Краткий очерк истории микроволновых печей

История микроволновых печей — как раз тот случай, когда реальная история подменяется мифологией, и множество «копирайтеров» растаскивают по интернету байку, укореняя её в массовом сознании как факт, что она была изобретена случайно. Якобы инженер Перси Спенсер работая с магнетронами в лаборатории случайно обнаружил, что шоколадка в его кармане в поле магнетрона от излучения растаяла, и его осенило, что так можно разогревать еду. А дальше классическая американская история — патент, вывод на рынок и получение прибыли. Но всё было совсем не так.

Видеоверсия поста на 42 минуты (для тех, кто любит слушать):

▍ Небольшой теоретический ликбез

В основе работы микроволновых печей лежит взаимодействие радиоволн с продуктом. При этом основной нагрев продукту передаётся благодаря диэлектрическому нагреву. Многие диэлектрики, оказавшись в электрическом поле, поглощают немного энергии на свою поляризацию — молекулы выстраиваются вдоль линий силового поля, подобно маленьким стрелкам компаса в магнитном поле. Если изменить направление внешнего электрического поля, энергия снова будет потрачена на поляризацию в другую сторону. Если быстро менять направление электрического поля, то вся эта энергия, затрачиваемая на поляризацию, в конечном итоге превратится в тепло. Чем чаще менять направление электрического поля, тем больше тепла в диэлектрике выделяется. Для инженеров это свойство обычно вредное, поэтому его называют «диэлектрические потери», и величина этих потерь зависит от материала диэлектрика (а также частоты и температуры, но упустим эту подробность). В справочниках есть специальные таблицы, где величину этих потерь уже измерили (чаще всего используется тангенс угла потерь). Если тангенс угла потерь мал, например у слюды он 0,00060 [1], то в переменном электрическом поле нагрев будет незначителен. А вот у ПВХ тангенс угла потерь уже 0,015 [2]. То есть нагрев будет в десятки раз сильнее, и такой диэлектрик хорошо будет работать в низкочастотных применениях, таких как изоляция электрического кабеля, но будет сильно нагреваться, если сделать из него изоляцию разъёма антенны радиостанции. У воды тангенс угла потерь в силу полярности молекул огромный — порядка 0,157 [3].

Собственно весь этот экскурс в теорию я сделал, чтобы подвести к мысли — любой радиоинженер обязательно сталкивается с нагревом диэлектрика от радиоволн, и вынужден его учитывать. Поэтому нельзя сказать, что расплавившаяся от радиоволн шоколадка/бутерброд/сэндвич или другой продукт — это случайное открытие, о котором никто до этого не знал и который удивил инженеров.

▍ До войны

Впервые явление диэлектрического нагрева наблюдали Э.В.Сименс в 1864 г. и И.И. Боргман в 1886 г., исследовав нагрев стеклянной стенки лейденской банки при её заряде и разряде [4]. Конец XIX — начало XX века — это период бурного развития электричества, и открытия и разработки начинают сыпаться как из рога изобилия. В 1891 г. Жак Арсен д’Арсонваль обнаруживает, что переменный ток высокой частоты (десятки килогерц — максимум, что можно получить для того времени) не бьёт как постоянный ток, не кусает как переменный 50 Гц, а протекает через тело с приятным теплом без особого вреда [5, рис 422]. Как и любое новое открытие, его почти сразу же стали использовать для лечения. Появилось медицинское направление — диатермия. Прогревая больные участки токами высокой частоты, проводили «лечение». Причём поначалу прикладывали переменный ток непосредственно к телу через электроды. На рисунке ниже [8] как раз медицинский генератор для диатермии прямиком из 1928 года от фирмы H.G. Fischer & CO. Inc.

