Текст книги "История электротехники"

Автор книги: авторов Коллектив

сообщить о нарушении

Текущая страница: 62 (всего у книги 78 страниц) [доступный отрывок для чтения: 28 страниц]

11.3.3. ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЙ

В силу исторической приоритетности потребностей военной техники уже в предвоенные (30-е годы) и особенно в последующие 40–80-е годы усилия многих ученых и инженеров, целых научных и производственных коллективов были сосредоточены на создании и выпуске различных СВЧ-приборов и устройств военного назначения (до 90% ламп закупалось военной промышленностью). Такая концентрация сил происходила как в СССР, так и за рубежом (главным образом в США, Великобритании, Франции). Это привело к значительным успехам в СВЧ-технике в целом и, в частности, в развитии СВЧ-приборов. Тем самым создавалась и развивалась база для использования СВЧ-энергии не только в традиционных радиотехнических направлениях, но и в промышленности.

В технологической СВЧ-электронике функция электромагнитных волн – энергетическое воздействие на объект, при этом важную роль играет правильный выбор рабочей частоты электромагнитных колебаний и уровня мощности их источника. Оптимизация взаимодействия электромагнитных полей СВЧ-излучения с объектом требует учета многих факторов, таких как форма и объем объекта, физико-химический состав и структура и др.

СВЧ-технологии – относительно молодые направления техники. Их развитие началось в середине 40-х годов и расширялось по мере создания источников СВЧ-колебаний: триодов, тетродов, магнетронов, пролетных клистронов. Сегодня, на рубеже XX и XXI вв., номенклатура объектов, обрабатываемых СВЧ-излучением, заметно растет, но результаты воздействия на различные микро– и макрообъекты изучены далеко не во всей полноте. Их принято разделять на тепловые и нетепловые, а объекты обработки – на неживые и живые (биологические). Доминирующим в развитии технологий СВЧ-обработки следует признать СВЧ-нагрев неживых объектов (материалов, продуктов). Это направление начало особенно интенсивно развиваться в 60-х годах и уже глубоко проникло в промышленную и бытовую сферы.

В промышленных установках СВЧ-нагрева используются как одиночные источники СВЧ-энергии с требуемой выходной мощностью, так и комбинации из двух, трех и более (до десятков) СВЧ-генераторов, работающих одновременно или по определенной пространственно-временной программе. В бытовых установках (например, в микроволновых печах), как правило, используется один магнетрон.

С конца 60-х годов и по настоящее время изучаются медико-биологические эффекты воздействия СВЧ-облучения на живые микро– и макрообъекты. В конце 90-х годов начато создание установок автономных и комплексных воздействий, например СВЧ– и УФ-облучений. Так, в 1997 г. специалистами ОАО «Плутон» создана портативная установка бактерицидной обработки проточных жидкостей, медицинских инструментов, отходов. В конце 90-х годов начинают применять импульсные, в том числе моноимпульсные режимы для мощного локального теплового и, возможно, «нетеплового» СВЧ-воздействия на микрообъект в целях деструктуризации или «угнетения» этого микрообъекта. Частным случаем такого технологического процесса является безнагревная антисальмонельная обработка сырых яиц домашней птицы.

В технологических СВЧ-установках в основном используются магнетроны. Однако находят применение и пролетный клистрон (например, в СВЧ-сушилках крупногабаритных материалов), ниготрон (например, в мощных плазмотронах), гиротрон (например, в установках нагрева плазмы). Однако магнетрон вряд ли утратит свои позиции в XXI в. По-видимому, первым из исследователей, поместившим вакуумный диод с коаксиальными электродами в продольное магнитное поле для управления отсечкой тока, был немецкий инженер К. Гадинг (К. Gading, 1910 г.), запатентовавший такой прибор, видя в нем конкурента изобретенному за 3 года до этого Ли де Форестом триоду.

