Диапазон свч излучения. Микроволны. Расписание работы магнетрона

Глава V. ЗАБОЛЕВАНИЯ, СВЯЗАННЫЕ С ВОЗДЕЙСТВИЕМ НЕКОТОРЫХ ФАКТОРОВ ВОЕННОГО ТРУДА

Широкое оснащение армии и военно-морского флота различной техникой в значительной мере изменяет условия труда личного состава Вооруженных Сил. Эти условия не исключают возможности соприкосновения отдельных специалистов с вредными факторами, действующими на них в процессе обслуживания и эксплуатации некоторых видов современного вооружения и технических средств. В ряде случаев, особенно при нарушениях правил техники безопасности и аварийных ситуациях, последнее может приводить к возникновению острых и хронических поражений, которые целесообразно объединять в отдельную нозологическую группу военно-профессиональных заболеваний.

Возникновение военно-профессиональных заболеваний могут вызывать воздействия следующих факторов: различных ядовитых технических жидкостей, окиси углерода, радиационных излучений малой интенсивности, сверхвысокочастотных электромагнитных волн и т. д.

Следует подчеркнуть, что военно-профессиональные заболевания, рассматриваемые в данном разделе прежде всего в плане патологии мирного времени, в условиях войны могут приобретать массовый характер, что сближает их в этом случае с боевыми поражениями.

Таковыми, например, могут стать поражения техническими жидкостями при разрушениях и взрывах хранилищ, отравления окисью углерода при обширных пожарах и т. п.

Влияние на организм сверхвысокочастотного электромагнитного (СВЧ-ЭМ) поля

Широкое применение генераторов СВЧ-ЭМ поля в военном деле и в народном хозяйстве, наряду с увеличением мощности излучателей, естественно, приводит к тому, что многочисленные группы специалистов, участвующие в заводском изготовлении, испытании, а также в эксплуатации различных радиолокационных станций (РЛС) и радиотехнических систем (РТС), могут подвергаться воздействию радиоволн сверхвысоких частот ("микроволн"), биологическая активность которых была впервые отмечена еще в тридцатых годах.

Конструктивные особенности выпускаемых РЛС и установленные правила эксплуатации практически исключают неблагоприятное влияние СВЧ-излучений на здоровье личного состава. Однако при аварийных ситуациях и при нарушении техники безопасности могут иметь место воздействия СВЧ-ЭМ поля, значительно превышающие предельно допустимые уровни облучения.

Этиология и патогенез

СВЧ-поле (микроволны) относится к той части спектра электромагнитных излучений, частота колебаний которой варьирует от 300 до 300 000 мгГц, а соответственно длина волны - от 1 м до 1 мм. В связи с этим различаются миллиметровые, сантиметровые, дециметровые волны. Микроволны отличаются свойством проникать в глубину тканей и поглощаться ими, вступая в сложное взаимодействие с биосубстратом. Обычно поглощается 40-50% падающей энергии (остальная часть отражается), причем микроволны проникают на глубину, равную примерно 1/10 длины волны. Из этого следует, что миллиметровые волны поглощаются в коже, тогда как дециметровые проникают в глубину на 10-15 см. Уже давно установлен факт избирательного поглощения СВЧ-излучений, детерминированный биофизическими (диэлектрическими) свойствами тканей.

Биофизический механизм поглощения СВЧ-поля не вполне выяснен. Наиболее вероятным представляется, что в основе поглощения микроволн лежит возникновение колебаний ионов и диполей воды. Допускается также резонансное поглощение энергии белковыми молекулами клетки. Сказанное о колебаниях диполей воды делает понятным, почему в тканях, богатых водой, СВЧ-энергия поглощается наиболее сильно. При достаточно высоких интенсивностях облучения поглощение микроволн сопровождается термическим эффектом (пороговый характер действия). При прочих равных условиях термический эффект более выражен в относительно бедно васкуляризированных органах и тканях, так как в таких областях система терморегуляции является недостаточно совершенной. Установлена следующая шкала чувствительности к СВЧ-полю: хрусталик, стекловидное тело, печень, кишечник, семенники.

Экспериментально также доказана высокая чувствительность нервной системы к воздействию микроволн. Так, при одинаковом облучении головы, туловища и конечностей у животных наиболее выраженные сдвиги регистрируются в случае облучения головы.

Для характеристики интенсивности облучения предложено понятие плотности потока мощности - ППМ. Оно представляет собою величину энергии, падающую в течение секунды на перпендикулярно расположенную плоскость. ППМ выражается в вт/см 2 ; в медико-гигиенической практике обычно пользуются меньшими коэффициентами: мвт/см 2 и мквт/см 2 . Регистрируемый термический эффект развивается при облучении в дозах, превышающих 10-15 мвт/см 2 .

Наряду с термическим механизмом действия СВЧ-поля работами преимущественно советских авторов (А. В. Триумфов, И. Р. Петров, 3. В. Гордон, Н. В. Тягин и др.) доказано нетермическое или специфическое действие этих излучений. При достаточно высоких уровнях облучения (свыше 15 мвт/см 2) термические эффекты, по-видимому, как бы перекрывают специфическое действие микроволн.

В общем патогенезе поражений СВЧ-полем схематически можно выделить как бы три этапа:

1. функциональные (функционально-морфологические) изменения в клетках, прежде всего в клетках ЦНС, развивающиеся в результате непосредственного воздействия СВЧ-поля;
2. изменение рефлекторно-гуморальной регуляции функции внутренних органов и обмена веществ;
3. преимущественно опосредованное, вторичное, изменение функции (возможны и органические изменения) внутренних органов.

В структуре развивающихся изменений наряду с собственно патологическими процессами ("поломы") выявляются и компенсаторные реакции. При многократных повторных воздействиях следует считаться также с процессами кумуляции биологического эффекта, а также с адаптацией организма к действию СВЧ-поля (А. Г. Суббота). В эксперименте и клинических наблюдениях выявлены определенные иммунологические сдвиги, возникшие вследствие воздействия микроволн (Б. А. Чухловин и др.).

Клиника и диагностика

Клиника расстройств, возникающих у человека под воздействием СВЧ-ЭМ-поля, систематически изучалась только на протяжении последних 10-15 лет, причем советские исследователи (А. В. Триумфов, А. Г. Панов, Н. В. Тягин, В. М. Малышев и Ф. А. Колесник, 3. В. Гордон, Э. А. Дрогичина, А. А. Орлова, Н. В. Успенская, М. Н. Садчикова и мн. др.) внесли в эту работу вклад решающего значения. До 60-х годов представления о возможной симптоматологии и течении поражений от СВЧ-поля основывались почти исключительно на результатах изучения соответствующих экспериментальных моделей на животных.