Изобретение радио Поповым дало мощный толчок в развитии высокочастотной техники. Изобретение радиоламп (триод — 1906 год) позволило очень быстро перейти от примитивных схем с искровыми промежутками в передатчиках к более мощным и эффективным генераторам на радиолампе. Первый радиопередатчик на радиолампе в 1914 представил Ли де Форест [6]. А дальше погоня за совершенством и мощностью только начиналась. Начало развиваться радиовещание, которое требовало всё более мощных генераторов радиоволн. И снова, нельзя было не заметить, что диэлектрик в переменном электрическом поле нагревается. Аппараты диатермии, использующие этот способ прогрева «для лечения», торговцы медтехникой стали продавать больницам. На рисунке ниже [9] как раз такой коротковолновый аппарат Radiotherm от компании General Electric прямиком из журнала по клинической медицине 1932 года.

Первые демонстрации нагрева пищи при помощи радиоаппаратуры уже в целях рекламы применяла компания Вестингауз на всемирной выставке в Чикаго в 1933 [7]. На этой известной фотографии видно, что выход мощного генератора нагружен на колебательный контур (катушка в несколько витков слева и две тарелки конденсатора — справа). Кусок мяса, помещённый между обкладок конденсатора, нагревался в переменном электрическом поле между обкладками. Ясное дело, что это только демонстрация мощи генератора — 10 кВт 60МГц, и практической ценности такого нагрева пищи никакой — как от люстры из новых айфонов или обогревателя из новых видеокарт.

Тем не менее, способ нагрева токами высокой частоты изучали: кроме пищи в промышленности много задач, где низкую эффективность можно простить за скорость или равномерность. В 1930-1934 годы в СССР занимались вопросами сушки древесины токами высокой частоты (Н.С. Селюгин, Ленинградский филиал ЦНИИ механической обработки древесины). В 1933-м центральная научно-исследовательская лаборатория электромагнитных волн исследовала сушку и стерилизацию фруктов (внедрение в Тирасполе и Краснодаре, 1938–1940 гг.). В 1937 г. П.П. Тарутин (ВНИИзерна) изучал ВЧ-сушку и уничтожение вредителей зерна с применением токов высокой частоты [4]. Высокочастотный нагрев пробовали использовать на некоторых производствах — например, ниже [10] фото пресса для фанеры, правда из книги 1944 года, где за счёт генератора радиоволн прогревалась вся пачка фанеры, что ускоряло её сушку и было экономически эффективно.

▍ Вторая мировая война

Война всегда была мощным стимулом для развития науки и техники в тех областях, которые сулили разработку новых средств победы над противником. И радио не исключение. В контексте истории микроволновых печей нас интересует лишь один эпизод, случившийся в период войны — рождение магнетрона, а точнее его разновидности с многорезонаторным анодом.

Когда технический прогресс подходит к определённой ступени, то следующий шаг будет всё равно сделан, и для этого не требуется сверхгениальный изобретатель-одиночка. Так вышло и с магнетронами — работы над устройствами происходили параллельно во многих странах. Разрабатывалась как теория работы таких устройств, где на электроны воздействовало электрическое и магнитное поле, заставляя их двигаться по спирали, так и опыты с различными конструкциями магнетронов. Тематикой магнетронов занимались с 1912 года на протяжении всех 20-30-х годов. Причём не только в Великобритании, но и в Японии, Германии, Советском Союзе — в общей ложности в 12 странах [12-13].

Для нужд радиолокации требовался компактный и, главное, мощный источник сверхвысокочастотных (СВЧ) колебаний. Классические радиолампы с сетками для этих целей подходили слабо — выходная мощность была мала, требовалось большое количество согласующих элементов, да и КПД получался малым. И вот радикальным решением этих проблем стал многорезонаторный магнетрон, который в 1940-м был доведён до ума британцами Джоном Рэндалом (John Randall) и Гарри Бутом (Harry Boot). Они добились от него стабильной генерации излучения с мощностью 400 Вт (позже уже были взяты мощности 1 кВт и даже 25 кВт). В 1941-м другой англичанин Джеймс Сейерс (James Sayers) улучшил стабильность магнетрона, добавив соединитель чётных и нечётных полостей, благодаря чему генерация меньше зависела от нагрузки. На фотографии ниже он, но без магнитной системы.

