CN103427167A - 用于从源向物体传送辐射的多用途设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从源到物体传送辐射的多用途设备，包括两个天线，每个天线被设计成球面或柱面的截平段，设置在天线之一口面中的辐射源，和置于两个天线组合聚焦区中的物体。天线布置成彼此相对，隔开球面或柱面半径的0.6-2倍的距离，辐射源是分布式的。设备还可具备彼此相对地位于与第一对天线的平面正交的平面之中的至少另外一对天线，隔开球面或柱面半径的0.6-2倍的距离。两对或三对天线的组合聚焦区分别具有三维交叉或三坐标交叉的形状。此外，设备可另外具备在每对天线中的第二天线的口面中的第二辐射源。也可在一个平面中使用单个球面或柱形天线，可在每个天线的孔径中放置单个分布式源。物体被置于这些天线的聚焦区中。

Description

用于从源向物体传送辐射的多用途设备

技术领域

本发明涉及天线设计，并可用于把分布式源发出的辐射有效地集中于置于天线的聚焦区中的物体。

背景技术

近几十年是从大功率的单个超高频(UHF)辐射源，比如磁控管、速调管、行波灯等到由多个单个固态元件组成的分布式辐射源的过渡期。就可见光区和紫外光区的灯来说，也出现类似的发展。大功率的单灯日益被分布式发光二极管系统取代。众所周知，多个单个固态UHF元件或发光二极管使系统的可靠性和经济效率提高多倍以上。本发明可以高效地专用于集中由单个元件组成的这种和任何其它分布式辐射系统发出的辐射。

现有技术中，各种发明被用于从辐射源到物体传送辐射。特别地，在2001年12月27日公布的俄罗斯专利RU 2177452中公开的利用紫外辐射处理液体的现有设备包括中空的柱形外壳，所述柱形外壳具备在其基座处的小孔以及与之连接的入口管和出口管，和中空的柱形内壳，所述柱形内壳具备加强肋并且与外壳同轴布置；在平行于壳体的母线的壳体之间的环形间隙中置于可透过紫外辐射的材料的罩体中并被插入在外壳的基座处的小孔中的紫外灯，和通量产生装置。灯在环形间隙中沿着同心圆被隔开，入口管和出口管与壳体同轴，通量产生装置被设置在内壳外侧的准线上。这种现有设备技术上难以制造，于是，具有较高的主要成本；此外，其中使用的灯的经济效率和可靠性低。

最接近本发明的现有技术是在2011年3月10日公布的俄罗斯专利申请RU 2009133146中公开的用于从辐射源到物体传送辐射的设备。该设备包含和物体定位装置一起被置于屏蔽腔室中的辐射源，和设计成球面的截平段并且隔开与球面的半径相等的距离彼此相对地放置的两个天线，物体定位装置被置于两个天线的组合聚焦区中，并且辐射源被设置在任一天线的口面中。

该设备是不利的，因为辐射被效率不足地从源传送到物体，辐射被极其不均匀地集中，组合聚焦区不够大，并且除非替换辐射源本身，否则不能改变辐射功率。

发明内容

利用要求保护的发明获得的技术效果在于，从源到物体的辐射传输的效率更高，辐射功率变化的可能性，更均匀的辐射集中，在不替换辐射源本身的情况下聚焦区的体积的显著增大，系统可靠性的提高，以及功率要求的降低。

宣称的技术结果是利用用于从源到物体传送辐射的多用途设备实现的，所述多用途设备包括两个天线，每个天线都被设计成曲面的截平段，并且两个天线都被布置成产生组合聚焦区；设置在至少一个天线的口面（aperture plane）中，或者设置在每个天线的聚焦区之一中的分布式辐射源，和置于这两个天线的组合聚焦区中的物体。每个天线的曲面可以是球面或柱面，并且分布式辐射源设置在至少一个天线的口面中。天线可被布置成彼此相对，或者彼此成一定的角度，从而产生组合聚焦区。

通过另外向多用途设备提供在与第一对天线的平面正交的平面中的至少另外一对球形或柱形天线，也可实现所述技术效果。

此外，天线的曲面可以由布置成彼此相对、从而为待放入的物体产生组合聚焦区的至少一对椭圆柱体形成，其中分布式源被置于这两个其他聚焦区中。在至少两个平面中只使用一个椭圆天线，并且分布式源被设置在每个天线的聚焦区中，物体被置于这些天线的组合聚焦区中。

均被设计成曲面的截平段并被布置成产生组合聚焦区的天线显著提高聚焦区中的辐射集中，因而，提高从源到物体的辐射传输的效率。

具备在与第一对天线的平面正交的平面中的至少另外一对球形或柱形天线的设备能够改变辐射功率，和通过在不替换辐射源本身的情况下，显著扩大聚焦区的体积，使辐射的集中更均匀。

