Sekcia "Technika a technológia spracovania hydrobiontov a poľnohospodárskych surovín"

VPLYV ELEKTROMAGNETICKÉHO MIKROVLNNÉHO POLE NA ĽUDSKÉ TELO

Kraev A.A. (Katedra fyziky, MSTU)

Je takmer nemožné vopred vypočítať množstvo sálavej energie absorbovanej ľudským telom v danom úseku elektromagnetického poľa a premenenej na teplo. Veľkosť tejto energie silne závisí od základných elektrických charakteristík, polohy, veľkosti a štruktúry svalového a tukového tkaniva a od smeru dopadu vlny, t.j., inými slovami, táto veľkosť závisí od vstupnej impedancie tohto komplexu. štruktúru. Významnú úlohu zohráva aj smer polarizácie dopadajúcej vlny voči osi tela. V každom jednotlivom prípade je na zistenie symptómov potrebné presné vyšetrenie existujúcich stavov. Skutočné zvýšenie telesnej teploty závisí od parametrov prostredia, ako je teplota a vlhkosť, a od chladiaceho mechanizmu tela.

Ožarovanie v intenzívnom mikrovlnnom poli živých tkanív vedie k zmene ich vlastností, ktoré sú spojené s tepelnými dôsledkami absorpcie žiarenia. Na štúdium týchto zmien možno živé tkanivá rozdeliť do dvoch tried:

b) tkanivá, ktoré neobsahujú krvné cievy.

Vhodnou reguláciou výstupného výkonu mikrovlnného generátora a dĺžky ožarovania možno rôzne tkanivá obsahujúce cievy zohriať na takmer akúkoľvek teplotu. Teplota tkaniva začne stúpať ihneď po pôsobení mikrovlnnej energie. Toto zvýšenie teploty pokračuje 15-20 minút a môže zvýšiť teplotu tkaniva o 1-2 °C v porovnaní s priemernou telesnou teplotou, potom teplota začne klesať. K poklesu teploty v ožarovanej oblasti dochádza v dôsledku prudkého zvýšenia prietoku krvi v nej, čo vedie k zodpovedajúcemu odvodu tepla.

Neprítomnosť krvných ciev v niektorých častiach tela ich robí obzvlášť zraniteľnými voči mikrovlnnému žiareniu. V tomto prípade môže byť teplo absorbované iba okolitými cievnymi tkanivami, ktorým môže byť dodávané iba vedením tepla. To platí najmä pre tkanivá oka a vnútorné orgány, ako je žlčník, močový mechúr a gastrointestinálny trakt. Malý počet krvných ciev v týchto tkanivách sťažuje autoreguláciu teploty. Navyše odrazy od hraničných plôch telových dutín a oblastí kostnej drene za určitých podmienok vedú k vzniku stojatých vĺn. Nadmerné zvýšenie teploty v určitých oblastiach pôsobenia stojatých vĺn môže spôsobiť poškodenie tkaniva. Odrazy tohto druhu spôsobujú aj kovové predmety umiestnené vo vnútri alebo na povrchu tela.

Pri intenzívnom ožarovaní týchto tkanív mikrovlnným poľom sa pozoruje ich prehriatie, čo vedie k nezvratným zmenám. Mikrovlnné polia s nízkym výkonom majú zároveň priaznivý vplyv na ľudský organizmus, čo sa využíva v lekárskej praxi.

Mozog a miecha sú citlivé na zmeny tlaku, a preto zvýšenie teploty v dôsledku ožiarenia hlavy môže mať vážne následky. Kosti lebky spôsobujú silné odrazy, čo veľmi sťažuje posúdenie absorbovanej energie. K zvýšeniu teploty mozgu dochádza najrýchlejšie pri ožiarení hlavy zhora alebo pri ožiarení hrudníka, keďže zohriata krv z hrudníka smeruje priamo do mozgu. Ožarovanie hlavy spôsobuje stav ospalosti, po ktorom nasleduje prechod do bezvedomia. Pri dlhšom pôsobení sa objavia kŕče, ktoré potom prechádzajú do paralýzy. Pri ožiarení hlavy nevyhnutne nastáva smrť, ak teplota mozgu stúpne o 6 °C.

Oko je jedným z najcitlivejších orgánov na mikrovlnné žiarenie, pretože má slabý termoregulačný systém a uvoľnené teplo sa nedá dostatočne rýchlo odviesť. Po 10 minútach ožarovania výkonom 100 W pri frekvencii 2450 MHz môže vzniknúť šedý zákal (zákal očnej šošovky), v dôsledku čoho sa bielkovina šošovky zráža a vytvára viditeľné biele škvrny. Pri tejto frekvencii sa najvyššia teplota vyskytuje v blízkosti zadného povrchu šošovky, ktorý pozostáva z proteínu, ktorý sa ľahko poškodí teplom.

Mužské reprodukčné orgány sú vysoko citlivé na teplo, a preto sú obzvlášť citlivé na vystavenie žiareniu. Bezpečná hustota žiarenia ako maximálna úroveň

5 mW/cm 2 je oveľa nižšia ako u iných orgánov citlivých na žiarenie. V dôsledku ožiarenia semenníkov môže dôjsť k dočasnej alebo trvalej neplodnosti. Obzvlášť sa uvažuje o poškodení genitálneho tkaniva, pretože niektorí genetici sa domnievajú, že malé dávky žiarenia nevedú k žiadnym fyziologickým poruchám a zároveň môžu spôsobiť génové mutácie, ktoré zostávajú skryté niekoľko generácií.

V prostredí existuje veľa rôznych elektromagnetických vĺn, medzi ktoré patrí mikrovlnné žiarenie. Tento frekvenčný rozsah sa nachádza medzi rádiovou vlnou a IR časticou spektra.

Keďže dĺžka tohto rozsahu je pomerne malá, vlnová dĺžka tohto javu je od 30 cm do 1 mm.

Aby ste pochopili vzdelanie, vlastnosti a rozsah tohto javu v našom živote a ako nás ovplyvňuje, mali by ste si prečítať tento článok.

