1.3. Особенности коаксиальных магнетронов
advertisement
СОДЕРЖАНИЕ АННОТАЦИЯ……………………………………………………………………6 ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………..……...7 ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МАГНЕТРОНАХ………...…………....9 1.1. История создания магнетрона……………………….…………..….9 1.2. Особенности конструкции магнетронов…………………………..12 1.3. Особенности коаксиальных магнетронов…………………….…...29 1.3.1. Принцип работы коаксиального резонатора, связанного с колебательной системой анодного блока коаксиального магнетрона…………………………………………….………….….30 1.3.2. Рабочие характеристики коаксиального магнетрона………33 1.4. Применение магнетронов………………………………………….38 ГЛАВА 2. РАСЧЁТ ЧАСТОТЫ π-ВИДА СИСТЕМЫ…………….……..40 2.1. Постановка задачи………………………………………….……….40 2.2. Обеспечение расстановки видов колебаний, необходимых для устойчивой работы магнетрона………………………………………...40 2.2.1. Расчёт и построение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора……………….……41 2.2.2. Экспериментальное нахождение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора…………..………45 2.2.3. Расчёт частоты π-вида системы………………..………….….46 2.2.4. Экспериментальное определение частоты π-вида системы...50 ГЛАВА 3. РАСЧЁТ ПРОСТРАНСТВА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНЕТРОНА И ПАРАМЕТРОВ ЗАМЕДЛЯЮЩЕЙ СИСТЕМЫ..….52 3.1. Выбор числа резонаторов…………………………………………..52 3.2. Расчёт отношения диаметров катода и анода…………………..…53 3.3. Определение диаметров катода и анода……………………….….53 3.4. Расчёт рабочего напряжения анода………………………………..54 3.5. Определение значения рабочей магнитной индукции………...…54 4 3.6. Определение величины рабочего тока анода……………..………54 3.7. Определение высоты анода………………….……………..………55 3.8. Определение толщины ламели и ширины щели АЗС на границе пространства взаимодействия…………………………………….…….55 ГЛАВА 4. ОСОБЕННОСТИ КОАКСИАЛЬНОГО МАГНЕТРОНА……56 4.1. Особенности обработки анодного блока………………….………56 4.2. Основные этапы сборки прибора…….………………….………..57 4.3. Тепловой режим анодного блока магнетрона.………....…………57 ВЫВОДЫ…………………………………………………………..……………59 ГЛАВА 5. БЕЗОНАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ……..…………60 5.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов…..…..60 5.2. Классификация электрического оборудования по способу защиты от электрического тока……………………...…...……...……..62 5.3. Электробезопасность…………………………….……..………….64 5.3.1. Сеть-TN-C………………………………………..………….64 5.3.2. Сеть TN-S и Сеть TN-С-S …….………………..…………..67 5.4. Защитное зануление………………….….…………….……………68 5.5. Устройство защитного отключения УЗО…..………..…………….69 5.6. Выбор типа УЗО…………………………….………………………75 5.7. Расчёт защитного заземления……………….………..……………76 ГЛАВА 6. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………..………….79 6.1. Воздействие СВЧ излучения на человека………………..………79 6.2. Инженерный метод расчёта защиты персонала от СВЧ излучения………………………………………………….……..………80 ГЛАВА 7. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ………………………………….83 7.1. Расчёт себестоимости изделия………….…………………………83 ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………….…………………………………..…………85 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………………….86 ПРИЛОЖЕНИЕ…………………………………………………..……………87 5 АННОТАЦИЯ В данной работе будет рассмотрено общее устройство, принцип работы, технология изготовления и основные этапы сборки прибора, имеющего огромное практическое значение в области возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот – коаксиального магнетрона. Приборы миллиметрового диапазона длин волн находят все большее применение в радиоаппаратуре. При этом при использовании магнетрона не предъявляется чрезмерно высоких требований к квалификации эксплуатационного персонала, к средствам обеспечения техники безопасности. В работе приведены расчеты, необходимые для разработки магнетрона. Проведен расчёт пространства взаимодействия и параметров замедляющей системы. Проверка магнетрона на установках низкого уровня мощности и высокого уровня мощности показали, что выходные параметры полностью удовлетворяют поставленным требованиям и подтверждают хорошую работоспособность прибора. Также проведён анализ опасных и вредных факторов на производстве, влияния СВЧ излучения на человека, рассчитана себестоимость прибора. В приложении находятся чертежи основных узлов прибора (катод, анодный блок) и описание установки низкого уровня мощности. 6 ВВЕДЕНИЕ Для возбуждения мощных колебаний сверхвысоких частот большое практическое значение имеет коаксиальный магнетрон. Вторая половина столетия 20-го отмечена значительными успехами в области совершенствования конструкции и параметров магнетрона. Следует отметить 3 события, кардинальным образом повлиявших на перспективу использования магнетрона в современной технике. К таковым следует отнести появление безнакальным коаксиального автоэмиссионным магнетрона (КМ), запуском и магнетрона магнетрона с на пространственной гармонике не π-вида колебаний. С появлением новых технологий и большого количества накопленных знаний появляются возможности модернизации старых приборов и создания на их основе новых, более совершенных, лёгких, компактных. Использование безнакальных магнетронов позволяет создавать новую аппаратуру с высокими характеристиками: - возможность мгновенного кратковременного выключения и переключения режимов работы аппаратуры, в том числе многократного изменения скважности в 100 и более раз; - повышенная, за счет использования "холодного" катода, долговечность и надежность даже при повышенных нагрузках на катод; - повышенная надежность за счет исключения отказов цепи накала магнетрона, накального трансформатора реле и переключателей; - уменьшенная масса аппаратуры за счет исключения переключателей и облегчения источника питания; - уменьшенная стоимость производства аппаратуры за счет снижения ее энергопотребления и упрощения эксплуатации и конструкции. Безнакальные магнетроны успешно используются в навигационной аппаратуре морских и речных портов, в РЛС самолетов и вертолетов, в 7 охранной аппаратуре, включая переносную, в метеорадарах. Расширение области использования в технике безнакальных магнетронов можно и быту и обеспечить рост производства несколькими путями. Первый – разработка более мощных магнетронов в освоенном диапазоне частот. Это мощности вполне реальный путь, так как при увеличении выходной растет напряжение анода магнетрона и, следовательно, улучшаются условия для автоэмиссии катода. Ставится актуальная задача разработки коаксиального магнетрона с безнакальным катодом. Это изобретение может быть использовано зажигания топлива в двигателях автомобилей. При использовании СВЧэнергии для зажигания топлива в камере сгорания двигателя расход топлива сократится в 1,5 раза, а выброс СО уменьшится примерно в 10 раз. Легко подсчитать, что в крупных городах только легковые автомобили дадут за первые 10 тыс. км пробега экономию примерно 500 л бензина или около 1000 долл. При массовом производстве стоимость безнакального магнетрона вместе с источником питания будет относительно невысока. Долговечность безнакального магнетрона 5–10 тыс. ч обеспечит пробег автомобиля 200–500 тыс. км без замены магнетрона. Можно внести проблем городов, экономичные и значительный если вклад перевести экологически в решение экологических автомобильный чистые двигатели, транспорт на запускаемые СВЧ- энергией безнакальных магнетронов. При этом требуемые инвестиции в десятки раз меньше, чем необходимо для перевода автомобильного транспорта на электромобили и на строительство дополнительных электростанций близ крупных городов. Таким образом, безнакальные магнетроны, специально приспособленные для конкретных приложений, могут эффективно применяться в различных отраслях техники. 8 ГЛАВА 1. Общие сведения о магнетронах 1.1. История создания магнетрона Магнетро́н (от греч. μαγνήτης — магнит и электрон) — электровакуумный прибор для генерации радиоволн сверхвысокой частоты (СВЧ, микроволн), в котором взаимодействие электронов с электрической составляющей поля СВЧ происходит в пространстве, где постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю. Принято считать, что класс ЭВП берет начало от изобретения Дж. А. Флемингом вакуумного управляемой диода трехэлектродной (1904 лампы г.), Л. последующего де Фореста появления (1906 г.) и использования триода для генерирования электрических колебаний (А. Мейснер 1913 г.). Это дало толчок к разработке и применению мощных генераторных ламп в радиопередатчиках для радиовещания и дальней радиосвязи. Наряду с этим в 1910 г. был предложен управляемый магнитным полем диод изобретателем (К.Гадинг, Германия; "магнетрон", что не патент №2765228/10), приобрело названный известности, и по общепринятой версии автором термина "магнетрон" считается американский физик А.Халл, впервые опубликовавший (1921 г.) результаты теоретических и экспериментальных исследований работы магнетрона в статическом и динамическом режимах. Эффект же генерирования магнетроном СВЧколебаний открыл в 1924 г. А.Жачек (Чехословакия). Это - циклотронные колебания (в эксперименте Жачека - на длине волны более 30 см). Практически в то же время американский физик Хаббан обнаружил колебания "типа отрицательного сопротивления" в магнитном диоде с разрезным 12-ти сегментным анодом. В последующий период 1926 - 36 г.г. магнетрон развивался уже как генератор электромагнитных колебаний. Так в 1927 г. Слуцкий А.А. и Штериберг Д.С. в СССР впервые создали магнетроны в диапазонах 60 - 30 и 7,5 см. Основная тенденция этого периода, кстати, характерная и для 9 сегодняшнего времени - увеличение мощности и продвижение в диапазон все более коротких волн. Однако вплоть до 1936 – 40 г.г. все попытки реализовывались в рамках использования магнитного диода с разрезным анодом и внешнего подключенного к аноду LC-коллебательного контура. Так, в 1929 г. А. Окабе (Япония) добился в 4-х сегментном магнитном диоде генерирования колебаний в диапазоне 3-5 см., а в 1932 г. E. Meгoy (Англия) получил колебания в диапазоне 40-60 см в диоде с 12-ти сегментным анодом. Параллельно с экспериментальными исследованиями предпринимались усилия в области теории магнетронов. Важной вехой в этой сфере стало введение концепции синхронизма при взаимодействии вращающегося электронного потока с полями бегущей волны (1934 г., К.Постумус, Голландия), а в сфере практического решения задач увеличения мощности и частоты надо считать появление в 1936-40 г.г. магнетронов с цельным медным анодом, в теле которого выполнены несколько полых СВЧрезонаторов, что дало возможность исключить внешние LC-контуры. В СССР первый образец такого многорезонаторного магнетрона был разработан инж. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым в ходе цикла работ, проводимых в 1936-40 г.г. под руководством М. А. Бонч-Бруевича, собственные научные интересы которого относились отнюдь не к магнетронам а к ламповым генераторам. Публикация результатов была осуществлена только в 1940 г., но рекордный по тому времени уровень мощности (до 300Вт в непрерывном режиме) был получен на длине волны ~ 9 см., что стало хорошим подтверждением продуктивности идеи построения таких магнетронов. В 30-е годы многие инженеры предлагали для Магнетрона катоды в форме полого цилиндра, например американский инженер К. Хенсел в 1933 (для М., у которого катод окружает анод), американские инженеры Л. Молтер, Дж. Райхман, Р. Гудрич в 1936 (для использования вторичной 10 эмиссии катода в М.), советский инженер В. П. Илясов в 1939 (для многорезонаторного М.). В 40—70-е годы в многорезонаторный М. инженерами многих стран (СССР, Великобритании, США, Японии и других) был внесён ряд улучшений, были разработаны более тысячи типов многорезонаторных Магнетронов, в основном для радиолокации. С конца 60-х годов резко увеличился выпуск М. непрерывного генерирования колебаний на волне Магнетрон 12 см для нагрева полями СВЧ в печах бытового назначения (мощностью 0,5—3 квт) и промышленных установках (мощностью 5— 100 квт). В 1950—1970-е годы на основе многорезонаторного Магнетрон был создан ряд приборов для генерации и усиления колебаний СВЧ. Распространение Магнетрона вызвано высоким кпд (до 80%), компактностью конструкции и стабильностью работы при сравнительно невысоких анодных напряжениях. В начале 70-х годов промышленно развитыми странами выпускаются Магнетроны для работы на различных частотах от 0,5 до 100 Ггц, с мощностями от нескольких вт до десятков квт в непрерывном режиме генерирования колебаний и от 10 вт до 5 Мвт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков мксек. Магнетроны выпускаются как неперестраиваемые (фиксированная частота), так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10%). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек) — ротационные и вибрационные механизмы. 11 1.2. Особенности конструкции магнетронов Магнетроны могут работать на различных частотах от 0,5 до 140 ГГц, с мощностями от нескольких Вт до десятков кВт в непрерывном режиме и от 10 Вт до 5 МВт в импульсном режиме при длительностях импульсов главным образом от долей до десятков микросекунд. Магнетроны обладают высоким КПД (до 80 %). Магнетроны бывают как неперестраиваемые, так и перестраиваемые в небольшом диапазоне частот (обычно менее 10 %). Для медленной перестройки частоты применяются механизмы, приводимые в движение рукой, для быстрой (до нескольких тысяч перестроек в сек) — ротационные и вибрационные механизмы. В последние являющихся 10-15 лет источниками почти во СВЧ-энергии, всех классах достигнуто приборов, существенное улучшение параметров и характеристик. Это способствует расширению традиционных и появления новых сфер применения энергии СВЧ электромагнитных растущие волн, что, в требования к надежности, долговечности свою очередь, выдвигает электрическим и постоянно характеристикам, показаниям экономичности и стимулирует как дальнейшее совершенствование существующих классов и типов СВЧ приборов, так и разработку новых . Реальная конкуренция привела с одной стороны к, достаточно ясному ограничений, а, с другой стороны и объективному к более или разграничению сфер предпочтительного пониманию менее определенному использования тех или иных приборов . Так за магнетронами остаются преимущества в тех областях, где требуется минимизация массогабаритных параметров прибора и радиоэлектронного средства (РЭС ) в целом, эксплуатация надежность и простота управления; низкие рабочие напряжения и уровни рабочих колебаний. 