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微波技术交流
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电磁波—吸波材料 吸波材料是一种以吸收电磁波为主,反射、散射和透射都很小的高科技功能性复合材料,其原理主要是在高分子介质中添加电磁损耗性物质,当电磁波进入吸波材料内部时,推动组成材料分子内的离子、电子运动或电子能级间跃迁,產生电导损耗、高频介质损耗和磁滞损耗等,使电磁能转变成热能而发散到空间消失掉,从而產生吸收作用。不发生反射而造成二次污染,主要特点:厚度薄、柔性好、强度高、吸收率大、抗老化(载体为硅橡胶材料)、稳定性(-50----180℃)、低频特性(10MHZ----10GHz),对镜面波和表面波都具有良好的吸收特性。广泛适用于电磁兼容、电子仪器设备、高频设备、屏蔽箱、射频屏蔽箱、屏蔽机柜、测试治具、微波暗室中,在工业微波能设备内部吸收屏蔽以防止微波泄漏、通讯导航系统等高频电子电气设备的抗干扰防辐射等领域。 吸波材料设计原理 采用纳米材料、平面六角铁氧体、非晶磁性纤维、颗粒膜等高性能吸收剂作为吸收介质;利用新型吸收原理—电磁共振及涡流损耗,制备的吸波材料厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收率高;根据MAXWELL方程,采用遗传算法(GA),实现电磁波吸收材料仿真(CAD),最大发挥吸收介质特性,并缩短材料的研制周期,可满足用户特种需求。 吸波材料应用领域 抑制电磁波干扰,改善天线方向图,提高雷达测向测距准确性;防止微波器件及设备的电磁干扰、电磁波辐射及波形整形;微波暗室、电磁兼容室、吸收负载、衰减器、雷达波RCS减缩等。 吸波材料主要技术指标 工作频率:30MHz~40GHz(分频段)吸收率:5~30dB(分频段) 利用高导磁高损失之金属,在超微分子结晶为多种软磁性合金,叠以层层带状薄膜,宽频段高效能吸收由电子元件,模组,表面电流所产生之微波杂讯,为各项电子设备提供绝佳的EMC解决方案.此种软磁性薄带吸收片能够做到超薄型主要应用领域:手机、电子仪器设备、高频设备、微波有源器件、屏蔽箱、雷达及微波通信系统的杂波抑制、抗电磁干扰等技术领域,根据不同的应用频段,可调整功能材料的浓厚和配方,制成不同厚度及功效的电磁波吸收胶片
浅谈微波在各个行业的应用趋势 近年来,随着我国国民经济突飞猛进的发展及科学技术的现代化,我国的微波能技术在工业上的应用也得到了迅速的发展。已在皮革、木材、彩色印刷、食品、纸张、化工、陶瓷、药品、烟叶、建材、橡胶以及医疗等行业逐渐采用。微波的烘干、加热、杀菌、解冻、萃取、硫化等技术,并取得了良好的经济效益。 微波设备能技术作为一种新的加工手段,对各行业的技术改造和设备更新已形成极大地冲击。特别是现阶段,摆在各经营者面前的是解决产品结构与社会需求的问题,适应社会发展对产品品质、品种要求的提高。其焦点之一就是技术创新不足、品质升级滞后。微波技术的出现为提高产品档次、跟上技术进步、创高附加值产品提供了良好条件。 食品行业:民以食为天,食品工业是我国迅速崛起的支柱产业。利用微波可对食品进行膨化、烘干、加热、杀菌脱腥等加工处理。目前已用于芝麻糊、牛肉干杀菌、鱼肚、水产品、辣椒酱、核桃仁、香精香料、花生、瓜子、大豆等方面的生产中。 木材行业:木材加工微波可对1-6公分厚的木板进行均匀、快速烘干,干燥只需十几分钟,且不开裂、变形小,同时杀死木材内部的卵虫和幼虫;也可对胶合板或拼板胶接的固化处理;竹制品干燥、灭霉杀菌。 橡胶行业:橡胶工业微波加热设备对轮胎作一次加热,升温到硫化温度后用热风保温,可硫化3~4 吨重量的轮胎;喇叭天线作为辐射加热器,利用程序控制对大型轮胎进行旋转扫描,其优点是加热均匀、硫化时间缩短三分之一。 纸品行业:微波加热烘干不需要预热和传热,直接给纸品由里向外同时加热。且加热均匀性好,烘干速度快,设备又环保卫生。适用于灰纸板、卡书、纸制工艺品、印刷制品、牛皮纸袋、瓦楞纸板、蜂窝纸板、纸制品、纸管、纸护角、纸托、纸盒、环保纸碗、包装盒纸板等快速烘干及灭霉。 化工行业:微波干燥是一种新型、节能的干燥方式。不需要燃料,不需要锅炉,无污染,无能耗,不需要热传导,加热均匀,物料内外同时提温,干燥速度奇快,对含水量在35%以下的化工产品,干燥速度可缩短数百倍。适用于化工原料、化学矿、精细化工、有机化工原料、无机化工原料、化学肥料、高分子聚合物、涂料及无机颜料、染料及有机颜料、食品和饲料添加剂、催化剂及化学助剂、胶粘剂、新能源材料、橡胶制品、化学试剂产品等等! 陶瓷行业:微波可进行陶瓷的均匀固化,干燥,对后期的烧结有很大的帮助作用,获得大尺寸的精细陶瓷。
915MHz连续波磁控管75KW产品介绍 主要技术指标及外形 2.1 主要技术指标 工作频率f0 915MHz±10MHz 输出功率Pout ≥75kW 灯丝电压Uf 12.6V±0.6 V 灯丝电流If 115A 阳极电压Ua 17.0 kV~18.0kV 阳极电流Ia 5.0A 负载驻波SL ≤1.15 效率η ≥83% 阳极温度ta ≤50℃ 2.2产品外形与尺寸 磁控管的外形图及外形尺寸表见图一及表一。 表一 产品外形尺寸 单位为mm 代码 最小值 标称值 最大值 ABCD —φ123.5108φ91 ——109φ92 470φ125.5110φ93 EFGH —φ76.0φ35.2φ56.8 1/2’-20φ76.2φ35.4φ57.0 —φ76.4φ35.6φ57.2 IJKLMNPQR ———105————— φ8——110φ76—6×M615°90° —150φ101.3115—230——— 图一 CK—2031外形图 3. 理论核算 3.1 互作用空间的设计核算 根据解剖结果,互作用空间的主要尺寸如下: (1)谐振腔数目N=10 (2)阳极直径da=29.2mm (3)阴极直径dk=12.6mm (4)阴阳极直径比σ=dk/da=0.432 (5)阳极高度ha=50.8mm (6)隙缝宽度W=2mm (7)叶片根部宽度11mm (8)叶片工作面宽度τa=7.17mm (9)叶缝比3.58 3.2 谐振系统的设计核算 根据经验及解剖结果,我们选择了双环双隔膜带、易于加工且特性阻抗较高的扇槽形谐振系统。 3.2.1 谐振系统特性阻抗的选择 特性阻抗由下式确定: (欧) 式中,kv—高频电压比例系数 kv =0.25 Ua—阳极电压 伏 Ua =18000V P0—输出功率 瓦 P0 =75000W —外观品质因素 =120 可得,ρS=3.24Ω 取 ρS=3.24Ω 3.2.2 谐振系统等效电感和等效电容的计算 等效电感和等效电容分别可由下式计算: (厘米) (厘米) 式中,N—谐振腔数目 N=10 ρS—特性阻抗 欧 ρS=16Ω λπ—谐振波长 厘米 λπ=819.75px 可得,Lr=140.92499999999998px, CΣ=120.825px。 3.2.3 的计算 由互作用空间的设计计算可知: N =10,235.5px, 73px,27.500000000000004px, τa=17.925px,ha=127px, W=5px,μ=3.58。 令fπ=915MHz,λπ=819.75px, 参考图二, 44.5px, 73.25px, 15.5px, 图二 扇槽型谐振腔 =8.924999999999999px, 由此可得 3.1 0.12 查图三可得 5.5 =55.625px。 3.2.4 边缘电容的计算: 边缘电容的值由下式决定: 0.2272 (cm) 图三 扇槽型谐振腔的计算曲线 N=10 3.2.5 模带电容的确定 模带电容的值由下式决定: = CΣ--=2.381(cm) 3.2.6 隔模带尺寸的确定及’的核算 本管隔模带采用双端双环矩形截面隔模带示意图如图四所示。 参照图四(单位均为厘米): 设0.39 0.25 0.25 0.18 0.15 0.135 0.125 0.6 0.69 图四 双端双环矩形截面隔模带示意图 4.635 隔模带电容由下式给出: (厘米) 式中,1.683 1.67 0.1588 0.155 27.500000000000004px ’=52.87500000000001px 比较’与的值可以看出,隔模带电容的设计值与理论值比较接近,因而可以作为设计结果。
