Раздел "Техника и технология за преработка на хидробионти и селскостопански суровини"

ВЪЗДЕЙСТВИЕ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНОТО МИКРОВЪЛНОВО ПОЛЕ ВЪРХУ ЧОВЕШКОТО ТЯЛО

Краев А.А. (Катедра по физика, MSTU)

Почти невъзможно е предварително да се изчисли количеството лъчиста енергия, погълната от човешкото тяло в даден участък от електромагнитното поле и превърната в топлина. Големината на тази енергия силно зависи от основните електрически характеристики, позицията, размера и структурата на мускулната и мастната тъкан и посоката на падане на вълната, т.е., с други думи, тази величина зависи от входния импеданс на този комплекс структура. Значителна роля играе и посоката на поляризацията на падащата вълна спрямо оста на тялото. Във всеки отделен случай е необходимо точно изследване на съществуващите състояния за установяване на симптомите. Действителното повишаване на телесната температура зависи от параметрите на околната среда като температура и влажност и от охлаждащия механизъм на тялото.

Облъчването в интензивно микровълново поле на живи тъкани води до промяна в техните свойства, които са свързани с топлинните последици от поглъщането на радиацията. За да се изследват тези промени, живите тъкани могат да бъдат разделени на два класа:

б) тъкани, които не съдържат кръвоносни съдове.

С подходящо регулиране на изходната мощност на микровълновия генератор и продължителността на облъчване, различни тъкани, съдържащи кръвоносни съдове, могат да бъдат нагрети до почти всяка температура. Температурата на тъканта започва да се повишава веднага след прилагането на микровълновата енергия към нея. Това повишаване на температурата продължава 15-20 минути и може да повиши температурата на тъканите с 1-2 °C спрямо средната телесна температура, след което температурата започва да спада. Понижаването на температурата в облъчваната зона възниква в резултат на рязко увеличаване на кръвния поток в нея, което води до съответното отнемане на топлина.

Липсата на кръвоносни съдове в някои части на тялото ги прави особено уязвими на микровълново лъчение. В този случай топлината може да се абсорбира само от околните съдови тъкани, към които може да бъде доставена само чрез топлопроводимост. Това е особено вярно за тъканите на окото и вътрешните органи като жлъчния мехур, пикочния мехур и стомашно-чревния тракт. Малкият брой кръвоносни съдове в тези тъкани затруднява авторегулирането на температурата. В допълнение, отраженията от граничните повърхности на телесните кухини и областите на костния мозък при определени условия водят до образуването на стоящи вълни. Прекомерното повишаване на температурата в определени зони на действие на стоящи вълни може да причини увреждане на тъканите. Отражения от този вид се причиняват и от метални предмети, разположени вътре или на повърхността на тялото.

При интензивно облъчване на тези тъкани с микровълново поле се наблюдава тяхното прегряване, което води до необратими промени. В същото време микровълновите полета с ниска мощност имат благоприятен ефект върху човешкото тяло, което се използва в медицинската практика.

Мозъкът и гръбначният мозък са чувствителни към промени в налягането и следователно повишаването на температурата поради облъчване на главата може да има сериозни последствия. Костите на черепа причиняват силни отражения, което прави много трудно да се оцени погълнатата енергия. Повишаването на мозъчната температура става най-бързо при облъчване на главата отгоре или при облъчване на гърдите, тъй като нагрятата кръв от гърдите се насочва директно към мозъка. Облъчването на главата предизвиква състояние на сънливост, последвано от преход към безсъзнателно състояние. При продължителна експозиция се появяват конвулсии, които след това преминават в парализа. При облъчване на главата неизбежно настъпва смърт, ако температурата на мозъка се повиши с 6 °C.

Окото е един от най-чувствителните органи към микровълновото лъчение, тъй като има слаба система за терморегулация и отделената топлина не може да бъде отведена достатъчно бързо. След 10 минути облъчване с мощност 100 W при честота 2450 MHz може да се развие катаракта (помътняване на лещата на окото), в резултат на което протеинът на лещата коагулира и образува видими бели петна. При тази честота най-високата температура се получава в близост до задната повърхност на лещата, която се състои от протеин, който лесно се уврежда от топлина.

Мъжките репродуктивни органи са силно чувствителни към топлина и следователно особено уязвими към излагане на радиация. Безопасна радиационна плътност като максимално ниво

5 mW/cm 2 е много по-ниско, отколкото за други чувствителни към радиация органи. В резултат на облъчване на тестисите може да настъпи временно или постоянно безплодие. Особено се отчита увреждането на гениталните тъкани, тъй като някои генетици смятат, че малките дози радиация не водят до никакви физиологични нарушения, като в същото време могат да причинят генни мутации, които остават скрити за няколко поколения.

В околната среда има много различни електромагнитни вълни, сред които е и микровълновото излъчване. Този честотен диапазон се намира между радиовълната и инфрачервената частица от спектъра.

Тъй като дължината на този диапазон е доста малка, дължината на вълната на това явление е от 30 cm до 1 mm.

