Источники СВЧ излучения и техника проведения облучения в химической промышленности

СВЧ излучение — это электромагнитные колебания с частотой примерно от 300 МГц до 300 ГГц (длина волны от нескольких метров до долей сантиметра). В спектре электромагнитного излучения микроволны расположены между ИК-излучением и радиоволнами.

Устройства для осуществления СВЧ-облучения называют микроволновыми печами. В таких печах источником СВЧ-излучения служит магнетрон, представляющий собой цилиндрический диод. В диоде имеется цилиндрический катод, вдоль которого направлено внешнее магнитное поле. В окружающем катод цилиндрическом аноде находится кольцо из взаимосвязанных объемных резонаторов.

Разность потенциалов между катодом и анодом достигает нескольких киловольт. Перемещение генерируемых нагретым катодом электронов в магнитном поле приводит к появлению в магнетроне высокочастотных колебаний и вместе с ними колебаний и самих электронов.

Колеблющиеся электроны через антенну передают микроволновую СВЧ энергию в виде электромагнитного излучения в окружающее пространство. Эта энергия по полому металлическому волноводу попадает в специальное устройство — резонатор. Далее излучение из резонатора попадает в рабочую зону печи, где и происходит СВЧ-нагрев материалов.

Условия отражения СВЧ излучения

Для того чтобы СВЧ-излучение не покидало внутреннего пространства печи и не оказывало вредного воздействия на организм человека, используют металлические отражающие стенки, а переднюю стеклянную дверцу печи экранируют металлической сеткой, не дающей излучению выйти из внутреннего объема наружу. При работе печи в микроволновую СВЧ энергию превращается примерно 50% расходуемой печью электроэнергии. Остальная энергия рассеивается как тепловая в окружающее пространство.

Первые источники СВЧ-излучения были сконструированы в годы второй мировой войны. На использовании такого излучения и его способности отражаться от металлических корпусов самолетов основана работа радаров — устройств для раннего обнаружения авиации противник). В настоящее время созданы надежные сравнительно дешевые компактные СВЧ-генераторы и стало возможным их широкое применение как в быту, так и в промышленности.

Конструктив нагревательных СВЧ печей

По договоренности, выработанной международным сообществом, в промышленных и лабораторных СВЧ-приборах обычно используют частоты 0,915; 2,450; 5,800 и 22,125 ГГц. В частности, в бытовых СВЧ-печах частота электромагнитных колебаний равна 2,45 ГГц (длина волны примерно 12,25 см).

Существуют разнообразные конструкции СВЧ-генераторов (микроволновых печей), выпускаемых различными фирмами. При этом если материал размещают на плоском дне в рабочем объеме печи, то существует опасность их неравномерного и невоспроизводимого от опыта к опыту облучения. Связано это с тем, что в рабочем объеме печи возникает стационарная волна и один из образцов может оказаться в месте кучности волны, а другой — в зоне минимума ее интенсивности. К тому же на материалы может попадать излучение, отраженное от внутренних поверхностей печи и поверхностей других материалов. Чтобы избежать действия этих факторов, ухудшающих воспроизводимость результатов опытов, используют печи с вращающимися столиками. Вращение столика обеспечивает равномерность воздействия излучения на помещенные в печь материалы.

Измерение температуры в СВЧ камерах

Введение обычной металлической термопары резко нарушит распределение поля в образце и изменит его температуру. Поэтому при СВЧ-облучении сравнительно больших по массе образцов материалов, более 30 грамм, температуру, которую обеспечивает облучение, фиксируют с помощью специальной заземленной термопары, находящейся в чехле, отражающем СВЧ-волны.

Когда облучаемые образцы материалов массой менее 400 мг, такой способ фиксирования температуры непригоден. Поэтому о температуре, которая достигалась при СВЧ-облучении, судят следующим образом. В облучаемый полидисперсный образец добавляли микрочастицы диэлектрика тест-материала, например, серы, иодида меди (I) с известными температурами плавления. Выбранные образцы с СВЧ-полем практически не взаимодействовали. Форму этих микрочастиц заранее фиксировали с использованием сканирующего микроскопа. Если после обработки частицы не оплавлялись, то, следовательно, температура облученного образца не была выше температуры плавления взятого тест-материала.

Пробоподготовка при СВЧ излучении в химической промышленности

В настоящее время СВЧ-излучение наиболее широко используют в лабораторной практике при выполнении анализов различных объектов живой и неживой природы (минералы, ягоды, фрукты, грибы), продуктов питания, технических материалов (сплавы, шлаки, другие отходы производства). Интенсивность проведения таких анализов существенно возросла, что во многом связано, во-первых, с непрерывно увеличивающимся числом анализов объектов окружающей среды при решении экологических задач и, во-вторых, с усилением внимания к содержанию в пищевых продуктах различных неорганических и органических примесей.

При выполнении анализов основные затраты времени обычно связаны с пробоподготовкой, то есть с переводом всей или части анализируемой пробы в форму, удобную для заключительного аналитического определения анализируемого компонента. Использование СВЧ-излучения позволяет сократить временные затраты при подготовке проб к анализу в несколько десятков раз.

Сокращение времени химических реакций при СВЧ обработке

Использование СВЧ-излучения приводит к существенному сокращению как времени перевода пробы в раствор, так и времени концентрирования первичного раствора пробы. Сокращение времени растворения образца обусловлено действием трех факторов: обеспечением высокой температуры, созданием в контейнере-автоклаве (где размещен материал) высокого давления и специфического воздействия СВЧ-излучения на раствор.

Кроме того, уменьшение времени подготовки пробы при использовании СВЧ-излучения может быть связано и с некоторыми специфическими особенностями анализируемой системы. Так, под воздействием СВЧ-излучения заметно ускоряются образование в растворе люминесцирующих комплексов (что важно при люминесцентном определении анализируемых элементов), время извлечения анализируемого иона на сорбенте или хроматографического разделения ионов и другие процессы.

Перспективно использование СВЧ-излучения для экспрессного разложения органических проб с использованием кислот, окислителей. При этом разлагаемый образец помещают в автоклав, изготовленный, например, из фторированных углеводородов, прозрачных к СВЧ-излучению. Важное достоинство такого полимера, как тефлон, состоит в том, что изготовленный из него автоклав выдерживает нагрев до 200-250 C и выше и давление до 10-50 атм. К помещенному в автоклав анализируемому материалу добавляют необходимый раствор, автоклав герметично закрывают и помещают в СВЧ-печь. Наблюдается быстрый разогрев жидкости, причем ее температура может достигать 170-200 C. В результате действия высокой температуры и повышенного давления резко возрастает скорость вскрытия анализируемых материалов.

Наши контакты

Раб. тел/факс: (812) 493-20-71
Электронная почта: info@vritm.ru
Открыть контакты и реквизиты компании