Cекція "Техніка та технологія переробки гідробіонтів та сільськогосподарської сировини"

ВПЛИВ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОГО СВЧ-ПОЛЯ НА ОРГАНІЗМ ЛЮДИНИ

Краєв А.А. (кафедра фізики, МДТУ)

Майже неможливо заздалегідь розрахувати кількість променистої енергії, поглиненої тілом людини в даній ділянці електромагнітного поля та перетвореної на теплоту. Величина цієї енергії сильно залежить від основних електричних характеристик, становища, розмірів і структури м'язової та жирової тканин та напрямки падіння хвилі, тобто іншими словами, ця величина залежить від вхідного опору даної складної структури. Напрямок поляризації падаючої хвилі щодо осі тіла також відіграє істотну роль. У кожному окремому випадку для встановлення симптомів потрібне точне дослідження існуючих умов. Справжнє підвищення температури тіла залежить від таких параметрів навколишнього середовища, як температура та вологість, та від механізму охолодження тіла.

Опромінення у надвисокочастотному інтенсивному полі живих тканин призводить до зміни їх властивостей, які пов'язані з тепловими наслідками поглинання випромінювання. Для вивчення цих змін живі тканини можна розділити на два класи:

б) тканини, які містять кровоносних судин.

При відповідному регулюванні вихідної потужності генератора надвисоких частот та тривалості опромінення різні тканини, що містять кровоносні судини, можуть бути нагріті практично до будь-якої температури. Температура тканин починає підвищуватися відразу ж після підведення до неї НВЧ-енергії. Це зростання температури продовжується протягом 15-20 хв і може на 1-2 ° С підвищити температуру тканини порівняно із середньою температурою тіла, після чого температура починає падати. Падіння температури в ділянці, що опромінюється, відбувається в результаті різкого збільшення в ньому потоку крові, що призводить до відповідного відведення теплоти.

Відсутність кровоносних судин у деяких частинах тіла робить їх особливо вразливими до опромінення надвисокими частотами. У цьому випадку теплота може поглинатися тільки оточуючими судинними тканинами, до яких вона може надходити лише теплопровідністю. Це зокрема справедливо для тканин ока і таких внутрішніх органів, як жовчний міхур, сечовий міхур та шлунково-кишковий тракт. Невелика кількість кровоносних судин у цих тканинах ускладнює процес авторегулювання температури. Крім того, відображення від граничних поверхонь порожнин тіла та областей розташування кісткового мозку за певних умов призводить до утворення стоячих хвиль. Надмірне зростання температури в окремих ділянках дії стоячих хвиль може спричинити пошкодження тканини. Відображення такого роду викликаються металевими предметами, розташованими всередині або на поверхні тіла.

При інтенсивному опроміненні цих тканин НВЧ-полем спостерігається їх перегрів, що призводить до незворотних змін. У той же час НВЧ-поля малої потужності благотворно впливають на організм людини, що використовується у медичній практиці.

Головний та спинний мозок чутливі до змін тиску, і тому підвищення температури внаслідок опромінення голови може мати серйозні наслідки. Кістки черепної коробки викликають сильні відбиття, через що оцінити поглинену енергію дуже важко. Підвищення температури мозку відбувається найбільш швидко, коли голова опромінюється зверху або коли опромінюється грудна клітина, оскільки нагріта кров із грудної клітини безпосередньо прямує до мозку. Опромінення голови викликає стан сонливості з наступним переходом до несвідомого стану. При тривалому опроміненні з'являються судоми, які потім переходять у параліч. При опроміненні голови неминуче настає смерть, якщо мозок підвищується на 6 °С.

Око - це одне з найбільш чутливих до опромінення енергією НВЧ органів, тому що воно має слабку терморегуляційну систему і теплота, що виділяється, не може відводитися досить швидко. Після 10 хв опромінення потужністю 100 Вт на частоті 2450 МГц можливий розвиток катаракти (помутніння кришталика ока), внаслідок чого білок кришталика коагулює та утворює видимі білі вкраплення. На цій частоті найбільша температура виникає біля задньої поверхні кришталика, який складається з протеїну, що легко ушкоджується при нагріванні.

Чоловічі статеві органи дуже чутливі до теплового впливу і, отже, особливо вразливі при опроміненні. Безпечна щільність випромінювання у вигляді максимального рівня

5 мВт/см 2 значно нижче, ніж для інших чутливих до опромінення органів. Внаслідок опромінення сім'яників може настати тимчасове або постійне безпліддя. Пошкодження статевих тканин розглядають особливо, оскільки деякі генетики вважають, що невеликі дози опромінення не призводять до будь-яких фізіологічних порушень, водночас можуть спричинити мутації генів, які залишаються прихованими протягом кількох поколінь.

У навколишньому середовищі існує безліч різноманітних електромагнітних хвиль, до яких перебуває надвисокочастотне випромінювання. Даний частотний діапазон розташований між радіохвильою та ІЧ часткою спектру.

Оскільки довжина даного діапазону досить мала, довжина хвилі цього явища становить від 30 см до 1мм.

Щоб розібратися в освіті, властивостях та галузі застосування даного явища в нашому житті і як воно впливає на нас, варто ознайомитись із цією статтею.