V prírode existujú prirodzené zdroje mikrovlnného žiarenia, napríklad Slnko a iné objekty žijúce vo vesmíre, ktorých žiarenie prispelo k rozvoju civilizácie.

Okrem nich rýchly rozvoj moderných technológií umožnil využívať aj umelé zdroje:

• Radarové a rádionavigačné zariadenia;
• Riad pre satelitnú TV;
• Mikrovlnné rúry, mobilná komunikácia.

Podľa výsledkov výskumu bolo dokázané, že mikrovlnné žiarenie nemá ionizujúci účinok, ktorý môže viesť k mutácii chromozómov.

Keďže ionizované molekuly sú nepriaznivé častice, v budúcnosti môžu bunky ľudského tela získať neprirodzený, chybný vzhľad. Nemali by ste však predpokladať, že sú pre ľudí úplne bezpečné.

Po vykonaní výskumu bolo možné zistiť, že mikrovlny, ktoré sa dostanú na povrch pokožky, ľudské tkanivá do určitej miery absorbujú žiarivú energiu. V dôsledku toho sa vysokofrekvenčné prúdy dostávajú do vzrušeného stavu a zahrievajú telo.

V dôsledku toho sa krvný obeh výrazne zvyšuje. Ak takéto ožarovanie zasiahne iba malú lokálnu oblasť, potom je možné zabezpečiť okamžité vylúčenie tepelnej expozície z vyhrievanej oblasti pokožky. Ak došlo k všeobecnej expozícii, nemožno to urobiť, takže sa to považuje za najnebezpečnejšie.

Vďaka obehu krvi je zabezpečený chladiaci účinok a v tých orgánoch, kde je málo krvných ciev, bude porážka najnebezpečnejšia. V prvom rade sa to týka očnej šošovky. V dôsledku tepelnej expozície sa môže zakaliť a úplne skolabovať, čo sa neskôr nedá napraviť bez chirurgického zákroku.

Najvyššie absorpčné vlastnosti sú v tkanivách s väčšou kapacitou krvi, lymfy a slizníc.

Takže s ich porážkou môžete pozorovať:

• Dysfunkcia štítnej žľazy;
• Porušenie metabolických a adaptačných procesov;
• Duševné poruchy - depresia, vyprovokované pokusy o samovraždu.

Mikrovlnné žiarenie má kumulatívnu vlastnosť. Napríklad po ožiarení sa nejaký čas nič nedeje, potom sa časom môžu objaviť patológie. Najprv sa prejavia v podobe bolesti hlavy, únavy, nepokojného spánku, vysokého krvného tlaku, bolesti pri srdci.

DÔLEŽITÉ! Ak bude mikrovlnná rúra ovplyvňovať ľudské telo veľmi dlho, môže to prispieť k nezvratným následkom, ktoré boli uvedené vyššie. Dá sa teda povedať, že toto žiarenie negatívne pôsobí na ľudský organizmus a je dokázané, že v mladšom veku je na ne ľudský organizmus náchylnejší.

Tento jav sa môže prejaviť rôznymi spôsobmi v závislosti od:

• Rozsah mikrovlnného zdroja a intenzita expozície;
• Čas ožarovania;
• Mikrovlnné dĺžky;
• Nepretržité alebo pulzné žiarenie;
• Vlastnosti prostredia;
• Fyzický a zdravotný stav tela za dané obdobie.

Vzhľadom na tieto faktory záver naznačuje, že je potrebné vyhnúť sa vystaveniu mikrovlnným lúčom. Aby sa nejako znížil ich vplyv, stačí obmedziť čas kontaktu s domácimi spotrebičmi, ktoré vyžarujú mikrovlny.

Pokiaľ ide o ľudí, ktorí sú kvôli špecifickým črtám povolania nútení kontaktovať takýto jav, existujú špeciálne prostriedky ochrany: všeobecné a individuálne.

Aby ste sa rýchlo a účinne chránili pred zdrojom mikrovlnného žiarenia, mali by ste prijať nasledujúce opatrenia:

• Znížte žiarenie;
• Zmeňte smer žiarenia;
• Znížte expozičný čas zdroja;
• Ovládajte zariadenia s mikrovlnnou rúrou na veľkú vzdialenosť;
• Naneste ochranný odev.

Vo väčšej miere ochranné clony fungujú na princípe odrazu a absorpcie žiarenia, preto sa delia na reflexné a pohlcujúce, resp.

Prvé sú vyrobené z kovu zvinutého do plechu, sieťoviny a tkaniny s metalizovaným povrchom. Vzhľadom na rozmanitosť takýchto obrazoviek si môžete vybrať ten, ktorý vyhovuje vášmu konkrétnemu prípadu.

Na záver témy ochranných doplnkov stojí za zmienku osobné ochranné prostriedky, ktorými sú kombinézy, ktoré dokážu odrážať mikrovlnné lúče. V prítomnosti kombinézy sa možno vyhnúť 100 až 1000-násobnému ožiareniu.

Vyššie uvedené negatívne účinky mikrovlnného žiarenia naznačujú čitateľovi, že pri interakcii s naším telom môže spôsobiť nebezpečné, negatívne účinky.

Existuje však aj koncepcia, že pod vplyvom takéhoto žiarenia sa stav tela a vnútorných orgánov človeka zlepšuje. To naznačuje, že mikrovlnné žiarenie má nejakým spôsobom priaznivý vplyv na ľudské telo.

Vďaka špeciálnemu zariadeniu cez generátorový aparát preniká do ľudského tela do určitej hĺbky, prehrieva tkanivá a celé telo, čo vyvoláva množstvo pozitívnych reakcií.

DÔLEŽITÉ! Mikrovlnné žiarenie sa začalo skúmať pred niekoľkými desaťročiami. Po tomto čase sa ukázalo, že ich prirodzené účinky sú pre ľudský organizmus neškodné. Ak sú dodržané správne prevádzkové podmienky pre zariadenia s mikrovlnným ožarovaním, takéto ožarovanie nemôže spôsobiť veľké škody, pretože existuje množstvo mýtov.