高能微波导弹 高能微波导弹是美国波音公司研制出的新型导弹,正式名称是“反电子设备高功率微波先进导弹”。它的弹头中的高能炸药爆炸后,将使电枢管膨胀变形,使之与缠绕其上的线圈形成短路,线圈中的电流直线上升达到几十兆安培。这股强电流能够刺激微波虚阴极振荡器,产生高功率微波并辐射到空间。可以彻底摧毁敌军的电子设备。 波音研制的这种新型导弹,正式名称是“反电子设备高功率微波先进导弹”。从种类上来说,它应该是定向能武器的一种,即高能微波武器。具体到美军的这款微波导弹,其原理并不复杂——弹头中高能炸药爆炸后,将使电枢管膨胀变形,使之与缠绕其上的线圈形成短路,线圈中的电流直线上升达到几十兆安培。这股强电流能够刺激微波虚阴极振荡器,产生高功率微波并辐射到空间。理论上说,每公斤炸药能够产生500万焦耳的微波能量密度,但实际取决于转化的效率。资料图这种导弹展示瞄准多个目标和场所的能力。2011年随后将进行的试验则将验证它的杀伤力:使用高能微波战斗部“烧毁”敌方最先进的防空、指挥和控制中心、战斗机和无人机的电子系统的能力。波音公司项目主管基斯·科尔曼说:“这次试验将空军研究实验室的定向能技术和波音公司的导弹设计融为一体,一种全新的非致命但是非常高效武器系统的研制就此迈出重要一步。”
等离子体处理危险**技术 一、引言 将等离子体用于处理各类污染物具有处理流程短、效率高、适用范围广等特点,尤其是对于多氯联苯类(PCB)、氟里昂类等难消解含卤化合物及生物技术产业、农药、医院等的特殊废弃物处理,常规的燃料热源技术的处理效率常不能达到国际规定的标准(PCB的消解效率必须大于99.9999%),并且更高毒性的多氯二苯并二(PCDDs) 与多氯二苯并呋喃(PCDFs) 的二次污染问题日益引起人们的重视。等离子体既可用于处理废气又可用于处理废水、固体**、污泥、甚至放射性**。本章主要介绍等离子体处理固体危险**,如医疗垃圾等。 二、等离子体火炬处理固体**的工作原理 (一)等离子体的概念 等离子体是物质存在的第四态,它是气体电离后形成的,是由电子、离子、原子、分子或自由基等粒子组成的集合体,它具有宏观尺度内的电中性与高导电性。等离子体是极活泼的反应性物种,使通常条件下难以进行或速度很慢的反应变得快速,尤其有利于难消解污染物的处理。 在人工生成等离子体的方法中,气体放电法比加热的办法更加简便高效,诸如荧光灯、霓虹灯、电弧焊、电晕放电等等。图1是气体通过加热或放电形成等离子体的示意图。 图1 等离子体形成示意图 (二)等离子体的分类 按粒子的温度等离子体可分为两大类,热平衡等离子体(或热等离子体) 与非热平衡等离子体(或冷等离子体),如图2所示。 冷等离子体的特征是它的能量密度较低,重粒子温度接近室温而电子温度却很高,电子与离子有很高的反应活性。相对地,热等离子体的能量密度很高,重粒子温度与电子温度相近,通常为10000K 至20000K 的数量级,各种粒子的反应活性都很高,本文后面所提到的等离子体如未特别说明即指热等离子体。 图2 等离子体的分类 (三)等离子体的产生方法 热等离子体的产生方法,它包括大气压下电极间的交流(AC)与直流(DC)放电、常压电感耦合等离子体、常压微波放电等。下面介绍微波等离子体炬(microwave plasma torch): 图3 微波等离子体火炬的工作原理示意图 如图3是所示,微波等离子体炬(MPT)是一种开放结构的等离子体源,是由金钦汉等于1985年首先提出来,目前实验室常用的微波源是2.45GHz,MPT炬管是一个直接耦合的同轴波导微波谐振腔,腔内存在着固定的电场和磁场分布,而这种特定的能量分布维持了等离子体放电,将一段同轴线一端短路,另一端开路,就构成了同轴谐振腔。MPT炬管的内管和中管是相连通的终端短路活塞的存在使其成为一个同轴微波谐振腔,同轴谐振腔有三种耦合方式:直接耦合,电容耦合和电感耦合。直接耦合又称为电导耦合,其方法是在同轴腔外导体上开孔,将同轴传输线(天线)的内导体直接连接导同轴腔的内导体上,MPT炬管就是采用的这种方式。当炬管顶端到调谐活塞端面的距离是λ/4的奇数倍时(一般为3λ/4),顶端的电场为最强,就可在顶端形成和维持等离子体。图4是电子科技大学高能所的微波等离子体火炬系统,微波的工作频率为2.45GHz,磁控管产生的微波通过波导系统、三端调配和短路活塞耦合到同轴传输线(天线),并在离内管端口几厘米的地方形成特定的电磁场分布,从而使空气等工作气体电离形成等离子体火炬,图中的等离子体火炬的火焰长度只要几厘米,它的主要应用是金刚石薄膜、材料的表面改性、化学分析、纳米材料制备、**处理等。 微波等离子体的参数: 工作频率: 2450±50MHz 输出功率: 1.0-2.0kW 工作范围: 100 Torr 至大气压 波导接口: BJ-26 微波等离子体炬设备组成: 磁控管提供能源 微波能从波导谐振腔引出 微波传输系统 喷嘴 微波等离子体火炬作为处理医疗垃圾系统可行性还值得进一步研究,因为它不仅可以利用等离子体火炬冲击、分解垃圾,还可以利用微波高效的热作用进行医疗垃圾的热解,达到高效的**处理。 图4 微波等离子体炬实物照片 二、等离子体技术在环境污染物处理上的应用 (一)等离子体技术处理**的特点 利用大功率等离子体处理危险有害的废弃物和一般的焚烧方式大不一样,等离子体火炬的中心温度可高达摄氏2~3万度,火炬边缘温度也可达到3千度左右。当高温高压的等离子体去冲击被处理的对象时,被处理物的分子、原子将会重新组合而生成新的物质,从而使有害物质变为无害物质,甚至能变为可再利用的资源。因此等离子体**处理是一个废料分解和再重组过程,它可将有毒有害的有机、无机**转成有价值的产品。等离子体高温分解特性是:第一,温度越高产生的分子的分子量越小;且C/H比越高,炭沉积为烟灰;第二,高温分解的许多产物的化学反应随温度降低而降低。炭,氢,氯在300○C左右容易形成致癌物质:二氧(杂)芑,呋喃等,由于等离子体在处理**时温度高,不易形成致癌物质,所以可以达到“零排放”。 等离子体分解有机**可得到氢气及一氧化碳,并可通过一个附属设备提取。它们可以用作化学原料去生产其它产品,如聚合物或其他化学产品。氢气是十分有价值的商业气体,可应用在多种制造日用品的工艺中,例如:氨及塑料、药物、维生素、食油等。它亦可为燃料电池提供能量。燃料电池被广泛认为是未来解决污染问题的洁净能源。从无机**中得到的可再用的产品包括可用于冶金工业的合成金属,可用于建筑及研磨材料的玻璃状的硅石。 几乎所有废料均可被等离子体处理并转换成有用的产品。等离子体火炬处理**有如下特点: a. 可以处理有毒、有害危险及非危险**,包括有机的、无机的、气体、液体及固体。 b. 能够完全地、安全地将有毒废料转化成无毒且有使用价值的产品。 c. 符合最严格的排放标准,减容率高。 许多有毒有害的物质是不能焚烧的,例如PCBs、农药、杀虫剂等等,而使用等离子系统则可以安全地处理并且可以随时起动和停机,而等离子设备的减容量非常高,其它处理设备做不到的。正因为如此,用电量方面较多,这是造成运行成本较高的主要原因,因焚烧炉的减容量最大90%,以处理量1000吨/日为例,每天要有100吨的含有重金属的底灰须填埋或再经等离子系统处理(日本就专为焚烧炉的底灰处理购置了等离子系统)。 存在的问题: 由于设备的特殊性,其制造成本较高,用电运营成本高。但如在大规模运营中可以收回氢气,这是当今和今后最需要的清洁能源,而且价值很高。