Однако наиболее заметный интерес к диоду в магнитном поле был проявлен учеными и инженерами разных стран в период 1919–1939 гг. Из первых исследователей «магнитного диода» со сплошным анодом и нитевидным прямонакальным катодом следует выделить американца А. Халла (A. Hull), в 1921 г. описавшего движение электронов в пространстве между коаксиальными цилиндрическими электродами в присутствии однородного магнитного поля. А. Халлом был введен термин «магнетрон». При этом магнетрон отнюдь не рассматривался как генератор СВЧ-колебаний. Эффект генерирования электромагнитных колебаний в магнетроне открыли в 1924 г. независимо друг от друга чехословацкий инженер А. Жачек (A. Zacek) (циклотронные колебания с длиной волны больше 30 см) и немецкий физик Е. Хабанн (Е. Habann) (колебания типа «отрицательного сопротивления» в магнитном диоде с разрезанным на два сегмента анодом и с подключенным внешним LC-контуром).

В период 1926–1936 гг. магнетрон развивался уже как генератор электромагнитных колебаний. В 1927 г. А.А. Слуцкин и Д.С. Штейнберг (СССР) впервые создали магнетрон в диапазонах 60–30 и 7,5 см. Основная тенденция этого периода – увеличение мощности и продвижение в диапазон все более коротких волн – решалась в рамках использования магнитного диода с разрезным анодом и внешнего колебательного контура.

В 1929 г. А. Окабе (A. Okabe), Япония, добился генерирования колебаний в диапазоне волн 3–5 см магнетроном с четырехсегментным анодом, а в 1932 г. Е. Мегоу (E.C.S. Megaw), Англия, получил колебания с длиной волны 40–60 см на магнетроне с двенадцатисегментным анодом. Важной вехой в развитии теории и практики создания магнетронов явилось введение в 1934 г. К. Постумусом (К. Posthumous), Голландия, концепции вращающегося поля для электромагнитных колебаний типа «бегущей волны» и принципа синхронизма при взаимодействии электронов с электромагнитными волнами.

В русле упомянутой задачи наращивания мощности и увеличения частоты, пожалуй, наиболее весомым надо считать появление в 1936–1940 гг. магнетронов с цельномедным анодом, содержащим непосредственно в теле анода несколько полых СВЧ-резонаторов вместо внешних LC-контуров. Работы в 1935–1940 гг. в СССР проводились под руководством М.А. Бонч-Бруевича инженерами Н.Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым. Были получены рекордные по тому времени мощности непрерывных колебаний – до 300 Вт с длиной волны 9 см. В дальнейшем во всем мире стали разрабатываться именно многорезонаторные магнетроны.

Одной из ранних проблем, возникших в мно-горезонаторных магнетронах, явилась неустойчивость генерации, а с увеличением уровней мощности этой проблеме сопутствовала не менее существенная – недолговечность тонкого катода. Первая из них была успешно решена введением в анодную резонаторную систему связок [Дж. Сэйерс (J. Sayers), Англия, 1941 г.], а позже использованием разнорезонаторных систем [Дж. Рэндол, X. Бут (J.T. Randall, H.A. Boot), Англия]; вторая – введением полого цилиндрического катода с подогревателем. В радиоламповой технике такой катод был предложен русским ученым А.А. Чернышевым (1918 г.), а для магнетронов в 1933 г. – американским инженером К. Хенселлом (К. Hansel).

В период 1941–1945 гг. преимущественно создавались импульсные магнетроны для радиолокаторов. В этот период появилось множество усовершенствованных конструкций и технологий, измерений и испытаний. Вплоть до 1946 г. лидерство во всех этих направлениях удерживали страны Запада. После войны значительные успехи были достигнуты и в СССР (С.А. Зусмановский, А.П. Федосеев, П.И. Седов, И.М. Гаврилин и др.).

В СССР в период 1946–1975 гг. также преимущественно развивались импульсные магнетроны различных частотных диапазонов и уровней мощности, хотя с 60-х годов стали появляться и магнетроны непрерывного действия. Тем не менее в мировой практике уже к середине 60-х годов лидирующее положение в создании и выпуске магнетронов для технологических установок заняла Япония, в настоящее время экспортирующая на мировой рынок не только микроволновые печи, но и магнетроны различных уровней мощности (500–900 Вт) для их изготовления. Значительный рывок в 1988–1990 гг. был сделан в Южной Корее. В США и России разработан ряд типов магнетронов непрерывного действия для технологических целей на частотах 915 и 2450 МГц. Достигнуты уровни мощности 100 Вт – 100 кВт и КПД до 85%.