За да разберете образованието, свойствата и обхвата на това явление в живота ни и как ни засяга, трябва да прочетете тази статия.

В природата има естествени източници на микровълнова радиация, например Слънцето и други обекти, живеещи в космоса, чието излъчване е допринесло за развитието на цивилизацията.

В допълнение към тях бързото развитие на съвременните технологии направи възможно използването и на изкуствени източници:

• Радарно и радионавигационно оборудване;
• Чинии за сателитна телевизия;
• Микровълнови печки, мобилни комуникации.

Според резултатите от изследването е доказано, че микровълновото лъчение няма йонизиращ ефект, който може да доведе до хромозомна мутация.

Тъй като йонизираните молекули са неблагоприятни частици, в бъдеще клетките на човешкото тяло могат да придобият неестествен, дефектен вид. Не бива обаче да приемате, че те са напълно безопасни за хората.

След провеждане на изследвания беше възможно да се установи, че микровълните, попадайки на повърхността на кожата, човешките тъкани абсорбират до известна степен лъчиста енергия. В резултат на това високочестотните токове влизат във възбудено състояние и нагряват тялото.

В резултат на това кръвообращението се засилва значително. Ако такова облъчване е засегнало само малка локална област, тогава е възможно да се осигури незабавно изключване на термично излагане от нагрятата област на кожата. Ако е настъпила обща експозиция, това не може да се направи, така че се счита за най-опасно.

Благодарение на циркулацията на кръвта се осигурява охлаждащ ефект и в тези органи, където има малко кръвоносни съдове, поражението ще бъде най-опасно. На първо място, това се отнася за лещата на окото. Поради термично излагане, тя може да стане мътна и напълно да се срине, което по-късно не може да бъде коригирано без хирургическа интервенция.

Най-високи абсорбционни свойства имат тъканите с по-голям капацитет на кръвта, лимфата и лигавиците.

Така че, с тяхното поражение, можете да наблюдавате:

• Дисфункция на щитовидната жлеза;
• Нарушаване на метаболитни и адаптационни процеси;
• Психични разстройства - депресия, провокирани опити за самоубийство.

Микровълновото излъчване има кумулативно свойство. Например, след облъчване известно време нищо не се случва, след което с течение на времето могат да се появят патологии. Първоначално те се усещат под формата на главоболие, умора, неспокоен сън, високо кръвно налягане, болка в сърцето.

ВАЖНО!Ако микровълновата фурна ще повлияе на човешкото тяло за много дълго време, това може да допринесе за необратимите последици, изброени по-горе. По този начин можем да кажем, че тези лъчения влияят негативно на човешкия организъм и е доказано, че в по-млада възраст човешкият организъм е по-податлив на тях.

Това явление може да се прояви по различни начини в зависимост от:

• Диапазонът на микровълновия източник и интензитетът на експозиция;
• Време на облъчване;
• Микровълнови дължини;
• Непрекъснато или импулсно излъчване;
• Характеристики на околната среда;
• Физическото и медицинско състояние на тялото за даден период.

Като се имат предвид тези фактори, заключението предполага, че трябва да се избягва излагането на микровълнови лъчи. За да намалите по някакъв начин тяхното въздействие, достатъчно е да ограничите времето за контакт с домакински уреди, които излъчват микровълни.

Що се отнася до хората, които поради специфичните особености на професията са принудени да се свържат с такова явление, има специални средства за защита: общи и индивидуални.

За да се предпазите бързо и ефективно от източник на микровълново лъчение, трябва да вземете следните мерки:

• Намаляване на радиацията;
• Промяна на посоката на излъчване;
• Намалете времето на експозиция на източника;
• Контролни устройства с микровълнова печка на голямо разстояние;
• Носете защитно облекло.

В по-голяма степен защитните екрани работят на принципа на отразяване и поглъщане на радиацията, така че те се разделят съответно на отразяващи и абсорбиращи.

Първите са направени от метал, навит на лист, мрежа и плат с метализирана повърхност. Благодарение на разнообразието от такива екрани, можете да изберете този, който отговаря на вашия конкретен случай.

В заключение на темата за защитните аксесоари, заслужава да се отбележи оборудването за лична безопасност, което е гащеризон, който може да отразява микровълновите лъчи. При наличие на гащеризони може да се избегне облъчване от 100 до 1000 пъти.

Горните отрицателни ефекти от микровълновото лъчение показват на читателя, че то може да причини опасни, отрицателни ефекти при взаимодействие с тялото ни.

Въпреки това съществува и концепцията, че под въздействието на такава радиация състоянието на тялото и вътрешните органи на човек се подобрява. Това предполага, че микровълновото лъчение по някакъв начин има благоприятен ефект върху човешкото тяло.

Благодарение на специално оборудване, чрез генераторен апарат, той прониква в човешкото тяло на определена дълбочина, загрява тъканите и цялото тяло, което предизвиква много положителни реакции.

ВАЖНО! Микровълновото лъчение започна да се изследва преди няколко десетилетия. След това време се разкрива, че техните естествени ефекти са безвредни за човешкото тяло. Ако се спазват правилните условия на работа на устройствата с микровълново облъчване, такова облъчване не може да причини голяма вреда, тъй като има много митове.