У природі є природні джерела мікрохвильового випромінювання, наприклад, Сонце та інші об'єкти, що у космосі, випромінювання яких сприяло розвитку цивілізації.

Крім них, стрімкий розвиток сучасних технологій дозволив використовувати також штучні джерела:

• Устаткування радіолокації та радіонавігації;
• Тарілки для супутникового телебачення;
• НВЧ печі, мобільні засоби зв'язку.

За результатами досліджень було доведено, що НВЧ-випромінювання не чинить іонізуючого впливу, що здатне призвести до мутації хромосом.

Оскільки іонізовані молекули є несприятливими частинками, надалі клітини людського організму можуть набути неприродного, дефектного вигляду. Проте не варто вважати, що вони цілком безпечні для людини.

Після проведення досліджень вдалося з'ясувати, що НВЧ, потрапляючи на поверхню шкіри, тканини людини певною мірою поглинають випромінювальну енергію. Внаслідок цього струми високої частотності приходять у збуджений стан та нагрівають організм.

Внаслідок цього циркуляція крові значно посилюється. Якщо таке опромінення торкнулося лише невелику локальну ділянку, тоді можна забезпечити моментальне вилучення теплового впливу від розігрітої області шкіри. Якщо сталося загальне опромінення, це зробити неможливо, тому воно вважається найбільш небезпечним.

Завдяки циркуляції крові забезпечується охолодний ефект, і в тих органах, де найменше кровоносних судин, ураження буде найнебезпечнішим. Насамперед це стосується кришталика ока. Внаслідок теплового впливу він може помутніти і зруйнуватися, що згодом не можна виправити без хірургічного втручання.

Найбільш високі властивості поглинання у тканин з більшою місткістю крові, лімфи, слизової оболонки.

Так, при їх поразці можна спостерігати:

• Порушення функцій щитовидної залози;
• Порушення обмінних та адаптаційних процесів;
• Порушень психічного стану – депресії, спровоковані спроби самогубства.

НВЧ випромінювання має кумулятивну властивість. Наприклад, після його опромінення деякий час нічого не відбувається, то згодом можуть виявлятися патології. Спочатку вони даються взнаки у вигляді головного болю, втоми, неспокійного сну, підвищеного тиску, болях в області серця.

ВАЖЛИВО!Якщо НВЧ дуже довго впливатиме на організм людини, це може сприяти незворотним наслідкам, які були перераховані вище. Таким чином, можна сказати, що дане випромінювання негативно впливає на людський організм, причому було доведено, що в молодшому віці людський організм сприйнятливіший до них.

Дане явище може проявляти себе по-різному, що залежить від:

• Дальності розташування джерела НВЧ та інтенсивності впливу;
• Час опромінення;
• Довжини НВЧ;
• Безперервного чи імпульсного випромінювання;
• Особливостей довкілля;
• Фізичного та медичного стану організму на даний період.

Враховуючи дані фактори, напрошується висновок, що варто уникати впливу НВЧ променів. Щоб хоч якось зменшити їх вплив, достатньо обмежити час контакту з побутовими приладами, що випромінюють мікрохвилі.

Що стосується людей, які через специфічні особливості професії змушені контактувати подібним явищем, існують особливі засоби захисту: загальні та індивідуальні.

Щоб швидко та ефективно убезпечити себе від джерела мікрохвильового випромінювання, варто вжити таких заходів:

• Зменшити випромінювання;
• Змінити спрямованість випромінювання;
• Скоротити час дії джерела;
• Керувати пристроями з НВЧ на великій відстані;
• Застосувати захисний спецодяг.

Більшою мірою захисні екрани працюють за принципом відображення та поглинання випромінювання, тому їх поділяють відповідно на відбивні та поглинаючі.

Перші виготовляються з металу, розкочаного в лист, сітки та тканини з металізованою поверхнею. Завдяки різноманітності таких екранів можна вибрати відповідний у цьому конкретному випадку.

У висновку теми про захисні аксесуари варто відзначити засоби індивідуальної безпеки, що є спецодягом, здатним відображати НВЧ-промені. За наявності спецодягу можна уникнути опромінення від 100 до 1000 разів.

Вищезгаданий негативний вплив мікрохвильового випромінювання вказує читачеві на те, що воно може викликати небезпечні, негативні наслідки при взаємодії з нашим організмом.

Тим не менш, існує також поняття, що під дією такого випромінювання відбувається поліпшення стану організму і внутрішніх органів людини. Це говорить про те, що НВЧ-опромінення до певної міри сприятливе впливає на людський організм.

Завдяки спеціальному устаткуванню, за допомогою генеруючого апарату, воно проникає в організм людини на певну глибину, прогріває тканини та весь організм загалом, що провокує безліч позитивних реакцій.

ВАЖЛИВО! Мікрохвильові випромінювання почали досліджувати кілька десятків років тому. Через цей час було виявлено, що їхня природна дія нешкідлива для людського організму. У разі дотримання правильних умов експлуатації приладів з мікрохвильовим опроміненням, величезної шкоди таке опромінення не може принести, про що ходять численні міфи.

> Мікрохвилі

Вивчіть потужність та вплив мікрохвиль. Читайте про діапазони мікрохвиль, частота і довжина випромінювання, які є джерела мікрохвиль, робота духової шафи.

Мікрохвилі– електромагнітні хвилі з довжиною 1 м – 1 мм).

