Sekcja „Technika i technologia przetwarzania hydrobiontów i surowców rolniczych”

ODDZIAŁYWANIE POLA MIKROFAL ELEKTROMAGNETYCZNYCH NA ORGANIZM CZŁOWIEKA

Kraev AA (Wydział Fizyki, MSTU)

Niemal niemożliwe jest wcześniejsze obliczenie ilości energii promieniowania pochłoniętej przez ludzkie ciało w danej sekcji pola elektromagnetycznego i zamienionej na ciepło. Wielkość tej energii silnie zależy od podstawowych charakterystyk elektrycznych, położenia, wielkości i struktury tkanki mięśniowej i tłuszczowej oraz kierunku padania fali, czyli innymi słowy, wielkość ta zależy od impedancji wejściowej tego zespołu Struktura. Istotną rolę odgrywa również kierunek polaryzacji fali padającej względem osi ciała. W każdym indywidualnym przypadku wymagane jest dokładne zbadanie istniejących warunków w celu ustalenia objawów. Rzeczywisty wzrost temperatury ciała zależy od parametrów środowiskowych, takich jak temperatura i wilgotność, oraz od mechanizmu chłodzenia organizmu.

Napromieniowanie w intensywnym polu mikrofalowym żywych tkanek prowadzi do zmiany ich właściwości, co wiąże się z termicznymi konsekwencjami absorpcji promieniowania. Aby zbadać te zmiany, żywe tkanki można podzielić na dwie klasy:

b) tkanki, które nie zawierają naczyń krwionośnych.

Przy odpowiedniej regulacji mocy wyjściowej generatora mikrofal i czasu naświetlania różne tkanki zawierające naczynia krwionośne można podgrzać do niemal dowolnej temperatury. Temperatura tkanki zaczyna rosnąć natychmiast po przyłożeniu do niej energii mikrofalowej. Ten wzrost temperatury trwa 15-20 minut i może podnieść temperaturę tkanki o 1-2°C w stosunku do średniej temperatury ciała, po czym temperatura zaczyna spadać. Spadek temperatury w naświetlanym obszarze następuje w wyniku gwałtownego wzrostu przepływu krwi w nim, co prowadzi do odpowiedniego odprowadzania ciepła.

Brak naczyń krwionośnych w niektórych częściach ciała czyni je szczególnie wrażliwymi na promieniowanie mikrofalowe. W tym przypadku ciepło może być absorbowane tylko przez otaczające tkanki naczyniowe, do których może być dostarczane tylko przez przewodzenie ciepła. Dotyczy to w szczególności tkanek oka i narządów wewnętrznych, takich jak pęcherzyk żółciowy, pęcherz moczowy i przewód pokarmowy. Niewielka liczba naczyń krwionośnych w tych tkankach utrudnia samoregulację temperatury. Ponadto odbicia od powierzchni granicznych jam ciała i obszarów szpiku kostnego w określonych warunkach prowadzą do powstawania fal stojących. Nadmierny wzrost temperatury w niektórych obszarach działania fal stojących może spowodować uszkodzenie tkanek. Odbicia tego rodzaju są również powodowane przez metalowe przedmioty znajdujące się wewnątrz lub na powierzchni ciała.

Przy intensywnym naświetlaniu tych tkanek polem mikrofalowym obserwuje się ich przegrzanie, co prowadzi do nieodwracalnych zmian. Jednocześnie pola mikrofalowe małej mocy mają korzystny wpływ na organizm ludzki, co jest wykorzystywane w praktyce medycznej.

Mózg i rdzeń kręgowy są wrażliwe na zmiany ciśnienia, dlatego wzrost temperatury w wyniku naświetlania głowy może mieć poważne konsekwencje. Kości czaszki powodują silne refleksy, co bardzo utrudnia ocenę pochłoniętej energii. Wzrost temperatury mózgu następuje najszybciej, gdy głowa jest naświetlana z góry lub gdy naświetlana jest klatka piersiowa, ponieważ ogrzana krew z klatki piersiowej jest kierowana bezpośrednio do mózgu. Naświetlanie głowy powoduje stan senności, po którym następuje przejście do stanu nieprzytomności. Przy dłuższej ekspozycji pojawiają się drgawki, które następnie zamieniają się w paraliż. Kiedy głowa jest napromieniowana, śmierć nieuchronnie następuje, jeśli temperatura mózgu wzrośnie o 6°C.

Oko jest jednym z najbardziej wrażliwych organów na promieniowanie mikrofalowe, ponieważ ma słaby system termoregulacyjny i wydzielane ciepło nie może być odprowadzane wystarczająco szybko. Po 10 minutach naświetlania mocą 100 W przy częstotliwości 2450 MHz może rozwinąć się zaćma (zmętnienie soczewki oka), w wyniku której białko soczewki ulega koagulacji i tworzy widoczne białe plamy. Przy tej częstotliwości najwyższa temperatura występuje w pobliżu tylnej powierzchni soczewki, która składa się z białka, które łatwo ulega uszkodzeniu pod wpływem ciepła.

Męskie narządy rozrodcze są bardzo wrażliwe na ciepło i dlatego są szczególnie podatne na promieniowanie. Bezpieczna gęstość promieniowania jako poziom maksymalny

5 mW/cm 2 jest znacznie niższe niż w przypadku innych narządów wrażliwych na promieniowanie. W wyniku napromieniowania jąder może dojść do czasowej lub trwałej bezpłodności. Szczególnie brane są pod uwagę uszkodzenia tkanek narządów płciowych, ponieważ niektórzy genetycy uważają, że małe dawki promieniowania nie prowadzą do żadnych zaburzeń fizjologicznych, a jednocześnie mogą powodować mutacje genów, które pozostają ukryte przez kilka pokoleń.

W środowisku istnieje wiele różnych fal elektromagnetycznych, wśród których jest promieniowanie mikrofalowe. Ten zakres częstotliwości znajduje się między falą radiową a cząstką IR widma.

Ponieważ długość tego zakresu jest raczej niewielka, długość fali tego zjawiska wynosi od 30 cm do 1 mm.

Aby zrozumieć wychowanie, właściwości i zakres tego zjawiska w naszym życiu oraz jego wpływ na nas, warto przeczytać ten artykuł.