К настоящему времени у нас в стране накопился значительный опыт диспансерного наблюдения за специалистами РЛС и РТС, работниками радиотехнических предприятий, сочетавшийся с углубленным обследованием определенных групп в условиях специализированных отделений и клинических стационаров; это обстоятельство позволяет конкретизировать, расширить и уточнить наши представления по интересующим вопросам.

Обращаясь к клинической характеристике расстройств, развивающихся в результате воздействия СВЧ-излучений, следует прежде всего разделить их на две формы: острые и хронические (поражения, расстройства, реакции); практическое значение их далеко не одинаково.

Острые формы поражения (реакции) встречаются практически очень редко; они могут возникать только при крайне грубом нарушении техники безопасности или аварийных ситуациях, если это имеет следствием облучение микроволнами в диапазоне заведомо термической интенсивности. В зависимости от конкретных параметров воздействия (ППМ, время, длина волны и др.) и реактивности организма могут возникать различные варианты острых реакций (поражений). В американской литературе описан случай смерти радиомеханика в результате острого интенсивного облучения от радара, но ряд авторов не считают доказанной связь заболевания и смерти с имевшим место воздействием СВЧ-излучений. В. М. Малышев и Ф. А. Колесник наблюдали развитие тяжелого многодневного приступа пароксизмальной тахикардии, наступившего у молодого, ранее совершенно здорового радиомеханика вскоре после облучения (авария) сантиметровыми волнами термической интенсивности. Эти приступы (по-видимому, диэнцефальные) часто повторяясь, в дальнейшем привели к тяжелой дистрофии миокарда и выраженной недостаточности кровообращения.

Острое интенсивное облучение может в отдельных редких случаях вызывать быстрое развитие локальных поражений. В частности, в мировой литературе описано около десяти случаев острого развития катаракты (в том числе и двусторонней) после локального облучения глаз при ППМ от многих сотен мвт/см 2 до нескольких вт/см 2 .

Редко встречаются острые реакции легкой степени. Судя по имеющимся немногочисленным описаниям, их симптоматология сводится к возникновению слабости, головных болей, легкому головокружению и тошноте. Этому способствуют нерезко выраженные объективные симптомы в виде изменения ритма сердечной деятельности (чаще тахикардия, иногда брадикардия), нарушения регуляции артериального давления (первоначально возникающая гипертония сменяется чаще гипотонией), местных ангиоспазмов и др. Эти симптомы обычно через 2-3 суток постепенно проходят без специального лечения, но у некоторых больных проявления астении и вегетативно-сосудистой дистонии могут держаться дольше, что, кроме интенсивности и длительности воздействия, в значительной мере зависит от реактивности организма.

В отдельных наблюдениях на добровольцах (и в самонаблюдениях) при ППМ субтермической интенсивности (около 1000 мквт/см 2) было отмечено небольшое изменение биоэлектрической активности коры головного мозга, снижение максимального и минимального давления и изменение тонуса крупных артерий.

В практической деятельности врача гораздо большее значение имеет выявление ранних форм тех расстройств (поражений), которые при незнании или нарушении техники безопасности могут возникать в результате длительного многократного облучения в дозах, превышающих предельно допустимые уровни.

Симптоматология и течение такого рода хронических форм ("синдрома хронического воздействия СВЧ-поля", "хронических поражений") в значительной мере варьируют в зависимости от различных параметров воздействия, сопутствующих неблагоприятных влияний, индивидуальной реактивности организма и других факторов.

Однако во всех случаях клиническая картина складывается из симптомов нарушения функции ЦНС, сочетающихся в разной степени с вегетативно-сосудистыми и висцеральными расстройствами; особенно характерен синдром астений (неврастений).

Кроме расстройств общего характера (слабость, повышенная утомляемость, беспокойный сон и т. п.), у больных часто возникают головные боли, головокружение, боли в области сердца, сердцебиение, потливость, ухудшение аппетита; реже предъявляются жалобы на нерегулярный стул, различные неприятные ощущения в животе, снижение сексуальной потенции, расстройство менструального цикла.

Головные боли обычно бывают неинтенсивными, но длительными; локализуются они в лобной или затылочной области, возникают чаще в утренние часы и к концу рабочего дня. Непродолжительный отдых в горизонтальном положении (по приходе с работы) у многих приводит к исчезновению головных болей. Часто также больные жалуются на головокружения, возникающие обычно при быстром изменении положения тела или при длительном неподвижном стоянии. Так называемые "сердечные боли" носят в большинстве случаев характер кардиалгии. Боли ощущаются преимущественно в области верхушки сердца, бывают длительными и ноющими; иногда больной ощущает кратковременное (почти мгновенное) колотье в околосердечной области. Типичные стенокардические боли приходится наблюдать редко. Опуская характеристику других, менее часто возникающих жалоб, представляется необходимым подчеркнуть, что для "внутренней картины болезни", обусловленной длительным воздействием СВЧ-ЭМ-поля, в высокой степени характерно сочетание жалоб, отражающих изменение функции нервной системы, с жалобами, относящимися к нарушению функции системы кровообращения. Что касается неврологических нарушений, то они обычно укладываются в картину астенического (неврастенического) синдрома.

Очевидный практический интерес имеет вопрос о времени появления перечисленных жалоб, считая от начала работы с генераторами СВЧ-ЭМ-поля. Имеющиеся литературные данные и практический опыт свидетельствуют о том, что у разных лиц первые жалобы возникают через весьма различные промежутки времени от начала воздействия - от нескольких месяцев до нескольких лет. Эти различия зависят не только от индивидуальной реактивности организма, но, по-видимому, в решающей степени - и от параметров воздействия, прежде всего от величины плотности потока мощности (ППМ) электромагнитного поля.

Объективные признаки патологических изменений, обнаруживаемые обычными физическими методами исследования, бывают выражены нерезко и не носят специфического характера. Наиболее часто выявляются симптомы, указывающие на вегетативнососудистые нарушения: регионарный гипергидроз, акроцианоз, похолодание (на ощупь) кистей и стоп, "игра вазомоторов" лица. Отметим также, что у больных закономерно наблюдается психоэмоциональная лабильность, реже - наклонность к депрессивным реакциям и заторможенность, тремор век и пальцев вытянутых рук.