Современные магнетроны непрерывного действия для различных технологических установок содержат в подавляющем большинстве связочные резонаторные системы и спиральные прямонакальные катоды. Эти приборы характеризуются устойчивостью к изменениям нагрузки, что существенно, например, для таких новейших технологий, как СВЧ-накачка безэлектродных газоразрядных источников оптического излучения – светильников и облучателей.

Различные типы магнетронов в зависимости от уровня мощности имеют конструкции с воздушным или жидкостным охлаждением.

В определенных технологических установках используются и другие типы СВЧ-приборов, в частности уже упоминавшийся пролетный клистрон, многолучевой клистрон, обращенный коаксиальный магнетрон.

Первые образцы пролетныхчслистронов созданы в 1938 г. американскими инженерами В. Ханом (W. Hahn) и Г. Метколфом (G. Metcalf) и независимо братьями Р. и 3. Вариан (R. and S. Varian). Базовые идеи, реализованные в клистроне, принадлежат советским физикам Д.А. Рожанскому (1932 г.), А. Арсеньевой и О. Хайлю (1935 г.). В 90-х годах клистроны непрерывного действия уже обеспечили выходную мощность от нескольких ватт до нескольких мегаватт. Лучшие достижения по КПД приближаются к 80%, но, как правило, составляют 40–70% на фиксированной частоте.

На развитие клистронов оказало заметное влияние создание отражательного клистрона в СССР (Н.Д. Девятков, Е.Н. Данильцев и, независимо от них, В.Ф. Коваленко) и появление теоретических работ (Я.П. Терлецкий, 1943 г., С.Д. Гвоздовер, 1944 г.). Следует заметить, что В.Ф. Коваленко в 1940 г. первый предложил и многолучевой клистрон, который может конкурировать с современными магнетронами.

Гиротрон является одним из возможных типов мазера на циклотронном резонансе (МЦР), задуманного как мощный источник СВЧ-колебаний главным образом в миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне. МЦР предложен в 50-х годах А.В. Гапоновым-Греховым, В.В. Железновым (СССР), а также Р. Твиссом (R. Twiss), Австралия, и И. Шнайдером (J. Schneider), ФРГ. Термин гиротрон ввел в 1967 г. А.В. Гапонов-Грехов. К 1990 г. именно этот тип МЦР был практически реализован в СССР, и были получены импульсные мощности более 1 МВт при длинах волн 6–7 мм. В США достигнут уровень непрерывной мощности 200 кВт при длинах волн 5 мм.

В конце 90-х годов гиротроны непрерывного действия обеспечивают мощности от 22 до 340 кВт соответственно на волнах 2–10 мм при высоких рабочих напряжениях (60–80 кВ).

Ниготрон – один из самых мощных нерелятивистских генераторных СВЧ-приборов. Идея построения и первое осуществление принадлежат П.Л. Капице (1962 г.). При длинах волн 18–20 см и КПД 40–45% образцы, создававшиеся в 70-х годах опытным производством НПО «Торий», обладали непрерывной мощностью до 200 кВт.

Этот тип источника СВЧ-колебаний пока не нашел широкого применения, его возможности еще не исчерпаны.

Можно прогнозировать значительный рост использования СВЧ-энергии в технологических установках XXI в. как непосредственно в совмещенном с источником оборудовании, так и весьма удаленном, но питаемом от СВЧ-генератора посредством канализации СВЧ-энергии по волноводам или по лучу через свободное пространство.

Использование в качестве энергоносителей электромагнитных СВЧ-полей ставит перед создателями новых технологий и соответствующего оборудования ряд проблем, решение которых определяет перспективы на следующее столетие. В числе таких проблем следует отметить:

повышение полного КПД установок в целом и преобразования СВЧ-энергии в облучаемом объекте;

обеспечение возможностей комбинированных воздействий на объект различными видами излучений;

предотвращение непреднамеренного излучения СВЧ-энергии в окружающее пространство и обеспечение беспомехового и экологически чистого функционирования;

обеспечение передачи СВЧ-энергии по лучу через свободное пространство сторонним потребителям.