W przyrodzie istnieją naturalne źródła promieniowania mikrofalowego, na przykład Słońce i inne obiekty żyjące w kosmosie, których promieniowanie przyczyniło się do rozwoju cywilizacji.

Oprócz nich szybki rozwój nowoczesnych technologii umożliwił również wykorzystanie sztucznych źródeł:

• Sprzęt radarowy i radionawigacyjny;
• Naczynia do telewizji satelitarnej;
• Kuchenki mikrofalowe, łączność komórkowa.

Zgodnie z wynikami badań udowodniono, że promieniowanie mikrofalowe nie ma działania jonizującego, które może prowadzić do mutacji chromosomowych.

Ponieważ zjonizowane cząsteczki są cząsteczkami niekorzystnymi, w przyszłości komórki ludzkiego ciała mogą nabrać nienaturalnego, wadliwego wyglądu. Nie należy jednak zakładać, że są one całkowicie bezpieczne dla człowieka.

Po przeprowadzeniu badań można było stwierdzić, że mikrofale, dostając się na powierzchnię skóry, tkanki ludzkie pochłaniają w pewnym stopniu energię promieniowania. W rezultacie prądy o wysokiej częstotliwości wchodzą w stan wzbudzony i ogrzewają ciało.

W rezultacie znacznie poprawia się krążenie krwi. Jeśli takie napromieniowanie dotyczyło tylko niewielkiego obszaru lokalnego, możliwe jest natychmiastowe wykluczenie ekspozycji termicznej z ogrzanego obszaru skóry. Jeśli doszło do ogólnego narażenia, nie można tego zrobić, dlatego uważa się to za najbardziej niebezpieczne.

Dzięki krążeniu krwi zapewniony jest efekt chłodzenia, aw tych narządach, w których jest mało naczyń krwionośnych, porażka będzie najbardziej niebezpieczna. Przede wszystkim dotyczy to soczewki oka. Z powodu ekspozycji termicznej może stać się mętny i całkowicie zapaść, czego później nie można skorygować bez interwencji chirurgicznej.

Najwyższe właściwości wchłaniania mają tkanki o większej pojemności krwi, limfy i błon śluzowych.

Tak więc, po ich porażce, możesz zaobserwować:

• Dysfunkcja tarczycy;
• Naruszenie procesów metabolicznych i adaptacyjnych;
• Zaburzenia psychiczne - depresja, sprowokowane próby samobójcze.

Promieniowanie mikrofalowe ma właściwość kumulatywną. Na przykład po napromieniowaniu przez jakiś czas nic się nie dzieje, a z czasem mogą pojawić się patologie. Początkowo dają się odczuć w postaci bólu głowy, zmęczenia, niespokojnego snu, wysokiego ciśnienia krwi, bólu serca.

WAŻNY! Jeśli mikrofala będzie oddziaływać na organizm ludzki przez bardzo długi czas, może to przyczynić się do nieodwracalnych skutków, które zostały wymienione powyżej. Można więc powiedzieć, że promieniowanie to negatywnie wpływa na organizm człowieka, a udowodniono, że w młodszym wieku organizm ludzki jest na nie bardziej podatny.

Zjawisko to może objawiać się na różne sposoby, w zależności od:

• Zasięg źródła mikrofal i intensywność ekspozycji;
• czas napromieniowania;
• długości mikrofal;
• Promieniowanie ciągłe lub pulsacyjne;
• Cechy środowiska;
• Stan fizyczny i zdrowotny organizmu w danym okresie.

Biorąc pod uwagę te czynniki, wniosek sugeruje, że należy unikać narażenia na promieniowanie mikrofalowe. Aby jakoś zmniejszyć ich wpływ, wystarczy ograniczyć czas kontaktu z urządzeniami gospodarstwa domowego emitującymi mikrofale.

Jeśli chodzi o osoby, które ze względu na specyfikę zawodu są zmuszone do kontaktu z takim zjawiskiem, istnieją szczególne środki ochrony: ogólna i indywidualna.

Aby szybko i skutecznie zabezpieczyć się przed źródłem promieniowania mikrofalowego, należy podjąć następujące działania:

• Zmniejsz promieniowanie;
• Zmień kierunek promieniowania;
• Skróć czas ekspozycji źródła;
• Steruj urządzeniami za pomocą mikrofal na dużą odległość;
• Założyć odzież ochronną.

W większym stopniu ekrany ochronne działają na zasadzie odbijania i pochłaniania promieniowania, dlatego dzielą się odpowiednio na odblaskowe i pochłaniające.

Te pierwsze wykonane są z metalu zwiniętego w blachę, siatki i tkaniny o metalizowanej powierzchni. Ze względu na różnorodność takich ekranów możesz wybrać ten, który pasuje do konkretnego przypadku.

Kończąc temat akcesoriów ochronnych warto zwrócić uwagę na środki ochrony osobistej, czyli kombinezony, które mogą odbijać promienie mikrofalowe. W obecności kombinezonu można uniknąć napromieniowania od 100 do 1000 razy.

Powyższe negatywne skutki promieniowania mikrofalowego wskazują czytelnikowi, że może ono powodować niebezpieczne, negatywne skutki podczas interakcji z naszym organizmem.

Niemniej jednak istnieje również koncepcja, że ​​​​pod wpływem takiego promieniowania poprawia się stan ciała i narządów wewnętrznych człowieka. Sugeruje to, że promieniowanie mikrofalowe w jakiś sposób ma korzystny wpływ na organizm ludzki.

Dzięki specjalnemu wyposażeniu, poprzez aparat generujący, wnika w organizm człowieka na określoną głębokość, rozgrzewając tkanki i całe ciało, co wywołuje wiele pozytywnych reakcji.

WAŻNY! Promieniowanie mikrofalowe zaczęto badać kilkadziesiąt lat temu. Po tym czasie okazało się, że ich naturalne działanie jest nieszkodliwe dla ludzkiego organizmu. Przy zachowaniu prawidłowych warunków pracy urządzeń z promieniowaniem mikrofalowym, takie napromieniowanie nie może przynieść wielkich szkód, gdyż krąży wiele mitów.

