Влияние на человека микроволнового излучения. Проектная работа по физике на тему: «СВЧ излучение. Его использование в СВЧ-печах. Сравнительный анализ печей разных производителей

Диапазон радиоизлучения противоположен гамма-излучению и тоже неограничен с одной стороны - со стороны длинных волн и низких частот.

Инженеры делят его на множество участков. Самые короткие радиоволны используют для беспроводной передачи данных (интернет, сотовая и спутниковая телефония); метровые, дециметровые и ультракороткие волны (УКВ) занимают местные теле- и радиостанции; короткие волны (КВ) служат для глобальной радиосвязи - они отражаются от ионосферы и могут огибать Землю; средние и длинные волны используют для регионального радиовещания. Сверхдлинные волны (СДВ) - от 1 км до тысяч километров - проникают сквозь соленую воду и применяются для связи с подводными лодками, а также для поиска полезных ископаемых.

Энергия радиоволн крайне низка, но они возбуждают слабые колебания электронов в металлической антенне. Эти колебания затем усиливаются и регистрируются.

Атмосфера пропускает радиоволны длиной от 1 мм до 30 м. Они позволяют наблюдать ядра галактик, нейтронные звезды, другие планетные системы, но самое впечатляющее достижение радиоастрономии - рекордно детальные изображения космических источников, разрешение которых превосходит десятитысячную долю угловой секунды.

Микроволны

Микроволны - это поддиапазон радиоизлучения, примыкающий к инфракрасному. Его также называют сверхвысокочастотным (СВЧ) излучением, так как у него самая большая частота в радиодиапазоне.

Микроволновый диапазон интересен астрономам, поскольку в нем регистрируется оставшееся со времен Большого взрыва реликтовое излучение (другое название - микроволновый космический фон). Оно было испущено 13,7 млрд лет назад, когда горячее вещество Вселенной стало прозрачным для собственного теплового излучения. По мере расширения Вселенной реликтовое излучение остыло и сегодня его температура составляет 2,7 К.

Реликтовое излучение приходит на Землю со всех направлений. Сегодня астрофизиков интересуют неоднородности свечения неба в микроволновом диапазоне. По ним определяют, как в ранней Вселенной начинали формироваться скопления галактик, чтобы проверить правильность космологических теорий.

А на Земле микроволны используются для таких прозаических задач, как разогрев завтрака и разговоры по мобильному телефону.

Атмосфера прозрачна для микроволн. Их можно использовать для связи со спутниками. Есть также проекты передачи энергии на расстояние с помощью СВЧ-пучков.

Источники

Обзоры неба

Небо в микроволновом диапазоне 1,9 мм (WMAP)

Космический микроволновый фон, называемый также реликтовым излучением, представляет собой остывшее свечение горячей Вселенной . Впервые оно было обнаружено А. Пензиасом и Р. Вильсоном в 1965 году (Нобелевская премия 1978 г.) Первые измерения показали, что излучение совершенно однородно по всему небу.

В 1992 году было объявлено об открытии анизотропии (неоднородности) реликтового излучения. Этот результат был получен советским спутником «Реликт-1» и подтвержден американским спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне). COBE также определил, что спектр реликтового излучения очень близок к чернотельному . За этот результат присуждена Нобелевская премия 2006 года.

Вариации яркости реликтового излучения по небу не превышают одной сотой доли процента, но их наличие указывает на едва заметные неоднородности в распределении вещества, которые существовали на ранней стадии эволюции Вселенной и послужили зародышами галактик и их скоплений.

Однако точности данных COBE и «Реликта» было недостаточно для проверки космологических моделей, и поэтому в 2001 году был запущен новый более точный аппарат WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), который к 2003 году построил детальную карту распределения интенсивности реликтового излучения по небесной сфере. На основе этих данных сейчас ведется уточнение космологических моделей и представлений об эволюции галактик.

Реликтовое излучение возникло, когда возраст Вселенной составлял около 400 тысяч лет и она вследствие расширения и остывания стала прозрачна для собственного теплового излучения. Первоначально излучение имело планковский (чернотельный) спектр с температурой около 3000 K и приходилось на ближний инфракрасный и видимый диапазоны спектра.

По мере расширения Вселенной реликтовое излучение испытывало красное смещение, что приводило к снижению его температуры. На сегодня температура реликтового излучения составляет 2,7 К и оно приходится на микроволновый и дальний инфракрасный (субмиллиметровый) диапазоны спектра. На графике показан приближенный вид планковского спектра для этой температуры. Впервые спектр реликтового излучения был измерен спутником COBE (см. Небо в инфракрасном диапазоне), за что в 2006 году была присуждена Нобелевская премия.

Радионебо на волне 21 см , 1420 МГц (Dickey & Lockman)

Знаменитая спектральная линия с длиной волны 21,1 см - это еще один способ наблюдения нейтрального атомарного водорода в космосе. Линия возникает благодаря так называемому сверхтонкому расщеплению основного энергетического уровня атома водорода.

Энергия невозбужденного атома водорода зависит от взаимной ориентации спинов протона и электрона. Если они параллельны, энергия чуть выше. Такие атомы могут спонтанно переходить в состояние с антипараллельными спинами, испуская квант радиоизлучения, уносящий крохотный избыток энергии. С отдельным атомом такое случается в среднем раз в 11 млн лет. Но огромное распространение водорода во Вселенной делает возможным наблюдение газовых облаков на этой частоте.