Завдання навчання

• Розібратися у трьох діапазонах мікрохвиль.

Основні пункти

• Мікрохвильова область перекривається найвищими частотними хвилями.
• Префікс «мікро» у мікрохвильовій печі не вказує на довжину хвиль.
• Мікрохвилі поділяються на три діапазони: вкрай висока частота (30-300 ГГц), надвисока (3-30 ГГц) та ультранадвисока (300 МГц-3 ГГц).
• До списку джерел входять штучні пристрої на кшталт передавальних веж, радарів, мазерів, а також природні – Сонце та реліктове випромінювання.
• Мікрохвилі можна видобути з атомів та молекул. Вони поглинають і випромінюють промені, якщо температура піднімається вище за абсолютного нуля.

Терміни

• Радіолокаційний - метод пошуку віддалених об'єктів і вказівка ​​їх позиції, швидкості та інших характеристик через аналіз радіохвиль, що відправляються, відбитих від поверхні.
• Теплове хвилювання – теплове переміщення атомів і молекул, якщо температура в об'єкті вища за абсолютний нуль.
• Терагерцеве випромінювання – електромагнітні хвилі, частоти яких наближаються до терагерцу.

Мікрохвилі

Мікрохвилі – електромагнітні хвилі, чия довжина хвилі існує у діапазоні 1м – 1мм (300 МГц – 300 ГГц). Мікрохвильова область зазвичай перекривається найвищими частотними хвилями. Вони здатні переміщатися в умовах вакууму зі світловою швидкістю.

Префікс "мікро" в "мікрохвильовій печі" не вказує на довжину хвилі в діапазоні мікрометрів. Це лише говорить про те, що мікрохвилі виступають маленькими, тому що мають менші довжини хвиль, якщо порівнювати з радіомовленням. Поділ між різними типами променів найчастіше довільний.

Перед вами основні категорії електромагнітних хвиль. Роздільні лінії в деяких місцях відрізняються, інші категорії можуть перекриватися. Мікрохвилі займають високочастотну ділянку радіосекції електромагнітного спектру

Підкатегорії мікрохвиль

Мікрохвилі поділяються на три діапазони:

• украй висока частота (30-300 Гц). Якщо показники вищі, ми стикаємося з далеким ІЧ-світлом, іменованим ще терагерцовым випромінюванням. Цю смугу найчастіше залучають до радіоастрономії та дистанційного зондування.
• надвисока частота (3-30 ГГц). Її називають сантиметровою смугою, тому що частота коливається між 10-1 см. Діапазон застосовується в радіолокаційних передавачах, мікрохвильових печах, супутниках зв'язку і коротких наземних каналах для транспортування даних.
• Ультрасверхвысокая частота (300МГц – 3ГГц) – дециметровий діапазон, оскільки довжина хвиль коливається від 10 див до 1 м. Вони є у телевізійному мовленні, бездротового телефонного зв'язку, раціях, супутниках тощо.

Джерела мікрохвиль

Це високочастотні електромагнітні хвилі, що створюються струмами в макроскопічних схемах та пристроях. Їх також можна отримати з атомів та молекул, якщо ті виступають у складі електромагнітних променів, сформованих при термічному перемішуванні.

Більше інформації передається на високих частотах, тому мікрохвилі чудово підходять для комунікаційних приладів. Через короткі довжини хвиль між передавачем і приймачем має встановитися чітка лінія зору.

Сонце також виробляє мікрохвильові промені, хоча більшість блокується планетарною атмосферою. Реліктове випромінювання пронизує весь простір. Його знаходження підтверджує теорію Великого Вибуху.

Реліктове випромінювання Великого Вибуху зі збільшенням розширення

Пристрої з мікрохвильами

У мікрохвильових джерелах із великою потужністю використовують спеціальні вакуумні трубки, щоб генерувати мікрохвилі. Пристрої функціонують за різними принципами за допомогою балістичного руху електронів за умов вакууму. На них впливають електричні чи магнітні поля.

Порожнина магнетрону, задіяна в мікрохвильовій печі

Мікрохвильові печі використовують мікрохвилі, щоб підігріти їжу. Необхідні частоти 2.45 ГГц створюються завдяки прискоренню електронів. Після чого у духовці формується змінне електричне поле.

Вода і деякі компоненти їжі мають негативний заряд на одному кінці і позитивний на іншому. Діапазон мікрохвильових частот вибирається таким чином, щоб полярні молекули намагалися зберегти свої позиції, поглинали енергії і збільшували температурні показники (діелектричний нагрівання).

Радар за часів Другої світової хвилі використовував мікрохвилі. Знаходження та синхронізація мікрохвильових ехо-сигналів здатні обчислити дистанцію до об'єктів, на зразок хмар або літальних апаратів. Доплерівське зрушення в радіолокаційному луні може вказати швидкість переміщення машини або навіть інтенсивність зливи. Більш складні системи відображають нашу та чужі планети. Мазер – прилад, що нагадує лазер, який збільшує світлову енергію, стимулюючи фотони.

