УНИВЕРСАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ ИСТОЧНИКА ОБЪЕКТУ
VERSATILE DEVICE FOR TRANSMISSION OF RADIATION FROM SOURCE TO OBJECT

Область техники
Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано для эффективной концентрации излучения распределенного источника на объект, расположенный в фокальной зоне.
Предшествующий уровень техники
В последние десятилетия происходит переход от одиночных мощных источников СВЧ излучения, таких как магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и т.д., к распределенным источникам излучения, состоящим из множества отдельных твердотельных элементов. То же самое происходит и с лампами в световом, ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах. Вместо одиночных мощных ламп все чаще используются распределенные системы освещения на светодиодах. Известно, что использование множества отдельных твердотельных СВЧ элементов либо светодиодов в разы повышает надежность систем и увеличивает их экономичность. Именно для концентрации излучения от таких и любых других распределенных систем излучения, состоящих из отдельных элементов, может эффективно использоваться данное изобретение.
Из уровня техники известны различные решения, реализующие передачу излучения от источника объекту. В частности, известно устройство для обработки жидкостей ультрафиолетовым излучением, раскрытое в патенте RU 2177452, опубликованном 27.12.2001, которое содержит внешнюю полую цилиндрическую оболочку, в основаниях которой выполнены отверстия, и соединенные с ней входной и выходной патрубки, а также внутреннюю полую цилиндрическую оболочку, снабженную ребрами жесткости и установленную коаксиально внешней, ультрафиолетовой лампы, заключенные в чехлы из материала, прозрачного для ультрафиолетового излучения, расположенные в кольцевом зазоре между оболочками параллельно их образующим и установленные в отверстиях оснований внешней оболочки, а также средства формирования потока. При этом лампы в кольцевом зазоре размещены по концентрическим окружностям, входной и выходной патрубки расположены соосно оболочкам, а средства формирования потока размещены по направляющим внутренней оболочки с ее внешней стороны. Недостатком данного устройства является технологическая сложность его изготовления, что обуславливает высокую себестоимость, а также низкая экономичность и надежность используемых ламп.
Наиболее близким к заявленному изобретению является устройство для передачи излучения от источника объекту, описанное в заявке RU 2009133146, опубликованной 10.03.2011, которое содержит размещенные в экранированной камере источник излучения, средство для размещения объекта и две антенны, выполненные в виде усеченных сегментов сферической поверхности, установленные напротив друг друга на расстоянии радиуса сферической поверхности, при этом средство для размещения объекта размещено в совмещенной фокальной зоне обеих антенн, а источник излучения размещен в плоскости раскрыва одной из антенн.
Недостатком данного устройства является недостаточная эффективность передачи излучения от источника объекту, слишком высокая неравномерность концентрации излучения, недостаточный объем совместной фокальной зоны, невозможность варьировать мощность излучения без замены самого источника излучения, а также невозможность изменять конфигурацию, концентрацию и объем совместной фокальной зоны.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый при использовании заявленного изобретения, заключается в повышении эффективности передачи излучения от источника объекту, в обеспечении возможности варьирования мощности излучения без замены самого источника излучения, а также изменения конфигурации, концентрации и объема совместной фокальной зоны посредством изменения расстояния между антеннами, в увеличении надежности системы и уменьшении энергопотребления.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в универсальном устройстве для передачи излучения от источника объекту, включающем две антенны, каждая из которых выполнена в виде усеченного сегмента криволинейной поверхности, установленные с формированием совместной фокальной зоны с изменяемой конфигурацией, концентрацией и объемом посредством изменения расстояния между антеннами, распределенный источник излучения размещен в плоскости раскрыва, по крайней мере, одной из антенн или размещен в одной из фокальных зон каждой антенны, а объект размещен в совместной фокальной зоне обоих антенн. При этом криволинейная поверхность каждой антенны может быть выполнена в виде сферической или цилиндрической поверхности, а распределенный источник излучения размещен в плоскости раскрыва, по крайней мере, одной из антенн. Криволинейная поверхность антенн может быть также выполнена в виде эллиптических цилиндров, в одной из фокальных зон которых расположены распределенные источники. Антенны могут быть установлены друг против друга или под углом друг к другу с формированием совместной фокальной зоны.
Указанный технический результат достигается также за счет того, что универсальное устройство может быть дополнительно снабжено, по крайней мере, одной парой сферических, цилиндрических или эллиптических антенн, установленных друг против друга, расположенной в другой плоскости, например перпендикулярной плоскости расположения первой пары антенн.