Радионебо на волне 73,5 см , 408 МГц (Бонн)

Это самый длинноволновый из всех обзоров неба. Он был выполнен на волне, на которой в Галактике наблюдается значительное число источников. Кроме того, выбор длины волны определялся техническими причинами. Для построения обзора использовался один из крупнейших в мире полноповоротных радиотелескопов - 100-метровый боннский радиотелескоп.

Земное применение

Главное преимущество микроволновой печи - прогрев со временем продуктов по всему объему, а не только с поверхности.

Микроволновое излучение, имея большую длину волны, глубже инфракрасного проникает под поверхность продуктов. Внутри продуктов электромагнитные колебания возбуждают вращательные уровни молекул воды, движение которых в основном и вызывает нагрев пищи. Таким образом происходит микроволновая (СВЧ) сушка продуктов, размораживание, приготовление и разогрев. Также переменные электрические токи возбуждают токи высокой частоты. Эти токи могут возникать в веществах, где присутствуют подвижные заряженные частицы.

А вот острые и тонкие металлические предметы в микроволновую печь помещать нельзя (это особенно касается посуды с напыленными металлическими украшениями под серебро и золото). Даже тонкое колечко позолоты по краю тарелки может вызвать мощный электрический разряд, который повредит устройство, создающее электромагнитную волну в печи (магнетрон, клистрон).

Принцип действия сотовой телефонии основан на использовании радиоканала (в микроволновом диапазоне) для связи между абонентом и одной из базовых станций. Между базовыми станциями информация передается, как правило, по цифровым кабельным сетям.

Радиус действия базовой станции - размер соты - от нескольких десятков до нескольких тысяч метров. Он зависит от ландшафта и от мощности сигнала, которую подбирают так, чтобы в одной соте было не слишком много активных абонентов.

В стандарте GSM одна базовая станция может обеспечивать не более 8 телефонных разговоров одновременно. На массовых мероприятиях и при стихийных бедствиях количество звонящих абонентов резко увеличивается, это перегружает базовые станции и приводит к перебоям с сотовой связью. На такие случаи у сотовых операторов есть мобильные базовые станции, которые могут быть оперативно доставлены в район большого скопления народа.

Много споров вызывает вопрос о возможном вреде микроволнового излучения сотовых телефонов. Во время разговора передатчик находится в непосредственной близости от головы человека. Многократно проводившиеся исследования пока не смогли достоверно зарегистрировать негативного воздействия радиоизлучения сотовых телефонов на здоровье. Хотя полностью исключить воздействие слабого микроволнового излучения на ткани организма нельзя, оснований для серьезного беспокойства нет.

Передача телевизионного изображения ведется на метровых и дециметровых волнах. Каждый кадр разбивается на строки, вдоль которых определенным образом меняется яркость.

Передатчик телевизионной станции постоянно выдает в эфир радиосигнал строго фиксированной частоты, она называется несущей частотой. Под нее подстраивается приемный контур телевизора - в нем на нужной частоте возникает резонанс, позволяющий уловить слабые электромагнитные колебания. Информация об изображении передается амплитудой колебаний: большая амплитуда - высокая яркость, низкая амплитуда - темный участок изображения. Этот принцип называется амплитудной модуляцией. Аналогичным образом передается звук радиостанциями (кроме FM-станций).

С переходом к цифровому телевидению правила кодирования изображения меняются, но сам принцип несущей частоты и ее модуляции сохраняется.

Параболическая антенна для приема сигнала с геостационарного спутника в микроволновом и УКВ-диапазонах. Принцип действия такой же, как у радиотелескопа , но тарелку не требуется делать подвижной. В момент монтажа ее направляют на спутник, который всегда остается на одном месте относительно земных сооружений.

Это достигается за счет вывода спутника на геостационарную орбиту высотой около 36 тыс. км над экватором Земли. Период обращения по этой орбите в точности равен периоду вращения Земли вокруг своей оси относительно звезд - 23 часа 56 минут 4 секунды. Размер тарелки зависит от мощности спутникового передатчика и его диаграммы направленности. У каждого спутника есть основной район обслуживания, где его сигналы принимаются тарелкой диаметром 50–100 см , и периферийная зона, где сигнал быстро слабеет и для его приема может потребоваться антенна до 2–3 м .

Развитие техники микроволн в последние два десятилетия способствовало внедрению их в физиотерапевтическую практику. Микроволны обладают рядом физических свойств, которые могут быть использованы для лечения некоторых заболеваний (например, псориаза , ревматизма и других аутоиммунных болезней). Свойства этих волн следующие: а) энергию их можно сконцентрировать на отдельных участках тела; б) они отражаются от плотных поверхностей; в) частота их близка к частоте релаксационных колебаний воды; г) они более термогенны, чем ультракороткие волны.

Под действием микроволн в тканях живого организма возникают колебания ионов и содержащихся в них дипольных молекул воды . Поглощение в тканях энергии волн за счет колебания ионов практически не зависит от частоты, поглощение же за счет колебаний дипольных молекул воды увеличивается с увеличением частоты. Однако это увеличение происходит до определенной для каждого тела молекул частоты (так называемая релаксационная частота). При более высоких частотах молекулы вследствие инертности не успевают уже реагировать на слишком частые изменения полей волны, а потому поглощение энергии волн резко уменьшается. Для молекул воды эта предельная частота релаксации около 2-10 гц (длина волны около 1,5 см). В силу этих особенностей по мере укорочения длины волны повышается роль молекул в общем поглощении энергии волн в тканях. В 10-сантиметровом диапазоне волн за счет колебаний молекул воды поглощается примерно половина общей энергии, а в 3-сантиметровом - уже 98%. Так как организм больше чем на половину состоит из воды, то понятно значение этого факта для действия микроволн, особенно для ткани с высоким содержанием воды (кровь, лимфа, мышцы, нервная система).