12 На источниками сегодня магнетроны остаются самыми дешевыми СВЧ -энергии среди ЭВП СВЧ ( в расчете на 1 Вт мощности ) и обладают самой высокой удельной мощностью. За последние два десятилетия классические магнетроны были существенно усовершенствованы в направлении миниатюризации, повышения долговечности и надежности. Это касается как магнетронов непрерывного действия, применение которых для бытовых СВЧ печей, установок промышленного нагрева, для медицинской аппаратуры и др. неуклонно ширится, так и импульсных магнетронов. Межтиповая же конкуренция среди магнетронов все же привела к заметному вытеснению классических импульсных магнетронов коаксиальными (КМ) и обращено коаксиальными (ОКМ). Соответственно типовое представительство магнетронов существенно расширилось. Появились магнетроны запускающиеся с “холодного“ катода, что обеспечивает минимальное время готовности. В целом интерес к магнетронам как в среде их разработчиков, так и в среде создателей современных РЭС, в связи с развитием и раскрытием еще не исчерпанных возможностей этих приборов, возродился и заметно возрастает. Создание магнетронов, отвечающих современным нарастающим требованиям, встречают трудности и ограничения, появляющиеся при совокупности или автономном решении таких задач как : - достижение повышенных уровней мощности, особенно по мере продвижения в коротковолновый участок сантиметрового диапазона и в миллиметровый диапазон длин волн. -достижение повышенной стабильности частоты (в частности от импульса к импульсу ) -достижение широкого диапазона перестройки частоты; - обеспечение повышенной скорости перестройки частоты и специфических 13 законов её изменения от импульса к импульсу и внутри импульса. -достижение повышенных длительностей импульса; - достижение пониженных уровней побочных колебаний, в том числе гармоник, генерируемых магнетроном. Типичные характеристики Магнетрона приведены на Рис.1.1 Магнетрон начинает работать, когда анодное напряжение достигает значения, соответствующего началу синхронизма. С увеличением напряжения условия синхронизма улучшаются; сила тока, выходная мощность и кпд Магнетрона увеличиваются. При оптимальных условиях синхронизма кпд Магнетрона достигает максимума. Дальнейшее повышение анодного напряжения постепенно ухудшает синхронизм и сопровождается снижением кпд, несмотря на увеличение силы тока и выходной мощности. Рис. 1.1 Типичная рабочая характеристика импульсного магнетрона. Заштрихованными участками обозначены области отсутствия генерации, сплошными линиями — импульсная выходная мощность Ри и напряжённость постоянного магнитного поля Н, пунктирными линиями — кпд (без учёта мощности подогрева катода). 14 Рис. 1.2. Рабочие характеристики магнетронов. В практике эксплуатации магнетронов широко пользуются графическими рабочими характеристиками, позволяющими в зависимости от конкретных условий установить требуемые значения мощности и КПД. По вертикальной координатной оси отложены значения анодного напряжения, по горизонтальной оси — значения анодного тока. Для выражения взаимной зависимости нескольких параметров магнетрона на рабочие характеристики наносят ряд кривых, вдоль которых одна из представляемых величин остается неизменной. Эти кривые называются соответственно линиями постоянной мощности, КПД и магнитной индукции. На рис. 1.2. линии постоянной индукции сплошные, линии постоянного КПД — пунктирные. Если изменять напряжение на магнетроне от значения U1 до U2, оставляя неизменной магнитную индукцию ВЗ, то рабочая точка, определяющая режим работы магнетрона, будет перемещаться вдоль линии постоянной индукции. Вследствие слабого наклона линий постоянной индукции при этом будет наблюдаться сильное изменение тока, протекающего через магнетрон (от h до Ь). Из характеристик видно, что в пределах одной линии постоянной индукции ток изменяется практически от 15 нуля до своего максимального значения при относительно небольшом изменении анодного напряжения. Поэтому на практике режим работы магнетрона удобнее контролировать не по напряжению на магнетроне, а по анодномутоку. В областях очень малых и очень больших токов магнетрон работает неустойчиво, в области малых токов наблюдается низкая стабильность частоты магнетрона, а в области больших токов возможно появление искрения — кратковременных электрических пробоев внутри магнетрона, приводящих к быстрому разрушению катода. КПД магнетрона возрастает при одновременном увеличении анодного напряжения и магнитной индукции, если при этом не нарушаются условия синхронизма. КПД магнетрона напрямую зависит от потерь, которые происходят двумя путями. Часть мощности теряется потому, что некоторые электроны прибывают на анодный блок магнетрона с крупными скоростями и тратят свою энергию на его нагрев. Вследствие этого магнетрон разогревается до высокой температуры и необходимо принимать специальные меры для его охлаждения. Другая часть мощности теряется в резонаторах магнетрона, так как в них возникают СВЧ токи большой силы. Для снижения этих потерь необходимо повышать добротность резонаторов. Существуют и некоторые другие виды потерь, но их удельный вес невелик. Магнетрон состоит из анодного блока, который представляет собой, как правило, металлический толстостенный цилиндр с прорезанными в стенках полостями, выполняющих роль объёмных резонаторов. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Соосно анодному блоку закрепляется цилиндрический катод. Внутри катода закреплён подогреватель. Магнитное поле, параллельное оси прибора, создаётся внешними магнитами или электромагнитом. 16 Для вывода СВЧ энергии используется, как правило, проволочная петля закреплённая в одном из резонаторов или отверстие из резонатора наружу цилиндра. Резонаторы магнетрона представляют собой замедляющую систему, в них происходит взаимодействие пучка электронов и электромагнитной волны. Поскольку эта система в результате кольцевой конструкции замкнута сама на себя, то её можно возбудить лишь на определённых видах колебаний, из которых важное значение имеет π-вид. Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10 %). Так как в магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой). 17 Рис. 1.3. Многорезонаторный магнетрон простейшей конструкции (слева — внешний вид; справа — разрез): 1 — анодный блок с 8 резонаторами типа «щель-отверстие»; 2 — резонатор; 3 — ламель анодного блока; 4 — связка в виде металлического кольца (второе такое же кольцо расположено на другом торце анодного блока); 5 — катод; 6 — выводы подогревателя катода; 7 — радиатор; 8 — петля связи для вывода энергии СВЧ; 9 — стержень вывода энергии СВЧ для присоединения к коаксиальной линии В анодный простейшей блок центральным конструкции представляет круглым собой сквозным многорезонаторного массивный отверстием медный и Магнетрона цилиндр с симметрично расположенными сквозными полостями (от 8 до 40), выполняющими роль объёмных резонаторов. Каждый резонатор соединяется щелью с центральным отверстием, в котором расположен катод. Резонаторы образуют кольцевую колебательную систему. Такая система имеет не одну, а 18 несколько резонансных частот, при которых на кольцевой колебательной системе укладывается целое число стоячих волн от 1 до N/2 (N — число резонаторов). Наиболее выгодным является вид колебаний, при котором число полуволн равно числу резонаторов (так называемый π-вид колебаний). Этот вид колебаний назван так потому, что напряжения СВЧ на двух соседних резонаторах сдвинуты по фазе на π. Для стабильной работы Магнетрона (во избежание перескоков во время работы на другие виды колебаний, сопровождающихся изменениями частоты и выходной мощности) необходимо, чтобы ближайшая резонансная частота колебательной системы значительно отличалась от рабочей частоты (примерно на 10%). Так как в Магнетроне с одинаковыми резонаторами разность этих частот получается недостаточной, её увеличивают либо введением связок в виде металлических колец, одно из которых соединяет все чётные, а другое все нечётные ламели анодного блока, либо применением разнорезонаторной колебательной системы (чётные резонаторы имеют один размер, нечётные — другой). Отдельные модели магнетронов могут иметь различную конструкцию. Так, резонаторная система выполняется в виде резонаторов нескольких типов: щель-отверстие, лопаточных, щелевых и т.д. Коаксиальный магнетрон, магнетрон с коаксиальным резонатором, магнетрон, в котором вокруг анодного блока расположен коаксиальный резонатор, соединённый щелями с резонаторами анодного блока. Щели, соединяющие коаксиальный резонатор с анодным блоком, прорезаются параллельно оси магнетрона в задних стенках не всех резонаторов, а через один. Коаксиальный магнетрон был предложен французским инженером И. Азема в 1950 и более совершенной конструкции — американскими учёными Р. Колье и И. Фейнштейном в 1955. Коаксиальный магнетрон имеет ряд преимуществ в сравнении с классическим: 19 а) повышает стабильность его работы (у коаксиального магнетрона уход частоты, вызванный отражением волн от нагрузки, ширина спектра частот и интенсивность боковых лепестков спектра примерно в 5 раз меньше, а уход частоты от изменения силы тока и пропуск импульсов примерно в 10 раз меньше, чем у обычного магнетрона); б) разделяет частоты равнорезонаторного анодного блока настолько, что отпадает необходимость применения связок; в) позволяет увеличить рабочую поверхность катода и анодного блока и за счёт этого снизить плотность электронного потока, увеличить долговечность коаксиального магнетрона в 3 — 4 раза по сравнению с обычным магнетроном; г) обеспечивает механическую перестройку частоты на 6 — 13% перемещением поршня в коаксиальном резонаторе без существенного изменения выходной мощности. В многорезонаторном Магнетроне на электроны, движущиеся в пространстве между катодом и анодным блоком, действуют 3 поля: постоянное электрическое поле, постоянное магнитное поле и электрическое поле СВЧ (резонаторной системы). При перемещении электронов в радиальном направлении (от катода к аноду) энергия источника анодного напряжения преобразуется в кинетическую энергию электронов. Под влиянием постоянного магнитного поля, направленного по оси катода (перпендикулярно постоянному электрическому полю), электроны изменяют направление движения: их радиальная скорость переходит в тангенциальную, перпендикулярную радиальной, Так как часть электрического поля СВЧ через щели резонаторов проникает в пространство анод — катод, то электроны при движении в тангенциальном направлении тормозятся тангенциальной составляющей электрического поля СВЧ, и поэтому их энергия, полученная от источника постоянного напряжения, преобразуется в энергию колебаний СВЧ. Поле СВЧ дважды за период колебаний меняет направление. Для непрерывного торможения электронов необходимо, чтобы 20 они от одного резонатора к соседнему (в тангенциальном направлении) перемещались за полпериода. Такой синхронизм между перемещением электронов и тормозящим электрическим полем СВЧ является основным принципом работы многорезонаторного Магнетрона. Электроны, которые попадают в ускоряющее поле СВЧ, увеличивают свою кинетическую энергию и выпадают из синхронизма. Они либо возвращаются на катод, либо попадают в тормозящее поле СВЧ и снова входят в синхронизм. Вследствие действия постоянного магнитного поля, препятствующего попадания электронов на анод, электроны движутся по сложным нерадиальным путям, и внутри магнетрона создается заметный объемный заряд. Устройство типичного многоре- зонаторного магнетрона показано схематически на магнетрона рис. 1.4. является цилиндрический медный Анодом сплошной блок, разделенный на сегменты продольными щелями. Эти щели входят в состав полых резонаторов, расположенных на равных расстояниях по окружности анода. Катод магнетрона имеет цилиндрическую Рис 1.4. Устройство многорезонаторного форму и расположен внутри анода вдоль магнетрона. его оси. Постоянное магнитное поле В направлено вдоль оси прибора, т.е. перпендикулярно плоскости чертежа на второй проекции рис. 1.4. Постоянное или импульсное анодное напряжение Ua приложено между катодом и анодом и создает электрическое поле, перпендикулярное к направлению магнитного поля. Вывод СВЧ энергии производится обычно от одного из резонаторов, например, с помощью петли и коаксиальной линии. В пространстве взаимодействия между катодом и анодом магнетронов происходят все процессы, которые должны присутствовать в любом 21 электронном генераторе и усилителе СВЧ: Управление электронным потомком, образование сгустков и отдача энергии высокочастотному электрическому полю. В магнетронах нет разделенных в пространстве областей управления, группировки и отдачи энергии, которые имеются, например, в клистронах. В работе магнетрона используется процесс движения электронов при наличии двух полей — магнитного и электрического, перпендикулярных друг другу. Магнетрон представляет собой двухэлектродную лампу или диод, содержащий накаливаемый катод, испускающий электроны, и холодный анод. Магнетрон помещается во внешнее магнитное поле. Анод (анодный блок) магнетрона имеет довольно сложную монолитную конструкцию с системой резонаторов, необходимых для усложнения структуры электрического поля внутри магнетрона. Магнитное поле создается либо катушками с током (электромагнит), либо постоянным магнитом, между полюсами которого помещается магнетрон. Если бы магнитного поля не было, то электроны, вылетающие из катода практически без начальной скорости, двигались бы в электрическом поле вдоль прямых линий, перпендикулярных к катоду, и все попадали бы на анод. При наличии перпендикулярного магнитного поля траектории электронов искривляются силой Лоренца. Траектории движения электронов в магнетроне изображены на Рис. 1.5. 22 Рис. 1.5. Траектории движения электронов в магнетроне. Траектория электрона есть циклоида, описываемая точкой, лежащей на окружности круга, равномерно катящегося по катоду. При прохождении циклоидного потока электронов мимо щелей резонаторов анодного блока, в них возбуждаются мощные электромагнитные СВЧ колебания. Высокочастотная энергия из прибора обычно выводится с помощью петли или отверстия связи, помещенных в периферийной части одного из резонаторов анодного блока. Рассмотрим вначале движение электронов в магнетроне, предполагая, что колебаний в резонаторах нет. Для упрощения изобразим анод без резонаторов (рис. 1.6), как будто их забыли сделать. Под влиянием ускоряющего электрического поля электроны стремятся лететь вдоль его силовых линий, т.