Выполнение антенн в виде усеченного сегмента криволинейной поверхности, установленных с формированием совместной фокальной зоны, позволяет повысить концентрацию излучения в совместной фокальной зоне и, соответственно, повысить эффективность передачи излучения от источника объекту.
Снабжение устройства, по крайней мере, одной дополнительной парой сферических, цилиндрических или эллиптических антенн, расположенной в другой плоскости, например перпендикулярной плоскости расположения первой пары антенн, позволяет увеличить объем и концентрацию совместной фокальной зоны.
Использование распределенных источников излучения позволяет увеличить надежность системы и уменьшить энергопотребление.
Краткое описание чертежей
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг.1 представлено трехмерное изображение устройства с одной парой сферических антенн и двумя распределенными источниками;
на фиг.2 представлено трехмерное изображение устройства с одной парой цилиндрических антенн с двумя распределенными источниками;
на фиг.3 изображен разрез устройства со сферическими или цилиндрическими антеннами, вид спереди;
на фиг.4 изображен разрез устройства со сферическими антеннами, вид сверху;
на фиг.5 представлен разрез устройства с двумя парами сферических или цилиндрических антенн, вид спереди;
на фиг.6 представлено трехмерное изображение устройства с двумя парами эллиптических цилиндров с объектом, расположенным в совместной фокальной зоне, и распределенными источниками во вторых фокальных зонах;
на фиг.7 представлен разрез устройства с парой сферических или цилиндрических антенн, расположенных под углом друг к другу;
на фиг.8 приведена схема, поясняющая расчет фокусного расстояния сферической антенны.
Лучший вариант осуществления изобретения
Универсальное устройство для передачи излучения от распределенного источника объекту содержит две антенны 1, покрытые материалом, хорошо отражающим УФ или ИК лучи либо, в случае использования СВЧ, выполненные из меди или другого немагнитного металла в виде усеченных сегментов сферической или цилиндрической поверхности. Антенны установлены друг против друга таким образом, чтобы формировалась совместная фокальная зона. Фокальные зоны сферических или цилиндрических антенн расположены на расстоянии половины их радиусов, и в данном случае они совмещены и представляют собой две пересекающиеся объемные сферы либо два объемных цилиндра 6. Средства для размещения источника излучения 3, которые могут быть выполнены, например, в виде стенда с установленными УФ светодиодами, или твердотельными СВЧ элементами, или другими источниками излучения 2, устанавливаются в плоскости раскрыва одной из антенн либо обеих антенн 1. При этом объект 4 располагается в совместной фокальной зоне антенн 1. Все устройство располагают в камере 7. При этом сферические или цилиндрические антенны могут являться стенками такой камеры, как показано на фиг.1, 2 и 3, или быть отдельными антеннами, расположенными внутри камеры 7.
Кроме того, устройство дополнительно может быть снабжено, по крайней мере, одной парой антенн, расположенных друг против друга таким образом, чтобы формировалась совместная фокальная зона, в другой плоскости, например перпендикулярной плоскости расположения первой пары антенн. В этом случае, по крайней мере, один дополнительный распределенный источник излучения будет установлен в раскрыве этих дополнительных антенн. Такая конфигурация позволит создать совместную фокальную зону в виде объемного креста. Возможна также и установка третьей пары антенн сверху и снизу от фокальной зоны, с геометрией, подобной вышеуказанной. Тогда установка одного или двух распределенных источников излучения в раскрыве верхней и нижней антенн позволит создать объемную совместную фокальную зону уже в виде трехкоординатного креста.
Устройство может быть выполнено из сферических или цилиндрических антенн, установленных под углом друг к другу таким образом, чтобы создавалась совместная фокальная зона.
Устройство работает следующим образом.
Объект 4 устанавливается в совместную фокальную зону 6. В камеру в плоскости раскрыва одной из антенн, или обеих антенн 1, устанавливают один или два стенда 3 с источниками излучения 2. Обе антенны каждой пары отражают излучение источников 2 и концентрируют его в фокальных зонах 6, где размещен объект 4.
При использовании заявляемого устройства для концентрации излучения, например УФ излучения, целесообразно использовать антенны с радиусом сферической поверхности 4 м, длиной 4 м и высотой 2.5 м. Распределенный источник излучения целесообразно использовать с размерами 3×2 м. При этом все элементы каждого распределенного источника будут излучать на обе антенны.