分布式辐射源增强了系统的可靠性，并且降低了功率要求。

附图说明

附图中图解说明了要求保护的发明，其中：

图1是具有一对球形天线和两个分布式源的设备的三维视图；

图2是具有一对柱形天线和两个分布式源的设备的三维视图；

图3是具有球形天线或柱形天线的设备的剖面正视图；

图4是具有球形天线的设备的剖面顶视图；

图5是具有两对球形天线或柱形天线的设备的剖面正视图；

图6是具有两对椭圆柱体的设备的三维视图，其中对象位于接合处的聚焦区域内，并且分布式源位于第二聚焦区中；

图7是具有彼此成一定角度的一对球形或柱形天线的设备的剖视单元；

图8是图解说明球形天线的焦距的计算的示图。

具体实施方式

要求保护的用于从分布式源到物体传送辐射的多用途设备包括形状为球面或柱面的截平段，涂有较好地反射UV或IR束的材料，或者当使用UHF时，由铜或另一种非磁性材料制成的两个天线1。天线被彼此相对地布置，隔开等于球面或柱面半径的0.6-2倍的距离。球形天线或柱形天线的聚焦区位于距离等于它们的半径的一半之处，并且在本实施例中，所述聚焦区被组合成两个相交的三维球体或者两个三维圆柱体6。用于定位辐射源3的装置被设置在两个天线1任意之一或者两者的口面中，所述辐射源3可被设计成例如具有置于其上的UV发光二极管或固态UHF元件或者其他辐射源2的台架。物体4被置于天线1的聚焦区中。组装的设备被置于腔室7中。球形天线或柱形天线可充当腔室的壁，如图1、2和3中所示，或者可以用作位于腔室7内的独立天线。

所述设备还具备至少另外一对天线，所述另外一对天线彼此相对地位于与第一对天线的平面正交的平面之中，隔开球面或柱面半径的0.6或2倍的距离。在本实施例中，在所述另外的天线的孔径中，放置至少一个另外的分布式辐射源。这种结构产生形状为三维交叉的组合聚焦面。还可在几何形状与上面所述类似的聚焦区的顶部和底部设置第三对天线。设置在顶部天线和底部天线的孔径中的一个或两个分布式辐射源产生形状为三坐标交叉的三维组合聚焦区。

该设备如下工作：

物体4被置于聚焦区5中。在腔室中的两个天线1任意之一或者两者的口面中，放置具备辐射源2的一个或两个台架3。每一对中的两个天线都反射源2的辐射，并把辐射集中到聚焦区6中，其中物体4被置于聚焦区6中。

当使要求保护的设备运转时，合理的是使用其球面半径等于4米，长度为4米并且高度为2.5米的天线来集中辐射，例如UV辐射。合理的是具有测量为3×2米的辐射源。每个分布式源的所有元件都向两个天线传送辐射。

由于发光二极管具有较小的几何尺寸(直径3-5mm)，因此布置在由UV透明材料制成的台架上的这种数千个发光二极管最多阻挡从两个天线任意之一反射的光的2%。系统的额外光学损失仅仅合计约为1%。在使用UV或IR辐射的情况下，物体定位装置可被设计成由UV或IR透明材料，例如石英玻璃或另一种材料制成的容器。当在UHF频段中使用分布式源时，台架和物体定位装置由无线电透明的材料制成。

图6是图解说明对于相隔距离a地平行于主光轴入射到天线的射束，半径为R的凹球形或柱形天线的焦距FP的计算的示图。图中清楚地表示了该问题的几何结构。在等腰三角形AOF中，利用底边OA=R及其夹角α，可以容易地描述侧边OF：

等腰三角形OBA得出：

$\cos \mathrm{\α}=\frac{\mathrm{AB}}{R}\frac{\sqrt{R^2-a^2}}{R}.$

在这种情况下，

从点F到极点P的期望焦距：

$\mathrm{FP}=R-\mathrm{OF}=R(1-\frac{R}{2\sqrt{R^2-a^2}}).$

这是对于球形或柱形天线的聚焦区的方程。从轴到平行射束的距离a越大，焦点朝天线移动得越多。对半径R=4米和a=0.5米的天线来说，焦点位移为1.5cm，对a=1.0米来说，焦点位移为7.5cm，并且对a=1.5米来说，焦点位移为16cm。对3米长的辐射源来说，从轴到最外侧的平行射束的最大距离a为1.5米。

这些计算仅仅是对于主光轴进行的。在球面或柱面中，从中心到在天线的有效孔径张角的极限内的表面，可延伸大量的主光轴。

于是，平行于大量的光轴，由3米长、2米高的源的所有元件向球形天线的在其孔径张角的极限内的相同长度和高度的截面发射的辐射能够产生始于距离天线R/2之处，并且朝着天线延伸16cm的三维聚焦区。最强的辐射集中位于离天线大约R/2之处。在从R/2朝着天线距离超过16cm之处不发生集中。相隔例如半径加4cm的距离布置的两个球体使用组合聚焦区的12%的附加体积，其中集中足够高，因为来自两个天线的集中辐射都到达该区域，以便在组合聚焦区的体积内，使辐射的集中度更均匀地分布。

假定天线具有上述尺寸，并且相隔例如半径加4cm的距离被布置，那么两个球形天线的有效组合聚焦区测量为1.2×0.6×0.36米(与最接近的现有技术设备中的1.2×0.6×0.32相比，或者体积方面少12%)。