Зміст статті

Надвисоких частот Діапазон,частотний діапазон електромагнітного випромінювання (100?300 000 млн. герц), розташований у спектрі між ультрависокими телевізійними частотами і частотами далекої інфрачервоної області. Цей частотний діапазон відповідає довжин хвиль від 30 см до 1 мм; тому його називають також діапазоном дециметрових та сантиметрових хвиль. В англомовних країнах він називається мікрохвильовим діапазоном; мається на увазі, що довжини хвиль дуже малі в порівнянні з довжинами хвиль звичайного радіомовлення, що мають порядок кількох сотень метрів.

Так як по довжині хвилі випромінювання НВЧ-діапазону є проміжним між світловим випромінюванням і звичайними радіохвилями, воно має деякі властивості і світла, і радіохвиль. Наприклад, воно, як і світло, поширюється прямою і перекривається майже всіма твердими об'єктами. Багато в чому аналогічно світла воно фокусується, поширюється як променя і відбивається. Багато радіолокаційних антени та інші НВЧ-пристрої є як би збільшеними варіантами оптичних елементів типу дзеркал і лінз.

У той же час НВЧ-випромінювання схоже на радіовипромінювання мовних діапазонів у тому відношенні, що воно генерується аналогічними методами. До НВЧ-випромінювання застосовна класична теорія радіохвиль, і його можна використовувати як засіб зв'язку, ґрунтуючись на тих самих принципах. Але завдяки вищим частотам воно дає ширші можливості передачі, що дозволяє підвищити ефективність зв'язку. Наприклад, один НВЧ-промінь може нести одночасно кілька сотень телефонних розмов. Подібність НВЧ-випромінювання зі світлом і підвищена щільність інформації, що їм переноситься, виявилися дуже корисними для радіолокаційної та інших областей техніки.

ЗАСТОСУВАННЯ НВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Радіолокація.

Хвилі дециметрово-сантиметрового діапазону залишалися предметом суто наукової цікавості до початку Другої світової війни, коли виникла нагальна потреба у новому та ефективному електронному засобі раннього виявлення. Тільки тоді почалися інтенсивні дослідження НВЧ-радіолокації, хоча принципова її можливість була продемонстрована ще 1923 року в Науково-дослідній лабораторії ВМС США. Суть радіолокації в тому, що в простір випромінюються короткі, інтенсивні імпульси НВЧ-випромінювання, а потім реєструється частина цього випромінювання, що повернулася від віддаленого об'єкта, що шукається - морського судна або літака.

Зв'язок.

Радіохвилі НВЧ-діапазону широко застосовуються в техніці зв'язку. Крім різних радіосистем військового призначення, у всіх країнах світу є численні комерційні лінії НВЧ-зв'язку. Оскільки такі радіохвилі не йдуть за кривизною земної поверхні, а поширюються по прямій, ці лінії зв'язку, як правило, складаються з ретрансляційних станцій, встановлених на вершинах пагорбів або радіовежах з інтервалами ок. 50 км. Параболічні або рупорні антени, змонтовані на вежах, приймають та передають далі НВЧ-сигнали. На кожній станції перед ретрансляцією сигнал посилюється електронним підсилювачем. Оскільки НВЧ-випромінювання допускає вузькоспрямований прийом і передачу, для передачі не потрібно великих витрат електроенергії.

Хоча система веж, антен, приймачів і передавачів може здатися дуже дорогою, зрештою, все це з лишком окупається завдяки великій інформаційній ємності НВЧ-каналів зв'язку. Міста Сполучених Штатів з'єднані між собою складною мережею більш ніж з 4000 ретрансляційних НВЧ-ланок, що утворюють систему зв'язку, яка тягнеться від одного океанського узбережжя до іншого. Канали цієї мережі здатні пропускати тисячі телефонних розмов та численні телевізійні програми одночасно.

Супутники зв'язку.

Система ретрансляційних радіовеж, необхідна передачі НВЧ-випромінювання великі відстані, може бути побудована, звісно, ​​лише з суші. Для міжконтинентального зв'язку потрібен інший спосіб ретрансляції. Тут на допомогу приходять зв'язкові штучні супутники Землі; виведені на геостаціонарну орбіту, можуть виконувати функції ретрансляційних станцій НВЧ-зв'язку.

Електронний пристрій, званий активно-ретрансляційним ШСЗ, приймає, посилює та ретранслює НВЧ-сигнали, що передаються наземними станціями. Перші експериментальні ШСЗ такого типу («Телстар», «Релей» та «Сінком») успішно здійснювали вже на початку 1960-х років ретрансляцію телевізійного мовлення з одного континенту на інший. На основі цього досвіду були розроблені комерційні супутники міжконтинентального та внутрішнього зв'язку. Супутники останньої міжконтинентальної серії «Інтелсат» були виведені в різні точки геостаціонарної орбіти таким чином, що зони їхнього охоплення, перекриваючись, забезпечують обслуговування абонентів у всьому світі. Кожен супутник серії Інтелсат останніх модифікацій надає клієнтам тисячі каналів високоякісного зв'язку для одночасної передачі телефонних, телевізійних, факсимільних сигналів і цифрових даних.

Термообробка харчових продуктів.

НВЧ-випромінювання застосовується для термообробки харчових продуктів у домашніх умовах та у харчовій промисловості. Енергія, що генерується потужними електронними лампами, може бути сконцентрована у малому обсязі для високоефективної теплової обробки продуктів у т.зв. мікрохвильових або НВЧ-печах, що відрізняються чистотою, безшумністю та компактністю. Такі пристрої застосовуються на літакових бортових кухнях, у залізничних вагонах-ресторанах та торгових автоматах, де потрібні швидкі приготування продуктів та приготування страв. Промисловість випускає також НВЧ-печі побутового призначення.