е. по радиусам от катода к аноду. Но как только они набирают некоторую скорость, постоянное магнитное поле начинает искривлять их траектории. Так как скорость электронов постепенно нарастает, то радиус этого искривления постепенно увеличивается. Поэтому траектория электронов представляет собой не дугу окружности, а более сложную кривую — циклоиду. На рисунке отображены траектории электронов, вылетевших с катода с ничтожно малой начальной скоростью при разной напряженности магнитного поля Н. Анодное напряжение во всех случаях одно и то же. Если магнитное поле отсутствует, 23 то электрон летит строго по радиусу (траектория 1 на рисунке). При напряженности поля, меньшей этого критического значения Нкр, электрон попадает на анод по криволинейной траектории 2. Критическая напряженность поля соответствует более искривленной траектории 3. В этом случае электрон пролетает у самой поверхности анода, почти касаясь ее, и возвращается на катод. Наконец, если поле выше критического, то электрон еще более круто поворачивает обратно (кривая 4). Рис. 1.6. Движение электронов в пространстве взаимодействия при различной индукции магнитного поля Рис. 1.7. Вращающееся электронное облако в пространстве взаимодействия Магнетроны работают при напряженности поля, несколько большей критической. Поэтому электроны при отсутствии колебаний пролетают близко к поверхности анода на различных расстояниях от него в зависимости от начальной скорости. Поскольку одновременно движется очень большое 24 количество электронов, можно считать, что в пространстве взаимодействия вращается электронное облако в виде кольца (рис. 1.7). Скорость вращения электронного облака зависит от приложенного напряжения и поэтому может регулироваться. Чтобы при ее увеличении электроны не попадали на анод, одновременно необходимо увеличивать и напряженность магнитного поля. Теперь вернем на место резонаторы. Все они связаны между собой, так как магнитное поле каждого из них замыкается, проходя через смежные резонаторы (рис. 1.8). Рис. 1.8. Связь между резонаторами магнетрона с помощью магнитного поля Переменное электрическое поле в магнетронных резонаторах сосредоточено в области щели, причем значительная его часть проникает в область взаимодействия, что имеет принципиальное значение в работе магнетрона. Движение электронного облака в пространстве взаимодействия будет наводить токи в резонаторах. Однако в начальный момент увеличение амплитуды колебаний будет сдерживаться тем, что движение электронов не синхронизировано, и в то время, как одни электроны будут возбуждать 25 колебания, сдавая им часть своей кинетической энергии, другие будут эти колебания гасить. Кроме того, если сдвиг фаз в соседних резонаторах на синхронизирован со скоростью электронов, то один и тот же электрон, отдавая энергию одному резонатору, будет ее тут же отбирать у другого. Обычно для нормальной работы магнетрона требуется, чтобы фазы соседних резонаторов были смещены на 1ЭСГ, т.е. на тс радиан. Поэтому такой вид колебаний называется к — видом. Чтобы способствовать возбуждению этого вида и препятствовать возбуждению остальных, в магнетроне используются металлические связки, которые соединяют между собой четные и нечетные резонаторы. Предположим, что в какой-то момент времени в резонаторах случайным образом возникни колебания нужного нам вида (рис. 1.9). Попытаемся доказать, что при правильно заданных режимах магнетрона эти колебания будут усиливаться за счет автоматической группировки взаимодействия мы электронов. В любой точке пространства можем рассматривать СВЧ поле как сумму двух составляющих: радиальной — направленной по радиусу от центра магнетрона, и перпендикулярной ей касательной составляющей. Рассматривая рис. 1.9, можно заметить следующую характерную особенность: во всем пространстве, находящемся под отрицательным сегментом, радиальная составляющая поля направлена к катоду, а во всем пространстве под положительным сегментом она направлена к аноду (попе считаем направленным в ту сторону, куда движется электрон под действием этого поля). Границами, разделяющими эти пространства, являются плоскости, проходящие через ось магнетрона и середины щелей. Обозначим одну из таких плоскостей буквами АА. Слева от этой плоскости радиальная составляющая будет ускорять электроны, поскольку она совпадает по знаку с постоянным анодным напряженным. Так как под влиянием магнитного поля направление скорости изменяется, то 26 через него время увеличение скорости в радиальном направлении превращается в увеличение скорости по направлению к плоскости АА. Поэтому электроны, находящиеся под положительным сегментом, догоняют электроны, находящиеся в плоскости АА. Электроны, находящиеся под отрицательным полюсом, тормозятся радиальной составляющей СВЧ волн, поэтому их скорость в направлении движения электронного облака снижается. В результате образуются области электронных скоплений, по форме напоминающие спицы колеса, как это отображено на рис. 1.10. Эти спицы вращаются с такой скоростью, чтобы за половину периода проходить расстояние от одной резонаторной щели до другой. Рис. 1.9. Распределение силовых линий переменного электрического п пространстве взаимодействия. Рис. 1.10. Форма вращающегося электронного облака в работающем магнетроне 27 В этом случае электроны, находящиеся в спицах, пролетая над щелями резонаторов, могут постоянно попадать в тормозящее поле касательной составляющей и отдавать ему энергию, накопленную во время движения по радиальной составляющей. Таким образом, основная роль касательной составляющей СВЧ поля заключается в преобразовании кинетической энергии электронов в энергию колебаний, а основная роль радиальной составляющей заключается в преобразовании равномерного электронного облака в колесо от телеги. Рассмотрим более подробно движение отдельного электрона в двух случаях: когда он находится в спице и когда он вне ее. Как уже отмечалось, при отсутствии СВЧ поля электрон. вылетевший с катода со скоростью, равной нулю, совершит круг почета вблизи анода и вновь вернется на катод. Причем скорость в конце пути будет той же, что и в начале, т.е. в нашем случае нулевой. При наличии СВЧ поля возможны два случая: 1. Допустим, электрон находится в области спицы. Тогда, вылетев с катода, он будет разгоняться анодным напряжением и за счет магнитного поля постепенно изменять направление движения. Влетев в тормозящее СВЧ поле, он отдаст ему часть своей кинетической энергии, и его скорость снизится. В результате ему не хватит оставшейся энергии, чтобы долететь обратно до катода. В какой-то момент он остановится, а затем вновь начнет движение к аноду под воздействием анодного напряжения. Все предыдущие процессы повторятся, за исключением того, что точкой начала движения будет не катод. В этом же духе будут происходить и последующие циклы, пока в конце концов электрон не доберется до анода. Таким образом, электрон на пути к аноду проходит по сложной траектории (рис. 1.11) несколько раз, отдавая свою энергию СВЧ полю. 2. Возможен, однако, и другой случай. Если при прочих равных условиях электрон вылетел с катода в момент, когда он находился между 28 спицами, то он попадет в ускоряющее СВЧ поле, и поэтому ему после правого разворота в магнитном поле вполне хватит энергии врезаться в катод. Избыток кинетической энергии выделится в виде тепла, приводя к дополнительному разогреву катода. Рис. 1.11. Траектория электрона, находящегося в спице, при движении от катода к аноду. 1.3. Особенности коаксиальных магнетронов Хотя многорезонаторный магнетрон благодаря его компактности и способности генерировать большие мощности продолжает играть значительную роль в области генерирования СВЧ колебаний, возможности его применения ограничиваются рядом трудностей и постепенным ухудшением его характеристик по мере уменьшения длины волны. Эти трудности заключаются главным образом в следующем: - неполная управляемость видом колебаний, с которого начинаются колебания в магнетроне, при нарастании импульса анодного напряжения. - недостаточная частотная стабильность при изменении нагрузки и уровня мощности. Так как в большинстве случаев современные магнетроны имеют механическую настройку частоты, то к указанным трудностям добавляются трудности, связанные с механической настройкой. 29 Давно известно, что для повышения частотной стабильности магнетрона можно использовать внешний резонатор высокой добротности. При реализации этой идеи на практике возникает два препятствия: - расщепление π-вида на две составляющие благодаря конечной длине линии связи между стабилизирующей полостью и генератором, в связи с чем возникает тенденция к генерированию колебаний нестабилизированного вида - начальные условия возбуждения колебаний более благоприятны для нестабилизированных конкурирующих паразитных видов. Если в магнетронах с фиксированной частотой разумным расположением поглощаемого материала, вводимого внутрь прибора, и селективной внешней нагрузкой можно добиться стабильной работы генератора, то в настраиваемых магнетронах эффективность таких усложнений сомнительна. 1.3.1. Принцип работы коаксиального резонатора, связанного с колебательной системой анодного блока коаксиального магнетрона Подобно тому как связки первоначально предназначались для соединения тех точек колебательной системы, которые при колебаниях π-вида находятся под одинаковыми высокочастотными потенциалами, так и рассматриваемый резонатор, конструируется с таким расчетом, чтобы правильно сфазировать высокочастотные токи резонаторов анодного блока. Рис.1.12 иллюстрирует конструкцию и принцип работы коаксиального магнетрона. Вокруг анодного блока магнетрона коаксиально с ним расположен резонатор. Размеры этого резонатора выбираются так, чтобы в нем возбуждались колебания типа H011, т. е. колебания с кольцевыми электрическими силовыми линиями. Кольцевые токи, текущие по цилиндрическим стенкам коаксиального резонатора, находятся в фазе во всех точках по окружности поперечного сечения каждой стенки резонатора. В 30 задних стенках резонаторов анодного блока через один резонатор прорезаны вертикальные щели, связывающие их с коаксиальным резонатором. Так как резонаторы анодного блока со стороны щелей имеют низкие импедансы, последние хорошо согласуются с импедансом коаксиального резонатора, определяемым со стороны тех же щелей. Колебания типа H011 в коаксиальном резонаторе обеспечивают синфазность токов и напряжений во всех резонаторах анодного блока, имеющих щель связи, что способствует поддержанию колебаний только π-вида. Эти резонаторы можно рассматривать как четвертьволновые трансформаторы, которые создают сильные высокочастотные поля в пространстве взаимодействия магнетрона и синхронизируются высокочастотными токами, текущими по стенкам коаксиального резонатора. Связь между соседними резонаторами через общие высокочастотные магнитные потоки достаточна, чтобы возбудить каждый резонатор без щели такими же по величине, но противоположными по фазе токами, что приводит к возникновению, колебаний чистого π-вида. Чтобы достигнуть одинакового возбуждения резонаторов, требуется чисто индуктивная связь. 31 Рис. 1.12. Коаксиальный магнетрон. В случае открытого с торцов анодного блока, что в большинстве случаев применяется для магнетронов, высота резонаторов должна быть значительно меньше половины длины волны (эта высота составляла всего 6,4мм в приборе Х-диапазона, для замены которого разрабатывался коаксиальный магнетрон). Так как длина волны коаксиального резонатора должна быть немного больше половины длины волны, то было сочтено целесообразным удлинить щели, прорезанные в стенке внутреннего цилиндра этого резонатора, за пределы анодного блока для достижения более постоянной связи в широкой полосе частот и для увеличения доли высокочастотной энергии, которая сосредоточена в резонаторах анодного блока. Для высокочастотного поля коаксиального резонатора удлиненные щели как открытые контура имеют высокий импеданс, последовательно действующий с металлической стенкой, от которой в резонаторы анодного 32 блока втекает большая часть тока коаксиального резонатора. Высокий импеданс щелей связи поддерживает эти токи неизменными при изменении импеданса резонаторов с частотой. Наконец, большая часть энергии всей системы, сосредоточенная в коаксиальном резонаторе (около 90% в рассматриваемой конструкции), дозволяет осуществлять настройку частоты всей системы изменением размеров коаксиального резонатора. Поэтому положение поршня этого резонатора (подобного поршню в волномере) определяет частоту магнетронного генератора. 