Измерение плотности ВЧ и СВЧ энергии методом лазерной интерференционной термометрии

Измерение плотности ВЧ и СВЧ энергии методом лазерной интерференционной термометрии

Н.В. Гусева1, М.М. Киселёв2, П.В. Дородов2, Г.М. Михеев1, В. А. Морозов1

Институт механики Уральского отделения РАН, г. Ижевск, Удмуртия Ижевская государственная сельскохозяйственная академия, г. Ижевск, Удмуртия

В настоящее время метод лазерной интерференционной термометрии (ЛИТ) наиболее часто (по сравнению с другими) применяется для дистанционного контроля температуры полупроводниковых и диэлектрических подложек в микроэлектронике. Метод ЛИТ имеет высокую разрешающую способность по температуре (не хуже 0,05 К) в широком диапазоне измеряемых температур [1]. Основываясь на этом методе, нами разработано и создано устройство для бесконтактного контроля мощности высокочастотного (ВЧ) или сверхвысокочастотного (СВЧ) поля, поглощенного прозрачной средой [2]. Однако в технологических процессах пищевой промышленности, в которых используется диэлектрический нагрев, обрабатываемые материалы, как правило, не прозрачны и не имеют жестких геометрических размеров. Поэтому прямое применение ЛИТ для контроля мощности, поглощенной материалами, не представляется возможным.

Необходимо отметить, что качественная обработка материала в камерах ВЧ или СВЧ нагрева допустима только в том случае, если плотность распределения энергии электромагнитного поля (ЭМП) в них практически равномерна [3]. На ВЧ это условие достаточно просто обеспечивается расчетным путем [4]. На СВЧ существуют сложности с определением типа волн, возбуждаемых в камере нагрева. Поэтому в этом диапазоне длин волн плотность ЭМП определяют экспериментально с помощью измерителя плотности потока мощности, а также СВЧ ваттметра в сочетании с измерительной антенной [5, 6].

Данная работа посвящена разработке методики, позволяющей контролировать распределение плотности энергии ВЧ или СВЧ поля с помощью разработанного нами устройства [2]. Схема этого устройства показана на рис.1.

Рис. 1. Схема лазерного интерферометра: 1 - измерительный блок; 2 -видеокамера; 3 - полупроводниковый лазер; 4 - лучи лазера; 5 - датчик мощности, помещенный в камеру нагрева; 6 - тот же датчик, но за пределами камеры нагрева, 7 -монитор компьютера с изображением интерференционной картины

Датчик в форме параллелепипеда из оптически прозрачного материала с размерами много меньше длины волны электромагнитного излучения помещают в камеру СВЧ нагрева. Мощность, поглощаемая датчиком, определяется по формуле [3]:

Р = фє0 єrtg8E 2У ,

где о - угловая частота колебаний ЭМП, е0 - электрическая постоянная, ег и tg 3 -относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь

материала датчика, E - эффективная величина напряженности электрического поля (ЭП) в материале датчика и V - объем датчика.

Мощность P расходуется на изменение температуры и энергии упругих деформаций датчика, а также на компенсацию тепловых потерь при взаимодействии датчика с окружающей средой в камере нагрева. В то же время, если датчик находится в ЭМП в течение времени, значительно меньшем постоянной времени нагрева датчика, то мощность, поглощаемую датчиком, можно определить по формуле:

T - T

P = cpm-T ,

Ат

где T и T0 - температуры датчика и окружающей среды в камере нагрева, m -масса датчика, cp - удельная теплоемкость материала датчика, Ат - время нагрева.

Ориентация силовых линий ЭМП зависит от типа возбуждаемой в камере электромагнитной волны [7]. Известно, что для диапазона СВЧ волн граничные условия по полю таковы, что силовые линии ЭП, примыкающие к металлическим стенкам камеры нагрева, перпендикулярны или параллельны им. Поэтому, располагая датчик на минимальном расстоянии от стенок и ориентируя его большую грань параллельно им, можно обеспечить перпендикулярность или параллельность силовых линий ЭП большим граням датчика. Если силовые линии перпендикулярны, то напряженность ЭП для точек, находящихся в воздухе около больших граней датчика, рассчитывается по формуле Eo = erE, если линии поля параллельны, то E0 = E [8].