> Микровълни

Проучете силата и влиянието микровълни. Прочетете за диапазоните на микровълните, честотата и дължината на излъчване, какви са източниците на микровълни, работата на фурната.

Микровълнова печка- електромагнитни вълни с дължина 1 m - 1 mm).

Учебна задача

• Разберете трите диапазона на микровълните.

Ключови точки

• Микровълновата област е покрита от вълни с най-висока честота.
• Префиксът "микро" в микровълнова печка не показва дължината на вълната.
• Микровълните са разделени на три диапазона: изключително висока честота (30-300 GHz), ултрависока (3-30 GHz) и ултрависока честота (300 MHz-3 GHz).
• Списъкът с източници включва изкуствени устройства като предавателни кули, радари, мазери, както и естествени - Слънцето и космическото микровълново фоново лъчение.
• Микровълните могат да бъдат направени от атоми и молекули. Те поглъщат и излъчват лъчи, ако температурата се покачи над абсолютната нула.

Условия

• Радар - метод за търсене на отдалечени обекти и посочване на тяхната позиция, скорост и други характеристики чрез анализ на изпратените радиовълни, отразени от повърхността.
• Термичното смущение е топлинното движение на атоми и молекули, ако температурата в даден обект е над абсолютната нула.
• Терахерцово излъчване - електромагнитни вълни, чиито честоти се доближават до терахерца.

Микровълнова печка

Микровълните са електромагнитни вълни, чиято дължина на вълната съществува в диапазона от 1m - 1mm (300 MHz - 300 GHz). Микровълновата област обикновено е покрита от вълните с най-висока честота. Те могат да се движат във вакуум със скоростта на светлината.

Префиксът "микро" в "микровълнова фурна" не показва дължина на вълната в микрометровия диапазон. Казва само, че микровълните изглеждат малки, защото имат по-къси дължини на вълните в сравнение с излъчването. Разделението между различните видове греди най-често е произволно.

Ето основните категории електромагнитни вълни. Разделителните линии се различават на някои места, докато други категории може да се припокриват. Микровълните заемат високочестотния участък на радиосекция на електромагнитния спектър

Подкатегории микровълни

Микровълните са разделени на три диапазона:

• изключително висока честота (30-300 Hz). Ако показателите са по-високи, тогава сме изправени пред далечна инфрачервена светлина, наричана още терахерцова радиация. Тази лента се използва най-често в радиоастрономията и дистанционното наблюдение.
• ултра висока честота (3-30 GHz). Нарича се сантиметрова лента, защото честотата варира между 10-1 см. Диапазонът е приложим в радарни предаватели, микровълнови печки, комуникационни спътници и къси наземни връзки за пренос на данни.
• Свръхвисока честота (300 MHz - 3 GHz) - дециметров диапазон, тъй като дължината на вълната варира от 10 см до 1 м. Те присъстват в телевизионно излъчване, безжични телефонни комуникации, уоки-токита, сателити и др.

Микровълнови източници

Това са високочестотни електромагнитни вълни, генерирани от токове в макроскопични вериги и устройства. Те могат да бъдат получени и от атоми и молекули, ако действат като част от електромагнитните лъчи, образувани по време на термично смесване.

Важно е да запомните, че повече информация се предава на високи честоти, така че микровълните са чудесни за комуникационни устройства. Поради късите дължини на вълните трябва да се установи ясна линия на видимост между предавателя и приемника.

Слънцето също произвежда микровълнови лъчи, въпреки че голяма част от тях е блокирана от атмосферата на планетата. Реликтовото излъчване прониква в цялото пространство. Находката му потвърждава теорията за Големия взрив.

CMB радиация с повишено разширение

Микровълнови устройства

Високомощните микровълнови източници използват специални вакуумни тръби за генериране на микровълни. Устройствата работят на различни принципи, използвайки балистичното движение на електрони във вакуум. Те се влияят от електрически или магнитни полета.

Магнетронна кухина, използвана в микровълнова фурна

Микровълновите фурни използват микровълни за затопляне на храна. Необходимите честоти от 2,45 GHz се създават поради ускоряването на електроните. След това във фурната се образува променливо електрическо поле.

Водата и някои хранителни компоненти имат отрицателен заряд от единия край и положителен заряд от другата. Диапазонът на микровълновите честоти е избран по такъв начин, че полярните молекули, в опит да запазят позициите си, абсорбират енергия и повишават температурата си (диелектрично нагряване).

Радарът по време на Втората световна вълна използва микровълни. Намирането и синхронизирането на микровълновото ехо може да изчисли разстоянието до обекти като облаци или самолети. Доплеровото изместване в радарното ехо може да покаже скоростта на превозно средство или дори интензивността на дъждовна буря. По-сложните системи показват наши и чужди планети. Мазерът е подобно на лазер устройство, което усилва светлинната енергия чрез стимулиране на фотони.