1.3.2. Рабочие характеристики коаксиального магнетрона Колебательный или динамический режим магнетронного генератора определяется следующими основными факторами: Параметрами резонаторной системы, состоящей из связанных между собой резонаторов анодного блока. Электронными потоками, движущимися в скрещенных постоянных электрическом и магнитном полях в условиях реального вакуума и ограниченной эмиссии с катода и взаимодействующими с высокочастотным полем резонаторной системы. Характеристиками вывода энергии, состоящего из трансформатора связи и неоднородного участка линии передачи вместе с вакуумным уплотнением. Условиями и режимом работы магнетрона в аппаратуре. Условия эксплуатации магнетронов характеризуются: 1) температурой, влажностью и давлением окружающей среды; 2) способом охлаждения и, следовательно, температурой анодного блока и других элементов конструкции магнетрона; 3) скоростью перестройки частоты генерации и усилием, прикладываемым к механизму настройки в случае перестраиваемых магнетронов; 33 4) порядком включения питающих напряжений, их стабильностью и требуемым временем готовности магнетрона; 5) продолжительностью непрерывной работы магнетрона в передатчике и многократностью его включения и выключения; 6) механическими воздействиями на магнетрон (вибрация, удары и т. п.); 7) схемой -передатчика (на жестких или на мягких лампах и т. д.); 8) способами канализации генерируемой мощности (длина передающего тракта, избыточность или, наоборот, разреженность давления в тракте, степень рассогласования оконечной нагрузки с волновым сопротивлением передающей линии); 9) технической подготовленностью обслуживающего персонала; многими другими факторами, оговариваемыми техническими условиями, руководствами и инструкциями по эксплуатации магнетронов в специальных устройствах и режимах. Режимы испытания и эксплуатации магнетронов, оговариваемые техническими условиями (ТУ) на магнетрон и передатчик, характеризуются: 1) напряжением накала или током накала и допустимым отклонением этих величин от номинальных значений (обычно допустимое отклонение лежит в пределах ±10%); 2) анодным напряжением и допустимым верхним пределом повышения напряжения; 3) анодным током и допустимой величиной отклонения (в большую или меньшую сторону) анодного тока от номинального значения, оговариваемого паспортом на магнетрон; 4) напряженностью магнитного поля в пространстве взаимодействия магнетрона; 5) длительностью, крутизной фронтов и формой плоской части импульса напряжения, величиной положительного или отрицательного напряжения непосредственно после прохождения основного импульса; 34 6) частотой посылок импульсов напряжения или скважностью; 7) коэффициентом стоячей волны (КСВН), фазой высокочастотной нагрузки (нагрузкой является поглотитель или антенна вместе с участком линии передачи от выходного фланца магнетрона) и др. При определенного заданных типа условиях и режимах характеризуется испытания следующими магнетрон параметрами, оговариваемыми техническими условиями на магнетроны: 1) частотой генерируемых колебаний или диапазоном настройки; 2) величиной отдаваемой в полезную нагрузку импульсной и средней мощности или мощности непрерывных колебаний; F= 0.417fг/Qвн где F— степень затягивания частоты, Мгц; fГ — частота генерации, Мгц; Qвн — внешняя добротность контура магнетрона, определяемая как умноженное на 2п отношение запасенной энергии в контуре, к энергии потерь во внешней согласованной нагрузке за один период колебаний; 3) F = длительностью импульсов; 4) коэффициентом полезного действия (к. п. д.), определяемым как отношение высокочастотной энергии, отдаваемой магнетроном в полезную нагрузку, к энергии, потребляемой анодной цепью магнетрона; степенью затягивания частоты (СЗ), характеризуемой величиной изменения частоты генерации магнетрона при полном (на 2л) изменении фазы нагрузки с КСВН=1,5 (при неизменном анодном токе и магнитном поле). Связи между параметрами магнетрона и режимами его работы в передающем устройстве описываются следующими характеристиками: рабочей, нагрузочной; вольтамперной; диапазонной (для перестраиваемых магнетронов); накальной; модуляционной. Рабочими характеристиками называют семейства кривых, построенных в координатах при различных значениях В и отражающих, 35 следовательно, зависимость основных выходных параметров магнетрона: мощности (Р), частоты (fг) и к.п.д. ()—от анодного напряжения (Uа), анодного тока (Iа) и индукции магнитного поля (В). При этом нагрузка и прочие условия предполагаются заданными и неизменными. Нагрузочными характеристиками или нагрузочной диаграммой называют семейства кривых Р = const, fг.= const и = const, построенных в координатах модуля и фазы КСВН нагрузки и отображающих, следовательно, зависимость основных выходных параметров магнетрона от параметров нагрузки при заданных и неизменных величинах анодного тока и магнитного поля. Вольтамперной характеристикой называют кривую (или семейство кривых), отображающую зависимость анодного тока от анодного напряжения при заданных и неизменных магнитном поле и высокочастотной нагрузке. Диапазонными характеристиками называют кривые, отображающие изменения в диапазоне настройки основных выходных параметров магнетрона (Р, fг, "л) от положения элемента настройки магнетрона. Накальными характеристиками называются кривые, отображающие следующие зависимости: 1) зависимость тока эмиссии и коэффициента вторичной эмиссии от температуры катода, определяемую в основном используемым типом катода (оксидный, импрегнированный и т. д.); 2) зависимость температуры катода от величины подводимой мощности к подогревателю, определяемую конструкцией и материалами керна и покрытия катода, катодной ножки и подогревателя; 3) зависимость анодного тока не генерирующего магнетрона (постоянное магнитное поле отсутствует) от температуры катода, устанавливающейся за счет мощности, подводимой к подогревателю через вводы катодной ножки реальной конструкции при заданном и неизменном значении анодного 36 напряжения (характеризует термоэмиссионные свойства катода в реальном магнетроне в отсутствие генерации колебаний); 4) зависимость анодного тока магнетрона от температуры катода, устанавливающейся за счет мощности подогревателя и мощности обратной бомбардировки, определяемую эмиссионными свойствами катода в генерирующем магнетроне; 5) зависимость напряжения накала от величины подводимой к магнетрону мощности в режиме генерации колебаний при заданном и неизменном значении температуры на поверхности катода; 6) зависимость параметров магнетрона, характеризующих его стабильность (уходы частоты от импульса к импульсу, искрения и Др.), от величины подводимой мощности к подогревателю; Модуляционными характеристиками называются кривые, отображающие зависимость основных выходных параметров магнетрона (частоты генерации, мощности) от конечной и малой амплитуды периодических воздействий на один из параметров режима (ток, напряжение, длительность импульса, частота посылок или амплитуда импульсов напряжения), или от малого смещения элемента настройки, или от иных параметров, связанных с воздействиями на колебательный режим магнетрона. При этом предполагается, что при введении периодических и малых воздействий (модуляций) усредненные значения выходных параметров сохраняются приблизительно неизменными. Для проверки принципа работы рассматриваемого генератора анодный блок магнетрона Х-диапазона был точно ориентирован по отношению к щелям внутреннего цилиндра коаксиального резонатора и затем вмонтирован в него. Катод и полюсные наконечники были размещены строго по оси и симметрично. Помимо отпаянных конструкций, была испытана разборная конструкция такого прибора в условиях непрерывной откачки. Конструкция 37 магнетрона хорошо приспособлена для этого: единственный фланец на конце внешнего цилиндра позволяет произвести полную разборку магнетрона. Электрические характеристики рассматриваемого и обычного магнетронов сопоставляются в приводимой таблице. Характеристики коаксиального и обычного магнетронов Х-диапазона Характеристика Коакс Обыч иальный ный магне- магнетрон трон Импульсная мощность, квт 250 250 к. п. д. контура, % 85 70 Электронный к. п. д., % 65 60 Диапазон перестройки, % 20 15 3 14 0,08 0,4 Степень затягивания частоты, Мгц. Электронное смещение частоты, Мгц/а Таблица 1.1. 1.4. Применение магнетронов Наиболее широкое применение многорезонаторные магнетроны нашли в радиолокации и радионавигации, а также в различных системах радиосвязи и управления. В настоящее время к магнетронам предъявляются весьма жесткие требования по стабильности частоты в самых различных условиях эксплуатации. Так, например, частота высокочастотных колебаний (усредненная за время импульса) не должна изменяться от импульса к импульсу более чем на несколько десятков килогерц. Такое требование предъявляется к магнетрону трехсантиметрового диапазона, используемому в радиолокационной системе с селекцией движущихся целей (РЛС с СДЦ). В 38 этом случае стабильность частоты от импульса к импульсу определяется величиной (З-5)•10-6. Высокая стабильность частоты требуется также и в других случаях применения магнетронов. Магнетроны должны надежно работать при механических и климатических воздействиях, определяемых эксплуатационными условиями. Существенным является влияние изменения нагрузки на стабильность работы магнетрона. В то же время стабильность работы магнетрона предопределяется режимами работы его в аппаратуре. При совместной работе магнетрон и модулятор взаимно влияют друг на друга. Часто на практике трудно установить, что является причиной нарушения работы передатчика, — магнетрон или модулирующее устройство передатчика (в передатчиках импульсных сигналов). Так, например, причиной полного или частичного выпадания отдельных составляющих в спектре высокочастотных колебаний магнетрона может быть не только частичная потеря эмиссии с катода, но и, как это нередко бывает, нарушение стабильности работы модулятора или отдельных его блоков: нестабильность или перегрузка источника сетевого питания модулятора, нарушение работы датчика импульсов напряжения или формирующего каскада (подмодулятора), резкое увеличение (или понижение) крутизны переднего фронта импульса напряжения и т. д. 39 ГЛАВА 2. Определение частоты π вида системы 2.1. Постановка задачи Анод коаксиального магнетрона должен обеспечить устойчивую работу прибора со следующими параметрами: - диапазон рабочих частот 33-35 ГГц - выходная импульсная мощность не менее 25кВт - напряжение анода не более 13 кВ - ток анода не более 8 А - скважность 1200 - масса магнетрона не более 0,6 кг Наружный диаметр анода(внешний диаметр коаксиального резонатора) Dн=20мм Внутренний диаметр коаксиального резонатора Dв=8.4(8.1;8.7)мм Высота контура Lp= 5.7_6.0_6.3_6.6_6.9_7.2мм Диаметр периферии резонаторной системы dл=7.3мм Длина резонатора зависит от длины волны.(h=2,3мм) 2.2. Обеспечение расстановки видов колебаний, необходимых для устойчивой работы магнетрона В импульсном длительности фронта режиме работы магнетрона модулирующего импульса, за время, напряжение равное анода нарастает от нуля до рабочего значения. При этом в электронном потоке и в колебательной системе может возникать множество видов колебаний: устойчивых и неустойчивых, автономных и взаимодействующих друг с другом, взаимоподдерживающихся и взаимоподавляющихся, инициирующих возбуждение одного вида другим и преобразующихся один в другой, модулирующих один другого и т. п. В общем случае взаимодействие электронного потока с электромагнитными полями следует квалифицировать как многочастотное и 40 многовидовое. При таком взаимодействии среди множества колебательных состояний выделяются такие, для которых существует более или менее длительный синхронизм электронного потока с электромагнитной волной и соответственно имеет место нарастание колебаний. 2.2.1. Расчет и построение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора Принципиально присущие коаксиальным резонаторам нормальные виды колебаний: - Н𝑚𝑛𝑝 виды -Е𝑚𝑛𝑝 виды -𝑇ЕM00𝑝 - виды (в коаксиальном СР). Для более качественного рассмотрения можно выделить следующие подгруппы: Виды колебаний, возможные для использования в качестве рабочих. К числу таких видов относятся: Н011 Е011 ТЕМ001 ТЕМ00р ). Главный классификационный признак- отсутствие азимутальных вариаций поля, обеспечивающее симфазность возбуждения СЭС. Перестраиваемые Н𝑚𝑛𝑝 виды (m 0). Рабочий вид колебаний – Н011, а остальные типы – конкурирующие(H121, H211, H311, H411). Наибольшие неудобства доставляют волны типов: Н121 и Н411. Проведем расчет для каждого типа волн отдельно и составим общую картину. По выбранному значению Дн Дв 𝐻 из таблицы находятся корни (𝜒𝑚𝑛 ) и рассчитываются кривые перестройки : f=f(𝐿𝑝 ) соответственно для Н011 , Н121 , Н211 , Н311 . Где р=1. 41 𝑓 = 1.5 × 105 √( 𝐻 2 × 𝜒𝑚𝑛 𝑝 )2 + ( )2 𝜋 × Дв 𝐿𝑝 Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.1мм 𝐿𝑝 Н011 (*104 ) Н121 (*104 ) Н211 (*104 ) Н311 (*104 ) 5.7 3.695 3.784 2.959 3.281 6 3.602 3.694 2.843 3.176 6.3 3.521 3.614 2.739 3.083 6.6 3.449 3.544 2.645 3.001 6.9 3.384 3.481 2.561 2.926 7.2 3.327 3.425 2.485 2.86 Таблица 2.1. Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.4мм 5.7 𝐿𝑝 4 Н011 (*10 ) 3.741 Н121 (*104 ) 3.825 Н211 (*104 ) 2.955 Н311 (*104 ) 3.276 Таблица 2.2. 6 3.649 3.735 2.838 3.172 6.3 3.569 3.657 2.734 3.079 6.6 3.498 3.587 2.64 2.996 6.9 3.434 3.525 2.556 2.922 7.2 3.378 3.47 2.479 2.855 Внешний диаметр =20 мм, внутренний = 8.7мм 5.7 𝐿𝑝 4 Н011 (*10 ) 3.784 Н121 (*104 ) 3.864 Н211 (*104 ) 2.949 Н311 (*104 ) 3.27 Таблица 2.3. 6 3.694 3.775 2.832 3.165 6.3 3.615 3.698 2.728 3.072 6.6 3.544 3.629 2.634 2.989 6.9 3.482 3.568 2.549 2.914 7.2 3.426 3.513 2.472 2.847 42 Рис 2.1. Зависимость частоты f рабочего вида колебаний резонатора H011 от высоты контура Lp. Рис. 2.2. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H121 от высоты контура Lp. 43 Рис. 2.3. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H211 от высоты контура Lp. Рис. 2.4. Зависимость частоты f конкурирующего вида колебаний резонатора H311 от высоты контура Lp. 44 2.2.2. Экспериментальное нахождение зависимости рабочего вида и конкурирующих видов резонатора Проведем эксперимент 1. Найдем экспериментально на установке «холодных» измерений рабочий вид колебаний системы H011 конкурирующие виды колебаний системы соответственно Н121 , и Н211 , Н311 (если они будут видны). Результаты измерений: 1) 2) Для высоты контура Lp=7.17 H011 f = 34178 H121 f = 34900 Для высоты контура Lp=6.12 H011 f = 37250 H121 f = 37950 H411 f=32100 H411 f=33700 Наносим полученные данные на график: Рис. 2.5. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора расчетная(красные линии) и экспериментальная(черные линии) от высоты контура Lp. 45 На графике видно, что кривые зависимостей для расчетных и экспериментальных значений оказались близки, что говорит о небольшом расхождении расчетных и экспериментальных значения и небольшой погрешности. 2.2.3. Расчет частоты π-вида системы Рассчитаем рабочую частоту нашего магнетрона. λπ-длина волны π-вида колебаний резонатора Для расчета воспользуемся графиком зависимости емкости Cкр, обусловленной краевыми полями на границе щели и пространства взаимодействия, от отношения ширины ламели к ширине щели(Рис.2.6.) и графиком зависимости электрических параметров «лопаточных» резонаторов от их геометрических размеров(Рис.2.7.). На графике видно, что кривые зависимостей для расчетных и экспериментальных значений оказались близки, что говорит о небольшом расхождении расчетных и экспериментальных значения и небольшой погрешности. Рис. 2.6. Зависимость емкости Скр , обусловленной краевыми полями на границе щели и пространства взаимодействия, от отношения ширины ламели к ширине щели Скр = f(µ). 