> Mikrovlny

Študujte silu a vplyv mikrovlny. Prečítajte si o dosahoch mikrovĺn, frekvencii a dĺžke žiarenia, aké sú zdroje mikrovĺn, prevádzka rúry.

Mikrovlnná rúra- elektromagnetické vlny s dĺžkou 1 m - 1 mm).

Učebná úloha

• Pochopte tri rozsahy mikrovĺn.

Kľúčové body

• Mikrovlnná oblasť je pokrytá vlnami s najvyššou frekvenciou.
• Predpona "mikro" v mikrovlnke neudáva vlnovú dĺžku.
• Mikrovlny sú rozdelené do troch rozsahov: extrémne vysoká frekvencia (30-300 GHz), ultravysoká (3-30 GHz) a ultravysoká frekvencia (300 MHz-3 GHz).
• V zozname zdrojov sú umelé zariadenia, ako sú vysielacie veže, radary, masery, ale aj prirodzené – Slnko a kozmické mikrovlnné žiarenie pozadia.
• Mikrovlny môžu byť vyrobené z atómov a molekúl. Pohlcujú a vyžarujú lúče, ak teplota stúpne nad absolútnu nulu.

Podmienky

• Radar - metóda vyhľadávania vzdialených objektov a indikovania ich polohy, rýchlosti a iných charakteristík prostredníctvom analýzy vyslaných rádiových vĺn odrazených od povrchu.
• Tepelná porucha je tepelný pohyb atómov a molekúl, ak je teplota v objekte nad absolútnou nulou.
• Terahertzové žiarenie - elektromagnetické vlny, ktorých frekvencie sa približujú k terahertzom.

Mikrovlnná rúra

Mikrovlny sú elektromagnetické vlny, ktorých vlnová dĺžka existuje v rozsahu 1 m - 1 mm (300 MHz - 300 GHz). Mikrovlnná oblasť je zvyčajne pokrytá vlnami s najvyššou frekvenciou. Sú schopné pohybovať sa vo vákuu rýchlosťou svetla.

Predpona „mikro“ v „mikrovlnnej rúre“ neudáva vlnovú dĺžku v rozsahu mikrometrov. Hovorí len, že mikrovlny sa zdajú malé, pretože majú kratšie vlnové dĺžky v porovnaní s vysielaním. Rozdelenie medzi rôzne typy nosníkov je najčastejšie ľubovoľné.

Tu sú hlavné kategórie elektromagnetických vĺn. Deliace čiary sa na niektorých miestach líšia, zatiaľ čo iné kategórie sa môžu prekrývať. Mikrovlny zaberajú vysokofrekvenčnú časť rádiovej časti elektromagnetického spektra

Podkategórie mikrovlniek

Mikrovlny sú rozdelené do troch rozsahov:

• extrémne vysoká frekvencia (30-300 Hz). Ak sú indikátory vyššie, potom sme konfrontovaní s ďaleko infračerveným svetlom, nazývaným aj terahertzové žiarenie. Toto pásmo sa najčastejšie využíva v rádioastronómii a diaľkovom prieskume Zeme.
• ultra vysoká frekvencia (3-30 GHz). Nazýva sa centimetrové pásmo, pretože frekvencia kolíše medzi 10-1 cm. Pásmo je použiteľné v radarových vysielačoch, mikrovlnných rúrach, komunikačných satelitoch a krátkych pozemných spojeniach na prenos dát.
• Ultravysoká frekvencia (300 MHz - 3 GHz) - rozsah decimetrov, pretože vlnová dĺžka sa pohybuje od 10 cm do 1 m. Sú prítomné v televíznom vysielaní, bezdrôtovej telefónnej komunikácii, vysielačkách, satelitoch atď.

Mikrovlnné zdroje

Ide o vysokofrekvenčné elektromagnetické vlny generované prúdmi v makroskopických obvodoch a zariadeniach. Môžu byť tiež získané z atómov a molekúl, ak pôsobia ako súčasť elektromagnetických lúčov vytvorených počas tepelného miešania.

Je dôležité mať na pamäti, že viac informácií sa prenáša na vysokých frekvenciách, takže mikrovlny sú skvelé pre komunikačné zariadenia. Kvôli krátkym vlnovým dĺžkam musí byť medzi vysielačom a prijímačom jasná viditeľnosť.

Slnko produkuje aj mikrovlnné lúče, aj keď veľkú časť z nich blokuje atmosféra planéty. Reliktné žiarenie preniká celým priestorom. Jeho nález potvrdzuje teóriu veľkého tresku.

CMB žiarenie so zvýšenou expanziou

Mikrovlnné zariadenia

Vysokovýkonné mikrovlnné zdroje využívajú na generovanie mikrovĺn špeciálne vákuové trubice. Zariadenia fungujú podľa rôznych princípov využívajúcich balistický pohyb elektrónov vo vákuu. Ovplyvňujú ich elektrické alebo magnetické polia.

Magnetrónová dutina používaná v mikrovlnnej rúre

Mikrovlnné rúry využívajú mikrovlny na ohrev jedla. Potrebné frekvencie 2,45 GHz vznikajú vďaka zrýchleniu elektrónov. Potom sa v peci vytvorí striedavé elektrické pole.

Voda a niektoré zložky potravy majú na jednom konci záporný náboj a na druhom kladný náboj. Rozsah mikrovlnných frekvencií je zvolený tak, že polárne molekuly v snahe zachrániť svoje pozície absorbujú energiu a zvyšujú svoju teplotu (dielektrický ohrev).

Radar počas druhej svetovej vlny využíval mikrovlny. Lokalizácia a časovanie mikrovlnných ozvien dokáže vypočítať vzdialenosť k objektom, ako sú mraky alebo lietadlá. Dopplerovský posun v radarovej ozvene môže indikovať rýchlosť vozidla alebo dokonca intenzitu dažďovej búrky. Zložitejšie systémy zobrazujú naše a cudzie planéty. Maser je zariadenie podobné laseru, ktoré zosilňuje svetelnú energiu stimuláciou fotónov.

