Я. А. Старець

ЗАТ “Тантал-Наука”, Саратов

Магнетрони для медичних установок мають потужність від часток вата до 250-300 Вт, і навряд чи тут можливий серйозний розвиток.

Побутові магнетрони застосовуються в СВЧ-печах в інтервалі потужності від 500 Вт до 1-1,2 кВт в діапазоні частот 2400-2500 МГц. Номенклатура їх надзвичайно широка.

Відомі в даний час промислові магнетрони мають потужність від 1 до 20 кВт в діапазоні частот 2400-2500 МГц і 50-100 кВт і більше на частотах 915 і 433 МГц.

Перераховані вище магнетрони зберігають панівне становище в різних областях застосування завдяки своїм експлуатаційним характеристикам і порівняно низькою собівартістю. До числа основних експлуатаційних характеристик відносяться вихідна потужність, ККД, довговічність, стійкість роботи в широкому діапазоні навантажень, накальной характеристики приладів. Одним з найважливіших параметрів є також здатність поглинання НВЧ-енергії речовиною в різних ділянках діапазону.

Основна відмінність магнетронов, що працюють на частотах близько 915 МГц, в тому, що перераховані вимоги можуть розглядатися незалежно один від одного. Існуючі конструкції забезпечують оптимальні параметри аж до декількох сотень кіловат. Прогнозувати появу магнетронов з середньою потужністю близько 0,5-1 МВт можна, але це буде залежати, головним чином, від конкретних завдань промисловості.

При розробці магнетронов, що працюють на частотах 2400-2500 МГц, відсутність взаємного впливу перерахованих вище параметрів має місце до потужностей близько 0,8-1,2 кВт. В інтервалі від 1 до 5-6 кВт існує пряма взаємозалежність всіх перерахованих вище параметрів, в першу чергу взаємозв’язок потужності і ККД з стійкістю (КСХН), а при подальшому підвищенні потужності – також і з довговічністю. При потужності в 10 кВт і вище докорінно змінюється підхід до конструювання системи резонатора і катода. Необхідно вводити рідинне охолодження безпосередньо в замедляющую систему і катод.

Існуючі конструкції магнетронів, що працюють на частотах 2,4-2,5 ГГц, забезпечують весь інтервал потужностей від одиниць ват до 15-20 кВт. Поряд з побутовими магнетронами, які застосовуються і в окремих промислових установках, найбільше застосування знаходять магнетрони потужністю 3 і 5 кВт; їх експлуатаційні характеристики не поступаються зарубіжним зразкам, а за таким параметром, як довговічність, значно їх перевищують. Так, що випускається у нас 3-кіловатний магнетрон М-141, що забезпечує взаємозамінність з відповідними конструкціями фірми Philips, завдяки внесеним удосконаленням працює в італійських і німецьких установках полімеризації гуми (міста Єкатеринбург і Балаково) в середньому понад 10 тисяч годин, окремі зразки – більше 25 тисяч годин. Основними завданнями в цьому діапазоні в найближчі роки є створення магнетрона потужністю 50 кВт і підвищення ККД до 80% для магнетронів, що працюють 4-5 тисяч годин на рік. Особливо стоїть питання про дворежимних магнетронах.

Створення магнетрона потужністю 50 кВт з довговічністю 4-5 тис. Годин і більше представляється в даний час можливим, хоча завдання це непросте. Наш досвід дозволяє її вирішити на базі магнетрона М-146 з боковим катодом, який вистрілює потік по осі приладу. Перші прилади повинні бути виготовлені в середині 2001 року. Наявний доробок дозволить надалі підвищити потужність до 100 кВт.

Проблемою підвищення ККД до 80% ми зайнялися для установок, що перетворюють СВЧ- енергію в світлову. Цей спосіб дає можливість в 5-10 разів збільшити світловіддачу в порівнянні з лампами розжарювання і ртутними лампами при спектрі, відповідному сонячного. Установка випускається фірмою FL (США). Отриманий результат є наслідком відходу від традиційних рішень при визначенні основних параметрів конструкції і закріплений патентом. Поставка таких приладів розпочнеться найближчим часом.

