Лабораторная камера микроволнового нагрева

Изобретение относится к области микроволновой техники и может быть использовано для нагрева образцов жидких диэлектрических сред энергией электромагнитного поля, например в СВЧ-химии, СВЧ-биологии, СВЧ-реологии и т.д. Техническим результатом является упрощение, повышение коэффициента заполнения и снижение КВС. Резонаторная камера прямоугольной формы высотой Н содержит металлическое прямоугольное ребро, соединенное с помощью индуктивного штыря с 50-омной коаксиальной линией. Радиус (r₁) внутреннего проводника коаксиальной линии в два раза больше радиуса (r₂) индуктивного штыря, расположенного под углом 90° в центре широкой стенки резонатора на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки резонатора. Облучаемый СВЧ-энергией образец прямоугольной формы (стеклянная кювета с жидким диэлектриком) размещается с помощью фторопластовых держателей между металлическим ребром резонатора и его боковой стенкой. Математическое моделирование S-параметров данного СВЧ-узла позволило установить, что при относительных размерах камеры: b/a=0.4863; t/a=0.1639; d/b=0.5; R/r₁=2.3; r₂/r₁=0.5; q/H=0.3042, u/a=0.1366, где а - размер широкой стенки резонатора вдоль оси X); b - размер узкой стенки резонатора вдоль оси Y; t - ширина металлического ребра; d - расстояние между металлическим ребром и стенкой резонатора (емкостной зазор); R - радиус внешнего проводника коаксиальной линии; u - размер стеклянной кюветы в плоскости XY - в системе обеспечивается КСВ≤3 при вариациях диэлектрических свойств образца: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, где ε' - диэлектрическая проницаемость; ε'' - коэффициент потерь на частоте 2.45 ГГц. 3 ил.

 

Изобретение относится к сверхвысокочастотным (СВЧ) устройствам для проведения научных исследований процессов взаимодействия электромагнитных (ЭМ) волн с поглощающими средами, например химическими или биологическими растворами.

Разработка специализированного оборудования, выпускаемого отечественными (ГНПП «Торий») и зарубежными (СЕМ, MileStone, Prolabo) производителями лабораторных СВЧ-систем для научных исследований, ведется по двум основным направлениям: многомодовые СВЧ-печи и одномодовые волноводно-резонаторные камеры прямоугольной или цилиндрической конфигурации. Многомодовые системы позволяют исследовать сразу несколько образцов, но для выравнивания ЭМ-полей и компенсации отраженной мощности в них используются дополнительные конструктивные элементы (роторные, ферритовые и др.), что оказывает влияние на их массогабаритные показатели. Одномодовые устройства предназначены для нагрева, как правило, одного образца, но и здесь возникают проблемы низкой энергетической эффективности системы и неравномерности тепловыделения в области взаимодействия.

Известны конструкции одномодовых резонаторов, используемых для облучения СВЧ-энергией образцов твердых и жидких диэлектрических материалов. Например, для катализа реакций жидких химических растворов в патенте [1] предложен прямоугольный резонатор, соединенный посредством стандартного волновода с магнетронным генератором, а для компенсации отраженной от нагрузки мощности предусмотрен вращающийся дефлектор в виде овальной металлической рамки, размещенный на стыке волновода и резонатора. Другая конструкция представляет собой цилиндрический резонатор, в котором с помощью коаксиального штыря возбуждается тип колебаний E₀₁₂, а образец помещается вдоль центральной оси резонатора в максимум электрического поля [2]. Еще одна конструкция одномодового цилиндрического резонатора с керамической втулкой и двумя коаксиальными источниками описана в [3].

Недостатком указанных конструкций является невозможность обеспечить высокую интенсивность ЭМ-поля в области взаимодействия, а также значительный уровень отраженной от нагрузки мощности, что требует привлечения обязательного элемента подстройки, компенсирующего отраженную волну.

В качестве прототипа предлагаемого изобретения была выбрана лабораторная камера, выполненная на цилиндрическом резонаторе с боковыми металлическими вставками, предназначенными для выравнивания и одновременной интенсификации электрического поля в области взаимодействия [4]. Возбуждение данного резонатора осуществляется посредством петлевого элемента, являющегося продолжением коаксиальной линии. Для подстройки резонансной частоты при вариациях комплексной диэлектрической проницаемости нагреваемого образца в рабочем интервале температур в конструкции [4] предусмотрены коаксиальные шлейфы.

Недостатком прототипа является его низкая энергетическая эффективность, составляющая примерно 25÷35% [4], что соответствует значению КСВ≈5÷7, а также низкая величина коэффициента заполнения (η), определяемая как отношение объема образца (V_s) к объему камеры (V_c): η=V_s/V_c≈0.06 [4]. Кроме того, еще одним недостатком прототипа является сложность его конструкции: резонаторная камера снабжена механизмом перемещения боковых стенок.

Задачей изобретения является создание лабораторной СВЧ-камеры более простой конструкции с коэффициентом заполнения, в два раза превышающим η прототипа и обеспечивающем КСВ≤3 на частоте 2.45 ГГц в диапазоне вариаций: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, где ε' - диэлектрическая проницаемость; ε'' - коэффициент потерь образца.