46 Скр- краевая емкость lа- длина анода C λ = λ' 1 + p p kp C p λр- резонансная длина волны резонатора λр’-длина волны резонатора без учета краевой емкости Ср’- емкость резонатора без учета краевого эффекта Ср- емкость резонатора Рис. 2.7. Зависимость электрических параметров «лопаточных» резонаторов от их геометрических размеров. 47 r1- фиктивный радиус анода r2- фиктивный радиус окружности ламелей r = 0 2sin d r := 1 a 2 d -r 0 r := 2 л 2 -r 0 r0- радиус схождения r1 и r2 Исходные данные: количество ламелей N= 30 диаметр анода da=4.38 мм толщина ламели τ=0,22 мм диаметр резонатора dл=7,3 мм длина анода lа=11.5мм Расчетные данные: r0=1.053 r1=1.137 r2=2.6 C’p=2.38*10-12 Ф λ’p=7.22 мм Cкр=0.62*10-12Ф 𝑓𝜋 = c λπ =37,037*109 fπ=37,037*109 Гц Построим график зависимости частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура Lp с учетом частоты -вида. 48 4 3.8 10 4 3.510 h121( L1) h011( L2) 4 310 f3( L3) h311( L4) h211( L5) 4 2.510 4 2.40910 4 210 5.5 6 5.5 6.5 L1 , L2 , L3 , L4 , L5 7 7.5 7.5 Рис. 2.8. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура Lp(в общем виде). График 2.9. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора от высоты контура Lp. 49 2.2.4. Экспериментальное определение частоты π-вида системы Необходимо при одинаковой высоте контура определить частоту 1) Нарезанной вставки(анода) 2) Ненарезанной вставки(чистого коаксиального резонатора) По мере продвижения вперед по частоте, уменьшая высоту контура, найдем точку пересечения. Включаем установку «холодных» измерений. Ставим нарезанную вставку(анод). Получаем вид колебаний резонатора. Определяем частоту f=32565. Оставляем ту же высоту контура. Ставим ненарезанную вставку. Определяем частоту f=33209. Вычисляем высоту контура с помощью измерений(измеряем расстояние от вставки до посадки). 7.65÷7.67÷7.68 Посадка 0.56 Высота контура 7.67+0.56=8.2 Перемещаем коронку перестройки, измеряем новый размер. Высота коронки +0.6 Высота контура 7.67-0.6=7 Измеряем частоту ненарезанной вставки: f=34500. Измеряем частоту системы с нарезанной вставкой: f=34678. Вычисляем высоту нарезанной вставки: Замеряем высоту от посадки до коронки 1.45÷1.48 Высота контура 7.67-1.45=6.23 Измеряем частоту для этой высоты контура: Частота нарезанной вставки f=36500 Частота ненарезанной вставки f=36690 Результаты измерений: для высоты контура 7 fнарезанного анода=35078 для высоты контура 6.23 fнарезанного анода=36900 fненарезанного анода=35050 fненарезанного анода=37090 Наносим полученные данные на график: 50 Рис 2.10. Зависимость частоты f видов колебаний резонатора расчетная(красные линии) и экспериментальная(черные линии) от высоты контура Lp, частота π-вида расчетная(красная прямая линия) и экспериментальная(зеленая прямая линия). Определяем частоту π-вида как точку пересечения на графике кривой зависимости частоты колебаний от высоты контура для нарезанной вставки(синяя кривая на рис. 2.10) и кривой зависимости частоты колебаний от высоты контура для ненарезанной вставки(голубая кривая на рис. 2.10). Из графика видно, что расчетная рабочая частота коаксиального магнетрона оказалась очень близка к экспериментальной. Расхождение составляет всего 100 МГц, что является очень хорошим показателем (при изменении высоты контура на 0,01 мм отклонение по частоте составляет 20 МГЦ ). Погрешность в измерениях и расчетах невелика. 51 ГЛАВА 3. Расчёт пространства взаимодействия магнетрона и параметров замедляющей системы 3.1. Выбор числа резонаторов Выбирая число резонаторов следует N, руководствоваться следующими положениями: 1. С позиции удовлетворения требований электромагнитной системы и облегчения возбуждения рабочего вида колебаний целесообразно увеличивать число помогающих видов колебаний. Этому способствует выбор наибольшего числа резонаторов N. 2. С позиции получения повышенной долговечности и длительности импульса увеличение числа N также желательно, ибо обычно сопровождается увеличением диаметра катода, что позволяет уменьшить плотность тока катода. 3. Выбор увеличенного числа резонаторов в коаксиальном магнетроне ведет к увеличению диаметра анода и к увеличению диаметров Dн и Dв коаксиального резонатора. При сохранении постоянства заданного диапазона перестройки рабочего вида колебаний и требуемой относительной расстановки видов колебаний анодной замедляющей системы и увеличение Dн и Dв СР влечет за собой повышение крутизны перестройки частоты. Одновременно происходит частотное сближение видов колебаний и кольцевых видов в спектре видов СР. 4. Увеличение N может сопровождаться уменьшением толщины ламелей АЗС. Это в свою очередь ухудшает теплоотводот концов ламелей, подвергающихся электронной бомбардировке, снижает формоустойчивость ламели и в общем случае снижает виброустойчивость и ударопрочность. 5. С увеличением N и уменьшением толщины ламелей возрастают трудности в обеспечении требуемой точности изготовления АЗС. Окончательный выбор N производится по результатам машинного эксперимента с учетом тепловых нагрузок на ламели. 52 3.2. Расчёт отношения диаметров катода и анода Отношение диаметров катода и анода рекомендуется выбирать, исходя из известной зависимости отношения диаметров катода и анода от чиста резонаторов АЗС КМ. При выбранном числе резонаторов N=30 отношение диаметров катода и анода должно лежать в пределах 0.8-0.9. 3.3. Определение диаметров анода и катода Диаметр анода можно предварительно оценить по формуле: d := N a 1 - ýïð Ua10- 7 Где λ – заданная длина волны для рабочего вида колебаний, мм. U a - заданное напряжение анода, В. η эпр - предельно допустимый электронный к.п.д. Соответственно диаметр катода для КМ: d := σ d k a Для коаксиального магнетрона принято считать η эпр = 0.8 – 0.9. Причём опыт работы с магнетронами миллиметрового диапазона даёт реальную величину η эпр близкую к нижнему пределу указанного интервала. Для расчётов выберем значение к.п.д. равного 0.9. При напряжения расчёте анода целесообразно принять в величину качестве на заданного 5-7% значения меньшую, чем предусмотренное реальным заданием максимально допустимое значение напряжения анода. Но поскольку задача проекта получить максимальные реальные значения, расчёт проводится по значению, равному 13кВ. 53 3.4. Расчёт рабочего напряжения анода Для КМ напряжение анода с приемлемой точностью может быть вычислено по модифицированной формуле Коваленко-Веселовского: 4 a 2 1 - σ2 4 471 10 B d U := - N λ a a 2 2020 10 d N λ 1 + 2 2 N λ B 2.14 4 3 + 3.75 10 d ( 1 - σ) a Ia 2N2B2 2 U l d ( 1 - σ) a a a По этой же формуле можем проверить найденное значение диаметра. Рассчитанное по формуле анодное напряжение равно 12827кВ, что совпадает с заданной величиной. Таким образом, найденное значение диаметра анода можно использовать в дальнейших расчётах. 3.5. Определение значения рабочей магнитной индукции. Для большинства случаев с приемлемой точностью рабочую магнитную индукцию можно рассчитать по формуле: 4 13.5 10 U B := K 1 a a 2 d 1-σ Где К1- коэффициент увеличения критического магнитного поля. 3.6. Определение величины рабочего тока анода. Заданием предусмотрено значение максимально достижимого к.п.д. и максимально допустимого напряжения анода, тогда импульсный ток анода равен: I := a P U η a полн При расчёте тока анода по данной формуле обычно целесообразно принять для величины Р значение на 5-10% больше заданной, а для 54 напряжения анода – примерно на 5% меньше. Но для выполнения поставленной задачи проекта расчёт проводится с максимально допустимыми значениями. 3.7. Определение высоты анода Высота анода может быть принята равной активной части катода. Однако в целях устранения или предотвращения эффектов взаимодействия электронов с краевыми полями у торцевых границ резонаторной системы полезно выбирать hа = (1.07-1.25)hк. При проектировании КМ, исходя из перечисленных соображений, высоту анода ha следует выбирать, исходя из соотношения ha<0.25*Лраб. 3.8. Определение толщины ламели и ширины щели АЗС на границе пространства взаимодействия К геометрическим характеристикам пространства взаимодействия относятся также такие характеристики как толщина ламели и ширина щели резонатора АЗС. При проектировании КМ отношение толщины ламели к толщине щели ориентировочно можно принять для начала равным 1. π d Соответственно: τ := ω = a 2 N При выбранной величине толщины ламели ширина щели будет соответствующей. Выбором этих параметров заканчивается расчёт размеров пространства взаимодействия КМ. 55 ГЛАВА 4. Особенности коаксиального магнетрона 4.1. Особенности обработки анодного блока Анодный блок магнетрона изготавливают из чистой меди, рассмотрим технологию её получения. Исходным материалом для выработки технической меди служит электролитическая медь, полученная из обычной меди с помощью электролиза. Для её плавки обычно использовалась отражательная печь, однако в настоящее время применяются электродуговая и индукционная печи. После расплавления исходного материала в печи производят его окисление, подавая сжатый воздух внутрь печи. В этом процессе разлагается сернистая медь, одновременно образуется окись меди, и в плавильной ванне уменьшается количество водорода, способствующего образованию дефектов в слитках. Сера попадает из сернистой кислоты, содержащейся в электролите, оставшемся на электролитической меди. Основная цель окисления заключается в удалении серы и других примесей в виде окисей. После окисления количество кислорода в расплавленной меди составляет около 1%, производят восстановление путём дразнения и уменьшают количество кислорода до 0,05%, полсе чего начинают литьё. Далее рассмотрим процесс нарезания ламелей в анодном блоке, он интересен тем, что происходит в воде. Этот процесс происходит на электроискровом комплексе А207-81. На первом этапе прогревается установка около 1 часа, далее включается режим обработки деталей, устанавливается латунная проволока диаметром 0,1мм. После устанавливается деталь в оправку, центруется. После этого деталь погружается в воду и устанавливается необходимый режим обработки. Далее комплекс начинает свою работу. Когда комплекс закончит свою работу необходимо снять деталь со станка и просушить сжатым воздухом и положить в азотный шкаф до передачи детали на следующую операцию. 56 4.2. Основные этапы сборки прибора Основные этапы сборки магнетрона: 1. Изготовление деталей. 2. Химическая обработка деталей и нанесение гальванических покрытий. 3. Изготовление подогревателя. 4. Изготовление катода. 5. Изготовление анода (блок резонатора вырезают на электроискровом комплексе по заданному шаблону). 6. Отжиг деталей. 7. Сборка, пайка и сварка узлов. 8. Механическая обработка узлов. 9. Сборка лампы. 10. Откачка. 11. Предварительная армировка. 12. Тренировка. 13. Проверка электрических параметров. 14. Второй этап армировки. 15. Сварка электронно-лучевая 16. Сварка лазерная. 17. Изоляция заливочным герметиком. 18. Проверка электронных параметров. 4.3. Тепловой режим анодного блока магнетрона В данном приборе температура анодного блока не должна превышать 400о С. Необходимо иметь в виду, что увеличение температуры на 5% (о К) вызывает увеличение давления паров и скорости испарения приблизительно в 10 раз. Разогрев концов ламелей на границе пространства взаимодействия может привести к следующим нежелательным результатам: 57 1) изменение частоты генерируемых колебаний (тепловой уход). 2) повышение газовыделения из материала ламелей и испарение его. 3) расплавление ламелей. Рассмотрим тепловой уход частоты. Тепловое расширение настроечного элемента может создавать либо положительный, либо отрицательный уход частоты. При этом могут быть следующие случаи: 1) Увеличение полного ухода частоты без изменения его знака. 2) Частичная или полная компенсации теплового ухода частоты анодного блока. 3) Сокращение или увеличение полного ухода частоты с изменением его знака. Следует иметь в виду, что максимальный тепловой уход частоты от расширения настроечного элемента, как правило, имеет место при наибольшем погружении его в резонаторную систему. Как определить тепловой уход частоты при перестройке? Ответ прост. Полагая, что t1 =const, но температура настроечного элемента меняется при перестройке на Δt, можно оценить максимальный тепловой уход частоты при перестройке. Δυ мперестр := Δ t α l S настр настр υмакс Если эта величина ограничена заданием на разработку, то при проектировании следует стремиться максимально улучшить теплоотвод от настроечного элемента и выбрать материал его с возможно малым коэффициентом расширения. 58 ВЫВОДЫ В данной работе был проведен теоретический расчёт частоты π вида системы, который был успешно проверен на практике. Полученное значение (37.037 Ггц) было проверено на установке низкого уровня мощности. Результаты проверки показали незначительное отклонение от величины, полученной в результате теоретического расчёта. Были найдены (теоретический расчёт и эксперимент) зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора. Проведён расчёт пространства взаимодействия магнетрона и параметров замедляющей системы. В результате этого расчёта были получены следующие значения: 1. Число резонаторов – 30 шт. 2. Диаметр катода – 3,758 3. Диаметр анода – 4,37 4. Рабочее напряжение анода – 12827 В 5. Значение рабочей магнитной индукции – 1,51 Тл 6. Рабочий ток анода – 7,98 А 7. Высота анода – 2,3 мм 8. Толщина ламели и ширина щели – 0,22 мм Значения, полученные на установке «горячих» измерений, полностью удовлетворяют поставленным требованиям и подтверждают хорошую работоспособность созданного прибора. В результате данной работы удалось получить коаксиальный магнетрон 8мм диапазона длин волн мощностью 25кВт, обладающий заявленными электродинамическими параметрами и функционирующий в заданном рабочем режиме. 59 ГЛАВА 5. Безопасность жизнедеятельности 5.1. Анализ опасных и вредных производственных факторов Негативные производственные факторы также принято называть опасными и вредными производственными факторами (СВПФ), которые качественно принято разделять на опасные факторы и вредные факторы. Опасным производственным фактором (ОПФ) принято называть такой производственный фактор, воздействие которого на человека приводит к травме или летальному исходу. В связи с этим ОПФ называют также травмирующим фактором. К ОПФ можно отнести движущие машины и механизмы, различные перемещаемые грузы, подъемно – транспортные электрический ток, устройства отлетающие и частицы обрабатываемого материала и инструмента и т.