Чтобы лучше понять, насколько магнетрон улучшил ситуацию с СВЧ-генераторами, просто представьте, что вместо парового двигателя с кучей клапанов, трубочек и цилиндров у вас появляется многократно более мощный и простой электромотор, на который просто достаточно подать напряжение. Ну или вместо парафиновой свечки вам дают светодиодный прожектор.

Но в Европе разгоралась Вторая мировая война, в которой участвовала Британия, поэтому, с одной стороны, работы по теме магнетронов интенсифицировались и засекречивались. С другой стороны, ресурсов не хватало, а нужны были вливания как для доработки радаров и магнетронов, так и для перехода от лабораторного прототипа к массовому серийному производству. В итоге в 1940 году проводится «Миссия Тизарда», когда комиссия во главе с Генри Тизардом (Henry Tizard) едет в тогда ещё нейтральные США с сундуком новейших и секретных британских разработок в надежде договориться о производстве и сотрудничестве [14]. Магнетрон оказался очень к месту — у американцев были разработки по радарной тематике, но как раз были проблемы с мощным источником СВЧ-колебаний. Так США получили магнетрон, а англичане — поставки радаров. Для нашей же истории микроволновых печей важно то, что за время войны производство магнетронов было отлажено и поставлено на поток (а к концу войны их наклепали более миллион штук, из них 80% были сделаны в цехах Raytheon [16]), а также появился опыт работы с ними.

▍ После войны.

Всё самое интересное в истории микроволновых печей происходит после войны. Начнём с того, что развитие радиосвязи и её широкое внедрение поставили вопрос ребром — старые установки высокочастотного нагрева (например, для диатермии, о которых было рассказано выше) излучали в радиоэфир довольно сильно, а их разработчики не оказывали должного внимания стабильности частоты. В итоге небольшая установка для нагрева заготовок из пластика где-нибудь на заводе могла отравлять помехами жизнь радистам на многие десятки километров вокруг. Поэтому американская федеральная комиссия по радиосвязи подготовила и вынесла на всеобщее обсуждение предложение о стандартизации так называемых ISM-диапазонов (Industrial, Science, Medicine). Предполагалось выделить узкий диапазон радиочастот, на котором будут работать все приборы, использующие ВЧ-излучение не для радиосвязи, не засоряя радиоэфир на других частотах. Более того, частоты предлагались кратные — 13,66 МГц, 27,32 МГц и 40,98 МГц — так называемые гармоники, что немного облегчало жизнь конструкторам. Уровень излучений вне этих диапазонов строго регламентировался. На международной конференции по радио в Атлантик-Сити в 1947 году было окончательно утверждены и закреплены диапазоны, в которых разрешалось работать подобным установкам [15]. И нас интересует цифра 2450 МГц — именно тогда была выбрана и закреплена частота, на которой будут работать микроволновки. Собственно в тексте наряду с установками закалки токами высокой частоты, печами для склеивания и т. д. упоминается «электронная печь», которая не просто готовит пищу, прогревая изнутри наружу, но и позволяет доготовить пищу за секунды, а не за минуты, как при классическом способе. То есть в 1947 году уже был опыт по приготовлению пищи радиоизлучением.

ISM-диапазоны существуют и по сей день, все бытовые устройства работают в этих диапазонах, даже Wi-Fi и Bluetooth работают в том же диапазоне, что и микроволновые печи — 2450 МГц, чтобы своим излучением мешать только друг другу, а не важным устройствам радиосвязи. В контексте истории микроволновых печей важно то, что частота для их работы была закреплена в 1947 году юридически, и далее вопрос об оптимальности этого выбора не стоял. Чем руководствовались при выборе частоты в 1947 году — мне не известно.

Исследователи воспринимали идею использовать радиоизлучение для приготовления пищи скептически [11]. Дело в том, что проводились эксперименты с измерением величины диэлектрических потерь разных продуктов на частотах до 44 МГц. И тогда стало понятно, что для более-менее бодрого темпа нагрева при частотах в десятки МГц необходимо повышать напряжённость электрического поля, что чревато уже электрическим пробоем. Кроме того, имело место изменение величины диэлектрических потерь с ростом температуры, а значит локально образовавшийся очаг нагрева будет разогреваться ещё сильнее, что ведёт к неравномерному прогреву пищи, особенно замороженной.

