Микроволновое устройство нагревания

Микроволновое устройство нагревания

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Настоящее изобретение относится к устройству для нагревания образца, такого как смесь для химических реакций, диэлектрические свойства которого изменяются в процессе нагревания. В частности настоящее изобретение относится к микроволновому устройству нагревания, содержащему резонатор, в котором условия резонанса и коэффициент связи излучения для данного резонатора легко настраиваются. Условия резонанса и коэффициент связи могут настраиваться в зависимости от диэлектрических свойств образца таким образом, чтобы оптимизировать количество поглощаемой энергии и таким образом осуществлять управление процессом нагревания образца.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Одной из главных проблем для органической химии сегодня является время, затрагиваемое на поиск эффективных путей органического синтеза. К проблемам фармацевтических отраслей промышленности и органической химии относятся: определение путей сокращения времени разработки лекарств, определения путей создания химического разнообразия, развитие новых путей синтеза и возможно повторное внедрение старых «невозможных» путей синтеза. К постоянной сложной проблеме относится также проблема создания классов полностью новых химических объектов.

Химические реакции часто осуществляются при повышенной температуре для увеличения скорости реакции или доставки требуемой энергии для инициализации и поддержания реакции. Химия с помощью микроволн предлагает способ осуществления реакций и решение, по меньшей мере, некоторых из вышеупомянутых проблем, а именно

ускорение времени реакций на несколько порядков,

увеличение производительности химических реакций,

предложение более высокой чистоты результирующего продукта из-за быстрого нагревания и, таким образом, избежания загрязнения от побочных реакций, и

осуществление реакций, которые не возможны с помощью традиционных тепловых методов нагревания.

Недавние разработки привели к устройствам, содержащим микроволновый генератор, отдельный аппликатор для удержания образца, который нужно подвергать обработке, и волновода, направляющего сформированное микроволновое излучение от генератора и с аппликатором. Даже если система состоит из 2450 МГц, ТЕ₁₀ волновода, с которым с одной стороны соединен магнетронный генератор, и типового контейнера, который находится с другой стороны, то имеется потребность в устройстве согласования в форме по меньшей мере металлического штыря или диафрагмы между генератором и нагрузкой для достижения приемлемой эффективности.

При передаче электромагнитного излучения, такого как микроволновое излучение, от источника к аппликатору, важно согласовать импеданс волновода и импеданс аппликатора (с образцом) для того, чтобы достичь хорошей передачи энергии. Однако диэлектрические свойства образца будут значительно влиять на импеданс аппликатора, так же как на его электрическую длину, и диэлектрические свойства образца часто значительно изменяются как с изменением температуры, так и с изменением применяемой частоты. Таким образом часто будет возникать несогласование импеданса между источником и аппликатором, и связность, а таким образом и процесс нагревания, становятся менее эффективньми и трудно предсказуемыми.

Патент США 5837978 раскрывает систему микроволнового нагрева, применяющую резонансный многомодовый аппликатор, содержащий устройство для согласования импеданса во время процесса нагрева для достижения эффекта резонанса системы. Согласование или настройка выполняются с помощью регулировки высоты аппликатора и положения микроволновой антенны/штыря в аппликаторе (см., например, столбец 7, строки 17-24 или столбец 8, строки 33-39).

В многомодовых резонаторах электрическое поле является наложением нескольких продольных мод и нескольких поперечных мод. Когда многомодовый аппликатср настраивается на резонанс, изменяют равновесие между этими модами и таким образом пространственное энергетическое распределение. Поэтому энергетическое распределение не является ни равномерным в пространстве, ни постоянным в течение процесса нагревания, из-за чего трудно получить результаты, которые можно повторить, поскольку небольшое изменение положения или размера образца, или настройки резонанса (которая осуществляется пользователем или при изменении диэлектрических свойств образца), приводит к изменению поглощения энергии. Вращение образца в нагревателе не обеспечивает значительного улучшения возможности воспроизведения результатов, поскольку некоторые из видов мод, фактически большинство мод в реальной многомодовой системе, имеют тенденцию более сильного нагревания внешних частей образца. Это приводит к зависимости нагрева образца от положения, что также зависит от настройки резонанса. Образцы, используемые в микроволновой химии, традиционно имеют объемы в пределах от нескольких мкл до ˜10 мл, и поэтому важно иметь однородное и известное энергетическое распределение.