Obsah článku

ULTRA VYSOKOFREKVENČNÝ ROZSAH, frekvenčný rozsah elektromagnetického žiarenia (100-300 000 miliónov hertzov), ktorý sa nachádza v spektre medzi ultravysokými televíznymi frekvenciami a vzdialenými infračervenými frekvenciami. Tento frekvenčný rozsah zodpovedá vlnovým dĺžkam od 30 cm do 1 mm; preto sa nazýva aj rozsah decimetrových a centimetrových vĺn. V anglicky hovoriacich krajinách sa tomu hovorí mikrovlnné pásmo; čo znamená, že vlnové dĺžky sú veľmi krátke v porovnaní s konvenčnými vysielacími vlnovými dĺžkami rádovo niekoľko stoviek metrov.

Pretože mikrovlnné žiarenie je vo vlnovej dĺžke medzi svetelným žiarením a konvenčnými rádiovými vlnami, má niektoré vlastnosti svetla aj rádiových vĺn. Napríklad, podobne ako svetlo, sa šíri priamočiaro a je blokované takmer všetkými pevnými predmetmi. Podobne ako svetlo je zaostrené, šíri sa ako lúč a odráža sa. Mnohé radarové antény a iné mikrovlnné zariadenia sú akoby zväčšenými verziami optických prvkov, ako sú zrkadlá a šošovky.

Zároveň je mikrovlnné žiarenie podobné vysielaniu rádiového žiarenia v tom, že je generované podobnými metódami. Mikrovlnné žiarenie je aplikovateľné na klasickú teóriu rádiových vĺn a môže byť použité ako prostriedok komunikácie, založený na rovnakých princípoch. Ale vďaka vyšším frekvenciám poskytuje viac príležitostí na prenos informácií, čo umožňuje zvýšiť efektivitu komunikácie. Napríklad jeden mikrovlnný lúč môže súčasne prenášať niekoľko stoviek telefonických rozhovorov. Podobnosť mikrovlnného žiarenia so svetlom a zvýšená hustota informácií, ktoré nesie, sa ukázali ako veľmi užitočné pre radar a iné oblasti techniky.

APLIKÁCIE MIKROVLNNÉHO ŽIARENIA

Radar.

Decimeter-centimetrová vlna zostala záležitosťou čisto vedeckej zvedavosti až do vypuknutia druhej svetovej vojny, kedy vznikla naliehavá potreba nového a efektívneho elektronického nástroja včasnej detekcie. Až potom sa začal intenzívny výskum mikrovlnného radaru, hoci jeho zásadná možnosť bola preukázaná už v roku 1923 v americkom námornom výskumnom laboratóriu. Podstatou radaru je, že do vesmíru sa vyžarujú krátke intenzívne impulzy mikrovlnného žiarenia a následne sa časť tohto žiarenia zaznamená, vracajúc sa z požadovaného vzdialeného objektu – lode alebo lietadla.

Pripojenie.

Mikrovlnné rádiové vlny sú široko používané v komunikačných technológiách. Okrem rôznych vojenských rádiových systémov existuje vo všetkých krajinách sveta množstvo komerčných mikrovlnných spojení. Keďže takéto rádiové vlny nesledujú zakrivenie zemského povrchu, ale šíria sa priamočiaro, tieto komunikačné linky zvyčajne pozostávajú z reléových staníc inštalovaných na vrcholoch kopcov alebo na rádiových vežiach v intervaloch cca. 50 km. Parabolické alebo rohové antény namontované na veži prijímajú a vysielajú mikrovlnné signály. Na každej stanici je pred retransmisiou signál zosilnený elektronickým zosilňovačom. Keďže mikrovlnné žiarenie umožňuje úzko zameraný príjem a prenos, prenos nevyžaduje veľké množstvo elektriny.

Aj keď sa systém veží, antén, prijímačov a vysielačov môže zdať veľmi drahý, v konečnom dôsledku sa to všetko viac ako vypláca vzhľadom na veľkú informačnú kapacitu mikrovlnných komunikačných kanálov. Mestá Spojených štátov sú prepojené komplexnou sieťou viac ako 4000 mikrovlnných prenosových spojov, ktoré tvoria komunikačný systém, ktorý sa tiahne od jedného pobrežia oceánu k druhému. Kanály tejto siete sú schopné súčasne prenášať tisíce telefónnych rozhovorov a množstvo televíznych programov.

Komunikačné satelity.

Systém reléových veží nevyhnutných na prenos mikrovlnného žiarenia na veľké vzdialenosti je samozrejme možné vybudovať len na súši. Pre medzikontinentálnu komunikáciu je potrebný iný spôsob prenosu. Tu prichádzajú na pomoc spojené umelé satelity Zeme; vypustené na geostacionárnu dráhu, môžu slúžiť ako reléové stanice pre mikrovlnnú komunikáciu.

Elektronické zariadenie nazývané satelit s aktívnym relé prijíma, zosilňuje a opätovne vysiela mikrovlnné signály vysielané pozemnými stanicami. Prvé experimentálne družice tohto typu (Telstar, Relay a Syncom) úspešne realizovali retransmisiu televízneho vysielania z jedného kontinentu na druhý už začiatkom 60. rokov 20. storočia. Na základe týchto skúseností boli vyvinuté komerčné medzikontinentálne a domáce komunikačné satelity. Satelity najnovšej medzikontinentálnej série Intelsat boli vypustené na rôzne body geostacionárnej obežnej dráhy tak, že ich oblasti pokrytia, ktoré sa prekrývajú, poskytujú služby predplatiteľom na celom svete. Každý satelit série Intelsat v najnovších modifikáciách poskytuje zákazníkom tisíce vysokokvalitných komunikačných kanálov na simultánny prenos telefónnych, televíznych, faxových signálov a digitálnych dát.

Tepelné spracovanie potravinárskych výrobkov.

Mikrovlnné žiarenie sa používa na tepelnú úpravu potravinárskych výrobkov v domácnostiach a v potravinárskom priemysle. Energiu generovanú výkonnými vákuovými trubicami je možné koncentrovať v malom objeme pre vysoko efektívne varenie produktov v tzv. mikrovlnné alebo mikrovlnné rúry, vyznačujúce sa čistotou, nehlučnosťou a kompaktnosťou. Takéto zariadenia sa používajú v lodných kuchyniach lietadiel, železničných jedálenských vozňoch a predajných automatoch, kde sa vyžaduje rýchla príprava a varenie jedla. Priemysel vyrába aj mikrovlnné rúry pre domácnosť.