▍ Гражданская жизнь военных технологий

Военные заказы уменьшились, и такие компании как GE, Westinghouse, RCA и Raytheon стали искать применение технологии радиочастотного нагрева, в основном в промышленности, получая патенты. Например, на нагрев покрышки путём помещения её в волновод. В работе Озепчука [11] есть табличка с патентами, полученными в то время. И только патенты Raytheon как-то можно соотнести с нагревом в быту. Так, патент US 2 495 415 на нагрев продуктов в закрытых радиопрозрачных ёмкостях получен в 1945 Лоуренсом Маршалом — тогдашним директором Raytheon. Его описывали как хорошего инженера, но посредственного руководителя, в итоге пост руководителя Raytheon он покинул в 1948-м [16]. Его роль описывали как возившегося в лаборатории и пинающего Спенсера, Фрица, Гросса и других к созданию нового продукта. А Перси Спенсер по сути был начпроизводства компании. Сам же Спенсер получил патент 2480679 в 1947 году, который по сути и описывает печь для попкорна. Коллеги Спенсера — Браун, Дерби, Альстад — описывали процесс изобретения микроволновой печи как планомерный, к которому приложило руку много людей, но заслуга Перси Спенсера в том, что он подтолкнул компанию к коммерциализации эффекта нагрева пищи, созданию законченного товара для обычных потребителей, в этом его ключевая роль.

Конкуренты не дремали. Так, в 1947 году компания Вестингауз описывает ускорение техпроцессов за счёт нагрева радиоволнами от магнетрона (или аналога) для нагрева резины, дерева, пластика. А компания Дженерал Электрик в 1947-м рапортует о прототипе печи для разогрева замороженной еды в ресторанах, причём работающей на частоте 915 МГц. Авторы отмечают, что выбрали 915 МГц вместо 2450 МГц, так как нагрев был равномернее за счёт более глубокого проникновения радиоволн вглубь пищи. Впоследствии Дженерал Электрик долго выпускала печи на 915 МГц, пока все остальные делали печи на 2450 МГц

Байка об арахисовом батончике, который нагрелся в кармане рубашки, когда Перси Спенсер оказался перед магнетроном, была вброшена журналистом (?) Доном Мюрреем в публикации «Percy Spencer and His Itch to Know» в журнале Ридерз Дайджест за август 1958-го [18]. И удивительно, насколько стойким оказался миф, кочуя из одной публикации в другую, как иллюстрация «случайно» сделанного изобретения. Как говорил Ленин: «Главная проблема цитат в Интернете в том, что люди сразу верят в их подлинность.».

Изобретение микроволновой печи не было случайностью — это вполне закономерный этап развития техники, освоившей технологию СВЧ-устройств, и как это частенько бывает — предпринятый множеством авторов почти одновременно. Но в истории останется тот, кто первым доведёт открытие до коммерческого успеха (кто-нибудь помнит лампы накаливания, которые были изобретены до Эдисона и которые конкурировали с лампами его конструкции?).

▍ Творческие поиски

И вот мы подходим к интересному этапу в истории любого технического устройства — поиск оптимальных конструктивных решений. Принцип работы печи ясен — высокочастотное излучение от магнетрона по волноводу передаётся в экранированную камеру, в которой находится разогреваемая пища. А вот при практической реализации перед инженерами возникает куча вопросов без ответов:

• А как будет выглядеть экранированная камера под пищу — как коробка с крышкой или как выдвижной ящик?
• Какая лучше работает — прямоугольная или круглая?
• А как лучше вводить излучение в камеру — сверху или сбоку?
• А как сделать надёжный контакт в местах контакта крышки со стенками, чтобы излучение не уходило наружу — подпружиненным контактом или свернуть жгут из сетки?
• А надо делать дренаж для вытопившегося из еды жира, или смириться с неравномерностью нагрева?
• А регулировать мощность нагрева, крутя реостат или регулируя скважность включения?
• А нужно делать ТЭН в камере для подрумянивания?
• А как лучше бороться со стоячей волной в камере?
• А лампочку подсветки лучше разместить за перфорированным экраном или разместить её внутри под плафоном, но снабдить фильтрами провода питания?