Важливим у розвитку магнетронного напрямку є всебічне розширення їх застосування в різних технологічних процесах. Сьогодні, як правило, магнетрони потужністю до 10-15 кВт працюють на частотах близько 2400 МГц, а 25 кВт і вище – 915 і 433 МГц. В окремих випадках вибір діапазону залежить не тільки від потужності, але і від поглинаючих властивостей речовини, що піддається впливу СВЧ-енергії. Особливо наочно це проявляється при вирішенні задачі знищення отруйних речовин, утилізації відходів АЕС та при деяких інших процесах.

Окремо стоїть проблема взаємодії НВЧ-енергії з живими організмами, наприклад при знищенні мікробів в наповнювачах ліків або обробці харчових продуктів. На початку 90-х рр. ми вперше зіткнулися з проблемою імпульсного впливу на мікроорганізми в діапазоні частот близько 2400 МГц, т. е. при значеннях hv у багато разів менших, ніж ті, які можуть призвести до руйнування навіть дуже великих молекул. При знезараженні наповнювачів ліків ефект був отриманий при імпульсної потужності порядку 20 кВт і шпаруватості 50 (середня потужність менш 1 кВт) – кількість мікробів зменшилася на три порядки за час обробки менше 1 хвилини.

Проведене спільно з хіміками обговорення показало, що ми зовсім не знали в той час про існування складних утворень у воді, званих кластерами. Руйнування цих утворень призводило до загибелі мікробів, які більш ніж на 90% складаються з води. Цей випадок дав поштовх до більш глибокого вивчення взаємодії НВЧ-енергії з речовиною, зокрема до дослідження проблем, пов’язаних зі знищенням отруйних речовин. Слід зазначити, що ці дослідження вимагають взаємодії вчених і інженерів різних галузей знань. Принципово нові технології, швидше за все, будуть народжуватися на стику наук, так як в кожній окремій області багато напрямків вичерпали себе.

Несподівано ми зіткнулися з проблемою психологічного характеру, що виражається в небажанні фахівців-хіміків допускати кого б то не було в свою область і нерозумінні характеру взаємодії НВЧ-енергії з речовиною, принципово відрізняється від понять про теплопровідності (причому це нерозуміння має місце на вельми високому рівні фахівців). Подолання цих труднощів – дуже не проста справа, яким ми займаємося в області знищення отруйних речовин більше 5 років.

Спочатку на замінниках сучасних нервово-паралітичний газів (зарин, зоман, УХ) і старих (іприт і ін.) Були перевірені їх поглинаючі властивості при впливі випромінювання частотою 915 і 2450 МГц. Виявилося, що остання цифра дає у багато разів кращі результати. Розкладання отруйних речовин йде інтенсивно при температурі від 150 до 270 ° С. Вирішальну роль грає різниця між температурою розкладання і кипіння: якщо вона велика (для УХ близько 100 ° С), то завдання вирішується порівняно легко; при малій різниці значна частина газів відлітає, якщо не підтримувати вузький температурний інтервал за допомогою зворотного зв’язку. На жаль, в умовах, в яких ми опинилися, здійснити це не вдалося. Для УХ результат був позитивним: залишок речовини в посудині і теплообміннику був нижче роздільної здатності засобів вимірювання (Нижче КГ6). Для зарину і зомана потрібні інші умови експерименту через невеликої різниці між температурою кипіння і розкладання.

Необхідно відзначити, що в даний час існують два способи вирішення завдання: термічний (нагрівання і спалювання в спеціальних печах), який застосовували в США (завод в штаті Юта), і хімічний з двох стадій – Розкладання за допомогою моноетаноаміна з подальшим розведенням отриманого продукту (3- ^ 5-10 “5) І його бітумізація.