Vedecký výskum.

Mikrovlnné žiarenie zohralo dôležitú úlohu pri štúdiu elektronických vlastností pevných látok. Keď je takéto teleso v magnetickom poli, voľné elektróny v ňom začnú rotovať okolo siločiar magnetického poľa v rovine kolmej na smer magnetického poľa. Rotačná frekvencia, nazývaná cyklotrón, je priamo úmerná sile magnetického poľa a nepriamo úmerná efektívnej hmotnosti elektrónu. (Efektívna hmotnosť určuje zrýchlenie elektrónu pod vplyvom nejakej sily v kryštáli. Líši sa od hmotnosti voľného elektrónu, ktorý určuje zrýchlenie elektrónu pri pôsobení nejakej sily vo vákuu. Rozdiel je v dôsledku prítomnosti príťažlivých a odpudivých síl, ktoré pôsobia na elektrón v kryštále obklopujúcom atómy a iné elektróny.) Ak mikrovlnné žiarenie dopadá na pevné teleso v magnetickom poli, potom je toto žiarenie silne absorbované, keď sa jeho frekvencia rovná cyklotrónová frekvencia elektrónu. Tento jav sa nazýva cyklotrónová rezonancia; umožňuje zmerať efektívnu hmotnosť elektrónu. Takéto merania poskytli veľa cenných informácií o elektronických vlastnostiach polovodičov, kovov a metaloidov.

Mikrovlnné žiarenie zohráva dôležitú úlohu aj pri prieskume vesmíru. Astronómovia sa veľa naučili o našej galaxii štúdiom 21 cm žiarenia emitovaného plynným vodíkom v medzihviezdnom priestore. Teraz je možné merať rýchlosť a určiť smer pohybu ramien Galaxie, ako aj umiestnenie a hustotu oblastí vodíkového plynu vo vesmíre.

ZDROJE MIKROVLNNÉHO ŽIARENIA

Rýchly pokrok v oblasti mikrovlnnej techniky je do značnej miery spojený s vynálezom špeciálnych elektrovákuových zariadení - magnetrónu a klystrónu, schopných generovať veľké množstvo mikrovlnnej energie. Oscilátor založený na konvenčnej vákuovej trióde, používaný pri nízkych frekvenciách, sa v mikrovlnnom rozsahu ukazuje ako veľmi neefektívny.

Dve hlavné nevýhody triódy ako mikrovlnného generátora sú konečný čas letu elektrónu a medzielektródová kapacita. Prvý je spôsobený tým, že elektrón potrebuje nejaký (aj keď krátky) čas na prelet medzi elektródami vákuovej trubice. Počas tejto doby má mikrovlnné pole čas zmeniť svoj smer na opačný, takže elektrón je tiež nútený otočiť sa späť predtým, ako dosiahne druhú elektródu. Výsledkom je, že elektróny vo vnútri lampy zbytočne vibrujú bez toho, aby odovzdali svoju energiu oscilačnému obvodu vonkajšieho obvodu.

Magnetron.

V magnetróne, vynájdenom vo Veľkej Británii pred druhou svetovou vojnou, tieto nedostatky chýbajú, pretože za základ sa berie úplne iný prístup ku generovaniu mikrovlnného žiarenia - princíp dutinového rezonátora. Tak ako organová píšťala danej veľkosti má svoje akustické rezonančné frekvencie, má dutinový rezonátor svoje elektromagnetické rezonancie. Steny rezonátora fungujú ako indukčnosť a priestor medzi nimi pôsobí ako kapacita nejakého rezonančného obvodu. Dutinový rezonátor je teda podobný paralelnému rezonančnému obvodu nízkofrekvenčného oscilátora so samostatným kondenzátorom a tlmivkou. Rozmery dutinového rezonátora sa volia samozrejme tak, aby požadovaná rezonančná mikrovlnná frekvencia zodpovedala danej kombinácii kapacity a indukčnosti.

Magnetrón (obr. 1) má niekoľko dutinových rezonátorov usporiadaných symetricky okolo katódy umiestnenej v strede. Nástroj je umiestnený medzi pólmi silného magnetu. V tomto prípade sú elektróny emitované katódou pôsobením magnetického poľa nútené pohybovať sa po kruhových trajektóriách. Ich rýchlosť je taká, že prechádzajú cez otvorené štrbiny rezonátorov na periférii v presne definovanom čase. Zároveň sa vzdávajú svojej kinetickej energie, vzrušujú oscilácie v rezonátoroch. Elektróny sa potom vrátia na katódu a proces sa opakuje. Vďaka takémuto zariadeniu doba letu a medzielektródové kapacity neinterferujú s tvorbou mikrovlnnej energie.

Magnetróny môžu byť veľké a potom vydávajú silné impulzy mikrovlnnej energie. Ale magnetrón má svoje nevýhody. Napríklad rezonátory pre veľmi vysoké frekvencie sa stávajú takými malými, že sa ťažko vyrábajú a takýto magnetrón sám o sebe kvôli svojej malej veľkosti nemôže byť dostatočne výkonný. Okrem toho je pre magnetrón potrebný ťažký magnet a potrebná hmotnosť magnetu sa zvyšuje so zvyšujúcim sa výkonom zariadenia. Výkonné magnetróny preto nie sú vhodné pre palubné inštalácie lietadiel.

Klystron.

Toto elektrovákuové zariadenie, založené na trochu inom princípe, nevyžaduje vonkajšie magnetické pole. V klystrone (obr. 2) sa elektróny pohybujú v priamom smere od katódy k odraznej doske a potom späť. Zároveň prechádzajú cez otvorenú medzeru dutinového rezonátora vo forme donutu. Riadiaca mriežka a mriežky rezonátora zoskupujú elektróny do samostatných „zhlukov“, takže elektróny prechádzajú cez rezonátorovú medzeru len v určitých časoch. Medzery medzi zväzkami sú prispôsobené rezonančnej frekvencii rezonátora tak, že kinetická energia elektrónov sa prenáša na rezonátor, v dôsledku čoho sa v ňom vytvárajú silné elektromagnetické oscilácie. Tento proces možno prirovnať k rytmickému hojdaniu pôvodne nehybného švihu.