Весьма характерна лабильность пульса и артериального давления с наклонностью к брадикардии и гипотонии. При обследовании соответствующих профессиональных контингентов, предъявляющих жалобы па состояние здоровья, брадикардия и артериальная гипотония выявляются в 25-40%. Нередко обнаруживается небольшое увеличение сердца влево, еще более часто отмечается приглушение первого тона на верхушке и нежный систолический шум (у 1/3-1/2 обследованных). Небольшое увеличение печени устанавливается в 10-15%. Другие объективные симптомы, описанные некоторыми авторами (сухость кожи, выпадение волос, ломкость ногтей, геморрагические проявления, болезненность при пальпации живота), наблюдаются редко и не могут быть пока с убежденностью отнесены к проявлениям непосредственного влияния СВЧ-ЭМ-поля. Довольно часто приходится наблюдать то или иное нарушение общей и местной терморегуляции. В отличие от ряда авторов мы наблюдали гипотермию несколько реже, чем субфебрилитет.

Рентгенологические исследования органов грудной клетки позволяют выявить нередко умеренную гипертрофию левого желудочка сердца. При записи ЭКГ отклонение от нормы, если не считать брадикардии и респираторной аритмии, констатируется нечасто. В единичных случаях наблюдаются экстрасистолическая аритмия, умеренное замедление внутрипредсердной и внутрижелудочковой проводимости, признаки коронарной недостаточности. Несколько чаще выявляются признаки диффузных мышечных изменений, умеренно выраженных (снижение вольтажа зубцов начальной части желудочкового комплекса и их деформация, уплощение зубца T).

Под влиянием длительного воздействия СВЧ-ЭМ-поля содержание гемоглобина и эритроцитов существенно не изменяется. Количество ретикулоцитов остается в большинстве случаев в пределах нормы, хотя в некоторых сообщениях указывается на возможность развития как умеренно выраженного ретикулоцитоза, так и ретикулоцитопении. Достаточно характерным является неустойчивость содержания лейкоцитов в периферической крови с разнонаправленной тенденцией у разных лиц; у одних наблюдается тенденция к лейкоцитозу, значительно чаще встречается лейкопения.

Лейкоцитарная формула характеризуется тенденцией к относительному лимфоцитозу и моноцитозу, а также изменчивостью абсолютного и процентного содержания лимфоцитов, моноцитов, нейтрофилов. Качественные изменения нейтрофилов регистрируются редко. Число тромбоцитов у большинства больных остается на нижней границе нормы.

Исследование функции желудочно-кишечного тракта позволяет нередко выявить наклонность к угнетению желудочной секреции и нерезко выраженные нарушения его моторной деятельности (гипотония желудка, вялая перистальтика, дуоденостаз); наблюдаются также явления дискинезии тонкого и толстого кишечника. Комплексное изучение функции печени дает возможность у части больных установить нерезкие нарушения билирубиновыделительной (повышение уровня билирубина в крови и выделения уробилина с мочой) и дезинтоксикационный (по пробе Квика) ее функции.

В последние годы ряд авторов проводили изучение различных показателей обмена веществ у лиц, подвергающихся длительному воздействию СВЧ-ЭМ-поля. В результате этих исследований было установлено, что содержание холестерина и лецитина в сыворотке крови не претерпевает существенных изменений. Обычно оказывается нормальным общее количество белков крови. Что касается показателей углеводного обмена, то может быть отмечена наклонность к снижению уровня сахара крови натощак. Среди различных разновидностей встречающихся сахарных кривых наиболее характерны так называемые низкие или плоские.

Изучение водно-минерального обмена у длительно контактирующих с генераторами СВЧ-ЭМ-поля не позволило обнаружить выраженных отклонений от нормы. Вместе с тем имеются некоторые данные, могущие косвенно указывать на нерезкое изменение функции надпочечников (лабильность и некоторое снижение экскреции 17-кетостероидов).

Заключая описание симптоматологии, следует констатировать, что у обследуемых закономерно выявляются не только признаки, указывающие на изменения функции ЦНС (астенический, неврастенический синдромы), но и симптомы функционального нарушения ряда внутренних органов, среди которых на первый план выступает изменение функции системы кровообращения.

Распознавание расстройств, связанных с воздействием микроволн, является нередко трудной и ответственной задачей, предусматривающей не только обычное тщательное клиническое изучение обследуемого, но и обязательное изучение его профессионального анамнеза, а также характеристики гигиенических условий работы, включая данные дозиметрии. Следовательно, диагноз должен основываться не только на клинических, но и на гигиено-дозиметрических сведениях.

При обследовании больного важно первоначально по общим правилам исключить другие заболевания (или воздействие других этиологических факторов), проявляющиеся на определенных стадиях сходной клинической картиной. Диагностика, естественно, осложняется в тех практически нередких случаях, когда обследуемый действительно одновременно подвергается влиянию нескольких неблагоприятных (специфических или неспецифических) факторов. В этих случаях нужно по возможности точнее оценить меру того или иного воздействия.

По степени выраженности и стойкости расстройств различают начальные легко обратимые формы (I степень) и выраженные стойкие формы (II степень). Предлагается также выделять и "хроническое поражение" ("синдром хронического воздействия") III степени, когда наряду с выраженными изменениями функции нервной, сердечно-сосудистой и других систем выявляются органические и дистрофические изменения в органах. Однако такие тяжелые формы в настоящее время практически не встречаются.

Лечение и профилактика

Важнейшим условием успешного лечения является прекращение контакта с СВЧ-полем. Терапия должна начинаться как можно раньше, быть индивидуализированной и комплексной. Этим больным должна обеспечиваться достаточно калорийная, полноценная, хорошо витаминизированная пища. В общем комплексном лечении важное значение придается различным методам психотерапии. Среди пациентов нередко встречаются лица, напуганные своим недугом и преувеличивающие опасность неблагоприятного влияния профессионального фактора. В таких случаях беседа или серия бесед, в процессе которых неторопливо разъясняется характер заболевания, рассеиваются необоснованные тревоги и внушается уверенность в благоприятном исходе, имеют первостепенное значение.

Из лекарственных средств, применявшихся для терапии рассматриваемых нарушений и прежде всего гипотонических состояний, могут быть названы растительные стимуляторы нервной системы: спиртовая настойка корня женьшеня, настойка левзеи или аралии, китайский лимонник, стрихнин, секуринин, кофеин. В последние годы мы наблюдали благоприятный эффект от назначения настойки заманихи, а также элеутерококка.