> Mikrofale

Studiuj moc i wpływ mikrofale. Poczytaj o zakresach mikrofal, częstotliwości i długości promieniowania, jakie są źródła mikrofal, działanie piekarnika.

kuchenka mikrofalowa- fale elektromagnetyczne o długości 1 m - 1 mm).

Zadanie do nauki

• Zrozumienie trzech zakresów mikrofal.

Kluczowe punkty

• Obszar mikrofalowy jest pokryty falami o najwyższej częstotliwości.
• Przedrostek „mikro” w kuchence mikrofalowej nie wskazuje długości fali.
• Mikrofale dzielą się na trzy zakresy: ekstremalnie wysokie (30-300 GHz), ultra-wysokie (3-30 GHz) i ultra-wysokie (300 MHz-3 GHz).
• Na liście źródeł znajdują się zarówno sztuczne urządzenia, takie jak wieże transmisyjne, radary, masery, jak i naturalne - Słońce i kosmiczne mikrofalowe promieniowanie tła.
• Mikrofale mogą być wytwarzane z atomów i cząsteczek. Pochłaniają i emitują promienie, jeśli temperatura wzrośnie powyżej zera bezwzględnego.

Warunki

• Radar - metoda wyszukiwania odległych obiektów i wskazywania ich położenia, prędkości i innych cech poprzez analizę wysyłanych fal radiowych odbitych od powierzchni.
• Zaburzenia termiczne to ruch termiczny atomów i cząsteczek, gdy temperatura w obiekcie jest wyższa od zera bezwzględnego.
• Promieniowanie terahercowe - fale elektromagnetyczne, których częstotliwości zbliżają się do teraherców.

kuchenka mikrofalowa

Mikrofale to fale elektromagnetyczne, których długość fali mieści się w zakresie 1m - 1mm (300 MHz - 300 GHz). Obszar mikrofalowy jest zwykle pokryty falami o najwyższej częstotliwości. Potrafią poruszać się w próżni z prędkością światła.

Przedrostek „mikro” w „kuchence mikrofalowej” nie wskazuje długości fali w zakresie mikrometrów. Mówi tylko, że mikrofale wydają się małe, ponieważ mają krótsze długości fal w porównaniu z nadawaniem. Podział na różne rodzaje belek jest najczęściej arbitralny.

Oto główne kategorie fal elektromagnetycznych. Linie podziału różnią się w niektórych miejscach, podczas gdy inne kategorie mogą się pokrywać. Mikrofale zajmują sekcję wysokich częstotliwości sekcji radiowej widma elektromagnetycznego

Podkategorie mikrofal

Mikrofale dzielą się na trzy zakresy:

• bardzo wysoka częstotliwość (30-300 Hz). Jeśli wskaźniki są wyższe, mamy do czynienia ze światłem dalekiej podczerwieni, zwanym także promieniowaniem terahercowym. Pasmo to jest najczęściej wykorzystywane w radioastronomii i teledetekcji.
• bardzo wysoka częstotliwość (3-30 GHz). Nazywa się to pasmem centymetrowym, ponieważ częstotliwość waha się w granicach 10-1 cm.Pasmo ma zastosowanie w nadajnikach radarowych, kuchenkach mikrofalowych, satelitach komunikacyjnych i krótkich łączach naziemnych do przesyłania danych.
• Ultra-wysoka częstotliwość (300 MHz - 3 GHz) - zakres decymetrowy, ponieważ długość fali waha się od 10 cm do 1 m. Są obecne w transmisji telewizyjnej, telefonii bezprzewodowej, krótkofalówkach, satelitach itp.

Źródła mikrofalowe

Są to fale elektromagnetyczne o wysokiej częstotliwości generowane przez prądy w makroskopowych obwodach i urządzeniach. Można je również otrzymać z atomów i cząsteczek, jeśli działają jako część wiązek elektromagnetycznych powstających podczas mieszania termicznego.

Należy pamiętać, że przy wysokich częstotliwościach przesyłanych jest więcej informacji, dlatego mikrofale doskonale nadają się do urządzeń komunikacyjnych. Ze względu na krótkie fale należy zapewnić wyraźną linię wzroku między nadajnikiem a odbiornikiem.

Słońce wytwarza również promienie mikrofalowe, chociaż większość z nich jest blokowana przez atmosferę planety. Reliktowe promieniowanie przenika całą przestrzeń. Jego odkrycie potwierdza teorię Wielkiego Wybuchu.

Promieniowanie KMPT o zwiększonej ekspansji

Urządzenia mikrofalowe

Źródła mikrofal o dużej mocy wykorzystują specjalne lampy próżniowe do generowania mikrofal. Urządzenia działają na różnych zasadach wykorzystując balistyczny ruch elektronów w próżni. Oddziałują na nie pola elektryczne lub magnetyczne.

Wnęka magnetronowa używana w kuchence mikrofalowej

Kuchenki mikrofalowe wykorzystują mikrofale do podgrzewania żywności. Niezbędne częstotliwości 2,45 GHz powstają w wyniku przyspieszenia elektronów. Następnie w piekarniku powstaje zmienne pole elektryczne.

Woda i niektóre składniki żywności mają na jednym końcu ładunek ujemny, a na drugim ładunek dodatni. Zakres częstotliwości mikrofal dobierany jest w taki sposób, aby cząsteczki polarne, próbując zachować swoje położenie, absorbowały energię i zwiększały swoją temperaturę (ogrzewanie dielektryczne).

Radar podczas drugiej fali światowej wykorzystywał mikrofale. Lokalizowanie i synchronizowanie echa mikrofalowego może obliczać odległość do obiektów, takich jak chmury lub samoloty. Przesunięcie Dopplera w echu radarowym może wskazywać prędkość pojazdu, a nawet intensywność burzy. Bardziej złożone systemy wyświetlają nasze i obce planety. Maser to podobne do lasera urządzenie, które wzmacnia energię świetlną poprzez stymulację fotonów.