Съдържанието на статията

УЛТРА ВИСОКОЧЕСТОТЕН ОБХВАТ,честотният диапазон на електромагнитното излъчване (100-300 000 милиона херца), разположен в спектъра между свръхвисоките телевизионни честоти и далечните инфрачервени честоти. Този честотен диапазон съответства на дължини на вълните от 30 cm до 1 mm; затова се нарича още обхватът на дециметровите и сантиметровите вълни. В англоезичните страни се нарича микровълнова лента; което означава, че дължините на вълните са много къси в сравнение с дължини на вълните на конвенционалното излъчване от порядъка на няколкостотин метра.

Тъй като микровълновото лъчение е междинно по дължина на вълната между светлинното лъчение и конвенционалните радиовълни, то има някои свойства както на светлината, така и на радиовълните. Например, тя, подобно на светлината, се разпространява по права линия и се блокира от почти всички твърди обекти. Подобно на светлината, тя се фокусира, разпространява като лъч и се отразява. Много радарни антени и други микровълнови устройства са, така да се каже, увеличени версии на оптични елементи като огледала и лещи.

В същото време микровълновото лъчение е подобно на радиоизлъчването по това, че се генерира по подобни методи. Микровълновото излъчване е приложимо към класическата теория на радиовълните и може да се използва като средство за комуникация, базирано на същите принципи. Но поради по-високите честоти, той предоставя повече възможности за предаване на информация, което прави възможно повишаването на ефективността на комуникацията. Например, един микровълнов лъч може едновременно да води няколкостотин телефонни разговора. Сходството на микровълновото лъчение със светлината и повишената плътност на информацията, която носи, се оказаха много полезни за радара и други области на технологиите.

ПРИЛОЖЕНИЯ НА МИКРОВЪЛНОВОТО ЛЪЧЕНИЕ

Радар.

Дециметър-сантиметровата вълна остава въпрос на чисто научно любопитство до избухването на Втората световна война, когато има спешна нужда от нов и ефективен електронен инструмент за ранно откриване. Едва тогава започват интензивни изследвания на микровълновия радар, въпреки че фундаменталната му възможност е демонстрирана още през 1923 г. в изследователската лаборатория на Военноморските сили на САЩ. Същността на радара е, че къси, интензивни импулси на микровълново лъчение се излъчват в космоса и след това част от това лъчение се записва, връщайки се от желания отдалечен обект - кораб или самолет.

Връзка.

Микровълновите радиовълни се използват широко в комуникационните технологии. В допълнение към различни военни радиосистеми има множество търговски микровълнови връзки във всички страни по света. Тъй като такива радиовълни не следват кривината на земната повърхност, а се разпространяват по права линия, тези комуникационни линии обикновено се състоят от релейни станции, инсталирани на хълмове или на радио кули на интервали от прибл. 50 км. Монтирани на кулата параболични или рупорни антени приемат и предават микровълнови сигнали. На всяка станция, преди препредаване, сигналът се усилва от електронен усилвател. Тъй като микровълновото излъчване позволява тясно фокусирано приемане и предаване, предаването не изисква големи количества електричество.

Въпреки че системата от кули, антени, приемници и предаватели може да изглежда много скъпа, в крайна сметка всичко това е повече от изплатено поради големия информационен капацитет на микровълновите комуникационни канали. Градовете на Съединените щати са свързани помежду си чрез сложна мрежа от повече от 4000 микровълнови релейни връзки, образуващи комуникационна система, която се простира от едно океанско крайбрежие до друго. Каналите на тази мрежа са способни да предават едновременно хиляди телефонни разговори и множество телевизионни програми.

Комуникационни сателити.

Системата от релейни кули, необходими за предаване на микровълново лъчение на големи разстояния, разбира се, може да бъде изградена само на сушата. За междуконтинентална комуникация е необходим различен начин на препредаване. Тук на помощ идват свързаните изкуствени спътници на Земята; изстреляни в геостационарна орбита, те могат да служат като релейни станции за микровълнова комуникация.

Електронно устройство, наречено сателит с активно реле, приема, усилва и препредава микровълнови сигнали, предавани от наземни станции. Първите експериментални спътници от този тип (Telstar, Relay и Syncom) успешно извършиха препредаване на телевизионно излъчване от един континент на друг още в началото на 60-те години. Въз основа на този опит са разработени търговски междуконтинентални и вътрешни комуникационни сателити. Сателитите от най-новата междуконтинентална серия Intelsat бяха изстреляни в различни точки на геостационарната орбита по такъв начин, че техните зони на покритие, припокриващи се, предоставят услуги на абонати по целия свят. Всеки сателит от серията Intelsat от най-новите модификации предоставя на клиентите хиляди висококачествени комуникационни канали за едновременно предаване на телефонни, телевизионни, факсимилни сигнали и цифрови данни.

Термична обработка на хранителни продукти.