Поставленная задача достигается применением резонаторной камеры, состоящей из отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенным с помощью элемента возбуждения с 50-омной коаксиальной линией. В качестве элемента возбуждения применен индуктивный штырь. Металлическое ребро прямоугольной формы состыковано с коаксиальной линией под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутой нижней стенки резонатора, равном q=0.3042Н, где Н - высота камеры, причем радиус индуктивного штыря в два раза меньше радиуса внутреннего проводника коаксиальной линии. Образец нагреваемого материала прямоугольной конфигурации размещается с помощью фторопластовых держателей вертикально между металлическим ребром и одной из стенок камеры перпендикулярно оси индуктивного штыря.

Отличительные признаки являются существенными, так как позволяют достичь поставленной задачи и получить технический эффект. Конструкция заявляемой камеры более простая, чем у прототипа, так как резонатор на прямоугольном волноводе с металлическим ребром (ПВ) имеет фиксированные размеры и у него отсутствует механизм перемещения боковых стенок, а кроме того, вместо петли в качестве элемента возбуждения применяется индуктивный штырь. Размещение этого штыря на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки камеры, а также поперечные размеры камеры позволяют обеспечить КСВ≤3 в диапазоне вариаций комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) облучаемого материала: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, что соответствует повышению энергетической эффективности СВЧ-системы примерно до 70%. Наконец, коэффициент заполнения заявляемой камеры в два раза превышает аналогичный параметр прототипа.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена трехмерная конфигурация заявляемой лабораторной СВЧ-камеры. На фиг.2 показано сечение камеры в плоскости XY в том месте, где размещается образец, а на фиг.3 дано сечение камеры в плоскости XY в месте стыка внутреннего проводника коаксиальной линии, индуктивного штыря и металлического ребра.

Заявляемая СВЧ-камера состоит из отрезка ПВ 1 с короткозамкнутой металлической стенкой 2 и коаксиально-волноводного перехода 3. Нагреваемый образец 4 размещается внутри камеры между фторопластовыми держателями 5, как показано на фиг.1. Коаксиальная линия с внешним проводником 6 и внутренним проводником 7 стыкуется с металлическим ребром камеры с помощью индуктивного штыря 8, радиус которого в два раза меньше радиуса внутреннего проводника 7 коаксиальной линии. Индуктивный штырь размещается на расстоянии q=0.3042H от нижней металлической стенки камеры.

Оптимизация численной модели данной лабораторной СВЧ-камеры, проведенная с помощью метода конечных разностей во временной области и метода сопряженных градиентов показала, что при относительных размерах камеры: b/a=0.4863; t/a=0.1639; d/b=0.5; u/a=0.1366; R/r₁=2.3; r₂/r₁=0.5; q/H=0.3042, где Н - высота камеры; q - расстояние от нижней стенки камеры до оси штыря (Фиг.1); a - размер широкой стенки резонатора (вдоль оси X); b - размер узкой стенки резонатора (вдоль оси Y); t - ширина металлического ребра; d - расстояние между металлическим ребром и стенкой резонатора (емкостной зазор); u - размер стеклянной кюветы в плоскости XY (Фиг.2); R - радиус внешнего проводника коаксиальной линии; r₁ - радиус внутреннего проводника коаксиальной линии; r₂ - радиус индуктивного штыря (Фиг.3) и размерах образца: X×Y×Z=10×10×75 мм, на частоте 2.45 ГГц в системе обеспечивается КСВ≤3 при вариациях КДП образца: 40≤ε'≤81; 1.2≤ε''≤20.4, а также достигается напряженность электрического поля в образце воды , что примерно в 2.5 раза выше чем у прототипа. При этом за счет увеличения резонансной частоты удается снизить габаритные размеры камеры и увеличить коэффициент заполнения до η=0.13.

Данная микроволновая система может быть использована для проведения научных исследований процессов взаимодействия ЭМ-волн с диссипативными жидкими диэлектриками, например в области СВЧ-химии, СВЧ-биологии, СВЧ-реологии.

Литература

1. US Patent №6614010 B2. Microwave heating apparatus / M.Fagrell, O.G.Risman. Published 2.09.2003.

2. Microwave processing and diagnostics of chemically reacting materials in a single-mode cavity applicator / Jow J., Hawley M.C., Finzel M. et al // IEEE Trans. 1987. Vol. MTT-35. N12. P.1435-1443.

3. US Patent №6933482 B2. Microwave heating apparatus / M.Fagrell, O.G.Risman. Published 23.08.2005.

4. A re-entrant cavity for microwave enhanced chemistry / S.Kalhori, N.Elander, J.Svennebrink, S.Stone-Elander // International Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 2003. Vol.38. N2. P.125-135.

Резонаторная камера, состоящая из отрезка прямоугольного волновода с металлическим ребром, соединенным с помощью элемента возбуждения с 50-омной коаксиальной линией, отличающаяся тем, что в качестве элемента возбуждения используется индуктивный штырь, а металлическое ребро прямоугольной формы состыковано с коаксиальной линией под прямым углом на расстоянии от короткозамкнутой нижней стенки резонатора, равном q=0,3042H, где Н - высота камеры, причем радиус индуктивного штыря в два раза меньше радиуса внутреннего проводника коаксиальной линии, кроме того, введены фторопластовые держатели, которые установлены в камере для размещения образца нагреваемого материала прямоугольной конфигурации между металлическим ребром и одной из стенок камеры перпендикулярно оси индуктивного штыря.