И так далее. Причём недостатки некоторых решений могут всплыть только при интенсивной работе на кухне, при хорошей работе в лаборатории.

Самое раннее изображение микроволновой печи удалось отыскать на этом фото — прототип 1945 года слева. Этот разогреватель еды для самолётов [19] мог разморозить и разогреть 8 унций (~200 гр) еды с -12°С до +77°С за минуту, а камера имела вид выдвижного ящика.

В 1946 году уже есть следующий прототип устройства — модель radarange для подогрева бутербродов. Бутерброд закладывался в экранирующую коробочку, устанавливался в нишу и очень быстро разогревался излучением. Можно догадаться, что такая компоновка со сменными коробочками под еду в серийное производство не пошла.

И вот, в 1947 году фирма Raytheon выпускает первую микроволновую печь для широкого потребления — Radarange 1132. Видимо, их было выпущено не так много, так что остались только архивные фотографии:

Это напольная печь для общепитов мощностью излучения 1,6 кВт с одним водоохлаждаемым магнетроном на постоянных магнитах. И впервые печь позиционировалась не просто как размораживатель/разогреватель, но и как печь для готовки [12]. Интересной деталью являются два узла, которые были внутри этой печи. Первый — это механизм уплотнения дверцы, препятствующий просачиванию излучения наружу. Просто сделать контакты нельзя — они будут загрязняться жиром и искрить, на чём набила себе шишек компания Дженерал Электрик [20], поэтому придумана ловушка по периметру дверцы. Будучи стенкой волновода, можно загнуть край листа так, что он будет работать как ВЧ-фильтр, задерживая излучение [11]. Эта идея используется в современных печах почти без изменений. Второй узел — «мешалка» ВЧ-поля в виде хромированных полусфер на валу электродвигателя напротив окошка волновода магнетрона [19]. Такая «мешалка» не позволяет сформироваться устойчивой стоячей волне с нагревом еды только в узлах. Идея до сих пор живёт в моделях печей с диссектором. Но это не сильно спасало — высокая мощность печи в паре с небольшой камерой только выпячивала проблемы неравномерного нагрева.

▍ Умение продать

Почти сразу стало понятно, что компании, работавшие над гособоронзаказом и ставшие профи в СВЧ-технике, умеющие делать отличные магнетроны, не имеют опыта в изготовлении бытовой техники. Инженерам, привыкшим проектировать устройства для военных без ограничения по цене и работающих с обученным персоналом было тяжело свыкнуться с требованиями для бытовых устройств, где во главе всего — цена, а управляет всем человек, не читавший инструкцию. А ещё нужно было уметь заинтересовать потенциального покупателя в виде шеф-поваров, которые погон не носили. И если Raytheon знали, как убедить генерала купить радар, то как убедить профессионального повара купить за очень большие деньги новомодное устройство, они не знали. К тому же имя Raytheon было уважаемым в среде военных, но в мире кухонной техники на них смотрели с прищуром, как на малоизвестного новичка.

Более того, первые лет десять-пятнадцать направление микроволновых печей приносило только убытки, и не было закрыто только благодаря уверенности, что успех придёт. Причём печи поначалу рассматривали как рынок магнетронов. Чем больше микроволновок купит население, тем больше магнетронов для них выпустит оборонный завод.

Решение было очевидным — оборонные компании брали себе в компаньоны (или покупали, если денег хватало) уже известных производителей бытовой техники, обеспечивая лицензиями, запчастями, консультациями. Так, среди устройств торговых марок Amana, Tappan, Hotpoint, Whirlpool появились микроволновые печи. Причём прогресс был заметен — к середине 50-х печки от размера холодильника ужались до размера встраиваемых духовок, например Tappan RL-1 [21].