下面三式是等离子体处理**时的主要反应式。 2C+O2=2CO+58.86kcal/mol C+H2O=CO+H2-28.36kcal/mol CO+H2O=CO2+H2+10.41kcal/mol (二)等离子体火炬处理固体**的应用 等离子体火炬,尤其是电弧等离子体火炬在医疗垃圾的应用已经开始,美国、日本、加拿大等发达国家和地区进行等离子体处理**的研制和商品化进程已经进行几年时间,并已经开始了商品化应用。 下面是微波等离子体火炬处理固体**的应用设想,利用它可处理:城市固态垃圾、淤泥、工业固废以及液态有机垃圾等。等离子体分解有机**可得到氢气及一氧化碳,并可通过一个附属设备提取。它们可以用作化学原料去生产其它产品,如聚合物或其他化学产品。氢气是十分有价值的商业气体,可应用在多种制造日用品的工艺中,例如:氨及塑料、药物、维生素、食油等。它亦可为燃料电池提供能量。燃料电池被广泛认为是未来解决污染问题的洁净能源。从无机**中得到的可再用的产品包括可用于冶金工业的合成金属,可用于建筑及研磨材料的玻璃状的硅石。 图5 等离子体处理**的系统框图 图5是等离子体处理**的流程示意图,在等离子体热处理系统中,主要设备是两台等离子体火炬,即第一气化室和第二气化室。 在处理**时,垃圾首先被切碎并注入第一气化器(如图5所示等离子体热处理系统)。工作温度在1800-1900K,300KW。减容比高:90%甚至95%以上。产生的等离子体火炬可以很快使有机物分解成一氧化碳和氢,无机物则变为玻璃状的硅石。 第二气化室(图5中的加力燃烧室)等离子体火炬可对第一气化室中合成气体中的一些残留微粒和一些碳氢化合物再进一步进行分解处理。 通过第二气化室处理后的混合气体经过净化系统后,成为只含H2和CO的混合气体,加力燃烧室在1000○C温度环境下对H2和CO的混合气体进一步进行处理,以确保无有害的混合物产生,比如二氧芑和呋喃等,最后排放到空气中。当然也可以取消加力燃烧室而利用这些混合气体去驱动汽轮机发电。 在第一气化器中垃圾的无机物部分熔化成玻璃状的无污染的炉渣如图6,炉渣可安全用于建筑材料,根据不同的用途,炉渣可复原为各种形式。 图6 第一气化室处理后的玻璃化炉渣 三、等离子体处理**的前景 与其他有竞争力的**处理过程相比,热等离子体处理**比较昂贵。而在一些特殊类型的有毒**处理问题上热等离子体处理具有独特的优势,因此等离子体主要用于焚烧炉难于处理的**,包括被污染的陶瓷**、高熔点金属、需要治理的含有毒挥发成分的废气等。 等离子体进行**处理的主要缺点在于以电力作为能源,经济成本高。此外,与传统**处理方式相比,等离子体过程具有更多的过程控制参数,从而在过程控制中要求自动化程度很高。看来对于这种大规模的设备仍然缺乏一个坚实的工程基础。
微波的基本运算 如方程(1)所示,单位体积所产生的热量取决于:产生微波时的电场强度、频率,以及由材料微波功率耗散所表示的介电性能。 P'''=2πfεOεr''E2inW/m3P'''=2πfεOεr''Ε2inW/m3 P´´´ = 体积能量密度,单位W/m3 f = 工作频率,单位赫兹 εo = 自由空间的介电常数 = 8.85 x 10 -12 AS/Vm ε r´´ = 介电损耗系数,即复介电常数的虚部 Ε = 电场强度,单位V/m(有效值) 损耗系数取决于频率 和温度有关。 原则上可以这么解释:物质的介电损耗系数越高,物质就能更好地在微波场中加热。水和所有含水性物质均具有高的介电损耗系数,因此对高频能和微波能具有良好的吸收能力。根据对微波辐射的吸能特性,材料被分为三类: 吸收型,如:水(在25℃时εr’’=12),含水性物质(几乎所有食品),各种塑料制品等。 透射型,如:陶瓷石英玻璃(εr’’=0.0023),特氟龙等。 反射型,如:金属,石墨等。 介电损耗系数低至0.01的物质仍然可以在微波场中加热。如果介电损耗系数低于0.01,可以在不改变物质所需特性的条件下加入具有高介电损耗系数的混合剂进行微波加热。 作为特殊的应用,可以通过特定的优化,使被加热材料内部产生更高的场强。 如果一种物质的介电损耗系数跟温度密切相关,那么加热结果可能出现无规律。例如,在冻结材料的解冻过程中,解冻部分对微波的吸收比冻结部分更加集中。 下面的例子说明基于方程(1)输入特定的参量可以预测实际应用中的功率密度。将装满水(水温50℃,εr’’=5.1)的烧瓶放置在一个均匀场强为2 kV/m的加热室中。在室内,水的加热功率密度将达到约2800 kW/m3,即在2450 MHz的频率下输入功率密度为2.8 W/cm3。 于是,水的加热速率通过如下方程计算得。 υ=P''сP*ρ=2800 kW/m3988 kg/m3*4.18kJ/(kg * K)υ=Ρ''сΡ*ρ=2800 kW/m3988 kg/m3*4.18kJ/(kg * K) 加热室内的场强分布即场强的三维坐标函数,取决于所使用的微波发生器的质量、数量及微波耦合点的分布,加热室的几何形状,被加热材料的几何形状和物理性质(εr’’),和加热室周围金属壁的反射特性。 在研究开发中,已经尝试使用辅助计算程序来预测场强的分布状况。然而,此项研究被证实是相当困难的,因为电磁波在穿透材料时会发生折射和衍射现象。根据其几何形状,功率可能集中在某一角落、边缘,以及特定的内部区域中(透镜耀斑)。考虑到参数之间相互关联的复杂性,场强分布计算仅适用于简单、理想化的条件。因此,微波加热设备的热室设计仍然很大程度依赖于经验和调试。
高功率微波大气击穿的理论研究 首先简单介绍一下研究背景,我们组是研究高功率微波的,现在国内高功率微波峰值功率已经达到吉瓦量级,达到这个量级之后就会出现很多问题,比如说高功率微波在传输中会发生大气尾蚀、微波从微波源器件发射出来的时候也会发生击穿,这些都不利于高功率微波的产生和传输,但是微波击穿形成等离子体也为高功率微波的应用提供了一些应用前景,比如说有的学者就提出可以使用高功率微波产生人造电离层,用人造电离层产生人造臭氧层。上午很多老师介绍了等离子体流动控制、等离子体助燃,微波产生等离子体也可以用于流动控制和助燃。微波大气等离子体属于低温弱电离等离子体,主要是通过电子碰撞电离,早期做的比较简单,20世纪40年代就开始做一些击穿阑值测量,很多等离子体研究都是这样,基本上把等离子体发光作为一个判据。由于微波源功率的提高可以研究更大压强范围、更大频率范围的微波放电,近期很多研究组开始研究超音速和跨音速的微波放电,使用快速照相可以得到等离子体区域的一些精细结构。莫斯科无线电研究所进行了这方面的研究,他们的研究背景主要是助燃和流动控制或减阻,比较了超音速的放电和在静止大气中的微波放电,他们还做了微波等离子体箍缩,说可以使用微波等离子体箍缩产生中子,但他们装置刚做实验就因为经费问题拆掉了,所以具体详细的实验他们没有。俄罗斯学者提出了人造电离层和臭氧层,由于在大气中的实验很难做,他们在实验室内使用两束微波相交,然后看形成等离子体的区域形状。 在2008—2009年,MIT(麻省理工学院)用快速照相测到了等离子体区域向微波源方向移动的速度[实验的气压是710torr(1torr=133.322Pa),微波频率是110GHz],发现在电场和波矢所在的平面等离子体呈丝状,在磁场和波矢所在的平面是一系列的点状结构,整个等离子体区域都是向微波源方向移动。MIT另外一个小组研究了更大压强范围和功率范围内的微波等离子体区域形状,他们得出的结论是这样的:高气压下是丝状,中等气压下是片状或者说鱼骨形的结构,低气压是连续等离子体区域,他们也发现不同气压条件下等离子体区域都是向微波源方向移动的。我们对MIT的实验结果进行了模拟。我们使用的理论模型比较简单,就是描述电磁波的Maxwell方程组和描述等离子体的电子运动方程,电子运动方程稍微变形一下就会变成一个电流密度的控制方程,还有电子数密度方程,参数都是实验上的一些拟合公式,电离频率表示电子的增长,它对场强有一个5.33次方的依赖关系,因为粘附造成的电子损失,氧气有电负性。