WO 99/17588 описывает микроволновый нагреватель, имеющий проводящий элемент конструкции, предназначенный для управления передачей микроволновой энергии от волновода к многомодовому аппликатору. Данный проводящий элемент действует как рассеивающий резонатор и обеспечивает локальную область специфической картиной поля. При вращении элемента поле изменяется, вызывая повышение подачи микроволновой энергии к многомодовому аппликатору. Указанный проводящий элемент предпочтительно является эллиптическим кольцевым элементом.

В заявке ЕР 552807, А1 описывается подобный микроволновый нагреватель, имеющий в волноводе металлический рефлектор с возможностью вращения, предназначенный для согласования импеданса между волноводом и камерой нагрева.

Резонаторы с одномодовым аппликатором обеспечивают возможность формирования поля высокой интенсивности, высокой эффективности и с однородным распределением энергии. Об использовании одномодовых аппликаторов уже сообщалось, см., например, патенты США 5393492 и 4681740. Однако, поскольку диэлектрические свойства образца изменяют резонансную частоту и так как магнетроны обычно обеспечивают только фиксированную частоту или только незначительное регулирование около основной частоты магнетрона, генерируемая частота и резонансная частота для данного вида мод будут разсогласовываться при нагревании образца. Таким образом теряется высокая интенсивность резонансного режима.

Патент США 2427100 и NL Octrooi №75431 оба раскрывают устройства для настройки указанного импеданса или волнового отражения в системах передачи с микроволновым волноводом при наличии дефлектора с возможностью вращения, установленного в волноводе. В обеих системах систему волновода настраивают, устанавливая в волновод реактивное импеданс. Следует обратить внимание, что воздействуют только на рассеивание, т.е. отражение заданной моды волновода.

В патенте США 4777336 описывается способ управления нагреванием образцов в одномодовых или многомодовых аппликаторах с помощью настройки аппликатора, используя штырь или двигая короткозамкнутые пластины в пределах аппликатора.

Общим недостатком многомодовых аппликаторов является то, что пространственное энергетическое распределение изменяется, когда он настраивается для согласования импеданса.

Другим недостатком многомодовых аппликаторов является то, что аппликатор имеет неравномерное энергетическое распределение.

Дополнительным недостатком многомодовых аппликаторов является то, что многомодовое нагревание образца невозможно повторить (т.е. оно очень чувствительно к размерам) и может изменяться, как функция температуры нагрузки.

Недостатком устройств предшествующего уровня техники с одномодовым аппликатором заключается в том, что отсутствуют эффективные и надежные средства для настройки резонансной частоты в зависимости от диэлектрических свойств нагрузки, поскольку гальванический контакт, например с помощью винтовых штырей или металлических направляющих, необходим для эффективного управления небольшими коэффициентами связи, а воздушные расстояния до стен волновода имеют тенденцию стать настолько маленькими, что имеется риск возникновения искрения.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Ввиду вышеизложенного, целью настоящего изобретения является обеспечение микроволнового устройства нагревания, в котором образцы могут равномерно нагреваться, используя одномодовый аппликатор.

Другой целью настоящего изобретения является обеспечение микроволнового устройства нагревания, которое имеет высокую эффективность нагревания, за счет улучшенной передачи излучения образцу, расположенному в аппликаторе.

Еще одной целью настоящего изобретения является обеспечение микроволнового устройства нагревания, в котором соединение с одномодовым аппликатором и резонансная частота аппликатора могут настраиваться в зависимости от изменения диэлектрических свойств образца в аппликаторе, используя отдельно расположенный дефлектор с возможностью вращения.