Наукові дослідження.

НВЧ-випромінювання відіграло важливу роль у дослідженнях електронних властивостей твердих тіл. Коли таке тіло виявляється у магнітному полі, вільні електрони в ньому починають обертатися навколо магнітних силових ліній у площині, перпендикулярній до напрямку магнітного поля. Частота обертання, звана циклотронною, прямо пропорційна напруженості магнітного поля і обернено пропорційна ефективній масі електрона. (Ефективна маса визначає прискорення електрона під впливом будь-якої сили в кристалі. Вона відрізняється від маси вільного електрона, якою визначається прискорення електрона під дією будь-якої сили у вакуумі. Відмінність обумовлена ​​наявністю сил тяжіння та відштовхування, з якими діють на електрон у кристалі навколишні атоми та інші електрони.) Якщо на тверде тіло, що знаходиться в магнітному полі, падає випромінювання НВЧ-діапазону, то це випромінювання сильно поглинається, коли його частота дорівнює циклотронної частоти електрона. Це явище називається циклотронним резонансом; воно дозволяє виміряти ефективну масу електрона. Такі виміри дали багато цінної інформації про електронні властивості напівпровідників, металів та металоїдів.

Випромінювання НВЧ-діапазону відіграє важливу роль також у дослідженнях космічного простору. Астрономи багато дізналися про нашу Галактику, досліджуючи випромінювання з довжиною хвилі 21 см, що випромінюється газоподібним воднем у міжзоряному просторі. Тепер можна вимірювати швидкість і визначати напрямок руху рукавів Галактики, а також розташування та щільність областей газоподібного водню в космосі.

ДЖЕРЕЛА НВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Швидкий прогрес у галузі НВЧ-техніки значною мірою пов'язаний з винаходом спеціальних електровакуумних приладів – магнетрону та клістрону, здатних генерувати великі кількості НВЧ-енергії. Генератор на звичайному вакуумному тріоді, що використовується на низьких частотах, у НВЧ-діапазоні виявляється дуже неефективним.

Двома головними недоліками тріода як НВЧ-генератора є кінцевий час прольоту електрона та міжелектродна ємність. Перший пов'язаний з тим, що електрону потрібен деякий (хоч і малий) час, щоб пролетіти між електродами вакуумної лампи. За цей час НВЧ-поле встигає змінити свій напрямок на зворотний, так що і електрон змушений повернути назад, не долетівши до іншого електрода. В результаті електрони без будь-якої користі коливаються всередині лампи, не віддаючи свою енергію в коливальний контур зовнішнього ланцюга.

Магнетрон.

У магнетроні, винайденому у Великій Британії перед Другою світовою війною, ці недоліки відсутні, оскільки за основу взято зовсім інший підхід до генерації НВЧ-випромінювання – принцип об'ємного резонатора. Подібно до того, як у органної труби даного розміру є власні акустичні резонансні частоти, так і об'ємний резонатор має власні електромагнітні резонанси. Стінки резонатора діють як індуктивність, а простір між ними як ємність якогось резонансного ланцюга. Таким чином, об'ємний резонатор подібний до паралельного резонансного контуру низькочастотного генератора з окремими конденсатором і котушкою індуктивності. Розміри об'ємного резонатора вибираються, звичайно, так, щоб даному поєднанню ємності та індуктивності відповідала потрібна надвисока резонансна частота.

У магнетроні (рис. 1) передбачено кілька об'ємних резонаторів, симетрично розташованих навколо катода, що у центрі. Прилад розміщують між полюсами сильного магніту. При цьому електрони, що випускаються катодом, під дією магнітного поля змушені рухатися круговими траєкторіями. Їх швидкість така, що вони в певний час перетинають на периферії відкриті пази резонаторів. При цьому вони віддають свою кінетичну енергію, збуджуючи коливання резонаторів. Потім електрони повертаються на катод і процес повторюється. Завдяки такому пристрої час прольоту та міжелектродні ємності не заважають генерації НВЧ-енергії.

Магнетрони можуть бути виготовлені великого розміру, і тоді вони дають потужні імпульси НВЧ-енергії. Але магнетрон має свої недоліки. Наприклад, резонатори для дуже високих частот стають настільки малими, що їх важко виготовляти, а сам такий магнетрон через свої малі розміри не може бути досить потужним. Крім того, для магнетрона потрібен важкий магніт, причому необхідна маса магніту зростає зі збільшенням потужності приладу. Тому для літакових бортових установок потужні магнетрони не підходять.

Клістрона.

Для цього електровакуумного приладу, заснованого на дещо іншому принципі, не потрібне зовнішнє магнітне поле. У клістроні (рис. 2) електрони рухаються по прямій від катода до відбивної пластини, а потім назад. При цьому вони перетинають відкритий проміжок об'ємного резонатора у формі бублика. Керуюча сітка та сітки резонатора групують електрони в окремі «згустки», так що електрони перетинають зазор резонатора лише у певні моменти часу. Проміжки між згустками узгоджено з резонансною частотою резонатора таким чином, що кінетична енергія електронів передається резонатору, внаслідок чого в ньому встановлюються потужні електромагнітні коливання. Цей процес можна порівняти з ритмічним розгойдуванням спочатку нерухомих гойдалок.