Микроволны обладают как термическим, так и экстратермическим действием. Впервые экстратермическое действие их на человека установил С. Я. Турлыгин, наблюдавший появление сонливости после воздействия сантиметровыми волнами очень малой интенсивности. В дальнейшем это было подтверждено многочисленными наблюдениями. У человека при систематическом воздействии микроволнами большой мощности на лицо наблюдается помутнение хрусталика, функциональные изменения нервной системы, нарушение функции зрительного и обонятельного анализаторов и т. д., что привело к необходимости установить в промышленности предельно допустимые дозы воздействия на человека в течение рабочего времени - не более 0,01 мвт/см2.

Общее воздействие на животных интенсивным полем СВЧ при ППМ (плотности потока мощности) 0,2-0,3 вт/см21 вызывает изменение дыхания, частоты сердечных сокращений и артериального давления, местные же воздействия при тех же условиях сопровождаются быстро проходящими изменениями гемодинамики и дыхания, очевидно рефлекторного происхождения. Регулирующее значение нервной системы при воздействии поля СВЧ выступает при перерезке блуждающих нервов у животных; при этом отмечают меньшее учащение дыхания, но более тяжелое гемодинамическое нарушение в результате выключения регулирующего влияния блуждающего нерва.

У лягушки поле СВЧ при 0,3 вт/см2 вызывает изменения сердечной деятельности, сходные с двухфазным эффектом электрического поля УВЧ. В первую фазу, иногда кратковременную, наблюдается учащение и усиление сердечных сокращений, за которой следует замедление и остановка сердечной деятельности в диастоле. После прекращения воздействия сокращения восстанавливаются; иногда наблюдают аритмии. Эти эффекты рассматривают как термические ввиду применявшейся в опытах высокой ППМ поля СВЧ.

Большое физиологическое значение имеет применение небольшой интенсивности поля СВЧ (ППМ 0,05 вт/см2, продолжительность 30 минут), когда у собак обычно отмечается небольшое учащение сердечного ритма и исчезновение дыхательной аритмии, у некоторых животных появляется урежение ритма. По данным электрокардиографии, при длительных многократных воздействиях полем СВЧ можно судить о включении компенсаторных механизмов и развития адаптации, которая может быть сорвана у собак более сильными воздействиями. Установленные изменения указывают на развитие временных дистрофических процессов в миокарде и их рассматривают как рефлекторные; в течение первого часа после воздействия эти изменения исчезают. У собак с искусственно вызванным инфарктом миокарда применение поля СВЧ вызывает учащение сердечного ритма, снижение всех зубцов электрокардиограммы в каждом отведении, интервал же S-Т приподнимается еще больше над изоэлектрической линией. Поле СВЧ ухудшает функции больного сердца.

При нормализации показателей функций сердца после перенесенного экспериментального инфаркта миокарда применение поля СВЧ слабой интенсивности вызывает у животных фазовые изменения сердечной деятельности, которые можно рассматривать как дистрофические. Эти изменения наблюдаются как при общем воздействии, так и при местном на область головы. Мышечная нагрузка в сочетании со слабым полем СВЧ ведет к более стойким изменениям.

На основании электрокардиографических данных можно сделать вывод, что под влиянием поля СВЧ изменяются биохимические процессы в тканях сердца, выраженность которых зависит от интенсивности воздействия микроволнами.

Определение электролитического состава периферической крови животных методом электрофореза после воздействия интенсивным полем СВЧ (ППМ 0,1-0,2 вт/см2) свидетельствует о фазных изменениях в содержании калия и натрия. Вначале коэффициент K/Na в плазме повышается, а потом снижается. При сопоставлении с электрокардиографическими данными видно, что после воздействия при высоком содержании калия в крови во всех отведениях появляются заостренные высокие зубцы Т, а при пониженном его содержании низкие уплощенные. По изменению соотношения калия и натрия в крови можно считать, что под влиянием микроволн происходит изменение проницаемости клеточных мембран к внутри- и внеклеточным катионам.

Большой интерес для механизма действия поля СВЧ на организм представляют биохимические исследования. Изучение окислительно-восстановительных процессов в тканях (печени, почках, сердечной мышце) путем определения в них активности ферментов (цитохромоксидазы, дегидразы и аденозинтрифосфатазы) выявляет действие на организм поля СВЧ. Применение интенсивного поля СВЧ (ППМ 0,1-0,3 вт/см2) приводит к резкому снижению окислительно-восстановительных процессов в тканях кролика; при этом проявляется тепловое действие поля СВЧ. Слабое поле СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2) вызывает заметное повышение окислительно-восстановительных процессов в тканях. Многократное воздействие на кроликов поля СВЧ приводит к меньшим сдвигам окислительно-восстановительных процессов по сравнению с однократным. Это можно объяснить тем, что повторное воздействие стимулирует компенсаторно-приспособительные механизмы, обусловливает меньшие сдвиги окислительно-восстановительных процессов в тканях животных. Влияние компенсаторных механизмов было выражено больше в центральной нервной системе, чем в сердце.