Prvé klystróny boli skôr zariadenia s nízkym výkonom, ale neskôr prekonali všetky rekordy magnetrónov ako vysokovýkonných mikrovlnných generátorov. Boli vytvorené Klystrony, ktoré dodávali výkon až 10 miliónov wattov na jeden impulz a až 100 tisíc wattov v nepretržitom režime. Systém klystrónov výskumného lineárneho urýchľovača častíc dodáva 50 miliónov wattov mikrovlnného výkonu na jeden impulz.

Klystrony môžu pracovať pri frekvenciách až 120 miliárd hertzov; ich výstupný výkon však spravidla nepresahuje jeden watt. Vyvíjajú sa varianty konštrukcie klystronu určené pre vysoké výstupné výkony v milimetrovom rozsahu.

Klystróny môžu slúžiť aj ako zosilňovače mikrovlnného signálu. Aby sa to dosiahlo, vstupný signál sa musí aplikovať na mriežky dutinového rezonátora a potom sa hustota elektrónových zväzkov zmení v súlade s týmto signálom.

Lampa s pohyblivou vlnou (TWT).

Ďalším elektrovákuovým zariadením na generovanie a zosilňovanie elektromagnetických vĺn v mikrovlnnej oblasti je lampa s postupnou vlnou. Je to tenká vákuová trubica vložená do zaostrovacej magnetickej cievky. Vo vnútri trubice je retardačná drôtová cievka. Pozdĺž osi špirály prechádza elektrónový lúč a pozdĺž samotnej špirály prebieha vlna zosilneného signálu. Priemer, dĺžka a stúpanie špirály, ako aj rýchlosť elektrónov sú zvolené tak, aby elektróny odovzdali časť svojej kinetickej energie postupujúcej vlne.

Rádiové vlny sa šíria rýchlosťou svetla, zatiaľ čo rýchlosť elektrónov v lúči je oveľa menšia. Keďže je však mikrovlnný signál nútený ísť po špirále, rýchlosť jeho pohybu pozdĺž osi trubice je blízka rýchlosti elektrónového lúča. Preto putujúca vlna interaguje s elektrónmi dostatočne dlho a je zosilnená absorbovaním ich energie.

Ak sa na lampu neprivádza žiadny vonkajší signál, náhodný elektrický šum sa zosilní pri určitej rezonančnej frekvencii a postupujúca vlna TWT funguje ako mikrovlnný generátor, nie zosilňovač.

Výstupný výkon TWT je oveľa menší ako výkon magnetrónov a klystrónov pri rovnakej frekvencii. TWT sa však dajú naladiť v nezvyčajne širokom frekvenčnom rozsahu a môžu slúžiť ako veľmi citlivé nízkošumové zosilňovače. Táto kombinácia vlastností robí z TWT veľmi cenné zariadenie v mikrovlnnej technológii.

Ploché vákuové triódy.

Hoci sú klystróny a magnetróny preferované ako mikrovlnné generátory, vylepšenia do určitej miery obnovili dôležitú úlohu vákuových triód, najmä ako zosilňovačov pri frekvenciách do 3 miliárd hertzov.

Ťažkosti spojené s časom letu sú eliminované vďaka veľmi malým vzdialenostiam medzi elektródami. Nežiaduca medzielektródová kapacita je minimalizovaná, pretože elektródy sú prepojené a všetky externé spojenia sú vytvorené na veľkých krúžkoch mimo lampy. Ako je v mikrovlnnej technike zvykom, používa sa dutinový rezonátor. Rezonátor tesne obopína lampu a krúžkové konektory zabezpečujú kontakt po celom obvode rezonátora.

Generátor Gunnovej diódy.

Takýto polovodičový mikrovlnný generátor navrhol v roku 1963 J. Gunn, zamestnanec IBM Watson Research Center. V súčasnosti takéto zariadenia produkujú výkon rádovo miliwattov pri frekvenciách nepresahujúcich 24 miliárd hertzov. Ale v rámci týchto limitov má nepochybné výhody oproti klystrónom s nízkym výkonom.

Keďže Gunnova dióda je monokryštál arzenidu gália, je v princípe stabilnejšia a odolnejšia ako klystron, ktorý musí mať vyhrievanú katódu na vytvorenie toku elektrónov a je potrebné vysoké vákuum. Gunn dióda navyše pracuje pri relatívne nízkom napájacom napätí, zatiaľ čo klystron vyžaduje objemné a drahé napájacie zdroje s napätím 1000 až 5000 V.

KOMPONENTY OBVODU

Koaxiálne káble a vlnovody.

Na prenos elektromagnetických vĺn mikrovlnného rozsahu nie cez éter, ale cez kovové vodiče sú potrebné špeciálne metódy a vodiče špeciálneho tvaru. Obyčajné drôty, ktoré vedú elektrinu, vhodné na prenos nízkofrekvenčných rádiových signálov, sú pri mikrovlnných frekvenciách neefektívne.

Každý kus drôtu má kapacitu a indukčnosť. Tieto tzv. distribuované parametre sa stávajú veľmi dôležitými v mikrovlnnej technológii. Kombinácia kapacity vodiča s vlastnou indukčnosťou pri mikrovlnných frekvenciách zohráva úlohu rezonančného obvodu, takmer úplne blokujúceho prenos. Pretože nie je možné eliminovať vplyv distribuovaných parametrov v káblových prenosových vedeniach, je potrebné sa obrátiť na iné princípy prenosu mikrovlnných vĺn. Tieto princípy sú začlenené do koaxiálnych káblov a vlnovodov.

