История электротехники - Коллектив авторов

Примерно в то же время в США велась активная работа в данном направлении. В 1958 г. были опубликованы теоретические работы Ч. Таунса и А. Шавлова о возможности создания квантового генератора оптического диапазона. В 1960 г. Т.Г. Мейманом (T.G. Meiman, США) был запущен первый лазер, а в 1961 г. разработана теория лазерного эффекта. В этом первом лазере в качестве активной среды использовался кристалл рубина. В том же году в США был создан первый гелий-неоновый газовый лазер [А. Джаван, У. Беннет, Д. Эрриот (A. Javan, W. Bennet, D. Erriot)].

Основополагающие работы в области квантовой электроники были отмечены в 1964 г. присуждением Нобелевской премии Н.Г. Басову, A.M. Прохорову (СССР) и Ч. Таунсу (США). Дальнейшие работы привели к созданию разнообразных типов лазеров: твердотельных; газовых (атомарных, ионных, молекулярных); на красителях; химических; полупроводниковых.

Для размерной обработки (резки, сварки, термообработки) наиболее подходящими оказались твердотельные и газовые молекулярные (в основном СO2) лазеры.

При воздействии сфокусированного мощного (сотни ватт и более) лазерного излучения на поверхность твердого тела вещество нагревается, плавится, частично испаряется и ионизируется. В неоднородно нагретом веществе возникают сложные течения жидкости, паров, плазмы и окружающего газа. Перемешивание вещества оказывает, в свою очередь, существенное влияние на распространение лазерного излучения, приводя к дополнительной фокусировке либо дефокусировке.

Экспериментальные и теоретические исследования воздействия сфокусированного лазерного излучения при обработке материалов позволили определить основные моменты, качественно влияющие на обработку.

Исследования процессов при воздействии сфокусированного лазерного излучения и оптимизации лазерных характеристик позволили реализовать в нашей стране определенный набор лазеров и лазерных технологических комплексов. Сегодня имеется отечественное промышленное технологическое оборудование, использующее газовые лазеры. Это, в частности:

одномодовый СO2-лазер мощностью 80 Вт (НПО «Исток»);

одномодовый СO2-лазер мощностью 1 кВт с быстрой аксиальной прокачкой (г. Кстово Нижегородской обл.). Накачка производится продольным самостоятельным разрядом. При использовании двух координатного стола с компьютерным управлением может быть применен для резки металлических листов (скорость до 3 м/мин при толщине 1 мм), а также для резки фанеры и древесины толщиной до 40 мм;

быстропроточные газовые лазеры (МНТК ТЛ, г. Шатура Московской обл.) мощностью 1–1,5 кВт. Накачка производится самостоятельным поперечным разрядом. При использовании координатного стола может быть применен для резки и сварки. Возможно использование лазера для очень скоростной (вплоть до 15–20 м/мин) резки тонколистовых металлов, лазерной сварки, термообработки.

В твердотельных лазерных комплексах накачка проводится излучением ксеноновой лампы, возбужденной либо импульсно-периодическим, либо непрерывным сильноточным разрядом.

Лучшими параметрами обладает твердотельный комплекс ГПТЛ-100/500 (НПО «Ротор», г. Черкассы), в котором лазер излучает импульсы длительностью 0,4–0,8 мс с частотой следования до 150 Гц при средней мощности до 100 Вт. Двухкоординатный стол, сопряженный с персональным компьютером, имеет рабочее поле 450x500 мм при скорости перемещения до 3 м/мин. Этот лазерный комплекс предназначен для прецизионной резки тонколистовых металлов толщиной до 3 мм (скорость резки до 400 мм/мин при толщине листов нержавеющей стали 1 мм).

На базе быстропроточного газового лазера ТЛ-5, модернизированного твердотельного лазерного излучателя со средней мощностью до 250 кВт и двухкоординатного стола с рабочим полем 3x4 м и скоростью перемещения до 3,5 м/мин в ВЭИ разработан универсальный лазерный комплекс.

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.