Исследование белкового обмена животных как при местном, так и при общем воздействии поля СВЧ выявило некоторые особенности. Воздействие на область сердца ежедневно в течение 10 дней (ППМ 0,02 вт/см2 при площади излучателя 10 см2) не вызывало каких-либо существенных изменений белкового обмена сердечной мышцы, при более же интенсивном воздействии (ППМ 0,1 вт/см2) наблюдали увеличение содержания белков, обладающих фосфорилазной активностью при одновременном уменьшении фракции миогена.

В мышце сердца животных отмечены значительные изменения содержания отдельных белковых фракций, которые зависели от интенсивности воздействия.

Реакцией преципитации в агаре по Ухтерлони исследовали антигенный состав сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн в виде курса из 20 процедур по 10 минут ежедневно (ППМ 0,006 и 0,04 вт/см2). Сыворотку крови исследовали на 24-25-й день после последнего воздействия. Реакция преципитации в агаре показала, что общее действие микроволн (ППМ 0,006 вт/см2) не приводит к изменению антигенного состава сыворотки крови животных. Антисыворотка к сыворотке подопытных животных одинаково реагировала с сывороткой как подопытных, так и здоровых животных.

При иммунологических исследованиях сыворотки крови животных, подвергнутых общему воздействию микроволн с ППМ 0,04 вт/см2, в реакции преципитации в агаре было обнаружено меньшее количество линий преципитации, что свидетельствовало об упрощении антигенного состава сыворотки крови и укреплении иммунитета . Сыворотки против сыворотки здоровых животных по-разному реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных; в то же время сыворотки против сыворотки подопытных реагировали с сывороткой здоровых и подопытных животных одинаково. Полученные данные, по-видимому, свидетельствуют о том, что в сыворотке здоровых животных имеются антигены, которых нет в сыворотке животных, подвергнутых воздействию микроволн.

Упрощение антигенного состава сыворотки крови при воздействии тепловых доз микроволн свидетельствует о глубоком сдвиге в обмене веществ организма. При действии нетепловых доз микроволн подобного явления не наблюдали.

Исследование высшей нервной деятельности собак методом условных рефлексов показывает, что воздействие полем СВЧ вызывает значительные изменения, которые зависят от плотности потока мощности, продолжительности воздействия и типологических особенностей животного. Изменение функционального состояния коры больших полушарий головного мозга у собак наблюдали уже при однократном воздействии слабым полем СВЧ (ППМ 0,005-0,01 вт/см2). Поскольку такая мощность поля не вызывала повышения температуры тела, наблюдаемый эффект не был связан с перегреванием. Слабое поле СВЧ усиливало процесс возбуждения, а сильное, при котором наблюдали одышку, перегрев, вело к развитию торможения в центральной нервной системе.

Усиление как условных, так и безусловных рефлексов указывает, что поле СВЧ действует как на кору головного мозга, так и на подкорковые образования. При длительном воздействии слабого поля СВЧ наблюдаются фазные изменения высшей нервной деятельности: сначала усиление процесса возбуждения, а затем ослабление его до исходного уровня с усилением торможения.

Изучение злектроэнцефалографических показателей у животных при общем воздействии выявило зависимость между характером биоэлектрической активности головного мозга и интенсивностью воздействия поля СВЧ. Интенсивные и длительные воздействия вызывали изменения основных ритмов электрической активности, а также амплитуды. При воздействии на голову животного эти изменения выступали при слабых воздействиях поля СВЧ.

В настоящее время ученые пытаются лечить микроволновыми волнами злокачественные образования, что, возможно, наконец позволит создать уникальное средство лечение рака груди . Однако, пока все находится в стадии экспериментов над животными.

> Микроволны

Изучите мощность и влияние микроволн . Читайте про диапазоны микроволн, частота и длина излучения, какие есть источники микроволн, работа духового шкафа.

Микроволны – электромагнитные волны с длиной в 1 м – 1 мм).

Задача обучения

Разобраться в трех диапазонах микроволн.

Основные пункты

Микроволновая область перекрывается наиболее высокими частотными волнами.
Префикс «микро» в микроволновой печи не указывает на длину волн.
Микроволны делятся на три диапазона: крайне высокая частота (30-300 ГГц), сверхвысокая (3-30 ГГц) и ультрасверхвысокая (300 МГц-3 ГГц).
В список источников входят искусственные устройства вроде передающих башен, радаров, мазеров, а также природные – Солнце и реликтовое излучение.
Микроволны можно добыть из атомов и молекул. Они поглощают и излучают лучи, если температура поднимается выше абсолютного нуля.

Термины

Радиолокационный – метод поиска удаленных объектов и указание их позиции, скорости и прочих характеристик через анализ отправляемых радиоволн, отраженных от поверхности.
Тепловое волнение – тепловое перемещение атомов и молекул, если температура в объекте выше абсолютного нуля.
Терагерцовое излучение – электромагнитные волны, чьи частоты приближаются к терагерцу.

Микроволны

Микроволны – электромагнитные волны, чья длина волны существует в диапазоне 1м – 1мм (300 МГц – 300 ГГц). Микроволновая область обычно перекрывается наиболее высокими частотными волнами. Они способны перемещаться в условиях вакуума со световой скоростью.

Префикс «микро» в «микроволновой печи» не указывает на длину волны в диапазоне микрометров. Это лишь говорит о том, что микроволны выступают маленькими, потому что обладают меньшими длинами волн, если сравнивать с радиовещанием. Разделение между различными типами лучей чаще всего произвольно.