对控制方程进行离散,由于电磁波与等离子体的时空尺度差别很大,我们在模拟中对它们使用了不同的时空步长。二维模拟中我们使用的计算区域是,波矢沿着z方向传播,如果是一维的在)方向平移对称就行了。 首先看一维的结果,初始电子数密度给的是半径为50μm的高斯分布。为了和实验比,我们取的微波频率也是110GHz。在t=6ns时,由于等离子体密度还比较小,所以它对电磁波基本上没有吸收和反射,所以在整个计算区域,微波振幅是不变的;随着等离子体密度的增长,在t=15ns时,等离子体密度已经增长到1015cm-3,这时等离子体对微波有吸收,也会反射,反射的结果就在等离子体上游形成一个驻波结构,驻波的第一个场强最大值距离等离子体是1/4波长,当种子电子扩散到强场区的时候就会有一个新的等离子体丝出现,新的等离子体丝出现之后也会对微波形成反射,如此反复就会有等离子体丝在上游不断出现。二维的结果和一维基本上是一样的,等离子体反射微波形成的强场区形成一个弧形区域,等离子体丝不仅向微波源方向移动,还会向两边扩散。 下面看一下压强对等离子体区域形状的影响。760torr时我们前面已经介绍过了,当压强降低的时候,刚开始时可以看到一些丝状结构,随着时间的推移它会过渡一个连续区,在200 torr的时候基本上看不到一个丝状的,出现的都是连续区域。这主要是因为等离子体的产生有两种作用,一个是电离,另一个是扩散。电离作用会导致在强场区形成高密度等离子体,而扩散作用会抹平这种密度差异,所以在高气压下,扩散系数比较小,会形成丝状等离子体区;低气压扩散比较大,所以会形成一个连续的等离子体区。我们的模拟结果和实验基本上是一致的,当压强降低到400torr时,磁场和波矢所在面是一个片状结构,到200torr时它是一个连续的等离子体区域。 下面看电场和波矢所在面的结果,在400torr和200torr的时候,它会出现一个比较漂亮的鱼骨形,等离子体对电磁波的反射不仅在它的上游会形成一个驻波结构,在等离子体两侧也会出现两个强场区,当种子电子扩散到两个强场区时,就会在这两边形成新的等离子体区域,新的等离子体区域也会向微波源方向移动,最终也会成为一个鱼骨形,我们模拟的等离子体区域形状和实验定性上符合得很好。 从前面可以看出,在垂直于电场方向和平行于电场方向等离子体的运动是不一样的。当等离子体密度达到一定程度的时候,由于和电磁波相互作用,在等离子体沿着电场方向的两端形成强场区,在强场区的作用下,等离子体就会被拉长,拉长之后两端的场就会进一步加强,这样就不断地拉长,直到它上游出现一个新的等离子体丝。新的等离子丝重复这个过程,如此反复,它会有一个等离子体丝向微波源方向移动。 下面看一下相交微波束大气击穿的模拟结果,我们首先算了同频率微波相交的情况,此时相干叠加之后,由于干涉作用,会形成电场强度强弱分布。我们首先模拟一下种子电子在弱场区的情况。因为在大气中种子电子是偶然出现的,有可能出现弱场区,如果出现在弱场区,它需要扩散,扩散到强场区之后电子碰撞分子发生雪崩电离,形成的等离子体沿着强场区做趋源运动,运动方向沿着)=:的这条线。形成的等离子体的区域是一个等离子体丝带,当然如果把气压降低,会发现丝带就会过渡为一个等离子体带。图1给了几个典型时刻的等离子体密度分布和场强的分布,在20ns的时候,由于靠近等离子体区域最强的场是沿着)=:这条线的,当等离子体丝带长度增加到一定程度的时候,在其左上和右下区域,相当于把两个微波场隔开,这两个区域相当于只有一个单微波的作用,在两边有新的等离子体丝带。如果初始电子出现在强场区,电子碰撞分子就会雪崩电离,形成等离子体。等离子体区域也是沿着J=:这条线做趋源运动。下面简单比较了同频和非同频微波相交的大气击穿,同频相当于相干叠加,非同频相当于非相干叠加,模拟时间都是80ns,初始的种子电子数都一样,可以发现在相干的情况下,即使把种子电子源放到场强最小的地方,产生等离子体的区域也大于非相干的情况,而且产生的最大电子数也是大于非相干的情况。总结主要有三点,一个是区域随压强的变化,还有等离子体做趋源运动,还有相干比非相干的等离子体区域比较大。
微波加热会产生危害吗? 前几年,一篇名为《请立即停止使用微波炉》的文章在网上被大量转发。文中列举数项微波炉对人体有害并且会致癌的证据。 文章还提出警告:如果您用微波炉煮热的食物,则会把癌细胞养得肥肥壮壮的;癌细胞会很高兴吃,还不会说谢谢;最后连您的身体也会一起吃掉,也许还可以让您散尽家产及痛不欲生。 作为一家微波能工业应用企业,客户也常常问到这个问题,那就是: 微波加热会产生危害吗? 本文从微波炉为什么能加热食物入手,来介绍微波的特点,并解析关于微波炉危害的那些谣言。 一、微波是什么 微波与无线电波、红外线和可见光一样都是电磁波,所不同的就是它们的频率不同。微波是指频率为300MHz~300GHz的电磁波,是无线电波中一个有限频带的简称,即波长在1毫米~1米之间的电磁波,是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高,通常也称为“超高频电磁波”。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器,微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西,则会反射微波。 二、微波为什么能加热 食物中的含有水,而水分子是一种极性分子,在吸收了微波能量后,会发生高速旋转振动,从而相互摩擦产生热量。 现在的微波炉发出的微波一般是2.45GHz,也就是说,食物中分子每秒振动24.5亿次,水分子们以这样的速度跟着转,自然也就“浑身发热”,温度在短时间内就急剧升高了。一旦微波停止,旋转电场消失了,水分子们也就安静下来,它们的世界也就恢复清净了。在这个过程中,水分子本身并没有被微波改变,也就是说,微波炉加热方法是物理变化,其能量远不足以使分子的化学键发生改变。 不仅仅是水分子,其他的极性分子也可以被微波加热。 三、微波加热致癌吗 微波是一种电磁波,跟手机信号,wifi信号所用的电波、红外线、以及可见光本质上是同样的东西。微波的频率比电波高,比红外线和可见光低。电波和可见光不会致癌,自然也就不难理解频率介于它们之间的微波也不会致癌。 我国著名微波专家张兆镗老师表示,微波炉1947年发明于美国,至今还没有过因微波炉食品导致癌变的流行病学报告。中国农业大学食品学院副教授范志红也表示:微波只是加热食物中的水分子,食品并未发生化学变化,不会产生致癌物微波不会对人致癌,也不会让食物产生致癌物质。 甚至,它还有助于避免致癌物的产生。对于鱼、肉等食物来说,传统加热尤其是烧烤炸等方式容易导致肉变焦,从而产生一些致癌物。2004年发表的一篇科学综述介绍了这类致癌物的产生以及致癌性,最后指出:用微波炉加热可以有效降低这类致癌物的产生。 所以,大家大可放心的使用微波炉。 四、微波加热安全吗 太阳光是比微波更高能的电磁波。太阳光,安全吗? 微波的安全性跟太阳光一样:是否伤害人体取决于能量的强弱。和煦的阳光让人舒爽,烈日暴晒则可以造成严重的皮肤灼伤。微波也是如此,既然能够加热食物,自然也能加热人体。问题的关键在于:到达人体的微波还有多少能量? 美国的规定是,在距离微波炉大约5厘米的地方,每平方厘米的功率不超过5毫瓦;而我国的标准更加严格,是1毫瓦。而且,微波的能量是按照距离的平方减弱的。也就是说,如果5厘米处是1毫瓦,50厘米处就降低到了百分之一毫瓦,更是“人畜无害”了。 所以,对于微波设备来说,只要是合格产品,使用中没有损坏,就不会泄漏出能够伤害人体的微波来。 结论: 关于微波加热致癌,产生有害物质的说法都是谣传;合格的微波设备能有效控制微波的泄露量,对人体也是无害的。