Учитывая, что светодиоды имеют маленькие геометрические размеры (3-5 мм в диаметре), установка нескольких тысяч таких светодиодов на стенд, сделанный из прозрачного для УФ излучения материала, будет препятствовать свету, отраженному от одной из антенн максимум на 2%. Общие дополнительные оптические потери системы будут составлять всего около 1%. В случае использования УФ или ИК излучения средство для размещения объекта может быть сделано в виде контейнера из материала, который пропускает УФ или ИК излучение, например из кварцевого стекла или другого материала. В случае использования распределенного источника в СВЧ диапазоне стенд и средство для размещения объекта необходимо изготовить из радиопрозрачных материалов.
<mrow><mi>O</mi><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>R</mi><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
На фиг.8 приведена схема, поясняющая расчет фокусного расстояния FP вогнутой сферической или цилиндрической антенны радиусом R для луча, падающего на антенну параллельно главной оптической оси на расстоянии а от нее. Геометрическая конфигурация задачи ясна из рисунка. В равнобедренном треугольнике AOF легко выразить боковую сторону OF через основание OA=R и угол при нем α:
.
Из прямоугольного треугольника ОВА находим:
Тогда
. Искомое фокусное расстояние от точки F до полюса Р:
.
a
a
а
а
Это уравнение является уравнением фокальной зоны сферической или цилиндрической антенны. Чем больше расстояние от оси до параллельного луча , тем дальше смещается фокус в сторону антенны. В случае антенны с радиусом R=4 м при =0,5 м смещение фокуса составит 1,5 см, при =1.0 м смещение фокуса составит 7,5 см, а при =1,5 м - 16 см. Максимальное расстояние от оси до крайнего параллельного луча а составит 1,5 м, поскольку длина всего источника излучения 3 м.
Приведенные расчеты выполнены для одной главной оптической оси. Поскольку речь идет о сферической или цилиндрической поверхности, то главных оптических осей из центра на ее поверхность в пределах эффективной угловой апертуры антенны может быть множество.
Таким образом, излучение всех элементов источника длиной 3 м и высотой 2 м на участок сферической антенны такой же длины и высоты в пределах ее угловой апертуры параллельно множеству оптических осей позволяет сформировать объемную фокальную зону с началом на расстоянии R/2 от антенны и глубиной 16 см в сторону антенны. Концентрация излучения будет наибольшей в районе R/2 со стороны антенны. На расстоянии большем чем 16 см от R/2 в сторону антенны концентрации не будет. Установка двух сфер на расстоянии, например, радиус плюс 4 см позволяет использовать дополнительный объем совместной фокальной зоны на 12%, концентрация в котором будет достаточно велика за счет того, что в эту зону попадает концентрированное излучение от обеих антенн, что позволяет более равномерно распределить уровень концентрации излучения по объему совместной фокальной зоны.
При вышеуказанных размерах антенн и при установке их, например, на расстоянии радиуса плюс 4 см эффективная совместная фокальная зона обеих сферических антенн составит 1,2×0,6×0,36 м (в прототипе 1,2×0,6×0,32 м, что на 12% меньше по объему).
Если в предлагаемом устройстве с антеннами размером 4×2,5 м, радиусом сферы или цилиндра 4 м и расстоянием между антеннами, например, радиус плюс 4 см в раскрыве сферической антенны расположить распределенный источник размером 2×3 м, состоящий из множества элементов, то такой большой по объему источник сформирует объемную фокальную зону меньшего размера 1,2×0,6×0,36 м. При этом каждая главная оптическая ось будет формировать фокальную линию длиной 16 см. Эффективная угловая апертура такой антенны составит примерно 30×20 градусов. Если рассмотреть главные оптические оси через 1 градус, то для каждой антенны будет, по крайней мере, по 600 осей, в сумме 1200 осей для двух антенн.
Для каждой главной оптической оси из 1200 осей будет работать антенна размером 3×2 м, на которую, параллельно этой оптической оси, будут «светить» все элементы источника. Излучение будет сконцентрировано с большим коэффициентом усиления для каждой фокальной линии длиной 16 см и за счет этих 1200 фокальных линий будет создана эффективная объемная фокальная зона размером 1,2×0,6×0,36 м с большим коэффициентом усиления по всему ее объему.
