Измерение плотности высокочастотной и сверхвысокочастотной энергии методом лазерной интерференционной термометрии

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Измерение плотности высокочастотной и сверхвысокочастотной энергии методом лазерной интерференционной термометрии

Н.В. Гусева, М.М. Киселёв,

П.В. Дородов, Г.М. Михеев, В.А. Морозов

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

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]:

, (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.

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.

Размещено на Аllbеst.ru