Коллектив ученых КНИТУ-КАИ запатентовал устройство, с помощью которого можно выявить неравномерность нагревания объектов в адаптивном СВЧ-реакторе. Это важно для качества их обработки и сокращения скорости технологического процесса.
Изобретение относится к области измерительной техники и предназначено для бесконтактного измерения и мониторинга распределения температуры в объектах, находящихся под воздействием электромагнитного СВЧ-излучения высокой интенсивности в адаптивных СВЧ-реакторах.
Адаптивный СВЧ-реактор – это установка, которая использует энергию сверхвысокочастотного (микроволнового) излучения для запуска, ускорения и управления химическими, плазменными или теплофизическими процессами. Они применяются в нефтехимии при переработке сырья, в атомно-водородной энергетике, в электронике для создания плазмы, в которой осаждаются тонкие пленки и выращиваются монокристаллы. Целевое назначение конкретно разработанного устройства – управление процессом полимеризации композитных материалов.
В адаптивных СВЧ-реакторах важно не только понимать, насколько сильно нагрелся объект, но и как именно распределилась температура по его поверхности и объему. Неравномерность электромагнитного поля приводит к неравномерному нагреву отдельных участков объекта, находящегося в реакторе, а степень его неравномерности свидетельствует о возможном браке его обработки.
Известны устройства, измеряющие распределение температурного поля объекта в СВЧ-реакторе. Так, в запатентованном приборе RU 2099727 под объект помещают матрицу термочувствительных элементов. Когда на объект воздействует СВЧ-излучение, эти элементы тоже нагреваются, а затем их температуру измеряют уже после извлечения матрицы из реактора. У такого подхода есть слабое место, так как измерение происходит не сразу и не прямо в камере. Пока матрицу переносят к блоку считывания, ее температура может слегка измениться, и это вносит ошибку. В патенте RU 2777526 предложили усовершенствованный метод. В каждый термочувствительный элемент встроили волоконно-оптический датчик температуры, например, брэгговскую решетку, а считывание стали выполнять оптически. Так уменьшаются потери точности, связанные с переносом и внешним тепловым воздействием. Отраженная от объекта нагрева мощность СВЧ-излучения не учитывается, и это является причиной погрешности измерения.
Обычные электронные датчики здесь плохо подходят: они могут искажать поле, мешать нагреву или просто не выдерживать условия работы, - поясняют профессора кафедры радиофотоники и микроволновых технологий КНИТУ-КАИ Геннадий и Олег Морозовы. - Волоконно-оптические измерители лишены этого недостатка, потому что работают на основе фотонных преобразований и не боятся электромагнитного излучения. Температура объекта определяется не напрямую, а косвенно по тому, как СВЧ-энергия нагревает специальные чувствительные элементы вокруг него. Новизна нашего решения в том, что система учитывает и прошедшую через объект мощность, и отраженную от него часть сигнала. Это делает измерение бесконтактным более информативным и позволяет получить более точную картину температурного поля.
Изобретение казанских ученых превращает невидимый процесс микроволнового нагрева в понятную карту тепла, где видно, какие участки объекта прогреваются сильнее, а какие слабее.
Суть решения в том, что в СВЧ-реакторе под и над объектом размещают две матрицы термочувствительных элементов с волоконно-оптическими датчиками: одна воспринимает СВЧ-излучение, прошедшее через объект, другая - излучение, отраженное от него. Нижняя матрица размещается под объектом и нагревается излучением, прошедшим сквозь него. Верхняя матрица стоит над объектом и нагревается отраженной от него частью СВЧ-поля. В каждый элемент встроен волоконно-оптический датчик температуры, а его сигнал считывается оптически, что позволяет обойтись без электрического контакта в зоне излучения. Дополнительным преимуществом является факт изготовления датчиков на основе адресных волоконных брэгговских структур, которые являются уникальным изобретением КНИТУ-КАИ, что существенно удешевляет и упрощает структуру интеррогатора для их опроса в реальном масштабе времени на основе радиофотонных технологий.
По полученным данным вычисляют, как распределена энергия СВЧ-поля и где объект нагрелся сильнее, а где слабее. Далее по калибровочным зависимостям переводят сигнал датчиков в температурные значения и строят карту теплового поля.
Особенность предлагаемого метода в том, что измерение ведется с двух сторон сразу, по прошедшему и отраженному СВЧ-излучению. Это позволяет учесть не только прямой нагрев объекта, но и влияние отраженной мощности, а значит, получить более полную и точную картину температурного распределения в реальном масштабе времени для управления параметрами самого адаптивного СВЧ-реактора.
В 2026 году казанским ученым Федеральной службой по интеллектуальной собственности выдан Патент RU 2 866 505.
Источник: Минобрнауки России