Микровълновото лъчение се използва за термична обработка на хранителни продукти у дома и в хранително-вкусовата промишленост. Генерираната от мощни вакуумни тръби енергия може да се концентрира в малък обем за високоефективно готвене на продуктите в т.нар. микровълнови или микровълнови печки, характеризиращи се с чистота, безшумност и компактност. Такива устройства се използват в самолетни кухни, железопътни вагони-ресторанти и вендинг машини, където се изисква бързо приготвяне и готвене на храна. Промишлеността произвежда и битови микровълнови фурни.

Научно изследване.

Микровълновото лъчение играе важна роля в изследването на електронните свойства на твърдите тела. Когато такова тяло е в магнитно поле, свободните електрони в него започват да се въртят около силовите линии на магнитното поле в равнина, перпендикулярна на посоката на магнитното поле. Честотата на въртене, наречена циклотрон, е право пропорционална на силата на магнитното поле и обратно пропорционална на ефективната маса на електрона. (Ефективната маса определя ускорението на електрона под въздействието на някаква сила в кристал. Тя се различава от масата на свободния електрон, която определя ускорението на електрона под действието на някаква сила във вакуум. Разликата е поради наличието на сили на привличане и отблъскване, които действат върху електрон в кристал, заобикалящ атоми и други електрони.) Ако микровълновото лъчение падне върху твърдо тяло в магнитно поле, тогава това лъчение се абсорбира силно, когато честотата му е равна на циклотронна честота на електрона. Това явление се нарича циклотронен резонанс; позволява да се измери ефективната маса на електрона. Такива измервания предоставиха много ценна информация за електронните свойства на полупроводниците, металите и металоидите.

Микровълновото лъчение също играе важна роля в изследването на космоса. Астрономите са научили много за нашата галактика чрез изучаване на 21 cm радиация, излъчвана от водородния газ в междузвездното пространство. Сега е възможно да се измери скоростта и да се определи посоката на движение на ръкавите на Галактиката, както и местоположението и плътността на регионите на водородния газ в космоса.

ИЗТОЧНИЦИ НА МИКРОВЪЛНОВО ЛЪЧЕНИЕ

Бързият прогрес в областта на микровълновата технология до голяма степен се свързва с изобретяването на специални електровакуумни устройства - магнетрон и клистрон, способни да генерират големи количества микровълнова енергия. Осцилатор, базиран на конвенционален вакуумен триод, използван при ниски честоти, се оказва много неефективен в микровълновия диапазон.

Двата основни недостатъка на триода като микровълнов генератор са крайното време на прелет на електрона и междуелектродния капацитет. Първият се дължи на факта, че на електрона му трябва известно (макар и кратко) време, за да прелети между електродите на вакуумната тръба. През това време микровълновото поле има време да промени посоката си в противоположна, така че електронът също да бъде принуден да се обърне обратно, преди да достигне другия електрод. В резултат на това електроните вибрират безполезно вътре в лампата, без да предават енергията си на колебателната верига на външната верига.

Магнетрон.

В магнетрона, изобретен във Великобритания преди Втората световна война, тези недостатъци липсват, тъй като за основа е взет напълно различен подход към генерирането на микровълново лъчение - принципът на резонатора с кухина. Точно както органна тръба с даден размер има свои собствени акустични резонансни честоти, кухинен резонатор има свои собствени електромагнитни резонанси. Стените на резонатора действат като индуктивност, а пространството между тях действа като капацитет на някаква резонансна верига. По този начин резонаторът на кухината е подобен на паралелната резонансна верига на нискочестотен осцилатор с отделен кондензатор и индуктор. Размерите на резонатора с кухина са избрани, разбира се, така че желаната резонансна микровълнова честота да съответства на дадена комбинация от капацитет и индуктивност.

Магнетронът (фиг. 1) има няколко резонатора с кухина, разположени симетрично около катода, разположен в центъра. Инструментът се поставя между полюсите на силен магнит. В този случай електроните, излъчени от катода, под действието на магнитно поле са принудени да се движат по кръгови траектории. Скоростта им е такава, че преминават през отворените процепи на резонаторите по периферията в строго определено време. В същото време те се отказват от кинетичната си енергия, възбуждайки трептения в резонаторите. След това електроните се връщат към катода и процесът се повтаря. Благодарение на такова устройство, времето на полет и междуелектродните капацитети не пречат на генерирането на микровълнова енергия.

Магнетроните могат да бъдат направени големи и тогава те дават мощни импулси на микровълнова енергия. Но магнетронът има своите недостатъци. Например, резонаторите за много високи честоти стават толкова малки, че са трудни за производство, а самият такъв магнетрон, поради малкия си размер, не може да бъде достатъчно мощен. Освен това е необходим тежък магнит за магнетрона, а необходимата маса на магнита се увеличава с увеличаване на мощността на устройството. Следователно мощните магнетрони не са подходящи за бордови инсталации на самолети.

Клистрон.

Това електровакуумно устройство, базирано на малко по-различен принцип, не изисква външно магнитно поле. В клистрона (фиг. 2) електроните се движат по права линия от катода към отразяващата плоча и след това обратно. В същото време те пресичат отворената междина на резонатора на кухината под формата на поничка. Контролната решетка и решетките на резонатора групират електроните в отделни „букове“, така че електроните да пресичат междината на резонатора само в определени моменти. Пропуските между сноповете се съгласуват с резонансната честота на резонатора по такъв начин, че кинетичната енергия на електроните се прехвърля към резонатора, в резултат на което в него се създават мощни електромагнитни трептения. Този процес може да се сравни с ритмичното люлеене на първоначално неподвижна люлка.