Согласно первому аспекту настоящее изобретение обеспечивает устройство нагрева, содержащее:

- устройство формирования для формирования электромагнитного излучения с длиной волны λ,

- волновод для направления сформированного электромагнитного излучения к аппликатору волновода, предназначенному для удержания образца, который должен быть нагрет, причем образец имеет диэлектрические свойства ε_samhle, которые изменяются, как функция температуры образца, волновода и аппликатора волновода, поддерживающего один вид нормальных поперечных мод (является одномодовым),

- дефлектор, сформированный замкнутым контуром, определяющим плоскость, причем указанный дефлектор имеет резонансную частоту ν_defl и толщину в интервале [λ/₃₀ - λ/₅] в направлении, перпендикулярном к указанной плоскости, данный дефлектор имеет возможность вращения вокруг оси, которая по меньшей мере существенно параллельна указанной плоскости,

- данный дефлектор располагается в волноводе для формирования резонатора с образцом и аппликатором волновода, причем указанный резонатор имеет по меньшей мере одну резонансную частоту v_cav, которая зависит по меньшей мере от ε_samhle, ν_defl и угла поворота дефлектора α_defl.

В настоящем описании волновод должен интерпретироваться как любое устройство, способное направлять электромагнитные волны, такие как электромагнитное излучение. Волновод может быть волноводом в форме металлических каналов для направления таких волн, как излучение, или кабелей, таких как коаксиальные кабели, для направления таких волн, как электрические сигналы. Волновод может также содержать активные и/или пассивные компоненты, такие как соединители, разделители, расщепители, объединители, циркуляторы, измерители мощности, искусственные образцы, анализаторы спектра и т.д.

Волновод типично может поддерживать только один вид поперечных мод, ТЕ (колебания типа Е) или ТМ (колебания типа Н), в зависимости от его конструкции. Волновод предпочтительно соединяется с аппликатором с возможностью передачи энергии мод в волноводе модам в аппликаторе. Для обеспечения эффективности связи импеданс волновода должен быть по меньшей мере существенно согласован с импедансом аппликатора, и может также существовать согласование полей (т.е. возможность непрерывной передачи энергии с помощью подобных полей в двух волноводах). Передача излучения и, следовательно, энергии от мод в волноводе модам в аппликаторе, при условии согласования полей, может быть определено количественно с помощью коэффициента связи, который определяется как отношение между импедансом волновода и импедансом аппликатора. Обычно необходимо иметь настолько хорошее согласование импеданса, насколько это возможно (или, аналогично, коэффициент связи должен быть как можно ближе к 1) при реально существующих условиях. Это согласование импеданса (или оптимизация коэффициента связи) при различных условиях можно получить в зависимости от различных параметров, таких как поглощающая способность образца и конструкция системы. При вращении дефлектора для настройки коэффициента связи можно также настраивать резонансную частоту резонатора ν_cav. Однако, как будет показано позже, оптимизация коэффициента связи не требует одновременной настройки частоты ν_cav таким образом, чтобы она была равна генерируемой частоте. В предпочтительном варианте осуществления и волновод, и аппликатор волновода предпочтительно поддерживают вид ТЕ₁₀ моды, так что условие согласования полей выполняется.

Аппликатор волновода в его самой простой форме является волноводом, который заканчивается, например, короткозамкнутой стенкой, диафрагмой или их эквивалентом, которые приспособлены, чтобы удерживать образец, к которому передаются микроволны. Таким образом аппликатор волновода поддерживает тот же самый вид ТЕ или ТМ, мод, как и волновод, конечной частью которого он является. В зависимости от волновода и мод в волноводе, аппликатор не должен иметь точно те же самые размеры в поперечном сечении, как волновод. Как правило, волновод поддерживает TE₁₀ моды, при которых электрическое поле не изменяется в вертикальном направлении, следовательно, в этом случае только горизонтальные размеры (ширина) волновода и аппликатора волновода должны быть по меньшей мере существенно равными. Геометрические ограничения для волновода и аппликатора волновода для различных конструкций будут очевидны для специалиста, с учетом необходимости выполнения условия согласования полей.