Перед вами главные категории электромагнитных волн. Разделительные линии в некоторых местах отличаются, а другие категории могут перекрываться. Микроволны занимают высокочастотный участок радиосекции электромагнитного спектра

Подкатегории микроволн

Микроволны делятся на три диапазона:

крайне высокая частота (30-300 Гц). Если показатели выше, то мы сталкиваемся с дальним ИК-светом, именуемым еще терагерцовым излучением. Эту полосу чаще всего задействуют в радиоастрономии и дистанционном зондировании.
сверхвысокая частота (3-30 ГГц). Ее именуют сантиметровой полосой, потому что частота колеблется между 10-1 см. Диапазон применим в радиолокационных передатчиках, микроволновках, спутниках связи и коротких наземных каналах для транспортировки данных.
Ультрасверхвысокая частота (300МГц – 3ГГц) – дециметровый диапазон, так как длина волн колеблется от 10 см к 1 м. Они присутствуют в телевизионном вещании, беспроводной телефонной связи, рациях, спутниках и т.д.

Источники микроволн

Это высокочастотные электромагнитные волны, создающиеся токами в макроскопических схемах и устройствах. Их также можно получить из атомов и молекул, если те выступают в составе электромагнитных лучей, сформированных при термическом перемешивании.

Важно запомнить, что больше информации передается на высоких частотах, поэтому микроволны прекрасно подходят для коммуникационных приборов. Из-за коротких длин волн между передатчиком и приемником должна установиться четкая линия зрения.

Солнце также производит микроволновые лучи, хотя большая часть блокируется планетарной атмосферой. Реликтовое излучение пронизывает все пространство. Его нахождение подтверждает теорию Большого Взрыва.

Реликтовое излучение Большого Взрыва с увеличенным расширением

Устройства с микроволнами

В микроволновых источниках с большой мощностью используют специальные вакуумные трубки, чтобы генерировать микроволны. Устройства функционируют по различным принципам при помощи баллистического движения электронов в условиях вакуума. На них влияют электрические или магнитные поля.

Полость магнетрона, задействованная в микроволновой печи

Микроволновые печи используют микроволны, чтобы подогреть пищу. Необходимые частоты в 2.45 ГГц создаются благодаря ускорению электронов. После чего в духовке формируется переменное электрическое поле.

Вода и некоторые компоненты пищи обладают отрицательным зарядом на одном конце и положительным на другом. Диапазон микроволновых частот выбирается таким образом, чтобы полярные молекулы в попытке сберечь свои позиции, поглощали энергии и увеличивали температурные показатели (диэлектрический нагрев).

Радар во времена Второй мировой волны использовал микроволны. Нахождение и синхронизация микроволновых эхо-сигналов способны вычислить дистанцию к объектам, вроде облаков или летательных аппаратов. Доплеровский сдвиг в радиолокационном эхо может указать скорость перемещения машины или даже интенсивность ливня. Более сложные системы отображают нашу и чужие планеты. Мазер – прибор, напоминающий лазер, которые увеличивает световую энергию, стимулируя фотоны.

Содержание статьи

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН, частотный диапазон электромагнитного излучения (100ё300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокими телевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области. Этот частотный диапазон соответствует длинам волн от 30 см до 1 мм; поэтому его называют также диапазоном дециметровых и сантиметровых волн. В англоязычных странах он называется микроволновым диапазоном; имеется в виду, что длины волн очень малы по сравнению с длинами волн обычного радиовещания, имеющими порядок нескольких сотен метров.

Так как по длине волны излучение СВЧ-диапазона является промежуточным между световым излучением и обычными радиоволнами, оно обладает некоторыми свойствами и света, и радиоволн. Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твердыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров. Сходство СВЧ-излучения со светом и повышенная плотность переносимой им информации оказались очень полезны для радиолокационной и других областей техники.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Радиолокация.

Волны дециметрово-сантиметрового диапазона оставались предметом чисто научного любопытства до начала Второй мировой войны, когда возникла настоятельная необходимость в новом и эффективном электронном средстве раннего обнаружения. Только тогда начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта – морского судна или самолета.

Связь.

Радиоволны СВЧ-диапазона широко применяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км. Параболические или рупорные антенны, смонтированные на башнях, принимают и передают дальше СВЧ-сигналы. На каждой станции перед ретрансляцией сигнал усиливается электронным усилителем. Поскольку СВЧ-излучение допускает узконаправленные прием и передачу, для передачи не требуется больших затрат электроэнергии.

Хотя система башен, антенн, приемников и передатчиков может показаться весьма дорогостоящей, в конечном счете все это с лихвой окупается благодаря большой информационной емкости СВЧ-каналов связи. Города Соединенных Штатов соединены между собой сложной сетью более чем из 4000 ретрансляционных СВЧ-звеньев, образующих систему связи, которая простирается от одного океанского побережья до другого. Каналы этой сети способны пропускать тысячи телефонных разговоров и многочисленные телевизионные программы одновременно.

Спутники связи.

Система ретрансляционных радиобашен, необходимая для передачи СВЧ-излучения на большие расстояния, может быть построена, конечно, только на суше. Для межконтинентальной же связи требуется иной способ ретрансляции. Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи.

Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями. Первые экспериментальные ИСЗ такого типа («Телстар», «Релэй» и «Синком») успешно осуществляли уже в начале 1960-х годов ретрансляцию телевизионного вещания с одного континента на другой. На основе этого опыта были разработаны коммерческие спутники межконтинентальной и внутренней связи. Спутники последней межконтинентальной серии «Интелсат» были выведены в различные точки геостационарной орбиты таким образом, что зоны их охвата, перекрываясь, обеспечивают обслуживание абонентов во всем мире. Каждый спутник серии «Интелсат» последних модификаций предоставляет клиентам тысячи каналов высококачественной связи для одновременной передачи телефонных, телевизионных, факсимильных сигналов и цифровых данных.

Термообработка пищевых продуктов.

СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетных бортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, где требуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

Научные исследования.

СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона. (Эффективная масса определяет ускорение электрона под воздействием какой-либо силы в кристалле. Она отличается от массы свободного электрона, которой определяется ускорение электрона под действием какой-либо силы в вакууме. Различие обусловлено наличием сил притяжения и отталкивания, с которыми действуют на электрон в кристалле окружающие атомы и другие электроны.) Если на твердое тело, находящееся в магнитном поле, падает излучение СВЧ-диапазона, то это излучение сильно поглощается, когда его частота равна циклотронной частоте электрона. Данное явление называется циклотронным резонансом; оно позволяет измерить эффективную массу электрона. Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов.

Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства. Астрономы многое узнали о нашей Галактике, исследуя излучение с длиной волны 21 см, испускаемое газообразным водородом в межзвездном пространстве. Теперь можно измерять скорость и определять направление движения рукавов Галактики, а также расположение и плотность областей газообразного водорода в космосе.

ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мере связан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона и клистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным.

Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролета электрона и межэлектродная емкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить свое направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

Магнетрон.

В магнетроне, изобретенном в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемного резонатора. Подобно тому как у органной трубы данного размера имеются собственные акустические резонансные частоты, так и у объемного резонатора имеются собственные электромагнитные резонансы. Стенки резонатора действуют как индуктивность, а пространство между ними – как емкость некой резонансной цепи. Таким образом, объемный резонатор подобен параллельному резонансному контуру низкочастотного генератора с отдельными конденсатором и катушкой индуктивности. Размеры объемного резонатора выбираются, конечно, так, чтобы данному сочетанию емкости и индуктивности соответствовала нужная резонансная сверхвысокая частота.

В магнетроне (рис. 1) предусмотрено несколько объемных резонаторов, симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещают между полюсами сильного магнита. При этом электроны, испускаемые катодом, под действием магнитного поля вынуждены двигаться по круговым траекториям. Их скорость такова, что они в строго определенное время пересекают на периферии открытые пазы резонаторов. При этом они отдают свою кинетическую энергию, возбуждая колебания в резонаторах. Затем электроны возвращаются на катод, и процесс повторяется. Благодаря такому устройству время пролета и межэлектродные емкости не мешают генерации СВЧ-энергии.

Магнетроны могут быть сделаны большого размера, и тогда они дают мощные импульсы СВЧ-энергии. Но у магнетрона имеются свои недостатки. Например, резонаторы для очень высоких частот становятся столь малыми, что их трудно изготавливать, а сам такой магнетрон из-за своих малых размеров не может быть достаточно мощным. Кроме того, для магнетрона нужен тяжелый магнит, причем требуемая масса магнита возрастает с увеличением мощности прибора. Поэтому для самолетных бортовых установок мощные магнетроны не подходят.

Клистрон.

Для этого электровакуумного прибора, основанного на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне (рис. 2) электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объемного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные «сгустки», так что электроны пересекают зазор резонатора только в определенные моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передается резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания. Этот процесс можно сравнить с ритмичным раскачиванием первоначально неподвижных качелей.

Первые клистроны были довольно маломощными приборами, но позднее они побили все рекорды магнетронов как СВЧ-генераторов большой мощности. Были созданы клистроны, выдававшие до 10 млн. ватт мощности в импульсе и до 100 тыс. ватт в непрерывном режиме. Система клистронов исследовательского линейного ускорителя частиц выдает 50 млн. ватт СВЧ-мощности в импульсе.

Клистроны могут работать на частотах до 120 млрд. герц; однако при этом их выходная мощность, как правило, не превышает одного ватта. Разрабатываются варианты конструкции клистрона, рассчитанного на большие выходные мощности в миллиметровом диапазоне.

Клистроны могут также служить усилителями СВЧ-сигналов. Для этого нужно входной сигнал подавать на сетки объемного резонатора, и тогда плотность электронных сгустков будет изменяться в соответствии с этим сигналом.

Лампа бегущей волны (ЛБВ).

Еще один электровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волн СВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне.

Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча. Поэтому бегущая волна достаточно долго взаимодействует с электронами и усиливается, поглощая их энергию.

Если на лампу не подается внешний сигнал, то усиливается случайный электрический шум на некоторой резонансной частоте и ЛБВ бегущей волны работает как СВЧ-генератор, а не усилитель.

Выходная мощность ЛБВ значительно меньше, чем у магнетронов и клистронов на той же частоте. Однако ЛБВ допускают настройку в необычайно широком частотном диапазоне и могут служить очень чувствительными малошумящими усилителями. Такое сочетание свойств делает ЛБВ очень ценным прибором СВЧ-техники.

Плоские вакуумные триоды.

Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Трудности, связанные с временем пролета, устранены благодаря очень малым расстояниям между электродами. Нежелательные межэлектродные емкости сведены к минимуму, поскольку электроды сделаны сетчатыми, а все внешние соединения выполняются на больших кольцах, находящихся вне лампы. Как и принято в СВЧ-технике, применен объемный резонатор. Резонатор плотно охватывает лампу, и кольцевые соединители обеспечивают контакт по всей окружности резонатора.