微波加热的基本计算 不可缺少的元素,以在该卷产生热量,微波场,频率的场强,并为通过微波功率损耗表示的目标物质的介电性能。 (请参阅公式(1)。) P '' '=2πfεOεr''E2inW/ M3P' ''=2πfεOεr''Ε2inW/立方米 P''=体积能量密度,单位W / m 3 f =工作频率,单位赫兹 εo=自由空间的介电常数= 8.85 x 10 - 12 AS / Vm εr“=介电损耗因子=复介电常数的虚部 Ε=电场强度,单位V / m(有效值) 损耗因子取决于频率(图3)和温度。 有什么可以说,法律是,该材料的损耗元素,使其更容易加热材料在微波电场越高。水和所有含水物质具有高的介电损耗因素,但吸收高频能量,尤其很好地吸收微波。根据目标物质对微波辐射的吸收特性,物质可分为三类。 水(.epsilon.r在2525°C“” = 12),含水材料(几乎所有的食品),吸收剂如各种塑料 陶瓷,石英玻璃(εr“= 0.0023),透明体如铁氟龙 反射器,如金属或石墨 介电损耗因子可以在微波在现场被加热,如果直到材料使得约率εr“” = 0.01。如果损失率低于该值的范围,其中该物质的目标属性不改变下,它可以用较高的损失添加剂混合微波处理。 在特殊应用的情况下,它可以产生经加热的长后单独优化处理物质的内部的非常高的电场强度。 如果目标物质的介电损耗因子随温度变化过大,则可能导致不规则的加热。例如,在的情况下,以提取冷冻物质,吸收强度微波比所述减压部分仍然冻结的部分。 以下示例是应用具有典型输入值的等式(1)的示例。这里,设定为表示每天经常经历的能量密度值。水填充在瓶(水温中C 50°.epsilon.r“” = 5.1)和放置在炉中,平均微波电场强度2千伏/米。在此,水的功率损耗密度,将大约2800千瓦/立方米= 2.8 W /立方厘米在2450MHz的。 因此,根据下式加热水。 υ=P''сP*ρ= 2800千瓦/ m3988千克/米3 * 4.18KJ /(公斤* K)υ=Ρ''сΡ*ρ= 2800千瓦/ m3988千克/米3 * 4.18KJ /(公斤* K) 在(加热室)中的电场强度的炉分布,即,电场强度作为空间坐标的函数,使用微波发生器,微波,数量和布置的共轭点的质量,炉(腔室)形状,几何结构和加热物质(εR“”)的物理性质,并取决于周围的金属壁的反射特性。 在R&D中,已经尝试使用数值方法来预测电场强度的分布。然而,当电磁波穿透的物质,从折射和衍射现象发生的事实,我们知道,这次审判是困难的。几何形状也有可能在角部发生和边缘以及在(镜头光斑)的特定内部区域的体积功率集中。由于每个这些参数(变量)之间的相关性是复杂的,该电场的强度分布的计算不能仅以简化的理想条件。因此,微波加热设备(加热室)的加热炉的设计依赖于经验和调试今天。
电磁波—吸波材料 吸波材料是一种以吸收电磁波为主,反射、散射和透射都很小的高科技功能性复合材料,其原理主要是在高分子介质中添加电磁损耗性物质,当电磁波进入吸波材料内部时,推动组成材料分子内的离子、电子运动或电子能级间跃迁,產生电导损耗、高频介质损耗和磁滞损耗等,使电磁能转变成热能而发散到空间消失掉,从而產生吸收作用。不发生反射而造成二次污染,主要特点:厚度薄、柔性好、强度高、吸收率大、抗老化(载体为硅橡胶材料)、稳定性(-50----180℃)、低频特性(10MHZ----10GHz),对镜面波和表面波都具有良好的吸收特性。广泛适用于电磁兼容、电子仪器设备、高频设备、屏蔽箱、射频屏蔽箱、屏蔽机柜、测试治具、微波暗室中,在工业微波能设备内部吸收屏蔽以防止微波泄漏、通讯导航系统等高频电子电气设备的抗干扰防辐射等领域。 吸波材料设计原理 采用纳米材料、平面六角铁氧体、非晶磁性纤维、颗粒膜等高性能吸收剂作为吸收介质;利用新型吸收原理—电磁共振及涡流损耗,制备的吸波材料厚度薄、重量轻、吸收频带宽、吸收率高;根据MAXWELL方程,采用遗传算法(GA),实现电磁波吸收材料仿真(CAD),最大发挥吸收介质特性,并缩短材料的研制周期,可满足用户特种需求。 吸波材料应用领域 抑制电磁波干扰,改善天线方向图,提高雷达测向测距准确性;防止微波器件及设备的电磁干扰、电磁波辐射及波形整形;微波暗室、电磁兼容室、吸收负载、衰减器、雷达波RCS减缩等。 吸波材料主要技术指标 工作频率:30MHz~40GHz(分频段)吸收率:5~30dB(分频段) 利用高导磁高损失之金属,在超微分子结晶为多种软磁性合金,叠以层层带状薄膜,宽频段高效能吸收由电子元件,模组,表面电流所产生之微波杂讯,为各项电子设备提供绝佳的EMC解决方案.此种软磁性薄带吸收片能够做到超薄型主要应用领域:手机、电子仪器设备、高频设备、微波有源器件、屏蔽箱、雷达及微波通信系统的杂波抑制、抗电磁干扰等技术领域,根据不同的应用频段,可调整功能材料的浓厚和配方,制成不同厚度及功效的电磁波吸收胶片
微波污水处理技术 刚刚在论坛看到微波污水处理技术 网上找来资料 见下面: 似乎实验的研究,不知道有没达人做过 这样的工程? 微波对流体中物质进行选择性加热,对吸波物质有低温催化作用;加速流体中固、液分离作用;低温杀菌作用;均匀加热功能;迅速升温作用;不产生二次污染等。 微波化学污水处理技术是水处理领域中一场崭新的革命,是一代具有突破性、创新性、广谱性的水处理技术。微波化学污水处理技术不同于传统的污水处理方法,它通过微波场对吸波物质的选择性加热、低温催化、快速穿透等功能,达到去污除浊杀菌的效果。经微波化学污水处理技术处理后的水,可全部再利用,从而实现污水处理工程的实用、高效、节能、环保、低运行费用。 环保BLOG, 微波化学污水处理技术的基础是“极性分子理论”。 外加微波场可使这些极性分子因趋向作用而发生频率极高的振荡运动,消耗能量而发热。在微波场中物质的吸波与否和吸波强弱,与该物质的电性质有关。实验证明,在单位体积的物质内被吸收的(转化为热能损耗)微波功率Pa,与电场(磁场)强度E、物质的损耗角正切tgδ和频率f成正比关系。物质在微波场中吸收的微波能全部转化为热能,所以Pa即为单位时间内在单位体积物质中产生的能量。tgδ值与该物质的介电常数、介电损耗相关的量,而物质的介电常数、介电损耗又与该物质当时的其它多种因素相关。 根据此“极性分子理论”,微波不仅可以加快化学反应,在一定条件下也能抑制反应的进行。除此之外,微波还可以改变反应的途径。微波对化学反应的作用除了对反应加热引起反应速率改变以外,还具有电磁场对反应分子间行为的直接作用而引起的所谓“非热效应”。微波对反应的作用程度除了与反应类型有关外,还与微波的强度、频率、调制方式及环境条件有关。此外,由于化学反应是一个非平衡系统,旧的物质在不断消耗,新的物质在不断生成,各相界面可能发生随机的变化;与此同时系统的宏观电磁特性也在发生变化,而且在微波辐射下这种变化还与所用的微波紧密相关。 城市下载 然而,许多有机化合物都不直接明显地吸收微波,但可以利用某种强烈吸收微波的“敏化剂”把微波能传给这些物质而诱发化学反应。利用这些“敏化剂”就可以在微波辐射下实现某些催化反应,这就是所谓微波诱导催化反应。高强度连续波微波辐射聚焦到某种“敏化剂”的表面,由于“敏化剂”表面点位与微波能的强烈相互作用,微波能将被转变成热能,从而使某些表面点位选择性的被很快加热至很高温度(例如很容易超过1400℃)。尽管反应其中的水没有明显升温,但当水中的有机污染物与受激发的表面点位接触时却可发生反应。 “敏化剂”的作用不仅仅在于把热能聚焦,而且还可以借它与反应物和产物相互作用的选择性而影响反应的进程。微波化学污水处理技术就是利用微波对化学反应的这些作用,对水中的污染物通过物理及化学作用进行降解、转化,从而实现污水净化的目的。此反应机理包括以下反应过程: P: 水分子、污染物种分子 M: 添加剂 SS: 悬浮物 R: 有机物种等 大家都知道OH是一种非常活跃的物质,具有很高的活性,而在水分子的周围存在着很多的灰体,这些物质如同一座无形的屏障,束缚了OH的自由活动,从而导致水体自净功能大大下降,水体污染加剧。微波能够冲破这座无形的屏障,重新释放出OH,从而能够加速水体的净化。 微波在处理水中污染物的同时,也能杀灭水中的细菌、藻类等微生物。其作用原理是由于微波辐射的热效应,即微波辐射场照射生物体,引起生物体组织器官的加热作用而产生的生理影响和抑制、伤害作用。组成细胞的极性分子在外加微波场的作用下升温发热,从而导致生物体细胞组织温度升高。当微波功率密度较大,生物体产热过多,超过了体温调节能力,生物体的温度平衡功能失调,体温上升,于是生物体发生生理功能紊乱并发生病理变化,进而死亡。