如果在要求保护的设备的球形天线孔径中，放置测量为2×3米，并且由许多元件组成的分布式源，所述设备具有4×2.5米、球体或柱体的半径为4米的天线，并且天线之间的距离等于例如半径加4cm，那么该较大体积的源产生1.2×0.6×0.36米的较小体积的聚焦区。每个主光轴形成16cm长的焦线。该天线的有效孔径张角近似等于30×20度。在每隔1度检查主光轴的情况下，每个天线具有至少600条轴，或者两个天线总共1200条轴。

源的所有元件与1200条主光轴中的每一条平行地向测量为3×2米的天线传送辐射。对于每条16cm长的焦线，以较高的放大率集中辐射，并且1200条焦线以在聚焦区的每个点较高的放大率产生尺寸为1.2×0.6×0.36米的非常高效的三维聚焦区。

在隔开4.04米的距离彼此相对地放置的4×2.5米的柱形天线的情况下，它们的组合聚焦区也测量为0.6×0.36米，并且具有4米的长度。

就相隔半径减16cm的距离布置的4×2.5米的球形天线或柱形天线来说，组合聚焦区的厚度仅仅为16cm，但是能量集中度为在相隔所述半径或者稍大于所述半径的距离布置天线的情况下的能量集中度的2倍。

取决于球面或柱面的半径，所述设备也可具有在0.05米到几十米的范围内的其它尺寸。

当在设备中使用几千个UV发光二极管时，其总功率可达到几千瓦。设备把功率输入降低好几倍，因为，相同辐射功率的发光二极管比普通的大功率灯更经济，另外降低功率要求，或者作为利用两个天线把分布式源的辐射集中在相当小的组合三维聚焦区内的结果，显著增大其吞吐能力。

由例如钨或碳制成的金属灯丝可用作IR范围内的分布式源。灯丝具有较小的厚度，并对从天线反射的IR辐射来说足够透明。在使用由细管组成的分布式气体燃烧器的情况下，所得到的分布式IR辐射源也相当高效。振动器可以用作超声范围内的分布式源。

相隔半径长度的0.6-2倍距离布置的形状为球面或柱面的片段的两个天线，置于两个天线任意之一或者两者的口面中的分布式辐射源，和传送给这两个天线的组合聚焦区(物体置于所述组合聚焦区中)的辐射，使系统的可靠性提高多倍以上，由于设备中使用的经济的发光二极管的缘故，使功率要求降低好几倍，显著增大聚焦区的体积或者使集中度加倍(即使聚焦区体积被减小)，更均匀地分布聚焦区中的辐射集中，和通过辐射的集中实现设备效率的倍增。布置在与第一对天线正交的平面中的另外一对或两对天线，以及置于所述额外天线的口面中的分布式源，产生两对或三对天线的三维组合聚焦区，从而实现很高的能量集中。

要求保护的用于集中从分布式源传送给置于三维聚焦区中的物体的辐射的多用途设备可用于辐照泵送通过聚焦区的液体或气体，比如用于利用UV辐射使水消毒，在IR范围内加热流水及其它液体和气体，处理油气产品等。设备还可用于处理和消毒固体和易流动产品，比如化学肥料、种子和散装食品。这种多用途设备还可用于干燥木材，UHF治疗等。可以在穿流系统中处理液体和气体，可在其中散装产品借助重力，缓慢地连续流过聚焦区的系统中处理散装产品，并且在木材干燥或UHF治疗的情况下，把一定数量的木材或者使患者置于聚焦区中一定的时间段。这种多用途设备还可用在超声范围中，在用于准备均匀的混合物，清洁，洗涤，处理液体的系统中，以及在各种电磁波和声波范围内用在许多其它设备中。

Claims (7)

1.一种用于从源到物体传送辐射的多用途设备，所述多用途设备包括两个天线，每个天线被成形为曲面的截平段，并且两个天线都被布置成产生组合聚焦区，位于至少一个天线的口面中或位于每个天线的聚焦区之一中的分布式辐射源，和置于所述两个天线的组合聚焦区中的物体。

2.按照权利要求1所述的多用途设备，其中每个天线的曲面是球面或柱面，并且分布式辐射源被放置在至少一个天线的口面中。

3.按照权利要求1所述的多用途设备，其中天线被布置成彼此相对，以产生组合聚焦区。

4.按照权利要求1所述的多用途设备，其中天线被布置成彼此成一定的角度，以产生组合聚焦区。

5.按照权利要求1所述的多用途设备，还具备在与第一对天线的平面正交的平面中的至少一对球形或柱形天线。

6.按照权利要求1所述的多用途设备，其中天线的曲面包括布置成彼此相对、以为待放置在其中的物体产生单个组合聚焦区的至少一对椭圆柱体，分布式源被布置在该两个其他聚焦区中。

7.按照权利要求5所述的多用途设备，其中在至少两个平面中只使用一个椭圆天线，一个分布式源被放置在每个天线的聚焦区中，而物体被放置在所述天线的组合聚焦区中。

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