Наші експерименти показали, що при СВЧ-нагріванні питоме значення необхідної потужності зменшується в десятки разів, оскільки при температурі всередині снаряда 300 ° С його оболонка має менше 200 ° С, при зовнішньому нагріванні – до 700-800 ° С. Це пов’язано з низькою величиною теплопровідності фосфорного ангідриду, що утворюється при розкладанні ФОР.

В даний час ми звернули свої зусилля на запропонований двохстадійний процес, вірніше, на його другу стадію, замінюючи бітумізація заскловування. Це дає можливість повного розкладання залишків ОВ в основній масі одержуваного твердого залишку.

Розвиток застосування СВЧ-енергії в промисловості, швидше за все, піде шляхом взаємодії її з речовиною, при цьому знань у представників окремих областей явно недостатньо для вирішення великих проблем. Наведемо лише два приклади: 1) утилізація відходів АЕС та атомних електростанцій; це проблема світового порядку; 2) збільшення виходу кольорових і благородних металів при попередній обробці породи СВЧ- енергією, наприклад, золота, срібла (так, застосування НВЧ для попередньої обробки золотоносних порід дозволить збільшити вилучення міститься в ній золота з 81-82% до 97-98%). Питання об’єднання зусиль стоїть дуже гостро, у цьому зв’язку корисним може стати створення цільового ради під патронажем Академії наук.

На закінчення відзначимо, що настав час поліпшити характер підготовки спеціалтов-електронників, проводячи спеціальні курси або семінари з матеріалознавства та хімії хоча б в провідних вузах країни. Можлива організація спеціальних курсів удосконалення для досвідчених інженерів і науковців із залученням фахівців із суміжних областей.

* * *

1.            У розробці магнетронов для промислових потреб можна чекати появи на ринку 50-кіловатного магнетрона, що працює в діапазоні частот 2400-2500 МГц вже в найближчі рік-два. Можна прогнозувати появу магнетрона з потужністю до 100 кВт протягом 5-6 років. Як в сантиметровому, так і в дециметровому діапазонах будуть розвиватися дворежимні магнетрони, головним чином для застосування в біотехнологіях. При цьому часові параметри будуть визначатися розвитком самої біотехнології. Слід очікувати появи магнетронов потужністю до 5 кВт і працюють на частоті близько 5800 МГц, яка також виділена для промислового застосування (в даний час значення потужності в цьому діапазоні не перевищує 1 кВт). На частотах 915 і 433 МГц також будуть рости значення потужності, і вже в цьому десятилітті реальною є цифра 500 кВт.

2.            Головним напрямком в області застосування магнетронів має стати вивчення процесів взаємодії НВЧ-енергії з речовиною, як з живим (руйнування кластерів), так і у всіх сферах технологічних процесів, про які йшла мова вище. Швидкість цього руху буде залежати від ступеня взаємодії основних фахівців у різних галузях технології з фахівцями в області вакуумної НВЧ-електроніки. При цьому ініціатива в чому буде залежати від нас, в першу чергу в пошуках цих нових напрямів. Вже зараз ясно, що до їх числа належать питання знищення та зберігання залишків ОВ і відходів атомної промисловості, збагачення руд і витягання з них благородних і рідкісних металів та багато інших.

3.            Доцільно і необхідно внести в найближчі роки зміни в систему підготовки та перепідготовки кадрів з метою зближення точок зору на ці проблеми вчених та інженерів різних шкіл і областей знання.

Література

1.         Адамович В. А., Єрьомін В. П., Перовський Е. В., Старець Я. А. Магнетрон для СВЧ-нагрівання: Патент 2143767.

Росія. Пріоритет від 02.06.98.

2.         Старець Я. А., Кочергін А. І. Спосіб термічного розкладання отруйних речовин: Патент 2093229.

Росія. Пріоритет від 19.03.96.

3.         Proceedings of International Symposium on Gold Metallurgy. Winnipeg, Canada. 1987. P. 327-393.

Джерело: ВАКУУМНА СВЧ ЕЛЕКТРОНІКА: Збірник оглядів. – Нижній Новгород: Інститут прикладної фізики РАН, 2002. – 160 с.