Одномодовый аппликатор - аппликатор, содержащий резонатор аппликатора, предназначенный для поддержания резонанса только одного вида мод в пределах частотного спектра используемого излучения. Следовательно, аппликатор волновода - также одномодовый аппликатор, и в зависимости от контекста, аппликатор волновода может также обозначаться, как одномодовый аппликатор или просто аппликатор.

С целью достижения высокой напряженности поля в пределах аппликатора, предпочтительно, чтобы резонансная частота резонатора была близкой или по существу равнялась частоте в формируемом частотном спектре, соответствующей максимуму амплитуды. Условия резонанса могут достигаться с помощью настройки реактивного импеданса (емкостной и индуктивной реактивности) аппликатора или с помощью настройки электрической длины аппликатора, чтобы она равнялась λ/2, где λ - длина волны прикладываемого излучения.

Электрическая длина - параметр, характеризующий расстояние, пересекаемое электромагнитным излучением в данной среде за время t, и оно приблизительно равно соответствующему расстоянию, которое электромагнитное излучение пересекло бы в вакууме за то же самое время t. Если, например, среда с высокой диэлектрической проницаемостью и длиной х помещается на пути лучей, то электрическая длина пути увеличивается на (n-1) х, где n - показатель преломления среды.

Согласно настоящему изобретению дефлектор сформирован замкнутым контуром, определяющим плоскость. В этой плоскости дефлектор имеет ширину «а» и высоту «b». Также в этой плоскости материал, формирующий данный контур, имеет радиальную толщину «с». Дефлектор имеет осевую толщину «h» по оси, перпендикулярной к плоскости дефлектора. Окружность внутреннего периметра замкнутого контура дефлектора определяет свойственную ему резонансную частоту ν_defl дефлектора, и этим - частоту максимальной блокировки, когда он размещается таким образом, чтобы его плоскость была перпендикулярна направлению потока энергии в волноводе. Дефлектор может поворачиваться в положение, когда его плоскость будет перпендикулярна (или его ось будет параллельна) волноводу, в котором он будет эффективно отражать излучение, имеющее частоту, равную или близкую к ν_defl (блокирующее положение). Также дефлектор может поворачиваться в положение, когда его плоскость будет параллельна (или его ось будет перпендикулярна) волноводу, в котором он будет только отражать излучение, что можно сравнить с отражением пластины из проводящего материала, имеющей ту же самую конфигурацию (открытое положение). Между этими положениями дефлектор может характеризоваться комплексным коэффициентом отражения R (ν, α_defl), зависящим от частоты и угла поворота дефлектора. Следовательно, ν_defl и α_defl по меньшей мере частично определяют передачу излучения между волноводом и аппликатором волновода. Фазовая компонента комплексного коэффициента отражения изменяется как функция угла поворота дефлектора. Это можно интерпретировать таким образом, что положение минимума стоячей (отраженной) волны изменяется с углом поворота, таким образом внося задержку фазы или смещение фазы при вращении дефлектора.

Как уже указывалось, дефлектор с аппликатором волновода (с образцом) формируют резонатор. Как указано выше, дефлектор может влиять на электрическое расстояние для по меньшей мере части электромагнитных волн, направляемых к аппликатору, что фактически изменяет эффективную длину резонатора. Так как это влияние зависит от угла поворота дефлектора, резонансная частота дефлектора может быть настроена с помощью вращения дефлектора.

Так как резонансная частота резонатора может изменяться при изменении диэлектрической проницаемости образца, функционирование дефлектора может компенсировать это изменение, таким образом сохраняя резонансную частоту, по существу постоянной и тем самым, обеспечивая возможность высокой эффективности микроволнового нагревания.

