Приборы и техника эксперимента, 2019, № 2, стр. 136-141

1.1. Блок магнетрона

С.в.ч.-генератор выполнен на основе бытового магнетрона. Использовались магнетрон ОМ75S с паспортной мощностью 700 Вт и элементы микроволновой печи Beko, в которой он установлен в стандартном варианте. За счет более мощного источника питания магнетрон переведен в режим генерации выходной с.в.ч.-мощности до 1 кВт.

Разработаны блоки магнетрона в вариантах с воздушным и водяным охлаждением. В варианте с водяным охлаждением анодный блок магнетрона на плотной посадке помещен в цилиндрический корпус, охлаждаемый водой. Вариант блока с воздушным охлаждением приведен на рис. 1. Магнетрон 1 своим выводом 2 установлен на широкой стенке закороченного на одном конце волновода 3 сечения 90 × 45 мм². Расстояние от оси вывода 2 магнетрона до закороченного конца волновода – 22 мм, глубина погружения вывода в волновод ∼ 25 мм. Для принудительного воздушного охлаждения предназначен вентилятор 4.

Рис. 1.

Блок магнетрона. 1 – магнетрон; 2 – вывод магнетрона в волноводе (на вставке); 3 – волновод; 4 – вентилятор.

1.2. Высоковольтный источник питания магнетрона

В стандартном варианте высоковольтного питания выпрямителем печи Beko на катод магнетрона ОМ75S подается напряжение (в максимуме около –4 кВ) в течение половины периода питающей сети. Напряжение импульсное, поэтому магнетрон формирует последовательность импульсов на частоте сети (50 Гц) со скважностью 3–4 и при работе на согласованную нагрузку обеспечивает среднюю с.в.ч.-мощность около 500 Вт. Для повышения с.в.ч.-мощности магнетрона в модифицированной схеме источник питания содержит два включенных параллельно выпрямителя от печи Beko.

Упрощенная схема источника питания представлена на рис. 2. Источник содержит два стандартных однотипных высоковольтных однополупериодных выпрямителя с удвоением напряжения [5], каждый из которых состоит из повышающего трансформатора 1, выпрямительного диода 2 и конденсатора 3 (от печи Beko). В разработанном устройстве выпрямители включены параллельно с соответствующей фазировкой, подсоединены к катодному узлу магнетрона через развязывающие высоковольтные диоды 4 (КЦ-109А) и обеспечивают рабочее напряжение на магнетроне 5 в обеих фазах питающей сети. Правая и левая части схемы симметричны.

Рис. 2.

Упрощенная схема источника питания магнетрона. 1 – повышающий трансформатор; 2 – выпрямительный диод (от печи Beko); 3 – конденсатор (от печи Beko); 4 – высоковольтный диод КЦ-109А; 5 – магнетрон; 6 – накальный трансформатор.

Накал катода, находящегося под высоким потенциалом, осуществляется через дополнительный разделительный накальный трансформатор 6, изготовленный из трансформатора ТС-100. В трансформаторе ТС-100 удалены все обмотки, кроме сетевой, усилена межобмоточная изоляция, добавлена накальная обмотка, рассчитанная на ток 11 А и напряжение 3 В.

Регулировка с.в.ч.-мощности осуществляется путем изменения подводимой мощности питания к высоковольтным выпрямителям тиристорным регулятором, установленным в первичную обмотку повышающих трансформаторов выпрямителей. При изменении фазы включения тиристора меняется длительность отрицательных импульсов напряжения, подаваемых на катод магнетрона, соответственно уменьшается длительность с.в.ч.-импульсов, увеличивается скважность и уменьшается средняя с.в.ч.-мощность магнетрона.

Для обеспечения работы прибора в составе лабораторного оборудования, защиты от поражения электромагнитным излучением и электрическим током магнетрон и источник питания помещены в корпус печи Beko (рис. 3). В рабочем режиме генерации дверь печи закрыта. При открывании двери срабатывает блокировка и магнетрон отключается. Волноводный вывод с.в.ч.-мощности смонтирован на задней стенке корпуса.

Рис. 3.

Блок магнетрона в корпусе печи Beko. 1 – магнетрон; 2 – волноводный с.в.ч.-вывод; 3 – высоковольтные трансформаторы; 4 – реле блокировки по воде.

1.3. Характеристики с.в.ч.-генератора

Характеристики с.в.ч.-генератора были получены на измерительном стенде, содержащем магнетронный блок, нагруженный на согласованную водяную нагрузку (калориметр). С.в.ч.-мощность измерялась калориметром по разности температур входящей и выходящей воды при известном расходе, форма импульсов с.в.ч.-мощности – с.в.ч.-детектором. На рис. 4 приведена временная структура генерируемой с.в.ч.-мощности при работе от стандартного источника печи Beko.

Рис. 4.

Огибающая выходной с.в.ч.-мощности бытового магнетрона: а – стандартный режим 50 Гц, б – “пичковый” характер генерации в начале и конце импульса.

В стандартном варианте в бытовой с.в.ч.-печи используется однополупериодный выпрямитель с удвоением напряжения, поэтому магнетрон формирует последовательность импульсов с частотой 50 Гц (рис. 4а). В начале и конце импульса напряжения на магнетроне генерация с.в.ч.-мощности имеет “пичковый” характер. При повышении напряжения в течение первых ∼2 мс формируется последовательность относительно коротких с.в.ч.-импульсов длительностью 0.5–2 мкс, затем на время 6–7 мс устанавливается режим устойчивой генерации и в конце импульса, при уменьшении напряжения, процесс повторяется (рис. 4б). “Пичковый” характер обусловлен, по-видимому, малой скоростью подъема и спада выпрямленного высокого напряжения на магнетроне в начале и в конце импульса генерации. В таком импульсном режиме работают магнетроны в обычных бытовых печах. При этом максимальная импульсная мощность в 3–4 раза превышает среднюю.