Отдельными авторами описаны также положительные результаты от назначения при гипотонических состояниях различного происхождения синтетических препаратов адреналинового ряда (веритолпрометин, эффортил), эфедрина, атропина, теобромина, эуфиллина, но надо сказать, что эти препараты не получили распространения. Из гормональных препаратов можно рекомендовать кортин и ДОКСА. Из витаминных препаратов показаны В 1 В 12 и аскорбиновая кислота. По отношению к назначению бромидов скорее имеются основания высказаться сдержанно.

При лечении больных рассматриваемой группы рекомендуется применять один из растительных стимуляторов нервной системы, который после трех-четырех-недельного применения в случае отсутствия отчетливого эффекта следует заменять другим. Заметных различий в степени эффективности указанных препаратов не наблюдается. При выраженной вялости, заторможенности одновременно с одним из указанных средств нередко назначаются на 10-15 дней препараты кофеина. Больным с эмоциональной возбудимостью назначается стрихнин вместе с валерианой. В последнее время еще лучшие результаты наблюдались от применения малых транквилизаторов (триоксазин, либриум, мепротан и другие).

В общем комплексном лечении у большинства больных использовались методы физкультуры и физические методы лечения (ионофорез с кальцием, общее ультрафиолетовое облучение, прохладные души и др.).

Обследование и лечение лиц разбираемой профессиональной принадлежности должно проводиться в специализированных стационарах в связи с новизной и недостаточной изученностью этой формы патологии. В дальнейшем больные должны находиться на длительном диспансерном наблюдении; при этом имеются все основания в общем плане лечебно-профилактических мероприятий отводить существенное место санаторно-курортному лечению.

В нашей стране разработана научно обоснованная система профилактики неблагоприятного воздействия СВЧ-поля на организм работающих. Она предусматривает проведение санитарного наблюдения за конструированием РЛС и РТС, проведение гигиенического контроля за условиями работы. Имеется ряд инженерно-технических мероприятий, обеспечивающих защиту от воздействия СВЧ-излучений (правильный выбор позиции РЛС на возвышенностях, экранирование при необходимости жилых помещений и др.). Создаются специальные образцы защитной одежды (металлизированная ткань, отражающая микроволны) и защитных очков (металлизированное стекло) для условий работы, связанных с относительно интенсивным облучением (около 1000 мквт/см 2).

У нас действуют строгие нормы ПДУ, надежно обеспечивающие безопасность работы. Так, при облучении микроволнами в течение 8 ч ППМ не должна превышать 10 мквт/см 2 , при работе в течение 2 ч/суток - ППМ соответственно не более 100 мквт/см 2 . При ППМ до 1000 мквт/см 2 продолжительность работы не должна превышать 15-20 мин. Если РЛС работает в режиме кругового обзора или сканирования (секторальный обзор), то ПДУ увеличивается в 10 раз (коэффициент 10).

Медико-гигиеническая профилактика не ограничивается контролем за соблюдением установленных гигиенических условий работы (включая дозиметрический контроль). Она включает проведение медицинского отбора специалистов для работы с генераторами СВЧ поля, а также постоянное диспансерное наблюдение за работающими. Установлено, что занятия физкультурой, повышение общего развития, полноценное питание с достаточным введением витаминов групп В и С способствуют повышению резистентности организма к воздействию микроволн.

Сверхвысокочасто́тное излуче́ние

Презентация к уроку «Шкала электромагнитных волн»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн

• Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твёрдыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

Свойства СВЧ-излучения

• В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более

широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.

• Свойства СВЧ-излучения

• Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным. Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролёта электрона и межэлектродная ёмкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить своё направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

• ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

В магнетроне, изобретённом в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения - принцип объёмного резонатора.

• МАГНЕТРОН Представляет собой двухэлектродную электронную лампу, которая генерирует СВЧ-излучение за счет движения электронов под действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Применяется в качестве генераторной лампы радио- и радиолокационных передатчиков СВЧ-диапазона.

1 - катод; 2 - токоподводы нагревателя; 3 - анодный блок; 4 - объемные резонаторы; 5 - выходная петля связи; 6 - коаксиальный кабель.

• Магнетрон

• Основан на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объёмного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные "сгустки", так что электроны пересекают зазор резонатора только в определённые моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передаётся резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания.

1 - катод; 2 - резонатор; 3 - отражательная пластина; 4 - резонаторные сетки; 5 - выходная петля связи; 6 - управляющая сетка.

• Клистрон

• Представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне. Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча.

• Лампа бегущей волны (ЛБВ).

• Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора

• Плоские вакуумные триоды

• диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

• Генератор на диоде Ганна

• После Второй мировой войны начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта - морского судна или самолета.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи. Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Термообработка. СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• Термообработка. Американские военные представили мощный СВЧ-излучатель, "тепловое" оружие, которое способно разгонять толпы демонстрантов и устанавливать невидимую "стену", через которую человек не сможет пройти. Установка получила название "Система активного сдерживания (отбрасывания)" (Active Denial System, ADS), прозвано "тепловой луч" и "микроволновая пушка"

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• . СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона.

Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов. Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства.

• ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

• В настоящее время в мире существуют два основных стандарта на уровень безопасного излучения. Один из них разработан Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI) и предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2. Для микроволновых печей стандартом является плотность мощности в 1 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи.

Европейский стандарт (в том числе и российский) предполагает, что уровень плотности излучения не должен превышать 10 мкВт (0.01 мВт) на квадратный сантиметр на расстоянии 50 см. от источника излучения

• Безопасность при использовании СВЧ-устройств

Содержание статьи

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Радиолокация.

Волны дециметрово-сантиметрового диапазона оставались предметом чисто научного любопытства до начала Второй мировой войны, когда возникла настоятельная необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Только тогда начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта – морского судна или самолета.

Связь.

Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км. Параболические или рупорные антенны, смонтированные на башнях, принимают и передают дальше СВЧ-сигналы. На каждой станции перед ретрансляцией сигнал усиливается электронным усилителем. Поскольку СВЧ-излучение допускает узконаправленные прием и передачу, для передачи не требуется больших затрат электроэнергии.

Хотя система башен, антенн, приемников и передатчиков может показаться весьма дорогостоящей, в конечном счете все это с лихвой окупается благодаря большой информационной емкости СВЧ-каналов связи. Города Соединенных Штатов соединены между собой сложной сетью более чем из 4000 ретрансляционных СВЧ-звеньев, образующих систему связи, которая простирается от одного океанского побережья до другого. Каналы этой сети способны пропускать тысячи телефонных разговоров и многочисленные телевизионные программы одновременно.