有关微波治疗仪的治疗原理及方法 生物电磁学作为一门新兴的边缘学科,已愈益受到中国外有关专家和学者的重视。,对高频电磁波的研究已经拓展到毫米波段,并被视为研究的重点内容。毫米波生物医学工程的研究,始于六十年代,1968年,加拿大学者Webb发表了第一篇关于毫米波可抑制细菌生长的生物效应文章,随后他又报道过微生物对毫米波存在类似谐振的能量吸收谐振点,指出了正常细胞和癌细胞对毫米波具有不同的吸收谐振点。此后,俄、美、德、法和中国等许多科学家都做了大量的基础实验研究和临床验证工作。结果表明低能量密度的毫米波照射能引起明显的生物效应,同时在毫米波临床应用上也积累了大量有价值的资料。微波作为毫米波的一种,除了具有毫米波的共有特性外,还有一些区别于其他毫米波的独特性质。微波的主要特点是它的似光性、穿透性和非电离性。 似光性——微波治疗仪与频率较低的无线电波相比,更能像光线一样地传播和集中; 穿透性——与红外线相比,微波照射介质时更容易深入物质内部; 非电离性——微波的量子能量与物质相互作用时,不改变物质分子的内部结构(只改变其运动状态)。短波超短波同属电磁波,但与微波相比,由于频率大幅度降低,临床效果差别很大。人体的血液、淋巴液、脑脊髓液等对微波都有特殊的吸收作用。如短波超短波在电极作用下,脂肪与肌肉的温升之比约为9比1,而人体皮下都有一层脂肪,脂肪吸收电磁能产热过多,势必妨碍电磁能在深部组织的作用。而微波作用于人体脂肪和肌肉的产热之比接近于1比1,因此微波的热效应更均匀,在较深部位肌层内仍有显著的热效应。微波生物学临床治疗机理微波热效应人体组织是由各种有机与无机化合物组成,这些物质在电学上可具有不同的特性,例如人体内钠、钾、钙、碘、铁等多种无机离子,它们在微波电磁场中忽而被吸引,忽而被排斥,形成电场方向的振动,振动时离子间的互相摩擦以及和周围媒质间的摩擦产生了热。人体胶体 组织本来并不显电性,但部分胶体颗粒吸附周围的离子也会呈现电性,形成带电的胶体,这些物质在微波场作用下亦产生类似离子的摩擦碰撞运动而产生热。人体组织中的肌肉、脂肪、蛋白、内脏、血液、淋巴液等在电学上均属电介质,它们含有大量水分。水是极性分子,水分子所带的正电和负电作用中心重合,通常情况下不呈现电特性。在微波电磁场下水分子极化,水分子中正电和负电作用中心不重合。形成电学中的电偶极子并按高频场瞬间场的方向重新排列,使之发生急剧旋转产生摩擦热。 微波非热效应微波作用于人体组织除热效应外还存在着非热效应,例如人体乳脂、红细胞等带电颗粒在微波场作用下沿电力线分布排列成串珠状,这些现象在不引起热的电场强度下亦可发生,反映在临床医学上有特定疗效,显然这种疗效与热效应无关。
微波动力飞机 飞机要在蓝天里翱翔,那它就一刻也离不开油料。那么,能不能想出一种办法,使飞机不用喝油就能在空中自由自在地飞行呢?为了寻找答案,在许多年前,就有不少专家在积极从事这方面的研究工作。令人欣喜的是,现在,专家们已找到一种途径,那就是用微波代替油料作为飞机的动力源。对于微波,很多人并不陌生,它实际上就是一种肉眼看不到的电磁波。现在很多人家庭装备的微波炉就是靠它才能烘烤出各种美味佳肴的。当然,要把微波的能量转换成飞机的动力并不是件简单的事。首先要在地面建一个超大功率的发射机,由它产生微波,并通过一个大型天线把能量高度集中,然后射向在空中的微波飞机。微波飞机的外表和普通飞机大体相似,只是为了接收地面发射来的微波,在它的机身后部装有一个圆形大天线,这使得微波飞机看起来多少有点古怪。不过,可不要小看这个天线,是它把接收到的微波转换成直流电,只有这样才能驱动飞机的螺旋桨,使微波飞机在空中自由自在地飞行。由于不用像普通飞机那样携带大量的燃料,而是靠地面上的微波发射机源源不断地供给能源,因此,微波飞机可以像一颗低轨道卫星一样,在空中连续飞行几个月。比如,美国一家公司研制的微波飞机,据说就能在空中飞行90天。这恐怕是现在那些在空中不停地喝油的飞机望尘莫及的。微波飞机由于具有这种特殊的本领,因此,它可以担负许多重要使命。比如,它不仅可作为通信中转站使用,而且还能用于空中侦察、舰船定位和收集气象资料等等。据专家们估计,随着微波飞机逐渐完善起来,它的用途还远远不止这些。
微波同轴表面波等离子体镀膜设备 一、 装置的基本原理 当一根石英管处于真空腔中,在石英管中通入微波,处于真空腔内的石英管外表面就形成了表面波。当真空腔体中的气压适当时表面波就能在石英管的表面产生等离子体[1];当多根石英管靠近平行放置形成石英管阵列,多根表面波等离子体将互相叠加,在石英管附近就可以获得大区域均匀的高密度微波等离子体。这种微波等离子体由于密度高,面积大,能辅助化学汽相沉积(MWPECVD)大面积高质量薄膜。据文献[2]报道,这种装置产生的氢和甲烷等离子能能在硼硅酸盐玻璃、碱石灰玻璃和石英基体顺利地生长纳米金刚石薄膜,且薄膜是一种高度透明和光滑的纳米金刚石薄膜。当加入了二氧化碳混合气,可改善膜性能,如透明度。 我们根据表面波产生等离子体的基本原理进行了如下的表面波等离子体源的研制,达到了为镀制薄膜的工艺研究所需要的设备条件。 二、 镀膜设备的主要参数 我们研制的等离子体发生腔为300×300mm的方形真空腔体(参见图1)。真空腔体由四块厚度为 图1 14mm的无磁不锈钢板焊接而成;腔体前开有观察窗口,上为盖板,下与薄膜沉积室相连。真空腔体中同时平行摆放4根长度250mm的石英玻璃管,左右各有4个微波同轴波导个连接口。每根石英管两头用一套微波系统提供微波功率,四根石英管共用八套微波系统。每套微波系统都由微波电源、磁控管、激励腔、环形器、水阻、波导同轴转换器、短路活塞、同轴波导组成。由于两根石英玻璃管的中心距足够近,我们将同轴波导管的长度设计为两种,使波导系统巧妙的错开,以达到在石英管阵列足够紧密,在石英管阵列附近就能获得大面积均匀的高密度等离子体,为沉积大面积高性能薄膜创造设备条件。 微波系统的关键技术之一是将矩形波导传输变成圆波导传输。我们设计的这套微波传输系统阻抗匹配性能比较好,反射波功率比较小。 为了减少等离子体与上盖板相互作用,和辅助等离子体的稳定,在上盖板表面覆盖多级磁场。磁钢的长度为250mm,摆放于两根石英玻璃管的中间处,并保证每根石英玻璃管的两侧都有磁钢。 为了能均匀沉积大面积薄膜,上盖板内侧使用了不锈钢管道将气体均匀输入真空室内。为了使真空腔体和微波系统不至于过热,在发热位置使用水冷和空气冷。调试表明,0.5m3/h的冷却水和200m3/h的冷却空气可使整个装置长时间稳定工作。 初步试验表明,这样措施获得大面积均匀高密度等离子体放电,为沉积高质量大面积薄膜创造了基本条件。