Koaxiálny kábel pozostáva z vnútorného drôtu a valcového vonkajšieho vodiča, ktorý ho obklopuje. Medzera medzi nimi je vyplnená plastovým dielektrikom, napríklad teflónom alebo polyetylénom. Na prvý pohľad sa to môže zdať ako pár obyčajných drôtov, no pri ultravysokých frekvenciách je ich funkcia iná. Mikrovlnný signál zavedený z jedného konca kábla sa v skutočnosti šíri nie cez kov vodičov, ale cez medzeru medzi nimi vyplnenú izolačným materiálom.

Koaxiálne káble dobre prenášajú mikrovlnné signály až do niekoľkých miliárd hertzov, ale pri vyšších frekvenciách ich účinnosť klesá a na prenos vysokých výkonov sú nevhodné.

Bežné kanály na prenos mikrovĺn sú vo forme vlnovodov. Vlnovod je starostlivo vyrobená kovová trubica s obdĺžnikovým alebo kruhovým prierezom, vo vnútri ktorej sa šíri mikrovlnný signál. Jednoducho povedané, vlnovod usmerňuje vlnu a núti ju každú chvíľu sa odrážať od stien. Ale v skutočnosti je šírenie vlny pozdĺž vlnovodu šírením oscilácií elektrických a magnetických polí vlny, ako vo voľnom priestore. Takéto šírenie vo vlnovode je možné len vtedy, ak sú jeho rozmery v určitom pomere s frekvenciou prenášaného signálu. Preto je vlnovod presne vypočítaný, rovnako presne spracovaný a určený len pre úzky frekvenčný rozsah. Ostatné frekvencie prenáša zle alebo nevysiela vôbec. Typické rozloženie elektrických a magnetických polí vo vnútri vlnovodu je znázornené na obr. 3.

Čím vyššia je frekvencia vlny, tým menšia je veľkosť zodpovedajúceho pravouhlého vlnovodu; nakoniec sa tieto rozmery ukážu byť také malé, že jeho výroba je príliš komplikovaná a maximálny výkon ním prenášaný je znížený. Preto sa začalo s vývojom kruhových vlnovodov (kruhový prierez), ktoré môžu byť dosť veľké aj pri vysokých frekvenciách mikrovlnného rozsahu. Použitie kruhového vlnovodu je obmedzené niektorými ťažkosťami. Napríklad taký vlnovod musí byť rovný, inak sa znižuje jeho účinnosť. Obdĺžnikové vlnovody sa naproti tomu ľahko ohýbajú, dajú sa im dať požadovaný krivočiary tvar a to nijako neovplyvňuje šírenie signálu. Radarové a iné mikrovlnné inštalácie zvyčajne vyzerajú ako spletité bludisko vlnovodov, ktoré spájajú rôzne komponenty a prenášajú signál z jedného zariadenia do druhého v rámci systému.

zložky v tuhom stave.

Súčiastky v pevnej fáze, ako sú polovodiče a ferity, hrajú dôležitú úlohu v mikrovlnnej technológii. Na detekciu, spínanie, usmerňovanie, frekvenčnú konverziu a zosilňovanie mikrovlnných signálov sa teda používajú germániové a kremíkové diódy.

Na zosilnenie sa používajú aj špeciálne diódy - varikapy (s riadenou kapacitou) - v obvode nazývanom parametrický zosilňovač. Široko používané zosilňovače tohto druhu sa používajú na zosilnenie extrémne malých signálov, pretože takmer neprinášajú vlastný šum a skreslenie.

Rubínový maser je tiež polovodičový mikrovlnný zosilňovač s nízkou hladinou hluku. Takýto maser, ktorého pôsobenie je založené na kvantových mechanických princípoch, zosilňuje mikrovlnný signál v dôsledku prechodov medzi úrovňami vnútornej energie atómov v rubínovom kryštáli. Rubín (alebo iný vhodný maserový materiál) je ponorený do tekutého hélia, takže zosilňovač pracuje pri extrémne nízkych teplotách (len niekoľko stupňov nad absolútnou nulou). Preto je úroveň tepelného šumu v obvode veľmi nízka, vďaka čomu je maser vhodný pre rádioastronómiu, ultracitlivé radary a iné merania, pri ktorých musia byť detekované a zosilnené extrémne slabé mikrovlnné signály.

Feritové materiály, ako je oxid horečnatý a ytriový železný granát, sa široko používajú na výrobu mikrovlnných spínačov, filtrov a obehových čerpadiel. Feritové zariadenia sú riadené magnetickými poľami a slabé magnetické pole postačuje na riadenie toku silného mikrovlnného signálu. Feritové spínače majú oproti mechanickým tú výhodu, že sa neopotrebúvajú žiadne pohyblivé časti a spínanie je veľmi rýchle. Na obr. 4 je znázornené typické feritové zariadenie - obehové čerpadlo. Obehové čerpadlo, ktoré pôsobí ako kruhový objazd, zabezpečuje, že signál sleduje iba určité cesty spájajúce rôzne komponenty. Cirkulátory a iné feritové spínacie zariadenia sa používajú pri pripájaní niekoľkých komponentov mikrovlnného systému k rovnakej anténe. Na obr. 4, obehové čerpadlo neprenáša vysielaný signál do prijímača a prijatý signál do vysielača.

V mikrovlnnej technike sa používa aj tunelová dióda - relatívne nové polovodičové zariadenie pracujúce pri frekvenciách do 10 miliárd hertzov. Používa sa v generátoroch, zosilňovačoch, frekvenčných meničoch a spínačoch. Jeho prevádzkový výkon je malý, ale je to prvé polovodičové zariadenie schopné efektívne pracovať pri tak vysokých frekvenciách.

Antény.

Mikrovlnné antény sa vyznačujú širokou škálou neobvyklých tvarov. Veľkosť antény je približne úmerná vlnovej dĺžke signálu, a preto sú pre mikrovlnný rozsah celkom prijateľné konštrukcie, ktoré by boli pri nižších frekvenciách príliš objemné.

Návrhy mnohých antén zohľadňujú tie vlastnosti mikrovlnného žiarenia, ktoré ho približujú svetlu. Typickými príkladmi sú rohovinové antény, parabolické reflektory, kovové a dielektrické šošovky. Používajú sa aj špirálové a špirálové antény, často vyrobené vo forme plošných spojov.