Първите клистрони бяха доста устройства с ниска мощност, но по-късно те счупиха всички рекорди на магнетроните като мощни микровълнови генератори. Създадени са клистрони, които доставят до 10 милиона вата мощност на импулс и до 100 хиляди вата в непрекъснат режим. Системата от клистрони на изследователския линеен ускорител на частици доставя 50 милиона вата микровълнова мощност на импулс.

Клистроните могат да работят на честоти до 120 милиарда херца; но тяхната изходна мощност, като правило, не надвишава един ват. Разработват се варианти на конструкцията на клистрона, предназначени за високи изходни мощности в милиметровия диапазон.

Клистроните могат да служат и като микровълнови усилватели на сигнала. За да направите това, трябва да се приложи входен сигнал към решетките на резонатора на кухината и след това плътността на електронните групи ще се промени в съответствие с този сигнал.

Лампа с пътуващи вълни (TWT).

Друго електровакуумно устройство за генериране и усилване на електромагнитни вълни в микровълновия диапазон е лампа с пътуващи вълни. Това е тънка вакуумна тръба, поставена в фокусираща магнитна бобина. Вътре в тръбата има забавяща телена намотка. По оста на спиралата преминава електронен лъч, а по самата спирала – вълна от усиления сигнал. Диаметърът, дължината и стъпката на спиралата, както и скоростта на електроните са избрани по такъв начин, че електроните да отдават част от кинетичната си енергия на движещата се вълна.

Радиовълните се разпространяват със скоростта на светлината, докато скоростта на електроните в лъча е много по-малка. Но тъй като микровълновият сигнал е принуден да върви по спирала, скоростта на неговото движение по оста на тръбата е близка до скоростта на електронния лъч. Следователно пътуващата вълна взаимодейства с електроните за достатъчно дълго време и се усилва чрез поглъщане на тяхната енергия.

Ако към лампата не се приложи външен сигнал, тогава случаен електрически шум се усилва при определена резонансна честота и TWT на пътуващата вълна работи като микровълнов генератор, а не усилвател.

Изходната мощност на TWT е много по-малка от тази на магнетроните и клистроните при същата честота. Въпреки това, TWT могат да бъдат настроени в необичайно широк честотен диапазон и могат да служат като много чувствителни усилватели с нисък шум. Тази комбинация от свойства прави TWT много ценно устройство в микровълновата технология.

Плоски вакуумни триоди.

Въпреки че клистроните и магнетроните са предпочитани като микровълнови генератори, подобренията възстановиха до известна степен важната роля на вакуумните триоди, особено като усилватели при честоти до 3 милиарда херца.

Трудностите, свързани с времето на полета, са елиминирани поради много малките разстояния между електродите. Нежеланият капацитет между електродите е сведен до минимум, тъй като електродите са заплетени и всички външни връзки са направени на големи пръстени извън лампата. Както е обичайно в микровълновата технология, се използва резонатор с кухина. Резонаторът плътно обгръща лампата, а пръстеновидните конектори осигуряват контакт по цялата обиколка на резонатора.

Диоден генератор на Gunn.

Такъв полупроводников микровълнов генератор беше предложен през 1963 г. от J. Gunn, служител на IBM Watson Research Center. Понастоящем такива устройства произвеждат мощности от порядъка на миливати при честоти, които не надвишават 24 милиарда херца. Но в тези граници той има несъмнени предимства пред клистроните с ниска мощност.

Тъй като диодът на Gunn е единичен кристал от галиев арсенид, той по принцип е по-стабилен и издръжлив от клистрона, който трябва да има нагрят катод, за да създаде електронен поток и е необходим висок вакуум. В допълнение, диодът на Gunn работи при относително ниско захранващо напрежение, докато клистронът изисква обемисти и скъпи захранващи устройства с напрежение от 1000 до 5000 V.

ВЕРИГИ КОМПОНЕНТИ

Коаксиални кабели и вълноводи.

За предаване на електромагнитни вълни от микровълновия диапазон не през етера, а чрез метални проводници са необходими специални методи и проводници със специална форма. Обикновените проводници, които пренасят електричество, подходящи за предаване на нискочестотни радиосигнали, са неефективни при микровълнови честоти.

Всяко парче тел има капацитет и индуктивност. Тези т.нар. разпределените параметри стават много важни в микровълновата технология. Комбинацията от капацитета на проводника със собствената му индуктивност при микровълнови честоти играе ролята на резонансна верига, почти напълно блокираща предаването. Тъй като е невъзможно да се елиминира влиянието на разпределените параметри в кабелните предавателни линии, трябва да се обърнем към други принципи за предаване на микровълнови вълни. Тези принципи са въплътени в коаксиалните кабели и вълноводите.

