеристики, окружающие слой пространства над и под индикатором -0 и 0 . Если СВЧ поле Е 2(х) создает в тонком слое термоиндикатора рельеф Т(х), то количество тепла,протекающее через сечениеза промежуток времени (,), равно,(2) где- плотность теплового потока- коэффициент теплопроводности, определяемый материалом индикатора. Тогда за время экспозиции 2 - 1 2 Мы видим, что вблизи значительных градиентов полей плотность теплового потока растет, кроме того, время экспозиции сильно влияет на общий теплоперенос в индикаторе. При этом замывание изображения поля связано с потоком тепла(4),поскольку выравнивание температурного рельефа связано с процессом где с - удельная теплоемкость индикатора,- масса. В случае теплообмена с окружающей средой,подчиняющегося закону Ньютона, количество тепла, теряемого термоиндикатором на единицу длины (в одномерной модели) и времени, равно обм(Т - Токр),(5) где- коэффициент теплообмена Токр - температура окружающей среды. С точки зрения сохранения разрешающей способности метода сам по себе процесс теплообмена с окружающей средой несущественен. Серьезную проблему здесь представляет высокая теплопроводность конструктивных элементов,поскольку за счет теплообмена с индикатором возможно распространение тепла в области с более низкой температурой и, как следствие, замывание изображения Е 2(х). Таким образом, конструктивные элементы,окружающие индикатор (подложки, окна) должны отвечать следующим требованиям 1. Обладать низкими потерями (0 ). 2. Иметь малую теплопроводность . А сам термоиндикатор должен 1. Достаточно сильно поглощать СВЧ поле большое. 2. Иметь малую теплопроводность . Последние два требования, строго говоря,противоречат друг другу. Поэтому главная проблема при создании эффективного термоиндикатора состоит в том, чтобы удовлетворить этим требованиям. В результате анализа процессов, происходящих при облучении СВЧ полем термоиндикаторов и проведении экспериментальных исследований был создан термоиндикатор, обладающий такими свойствами. Описание и применение термоиндикатора. Схема разработанного термоиндикатора показана на фиг.3 Конструктивно он представляет собой слоистую структуру, в которую входят следующие элементы 1 - радиопрозрачное прижимное окно 2 - тепловой преобразователь 3 - микрокапиллярная подложка. 4 Материал,из которого выполнено радиопрозрачное прижимное окно, должен обладать малыми диэлектрическими потерями и низкой теплопроводностью,как это следует из проведенного анализа в п.2. В ряде случаев при работе в сантиметровом диапазоне длин волн для этой цели может подойти стекло, керамика,стеклопластик. В качестве теплового преобразователя может использоваться специальная термобумага. Она вполне удовлетворяет требованию, связанному с малой теплопроводностью, однако практически не поглощает СВЧ поле и поэтому сама по себе не позволяет получить изображение поля в рабочей СВЧ камере. Первоначально для обеспечения высокого поглощения в тепловом преобразователе мы проводили опыты с термобумагой, смоченной водой. Но несмотря на широкий диапазон изменения влажности бумаги и экспериментов с различными временами экспозиции, нам не удалось получить удовлетворительные изображения. Неудачи в этих экспериментах объясняются тем,что при малом влагосодержании в термобумаге потери малы и мощности типичных энергетических установок недостаточно для получения изображения. В случае же высокой концентрации воды в термоиндикаторе резко растет коэффициент теплопроводности, что, как было показано выше,приводит к замыванию получаемого изображения. Таким образом, прямое применение насыщенной влагой термобумаги не позволило получить изображение поля в СВЧ энергетических установках. Решение данной проблемы оказалось простым и эффективным. С этой целью нами была предложена микрокапиллярная подложка из теплоизолирующего материала. При заполнении капилляров водой создавался материал, который удовлетворял необходимым требованиям. Во-первых, наличие воды обеспечивало достаточно высокие потери высокочастотного поля. Но то обстоятельство, что капилляры изолированы друг от друга тонкими, но теплоизолирующими перегородками, для которых коэффициентом теплопроводности вдоль координатыможно пренебречь (х 0), позволяет осуществить локализованный нагрев подложки - 3 без переноса тепла вдольповерхности теплового преобразователя - 2. Этот локализованный нагрев,определяемый функцией 2(х), и проявляется на преобразователе (термобумаге) - 2. При этом в режиме сильного нагрева вода в капиллярах может вскипать и проникать в термобумагу в областях сильного поля, что приводит к дополнительному поглощению в этих областях бумаги и, как следствие, к увеличению контраста получаемого изображения. Другими словами, сформированные таким образом струи пара формируют 2 изображение пространственной структуры поля. Разработанный по этой схеме термоиндикатор,был применен для получения изображения электрического поля в резонаторе СВЧ энергетической установки, предназначенной для сушки овощей. Блок-схема эксперимента представлена на фиг.4. Здесь 1- магнетронный генератор, 2 - подводящий волновод, 3 - сушильная камера-резонатор, 4 термоиндикатор,5 лента транспортера. Термоиндикатор располагается в плоскости в непосредственной близости от транспортерной ленты,где должны были находиться обрабатываемые продукты. Эксперименты показали удобство работы с таким термоиндикатором. Он может быть расположен в любой области сушильной камеры, в любом ее сечении. В случае необходимости такой индикатор может располагаться внутри сыпучих или вязких материалов, подлежащих СВЧ обработке, и давать информацию о структуре СВЧ полей внутри обрабатываемых объемов. Немаловажным является то обстоятельство, что такой индикатор весьма прост в обращении и не требует больших затрат. Эксперименты показали, что возможности такого термоиндикатора далеко не исчерпаны и, кроме ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для визуализации высокоэнергетических сверхвысокочастотных полей, состоящее из радиопрозрачного прижимного окна, теплового преобразователя в виде тонкой,существенно меньше длины волны измеряемого поля, термочувствительной панели, располагаемой в испытуемом поле, отличающееся тем, что для повышения разрешающей способности,получаемого изображения структуры поля, под термочувствительной панелью располагают тонкую микрокапиллярную подложку насыщенную дистиллированной водой в виде диэлектрического экрана, пронизанного капилярными трубками с низкой теплопроводностью, открытыми в сторону термочувствительной панели.