Модель производилась с 1955 по 1964 годы. Всего произвели 1396 штук, но в первый год производства продали всего 34 экземпляра. На момент выпуска стоимость этой «первой домашней микроволновой печи» была 1295$, что по нынешним временам эквивалентно [22] почти 14400$ — цена простенького новенького автомобиля. Из забавных конструктивных особенностей — в нижней части печки был выдвижной ящичек-картотека для хранения рецептов.

К середине 60-х микроволновки удалось скукожить до привычного нам настольного размера. Это, например, модель Sharp R-10 1962 года, или более знаковая Amana RR-1 1967 года. RR-1 имела магнетрон с электромагнитом, массу 13 кг [24], два (!) таймера — на 25 минут и на 5 минут, причём время суммировалось, то есть максимум можно было включить печь на 30 минут. Ну и печь имела кнопку «пуск», но не имела кнопки «стоп»… для преждевременной остановки надо было открыть дверцу. В модель RR-2 1968 года кнопку «стоп» добавили. Магнетрон Raytheon QKH-1381 B с воздушным охлаждением, срок службы магнетрона 1500 часов, выходная мощность 750 Вт [25].

А ещё у этой модели не было регулировки мощности! Но знаковая эта модель по другой причине — её цена уменьшилась до 495$, что на современные деньги порядка 4416$. Именно с этой модели начался ощутимый рост рынка домашних микроволновых печей. Так как основные мои читатели — технари, порадую принципиальной схемой RR-1. Как видно, она не сильно отличается от современных.

Микроволновые печи выпускали многие компании, и если General Electric и Toshiba ещё на слуху, то компании вроде International Crystal, Garland-welbilt, Sears-kenmore, Omnivend наверняка известны только историкам и специалистам. К 70-м годам в Америке работало уже порядка 95 000 микроволновок (50 000 в домах, остальное в общепитах), так что государство обратило на них взор и в 1968 году стало регламентировать величину утечки излучения через дверцы, о чём, например, был рождён отчёт [25], где можно подсмотреть принципиальные электрические схемы микроволновок тех лет. А ещё были установлены требования на наличие двух независимых блокировок [28], чтобы печь не могла включиться с плохо прикрытой дверцей. При этом как минимум один микровыключатель блокировки должен быть скрытым от прямого доступа, чтобы нельзя было намеренно его заблокировать.

Развитие микроволновок продолжалось. В 70-е появились печи с микропроцессорным управлением — вместо механических таймеров и регуляторов мощности появился микроконтроллер, что позволило создавать гибкие алгоритмы приготовления. Например, разморозить сначала на малой мощности в течение часа курицу, а затем приготовить её, прожаривая излучением на полной мощности в течение 20 минут. Были модели даже с термодатчиком на проводе. Внутри камеры печи втыкали термометр в мясо и подключали к разъёму — так печь могла определить, что всё готово.

На фотографии ниже Amana Radarange RR-10, экземпляр 1977 года [24]. Отсрочка запуска, режим разморозки, поддержание температуры, работа с термодатчиком — все прелести микропроцессорного управления.

К концу 70-х на американском (да и на мировом) рынке ощущалось сильное давление японских производителей. Модели, выпускаемые такими компаниями, как Sharp и Panasonic, успешно теснили европейские и американские модели и обваливали цены [11]. Именно японские инженеры заменили диссектор на вращающийся столик, чем добились большей равномерности прогрева пищи. К 1977 одна только Sharp отчиталась о двухмиллионной произведённой микроволновой печи. Цены постепенно снижались, что видно на графике [30].

▍ Магнетрон всему голова

Для компаний оборонки микроволновые печи были прежде всего потенциальным потребителем их дорогого высокотехнологичного продукта — магнетронов. И высокая стоимость магнетрона (и блока питания к нему) делала печи такими дорогими. Журналист Бринтон в 1966 году описывает, что отдельно стоящая плита с микроволновкой от Tappan с ценой 1000$ имеет внутри магнетрон от Litton ценой 400$. Поэтому появление Amana Radarange RR-1 за 495$ это прорыв.