В случае цилиндрических антенн размером 4 на 2.5 метра, установленных напротив друг друга на расстоянии 4.04 метра, совместная фокальная зона будет также иметь размер 0.6×0.36 м, но будет иметь длину 4 метра.
Если расположить сферические или цилиндрические антенны размером 4 на 2.5 метра на расстоянии радиуса минус 16 см, то мы получим совместную фокальную зону толщиной всего 16 см, но с концентрацией энергии, в 2 раза большей, чем в случае установки антенн на расстояние радиуса или несколько больше чем радиус.
Таким образом, путем изменения расстояния между антеннами мы имеем возможность получить изменяемую конфигурацию, концентрацию и объем совместной фокальной зоны.
Устройство может быть и других размеров в зависимости от радиуса сферической или цилиндрической поверхности, который может находиться в интервале от 0.05 м до нескольких десятков метров.
При использовании нескольких тысяч УФ светодиодов общая мощность может достигать нескольких киловатт. Тогда устройство позволит в несколько раз сэкономить энергопотребление за счет использования экономичных по сравнению с обычными мощными лампами светодиодов одинаковой суммарной мощности излучения, а также сэкономить энергопотребление, либо увеличить пропускную способность за счет концентрации излучения распределенного источника обеими антеннами в достаточно небольшой объемной совместной фокальной зоне.
В ИК диапазоне для создания распределенного источника можно использовать металлические, например вольфрамовые или углеродные, нити. Они имеют малую толщину и достаточно прозрачны для ИК излучения, отраженного от антенн. Если использовать распределенную газовую горелку, состоящую из тонких трубочек, то также может получится эффективный распределенный источник ИК излучения. В ультразвуковом диапазоне для создания распределенного источника могут быть использованы вибраторы.
Использование двух антенн в виде сегментов сферической или цилиндрической поверхности, размещение их таким образом, чтобы формировалась совместная фокальная зона, установка распределенного источника излучения в плоскости раскрыва одной либо обеих антенн и передача излучения в совместную фокальную зону обеих антенн, где располагается объект, позволяет во много раз увеличить надежность системы, в несколько раз уменьшить энергопотребление за счет использования более экономичных светодиодов, существенно увеличить объем фокальной зоны или при уменьшении ее объема в два раза повысить уровень концентрации, более равномерно распределить концентрацию излучения в фокальной зоне и за счет концентрации излучения увеличить эффективность устройства. Использование одной или двух дополнительных пар антенн в других плоскостях, например перпендикулярных первой паре антенн с распределенными источниками в плоскости раскрыва этих антенн, позволяет создать объемную совместную фокальную зону двух или трех пар антенн с высокой концентрацией энергии.
Криволинейная поверхность антенн может быть также выполнена в виде, по крайней мере, одной пары эллиптических цилиндров 1, расположенных друг против друга с созданием одной совместной фокальной зоны 6, в которой размещен объект 4, а в двух других фокальных зонах расположены распределенные источники 2 (Фиг.6). При этом конфигурация, концентрация и объем совместной фокальной зоны могут регулироваться за счет увеличения расстояния между антеннами или уменьшения этого расстояния в случае необходимости сделать устройство более компактным. Эллиптические цилиндры могут быть установлены под углом таким образом, чтобы создать совместную фокальную зону, по аналогии, как показано на Фиг.7.
Промышленная применимость
Универсальное устройство для концентрации излучения от распределенного источника на объект, расположенный в совместной объемной фокальной зоне, может быть использовано для облучения жидких или газообразных сред, которые прокачиваются через нее, например для обеззараживания воды УФ излучением, нагрева проточной воды и других жидкостей и газов в ИК диапазоне, обработки нефтегазовых продуктов в СВЧ диапазоне и т.п. Кроме того, возможна обработка и обеззараживание твердых и сыпучих продуктов, в частности химикатов, семян, сыпучих пищевых продуктов. Также универсальное устройство может быть использовано для сушки дерева, СВЧ терапии и т.д. При обработке жидкостей и газов возможно применять проточную систему, при обработке сыпучих продуктов можно применять систему медленного непрерывного их прохождения через совместную фокальную зону под воздействием своего веса, при сушке дерева или СВЧ терапии определенный объем дерева или человек помещается в совместную фокальную зону на некоторое время. Универсальное устройство также может быть использовано в ультразвуковом диапазоне для систем приготовления однородных смесей, очистки, стирки, обработки жидкостей и многих других устройствах в любых диапазонах электромагнитных и звуковых волн.