Treść artykułu

ULTRA WYSOKI ZAKRES CZĘSTOTLIWOŚCI, zakres częstotliwości promieniowania elektromagnetycznego (100-300 000 milionów herców), znajdujący się w widmie pomiędzy ultrawysokimi częstotliwościami telewizyjnymi a częstotliwościami dalekiej podczerwieni. Ten zakres częstotliwości odpowiada długości fali od 30 cm do 1 mm; dlatego jest również nazywany zakresem fal decymetrowych i centymetrowych. W krajach anglojęzycznych nazywa się to pasmem mikrofalowym; co oznacza, że ​​długości fal są bardzo krótkie w porównaniu z konwencjonalnymi długościami fal nadawczych rzędu kilkuset metrów.

Ponieważ promieniowanie mikrofalowe ma długość fali pośredniej między promieniowaniem świetlnym a konwencjonalnymi falami radiowymi, ma pewne właściwości zarówno fal świetlnych, jak i radiowych. Na przykład, podobnie jak światło, rozchodzi się w linii prostej i jest blokowany przez prawie wszystkie ciała stałe. Podobnie jak światło, jest ono skupione, rozchodzi się jako wiązka i odbija. Wiele anten radarowych i innych urządzeń mikrofalowych to niejako powiększone wersje elementów optycznych, takich jak lustra i soczewki.

Jednocześnie promieniowanie mikrofalowe jest podobne do emisji radiowej, ponieważ jest generowane podobnymi metodami. Promieniowanie mikrofalowe ma zastosowanie do klasycznej teorii fal radiowych i może być wykorzystywane jako środek komunikacji oparty na tych samych zasadach. Ale ze względu na wyższe częstotliwości zapewnia więcej możliwości przesyłania informacji, co pozwala zwiększyć efektywność komunikacji. Na przykład jedna wiązka mikrofalowa może prowadzić jednocześnie kilkaset rozmów telefonicznych. Podobieństwo promieniowania mikrofalowego do światła i zwiększona gęstość niesionej przez nie informacji okazało się bardzo przydatne dla radaru i innych dziedzin techniki.

ZASTOSOWANIA PROMIENIOWANIA MIKROFALOWEGO

Radar.

Fala decymetrowo-centymetrowa pozostawała przedmiotem czysto naukowej ciekawości aż do wybuchu II wojny światowej, kiedy to pojawiła się pilna potrzeba nowego i skutecznego elektronicznego narzędzia wczesnego wykrywania. Dopiero wtedy rozpoczęto intensywne badania nad radarem mikrofalowym, chociaż jego zasadniczą możliwość wykazano już w 1923 r. w Laboratorium Badawczym Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych. Istotą radaru jest to, że krótkie, intensywne impulsy promieniowania mikrofalowego emitowane są w przestrzeń kosmiczną, a następnie rejestrowana jest część tego promieniowania, powracająca z pożądanego odległego obiektu - statku lub samolotu.

Połączenie.

Mikrofalowe fale radiowe są szeroko stosowane w technologii komunikacyjnej. Oprócz różnych wojskowych systemów radiowych we wszystkich krajach świata istnieje wiele komercyjnych łączy mikrofalowych. Ponieważ takie fale radiowe nie podążają za krzywizną powierzchni ziemi, ale rozchodzą się po linii prostej, te linie komunikacyjne składają się zwykle ze stacji przekaźnikowych zainstalowanych na szczytach wzgórz lub na wieżach radiowych w odstępach ok. 50 km. Montowane na wieży anteny paraboliczne lub tubowe odbierają i transmitują sygnały mikrofalowe. Na każdej stacji przed retransmisją sygnał jest wzmacniany przez wzmacniacz elektroniczny. Ponieważ promieniowanie mikrofalowe umożliwia wąsko skupiony odbiór i transmisję, transmisja nie wymaga dużych ilości energii elektrycznej.

Chociaż system wież, anten, odbiorników i nadajników może wydawać się bardzo drogi, ostatecznie wszystko to jest bardziej niż opłacalne ze względu na dużą pojemność informacyjną kanałów komunikacji mikrofalowej. Miasta Stanów Zjednoczonych są połączone złożoną siecią ponad 4000 przekaźników mikrofalowych, tworzących system komunikacyjny rozciągający się od jednego wybrzeża oceanu do drugiego. Kanały tej sieci są w stanie transmitować jednocześnie tysiące rozmów telefonicznych i wiele programów telewizyjnych.

Satelity komunikacyjne.

System wież przekaźnikowych niezbędnych do transmisji promieniowania mikrofalowego na duże odległości można oczywiście zbudować tylko na lądzie. Do komunikacji międzykontynentalnej wymagany jest inny sposób przekazywania. Tutaj na ratunek przychodzą połączone sztuczne satelity Ziemi; wystrzelone na orbitę geostacjonarną mogą służyć jako stacje przekaźnikowe do komunikacji mikrofalowej.

Urządzenie elektroniczne zwane satelitą z aktywnym przekaźnikiem odbiera, wzmacnia i retransmituje sygnały mikrofalowe nadawane przez stacje naziemne. Pierwsze eksperymentalne satelity tego typu (Telstar, Relay i Syncom) już na początku lat 60. z powodzeniem przeprowadzały retransmisje programów telewizyjnych z jednego kontynentu na drugi. W oparciu o to doświadczenie opracowano komercyjne międzykontynentalne i krajowe satelity komunikacyjne. Satelity najnowszej serii Intelsat intercontinental zostały wystrzelone w różne punkty orbity geostacjonarnej w taki sposób, aby ich obszary pokrycia, nakładając się na siebie, świadczyły usługi dla abonentów na całym świecie. Każdy satelita serii Intelsat z najnowszymi modyfikacjami zapewnia klientom tysiące wysokiej jakości kanałów komunikacyjnych do jednoczesnej transmisji sygnałów telefonicznych, telewizyjnych, faksowych i danych cyfrowych.

Obróbka cieplna produktów spożywczych.

Promieniowanie mikrofalowe jest wykorzystywane do obróbki cieplnej produktów spożywczych w warunkach domowych oraz w przemyśle spożywczym. Energię generowaną przez potężne lampy próżniowe można skoncentrować w niewielkiej objętości dla bardzo wydajnego gotowania produktów w tzw. kuchenki mikrofalowe lub mikrofalowe, charakteryzujące się czystością, bezgłośnością i zwartością. Urządzenia tego typu znajdują zastosowanie w kuchniach lotniczych, kolejowych wagonach restauracyjnych oraz automatach sprzedających, gdzie wymagane jest szybkie przygotowywanie i gotowanie posiłków. Przemysł produkuje również domowe kuchenki mikrofalowe.