11.3.4. МОЩНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА

Индукционный нагрев металлов (слитков, изделий) обусловлен выделением энергии в металле при протекании в нем токов, наведенных магнитной компонентой электромагнитного поля. Для создания поля необходим источник переменного напряжения и индуктор. Особенностью индукционного нагрева является зависимость глубины проникновения поля в металл от частоты тока и свойств металла. Поэтому при необходимости прогрева по всей толще массивных титановых изделий используются токи пониженной частоты (несколько герц – 50 Гц); для поверхностной закалки изделий (валков прокатных станов, подшипниковых колец, зубьев шестерен) используется повышенная частота (сотни герц – несколько килогерц); для обработки тонких листовых материалов требуются уже радиочастоты (сотни килогерц). Источники переменного напряжения в зависимости от массы обрабатываемого материала могут иметь мощности от нескольких ватт (распыление газопоглотителя в вакуумных лампах) до тысяч киловатт (плавка в особо чистых условиях без риска загрязнения).

Источники переменного напряжения, перекрывающие названный диапазон частот и мощностей, относятся к различным классам преобразователей.

Самые мощные установки для низкочастотного индукционного нагрева работают на частоте 50 Гц. Они наиболее просты функционально, не требуют преобразовательных устройств, так как работают от промышленной сети, и нуждаются лишь в средствах пуска, защиты и регулирования мощности.

Мощные низкочастотные преобразователи для нагрева массивных слитков и поковок работают на частотах от единиц до десятков герц. Они выполняются на основе тиристорных непосредственных преобразователей частоты по трехфазно-однофазной схеме с циклическим изменением угла регулирования и раздельным управлением группами вентилей для формирования положительной и отрицательной полуволн тока. Низкие частоты обусловливают воздействие на большие массы металла, а следовательно, требуют больших мощностей (до тысяч киловатт).

В области повышенных частот (от 500 Гц до 1–2 кГц) использовались преобразователи на игнитронах и экситронах производства ВЭИ с сеточным управлением (мощностью до 1000 кВт). Для улучшения условий работы преобразовательного оборудования практиковалось объединение нескольких преобразователей в так называемую преобразовательную станцию, которая в меньшей степени была подвержена воздействию технологической неравномерности энергии, потребляемой несколькими индукторами. После освоения промышленного выпуска тиристоров с улучшенными свойствами, в частности Таллиннского электротехнического завода, высокочастотные преобразователи выпускались на большие мощности по классическим схемам инверторов тока, а также по схемам с удвоением выходной частоты (рис. 11.10).

^{Рис. 11.10. Схемы силовых генераторов на тиратронах на частоту до 2500 Гц с питанием от сети 50 Гц (1960 г.)}

^{а – с общим катодом; б – с изолированными катодами} 

Преобразователи повышенной частоты разрабатывались в лаборатории высокочастотной электротехники ЛЭТИ – Ленинградского электротехнического института и во ВНИИТВЧ – Институте токов высокой частоты им. В.В. Вологдина. Мощные преобразователи выполнялись как по классическим схемам инверторов тока, так и по схемам с умножением частоты. Разработчики шли двумя путями при решении вопроса об увеличении мощности: использование параллельного и последовательного соединения вентилей для повышения параметров эквивалентного вентиля, а также разработка схем с возможностью параллельной работы преобразователей, имеющих общую нагрузку. Разработка мощных отечественных преобразователей повышенной частоты выполнена А.С. Васильевым, А.Е. Слухоцким. А.В. Донским и Г.В. Ивенским [11.31, 11.32].

В области высоких частот (десятки килогерц и выше) получение значительных мощностей (десятки и сотни киловатт) было возможно только при использовании ламповых генераторов. На частотах 60–400 кГц и мощности до 100 кВт генераторы выполнялись по одной из разновидностей трехточечных схем. Для улучшения энергетических показателей лампы работали в режиме с сеточными токами в классе С. Проблема расчета и наладки таких генераторов усложнялась тем, что нагрузка существенно изменялась в ходе процесса разогрева деталей, что вызывало изменение параметров контура.