Skupiny štrbinových vlnovodov môžu byť usporiadané tak, aby sa získal požadovaný vyžarovací diagram pre vyžarovanú energiu. Často sa používajú aj dipóly typu známych televíznych antén namontovaných na strechách. Takéto antény majú často rovnaké prvky rozmiestnené v intervaloch vlnových dĺžok, ktoré zvyšujú smerovosť prostredníctvom rušenia.

Mikrovlnné antény sú zvyčajne navrhnuté tak, aby boli extrémne smerové, pretože v mnohých mikrovlnných systémoch je veľmi dôležité, aby sa energia vysielala a prijímala presne v správnom smere. Smerovosť antény sa zvyšuje so zväčšovaním jej priemeru. Ale môžete znížiť anténu pri zachovaní jej smerovosti, ak prepnete na vyššie prevádzkové frekvencie.

Mnohé „zrkadlové“ antény s parabolickým alebo sférickým kovovým reflektorom sú navrhnuté špeciálne na príjem extrémne slabých signálov prichádzajúcich napríklad z medziplanetárnych kozmických lodí alebo zo vzdialených galaxií. V Arecibo (Portoriko) je jeden z najväčších rádioteleskopov s kovovým reflektorom v tvare guľového segmentu, ktorého priemer je 300 m Anténa má pevnú („poledníkovú“) základňu; jeho prijímací rádiový lúč sa pohybuje po oblohe v dôsledku rotácie Zeme. Najväčšia (76 m) plne pohyblivá anténa sa nachádza v Jodrell Bank (UK).

Novinka v oblasti antén - anténa s elektronickým riadením smerovosti; takáto anténa sa nemusí mechanicky otáčať. Skladá sa z početných prvkov - vibrátorov, ktoré je možné elektronicky prepojiť rôznymi spôsobmi a tým zabezpečiť citlivosť "anténneho poľa" v akomkoľvek požadovanom smere.

Mikrovlnné žiarenie je elektromagnetické žiarenie, ktoré pozostáva z nasledujúcich rozsahov: decimeter, centimeter a milimeter. Jeho vlnová dĺžka sa pohybuje od 1 m (frekvencia je v tomto prípade 300 MHz) do 1 mm (frekvencia je 300 GHz).

Mikrovlnné žiarenie našlo široké praktické uplatnenie pri realizácii metódy bezkontaktného ohrevu telies a predmetov. Vo vedeckom svete sa tento objav intenzívne využíva pri prieskume vesmíru. Jeho najčastejšie a najznámejšie využitie je v domácich mikrovlnných rúrach. Používa sa na tepelné spracovanie kovov.

Aj dnes sa mikrovlnné žiarenie rozšírilo v radaroch. Antény, prijímače a vysielače sú v skutočnosti drahé objekty, ktoré sa však úspešne vyplácajú vďaka obrovskej informačnej kapacite mikrovlnných komunikačných kanálov. Obľúbenosť jeho použitia v každodennom živote a vo výrobe je vysvetlená skutočnosťou, že tento typ žiarenia je všestranný, preto sa objekt zahrieva zvnútra.

Stupnica elektromagnetických frekvencií, alebo skôr jej začiatok a koniec, predstavuje dve rôzne formy žiarenia:

• ionizujúce (frekvencia vĺn je väčšia ako frekvencia viditeľného svetla);
• neionizujúce (frekvencia žiarenia je menšia ako frekvencia viditeľného svetla).

Pre človeka je nebezpečné mikrovlnné neionizované žiarenie, ktoré priamo ovplyvňuje ľudské bioprúdy s frekvenciou 1 až 35 Hz. Neionizované mikrovlnné žiarenie spravidla vyvoláva bezpríčinnú únavu, srdcovú arytmiu, nevoľnosť, zníženie celkového tónu tela a silnú bolesť hlavy. Takéto príznaky by mali byť signálom, že v blízkosti je škodlivý zdroj žiarenia, ktorý môže spôsobiť značné poškodenie zdravia. Akonáhle však človek opustí nebezpečnú zónu, malátnosť sa zastaví a tieto nepríjemné príznaky samy od seba zmiznú.

Stimulovanú emisiu objavil už v roku 1916 geniálny vedec A. Einstein. Tento jav opísal ako vplyv vonkajšieho elektrónu, ku ktorému dochádza pri prechode elektrónu v atóme z vyššieho na nižší. Žiarenie, ktoré v tomto prípade vzniká, sa nazýva indukované. Má iný názov - stimulovaná emisia. Jeho zvláštnosť spočíva v tom, že atóm vyžaruje elektromagnetickú vlnu – polarizácia, frekvencia, fáza a smer šírenia sú rovnaké ako pri pôvodnej vlne.

Vedci použili ako základ pre svoju prácu moderné lasery, ktoré zase pomohli vytvoriť zásadne nové moderné zariadenia - napríklad kvantové vlhkomery, zosilňovače jasu atď.

Vďaka laseru sa objavili nové technické oblasti - laserové technológie, holografia, nelineárna a integrovaná optika, laserová chémia. Používa sa v medicíne pri zložitých operáciách očí, v chirurgii. Monochromatickosť a koherencia lasera ho robia nepostrádateľným pri spektroskopii, separácii izotopov, meracích systémoch a lokalizácii svetla.

Mikrovlnné žiarenie je tiež rádiové vyžarovanie, len patrí do infračerveného rozsahu a má aj najvyššiu frekvenciu v rádiovom rozsahu. S týmto žiarením sa stretávame niekoľkokrát denne, využívame mikrovlnnú rúru na ohrievanie jedla, ale aj hovory cez mobil. Astronómovia pre ňu našli veľmi zaujímavé a dôležité uplatnenie. Mikrovlnné žiarenie sa používa na štúdium kozmického pozadia alebo času Veľkého tresku, ktorý sa stal pred miliardami rokov. Astrofyzici študujú nepravidelnosti v žiare v niektorých častiach oblohy, čo pomáha zistiť, ako vznikli galaxie vo vesmíre.