Спутники связи.

Система ретрансляционных радиобашен, необходимая для передачи СВЧ-излучения на большие расстояния, может быть построена, конечно, только на суше. Для межконтинентальной же связи требуется иной способ ретрансляции. Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи.

Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями. Первые экспериментальные ИСЗ такого типа («Телстар», «Релэй» и «Синком») успешно осуществляли уже в начале 1960-х годов ретрансляцию телевизионного вещания с одного континента на другой. На основе этого опыта были разработаны коммерческие спутники межконтинентальной и внутренней связи. Спутники последней межконтинентальной серии «Интелсат» были выведены в различные точки геостационарной орбиты таким образом, что зоны их охвата, перекрываясь, обеспечивают обслуживание абонентов во всем мире. Каждый спутник серии «Интелсат» последних модификаций предоставляет клиентам тысячи каналов высококачественной связи для одновременной передачи телефонных, телевизионных, факсимильных сигналов и цифровых данных.

Термообработка пищевых продуктов.

СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

Научные исследования.

СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона. (Эффективная масса определяет ускорение электрона под воздействием какой-либо силы в кристалле. Она отличается от массы свободного электрона, которой определяется ускорение электрона под действием какой-либо силы в вакууме. Различие обусловлено наличием сил притяжения и отталкивания, с которыми действуют на электрон в кристалле окружающие атомы и другие электроны.) Если на твердое тело, находящееся в магнитном поле, падает излучение СВЧ-диапазона, то это излучение сильно поглощается, когда его частота равна циклотронной частоте электрона. Данное явление называется циклотронным резонансом; оно позволяет измерить эффективную массу электрона. Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов.

Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Астрономы многое узнали о нашей Галактике, исследуя излучение с длиной волны 21 см, испускаемое газообразным водородом в межзвездном пространстве. Теперь можно измерять скорость и определять направление движения рукавов Галактики, а также расположение и плотность областей газообразного водорода в космосе.

ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мере связан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона и клистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным.

Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролета электрона и межэлектродная емкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить свое направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

Магнетрон.

В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемного резонатора. Подобно тому как у органной трубы данного размера имеются собственные акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют как индуктивность, а пространство между ними – как емкость некой резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному резонансному контуру низкочастотного генератора с отдельными конденсатором и катушкой индуктивности. Размеры объемного резонатора выбираются, конечно, так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота.

В магнетроне (рис. 1) предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что они в строго определенное время пересекают на периферии открытые пазы резонаторов. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Благодаря такому устройству время пролета и межэлектродные емкости не мешают генерации СВЧ-энергии.

Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

Клистрон.

Для этого электровакуумного прибора, основанного на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне (рис. 2) электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объемного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные «сгустки», так что электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным раскачиванием первоначально неподвижных качелей.

Первые клистроны были довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды магнетронов как СВЧ-генераторов большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 млн. ватт мощности в импульсе и до 100 тыс. ватт в непрерывном режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 млн. ватт СВЧ-мощности в импульсе.

Клистроны могут работать на частотах до 120 млрд. герц; однако при этом их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются варианты конструкции клистрона, рассчитанного на большие выходные мощности в миллиметровом диапазоне.

Клистроны могут также служить усилителями СВЧ-сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.

Лампа бегущей волны (ЛБВ).

Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.

Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию.

Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный электрический шум на некоторой резонансной частоте и ЛБВ бегущей волны работает как СВЧ-генератор, а не усилитель.

Выходная мощность ЛБВ значительно меньше, чем у магнетронов и клистронов на той же частоте. Однако ЛБВ допускают настройку в необычайно широком частотном диапазоне и могут служить очень чувствительными малошумящими усилителями. Такое сочетание свойств делает ЛБВ очень ценным прибором СВЧ-техники.

Плоские вакуумные триоды.

Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора.

Генератор на диоде Ганна.

Такой полупроводниковый СВЧ-генератор был предложен в 1963 Дж.Ганном, сотрудником Уотсоновского научно-исследовательского центра корпорации ИБМ. В настоящее время подобные приборы дают мощности лишь порядка милливатт на частотах не более 24 млрд. герц. Но в этих пределах он имеет несомненные преимущества перед маломощными клистронами.

Поскольку диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

СХЕМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Коаксиальные кабели и волноводы.

Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.

Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.

Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей.

Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод – это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рис. 3.

Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.

Твердотельные компоненты.

Твердотельные компоненты, например полупроводниковые и ферритовые, играют важную роль в СВЧ-технике. Так, для детектирования, переключения, выпрямления, частотного преобразования и усиления СВЧ-сигналов применяются германиевые и кремниевые диоды.

Для усиления применяются также специальные диоды – варикапы (с управляемой емкостью) – в схеме, называемой параметрическим усилителем. Широко распространенные усилители такого рода служат для усиления крайне малых сигналов, так как они почти не вносят собственные шумы и искажения.

Твердотельным СВЧ-усилителем с низким уровнем шума является и рубиновый мазер. Такой мазер, действие которого основано на квантовомеханических принципах, усиливает СВЧ-сигнал за счет переходов между уровнями внутренней энергии атомов в кристалле рубина. Рубин (или другой подходящий материал мазера) погружается в жидкий гелий, так что усилитель работает при чрезвычайно низких температурах (лишь на несколько градусов превышающих температуру абсолютного нуля). Поэтому уровень тепловых шумов в схеме очень низок, благодаря чему мазер пригоден для радиоастрономических, сверхчувствительных радиолокационных и других измерений, в которых нужно обнаруживать и усиливать крайне слабые СВЧ-сигналы.

Для изготовления СВЧ-переключателей, фильтров и циркуляторов широко применяются ферритовые материалы, такие, как оксид магния-железа и железо-иттриевый гранат. Ферритовые устройства управляются посредством магнитных полей, причем для управления потоком мощного СВЧ-сигнала достаточно слабого магнитного поля. Ферритовые переключатели имеют то преимущество перед механическими, что в них нет движущихся частей, подверженных износу, а переключение осуществляется весьма быстро. На рис. 4 представлено типичное ферритовое устройство – циркулятор. Действуя подобно кольцевой транспортной развязке, циркулятор обеспечивает следование сигнала только по определенным трактам, соединяющим различные компоненты. Циркуляторы и другие ферритовые переключающие устройства применяются при подключении нескольких компонентов СВЧ-системы к одной и той же антенне. На рис. 4 циркулятор не пропускает передаваемый сигнал на приемник, а принимаемый сигнал – на передатчик.