Badania naukowe.

Promieniowanie mikrofalowe odegrało ważną rolę w badaniu właściwości elektronowych ciał stałych. Kiedy takie ciało znajduje się w polu magnetycznym, znajdujące się w nim swobodne elektrony zaczynają obracać się wokół linii pola magnetycznego w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku pola magnetycznego. Częstotliwość rotacji, zwana cyklotronem, jest wprost proporcjonalna do natężenia pola magnetycznego i odwrotnie proporcjonalna do efektywnej masy elektronu. (Masa efektywna określa przyspieszenie elektronu pod wpływem pewnej siły w krysztale. Różni się od masy swobodnego elektronu, która określa przyspieszenie elektronu pod działaniem pewnej siły w próżni. Różnica polega na tym, że ze względu na obecność sił przyciągania i odpychania, które działają na elektron w krysztale otaczającym atomy i inne elektrony.) Jeśli promieniowanie mikrofalowe pada na ciało stałe w polu magnetycznym, to promieniowanie to jest silnie pochłaniane, gdy jego częstotliwość jest równa częstotliwość cyklotronowa elektronu. Zjawisko to nazywane jest rezonansem cyklotronowym; pozwala zmierzyć efektywną masę elektronu. Takie pomiary dostarczyły wielu cennych informacji na temat właściwości elektronicznych półprzewodników, metali i metaloidów.

Promieniowanie mikrofalowe odgrywa również ważną rolę w eksploracji kosmosu. Astronomowie wiele się nauczyli o naszej galaktyce, badając 21-centymetrowe promieniowanie emitowane przez gazowy wodór w przestrzeni międzygwiezdnej. Teraz można mierzyć prędkość i określać kierunek ruchu ramion Galaktyki, a także położenie i gęstość obszarów wodoru w przestrzeni kosmicznej.

ŹRÓDŁA PROMIENIOWANIA MIKROFALOWEGO

Szybki postęp w dziedzinie technologii mikrofalowej jest w dużej mierze związany z wynalezieniem specjalnych urządzeń elektropróżniowych - magnetronu i klistronu, zdolnych do generowania dużych ilości energii mikrofalowej. Oscylator oparty na konwencjonalnej triodzie próżniowej, stosowany przy niskich częstotliwościach, okazuje się być bardzo nieefektywny w zakresie mikrofal.

Dwie główne wady triody jako generatora mikrofal to skończony czas przelotu elektronu i pojemność międzyelektrodowa. Pierwszy wynika z faktu, że elektron potrzebuje pewnego (choć krótkiego) czasu, aby przelecieć między elektrodami lampy próżniowej. W tym czasie pole mikrofalowe ma czas na zmianę kierunku na przeciwny, dzięki czemu elektron również musi zawrócić, zanim dotrze do drugiej elektrody. W rezultacie elektrony wibrują bezużytecznie wewnątrz lampy, nie oddając swojej energii do obwodu oscylacyjnego obwodu zewnętrznego.

Magnetostrykcja.

W magnetronie, wynalezionym w Wielkiej Brytanii przed II wojną światową, te niedociągnięcia są nieobecne, ponieważ za podstawę przyjmuje się zupełnie inne podejście do generowania promieniowania mikrofalowego - zasadę rezonatora wnękowego. Tak jak piszczałka organowa o danym rozmiarze ma swoje własne akustyczne częstotliwości rezonansowe, tak rezonator wnękowy ma swoje własne rezonanse elektromagnetyczne. Ściany rezonatora działają jak indukcyjność, a przestrzeń między nimi działa jak pojemność jakiegoś obwodu rezonansowego. Zatem rezonator wnękowy jest podobny do równoległego obwodu rezonansowego oscylatora niskiej częstotliwości z oddzielnym kondensatorem i cewką indukcyjną. Wymiary rezonatora wnękowego dobiera się oczywiście tak, aby żądana rezonansowa częstotliwość mikrofalowa odpowiadała danej kombinacji pojemności i indukcyjności.

Magnetron (rys. 1) ma kilka rezonatorów wnękowych rozmieszczonych symetrycznie wokół katody znajdującej się w środku. Instrument umieszcza się między biegunami silnego magnesu. W tym przypadku elektrony emitowane przez katodę pod wpływem pola magnetycznego są zmuszane do poruszania się po trajektoriach kołowych. Ich prędkość jest taka, że ​​przekraczają otwarte szczeliny rezonatorów na obwodzie w ściśle określonym czasie. Jednocześnie oddają swoją energię kinetyczną, wzbudzając oscylacje w rezonatorach. Następnie elektrony wracają do katody i proces się powtarza. Dzięki takiemu urządzeniu czas przelotu i pojemności międzyelektrodowe nie zakłócają generacji energii mikrofalowej.

Magnetrony mogą być duże, a następnie dają potężne impulsy energii mikrofalowej. Ale magnetron ma swoje wady. Na przykład rezonatory dla bardzo wysokich częstotliwości stają się tak małe, że są trudne do wyprodukowania, a sam taki magnetron, ze względu na swoje małe rozmiary, nie może być wystarczająco mocny. Ponadto do magnetronu potrzebny jest ciężki magnes, a wymagana masa magnesu wzrasta wraz ze wzrostem mocy urządzenia. Dlatego potężne magnetrony nie nadają się do instalacji na pokładzie samolotu.

Klystron.

To urządzenie elektropróżniowe, działające na nieco innej zasadzie, nie wymaga zewnętrznego pola magnetycznego. W klistronie (ryc. 2) elektrony poruszają się po linii prostej od katody do płytki odbijającej iz powrotem. Jednocześnie przecinają otwartą szczelinę rezonatora wnękowego w kształcie pączka. Siatka kontrolna i siatki rezonatora grupują elektrony w oddzielne „grupy”, tak że elektrony przekraczają szczelinę rezonatora tylko w określonych momentach. Przerwy między wiązkami są dopasowane do częstotliwości rezonansowej rezonatora w taki sposób, że energia kinetyczna elektronów jest przekazywana do rezonatora, w wyniku czego powstają w nim silne oscylacje elektromagnetyczne. Proces ten można porównać do rytmicznego kołysania początkowo nieruchomego kołysania.