Генератор на диоде Ганна.

Такой полупроводниковый СВЧ-генератор был предложен в 1963 Дж.Ганном, сотрудником Уотсоновского научно-исследовательского центра корпорации ИБМ. В настоящее время подобные приборы дают мощности лишь порядка милливатт на частотах не более 24 млрд. герц. Но в этих пределах он имеет несомненные преимущества перед маломощными клистронами.

Поскольку диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

СХЕМНЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Коаксиальные кабели и волноводы.

Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.

Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.

Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.

Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей.

Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод – это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рис. 3.

Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.

Твердотельные компоненты.

Твердотельные компоненты, например полупроводниковые и ферритовые, играют важную роль в СВЧ-технике. Так, для детектирования, переключения, выпрямления, частотного преобразования и усиления СВЧ-сигналов применяются германиевые и кремниевые диоды.

Для усиления применяются также специальные диоды – варикапы (с управляемой емкостью) – в схеме, называемой параметрическим усилителем. Широко распространенные усилители такого рода служат для усиления крайне малых сигналов, так как они почти не вносят собственные шумы и искажения.

Твердотельным СВЧ-усилителем с низким уровнем шума является и рубиновый мазер. Такой мазер, действие которого основано на квантовомеханических принципах, усиливает СВЧ-сигнал за счет переходов между уровнями внутренней энергии атомов в кристалле рубина. Рубин (или другой подходящий материал мазера) погружается в жидкий гелий, так что усилитель работает при чрезвычайно низких температурах (лишь на несколько градусов превышающих температуру абсолютного нуля). Поэтому уровень тепловых шумов в схеме очень низок, благодаря чему мазер пригоден для радиоастрономических, сверхчувствительных радиолокационных и других измерений, в которых нужно обнаруживать и усиливать крайне слабые СВЧ-сигналы.

Для изготовления СВЧ-переключателей, фильтров и циркуляторов широко применяются ферритовые материалы, такие, как оксид магния-железа и железо-иттриевый гранат. Ферритовые устройства управляются посредством магнитных полей, причем для управления потоком мощного СВЧ-сигнала достаточно слабого магнитного поля. Ферритовые переключатели имеют то преимущество перед механическими, что в них нет движущихся частей, подверженных износу, а переключение осуществляется весьма быстро. На рис. 4 представлено типичное ферритовое устройство – циркулятор. Действуя подобно кольцевой транспортной развязке, циркулятор обеспечивает следование сигнала только по определенным трактам, соединяющим различные компоненты. Циркуляторы и другие ферритовые переключающие устройства применяются при подключении нескольких компонентов СВЧ-системы к одной и той же антенне. На рис. 4 циркулятор не пропускает передаваемый сигнал на приемник, а принимаемый сигнал – на передатчик.

В СВЧ-технике находит применение и туннельный диод – сравнительно новый полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 млрд. герц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах.

Антенны.

СВЧ-антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ-диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.

В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ-излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем.

Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн, устанавливаемых на крышах. В таких антеннах нередко имеются одинаковые элементы, расположенные с интервалами, равными длине волны, и повышающие направленность за счет интерференции.

СВЧ-антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно направленными, поскольку во многих СВЧ-системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты.

Многие «зеркальные» антенны с параболическим или сферическим металлическим отражателем спроектированы специально для приема крайне слабых сигналов, приходящих, например, от межпланетных космических аппаратов или от далеких галактик. В Аресибо (Пуэрто-Рико) действует один из крупнейших радиотелескопов с металлическим отражателем в виде сферического сегмента, диаметр которого равен 300 м. Антенна имеет неподвижное («меридианное») основание; ее приемный радиолуч перемещается по небосводу благодаря вращению Земли. Самая большая (76 м) полностью подвижная антенна расположена в Джодрелл-Бенке (Великобритания).

Новое в области антенн – антенна с электронным управлением направленностью; такую антенну не нужно механически поворачивать. Она состоит из многочисленных элементов – вибраторов, которые можно электронными средствами по-разному соединять между собой и тем самым обеспечивать чувствительность «антенной решетки» в любом нужном направлении.

Сверхвысокочасто́тное излуче́ние

Презентация к уроку «Шкала электромагнитных волн»

учителя МАОУ лицея №14

Ермаковой Т.В.

Например, оно, как и свет, распространяется по прямой и перекрывается почти всеми твёрдыми объектами. Во многом аналогично свету оно фокусируется, распространяется в виде луча и отражается. Многие радиолокационные антенны и другие СВЧ-устройства представляют собой как бы увеличенные варианты оптических элементов типа зеркал и линз.

Свойства СВЧ-излучения

В то же время СВЧ-излучение сходно с радиоизлучением вещательных диапазонов в том отношении, что оно генерируется аналогичными методами. К СВЧ-излучению применима классическая теория радиоволн, и его можно использовать как средство связи, основываясь на тех же принципах. Но благодаря более высоким частотам оно дает более

широкие возможности передачи информации, что позволяет повысить эффективность связи. Например, один СВЧ-луч может нести одновременно несколько сотен телефонных разговоров.