В СВЧ-технике находит применение и туннельный диод – сравнительно новый полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 млрд. герц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах.

Антенны.

СВЧ-антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ-диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.

В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ-излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем.

Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн, устанавливаемых на крышах. В таких антеннах нередко имеются одинаковые элементы, расположенные с интервалами, равными длине волны, и повышающие направленность за счет интерференции.

СВЧ-антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно направленными, поскольку во многих СВЧ-системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты.

Многие «зеркальные» антенны с параболическим или сферическим металлическим отражателем спроектированы специально для приема крайне слабых сигналов, приходящих, например, от межпланетных космических аппаратов или от далеких галактик. В Аресибо (Пуэрто-Рико) действует один из крупнейших радиотелескопов с металлическим отражателем в виде сферического сегмента, диаметр которого равен 300 м. Антенна имеет неподвижное («меридианное») основание; ее приемный радиолуч перемещается по небосводу благодаря вращению Земли. Самая большая (76 м) полностью подвижная антенна расположена в Джодрелл-Бенке (Великобритания).

Новое в области антенн – антенна с электронным управлением направленностью; такую антенну не нужно механически поворачивать. Она состоит из многочисленных элементов – вибраторов, которые можно электронными средствами по-разному соединять между собой и тем самым обеспечивать чувствительность «антенной решетки» в любом нужном направлении.

Андросовой Екатерины

I. СВЧ-излучение (немного теории).

II. Воздействие на человека .

III. Практическое применение СВЧ-излучения. СВЧ-печи.

1. Что такое СВЧ-печь?

2. История создания.

3. Устройство.

4. Принцип работы СВЧ-печи.

5. Основные характеристики:

a. Мощность;

b. Внутреннее покрытие;

c. Гриль (его разновидности);

d. Конвекция;

IV. Исследовательская часть проекта.

1. Сравнительный анализ.

2. Социальный опрос.

V. Выводы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Проектная работа

по физике

на тему:

«СВЧ излучение.
Его использование в СВЧ-печах.
Сравнительный анализ печей разных производителей»

ученицы 11 класса

ГОУ СОШ «Лосиный остров» №368

Андросовой Екатерины

Учитель – руководитель проекта:

Житомирская Зинаида Борисовна

Февраль 2010

СВЧ-излучние.

Инфракра́сное излуче́ние - электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света (с длиной волны λ = 0,74 мкм) и микроволновым излучением (λ ~ 1-2 мм).

Микроволно́вое излуче́ние , Сверхвысокочасто́тное излуче́ние (СВЧ-излучение) - электромагнитное излучение включающее в себя сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн (от 30 см - частота 1 ГГц до 1 мм - 300 ГГц). Микроволновое излучение большой интенсивности используется для бесконтактного нагрева тел, например, в быту и для термообработки металлов в микроволновых печах, а также для радиолокации. Микроволновое излучение малой интенсивности используется в средствах связи, преимущественно портативных (рации, сотовые телефоны последних поколений, WiFi-устройства).

Инфракрасное излучение также называют «тепловым» излучением, так как все тела, твёрдые и жидкие, нагретые до определённой температуры, излучают энергию в инфракрасном спектре. При этом длины волн, излучаемые телом, зависят от температуры нагревания: чем выше температура, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения. Спектр излучения абсолютно чёрного тела при относительно невысоких (до нескольких тысяч Кельвинов) температурах лежит в основном именно в этом диапазоне.

ИК (инфракрасные) диоды и фотодиоды повсеместно применяются в пультах дистанционного управления, системах автоматики, охранных системах и т. п. Инфракрасные излучатели применяют в промышленности для сушки лакокрасочных поверхностей. Инфракрасный метод сушки имеет существенные преимущества перед традиционным, конвекционным методом. В первую очередь это, безусловно, экономический эффект. Скорость и затрачиваемая энергия при инфракрасной сушке меньше тех же показателей при традиционных методах. Положительным побочным эффектом так же является стерилизация пищевых продуктов, увеличение стойкости к коррозии покрываемых красками поверхностей. Недостатком же является существенно большая неравномерность нагрева, что в ряде технологических процессов совершенно неприемлемо. Особенностью применения ИК-излучения в пищевой промышленности является возможность проникновения электромагнитной волны в такие капиллярно-пористые продукты, как зерно, крупа, мука и т. п. на глубину до 7 мм. Эта величина зависит от характера поверхности, структуры, свойств материала и частотной характеристики излучения. Электромагнитная волна определённого частотного диапазона оказывает не только термическое, но и биологическое воздействие на продукт, способствует ускорению биохимических превращений в биологических полимерах (крахмал, белок, липиды).

Воздействие СВЧ-излучения на человека

Накопленный экспериментальный материал позволяет разделить все эффекты воздействия СВЧ-излучения на живые существа на 2 больших класса: тепловые и нетепловые. Тепловой эффект в биологическом объекте наблюдается при облучении его полем с плотностью потока мощности более 10 мВт/см2, а нагрев тканей при этом превосходит величину 0.1 С, в противном случае наблюдается нетепловой эффект. Если процессы, происходящие при воздействии мощных электромагнитных полей СВЧ, получили теоретическое описание, хорошо согласующееся с экспериментальными данными, то процессы, происходящие при воздействии излучения низкой интенсивности, теоретически слабо изучены. Отсутствуют даже гипотезы о физических механизмах воздействия электромагнитного изучения низкой интенсивности на биологические объекты разного уровня развития, начиная с одноклеточного организма и кончая человеком, хотя и рассматриваются отдельные подходы к решению данной проблемы

СВЧ-излучение может воздействовать на поведение, чувства, мысли человека;
Bоздействует на биотоки, имеющие частоту от 1 до 35 Гц. В итоге возникают нарушения восприятия реальности, подъем и снижение тонуса, усталость, тошнота и головная боль; возможны полная стерилизация инстиктивной сферы, а также повреждения сердца, мозга и ЦНС.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА (ЭМИ РЧ).

СанПиН 2.2.4/2.1.8.055-96 Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц - 300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия При воздействии излучения 8 и более часов ПДУ - 0,025 мВт на сантиметр квадратный, при воздействии 2 часа, ПДУ - 0,1 мВт на сантиметр квадратный, а при воздействии 10 минут и менее, ПДУ - 1 мВт на сантиметр квадратный.