Комплексный коэффициент отражения дефлектора, резонансная частота ν_cav резонатора, и передача излучения между волноводом и резонатором тесно связаны между собой. В целях иллюстрации настройка размера и угла поворота дефлектора может рассматриваться как балансирование между передачей излучения к резонатору и сохранением переданной энергии в резонаторе. Если например ν_defl=v_cav, то дефлектор в его положении блокирования может сформировать очень эффективное «оконечное зеркало» для резонансного излучения в резонаторе, однако только очень небольшое излучение (имеющее частоту точно ν_cav) может быть передано к резонатору. При вращении дефлектора по направлению к открытому положению большее количество излучения может быть передано резонатору, но, с другой стороны, дефлектор не может сформировать очень эффективное «оконечное зеркало», и большее количество энергии может быть потеряно аппликатором. Таким образом в некотором положении между положением блокирования и открытым положением можно ожидать максимума энергии в резонаторе. С другой стороны, если ν_defl значительно отличается от ν_cav излучение, имеющее частоту ν_cav, может эффективно передаваться резонатору даже тогда, когда дефлектор находится в положении блокирования, но дефлектор не может сформировать очень эффективное «оконечное зеркало». Следовательно, и максимум энергии в резонаторе может ожидаться при частоте ν_defl, которая не равна, но и не слишком отличается от ν_cav.

Надлежащий выбор осевой толщины, чтобы она была значительно больше, чем радиальная толщина, обеспечит требуемое изменение положения фазы отраженной волны при вращении дефлектора. Предпочтительно осевая толщина дефлектора находится в интервале [λ/₂₀ - λ/₁₀], например в пределах интервала от 3 до 25 мм для 2450 МГц, ТЕ₁₀ волновода с размерами 86×43 мм (ширина × высота). Для волноводов с более низкой высотой, например 25 мм, осевая толщина должна быть меньше; найденный оптимальный размер составляет приблизительно 10 мм. Также в предпочтительном варианте осуществления радиальная толщина дефлектора находится в интервале между 0,1 мм и 5 мм.

Предпочтительно дефлектор имеет форму эллипса, имеющего главную ось длиной а и малую ось длиной b. Альтернативно, дефлектор имеет форму трапеции, например прямоугольника, имеющего ширину а и высоту b. Выбор точной формы замкнутого контура зависит от требуемого «свойства пропускания», причем эллиптическая форма может давать максимальное блокирование согласно предшествующему уровню техники.

При предварительно определенном наборе условий, таких как объем образца, диэлектрическая проницаемость образца, положение образца в аппликаторе, и передача направляемых волн между волноводом и аппликатором, аппликатор может стать анти-резонансным. В этом случае резонансная частота аппликатора и/или передача направляемых волн между волноводом и аппликатором может быть настроена с помощью того, что конструкция содержит элемент из материала, имеющего относительную диэлектрическую проницаемость больше, чем 5, например больше, чем 10, предпочтительно больше, чем 25, расположенный в пределах аппликатора. Для достижения требуемой относительной диэлектрической проницаемости материала, он может содержать керамические материалы, содержащие один или большее количество материалов, отобранных из группы, состоящей из Al₂O₃, TiO₂ или XTiO₃, где Х - любой элемент группы II, например Са или Mg. Относительная диэлектрическая проницаемость и/или форма, и/или размер указанного элемента могут выбираться таким образом, чтобы заставить аппликатор резонировать при указанном предварительно определенном наборе условий.

Кроме того, устройство может дополнительно содержать устройство для настройки положения образца в аппликаторе для корректировки влияния образца на резонансную частоту резонатора и/или передачу направляемых волн между волноводом и аппликатором. Предпочтительно устройство для настройки положения образца содержат устройство для настройки, по существу, вертикального положения указанного устройства поддержки.

Для уменьшения количества рассеянных волн, направленных к генератору, устройство может дополнительно содержать первый циркулятор и первую искусственную нагрузку, причем первый циркулятор настраивается таким образом, чтобы отклонять по меньшей мере часть электромагнитных волн, отраженных от аппликатора, к первой искусственной нагрузке. Одно или более устройств измерения энергии может быть размешено для измерения энергии по меньшей мере части электромагнитных волн, отклоненных первым циркулятором. Указанные одно или более устройств измерения энергии предпочтительно оперативно связаны с первым устройством хранения для хранения результатов измерения энергии.