д. Вредным производственным фактором (ВПФ) называют такой производственный фактор, воздействие которого на человека приводит к ухудшению самочувствия или, при длительном воздействии, к заболеванию. К ВПФ можно отнести повышенную или пониженную температуру воздуха в рабочей зоне, повышенные уровни шума, вибрации, электрических излучений, радиации, загрязненность воздуха в рабочей зоне пылью, вредными газами, вредными микроорганизмами, бактериями, вирусами и т.д. Между опасными и вредными производственными факторами существует определенная взаимосвязь. При высоких уровнях ВПФ они могут становиться опасными. Так, чрезмерно высокие концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны могут привести к сильному отравлению или даже смерти. Высокие уровни звука или звукового импульса могут привести к травме барабанной перепонки. Высокие уровни радиации вызывают развитие острой формы лучевой болезни, при которой наблюдается быстрое ухудшение самочувствия человека с необратимыми изменениями в организме, приводящими при отсутствии медицинского вмешательства, как правило, к смерти. 60 Классификация вредных и опасных производственных факторов производиться в соответствии с ГОСТ 12.0.003–74. 1) Физические опасные и вредные производственные факторы. 1.1) Движущееся оборудование, подвижные части. 1.2) Виброакустические колебания. Виброакустические колебания – это упругие колебания твердых тел, газов и жидкостей, возникающие в рабочей зоне при работе технологического оборудования, движении технологических транспортных средств, выполни разнообразных технологических операций. Вибрацией в свою очередь называют малые механические колебания, возникающие в упругих телах. 1.3) Акустические колебания. Акустические колебания в диапазоне часто 16…20 кГц, воспринимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуками, выше 20 кГц – ультразвуками. Область распространения акустических колебаний называют акустическим полем. 1.4) Электромагнитные поля и излучения Электромагнитная волна – это колебательный процесс, связанный с изменяющимися в пространстве и во электрическими и магнитными полями. времени Область взаимосвязанными распространения электромагнитных волн называется электромагнитным полем (ЭМП). 1.5) Ионизирующие излучения Ионизирующим называется излучение, которое, проходя через среду, вызывает ионизацию или возбуждение молекул среды. Ионизирующее излучение, так же как и электромагнитное, не воспринимается органами чувств человека. Поэтому оно особенно опасно, так как человек не знает, что он подвергается его воздействию. 1.6) Электрический ток 61 Электрический ток широко используется в промышленности, технике, быту, на транспорте. Устройства, машины, технологическое оборудование и приборы, использующие для своей работы электрический ток могут являться источниками опасности. 2.) Химические опасные и вредные производственные факторы. Но в данной работе они не рассматриваются, т.к. в экспериментальной лаборатории в которой производились измерения химические опасные и вредные производственные факторы отсутствуют. 5.2. Классификация электрического оборудования по способу защиты от электрического тока ГОСТ Р МЭК 536-94 определяет классы оборудования. Разделение на классы защиты отражает не уровень безопасности оборудования, а лишь указывает на то, каким способом осуществляется защита от поражения электрическим током. Электроприборы класса 0 — это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией, при этом отсутствует электрическое соединение открытых проводящих частей, если таковые имеются, с защитным проводником стационарной проводки. При пробое основной изоляции защита должна обеспечиваться окружающей средой (воздух, изоляция пола и т.п.). Электроприборы класса I — это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и соединением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, с защитным проводником стационарной проводки. В этом случае открытые проводящие части, доступные прикосновению, не могут оказаться под напряжением при повреждении изоляции после срабатывания соответствующей защиты. У оборудования, предназначенного для использования с гибким 62 кабелем, к этим средствам относится защитный проводник, являющийся частью гибкого кабеля. Электроприборы класса II — это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается применением двойной или усиленной изоляции. В приборах класса II отсутствуют средства защитного заземления и защитные свойства окружающей среды не используются в качестве меры обеспечения безопасности. В некоторых специальных случаях (например, для входных клемм электронного оборудования) в оборудовании класса II может быть предусмотрено защитное сопротивление, если оно необходимо и его применение не приводит к снижению уровня безопасности. Оборудование класса II может быть снабжено средствами для обеспечения постоянного контроля целостности защитных цепей при условии, что эти средства составляют неотъемлемую часть оборудования и изолированы от доступных поверхностей в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию класса II. В некоторых случаях необходимо различать оборудование класса II «полностью изолированное» и оборудование «с металлической оболочкой». Оборудование класса II с металлической оболочкой может быть снабжено средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала, только если это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Оборудование класса II в функциональных целях допускается снабжать устройством заземления, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях, при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Электроприборы класса III — это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током основана на питании от источника безопасного сверхнизкого напряжения и в котором не возникают напряжения 63 выше безопасного сверхнизкого напряжения. В оборудовании класса III не должно быть заземляющего зажима. Оборудование класса III с металлической оболочкой допускается снабжать средствами для соединения оболочки с проводником уравнивания потенциала при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Оборудование класса III допускается снабжать устройством заземления в функциональных целях, отличающимся от устройства заземления, применяемого в защитных целях, при условии, что это требование предусмотрено стандартом на соответствующее оборудование. Установки низкого уровня мощности (НУМ) и высокого уровня мощности (ВУМ) подпадает под 1 категорию, - это оборудование, в котором защита от поражения электрическим током обеспечивается основной изоляцией и соединением открытых проводящих частей, доступных прикосновению, с защитным проводником стационарной проводки. 5.3. Электробезопасность 5.3.1. Сеть-TN-C Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей (занулением) до последнего времени были широко распространены в России. Электробезопасность в сети TN-C при косвенном прикосновении обеспечивается отключением возникших однофазных замыканий на корпус с помощью предохранителей или автоматических выключателей. Режим TN-C был принят в качестве главенствующего в то время, когда основными аппаратами защиты от замыканий на корпус были предохранители и автоматические выключатели. Характеристики срабатывания этих аппаратов защиты в свое время определялись особенностями защищаемых воздушных 64 линий (ВЛ) и кабельных линий (КЛ), электродвигателей и других нагрузок. Обеспечение электробезопасности было второстепенной задачей. При относительно низких значениях токов однофазного КЗ (удаленность нагрузки от источника, малое сечение провода) время отключения существенно возрастает. При этом электропоражение человека, прикоснувшегося к металлическому корпусу, весьма вероятно. Например, для обеспечения электробезопасности отключение КЗ на корпус в сети 220 В должно выполняться за время не более 0,4 с. Но такое время отключения предохранители и автоматические выключатели способны обеспечить только при кратностях токов КЗ по отношению к номинальному току на уровне 6-10. Таким образом, в сети TN-C существует проблема обеспечения безопасности при косвенном прикосновении из-за невозможности обеспечения быстрого отключения. Кроме того, в сети TN-C при однофазном КЗ на корпус электроприемника возникает вынос потенциала по нулевому проводу на корпуса неповрежденного оборудования, в том числе отключенного и выведенного в ремонт. Это увеличивает вероятность поражения людей, контактирующих с электрооборудованием сети. Вынос потенциала на все зануленные корпуса возникает и при однофазном КЗ на питающей линии (например, обрыв фазного провода ВЛ 0,4 кВ с падением на землю) через малое сопротивление (по сравнению с сопротивлением контура заземления подстанции 6-10/0,4 кВ). При этом на время действия защиты на нулевом проводе и присоединенных к нему корпусах возникает напряжение, близкое к фазному. Особую опасность в сети TN-C представляет обрыв (отгорание) нулевого провода. В этом случае все присоединенные за точкой обрыва металлические зануленные корпуса электроприемников окажутся под фазным напряжением. Самым большим недостатком сетей TN-C является неработоспособность в них устройств защитного отключения (УЗО) или residual current devices (RCD) по западной классификации. 65 Пожаробезопасность сетей TN-C низкая. При однофазных КЗ в этих сетях возникают значительные токи (килоамперы), которые могут вызывать возгорание. Ситуация осложняется возможностью возникновения однофазных замыканий через значительное переходное сопротивление, когда ток замыкания относительно невелик и защиты не срабатывают либо срабатывают со значительной электроснабжения3 в сетях выдержкой времени. TN-C при однофазных Бесперебойность замыканиях не обеспечивается, так как замыкания сопровождаются значительным током и требуется отключение присоединения. В процессе однофазного КЗ в сетях TN-C возникает повышение напряжения (перенапряжения) на неповрежденных фазах примерно на 40%. Сети TN-C характеризуются наличием электромагнитных возмущений. Это связано с тем, что даже при нормальных условиях работы на нулевом проводнике при протекании рабочего тока возникает падение напряжения. Соответственно между разными точками нулевого провода имеется разность потенциалов. Это вызывает протекание токов в проводящих частях зданий, оболочках кабелей и экранах телекоммуникационных кабелей и соответственно электромагнитные помехи. Электромагнитные возмущения существенно усиливаются при возникновении однофазных КЗ со значительным током, протекающим в нулевом проводе. Значительный ток однофазных КЗ в сетях TN-C вызывает существенные разрушения электрооборудования. Например, прожигание и выплавление стали статоров электродвигателей. На стадии проектирования и настройки защит в сети TN-C необходимо знать сопротивления всех элементов сети, в том числе и сопротивления нулевой последовательности для точного расчета токов однофазных КЗ. То есть необходимы расчеты или измерения сопротивления петли фаза-нуль для всех присоединений. Любое существенное изменение в сети (например, увеличение длины присоединения) требует проверки условий защиты. 66 5.3.2. Сеть TN-S Сети 0,4 кВ с таким режимом заземления нейтрали и открытых проводящих частей называются пятипроводными. В них нулевой рабочий и нулевой защитный проводники разделены. Само по себе использование сети TN-S не обеспечивает электробезопасность при косвенном прикосновении, так как при пробое изоляции на корпусе, как и в сети TN-C, возникает опасный потенциал. Однако в сетях TN-S возможно использование УЗО. При наличии этих устройств уровень электробезопасности в сети TN-S существенно выше, чем в сети TN-С. При пробое изоляции в сети TN-S также возникает вынос потенциала на корпуса других электроприемников, связанных проводником PE. Однако быстрое действие УЗО в этом случае обеспечивает безопасность. В отличие от сетей TN-С обрыв нулевого рабочего проводника в сети TN-S не влечет за собой появление фазного напряжения на корпусах всех связанных данной линией питания электроприемников за точкой разрыва. Пожаробезопасность сетей TN-S при применении УЗО в сравнении с сетями TN-С существенно выше. УЗО чувствительны к развивающимся дефектам изоляции и предотвращают возникновение значительных токов однофазных КЗ. В отношении бесперебойности электроснабжения и возникновения перенапряжений, сети TN-S не отличаются от сетей TN-С. Электромагнитная обстановка в сетях TN-S в нормальном режиме существенно лучше, чем в сетях TN-С. Это связано с тем, что нулевой рабочий проводник изолирован и отсутствует ответвление токов в сторонние проводящие пути. При возникновении однофазного КЗ создаются такие же электромагнитные возмущения, как и в сетях TN-С. Наличие в сетях TN-S устройств УЗО существенно снижает объем повреждений при возникновении однофазных 67 КЗ по сравнению с сетями TN-С. Это объясняется тем, что УЗО ликвидирует повреждение в его начальной стадии. В отношении проектирования, настройки защит и обслуживания, сети TN-S не имеют каких-либо преимуществ по сравнению с сетями TN-С. Отмечу, что сети TN-S более дорогие в сравнении с сетями TN-С из-за наличия пятого провода, а также УЗО. Сеть TN-С-S - это комбинация рассмотренных выше двух типов сетей. Для этой сети будут справедливы все преимущества и недостатки, указанные выше. 5.4. Защитное зануление Зануление — защитная, мера, применяемая только в сетях с, заземленной нейтралью напряжением до 380/220 В. Оно, как и заземление, предназначено для защиты людей, если они прикоснутся к «пробитому» на корпус оборудованию. Конструктивное зануление — присоединение подлежащего защите объекта к нулевому проводу сети (рис. 10.1). Применение взамен защитного заземления в сетях с глухим заземлением нейтрали напряжением до 1000 В зануления вызвано ненадежной работой заземления в этих условиях. Это объясняется тем, что при заземлении, в случае пробоя на корпус, ток однофазного короткого замыкания между, корпусом оборудования и заземленной нейтралью по своей величине часто недостаточен для расплавления калиброванных плавких вставок. И наоборот, при занулении ток, возникающий при пробое напряжения на корпус, бывает достаточным для быстрого расплавления плавких вставок или срабатывания максимальной защиты. Однако и зануление не создает защиты во всех случаях. 