Перші клістрони були досить малопотужними приладами, але пізніше вони побили всі рекорди магнетронів як НВЧ-генераторів великої потужності. Були створені клістрони, що видавали до 10 млн. Вт потужності в імпульсі і до 100 тис. Вт в безперервному режимі. Система клістронів дослідного лінійного прискорювача частинок видає 50 млн. Вт НВЧ-потужності в імпульсі.

Клістрони можуть працювати на частотах до 120 млрд. Герц; проте при цьому їхня вихідна потужність, як правило, не перевищує одного вата. Розробляються варіанти конструкції клістрону, розрахованого великі вихідні потужності в міліметровому діапазоні.

Клістрони можуть також служити підсилювачами НВЧ-сигналів. Для цього потрібно подавати вхідний сигнал на сітки об'ємного резонатора, і тоді щільність електронних згустків буде змінюватися відповідно до цього сигналу.

Лампа хвилі, що біжить (ЛБВ).

Ще один електровакуумний прилад для генерації та посилення електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону - лампа хвилі, що біжить. Вона являє собою тонку відкачану трубку, що вставляється у магнітну котушку, що фокусує. Усередині трубки є уповільнююча дротяна спіраль. Уздовж осі спіралі проходить електронний промінь, а по самій спіралі біжить хвиля сигналу, що посилюється. Діаметр, довжина і крок спіралі, а також швидкість електронів підібрані таким чином, що електрони віддають частину своєї кінетичної енергії хвилі, що біжить.

Радіохвилі поширюються зі швидкістю світла, тоді як швидкість електронів у промені значно менша. Однак, оскільки НВЧ-сигнал змушений йти спіраллю, швидкість його просування вздовж осі трубки близька до швидкості електронного променя. Тому хвиля, що біжить, досить довго взаємодіє з електронами і посилюється, поглинаючи їх енергію.

Якщо на лампу не подається зовнішній сигнал, то посилюється випадковий електричний шум на деякій резонансній частоті і ЛБВ хвилі, що біжить працює як НВЧ-генератор, а не підсилювач.

Вихідна потужність ЛБВ значно менше, ніж у магнетронів та клістронів на тій же частоті. Однак ЛБВ допускають налаштування в надзвичайно широкому частотному діапазоні і можуть бути дуже чутливими підсилювачами. Таке поєднання властивостей робить ЛБВ дуже цінним приладом НВЧ техніки.

Плоскі вакуумні тріоди.

Хоча клістрони і магнетрони більш переважні як НВЧ-генератори, завдяки удосконаленням певною мірою відновлено важливу роль вакуумних тріодів, особливо як підсилювачі на частотах до 3 млрд. герц.

Труднощі, пов'язані з часом прольоту, усунуті завдяки дуже малим відстаням між електродами. Небажані міжелектродні ємності зведені до мінімуму, оскільки електроди зроблені сітчастими, а всі зовнішні з'єднання виконуються на великих кільцях поза лампою. Як і прийнято у НВЧ-техніці, застосовано об'ємний резонатор. Резонатор щільно охоплює лампу, і кільцеві з'єднувачі забезпечують контакт по всьому колу резонатора.

Генератор на діоді Ганна.

Такий напівпровідниковий НВЧ-генератор був запропонований у 1963 році Дж. Ганном, співробітником Уотсонівського науково-дослідного центру корпорації ІБМ. В даний час подібні прилади дають потужності лише порядку мілліват на частотах не більше 24 млрд. герц. Але в цих межах він має безперечні переваги перед малопотужними клістронами.

Оскільки діод Ганна являє собою монокристал арсеніду галію, він в принципі стабільніший і довговічніший, ніж клістрон, в якому повинен бути катод, що нагрівається, для створення потоку електронів і необхідний високий вакуум. Крім того, діод Ганна працює при порівняно низькій напрузі живлення, тоді як для живлення клістрону потрібні громіздкі та дорогі джерела живлення з напругою від 1000 до 5000 В.

СХІМНІ КОМПОНЕНТИ

Коаксіальні кабелі та хвилеводи.

Для передачі електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону не через ефір, а за металевими провідниками потрібні спеціальні методи та провідники особливої ​​форми. Звичайні дроти, якими передається електрика, придатні передачі низькочастотних радіосигналів, неефективні на надвисоких частотах.

Будь-який відрізок дроту має ємність та індуктивність. Ці т.зв. розподілені параметри набувають дуже важливого значення у НВЧ-техніці. Поєднання ємності провідника з його власною індуктивністю на надвисоких частотах відіграє роль резонансного контуру, що майже повністю блокує передачу. Оскільки у провідних лініях передачі неможливо усунути вплив розподілених параметрів, доводиться звертатися до інших принципів передачі НВЧ-хвиль. Ці принципи втілені у коаксіальних кабелях та хвилеводах.

Коаксіальний кабель складається з внутрішнього дроту і циліндричного зовнішнього провідника, що охоплює його. Проміжок між ними заповнений пластиковим діелектриком, наприклад, тефлоном або поліетиленом. З першого погляду це може здатися схожим на пару звичайних дротів, але на надвисоких частотах їхня функція інша. НВЧ-сигнал, введений з одного кінця кабелю, насправді поширюється не по металу провідників, а по заповненому ізолюючим матеріалом проміжку між ними.