Термообработка полупроводниковых материалов, в частности плавка кремния и нагрев диэлектриков, осуществляется на частотах единицы – десятки мегагерц, а единичная мощность генераторов составляет единицы – десятки киловатт, поэтому эта область применения до настоящего времени остается за ламповыми генераторами.

11.4. ИНФОРМАЦИОННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

Разработка информационных средств производилась структурами, для которых промышленные устройства были побочным продуктом, основные лежали в оборонной сфере. Это затрудняет восстановление исторических данных о творцах новой техники в этой сфере и местах их деятельности.

Поэтому представляется целесообразным выделить группу наиболее фундаментальных идей и способов преобразования информации, получивших всеобщее широкое признание, и проследить развитие средств для реализации этих идей.

Электронные средства обработки информации нашли наибольший спрос и развивались наиболее интенсивно в технике связи, вычислительной технике, автоматике и управлении. Областью применения и сферой человеческой деятельности, которая стимулировала развитие информационной техники и поставляла как заказы, так и средства их выполнения, стала оборонная промышленность.

О темпах развития электронных средств в информационной электронике говорят такие даты: первый транзистор появился в 1948 г.; с 1951 г. стало интенсивно развиваться производство электронных вычислительных машин на электронных лампах (их принято называть первым поколением ЭВМ), а с 1960 г. – ЭВМ второго поколения на транзисторах; в 1964 г. появляется новое – третье поколение ЭВМ на малых

и средних интегральных схемах; с некоторой условностью можно говорить о следующем – четвертом поколении ЭВМ, выполненном на больших интегральных схемах – БИС (1970 г.).

По-настоящему революционный сдвиг в схемотехнической микроэлектронике произошел в 1971 г., когда фирмой «Intel» был создан микропроцессор – большая интегральная схема, где на одном кристалле – чипе (от английского chip) методами интегральной технологии созданы все основные части ЭВМ: процессор, запоминающее устройство, порты ввода и вывода. Первый микропроцессор обрабатывал 4-разрядные двоичные слова и мог использоваться для программируемых (гибко перестраиваемых пользователем) устройств автоматизации. Степень интеграции быстро нарастает, в 1980 г. сверхбольшие интегральные схемы (СБИС) насчитывают до 3 млн. транзисторов на одном чипе – многослойном кристалле кремния.

В развитии промышленных средств будем опираться на общеизвестные классификации информационных устройств по видам сигналов (аналоговые, цифровые) и так называемым поколениям средств электроники и микроэлектроники. Следует отдавать себе отчет, что информационное направление промышленной электроники представляет лишь одну ветвь современных информационных средств.

Перечень устройств, которые исторически входили в сферу промышленных применений, включает:

аналоговые устройства: усилители низкой частоты, фазочувствительные ламповые и транзисторные схемы; аналоговые стабилизаторы напряжения и тока; схемы управления командо-аппаратами, реле, приводами исполнительных устройств;

ламповые и транзисторные импульсные и ключевые устройства;

аналогово-цифровые и цифроаналоговые преобразователи (АЦП и ЦАП);

средства отображения информации индивидуального и группового пользования;

средства управления и регулирования: аналоговые и цифровые регуляторы; логические управляющие устройства; цифровые автоматы; централизованные системы управления и контроля; автоматизированные системы управления;

управляющие ЭВМ; микропроцессоры и микропроцессорные средства управления;

промышленные микроконтроллеры; средства программирования, отладки, эмуляции, обучения персонала; системы автоматизированного проектирования средств автоматизации.

Последними на настоящий момент этапами развития микропроцессорных средств управления можно считать цифровую обработку сигналов в реальном времени с помощью цифровых сигнальных процессоров, использование экспертных оценок и принципов самообучения в управлении процессами. Одним из примеров применения нестрогих понятий для построения систем автоматического регулирования служит создание регуляторов на основе нечеткой логики. Элементная и аппаратная основа современных управляющих систем сделала огромный шаг навстречу потребителю – пользователю, заказчику.