68 Рис. 5.1. Схема защитного зануления. 5.5. Устройство защитного отключения УЗО Устройство защитного отключения, реагирующее на дифференциальный ток или ток небаланса, наряду с устройствами защиты от сверхтока относятся к дополнительным видам защиты человека от поражения электрическим током при косвенном прикосновении, обеспечиваемой путем автоматического отключения питания. При малых токах замыкания или снижении уровня изоляции, а также при обрыве нулевого защитного проводника зануление недостаточно эффективно, и в этих случаях УЗО является единственным средством защиты человека от поражения электрическим током. В основе действия защитного отключения лежит принцип ограничения (за счет быстрого отключения) продолжительности протекания тока через тело человека при непреднамеренном прикосновении его к элементам электроустановки, находящимся под напряжением. Устройство защитного отключения является единственным средством, обеспечивающим автоматическую защиту человека от поражения электрическим током при прямом прикосновении к одной из токоведущих частей. Важнейшей функцией, осуществляемой с помощью УЗО, является защита от возгораний и пожаров, возникающих на объектах вследствие возможных повреждений изоляции, неисправностей электропроводки и 69 электрооборудования. Более трети всех пожаров происходят вследствие возгорания электропроводки в результате нагрева проводников по всей длине, искрения, горения электрической дуги на каком-либо элементе, вызванных токами короткого замыкания. Короткие замыкания, как правило, развиваются вследствие дефектов или повреждения изоляции. Устройства защитного отключения, реагируя на ток утечки на землю, заблаговременно, до развития короткого замыкания, отключает электроустановку от источника питания, предотвращая тем самым недопустимый нагрев проводников, искрение, возникновение дуги и возможное последующее возгорание. По данным различных источников, локальное возгорание изоляции может быть вызвано довольно незначительной мощностью, выделяемой в месте утечки. В зависимости от материала и срока службы изоляции такая мощность составляет всего 40–60 Вт. Это означает, что своевременное срабатывание УЗО противопожарного назначения с установкой 300 мА предупредит выделение указанной мощности и, следовательно, не допустит возгорания. Функционально УЗО можно определить как быстродействующий защитный выключатель, реагирующий на ток небаланса в проводниках, подводящих электроэнергию к защищаемой электроустановке. Важнейшим функциональным блоком УЗО является дифференциальный трансформатор тока 1. Этот трансформатор иногда называют трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП), несмотря на то, что понятие «нулевая последовательность» применимо только к трехфазным цепям и используется при расчетах несимметричных режимов многофазных цепей. Пусковой орган (пороговый элемент) 2 выполняется, как правило, на чувствительных магнитоэлектрических реле прямого действия или электронных компонентах. 70 Исполнительный механизм 3 включает в себя силовую контактную группу с механизмом привода. В нормальном режиме, при отсутствии тока небаланса — тока утечки, в силовой цепи по проводникам, проходящим сквозь окно магнитопровода трансформатора тока 1, протекает рабочий ток нагрузки. Рис. 5.2. Структура УЗО. Проводники, проходящие сквозь окно магнитопровода, образуют встречно включенные первичные обмотки дифференциального трансформатора тока. Если обозначить ток, протекающий по направлению к нагрузке I1, а от нагрузки I2, то можно записать равенство: I1 = I2. Равные токи во встречно включенных обмотках наводят в магнитном сердечнике трансформатора тока равные, но встречно направленные магнитные потоки Ф1 и Ф2. Результирующий магнитный поток равен нулю, и ток во вторичной обмотке дифференциального трансформатора также равен нулю. Пусковой орган 2 находится в этом случае в состоянии покоя. При нарушении изоляции или при прикосновении человека к открытым токопроводящим частям или к корпусу электроприемника, на который произошел пробой изоляции, по фазному проводнику через УЗО кроме тока нагрузки I1 протекает дополнительный ток – ток утечки (ΔI1), являющийся для трансформатора тока током небаланса (разностным). Неравенство токов в первичных обмотках (I1 + ΔI1 в фазном проводнике) и (I2, равный I1, – в нейтральном проводнике) вызывает неравенство магнитных потоков и, как следствие, возникновение во вторичной обмотке трасформированного тока небаланса. Если этот ток 71 превышает значение установки порогового элемента пускового органа 2, последний срабатывает и воздействует на исполнительный механизм 3. Исполнительный механизм, обычно состоящий из пружинного привода, спускового механизма и группы силовых контактов, размыкает электрическую цепь. В результате защищаемая УЗО электроустановка обесточивается. Для осуществления периодического контроля исправности (работоспособности) УЗО предусмотрена цепь тестирования 4. При нажатии кнопки «Тест» искусственно создается отключающий дифференциальный ток. Срабатывание УЗО означает, что оно исправно. По условиям функционирования УЗО подразделяются на следующие типы: АС, А, В, S, G. УЗО типа АС – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток, возникающий внезапно либо медленно возрастающий. УЗО типа А – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный синусоидальный дифференциальный ток и пульсирующий постоянный дифференциальный ток, возникающие внезапно либо медленно возрастающие. УЗО типа В – устройство защитного отключения, реагирующее на переменный, постоянный и выпрямленный токи небаланса. УЗО типа S – устройство защитного отключения, селективное (с выдержкой времени отключения). УЗО типа G – то же, что и типа S, но с меньшей выдержкой времени. УЗО подразделяются также на устройства без встроенной защиты от сверхтоков и со встроенной защитой от сверхтоков (дифференциальные автоматы). В соответствии с ГОСТ Р 50807–95, ГОСТ Р 51326.1–99 и ГОСТ Р 51327.1–99 УЗО характеризуются нижеследующими нормируемыми 72 параметрами. Номинальное напряжение Uн – действующее значение напряжения, при котором обеспечивается работоспособность УЗО: Uн =220, 380 В. Номинальный ток Iн – ток, который УЗО может пропускать в продолжительном режиме работы: Iн = 6; 16; 25; 40; 63; 80; 100; 125 А. Номинальный отключающий дифференциальный ток IΔн – дифференциальный ток, который вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации: IΔн = 0,006; 0,01; 0,03; 0,1; 0,3; 0,5 А. Номинальный неотключающий дифференциальный ток IΔп0 – дифференциальный ток, который не вызывает отключение УЗО при заданных условиях эксплуатации: IΔн0 =0,5 IΔн. Предельный неотключающий сверхток Iнmin – минимальное значение неотключающего сверхтока при симметричной нагрузке двух- и четырехполюсных УЗО или несимметричной нагрузке четырехполюсных УЗО: Iнmin = 6 Iн. Сверхток – любой ток, который превышает номинальный ток нагрузки. Номинальная включающая и отключающая способность (коммутационная способность) Iд – действующее значение ожидаемого тока, который УЗО способно включить, пропускать в течение всего времени размыкания и отключить при заданных условиях эксплуатации без нарушения его работоспособности. Минимальное значение Iтin = 10 Iн или 500 А (выбирается большее значение). Номинальный условный ток короткого замыкания Iн.к.з – действующее значение ожидаемого тока, который способно выдержать УЗО, оборудованное устройством защиты от коротких замыканий, при заданных условиях эксплуатации, без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность: Iн.к.з = 3000; 4500; 6000; 10 000 А. Номинальный условный дифференциальный ток короткого замыкания IΔк.з – ожидаемый дифференциальный ток, который способно выдержать 73 УЗО, обеспечивающее защиту от коротких замыканий при заданных условиях эксплуатации без необратимых изменений, нарушающих его работоспособность: IΔк.з = 3000; 4500; 6000; 10 000 А. Номинальное время отключения Тн – время между моментом внезапного возникновения отключающего дифференциального тока и моментом гашения дуги на всех полюсах. Стандартные значения максимально допустимого времени отключения УЗО типов АС и А при любом номинальном токе нагрузки и заданных нормами значениях дифференциального тока не должны превышать приведенных ниже: Номинальном ток . . . . . . . . . . . .IΔn 2 IΔn 5 IΔn 500 А Время отключения, с . . . . . . . . . .0,3 0,15 Стандартные значения допустимого 0,04 0,04 времени отключения и неотключения для УЗО типа S при любом номинальном токе нагрузки свыше 25 А и значениях номинального дифференциального тока свыше 0,03 А не должны превышать приведенных в таблице 5.1. Таблица 5.1. Допустимое время отключения и неотключения УЗО. Суммарный ток утечки сети с учетом присоединяемых стационарных и переносных электроприемников в нормальном режиме работы не должен превосходить 1/3 номинального тока УЗО. Согласно ПУЭ при отсутствии данных ток утечки электроприемников следует принимать из расчета 0,4мА на 1А тока нагрузки, а ток утечки сети – из расчета 10 мкА на 1м длины фазного проводника. Для повышения уровня защиты от возгорания при замыканиях на заземленные части, когда величина тока недостаточна для срабатывания максимальной токовой защиты, на вводе в квартиру, индивидуальный дом и т.п. рекомендуется установка УЗО с током срабатывания до 300 мА. 74 Принципиальное значение при рассмотрении конструкции УЗО имеет разделение устройств по способу технической реализации на следующие два типа: УЗО, функционально (электромеханические). не зависящие Источником от энергии, напряжения питания необходимой для функционирования — выполнения защитных функций, включая операцию отключения, является сам сигнал – ток небаланса, на который устройство реагирует; УЗО, функционально зависящие от напряжения питания (электронные). Их механизм для выполнения операции отключения нуждается в энергии, получаемой либо от контролируемой сети, либо от внешнего источника. Применение устройств, функционально зависящих от напряжения питания, более ограничено вследствие их меньшей надежности, подверженности воздействию внешних факторов и др. Однако основной причиной меньшего распространения таких устройств является их неработоспособность при часто встречающейся и наиболее опасной по условиям вероятности электропоражения неисправности электроустановки, а именно при обрыве нулевого проводника в цепи до УЗО по направлению к источнику питания. В этом случае «электронное» УЗО, не имея питания, не функционирует, а на электроустановку по фазному проводнику попадает опасный для жизни человека потенциал. 5.6. Выбор типа УЗО Во Временных указаниях по применению УЗО в электроустановках жилых зданий (И. п. от 29.04.97 №42-6/9-ЭТ, п. 4.10) указано: «В жилых зданиях, как правило, должны применяться УЗО типа «А», реагирующие не только на переменные, но и на пульсирующие токи повреждений. Использование УЗО типа «АС», реагирующих только на переменные токи утечки, допускается в обоснованных случаях». Устройства защитного отключения с расчетным отключающим дифференциальным током 10 мА или 30 мА обеспечивают надежную защиту 75 и в том случае, когда ток протекает через тело человека в результате непреднамеренного прямого прикосновения к токоведущим частям. Такая защита недостижима никакими другими сопоставимыми мероприятиями по защите от непрямого прикосновения. Время срабатывания составляет, в среднем, от 10 до 30 мс. Допустимое согласно DIN VDE 0664, EN 61 008 или МЭК 61 008 время срабатывания макс. 0,3с (300 мс) при этом не превышается. Для обеспечения электробезопасности установки НУМ было решено использовать УЗО марки Siemens типа 5SM3 311-6. Это УЗО типа АС, оно срабатывает без задержки времени, импульсная прочность >1 кА. УЗО рассчитано на протекающие токи до 16А, отключающий дифференциальный ток 30 мА, время отключения не более 30 мс. 5.7. Расчет защитного заземления Проведем расчет защитного заземления для установки для холодных измерений, упрощенная блок-схема которой приведена в приложении 1. Все блоки установки объединены одной питающей шиной. Питание однофазное, производится от сети переменного тока напряжением 220В. Ток, потребляемый установкой составляет 15А. Т. о., потребляемая мощность составляет 3,3 кВт (при cos φ=1). Для такой установки максимально допустимое сопротивление заземлителей составляет R0=4Ом. Сопротивление заземлителя растеканию тока складывается из сопротивления самого заземлителя, переходного сопротивления между заземлителем и землей м сопротивления грунта. Два первых по сравнению с последним весьма малы, поэтому ими пренебрегают под сопротивлением заземлителя растеканию тока понимают сопротивление грунта растеканию тока. 76 Таблица 5.2. Значения параметров для расчета заземления. Название величины Обозначение Значение Длина заземлителя lt 350 см Диаметр заземлителя d 7 см Глубина заложения h 100 см Расстояние между заземлителями a 600 см Толщина соединительной полосы b 4 см Удельное ρ 0,3*10^4 Ом*см электрическое сопротивление грунта (чернозем) Определим сопротивление одного заземлителя. Рис 5.2. Схема устройства защитного заземления с вертикальными заземлителями. 