Генератор может содержать магнетрон или полупроводниковый генератор и полупроводниковый усилитель. Полупроводниковый усилитель предпочтительно содержит один или более мощных карбидокремниевых транзисторов. Альтернативно, генератор может содержать и магнетрон, и полупроводниковый генератор. Образец предпочтительно находится в контейнере, который, по существу, герметично закрывается и приспособлен для противостояния давлению.

Также часто бывает необходимо контролировать температуру образца во время нагревания. Для этой цели устройство может содержать элемент, чувствительный к тепловому излучению, настроенный для определения температуры образца и расположенный таким образом, чтобы принимать тепловое излучение, исходящее от образца.

И высокое давление, и высокая температура образца подразумевают возникновения риска, связанного с поломкой контейнера, и, как следствие, возможности утечки образца в аппликатор. Поломка контейнера может быть такой, как взрыв или просто расплавление контейнера. Для защиты дефлектора и волновода, в случае поломки контейнера, устройство может содержать экран для отделения дефлектора и волновода от контейнера. Экран, предпочтительно, по существу, прозрачен для электромагнитных волн, направляемых к аплликатору, и может содержать один или более материалов, отобранных из группы, состоящей из: политетрафторэтилен (PTFE) (тефлон®), поли-4-метилентен-1 (ТРХ), полипропилен или полифениленсульфид (PPS, ритон®). Дополнительно аппликатор также содержит слив для слива образца из аппликатора. Предпочтительно слив ведет на приемник для приема образца, слитого из аппликатора.

Устройство может быть дополнительно автоматизировано с помощью включения в устройство устройства для размещения образца в пределах аппликатора. Если образец загружается в контейнер вне устройства, то устройством для размещения является устройство для размещения контейнера по меньшей мере частично в пределах аппликатора.

С целью обеспечения возможности большего изменения энергии и/или частоты сформированных волн, устройство может дополнительно содержать второе генерирующее устройство для формирования электромагнитных волн. В этом случае волновод настраивается для направления по меньшей мере части электромагнитных волн, сформированных первым и вторым устройствами формирования, к аппликатору. Для обеспечения параллельной обработки образцов устройство может дополнительно содержать второй аппликатор для поддержания контейнера, содержащего второй образец. В этом случае волновод настраивается для направления по меньшей мере части электромагнитных волн к первому и второму аппликатору. Второй аппликатор может также содержать все особенности, описанные выше относительно аппликатора. Комбинация двух или более генераторов и двух или более аппликаторов возможна в большой системе, в которой сформированная энергия дозируется для каждого аппликатора индивидуально.

Под термином микроволны подразумевается электромагнитное излучение в частотном диапазоне 300 МГц - 30О ГГц. Предпочтительно устройство и способы согласно изобретению выполняются в пределах частотного диапазона 500 МГц - 300 ГГц, предпочтительно в пределах частотного диапазона 500 МГц - 300 ГГц, например 500 МГц - 10 ГГц, 2-30 ГГц, 300 МГц - 4 ГГц, 2-20 ГГц, 0,5-3 ГГц или в пределах диапазона 50-100 ГГц.

В настоящем контексте термин «устройство» определяет одну или несколько частей оборудования, которые, в целом, содержат части, устройства и элементы, которые характеризуют изобретение. Соответственно устройство может существовать как распределенная система, где отдельные части или устройства не расположены в физической близости друг от другу. Как пример такой конфигурации, устройство памяти может быть физически расположено, например, в персональном компьютере (ПК, PC), в то время как все механические части могут существовать как объединенное устройство.

Согласно второму аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ функционирования устройства согласно первому аспекту изобретения. Таким образом, согласно второму аспекту настоящее изобретение обеспечивает способ для нагревания образца, причем указанный способ содержит следующие этапы.