电磁场与微波技术专业就业前景与就业方向 电磁场与微波技术专业,该专业隶属于电子科学与技术一级学科。电磁场与微波技术是一门以电磁场理论、光导波理论、光器件物理及微波电路理论为基础,并和通信系统、微电子系统、计算机系统等实际相结合的学科。下面让职导网小编为你介绍一下电磁场与微波技术专业就业前景与就业方向吧!  一、电磁场与微波技术专业就业前景   天线与雷达 (毕业一般进研究所工科,中电22所,14所,54所都做这个,中船,中国航天科工集团下的研究都要这个专业的,其中南京十四所强,一般都是为军队做。歼十上有四部雷达,其中三部是14所做的)。   高功率微波 (包括速调管,行波管,返波管等军用管子,磁控管(微波炉的核心器件)近的THz技术比较火,前年的香山会议就是以这个为主题的,国家在未来几年,肯定会投很多钱,现在,成电,中科院电子所,东南大学很多人做这个,这个毕业一般也是进研究所)。   微波器件 (这个其实是个很大的概念,主要包括,功分器,双工器,滤波器,耦合器,铁氧体器件,华为的同学主要做这个,主要用是卫星微波通信)。   电磁兼容 (现在电子产品,越来越小,电磁干扰越来越大,电磁污染越来越被重视。这个一个好的方向。现在做PCB的电磁兼容很火的)。   RF (射频,主要是微波电路,一般只要是有研发部的电子,通信公司包括中兴,华为,广电,都要电磁兼容和射频工程师)。   二、电磁场与微波技术专业就业方向   该专业毕业生就业领域包括:   电磁场与微波技术专业性比较强,由于无线通信的迅速发展,该专业就业范围也变得更为广泛,毕业生主要就业方向如下:   1、在IT行业、通信行业、国防、航空、航天、公安、安全等部门从事微波通信、雷达、电子对抗、电磁场工程等科学研究、系统设计、产品开发与生产、设备运行维护、科技管理、市场营销。   2、在国内外高校与研究机构进一步深造或从事科研教学。
常用气相沉积方法 CVD技术有多种分类方法,按激发方式可分为热CVD、等离子体CVD、光激发CVD、激光(诱导)CVD等;按反应室压力可分为常压CVD、低压CVD等;按反应温度可分为高温CVD、中温CVD、低温CVD。有人把常压CVD称为常规CVD,而把低压CVD、等离子体CVD、激光CVD等列为非常规CVD。也有按源物质归类,如金属有机化合物CVD、氯化物CVD、氢化物CVD等。这里按主要特征进行综合分类,可分为等离子体CVD、金属有机化合物CVD、低压CVD、激光(诱导)CVD、热激发CVD等。 1.等离子体CVD 等离子体化学气相沉积( Plasma Chemical Vapor Deposition,PCVD)是将低气压气体放电等离子体应用于化学气相沉积中的一项技术。在常规的化学气相沉积中,促使其化学反应的能量来源是热能,而等离子体化学气相沉积除热能外,还借助外部所加电场的作用引起放电,使原料气体成为等离子体状态,变为化学上非常活泼的激发分子、原子、离子和原子团等,促进化学反应,在基材表面形成薄膜。PCVD由于等离子体参与化学反应,因此基材温度可以降低很多,具有不易损伤基材等特点,并有利于化学反应的进行,使通常难以发生的反应变为可能,从而能开发出各种组成比的新材料。 PCVD装置按频率分为:直流、射频和微波三种,其装置结构简单,主要包括反应器、真空系统、配气系统、电源系统等。 (1)直流等离子体化学气相沉积 图5. 32为直流等离子体化学气相沉积( Derected Corrent Plasma Chemical Vapor Depo-sition,DCPCVD)装置示意图。镀膜室接电源正极,基板接负极,基板负偏压为1―2kV。首先用机械泵将其抽真空至10Pa;通人氢气和氮气,接通电源后产生辉光放电;产生的氢离子和氮离子轰击基板,进行预轰击清洗净化并使基板升温;到达500℃以后,通人TiCl4,气压调至102-103Pa,进行等离子化学气相沉积氮化钛过程。图5.32直流PCVD装置示意图 1-进气系统;2-工件;3-真空泵;4-电源;5-冷阱;6-机械泵 反应器即镀膜室,一般用不锈钢制作。阴极输电装置与离子镀、磁控溅射等相同,此膜会受到阳极附近的空间电荷所产生酌强磁场的影响,为了避免发生这种情况,必须要有可靠的间隙屏蔽措施。基板一工件可以吊挂,也可以采用托盘结构。配气系统中所通入的TiCI4容器不需要加热,由于容器与负压反应器相通,故TiCI4液体很容易汽化。由于PCVD采用的源物质和产物中多含有还原性很强的卤族元素或其氢化物(HCI等)气体,且沉积气压为102~ 103 Pa,故真空系统只需要选用机械泵即可。由于排放腐蚀性较强的气体,因此在抽气管路上应设置冷阱,使腐蚀气体冷凝,以减少对环境的污染。 直流PCVD的缺点是不能应用于非金属基体或薄膜,因为在阴极上电荷产生积累,并会造成积累放电,破坏正常的反应。 (2)射频等离子体化学气相沉积 以射频辉光放电的方法产生等离子体的化学气相沉积技术,称为射频等离子体化学气相沉积(Radio Freqency Plasma Chemical Vapor Deposition,RFPCVD)。一般射频放电有电感耦合与电容耦合两种,在选用管式反应腔体时,这两种耦合电极均可置于管式反应腔体外。在放电中,电极不会发生腐蚀,也不会有杂质污染,但往往需要调整电极和基片的位置。前者结构简单,造价较低,不宜用于大面积基片的均匀沉积和工业他生产。比较普遍的是在反应室内采用平行圆板形的电容耦合方式,用这种结构的电容耦合射频功率输入, 可获得比较均匀的电场分布。 在平板形的电容耦合系统中,反应室的外壳一般用不锈钢制作,直径也可做得比较大。反应室圆板电极可选用铝合金,其直径比外壳略小。基片台为接地电极,两极间距离较小,仅几厘米,这与输入射频功率大小有关。一般来说,极间距只要大于离子鞘层,即暗区厚度的5倍,能保证充分放电即可。基片台可用红外加热,下电极可旋转,以便于改善膜厚的均匀。底盘上开有进气、抽气、测温等孔道。图5. 33是平板形反应室的截面图。通常采用功率为50 W至几百瓦,频率为450 kHz或13. 56MHz的射频电源。图5. 33平板形反应室的截面图 1-圆板电极;2-基片台;3-加热器;4-RF输入;5-转轴;6-磁转动装置;7-旋转基座;8-气体入口 目前,射频等离子CVD可用于半导体器件工业化生产中SiN和Si02薄膜的沉积。 (3)微波等离子体化学气相沉积 用微波放电产生等离子体进行化学气相沉积的技术,称为微波等离子体化学气相沉积(Micro - wave Plasma Chemical Vapor Deposi-tion,MWPCVD)。 微波放电具有放电电压范围宽、无放电电极、能量转换率高、可产生高密度的等离子体的优点。在微波等离子体中,不仅含有高密度的电子和离子还含有各种活性基团(活性粒子),可以在工艺上实现气相沉积、聚合和刻蚀等各种功能,是一种先进的现代表面技术。图5. 34微波等离子体CVD装置示意图 1-发射天线;2-矩形波导;3-_螺钉调配器;4-定向耦合器;5-环形器;6-微波发生器;7-等离子体球;8-衬底;9-样品台;10-模式转换器;11-石英钟罩;12-均流罩 微波等离子体CVD装置一般由微波发生器、波导系统(包括环行器、定向耦合器、调配器等)、发射天线、模式转换器、真空系统与供气系统、电控系统与反应腔体等组成。图5. 34是一台典型的微波等离子体CVD装置示意图。从微波发生器(微波源)产生的2.45 CHz频率的微波能量耦合到发射天线,再经过模式转换器,最后在反应腔体中激发流经反应腔体的低压气体形成均匀的等离子体。微波放电非常稳定,所产生的等离子体不与反应容器壁接触,对制备沉积高质量的薄膜极为有利。然而微波等离子体放电空间受限制,难以实现大面积均匀放电,对沉积大面积的均匀优质薄膜尚存在技术难度。 近年来,在发展大面积的微波等离子体CVD装置上已经取得了较大进展,美国Astex公司已有75 kW级的微波等离子体CVD装置出售,可在4200 mm的衬底上实现均匀的薄膜沉积。 PCVD最早是利用有机硅化合物在半导体基材上沉积Si02,后来在半导体工业上获得了广泛的应用,如沉积Si3 N4 .Si、SiC、磷硅玻璃等。目前,PCVD已不仅用于半导体,还用于金属、陶瓷、玻璃等基材上,作保护膜、强化膜、修饰膜、功能膜。PCVD另两个重要应用是制备聚合物膜以及金刚石、立方氮化硼薄膜等,展现了良好的发展前景。 2.金属有机化合物气相沉积 金属有机化合物化学气相沉积( Metal Organic Compound Chemical Vapor Deposition,MOCVD)是一种利用金属有机化合物热分解反应,进行气相外延生长的方法。把含有外延材料组分的金属有机化合物通过载气输运到反应室,在一定温度下进行外延生长。