Pierwsze klistrony były raczej urządzeniami małej mocy, ale później pobiły wszelkie rekordy magnetronów jako generatorów mikrofal dużej mocy. Powstały klistrony, które dostarczały do ​​10 milionów watów mocy na impuls i do 100 tysięcy watów w trybie ciągłym. System klistronów badawczego liniowego akceleratora cząstek dostarcza 50 milionów watów energii mikrofalowej na impuls.

Klystrony mogą działać na częstotliwościach do 120 miliardów herców; jednak ich moc wyjściowa z reguły nie przekracza jednego wata. Opracowywane są warianty konstrukcji klistronu przeznaczonego dla dużych mocy wyjściowych w zakresie milimetrowym.

Klystrony mogą również służyć jako wzmacniacze sygnału mikrofalowego. W tym celu do siatek rezonatora wnękowego należy przyłożyć sygnał wejściowy, po czym zgodnie z tym sygnałem zmieni się gęstość wiązek elektronów.

Lampa fali biegnącej (TWT).

Innym urządzeniem elektropróżniowym do generowania i wzmacniania fal elektromagnetycznych w zakresie mikrofal jest lampa z falą biegnącą. Jest to cienka próżniowa rurka włożona do skupiającej cewki magnetycznej. Wewnątrz tuby znajduje się cewka z drutu opóźniającego. Wiązka elektronów przechodzi wzdłuż osi spirali, a fala wzmocnionego sygnału biegnie wzdłuż samej spirali. Średnica, długość i skok helisy, a także prędkość elektronów są dobrane w taki sposób, aby elektrony oddały część swojej energii kinetycznej fali biegnącej.

Fale radiowe rozchodzą się z prędkością światła, podczas gdy prędkość elektronów w wiązce jest znacznie mniejsza. Ponieważ jednak sygnał mikrofalowy jest zmuszany do poruszania się po spirali, prędkość jego ruchu wzdłuż osi rury jest zbliżona do prędkości wiązki elektronów. Dlatego fala biegnąca oddziałuje z elektronami przez wystarczająco długi czas i jest wzmacniana przez pochłanianie ich energii.

Jeśli do lampy nie zostanie przyłożony żaden sygnał zewnętrzny, wówczas przypadkowy szum elektryczny jest wzmacniany przy określonej częstotliwości rezonansowej, a fala biegnąca TWT działa jak generator mikrofal, a nie wzmacniacz.

Moc wyjściowa TWT jest znacznie mniejsza niż magnetronów i klistronów przy tej samej częstotliwości. Jednak TWT można dostroić w niezwykle szerokim zakresie częstotliwości i mogą służyć jako bardzo czułe wzmacniacze o niskim poziomie szumów. To połączenie właściwości sprawia, że ​​TWT jest bardzo cennym urządzeniem w technice mikrofalowej.

Płaskie triody próżniowe.

Chociaż klistrony i magnetrony są preferowane jako generatory mikrofal, ulepszenia przywróciły do ​​pewnego stopnia ważną rolę triod próżniowych, zwłaszcza jako wzmacniaczy przy częstotliwościach do 3 miliardów herców.

Utrudnienia związane z czasem przelotu są eliminowane dzięki bardzo małym odległościom między elektrodami. Niepożądana pojemność między elektrodami jest zminimalizowana, ponieważ elektrody są zazębione, a wszystkie zewnętrzne połączenia są wykonane na dużych pierścieniach na zewnątrz lampy. Jak zwykle w technologii mikrofalowej, używany jest rezonator wnękowy. Rezonator szczelnie otacza lampę, a złącza pierścieniowe zapewniają styk na całym obwodzie rezonatora.

Generator diod Gunna.

Taki półprzewodnikowy generator mikrofalowy zaproponował w 1963 roku J. Gunn, pracownik IBM Watson Research Center. Obecnie takie urządzenia wytwarzają moce rzędu miliwatów przy częstotliwościach nieprzekraczających 24 miliardów herców. Ale w tych granicach ma niewątpliwą przewagę nad klistronami małej mocy.

Ponieważ dioda Gunna jest pojedynczym kryształem arsenku galu, jest w zasadzie bardziej stabilna i trwała niż klistron, który musi mieć podgrzewaną katodę, aby wytworzyć przepływ elektronów i wymagana jest wysoka próżnia. Ponadto dioda Gunna pracuje przy stosunkowo niskim napięciu zasilania, podczas gdy klistron wymaga nieporęcznych i drogich zasilaczy o napięciu od 1000 do 5000 V.

ELEMENTY OBWODÓW

Kable koncentryczne i falowody.

Aby transmitować fale elektromagnetyczne w zakresie mikrofal nie przez eter, ale przez metalowe przewodniki, potrzebne są specjalne metody i przewodniki o specjalnym kształcie. Zwykłe przewody przewodzące prąd, nadające się do przesyłania sygnałów radiowych o niskiej częstotliwości, są nieefektywne przy częstotliwościach mikrofalowych.

Każdy kawałek drutu ma pojemność i indukcyjność. Te tzw. rozproszone parametry stają się bardzo ważne w technologii mikrofalowej. Połączenie pojemności przewodnika z jego własną indukcyjnością przy częstotliwościach mikrofalowych pełni rolę obwodu rezonansowego, prawie całkowicie blokując transmisję. Ponieważ w przewodowych liniach transmisyjnych nie da się wyeliminować wpływu parametrów rozproszonych, trzeba sięgnąć po inne zasady transmisji fal mikrofalowych. Zasady te są zawarte w kablach koncentrycznych i falowodach.

Kabel koncentryczny składa się z wewnętrznego drutu i otaczającego go cylindrycznego zewnętrznego przewodnika. Szczelina między nimi jest wypełniona dielektrykiem z tworzywa sztucznego, takim jak teflon lub polietylen. Na pierwszy rzut oka może się to wydawać parą zwykłych przewodów, ale przy bardzo wysokich częstotliwościach ich funkcja jest inna. Sygnał mikrofalowy wprowadzony z jednego końca kabla w rzeczywistości rozchodzi się nie przez metal przewodników, ale przez szczelinę między nimi wypełnioną materiałem izolacyjnym.