I. Обеспечивают устройство для нагрева согласно первому аспекту и помещают образец в аппликатор.

II. Формируют электромагнитное излучение на первом уровне выходной мощности.

III. Врашают дефлектор для настройки коэффициента связи между волноводом и резонатором.

Когда инициализируется процесс нагревания, образец имеет первую температуру T₁. Способ предпочтительно дополнительно содержит этапы:

- нагревают образец для получения второй температуры Т₂>Т₁;

- вращают дефлектор для настройки коэффициента связи между волноводом и резонатором в соответствии с изменением диэлектрических свойств ε_sample образца.

Вышеупомянутые этапы могут повторяться несколько раз в течение процесса нагревания.

Настоящее изобретение применимо для разработки и/или оптимизации процесса нагрева образца. Таким образом, способ согласно второму аспекту может дополнительно содержать этапы:

IV. Осуществляют следующие этапы один или более раз:

- замещают дефлектор в первое положение и измеряют первую энергию электромагнитного излучения, отраженного от аппликатора волновода, причем данное отраженное излучение соответствует указанному первому положению дефлектора,

- вращают дефлектор во второе положение, которое отличается от первого положения и измеряют вторую энергию электромагнитного излучения, отраженного от аппликатора волновода, причем данное отраженное излучение соответствует указанному второму положению дефлектора.

V. Определяют предпочтительное положение дефлектора на основании количества энергии, отлаженного от аппликатора волновода по меньшей мере в первом и втором положениях.

Эта измеренная энергия предпочтительно обратно пропорциональна энергии, поглощаемой образцом при первом и втором положениях дефлектора. Предпочтительно эти разработка и/или оптимизация осуществляются только однажды для каждого типа образца или реакции, так как полученные параметры могут сохраняться для последующего использования. Следовательно, способ может дополнительно содержать следующие этапы.

VI. Обеспечивают первое устройство хранения.

VII. Сохраняют информацию о первом положении в устройстве хранения и сохраняют результат измерения первой энергии, относящейся к нему.

VIII. Сохраняют информацию о втором положении в устройстве хранения и сохраняют результат измерения второй энергии, относящейся к нему.

Часто бывает необходимо сохранить результаты измерения энергии, соответствующие множеству различных положений, и этапы IV, VII и VIII могут повторяться так часто, как требуется. Углы поворота дефлектора и энергия могут сохраняться в виде таблицы, в устройстве хранения. Согласно второму аспекту этап V может содержать обработку сохраненных измерений энергии для определения предпочтительного положения дефлектора, соответствующего локальному или абсолютному минимуму в измеренной энергии, или предварительно определенному отношению измеренной энергии к первому уровню выходной энергии.

После определения предпочтительного положения дефлектора способ может дополнительно содержать этапы размещения дефлектора в предпочтительном положении для нагревания образца. После размещения дефлектора в предпочтительном положении способ также дополнительно содержит этап формирования электромагнитного излучения на втором уровне выходной энергии, который больше, чем первый уровень выходной энергии, для нагревания образца с более высокой скоростью.

Сравнивая сохраненный результат измерения энергии с соответствующими сохраненными результатами измерения энергии для отличающегося второго образца, можно определить меру относительной диэлектрической проницаемости первого образца по отношению к относительной диэлектрической проницаемости второго образца.

Альтернативно, сравнивая сохраненный результат измерения энергии с соответствующими сохраненными результатами измерения энергии для второго образца известного химического состава, можно определить признак химического состава первого образца по отношению к химическому составу второго образца. Если первый образец содержит по меньшей мере один реагент для выполнения химической реакции, способ может дополнительно содержать этапы:

осуществляют химическую реакцию с по меньшей мере одним реагентом, и

определяют степень реакции для химической реакции, используя индикацию химического состава образца,

где степень реакции - мера степени, на которую выполнилась химическая реакция для формирования изделия в химической реакции.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.

Фиг.1 - вид в поперечном разрезе первого варианта осуществления устройства согласно настоящему изобретению.

Фиг.2А показывает линии электрического и магнитного поля в волноводе согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения, фиг.2В показывает линии магнитного поля и токи на стенках волновода.