该方法现在主要用于化学半导体气相生长上,由于其组分及界面控制精度高,广泛应用于Ⅱ一Ⅵ族化合物半导体超晶格量子阱等低维材料的生长。 金属有机化合物是一类含有碳一金属键的物质,适用于MOCVD法,具有易于合成和提纯,在室温下是液体并有适当的蒸气压,较低的热分解温度,对沉积薄膜沾污小和毒性小等特点。目前常用的金属有机化合物(通常称为MO源)主要是Ⅱ一Ⅵ族的烷基衍生物,如表5.9所示。 表5.9常用的金属有机化合物在室温下,除( C2H5)2Mg和(CH3) 3lri是固体外,其他均为液体。制备这些MO源有多种方法,并且为了适应新的需求和MOCVD工艺的改进,新的MO源被不断开发出来。图5.35 Gal-xAIxAsMOCVD装置原理图 MOCVD技术所用的设备包括温度精确控制系统、压力精确控制系统、气体流量精确控制系统、高纯载气处理系统、尾气处理系统等。为了提高异质界面的清晰度,在反应室前通常设有一个高速、无死区的多通道气体转换阀;为了使气体转换顺利进行,一般设有生长气路和辅助气路,两者气体压力要保持相等。图5. 35为Gal-xAIxAsMOCVD装置原理图。 MOCVD生长装置大致分为纵向型生长装置和横向型生长装置,图5.35为纵向型生长装置。沉积源物质大多为三甲基镓、三甲基铝,有时也使用三乙烷基镓( TEG)和三乙烷基铝( TEA)。P型掺杂源使用充入到不锈钢发泡器中的(C:Hs):Zn(二乙烷基锌DEZ)。掺杂源为AsH,气体和H:Se气体,用高纯度氢分别稀释至50-/0一lOo-/o,甚至百万分之几十至百万分之几百,充人到高压器瓶中供使用。在晶体生长时,TMG、TMA和DEZ等通过与净化预处理后的氢气混合而制成饱和蒸气导入反应室内。反应室采用石英制造,内部设置石墨托架(试样加热架)。导入的气体在被石墨架加热至高温的GaAs基片表面上发生热分解反应,沉积成含有P型掺杂的Ga.一。Al;As膜层。因为在气态下发生的反应会阻碍外延生长,所以需要控制气流的流速,以便不在气相状态下发生反应。反应生成的气体从反应室下部排入废气回收装置,以消除废气的危险性和毒性。反应室的压力约为IOPa。 与其他方法相比,具有以下特点。 ①单一的生长温度范围是生长的必要条件,反应装置容易设计,较气相外延法简单;生长温度范围较宽,适合于工业化大批量生产。 ②由于原料能以气体成蒸气状态进入反应室,所以容易实现导人气体量的精确控制,并可分别改变原料各组分量值;膜厚和电性质具有较好的再现性,能在较宽范围内实现控制。 ③能在蓝宝石、尖晶石等基片上实现外延生长。 ④只改变原料就能容易地生长出各种成分的化合物晶体。 MOCVD技术存在以下问题:原料的纯度难以满足要求,其稳定性较差,对反应机理还未充分了解,工艺监测方法有待改进和完善,最优化反应室结构设计有待开发。 MOCVD广泛应用于微波和光电子器件、先进的激光器(如双异质结构、量子阱激光器)、双极场效应晶体管、红外线探测器和太阳能电池等。MOCVD在表面技术材料中的应用,主要包括涂层、化合物半导体材料以及细线和图形的描绘。 3.低压化学气相沉积 低压化学气相沉积( Low Pressure Chemical Vapor Depositlon,LPCVD)的压力一般在(1~4) ×104Pa。由于低压下分子平均自由程增加,因而加快了气态分子的输运过程,反物质在工件表面的扩散系数增大,使薄膜均匀性得到改善。对于表面扩散动力学控制的外延生长,可增大外延层的均匀性,这在大面积大规模外延生长中(例如大规模硅器件工艺中的介质膜外延生长)是必要的。但足对于由质量输送控制的外延生长,上述效应并不明显。低压外延生长对设备要求较高,必须有精确的压力控制系统,增加了设备成本。低压外延有时是必须采用的手段,如当化学反应对压力敏感时,常压下不易进行的反应在低压下变得容易进行。 利用这种方法可以沉积多晶硅、氮化硅、SiO2等。 4.激光(诱导)化学气相沉积 激光(诱导)化学气相沉积( Laser Induced Chemical Vapor Deposition,LCVD)是一种在化学气相沉积过程中利用激光束的光子能量激发和促进化学反应的薄膜沉积方法,它的沉积过程是激光光子与反应主体或衬底材料表面分子相互作用的过程。 激光化学气相沉积装置主要由激光器、导光聚焦系统、真空系统、送气系统和沉积反应室等部件组成。其沉积设备结构示意图和导光系统示意图,如图5. 36、5.37所示。激光器一般用C02或准分子激光器,沉积反应室由带水冷的不锈钢制成,内设有温度可控的样品工作台及通人气体和通光的窗口。沉积反应室与真空分子泵相连,能使沉积反应室的真空度低于10-4Pa,气源系统装有Ar、SiH4.N2.02的质量流量计,沉积过程中工作总炉压通过安装在沉积反应室与机械泵之间的阀门调节,通过容量压力表进行测量。图5. 36激光气相沉积设备结构示意图 1-激光;2-透镜;3-窗口;4-反应气进入管;5-水平工作台;6-试样;7-垂直工作台;8-真空泵;9-测温加热电控;10-复合真空计;11-观察窗;12-真空泵图5.37导光系统示意图 1-激光;2-光刀马达;3-折光器;4-平面反射镜;5-透镜;6-窗口;7-试样 按激光作用机制分激光热解和激光光解沉积。在激光热解沉积中,激光波长的选择,要求反应物质对激光是透明的,无吸收,要求基体是吸收体。这就可在基体上产生局部加热点,利于该点的沉积,其沉积机制如图5. 38所示。而激光光解沉积,如图5.39所示,要求气相有高的吸收截面,基体对激光束是透明与不透明均可.化学反应是光子激发,不需加热,沉积可在室温下进行。但沉积速度太慢是致命的弱点,大大限制了它的应用。若能开发出高功率的、廉价的准分子激光器,激光光解沉积就可与热CVD、激光热解沉积相竞争。特别在诸多关键的半导体器件加工技术中,降低沉积温度对工艺技术至关重要。图5.38激光热解机制示意图图5. 39激光光解机制示意图 和一般的CVD工艺相比,激光CVD工艺更独特,如可局部加热选区沉积,膜层成分灵活,可形成高纯膜、多层膜,也可获得快速非平衡结构的膜层;沉积速率高,而且可低温沉积(基体温度200℃),还可方便地实现表面改性的复合处理。 激光化学气相沉积是迅速发展的先进表面沉积技术,其应用前景广阔。在太阳能电池、超大规模集成电路、特殊功能膜及光学膜、硬膜及超硬膜等方面都有重要的应用。 5.热化学气相沉积 热化学气相沉积(Thermo Chemical Vapor Deposition,TCVD)是利用高温激活化学反应进行气相生长的方法。按其化学反应形式又可分为三类:化学输运法、热分解法、合成反应法。这些反应过程已在前面介绍的CVD原理中列出,其中化学输运法虽然能制备薄膜,但一般用于块状晶体生长;热分解法通常用于沉积薄膜;合成反应法则两种情况都用。 热化学气相沉积应用于半导体和其他材料的镀膜,广泛应用的CVD技术如金属有机化学气相沉积、氢化物化学气相沉积等都属于这个范围。 化学气相沉积主要应用于两大方面:一是沉积涂层;二是制取新材料。 在沉积涂层应用方面,CVD主要用于解决材料表面改性,以达到提高耐磨、抗氧化、抗腐蚀以及特定的电学、光学和摩擦学等特殊性能的要求。在耐磨涂层方面主要用于金属切削刀具,其镀层一般包括难熔硼化物、碳化物、氮化物和氧化物等。镀层的重要性能包括硬度、化学稳定性、耐磨、低的摩擦系数、高的导热性和热稳定性等。近来,陶淹刀具已经变得相当普遍,氮化硅和Si-AI-O-N材料用于陶瓷刀具涂层,如果在刀具上沉积此类涂层,既能提高刀具耐磨损性,也能使刀具的切削性能得到提高。在耐腐蚀和摩擦设备(如喷砂设备的喷嘴、泥浆传输设备、煤的汽化设备和矿井设备等)上,化学气相沉积也越来越受到重视。另外,化学气相沉积还被用在枪管内壁镀耐磨层,在电镀镍枪管的内壁用CVD镀钨后,枪管的耐蚀性能几乎提高10倍。
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