Магнетроны: применение

В радарных приборах волновод присоединяется к антенне, имеющей вид конического рупорного облучателя с параболическим отражателем («тарелка») или представляющей собой целевой волновод, Магнетрон управляется при помощи коротких высокоинтенсивных импульсов подаваемого напряжения. Результатом такого воздействия становится излучение короткого импульса микроволновой энергии, порция которой отражается обратно волноводу и антенне и поступает на чувствительный приемник. Сигнал подвергается дальнейшей обработке, после чего появляется в виде радарной карты А1, отображаемой на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ).

В большинстве моделей современных микроволновых печей волновод заканчивается специальным прозрачным для радиочастот отверстием, которое расположено в камере для готовки. Обязательным условием является нахождение продуктов в печи во время ее работы. В данном случае вместо того, чтобы отражаться в волновод, в котором интенсивные стоячие волны могут стать причиной искрения, микроволны будут поглощаться.

Продолжительное искрение может вывести магнетрон из строя или повредить его. Если в камере микроволновой печи готовится пища в небольшом количестве, рекомендуется поставить в нее стакан воды, что будет способствовать поглощению микроволн.

Требования надежности в судостроительной, химической и атомной промышленности приводят к необходимости тщательного контроля изделий с крупными габаритами, включающего идентификацию и обнаружение дефектов (инородных включений, полостей, трещин или раковин), при этом их толщина в стальном эквиваленте может в некоторых случаях достигать 600 мм. Наиболее эффективным инструментом для контроля качества общепринято считаются ускорители заряженных частиц.

НИИЭФА им. Д.В. Ефремова разработано и поставлено около 30 подобных приборов на промышленные предприятия России и множества зарубежных стран. Благодаря наличию новых комплектующих были изготовлены современные дефектоскопы УЭЛ-6-Д и УЭЛ-10-Д, где широко используются магнетроны.

Использование СВЧ-технологии

СВЧ-технологии могут использоваться для сушки, обеззараживания, дезинфекции и тепловой стимуляции зерна, а также для улучшения его хлебопекарных качеств. При помощи сверхвысокочастотной энергии проводится стерилизация и пастеризация жидких пищевых продуктов. Кроме того, такие системы способны точно поддерживать заданные технологические режимы, что позволяет сушить лекарственные травы и выполнять другие подобные операции.

Магнетрон М-168, уровень мощности которого составляет 5 кВт, часто используется в установках для полимеризации пластика, вулканизации резиновых деталей и обрезинивания тросов. Интеграция электронных микроволновых генераторов в автоматические производственные линии достаточно проста, что обеспечивается за счет их компактности, экономичности и приемлемой стоимости. Дополнительным преимуществом подобных устройств является возможность комбинирования с другими способами обработки, такими как пропаривание. Перед использованием магнетронов для конкретной операции необходимо учитывать несколько факторов, в том числе:

• Стоимость энергии.
• Качество конечного продукта.
• Объем инвестиций.
• Требуемые площади.
• Скорость обработки.

Определение этих параметров позволит установить эффективность использования микроволнового нагрева перед традиционными методами.

Применение СВЧ-технологии в промышленности

Сушка солей металлов. Повышение текучести нефтепродуктов. Нагрев мясной продукции. Пастеризация жидких пищевых продуктов.

Прессование и склеивание изделий из дерева. Отверждение пенополиуретана. Сушка литейных стержней.

Устранение загустения и кристаллизации меда. Сушка дерева и деревянных изделий. Отверждение эпоксидных и полиэфирных смол.

Вулканизация шин. Изготовление автомобильных СВЧ-печей. Получение кислот. Разложение нитратов.

Применение СВЧ-технологии в других отраслях

Строительство	Специальное назначение	Иные сферы применения
СВЧ-сушка кирпича. Прокладывание подземных инженерных коммуникаций. Размораживание мерзлых грунтов, в том числе в ж/д вагонах.	Поиск поверхностных объектов. Уничтожение подповерхностных объектов. Радиолокация.	Медицина. Научные исследования. Сельское хозяйство.

 

Ускоритель УЭЛ-10-Д в цехе Ижорского завода, Санкт-Петербург, 2010 г.