Фиг.3А - 3В - иллюстрация дефлектора согласно настоящему изобретению.

Фиг.4 - последовательность операций, описывающая процедурные этапы процесса нагревания согласно настоящему изобретению.

Фиг.5 - диаграмма с кривой, которая показывает температуры и интервалы времени процесса нагревания согласно настоящему изобретению.

Фиг.6 - диаграмма с кривой, которая показывает эскиз типичного «отпечатка пальца» образца согласно настоящему изобретению.

Фиг.7 показывает иллюстрацию испытательной установки, используемой для экспериментальной проверки свойств устройства согласно настоящему изобретению.

Фиг. с 8 до 13 представляют различные графики, показывающие полученные экспериментальные данные, используя испытательную установку, показанную на фиг.7.

Фиг.14 показывает общую схему устройства согласно настоящему изобретению, используемого при компьютерном моделировании для теоретической проверки свойств устройства согласно настоящему изобретению.

Фиг. с 15 до 20 представляют различные графики, показывающие данные, полученные при моделировании.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дальнейшем будет описан и обсужден более подробно конкретный вариант осуществления устройства согласно изобретению. Настоящее описание обеспечивает более подробное списание предпочтительных особенностей изобретения, списанного относительно предпочтительного' варианта осуществления. Однако специалисту будет понято, что изобретение не ограничено данным обсужденным вариантом осуществления, и что каждая из индивидуальных особенностей, описанных в настоящем варианте осуществления, могла бы быть осуществлена многими другими способами. Также представлены эксперименты и компьютерное моделирование, подтверждающие работу настоящего изобретения.

В предпочтительном варианте осуществления настоящее изобретение относится к микроволновому (MB) устройству для нагрева, предназначенному для нагревания образца с улучшенной эффективностью. Улучшенная эффективность достигается с помощью применения множества особенностей, которые включают в себя:

- одномодовый аппликатор волновода,

- устройство для настройки резонансной частоты резонатора в аппликаторе волновода в ответ на изменение диэлектрических свойств образца во время нагревания для того, чтобы заставить аппликатор волновода резонировать и обеспечивать высокую напряженность поля внутри аппликатора волновода, и

- устройство для настройки коэффициента связи MB излучения между волноводом и аппликатором для оптимизирования излучения, передаваемого образцу.

Как предварительно упомянуто, одномодовый аппликатор - аппликатор, содержащий резонатор аппликатора, который поддерживает резонанс только для одного типа мод (одной моды) в пределах частотного спектра применяемого излучения. В этом случае колебания в аппликаторе - нормальные колебания параллелепипедной формы, а именно ТЕ₁₀₁ первые прямоугольные колебания. Нормальная мода определяются как первая распространяющаяся мода, которая появляется, когда частота генератора увеличивается от 0 Hz. Образец, который может иметь существенную и изменяющуюся диэлектрическую проницаемость, может изменить детали поля этого вида мод, но соотношение между объемами образца и аппликатора все еще настолько маленькое, что по существу остается простой вид мод. Критерии резонанса для одномодовых аппликаторов в общем случае более критичны, чем для многомодовых аппликаторов, так как относительная сила перекрытия различных видов мод «автоматически» изменится в хорошо сконструированной многомодовой системе для сохранения эффективного коэффициента связи при изменении образца. Однако изменение равновесия различных видов мод также означают, что модель нагрева образца изменяется, что приводит к неоднородному нагреванию. Изменение модели усиливается тем фактом, что многомодовый резонатор должен быть намного больше по размеру, чем нормальный одномодовый аппликатор, для поддержания вид мод более высокого порядка, это означает, что ширина полосы резонансных частот для каждого режима станет меньше. Пространственное энергетическое распределение в одномодовом аппликаторе является более равномерным и более интенсивным, но имеет меньше максимумов, чем пространственное энергетическое распределение в многомодовом аппликаторе. Однако, если резонансом и коэффициентом связи можно управлять, и если положение образца выбрано дол