Коаксиалният кабел се състои от вътрешен проводник и цилиндричен външен проводник около него. Празнината между тях е запълнена с пластмасов диелектрик, като тефлон или полиетилен. На пръв поглед това може да изглежда като чифт обикновени проводници, но при свръхвисоки честоти тяхната функция е различна. Микровълновият сигнал, въведен от единия край на кабела, всъщност се разпространява не през метала на проводниците, а през празнината между тях, запълнена с изолационен материал.

Коаксиалните кабели предават добре микровълнови сигнали до няколко милиарда херца, но при по-високи честоти тяхната ефективност намалява и те са неподходящи за предаване на големи мощности.

Конвенционалните канали за предаване на микровълни са под формата на вълноводи. Вълноводът е внимателно изработена метална тръба с правоъгълно или кръгло напречно сечение, вътре в която се разпространява микровълнов сигнал. Просто казано, вълноводът насочва вълната, принуждавайки я да отскача от стените от време на време. Но всъщност разпространението на вълна по вълновод е разпространението на трептения на електрическите и магнитните полета на вълната, както в свободното пространство. Такова разпространение във вълновод е възможно само ако неговите размери са в определено съотношение с честотата на предавания сигнал. Следователно вълноводът е точно изчислен, също толкова точно обработен и предназначен само за тесен честотен диапазон. Той предава други честоти лошо или изобщо не предава. Типично разпределение на електрически и магнитни полета във вълновода е показано на фиг. 3.

Колкото по-висока е честотата на вълната, толкова по-малък е размерът на съответния правоъгълен вълновод; в крайна сметка тези размери се оказват толкова малки, че производството му се усложнява прекомерно и максималната предавана от него мощност се намалява. Поради това започна разработването на кръгли вълноводи (с кръгло напречно сечение), които могат да бъдат доста големи дори при високи честоти на микровълновия диапазон. Използването на кръгъл вълновод е ограничено от някои трудности. Например, такъв вълновод трябва да е прав, в противен случай неговата ефективност се намалява. Правоъгълните вълноводи, от друга страна, лесно се огъват, може да им се придаде желаната криволинейна форма и това по никакъв начин не влияе на разпространението на сигнала. Радарните и другите микровълнови инсталации обикновено изглеждат като сложен лабиринт от вълноводни пътища, свързващи различни компоненти и предаващи сигнал от едно устройство на друго в рамките на системата.

компоненти в твърдо състояние.

Компонентите в твърдо състояние като полупроводници и ферити играят важна роля в микровълновата технология. И така, за откриване, превключване, коригиране, преобразуване на честотата и усилване на микровълнови сигнали се използват германиеви и силициеви диоди.

За усилване се използват и специални диоди - варикапи (с контролиран капацитет) - във верига, наречена параметричен усилвател. Широко използваните усилватели от този вид се използват за усилване на изключително малки сигнали, тъй като почти не въвеждат собствен шум и изкривяване.

Рубинният мазер също е микровълнов усилвател в твърдо състояние с ниско ниво на шум. Такъв мазер, чието действие се основава на принципите на квантовата механика, усилва микровълновия сигнал поради преходите между нивата на вътрешната енергия на атомите в рубинен кристал. Рубинът (или друг подходящ мазерен материал) се потапя в течен хелий, така че усилвателят да работи при изключително ниски температури (само няколко градуса над абсолютната нула). Поради това нивото на топлинния шум във веригата е много ниско, което прави мазера подходящ за радиоастрономия, ултрачувствителен радар и други измервания, при които изключително слаби микровълнови сигнали трябва да бъдат открити и усилени.

Феритни материали, като магнезиев железен оксид и итриев железен гранат, се използват широко за производството на микровълнови ключове, филтри и циркулационни помпи. Феритните устройства се управляват от магнитни полета, а слабото магнитно поле е достатъчно, за да контролира потока на мощен микровълнов сигнал. Феритните превключватели имат предимството пред механичните, че няма движещи се части, които да се износват и превключването е много бързо. На фиг. 4 показва типично феритно устройство - циркулатор. Действайки като кръгово движение, циркулационната помпа гарантира, че сигналът следва само определени пътища, свързващи различните компоненти. Циркулаторите и други феритни превключващи устройства се използват при свързване на няколко компонента на микровълнова система към една и съща антена. На фиг. 4, циркулационната помпа не предава предавания сигнал към приемника, а получения сигнал към предавателя.

В микровълновата технология се използва и тунелен диод - сравнително ново полупроводниково устройство, работещо на честоти до 10 милиарда херца. Използва се в генератори, усилватели, честотни преобразуватели и ключове. Работната му мощност е малка, но това е първото полупроводниково устройство, способно да работи ефективно при толкова високи честоти.

Антени.

Микровълновите антени се отличават с голямо разнообразие от необичайни форми. Размерът на антената е приблизително пропорционален на дължината на вълната на сигнала и следователно за микровълновия диапазон дизайни, които биха били твърде обемисти при по-ниски честоти, са напълно приемливи.