Практическое применение СВЧ-излучения. СВЧ-печи

СВЧ-песь - бытовой электроприбор, предназначенный для быстрого приготовления или быстрого подогрева пищи, а также для размораживания продуктов, происходящие благодаря использованию радиоволн.

История создания

Американский инженер Перси Спенсер заметил способность сверхвысокочастотного излучения к нагреванию продуктов, когда работал в компании Райтеон (англ. Raytheon ), занимающейся изготовлением оборудования для радаров. По легенде, когда он проводил эксперименты с очередным магнетроном, Спенсер заметил, что кусок шоколада в его кармане расплавился. По другой версии, он заметил, что нагрелся бутерброд, положенный на включённый магнетрон.

Патент на микроволновую печь был выдан в 1946 году. Первая микроволновая печь была построена фирмой Райтеон и была предназначена для быстрого промышленного приготовления пищи. Её высота была примерно равна человеческому росту, масса - 340 кг, мощность - 3 кВт, что примерно в два раза больше мощности современной бытовой СВЧ-печи. Стоила эта печь около 3000 $. Она использовалась, в основном, в солдатских столовых и столовых военных госпиталей.

Первая серийная бытовая микроволновая печь была выпущена японской фирмой Sharp в 1962 году. Первоначально спрос на новое изделие был невысок.

В СССР микроволновые печи выпускал завод ЗИЛ.

Устройство СВЧ-печи.

Основные компоненты:

1. источник микроволн;
2. магнетрон;
3. источник высоковольтного питания магнетрона;
4. цепь управления;
5. волновод для передачи микроволн от магнетрона к камере;
6. металлическая камера, в которой концентрируется микроволновое излучение и куда помещается пища, с металлизированой дверцей;
7. вспомогательные элементы;
8. вращающийся столик в камере;
9. схемы, обеспечивающие безопасность («блокировки»);
10. вентилятор, охлаждающий магнетрон и продувающий камеру для удаления газов, образующихся при приготовлении пищи.

Принцип работы

Магнетрон преобразуют электрическую энергию в высокочастотное электрическое поле, заставляющее двигаться молекулы воды, что приводит к разогреванию продукта. Магнетрон, создавая электрическое поле, направляет его по волноводу в рабочую камеру, в которой размещен продукт, содержащий воду (вода является диполем, так как молекула воды состоит из положительных и отрицательных зарядов). Воздействие внешнего электрического поля на продукт приводит к тому, что диполи начинают поляризоваться, т.е. диполи начинают поворачиваться. При повороте диполей возникают силы трения, которые превращаются в тепло. Поскольку поляризация диполей происходит по всему объему продукта, что вызывает его нагрев, этот вид нагрева также называют объемным. СВЧ - нагрев называют еще и микроволновым, имея в виду короткую длину электромагнитных волн.

Характеристики СВЧ-печей

Мощность.

1. Полезная, или эффективная мощность микроволновой печи, важная собственно для разогрева, приготовления и размораживания - это мощность микроволн и мощность гриля . Как правило, мощность микроволн пропорциональна объему камеры: данной мощности микроволн и гриля должно быть достаточно для того количества продуктов, которое можно поместить в данную микроволновую печь в соответствующих режимах. Условно можно считать, что чем выше мощность микроволн, тем быстрее происходит нагрев и приготовление еды.
2. Максимальная потребляемая мощность - электрическая мощность, на которую тоже следует обращать внимание, так как расход электричества может быть довольно большим (в особенности у крупногабаритных микроволновых печей с грилем и конвекцией). Знать максимальную потребляемую мощность необходимо не только для оценки количества расходуемой электроэнергии, но и для проверки возможности подключения к имеющимся розеткам (у отдельных микроволновых печей максимальная потребляемая мощность достигает 3100 Вт).

Внутренние покрытия

Стенки рабочей камеры микроволновой печи имеют специальное покрытие. В настоящее время существуют три основных варианта: покрытие из эмали, специальные покрытия и покрытие из нержавеющей стали.

1. Покрытие из эмали прочное , гладкое и удобное в чистке, встречается у многих микроволновых печей.
2. Специальные покрытия , разработанные производителями микроволновых печей, представляют собой усовершенствованные покрытия, еще более устойчивые к повреждениям и интенсивному тепловому воздействию и более удобные в чистке, чем обычная эмаль. К числу специальных, или усовершенствованных покрытий, относятся "антибактериальное покрытие" LG и "биокерамическое покрытие" Samsung.
3. Покрытие из нержавеющей стали - чрезвычайно устойчивое к высоким температурам и повреждениям, особенно надежное и долговечное, и к тому же весьма изысканно смотрится. Покрытие из нержавеющей стали обычно применяется в микроволновых печах с грилем, или с грилем и конвекцией, имеющих много высокотемпературных режимов. Как правило, это печи высокой ценовой категории, с красивым внешним и внутренним дизайном. Однако следует заметить, что поддержание такого покрытия в чистоте требует определенных усилий и использования специальных чистящих средств.

Гриль

ТЭНовый гриль. внешне напоминает черную металлическую трубку с нагревательным элементом внутри, размещенную в верхней части рабочей камеры. Многие микроволновые печи оснащены так называемым "подвижным" нагревательным элементом (ТЭНом), который можно перемещать и устанавливать вертикально или наклонно (под углом), обеспечивая нагрев не сверху, а сбоку.
Подвижный ТЭНовый гриль особенно удобен в эксплуатации и предоставляет дополнительные возможности по приготовлению блюд в режиме гриля (к примеру, в некоторых моделях можно обжаривать курицу в вертикальном положении). Кроме того, внутреннюю камеру микроволновой печи с подвижным ТЭНовым грилем легче и удобнее мыть (как и сам гриль).

Кварцевый Кварцевый гриль расположен в верхней части микроволновой печи, и представляет собой трубчатый кварцевый элемент за металлической решеткой.

В отличие от ТЭНового гриля, кварцевый не занимает места в рабочей камере.

Мощность кварцевого гриля обычно меньше, чем гриля с ТЭНом, микроволновые печи с кварцевым грилем потребляют меньше электричества.

Печи с кварцевым грилем более мягко и равномерно обжаривают, однако гриль с ТЭНом может обеспечивать более интенсивную работу (более "агрессивный" нагрев).

Есть мнение, что кварцевый гриль легче поддерживать в чистоте (он скрыт в верхней части камеры за решеткой и загрязнению поддается сложнее). Однако заметим, что с течением времени брызги жира и т.п. могут все же на него попасть, и его уже не удастся просто вымыть, как ТЭНовый гриль. Ничего особенно страшного в этом нет (брызги жира и остальные загрязнения будут просто выгорать с поверхности кварцевого гриля).