Прогретый в камере нагрева датчик извлекают из камеры и помещают в интерферометр. Отраженные от противоположных граней датчика пучки лазерного излучения интерферируют. Интерференционная картина регистрируется видеокамерой. В результате изменения коэффициента преломления и толщины датчика при его нагреве происходит смещение интерференционных полос. В методе ЛИТ температура датчика в процессе измерения находится так [1]:

T = T0 +------------г,

0 2И0 ho (во +PY

где X - длина волны лазерного излучения, AN = |N - N0|, N и N0 - номера полос интерференции для прогретого и охлажденного до температуры воздуха в лаборатории T0 датчика, n0 и h0 - показатель преломления материала датчика и его толщина при температуре T0, в0 и в - температурные коэффициенты показателя преломления и линейного расширения материала датчика.

Приравнивая (1) и (2), учитывая (3) и зависимости между E0 и E, полагая, что T ~ T и T0 - T0, а так же выделяя из полученного равенства плотность энергии ЭМП в вакууме в соответствии с формулой w = е0 E02, получаем

£cp рЯМ

w ---------- —7-----ч ,

2n0h0 со tg5{P0 + 0)Yt

где £ = er, если силовые линии ЭП перпендикулярны большим граням датчика и £ = 1/er, если они параллельны, р - плотность материала датчика.

Отсюда следует, что плотность энергии ЭМП в пространстве камеры нагрева свободном от обрабатываемого материала пропорциональна AN, т.е. w ~ KAN. Коэффициент пропорциональности K зависит от физических свойств материала и размеров датчика, длины волны лазерного излучения, ориентации силовых линий ЭП относительно датчика, частоты колебаний генератора ВЧ или СВЧ энергии в камере нагрева. Генераторы, применяемые в промышленности, вырабатывают, как правило, высокостабильную по частоте колебаний электромагнитную энергию. Таким образом, при обеспечении постоянства коэффициента K, основные сложности определения плотности энергии будут связаны с измерением AN. Особенности измерения этого параметра (в том

числе определение дробной части интерференционной полосы) подробно рассмотрены в статье [9], а типичная интерференционная картина, получаемая на экране компьютера, приведена на рис. 1.

Рис. 2. Распределение плотности электромагнитной энергии на высоте 10 мм от дна камеры СВЧ печи

Результаты исследования распределения плотности электромагнитной энергии w в камере СВЧ печи с применением полупроводникового лазера марки HLDPM12-655-25 показаны на рис. 2.

В заключение укажем, что описанный выше метод нахождения распределения плотности ЭМП можно применять в лабораторных исследованиях, а также в опытноконструкторских работах с целью оптимизации камер ВЧ или СВЧ нагрева.

Литература

1. Магунов А.Н. Лазерная термометрия твердых тел. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. -

224 с.

2. Дородов П.В., Гусева Н.В., Киселёв М.М. Устройство для бесконтактного определения мощности СВЧ-излучения // Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2009. - № 6. - С. 32 - 33.

3. Рогов И. А., Некрутман С.В., Лысов Г.В. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продуктов.- М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 200 с.

4. Морозов В.А. Расчёт характеристик рабочего конденсатора с прямоугольными электродами // Электротехника. - 2002. - № 11. - С. 41 - 44.

5. Билько М.И., Томашевский А.К. Измерение мощности на СВЧ. - М.: Радио и связь, 1986. - 168 с.

6. Морозов В. А., Михеев Г.М., Зонов Р.Г. Ваттметр для высокочастотной системы с плазменной нагрузкой // Харьковская нанотехнологическая ассамблея. Том I. Вакуумные нанотехнологии и оборудование / Под общ. ред. И.М. Неклюдова, В.М. Шулаева. -Харьков: ННЦ «ХФТИ»: ИПП «Контраст», 2006. - С. 41 - 45.

7. Федоров Н.Н. Основы электродинамики: учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1980. - 399 с.

8. Парселл Э. Электричество и магнетизм. Пер. с англ. - М.: Наука, Глав. ред. физ.-мат. литературы, 1971. - 448 с.

9. Беркутов В.П., Гусева Н.В., Дородов П.В., Киселев М.М. Интерферометр для определения нормальных напряжений в плоских прозрачных моделях // Датчики и системы. - 2009. - № 2. - С. 26 - 29.