Дизайнът на много антени отчита онези свойства на микровълновото излъчване, които го доближават до светлината. Типични примери са рупорни антени, параболични рефлектори, метални и диелектрични лещи. Използват се и спирални и спирални антени, често направени под формата на печатни схеми.

Групи вълноводи с прорези могат да бъдат подредени така, че да се получи желаният модел на излъчване за излъчената енергия. Често се използват и диполи от типа на добре познатите телевизионни антени, монтирани на покриви. Такива антени често имат идентични елементи, разположени на интервали от дължина на вълната, които увеличават насочеността чрез смущения.

Микровълновите антени обикновено са проектирани да бъдат изключително насочени, тъй като в много микровълнови системи е много важно енергията да се предава и приема точно в правилната посока. Насочеността на антената се увеличава с увеличаване на нейния диаметър. Но можете да намалите антената, като същевременно запазите нейната насоченост, ако преминете към по-високи работни честоти.

Много "огледални" антени с параболичен или сферичен метален рефлектор са проектирани специално за приемане на изключително слаби сигнали, идващи например от междупланетни космически кораби или от далечни галактики. В Аресибо (Пуерто Рико) има един от най-големите радиотелескопи с метален рефлектор под формата на сферичен сегмент, чийто диаметър е 300 м. Антената има фиксирана („меридианна“) основа; приемният му радиолъч се движи по небето поради въртенето на Земята. Най-голямата (76 м) напълно подвижна антена се намира в Jodrell Bank (Великобритания).

Ново в областта на антените - антена с електронно управление на насочеността; такава антена не трябва да се върти механично. Състои се от множество елементи - вибратори, които могат да бъдат електронно свързани по различен начин помежду си и по този начин да осигурят чувствителността на "антенната решетка" във всяка желана посока.

Микровълновото лъчение е електромагнитно лъчение, което се състои от следните диапазони: дециметър, сантиметър и милиметър. Дължината на вълната му варира от 1 m (честотата в този случай е 300 MHz) до 1 mm (честотата е 300 GHz).

Микровълновото излъчване получи широко практическо приложение при прилагането на метода за безконтактно нагряване на тела и предмети. В научния свят това откритие се използва интензивно в изследването на космоса. Най-честата и най-известна употреба е в домашните микровълнови фурни. Използва се за термична обработка на метали.

Също така днес микровълновото излъчване е широко разпространено в радарите. Антените, приемниците и предавателите всъщност са скъпи обекти, но те се изплащат успешно поради огромния информационен капацитет на микровълновите комуникационни канали. Популярността на използването му в ежедневието и в производството се обяснява с факта, че този вид радиация е всепроникваща, следователно обектът се нагрява отвътре.

Скалата на електромагнитните честоти, или по-скоро нейното начало и край, представлява две различни форми на излъчване:

• йонизиращо (честотата на вълната е по-голяма от честотата на видимата светлина);
• нейонизиращи (честотата на излъчване е по-малка от честотата на видимата светлина).

За човек е опасно микровълновото нейонизирано лъчение, което пряко засяга човешките биотокове с честота от 1 до 35 Hz. По правило нейонизираното микровълново лъчение провокира безпричинна умора, сърдечна аритмия, гадене, намаляване на общия тонус на тялото и силно главоболие. Такива симптоми трябва да са сигнал, че наблизо има вреден източник на радиация, което може да причини значителна вреда на здравето. Въпреки това, веднага щом човек напусне опасната зона, неразположението спира и тези неприятни симптоми изчезват сами.

Стимулираното излъчване е открито през 1916 г. от брилянтния учен А. Айнщайн. Той описва това явление като влиянието на външен електрон, което възниква по време на прехода на електрон в атом от горен към долен. Излъчването, което възниква в този случай, се нарича индуцирано. Има друго име - стимулирано излъчване. Неговата особеност се състои в това, че атомът излъчва електромагнитна вълна - поляризацията, честотата, фазата и посоката на разпространение са същите като тези на оригиналната вълна.

Учените са използвали модерни лазери като основа за своята работа, което от своя страна е помогнало за създаването на фундаментално нови съвременни устройства - например квантови влагомери, усилватели на яркостта и др.

Благодарение на лазера се появиха нови технически области - като лазерни технологии, холография, нелинейна и интегрална оптика, лазерна химия. Използва се в медицината за сложни операции на очите, в хирургията. Монохроматичността и кохерентността на лазера го правят незаменим в спектроскопията, разделянето на изотопи, системите за измерване и местоположението на светлината.

Микровълновото лъчение също е радиоизлъчване, само че принадлежи към инфрачервения обхват и също така има най-високата честота в радиообхвата. Ние се сблъскваме с тази радиация няколко пъти на ден, използвайки микровълнова фурна за затопляне на храна, както и говорейки по мобилен телефон. Астрономите са намерили много интересно и важно приложение за него. Микровълновото лъчение се използва за изследване на космическия фон или времето на Големия взрив, случил се преди милиарди години. Астрофизиците изучават нередностите в сиянието в някои части на небето, което помага да се разбере как са се образували галактиките във Вселената.