Конвекция

СВЧ-печи с конвекцией снабжены кольцевым нагревательным элементом и встроенным вентилятором (обычно располагается на задней стенке, в отдельных случаях - наверху), который равномерно распределяет нагретый воздух внутри камеры. Благодаря конвекции продукты пропекаются и прожариваются, и в такой печи можно печь пироги, запекать курицу, тушить мясо и т.д.

Исследовательская часть проекта

Сравнительный анализ СВЧ-печей разных производителей
Результаты социального опроса

Сравнительная таблица

Среди учащихся старших классов школы был проведен социальный опрос.

1. Есть ли у вас микроволновая печь?

2. Какой фирмы? Какая модель?

3. Какая мощность? Другие характеристики?

4. Знаете ли Вы правила безопасности при обращении с СВЧ-печью? Соблюдаете ли Вы их?

5. Как вы используете СВЧ-печь?

6. Ваш рецепт.

Меры предосторожности при использовании СВЧ-печи.

1. Микроволновое излучение не может проникать внутрь металлических предметов, поэтому нельзя готовить еду в металлической посуде. Если металлическая посуда закрытая, то излучение вообще не поглощается и печь может выйти из строя. В открытой металлической посуде приготовление в принципе возможно, но эффективность его на порядок меньше (т. к. излучение не проникает со всех сторон). К тому же, вблизи острых краёв металлических предметов возможно появление искр.
2. Нежелательно помещать в микроволновую печь посуду с металлическим напылением («золотой каёмочкой») - тонкий слой металла обладает большим сопротивлением и сильно нагревается вихревыми токами, это может разрушить посуду в области металлического напыления. В то же время, металлические предметы без острых краёв, изготовленные из толстого металла, сравнительно безопасны в микроволновой печи.
3. Нельзя приготавливать в микроволновой печи жидкость в герметично закрытых ёмкостях и целые птичьи яйца - из-за сильного испарения воды внутри них они взрываются.
4. Опасно нагревать в микроволновке воду, т. к. она способна к перегреванию, т. е. к нагреванию выше температуры кипения. Перегретая жидкость способна потом вскипеть очень резко и в неожиданный момент. Это относится не только к дистиллированной воде, но и к любой воде, в которой содержится мало взвешенных частиц. Чем более гладкой и однородной является внутренняя поверхность сосуда с водой, тем выше риск. Если у сосуда узкое горлышко, то велика вероятность, что в момент начала кипения перегретая вода выльется и обожжёт руки.

ВЫВОДЫ

СВЧ-печи широко используются в быту, но некоторые покупатели СВЧ-печей не знают правил обращения с СВЧ-печями. Это может привести к отрицательным последствиям (большая доза излучения, возгорание и т.д.)

Основные характеристики СВЧ-печей:

1. Мощность;
2. Наличие гриля (ТЭНового/кварцевого);
3. Наличие конвекции;
4. Внутреннее покрытие.

Самыми популярными являются СВЧ-печи фирм Samsung и Panasonic мощностью 800 Вт, с грилем, стоимостью около 4000-5000 руб..

СВЧ-излучение - это электромагнитное излучение, которое состоит из следующих диапазонов: дециметрового, сантиметрового и миллиметрового. Длина его волны колеблется от 1 м (частота в этом случае составляет 300 МГц) до 1 мм (частота равна 300 ГГц).

Широкое практическое применение СВЧ-излучение получило при реализации способа бесконтактного нагрева тел и предметов. В научном мире данное открытие интенсивно используется в исследовании космического пространства. Привычное и наиболее известное его применение - в домашних микроволновых печах. В оно используется для термообработки металлов.

Также на сегодняшний день СВЧ-излучение получило распространение в радиолокации. Антенны, приемники и передатчики на самом деле - дорогостоящие объекты, но они успешно окупаются из-за огромной информационной емкости СВЧ-каналов связи. Популярность его использования в быту и в производстве объясняется тем фактом, что данный тип излучения является всепроникающим, следовательно, нагрев объекта идет изнутри.

Шкала электромагнитных частот, вернее, ее начало и конец, представляет собой две различные формы излучения:

• ионизирующее (частота волны больше, чем частота видимого света);
• неионизирующее (частота излучения меньше частоты видимого света).

Для человека представляет опасность сверхвысокочастотное неионизированное излучение, которое влияет напрямую на человеческие биотоки с частотой от 1 до 35 Гц. Как правило, неионизированное СВЧ-излучение провоцирует беспричинную усталость, аритмию сердца, тошноту, снижение общего тонуса организма и сильную головную боль. Такие симптомы должны быть сигналом, что близко находится вредный источник излучения, который может нанести существенный ущерб здоровью. Тем не менее, как только человек покидает опасную зону, недомогание прекращается, и эти неприятные признаки исчезают сами по себе.

Вынужденное излучение открыл еще в 1916 году гениальный ученый А. Эйнштейн. Это явление он описал как влияние внешнего возникающего при переходе электрона в атоме с верхнего на более низкий. Излучение, которое при этом возникает, назвали индуцированным. У него есть еще одно название - вынужденное излучение. Особенность его состоит в том, что атом излучает электромагнитную волну - поляризация, частота, фаза, а также направление распространения у нее такие же, как у первоначальной волны.

Ученые применили как основу в работе современных лазеров, которые, в свою очередь, помогли в создании принципиально новых современных устройств - например, квантовых гигрометров, усилителей яркости и т. д.

Благодаря лазеру появились новые технические направления - такие, как лазерные технологии, голография, нелинейная и интегральная оптики, лазерная химия. Его используют в медицине при сложнейших операциях на глазах, в хирургии. Монохроматичность и когерентность лазера делают его незаменимым в спектроскопии, разделении изотопов, системах измерения и в светолокации.

Микроволновое излучение - это тоже радиоизлучение, только оно относится к инфракрасному диапазону, а также у него наибольшая частота в радиодиапазоне. С этим излучением мы сталкиваемся по нескольку раз в день, используя микроволновую печь для подогрева еды, а также разговаривая по мобильному телефону. Очень интересное и важное применение ему нашли астрономы. Микроволновое излучение используют для изучения космического фона или времен Большого взрыва, который произошел миллиарды лет тому назад. Астрофизики изучают неоднородности свечения в некоторых участках неба, что помогает узнать, как во Вселенной формировались галактики.