Коаксіальні кабелі добре передають НВЧ-сигнали частотою до декількох мільярдів герц, але на більш високих частотах їхня ефективність знижується, і вони непридатні для передачі великих потужностей.

Звичайні канали передачі хвиль НВЧ-диапазона мають форму хвилеводів. Хвильоводи - це ретельно оброблена металева труба прямокутного або кругового поперечного перерізу, всередині якої поширюється НВЧ-сигнал. Спрощено кажучи, хвилевід спрямовує хвилю, змушуючи її постійно відбиватися від стін. Але насправді поширення хвилі хвилеводом є поширенням коливань електричного і магнітного полів хвилі, як і у вільному просторі. Таке поширення у хвилеводі можливе лише за умови, що його розміри знаходяться у певному співвідношенні з частотою сигналу, що передається. Тому хвилевід точно розраховується, як і точно обробляється і призначається лише вузького інтервалу частот. Інші частоти він передає погано чи взагалі передає. Типовий розподіл електричного та магнітного полів усередині хвилеводу показано на рис. 3.

Чим вища частота хвилі, тим менші розміри відповідного їй прямокутного хвилеводу; зрештою ці розміри виявляються настільки малі, що надмірно ускладнюється його виготовлення і знижується гранична потужність, що передається їм. Тому було розпочато розробку кругових хвилеводів (кругового поперечного перерізу), які можуть мати досить великі розміри навіть на високих частотах НВЧ-діапазону. Застосування кругового хвилеводу стримується деякими труднощами. Наприклад, такий хвилевід має бути прямим, інакше його ефективність знижується. Прямокутні хвилеводи легко згинати, їм можна надавати потрібну криволінійну форму, і це ніяк не позначається на поширенні сигналу. Радіолокаційні та інші НВЧ-установки зазвичай виглядають як заплутані лабіринти з хвилеводних трактів, що з'єднують різні компоненти і сигнал від одного приладу іншому в межах системи.

Твердотілі компоненти.

Твердотільні компоненти, наприклад напівпровідникові та феритові, відіграють важливу роль у НВЧ-техніці. Так, для детектування, перемикання, випрямлення, частотного перетворення та посилення НВЧ-сигналів застосовуються германієві та кремнієві діоди.

Для посилення застосовуються також спеціальні діоди – варикапи (з керованою ємністю) – у схемі, яка називається параметричним підсилювачем. Широко поширені підсилювачі такого роду служать для посилення вкрай малих сигналів, оскільки вони майже не вносять власні шуми та спотворення.

Твердотільний НВЧ-підсилювач з низьким рівнем шуму є і рубіновий мазер. Такий мазер, дія якого ґрунтується на квантовомеханічних принципах, посилює НВЧ-сигнал за рахунок переходів між рівнями внутрішньої енергії атомів у кристалі рубіну. Рубін (або інший відповідний матеріал мазера) занурюється в рідкий гелій, так що підсилювач працює при надзвичайно низьких температурах (лише кілька градусів перевищують температуру абсолютного нуля). Тому рівень теплових шумів у схемі дуже низький, завдяки чому мазер придатний для радіоастрономічних, надчутливих радіолокаційних та інших вимірювань, у яких потрібно виявляти та посилювати вкрай слабкі НВЧ-сигнали.

Для виготовлення НВЧ-перемикачів, фільтрів та циркуляторів широко застосовуються феритові матеріали, такі, як оксид магнію-заліза та залізо-іттрієвий гранат. Феритові пристрої керуються за допомогою магнітних полів, причому для керування потоком потужного НВЧ-сигналу досить слабкого магнітного поля. Феритові перемикачі мають ту перевагу перед механічними, що в них немає частин, що рухаються, схильних до зносу, а перемикання здійснюється дуже швидко. На рис. 4 представлено типовий феритовий пристрій - циркулятор. Діючи подібно кільцевої транспортної розв'язки, циркулятор забезпечує слідування сигналу лише з певним трактам, що з'єднує різні компоненти. Циркулятори та інші феритові перемикаючі пристрої застосовуються при підключенні декількох компонентів НВЧ-системи до однієї антени. На рис. 4 циркулятор не пропускає переданий сигнал на приймач, а сигнал, що приймається – на передавач.

У НВЧ-техніці знаходить застосування і тунельний діод – порівняно новий напівпровідниковий прилад, працюючий на частотах до 10 млрд. герц. Він використовується в генераторах, підсилювачах, частотних перетворювачах та перемикачах. Його робочі потужності невеликі, але це перший напівпровідниковий прилад, здатний ефективно працювати на таких високих частотах.

Антени.

НВЧ-антени відрізняються великою різноманітністю незвичайних форм. Розмір антени приблизно пропорційний довжині хвилі сигналу, а тому для НВЧ-діапазону цілком прийнятні конструкції, які були б надто громіздкі на нижчих частотах.

У конструкціях багатьох антен враховуються властивості СВЧ-випромінювання, які зближують його зі світлом. Типовими прикладами можуть бути рупорні антени, параболічні відбивачі, металеві і діелектричні лінзи. Застосовуються також гвинтові та спіральні антени, які часто виготовляються у вигляді друкованих схем.