Kable koncentryczne dobrze transmitują sygnały mikrofalowe do kilku miliardów herców, ale przy wyższych częstotliwościach ich wydajność spada i nie nadają się do przesyłania dużych mocy.

Konwencjonalne kanały transmisji mikrofal mają postać falowodów. Falowód to starannie wykonana metalowa rura o przekroju prostokątnym lub okrągłym, wewnątrz której rozchodzi się sygnał mikrofalowy. Mówiąc najprościej, falowód kieruje falą, zmuszając ją co jakiś czas do odbijania się od ścian. Ale w rzeczywistości propagacja fali wzdłuż falowodu jest propagacją oscylacji pól elektrycznych i magnetycznych fali, tak jak w wolnej przestrzeni. Taka propagacja w falowodzie jest możliwa tylko wtedy, gdy jego wymiary są w określonym stosunku do częstotliwości transmitowanego sygnału. Dlatego falowód jest dokładnie obliczony, tak samo dokładnie przetworzony i przeznaczony tylko dla wąskiego zakresu częstotliwości. Słabo transmituje inne częstotliwości lub nie nadaje wcale. Typowy rozkład pól elektrycznych i magnetycznych wewnątrz falowodu pokazano na rys. 3.

Im wyższa częstotliwość fali, tym mniejszy rozmiar odpowiedniego falowodu prostokątnego; ostatecznie wymiary te okazują się tak małe, że jego wykonanie jest nadmiernie skomplikowane, a maksymalna przenoszona przez niego moc jest zmniejszona. Dlatego rozpoczęto opracowywanie falowodów kołowych (przekrój kołowy), które mogą być dość duże nawet przy wysokich częstotliwościach z zakresu mikrofal. Stosowanie falowodu kołowego jest ograniczone pewnymi trudnościami. Na przykład taki falowód musi być prosty, w przeciwnym razie jego wydajność zostanie zmniejszona. Z kolei falowody prostokątne łatwo się wyginają, można im nadać pożądany kształt krzywoliniowy, a to w żaden sposób nie wpływa na propagację sygnału. Radar i inne instalacje mikrofalowe zwykle wyglądają jak skomplikowany labirynt ścieżek falowodowych łączących różne komponenty i przesyłających sygnał z jednego urządzenia do drugiego w systemie.

komponenty półprzewodnikowe.

Elementy półprzewodnikowe, takie jak półprzewodniki i ferryty, odgrywają ważną rolę w technologii mikrofalowej. Tak więc do wykrywania, przełączania, prostowania, konwersji częstotliwości i wzmacniania sygnałów mikrofalowych stosuje się diody germanowe i krzemowe.

Do wzmocnienia wykorzystywane są również specjalne diody - varicaps (o kontrolowanej pojemności) - w układzie zwanym wzmacniaczem parametrycznym. Szeroko stosowane wzmacniacze tego typu służą do wzmacniania bardzo małych sygnałów, ponieważ prawie nie wprowadzają własnych szumów i zniekształceń.

Maser rubinowy to także półprzewodnikowy wzmacniacz mikrofalowy o niskim poziomie szumów. Taki maser, którego działanie opiera się na zasadach mechaniki kwantowej, wzmacnia sygnał mikrofalowy dzięki przejściu między poziomami energii wewnętrznej atomów w krysztale rubinu. Rubin (lub inny odpowiedni materiał maserowy) jest zanurzony w ciekłym helu, dzięki czemu wzmacniacz działa w ekstremalnie niskich temperaturach (zaledwie kilka stopni powyżej zera absolutnego). Dlatego poziom szumu termicznego w obwodzie jest bardzo niski, dzięki czemu maser nadaje się do radioastronomii, ultraczułych radarów i innych pomiarów, w których trzeba wykrywać i wzmacniać bardzo słabe sygnały mikrofalowe.

Materiały ferrytowe, takie jak tlenek magnezowo-żelazowy i granat itrowo-żelazowy, są szeroko stosowane do produkcji przełączników mikrofalowych, filtrów i cyrkulatorów. Urządzenia ferrytowe są kontrolowane przez pola magnetyczne, a słabe pole magnetyczne wystarcza do kontrolowania przepływu silnego sygnału mikrofalowego. Przełączniki ferrytowe mają tę przewagę nad mechanicznymi, że nie mają ruchomych części, które mogłyby się zużywać, a przełączanie jest bardzo szybkie. na ryc. 4 pokazuje typowe urządzenie ferrytowe - cyrkulator. Działając jak rondo, cyrkulator zapewnia, że ​​sygnał podąża tylko określonymi ścieżkami łączącymi różne komponenty. Cyrkulatory i inne ferrytowe urządzenia przełączające są używane podczas podłączania kilku elementów systemu mikrofalowego do tej samej anteny. na ryc. 4, cyrkulator nie przekazuje transmitowanego sygnału do odbiornika, a odebranego sygnału do nadajnika.

W technologii mikrofalowej stosowana jest również dioda tunelowa - stosunkowo nowe urządzenie półprzewodnikowe działające na częstotliwościach do 10 miliardów herców. Jest stosowany w generatorach, wzmacniaczach, przetwornicach częstotliwości i przełącznikach. Jego moc robocza jest niewielka, ale jest to pierwsze urządzenie półprzewodnikowe zdolne do wydajnej pracy przy tak wysokich częstotliwościach.

Anteny.

Anteny mikrofalowe wyróżniają się szeroką gamą nietypowych kształtów. Rozmiar anteny jest w przybliżeniu proporcjonalny do długości fali sygnału, dlatego też w przypadku zakresu mikrofalowego całkiem dopuszczalne są konstrukcje, które byłyby zbyt nieporęczne przy niższych częstotliwościach.

Konstrukcje wielu anten uwzględniają te właściwości promieniowania mikrofalowego, które przybliżają je do światła. Typowymi przykładami są anteny tubowe, reflektory paraboliczne, soczewki metalowe i dielektryczne. Stosowane są również anteny helikalne i helikalne, często wykonane w postaci obwodów drukowanych.

