Измерение плотности высокочастотной и сверхвысокочастотной энергии методом лазерной интерференционной термометрии

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.

лазерный интерференционный термометрия контроль.

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]:

(1).

где — угловая частота колебаний ЭМП, е0 — электрическая постоянная, еr и tg д — 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:

(2).

где T и T0 — температуры датчика и окружающей среды в камере нагрева, — масса датчика, — удельная теплоемкость материала датчика, — 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 E0 = еrE, 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]:

(3).

где л — длина волны лазерного излучения, ДN = |N — N0|, N и N0 — номера полос интерференции для прогретого и охлажденного до температуры воздуха в лаборатории датчика, n0 и h0 — показатель преломления материала датчика и его толщина при температуре, 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, а так же выделяя из полученного равенства плотность энергии ЭМП в вакууме в соответствии с формулой w = е0 E02, получаем.

(4).

где о = еr.

если силовые линии ЭП перпендикулярны большим граням датчика и.

о = 1/еr,.

если они параллельны, — плотность материала датчика.

Отсюда следует, что плотность энергии ЭМП в пространстве камеры нагрева свободном от обрабатываемого материала пропорциональна? N, т. е.

w? K? N.

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? N. 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 (точки — экспериментальные значения)

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 опытно-конструкторских работах с целью оптимизации камер ВЧ или СВЧ нагрева.

• 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.