Групи щілинних хвилеводів можна розташувати так, щоб вийшла потрібна діаграма спрямованості для енергії, що випромінюється. Часто застосовують також диполі типу добре відомих телевізійних антен, що встановлюються на дахах. У таких антенах нерідко є однакові елементи, розташовані з інтервалами, рівними довжині хвилі, і підвищують спрямованість за рахунок інтерференції.

НВЧ-антени зазвичай проектують так, щоб вони були гранично спрямованими, оскільки в багатьох НВЧ-системах дуже важливо, щоб енергія передавалася і приймалася точно заданому напрямку. Спрямованість антени зростає із збільшенням її діаметра. Але можна зменшити антену, зберігши її спрямованість, якщо перейти більш високі робочі частоти.

Багато «дзеркальних» антен з параболічним або сферичним металевим відбивачем спроектовані спеціально для прийому вкрай слабких сигналів, наприклад, від міжпланетних космічних апаратів або від далеких галактик. В Аресібо (Пуерто-Ріко) діє один з найбільших радіотелескопів з металевим відбивачем у вигляді сферичного сегмента, діаметр якого дорівнює 300 м. Антена має нерухому (меридіанну) основу; її приймальний радіопромінь переміщається по небосхилу завдяки обертанню Землі. Найбільша (76 м) повністю рухлива антена розташована у Джодрелл-Бенку (Великобританія).

Нове в області антен – антена з електронним керуванням спрямованістю; таку антену не потрібно механічно повертати. Вона складається з численних елементів - вібраторів, які можна електронними засобами по-різному з'єднувати між собою і тим самим забезпечувати чутливість «антени» в будь-якому потрібному напрямку.

НВЧ-випромінювання - це електромагнітне випромінювання, яке складається з наступних діапазонів: дециметрового, сантиметрового та міліметрового. Довжина його хвилі коливається від 1 м (частота у разі становить 300 МГц) до 1 мм (частота дорівнює 300 ГГц).

Широке практичне застосування НВЧ-випромінювання отримало при реалізації способу безконтактного нагрівання тіл та предметів. У науковому світі це відкриття інтенсивно використовують у дослідженні космічного простору. Звичне та найвідоміше його застосування - у домашніх мікрохвильових печах. Воно використовується для термообробки металів.

Також на сьогоднішній день НВЧ-випромінювання набуло поширення в радіолокації. Антени, приймачі та передавачі насправді дорогі об'єкти, але вони успішно окупаються через величезну інформаційну ємність НВЧ-каналів зв'язку. Популярність його використання у побуті та у виробництві пояснюється тим фактом, що даний тип випромінювання є всепроникним, отже, нагрівання об'єкта йде зсередини.

Шкала електромагнітних частот, вірніше, її початок і кінець, є дві різні форми випромінювання:

• іонізуюче (частота хвилі більша, ніж частота видимого світла);
• неіонізуюче (частота випромінювання менше частоти видимого світла).

Для людини становить небезпеку надвисокочастотне неіонізоване випромінювання, яке безпосередньо впливає на людські біоструми з частотою від 1 до 35 Гц. Як правило, неіонізоване НВЧ-випромінювання провокує безпричинну втому, аритмію серця, нудоту, зниження загального тонусу організму та сильний головний біль. Такі симптоми мають бути сигналом, що близько знаходиться шкідливе джерело випромінювання, яке може завдати істотних збитків здоров'ю. Проте, як тільки людина залишає небезпечну зону, нездужання припиняється, і ці неприємні ознаки зникають самі собою.

Вимушене випромінювання відкрив ще 1916 року геніальний учений А. Ейнштейн. Це явище він описав як вплив зовнішнього, що виникає при переході електрона в атомі з верхнього на нижчий. Випромінювання, яке при цьому виникає, назвали індукованим. У нього є ще одна назва – вимушене випромінювання. Особливість його полягає в тому, що атом випромінює електромагнітну хвилю - поляризація, частота, фаза, а також напрямок поширення у неї такі ж, як у початкової хвилі.

Вчені застосували як основу у роботі сучасних лазерів, які, у свою чергу, допомогли у створенні принципово нових сучасних пристроїв – наприклад, квантових гігрометрів, підсилювачів яскравості тощо.

Завдяки лазеру з'явилися нові технічні напрями - такі як лазерні технології, голографія, нелінійна та інтегральна оптики, лазерна хімія. Його використовують у медицині при найскладніших операціях на очах, у хірургії. Монохроматичність і когерентність лазера роблять його незамінним у спектроскопії, розділенні ізотопів, системах вимірювання та світлолокації.

Мікрохвильове випромінювання - це теж радіовипромінювання, тільки воно відноситься до інфрачервоного діапазону, а також має найбільшу частоту в радіодіапазоні. З цим випромінюванням ми стикаємося кілька разів на день, використовуючи мікрохвильову піч для підігріву їжі, а також розмовляючи по мобільному телефону. Дуже цікаве та важливе застосування йому знайшли астрономи. Мікрохвильове випромінювання використовують для вивчення космічного фону або часів Великого вибуху, який стався мільярди років тому. Астрофізики вивчають неоднорідності свічення в деяких ділянках піднебіння, що допомагає дізнатися, як у Всесвіті формувалися галактики.