1 – вертикальные заземлители, 2 – соединительная горизонтальная полоса, 77 3 – заземляющий проводник, 4 - корпус заземляемой установки. Согласно формуле (10.6.1), получаем: Rt=6.723Ом. Кол-во заземлителей находится по формуле n=Rt/R0ήt , где: R0 – нормируемая величина сопротивления, определяемая в соответствии с требованиями ПУЭ, Ом; ήt - коэффициент использования вертикальных заземлителей, учитывающий увеличение сопротивления растеканию заземлителей за счет повышенной плотности тока в общих участках земли, по которым проходят токи нескольких электродов. В нашем случае, принимаем ήt=0.9 Согласно (10.6.2), n= 1,867 ~ 2 Сопротивление растеканию горизонтальной соединитльной полосы , где ln – длина соединительной полосы, ln=a(n-1); а – расстояние между вертикальными заземлителями; b – толщина соединительной полосы, см. Рассчитаем по формуле (10.6.3) сопротивление горизонтальной соединительной полосы Rn=0.873 Ом. Суммарное сопротивление растеканию ЗУ находится по формуле: , где ήn – коэффициент использования горизонтального полосового заземлителя, соединяющего вертикальные заземлители. В нашем случае ήn=1.05. Согласно формуле получаем сопротивление растеканию R=0.667 Ом. 78 ГЛАВА 6. Экологическая часть 6.1. Воздействие СВЧ излучения на человека Ткани живого организма плохо рассеивают высокочастотные ЭМП. При воздействии излучения СВЧ-диапазона в биологических тканях проявляются эффекты, которые можно разделить на тепловые и нетепловые, происходящие при малых уровнях мощности излучения. Поглощение электромагнитной энергии биологической тканью при постоянной частоте определяется средними значениями диэлектрической проницаемости, электропроводности и магнитной проницаемости тканей. В итоге, все биологические ткани организма человека можно представить в виде 2 групп: к первой относятся подвижные среды (кровь, спинномозговая жидкость, воздух в легких и др., количество которых непостоянно для данной области биологического объекта); ко второй — все остальные среды (мышцы, костная и жировая ткань и т. д.). Диэлектрическая проницаемость, электропроводность и магнитная проницаемость для всех тканей различны, что определяет глубину проникновения электромагнитной энергии в биологическую ткань и биологический эффект облучения ЭМП. Если механизм терморегуляции организма способен путем рассеивания избыточного тепла предупреждать перегрев, то его температура остается нормальной, если нет — происходит непрерывный подъем температуры, который приводит к воспалению или даже разрушению ткани. На границе раздела тканей с высоким и низким содержанием воды в результате отражения происходит образование стоячих волн, обусловливающих образование так называемых “горячих пятен”. Следствием этого эффекта являются локальные повреждения кожи и расположенной под ней ткани. Ожоги, вызванные СВЧ-облучением имеют большую глубину (ожоги четвертой степени). 79 Наличие отражения на границе воздух – ткань приводит к уменьшению теплового эффекта на всех частотах. Перераспределение тепловой энергии между соседними тканями через кровь наряду с конвекционной отдачей энергии теплоиспусканием определяет температуру в окружающее нагреваемых пространство участков тела. во многом Именно из-за ухудшения системы отвода тепла от некоторых участков (например, глаза, ткань семенников, в которых мало кровеносных сосудов) эти органы наиболее уязвимы для облучения. 6.2. Инженерный метод расчета защиты персонала от СВЧ излучения Основной целью электромагнитной экранировки СВЧ установки является не допущение воздействия СВЧ – мощности на обслуживающий персонал. Для частот свыше 300 МГц установлена максимальная мощность длительного (несколько часов) воздействия на человека и она равна 10 мкВт . см 2 Экранирование производится металлическими листами. Защитные свойства обусловлены тем, что электромагнитное поле создает на экране токи Фуко, наводящие в нем вторичное поле по амплитуде примерно равное, а по фазе - противоположное экранируемому. Результирующее поле, возникающее при сложении этих двух полей очень быстро убывает в экране, проникая на незначительную глубину. В исследованиях применяется частота 2450 МГц, получаемые выходные мощности находятся в пределах до 4,0 кВт при следующих геометрических размерах камеры СВЧ установки: длина волноводных секций -500 мм, а поперечное сечение 90мм х 45 мм, ширина секции замедляющей системы 80 мм. 80 Таким образом, СВЧ устройство на основе секций волноводного типа и на основе секций замедляющих систем можно свести к эквивалентной резонаторной камеры, поверхность которой соответствует поверхности секций и в которую излучается СВЧ мощность – 4,0 кВт. В этом случае можно определить величину мощности, приходящейся на единицу поверхности камеры: Пизл = РСВЧ площадь СВЧ - устройства Пизл = 4000Вт 4000 Вт Вт = = 11 , 4 0,5 0,54 + 0,16м 2 0,35 м 2 м2 Экранирование производится листами из меди, толщиной (z = 3) мм. Величину мощности СВЧ – излучения из СВЧ – устройства можно рассчитать из уравнения [2]: Пизл ( z ) = Пизл (0) e -2 z В этом выражении: Пизл (0) - плотность мощности излучения внутри установки; Пизл (z ) - плотность мощности излучения из установки; z – толщина медного листа листа; - постоянная затухания СВЧ – мощности в медном листе. Величина постоянной затухания может быть определена по формуле: = f 0 2 В этом выражении: f - частота колебаний электромагнитного поля, f = 2450 10 6 Гц ; - проводимость меди, ( = 0,57 108 1 ); Ом м Гн 0 - абсолютная магнитная проницаемость 0 = 4 10 - 7 ; м 81 2450 106 100 10 - 7 4 0,3 107 1 = = 68 10 4 2 м Пизл ( z ) = 11,4 Вт - 680000 e =0 2 м Таким образом, величина СВЧ – мощности, которая излучается из установки равна нулю, и следовательно, удовлетворяет всем требованиям по безопасным условиям работы обслуживающего персонала. В России в настоящее время действуют следующие нормативные документы: 1. ГОСТ 12.1.006 – 84 “Система безопасных условий труда. Электромагнитные поля радиочастот. Допускаемые уровни на рабочих местах и требования к проведению контроля”; 2. Отраслевые “Правила техники безопасности и производственной санитарии в электронной промышленности”, разделы К, Н, согласованные с Министерством электронной промышленности СССР от 16 февраля 1983 г. Оба указанные документа устанавливают в качестве безопасной нормы, при 8 часовом рабочем дне, уровень плотности потока мощности не более 10 мкВт . см 2 82 ГЛАВА 7. Экономическая часть 7.1. Расчёт себестоимости изделия В себестоимость опытного образца включается: Стоимость основных материалов, полуфабрикатов и покупных изделий, Основная зарплата исполнителей, Дополнительная зарплата, Отчисления на социальные нужды, Накладные расходы 1. Затраты на материалы и комплектующие изделия составляют 50.954 рублей без НДС. 2. Расходы на оплату труда изготовителей. РОТ = 71.952 руб. З. Затраты на дополнительную заработную плату составляют: ДЗП = 6.230 руб. 4. Просуммируем значения основной и дополнительной заработной платы, определим фонд оплаты труда: ФОТ =71.952 +6.230 = 78.182 руб. 5. Единый социальный налог установлен в размере 26% от суммы оплаты труда в соответствии с Налоговым Кодексом РФ ч.2 гл.24 ЕСН = 19.139* 0,26 = 4976,14 руб. 6. Страховой тариф на обязательное страхование от несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний 0,2% от суммы оплаты труда. Взимается на основании постановления Правительства РФ от 21.12.2000 №996 «О внесении изменений и дополнений в правила отнесения отраслей экономики профессионального риска» Страховой тариф=19.139*0,002=38,28 руб. 83 7. Накладные расходы составляют 210,19% от основной заработной платы. Накладные расходы = 126.186 руб Статья расходов Сумма Затраты на материалы 8504 Расходы на оплату труда (РОТ) 78182 Дополнительная заработная плата (11,85% от РОТ) 6230 Фонд оплаты труда (ФОТ) 65722 ЕСН (26% ФОТ) 4974,14 Страховой тариф (0,2% от ФОТ) 38,28 Накладные расходы (210,19% от РОТ) 126182 Себестоимость 341057 Прибыль (25% от себестоимости) 2974,73 ИТОГО 426321,25 Таблица 7.1. Структура цены. Прибыль составляет 25% от себестоимости: 341057* 0,25 = 85264 руб. Налогом на добавленную стоимость (НДС) не облагается, так как источником финансирования является госбюджет (статья 149 пункт 3 подпункт 16 Налогового Кодекса РФ). Таким образом, цена коаксиального магнетрона составит 426321,25 руб. 84 ЗАКЛЮЧЕНИЕ На предприятии ОАО «Плутон», в рамках ОКР, целью которой является разработка коаксиального магнетрона 8мм диапазона длин волн мощностью 25кВт, автором была проведена дипломная работа. В данной работе была изучена конструкция и принцип работы коаксиального магнетрона, технология изготовления анодного блока магнетрона, основные этапы сборки прибора и тепловой режим анодного блока магнетрона. В результате выполнения дипломного проекта, автором были достигнуты следующие результаты: 1. На основании рекомендациями, расчетов, выполненных описанными в литературе, в соответствии была с подобрана оптимальная конструкция анодного блока магнетрона. 2. В результате расчёта была получена частота π вида системы. 3. Был проведён эксперимент, который подтвердил результаты расчёта зависимости рабочего вида и конкурирующих видов колебаний резонатора. 4. Был проведён анализ опасных и вредных факторов на производстве и влияния СВЧ излучения на организм человека. 5.Была рассчитана себестоимость и прибыль от реализации прибора В результате компактный прибор дипломного массой ≈ проектирования 600г, удалось обладающий получить заявленными электродинамическими параметрами и функционирующий в заданном рабочем режиме. 85 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1.) Э. Д. Шлифер «Расчёт и проектирование коаксиальных и обращено-коаксиальных магнетронов», под редакцией Э. М. Гутцайта, Издательство МЭИ, Москва 1991г. 2.) Патент РФ №2007777 на изобретение «магнетрон». Приоритет изобретения 15 апреля 1992г. Патентообладатель: предприятие «Плутон». Авторы: Копылов М. Ф., Бондаренко Б. В., Махов В. И. и Назаров В. А. 3.) С. Д. Гвоздовер «Теория электронных приборов сверхвысоких частот», Государственное издание технико-технической литературы, Москва 1956г. 4.) Э. Д. Шлифер «Расчёт многорезонаторных магнетронов» 2-ое издание, МЭИ 1966г. 5.) «Электронные сверхвысокочастотные приборы со скрещенными полями», под редакцией М. М. Федорова, том 2, издательство иностранной литературы, Москва 1961г. 6.) И. В. Лебедев «Техника и приборы СВЧ» тома 1-ый и 2-ой, издательство 2-ое, переработанное и дополненное, издательство «Высшая школа», Москва 1972г. 7.) Минэ Ким. Металлические материалы для электронных ламп, перевод с японского, Москва 1966г. 8.) Экология, учебное пособие. Москва, Знание, 1997 9.) Григорян Г. Е. Магниторецепция и механизмы действия магнитных полей на биосистемы Ереван.: Гитутюн, 1995 10.) Н. А. Агаджанян, И. И. Макарова. Магнитное поле земли и организм человека. Экология человека, 2005. 86 ПРИЛОЖЕНИЕ Установка низкого уровня мощности (НУМ) Рис 7. Блок-схема установки для холодных измерений Назначение установки Панорамная установка низкого уровня мощности позволяет быстро получить значения добротностей стабилизирующего резонатора коаксиального магнетрона на частотах рабочего диапазона. Объектом измерений на установке является коаксиальный магнетрон. Для оценки величины потерь магнетрона пользуются величины добротностей. Полые резонаторы должны рассматриваться с помощью теории поля, как системы с распределенными параметрами. Из соображений удобства расчетов целесообразно представить сколь угодно сложный полый резонатор в виде эквивалентного колебательного контура с сосредоточенными постоянными. Основными параметрами контуров с сосредоточенными параметрами являются индуктивность, емкость и активное сопротивление. Практически целесообразно рассматривать такие 87 эквивалентные параметры, которые могут быть непосредственно измерены. Поскольку в СВЧ технике вполне доступно измерение полных сопротивлений и проводимостей, а также измерение длины волны или частоты, основными эквивалентными параметрами полых резонаторов принято полагать: 1). Резонансную длину волны𝜆0 , а также резонансную круговую частоту𝜔0 . 2). Активную проводимость G, являющиеся мерой активных потерь в резонаторе. 3). Собственную или ненагруженную добротность𝑄0 = 2𝜋 𝑊зап.зс 𝑃пот.зс . Параметры 𝜆0 , 𝐺, 𝑄0 могут полностью заменить параметры L, C, R контуров с сосредоточенными параметрами. Добротность контура с учетом всех присоединенных нагрузок называется нагруженной добротностью 𝑄н = 2𝜋 𝑊зап.зс 𝑃расс.полн . Также вводится понятие внешней или вносимой добротности 𝑄вн и определяется как отношение энергии накопленной в самом резонаторе к энергии, рассеянной в нагрузке за период высокочастотного колебания. 1 1 1 = + 𝑄0 𝑄н 𝑄вн При 𝑄вн = 𝑄0 энергия, рассеиваемая в нагрузках, в точности равна энергии, рассеиваемой внутри самого резонатора. Такой режим связи называется критическим. Если 𝑄вн < 𝑄0 , то энергия, передаваемая из резонатора в нагрузки, превышает энергию, рассеиваемую в резонаторе. Этот случай принято называть режимом пересвязи. Наконец, при режиме недосвязи 𝑄вн > 𝑄0 и суммарная энергия, рассеиваемая в нагрузках, становится меньше энергии в резонаторе. КСВ – коэффициент стоячей волны. Эта величина показывает отношение высокочастотного напряжения в максимуме к напряжению в минимуме 88 стоячей волны. Измерение КСВ может быть произведено непосредственно путем перемещения вдоль линии идеального высокочастотного вольтметра или прибора, показания которого связаны с высокочастотным напряжением в данном сечении, далее по полученным измерениям строится резонансная кривая. Но этот процесс очень трудоемок и занимает много времени, поэтому используется панорамная установка низкого уровня мощности, которая позволяет сразу увидеть резонансную кривую. Частота калибратора 𝑓𝑘 измеряется частотомером Ч3-34. Частота, соответствующая калибрационной метке определяется по формуле: 𝑓 = 𝑛𝑓𝑘 + 1, где номер гармоники n равен 5. Величина внешней добротности 𝑄вн определяется по формуле: 𝑄вн = 𝑓0 𝑓1 −𝑓2 , где 𝑓1 − 𝑓2 – полоса частот, измеренная с помощью калибрационной метки, на уровне, равном: 𝐾ур = 𝐾0 + 1 1 + 2𝐾0 8𝐾0 Значения 𝐾ур в зависимости от 𝐾0 приведены в таблице. Значения собственной и нагруженной добротности для пересвязаной системы определяются по формулам: 𝑄0 = 𝐾0 ∗ 𝑄вн 𝑄𝐻 = 𝐾0 𝑄вн 𝐾0 + 1 В случае недосвязанной системы следует использовать формулы: 𝑄0 = 𝑓0 𝑓1 −𝑓2 𝑄н = 𝐾0 𝑄0 𝐾0 +1 𝑄вн = 𝐾0 𝑄0 89 Методика снятия экспериментальных данных на установке холодных измерений 1. На генераторе ВЧ (ГЧ-80, 2.56 – 4ГГц) деления волномеров. 2. На осциллографе «индикатора КСВН и ослабления (Я2Р-67)» линия подводится в нижнюю точку изображения; по шкале КСВ определяется К0 ; 3. По графику панорамы Шлифера по значению К0 находится Красч . 4. На шкале КСВ «Индикатора КСВН и ослабления (Я2Р-67)» выставляется Красч ; 5. На Г4-80 меняется частота (деления волномера), сводя разрыв прямой горизонтальной линии поочередно с левой и правой частями картины на осциллографе (Я2Р-67); 5.1 Поравняв разрыв горизонтальной линии с левой частью картины осциллографа (Я2Р-67), на электронносчетном частотомере (Ч3-34) определяется значение частоты; 5.2 Поровняв разрыв горизонтальной линии с правой частью картины осциллографа (Я2Р-67), на электронносчетном частотомере (Ч3-34) определяется значение частоты; 5.3 Определяется разница частот: ∆𝑓 = 𝑓2 − 𝑓1 ; 6. Рассчитывается внешняя добротность: 𝑄вн = 𝑓 ⁄∆𝑓; 7. Рассчитывается собственная добротность: 𝑄0 = 𝑄вн 𝐾0 ; 8. Далее на всех оставшихся частотах определяются 𝐾0 , 𝑄вн , 𝑄0 , по описанной выше методике. 90