Свойства СВЧ-излучения

Генератор на обычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазоне оказывается весьма неэффективным. Двумя главными недостатками триода как СВЧ-генератора являются конечное время пролёта электрона и межэлектродная ёмкость. Первый связан с тем, что электрону требуется некоторое (хотя и малое) время, чтобы пролететь между электродами вакуумной лампы. За это время СВЧ-поле успевает изменить своё направление на обратное, так что и электрон вынужден повернуть обратно, не долетев до другого электрода. В результате электроны без всякой пользы колеблются внутри лампы, не отдавая свою энергию в колебательный контур внешней цепи.

ИСТОЧНИКИ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

В магнетроне, изобретённом в Великобритании перед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основу взят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения - принцип объёмного резонатора.

МАГНЕТРОН Представляет собой двухэлектродную электронную лампу, которая генерирует СВЧ-излучение за счет движения электронов под действием взаимно перпендикулярных электрического и магнитного полей. Применяется в качестве генераторной лампы радио- и радиолокационных передатчиков СВЧ-диапазона.

1 - катод; 2 - токоподводы нагревателя; 3 - анодный блок; 4 - объемные резонаторы; 5 - выходная петля связи; 6 - коаксиальный кабель.

Магнетрон

Основан на несколько ином принципе, не требуется внешнее магнитное поле. В клистроне электроны движутся по прямой от катода к отражательной пластине, а затем обратно. При этом они пересекают открытый зазор объёмного резонатора в форме бублика. Управляющая сетка и сетки резонатора группируют электроны в отдельные "сгустки", так что электроны пересекают зазор резонатора только в определённые моменты времени. Промежутки между сгустками согласованы с резонансной частотой резонатора таким образом, что кинетическая энергия электронов передаётся резонатору, вследствие чего в нем устанавливаются мощные электромагнитные колебания.

1 - катод; 2 - резонатор; 3 - отражательная пластина; 4 - резонаторные сетки; 5 - выходная петля связи; 6 - управляющая сетка.

Клистрон

Представляет собой тонкую откачанную трубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку. Внутри трубки имеется замедляющая проволочная спираль. Вдоль оси спирали проходит электронный луч, а по самой спирали бежит волна усиливаемого сигнала. Диаметр, длина и шаг спирали, а также скорость электронов подобраны таким образом, что электроны отдают часть своей кинетической энергии бегущей волне. Радиоволны распространяются со скоростью света, тогда как скорость электронов в луче значительно меньше. Однако, поскольку СВЧ-сигнал вынужден идти по спирали, скорость его продвижения вдоль оси трубки близка к скорости электронного луча.

Лампа бегущей волны (ЛБВ).

Хотя клистроны и магнетроны более предпочтительны как СВЧ-генераторы, благодаря усовершенствованиям в какой-то мере восстановлена важная роль вакуумных триодов, особенно в качестве усилителей на частотах до 3 млрд. герц.

Плоские вакуумные триоды

диод Ганна представляет собой монокристалл арсенида галлия, он в принципе более стабилен и долговечен, нежели клистрон, в котором должен быть нагреваемый катод для создания потока электронов и необходим высокий вакуум. Кроме того, диод Ганна работает при сравнительно низком напряжении питания, тогда как для питания клистрона нужны громоздкие и дорогостоящие источники питания с напряжением от 1000 до 5000 В.

Генератор на диоде Ганна

После Второй мировой войны начались интенсивные исследования СВЧ-радиолокации, хотя принципиальная ее возможность была продемонстрирована еще в 1923 в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Суть радиолокации в том, что в пространство испускаются короткие, интенсивные импульсы СВЧ-излучения, а затем регистрируется часть этого излучения, вернувшаяся от искомого удаленного объекта - морского судна или самолета.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Кроме различных радиосистем военного назначения, во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи. Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, а распространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят из ретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях с интервалами ок. 50 км.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Здесь на помощь приходят связные искусственные спутники Земли; выведенные на геостационарную орбиту, они могут выполнять функции ретрансляционных станций СВЧ-связи. Электронное устройство, называемое активно-ретрансляционным ИСЗ, принимает, усиливает и ретранслирует СВЧ-сигналы, передаваемые наземными станциями.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Термообработка. СВЧ-излучение применяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевой промышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может быть сконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработки продуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой, бесшумностью и компактностью. Промышленность выпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

Термообработка. Американские военные представили мощный СВЧ-излучатель, "тепловое" оружие, которое способно разгонять толпы демонстрантов и устанавливать невидимую "стену", через которую человек не сможет пройти. Установка получила название "Система активного сдерживания (отбрасывания)" (Active Denial System, ADS), прозвано "тепловой луч" и "микроволновая пушка"

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

. СВЧ-излучение сыграло важную роль в исследованиях электронных свойств твердых тел. Когда такое тело оказывается в магнитном поле, свободные электроны в нем начинают вращаться вокруг магнитных силовых линий в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля. Частота вращения, называемая циклотронной, прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и обратно пропорциональна эффективной массе электрона.

Такие измерения дали много ценной информации об электронных свойствах полупроводников, металлов и металлоидов. Излучение СВЧ-диапазона играет важную роль также в исследованиях космического пространства.

ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЯ

В настоящее время в мире существуют два основных стандарта на уровень безопасного излучения. Один из них разработан Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI) и предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2. Для микроволновых печей стандартом является плотность мощности в 1 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи.

Европейский стандарт (в том числе и российский) предполагает, что уровень плотности излучения не должен превышать 10 мкВт (0.01 мВт) на квадратный сантиметр на расстоянии 50 см. от источника излучения

Безопасность при использовании СВЧ-устройств