Преимущества и экономическая эффективность магнетронов

Рабочие частоты световых и инфракрасных источников на 2-3 порядка выше по сравнению с микроволнами. По данной причине глубина проникновения значительно уменьшается, и нагреваются только поверхности обрабатываемого объекта. Нагрев остального объема осуществляется благодаря медленному процессу теплопроводности, что зачастую ведет к потере качества материала и термомеханическим повреждениям.

Для разогрева продуктов, сушки, варки и других операций, в которых временные затраты имеют первостепенное значение, использование микроволн является более предпочтительным вариантом по сравнению с тепловым излучением. Например, при приготовлении фруктов или овощей СВЧ-технология помогает сохранить вкус и свежий вид, при этом содержание витаминов практически не уменьшается.

Экономия энергии при применении магнетронов обеспечивается за счет следующих преимуществ:

• Возможность точного регулирования температуры.
• Мгновенное включение и выключение.
• Лучшая фокусировка.
• Высокая плотность мощности.

Характеристики промышленных магнетронов

Тип магнетрона	Фирма	Частота, МГц	Рвых, кВт	Ua, кВ	КПД, %
М-116-50	Магратеп	915	50	13	75
М-116-100	Магратеп	915	100	19,5	85
М-137	Магратеп	433	50	13	75
М-168	Магратеп	2450	5	5	63
М-172	Магратеп	2450	2	5	70
YJ1600	Philips	2460	5	7,5	72
CWM-30S	California Tube Lab	2450	30	16,5	67
NL915-50	Richardson Electronics	915	50	15	83

Радиационные характеристики ускорителей

• Эффективный диаметр фокусных пятен на мишени не превышает 2 мм;
• Энергия ускоренного электрона достигает 10 МэВ / 6 МэВ;
• Максимальный уровень средней мощности дозы излучения, которое генерируется на расстоянии 1 м от тормозной мишени, расположенной на центральной оси - 10 Гр/мин / 30 Гр/мин;
• Асимметрия полей тормозного излучения не должна превышать 5.

Габариты и масса отдельных элементов ускорителей

Наименование оборудования	Длина, мм	Ширина	Высота	Масса, кг
Излучатель (без подвески)	2040	880	920	900
Блок управления	530	430	150	25
Теплообменник	645	600	680	130

Конструкция ускорителя

Излучатель монтируется на тележке мостовых кранов с помощью специального подвеса, позволяющего менять положение относительно изделия от 1350 (влево) до 1800 (вправо) в горизонтальной плоскости и от 950 (вниз) до 450 (вверх) в вертикальной плоскости.

Излучатель имеет вид силовой рамы,изготовленной из алюминиевого профиля. Внутри него расположено практически все техническое оборудование ускорителя, в том числе система высоковольтного питания, которая состоит из импульсного модулятора магнетрона и высоковольтного выпрямителя.

Электронные пучки, эмитированные катодом источника электронов и ускоренные в диафрагмированном волноводе, направляются на мишень, где происходит их преобразование в тормозное излучение. Источником высокочастотной энергии в ускорителе УЭЛ-6-Д служат магнетроны MG5193 (GLM5193), а в ускорителе УЭЛ-10-Д – магнетроны MG5193 (GLM5193).

В качестве основы системы управления ускорителями используются промышленные компьютеры, расположенные на пульте управления, а все блоки сопряжения установлены в самом излучателе.

Температурная стабилизация ускоряющих устройств и охлаждение магнетрона и тормозной мишени обеспечиваются за счет замкнутого контура водяного охлаждения при помощи водо-воздушных теплообменников. Это приспособление имеет небольшие габаритные размеры и малый вес, что позволяет расположить его рядом с излучателем непосредственно на кране.

Для электропитания ускорителей требуется трехфазная сеть переменного тока напряжением 3x380 В ±10%, 50 Гц ±1%. Уровень потребляемой мощности не должен превышать 15 кВА для ускорителя марки УЭЛ-6-Д и 20 кВА для ускорителей модели УЭЛ-10-Д.

Ускорители имеют продолжительный трехсменный режим работы с одночасовым перерывом между отдельными сменами, предназначенный для проведения осмотра. Такие приборы востребованы в машиностроительной отрасли, а также часто используются в составе томографических и интроскопических комплексов и системе таможенного контроля.