Grupy falowodów szczelinowych można ułożyć w taki sposób, aby uzyskać pożądany wzór promieniowania dla wypromieniowanej energii. Często stosuje się również dipole typu znanych anten telewizyjnych montowanych na dachach. Takie anteny często mają identyczne elementy rozmieszczone w odstępach długości fal, które zwiększają kierunkowość poprzez zakłócenia.

Anteny mikrofalowe są zwykle zaprojektowane tak, aby były bardzo kierunkowe, ponieważ w wielu systemach mikrofalowych bardzo ważne jest, aby energia była przesyłana i odbierana dokładnie we właściwym kierunku. Kierunkowość anteny wzrasta wraz ze wzrostem jej średnicy. Ale możesz zmniejszyć antenę, zachowując jej kierunkowość, jeśli przełączysz się na wyższe częstotliwości robocze.

Wiele anten „lustrzanych” z metalowym reflektorem parabolicznym lub sferycznym jest zaprojektowanych specjalnie do odbierania bardzo słabych sygnałów pochodzących na przykład z międzyplanetarnych statków kosmicznych lub z odległych galaktyk. W Arecibo (Portoryko) znajduje się jeden z największych radioteleskopów z metalowym reflektorem w postaci sferycznego segmentu, którego średnica wynosi 300 m. Antena ma stałą („południk”) podstawę; jego odbiorcza wiązka radiowa porusza się po niebie w wyniku obrotu Ziemi. Największa (76 m) w pełni ruchoma antena znajduje się w Jodrell Bank (Wielka Brytania).

Nowość w dziedzinie anten - antena z elektroniczną regulacją kierunkowości; takiej anteny nie trzeba obracać mechanicznie. Składa się z wielu elementów - wibratorów, które można elektronicznie łączyć ze sobą na różne sposoby, zapewniając w ten sposób czułość "układu antenowego" w dowolnym kierunku.

Promieniowanie mikrofalowe to promieniowanie elektromagnetyczne, które składa się z następujących zakresów: decymetr, centymetr i milimetr. Jego długość fali waha się od 1 m (częstotliwość w tym przypadku to 300 MHz) do 1 mm (częstotliwość to 300 GHz).

Promieniowanie mikrofalowe znalazło szerokie praktyczne zastosowanie przy wdrażaniu metody bezkontaktowego ogrzewania ciał i przedmiotów. W świecie naukowym odkrycie to jest intensywnie wykorzystywane w eksploracji kosmosu. Jego najczęstszym i najbardziej znanym zastosowaniem są domowe kuchenki mikrofalowe. Służy do obróbki cieplnej metali.

Również dzisiaj promieniowanie mikrofalowe stało się powszechne w radarach. Anteny, odbiorniki i nadajniki są wprawdzie drogimi przedmiotami, ale z powodzeniem się opłacają dzięki ogromnej pojemności informacyjnej mikrofalowych kanałów komunikacyjnych. Popularność jego zastosowania w życiu codziennym i produkcji wynika z faktu, że ten rodzaj promieniowania jest wszechprzenikający, dlatego obiekt jest ogrzewany od wewnątrz.

Skala częstotliwości elektromagnetycznych, a raczej jej początek i koniec, reprezentuje dwie różne formy promieniowania:

• jonizujące (częstotliwość fali jest większa niż częstotliwość światła widzialnego);
• niejonizujące (częstotliwość promieniowania jest mniejsza niż częstotliwość światła widzialnego).

Dla człowieka niebezpieczne jest mikrofalowe promieniowanie niezjonizowane, które bezpośrednio wpływa na bioprądy człowieka o częstotliwości od 1 do 35 Hz. Z reguły niezjonizowane promieniowanie mikrofalowe wywołuje bezprzyczynowe zmęczenie, arytmię serca, nudności, zmniejszenie ogólnego napięcia ciała i silny ból głowy. Takie objawy powinny być sygnałem, że w pobliżu znajduje się szkodliwe źródło promieniowania, które może spowodować znaczny uszczerbek na zdrowiu. Jednak gdy tylko człowiek opuści strefę zagrożenia, złe samopoczucie ustaje, a te nieprzyjemne objawy ustępują samoistnie.

Emisja wymuszona została odkryta w 1916 roku przez genialnego naukowca A. Einsteina. Zjawisko to opisał jako wpływ zewnętrznego elektronu, który zachodzi podczas przejścia elektronu w atomie z górnego na dolny. Powstające w tym przypadku promieniowanie nazywa się indukowanym. Ma inną nazwę - emisja wymuszona. Jego specyfika polega na tym, że atom emituje falę elektromagnetyczną - polaryzacja, częstotliwość, faza i kierunek propagacji są takie same jak fali pierwotnej.

Naukowcy wykorzystali nowoczesne lasery jako podstawę swojej pracy, co z kolei pomogło stworzyć całkowicie nowe nowoczesne urządzenia - na przykład higrometry kwantowe, wzmacniacze jasności itp.

Dzięki laserowi pojawiły się nowe obszary techniczne – takie jak technologie laserowe, holografia, optyka nieliniowa i zintegrowana, chemia laserowa. Jest stosowany w medycynie do skomplikowanych operacji na oczach, w chirurgii. Monochromatyczność i koherencja lasera sprawiają, że jest on niezastąpiony w spektroskopii, separacji izotopów, systemach pomiarowych i lokalizacji światła.

Promieniowanie mikrofalowe jest również emisją radiową, tyle że należy do zakresu podczerwieni, a także ma najwyższą częstotliwość w zakresie radiowym. Z tym promieniowaniem spotykamy się kilka razy dziennie, używając kuchenki mikrofalowej do podgrzewania jedzenia, a także rozmawiając przez telefon komórkowy. Astronomowie znaleźli dla niej bardzo ciekawe i ważne zastosowanie. Promieniowanie mikrofalowe służy do badania kosmicznego tła lub czasu Wielkiego Wybuchu, który miał miejsce miliardy lat temu. Astrofizycy badają nieregularności poświaty w niektórych częściach nieba, co pomaga dowiedzieć się, jak powstały galaktyki we Wszechświecie.