При питании от разработанного источника, содержащего два включенных в параллель высоковольтных выпрямителя, магнетрон при включении сети формирует последовательность импульсов с частотой 100 Гц, форма импульсов подобна приведенной на рис. 4. Средняя генерируемая с.в.ч.-мощность регулируется от 0.1 Вт до 1 кВт, максимальная потребляемая мощность от сети – до 2 кВт.

2.1. Резонатор

В соответствии с расчетными оценками [6], для с.в.ч.-нагрева реагентов целесообразно использование резонатора с высокой собственной добротностью, возбуждаемого на виде колебаний, близком к низшему. Исходя из необходимости установки на резонатор элементов для ввода химического реактора и механизма настройки частоты, выбрана мода колебаний Н₁₀₂ [7]. За счет структуры полей такого вида и высокой добротности резонатора достигаются высокая степень концентрации электрического и магнитного полей в рабочих зонах и высокий к.п.д. преобразования с.в.ч.-энергии в теплоту нагрева реагентов, в том числе и для слабо поглощающих образцов.

Резонатор (рис. 5) выполнен из отрезка прямоугольного волновода сечения 90 × 45 мм², с одной стороны закороченного пластиной 1, с другой – ограниченного индуктивной диафрагмой связи 3. Диафрагма установлена между двумя волноводными фланцами, для достижения с.в.ч.-контакта в месте соединения проложена индиевая проволока. Коэффициент связи резонатора с линией определяется коэффициентом передачи диафрагмы, который, в свою очередь, зависит от ее толщины и размеров отверстия связи 2. Диафрагма съемная, что позволяет менять коэффициент связи. Это необходимо для согласования резонатора при помещении в него образцов с различной степенью поглощения.

Рис. 5.

Вид с.в.ч.-резонатора в разрезе с вводом образца в область максимума магнитного поля. 1 – закорачивающая пластина; 2 – отверстия связи; 3 – индуктивная диафрагма связи; 4 – патрубки ввода образцов; 5 – настроечный штырь; 6 – настроечная бобышка; 7 – пирометр.

В полости резонатора есть выделенные области – рабочие зоны, с концентрацией электрического или магнитного с.в.ч.-поля. Для размещения образца в этих областях предусмотрены вводы 4 – патрубки, представляющие собой круглые запредельные волноводы. Для исключения выхода излучения из резонатора диаметр патрубков выбран много меньше длины волны. Вводы располагаются в области максимумов магнитного и электрического с.в.ч.-полей резонатора. На рис. 5 с.в.ч.-резонатор представлен в разрезе с вводом образца в область максимума магнитного поля.

Полученные экспериментальные данные о влиянии образцов, помещенных в с.в.ч.-реактор, на электродинамические свойства резонатора показали, что при вводе образцов в рабочую зону резонансная частота значительно меняется. При вводе образцов в область электрического поля частота уменьшается, в область магнитного поля – увеличивается. Поскольку элементов изменения рабочей частоты в бытовых магнетронах, в том числе и в магнетроне ОМ75S, не предусмотрено, потребовалась перестройка частоты резонатора в диапазоне изменения до 100 МГц. В качестве механизма перестройки частоты применен штырь 5, контакт которого с корпусом осуществляется за счет дроссельного соединения. Механизм перестройки частоты установлен на 1/4 длины резонатора от входной диафрагмы напротив настроечной бобышки 6 таким образом, чтобы штырь вводился в максимум электрической компоненты поля. Для измерения температуры напротив образца в цилиндрическом патрубке установлен пирометр 7.

На измерительном стенде получены экспериментальные данные о частотном диапазоне перестройки и определено влияние перестройки частоты на добротность резонатора. Зависимость собственной добротности резонатора от частоты представлена на рис. 6. При погружении настроечного штыря частота резонатора уменьшается. При длине штыря 15 мм сдвиг частоты составил порядка  –110 МГц. Собственная добротность резонатора вблизи рабочего диапазона 2480 ± 10 МГц слабо зависит от частоты – изменяется на величину не более 10%. Собственная частота магнетрона ОМ75S при работе на согласованную нагрузку составляла ∼2470 МГц.

Рис. 6.

Зависимость собственной добротности резонатора Q от частоты f с установленными элементами ввода и перестройки частоты.

Была проверена работа устройства на высоком уровне мощности на предмет возникновения искрений и пробоев. Для индикации использован с.в.ч.-сигнал с зонда, установленного на резонаторе. При рабочем уровне мощности как с нагреваемым образцом, так и без него реактор работал устойчиво. Разработанный резонатор и механизм перестройки частоты удовлетворяют требованиям по добротности, диапазону перестройки частоты и уровню подводимой с.в.ч.-мощности.

2.2. С.в.ч.-реактор для проведения каталитических реакций

Устройство для микроволнового нагрева – с.в.ч.-реактор (рис. 7) содержит объемный резонатор 1 и встроенный в него собственно химический реактор 2 для проведения химических процессов в условиях с.в.ч.-воздействия. Химический реактор – проточного типа – выполнен из кварцевого стекла для проведения высокотемпературных эндотермических реакций в системе “катализатор + жидкий/газообразный реагент”. Химический реактор вводится в резонатор через патрубки 3. Загруженный в реактор катализатор 4 и реагенты располагаются на мембране из шамота 5 внутри резонатора в максимуме электрического либо магнитного поля.

Рис. 7.

С.в.ч.-реактор для проведения каталитических реакций, включающий объемный резонатор и химический реактор. 1 – объемный резонатор; 2 – химический реактор; 3 – патрубки; 4 – катализатор и реагенты; 5 – мембрана из шамота.