На фото [26] слева магнетрон Raytheon QK707 — водоохлаждаемый, с электромагнитом, массой 12 кг и выходной мощностью порядка 700 ВТ. Справа современный магнетрон от микроволновой печи [29].

Фотография выше довольно наглядно показывает, насколько прогресс сказался на габаритах устройства. Но какие изменения произошли внутри?

Большой вклад в модернизацию магнетронов для микроволновых печей внесли японцы. Так, компания Raytheon сотрудничала с New Japan Radio в деле производства магнетронов [29]. Кей Огура (Keith Ogura) модернизировал оригинальный магнетрон QK707, уменьшил количество полостей резонатора с 20 до 12, заменил водяное охлаждение на оребрение воздушного радиатора, а подогревной катод — на катод прямого накала. Скорректировав остальные размеры лампы, он добился того, что магнетрон выдавал те же самые характеристики при гораздо меньших размерах (и материалоёмкости). Вот он на фото [29] без магнитной системы:

Обратите внимание на ферритовые колечки на выводах катода, это фильтры ВЧ-помех, и они довольно сильно нагревались. Raytheon даже специально изучала этот вопрос, и оказалось, что основной нагрев был не от 2450 МГц, а от колебаний с частотами 150-350 МГц.

Замена подогревного катода на катод прямого накала из торированного вольфрама может показаться шагом назад, но это значительно ускорило выход печи на рабочий режим, с 75 секунд до единиц секунд, что позволяло быстрее начинать готовить. Вот для сравнения габариты катодов (на правом хрупкую спираль из вольфрама похоже сломали).

Магнетрон по-прежнему требовал большого и тяжёлого электромагнита. Эта модель магнетронов ставилась в Amana RR-1. Большую часть модернизаций в конструкцию магнетрона в Японии внесли в 60-е:

• заменили большой и дорогой электромагнит на пару ферритовых постоянных магнитов;
• заменили стекло в конструкции корпуса магнетрона на керамику — она прочнее стекла, лучше отводит тепло и имеет меньшие потери в СВЧ;
• изменили конструкцию вывода излучения из магнетрона. Теперь это не антенна, прикрытая стеклянным колпачком, а металлический колпачок (и мощность отводится не с 3 рёбер резонатора, как в QK707, а с одного).

В начале 70-х неизвестный японский инженер придумал конструкцию фильтра магнетрона, которая позже была скопирована всеми и до сих пор используется. Вместо ферритового колечка, которое сильно нагревалось, использовались два дросселя и два проходных конденсатора (на фото проходные конденсаторы встроены в разъём подключения катода).

В начале 80-х в погоне за удешевлением количество рёбер резонатора сократили с 12 до 10, уменьшив диаметры анода, катода и нити накала. Такая погоня за удешевлением привела к тому, что стоимость магнетрона уменьшилась до смешных сумм порядка 10$ за прибор, который буквально 50 лет назад строил огромных денег.

▍ А что Советский Союз?

А Советский Союз от прогресса не отставал. Высокочастотный нагрев изучался в приложении к конкретным задачам промышленности. В ВЭИ исследуют получение с применением диэлектрического нагрева пресс-порошков (Н.В. Александров и В.М. Дегтев) и электроизоляционных материалов (Л.С. Левин). А в НИИ шинной промышленности (Х.Э. Малкина и А.П. Пухов) — вулканизацию массивных шин. Большой вклад в промышленное применение диэлектрического нагрева внёс ВНИИТВЧ (А.А. Фрумкин, А.В. Дмитриев, Т.А. Шелина) внедряя диэлектрический нагрев в различные производства — для нагрева таблеток пресс-порошков (1949), для сушки пряжи на фабрике им. А.И. Желябова (1953), для склеивания древесины (1962) и т. д. На начало 1966 г. в СССР было изготовлено свыше 12 тыс. высокочастотных установок для диэлектрического нагрева общей колебательной мощностью около 30 МВт [4].

В интернете можно найти вырезку из газеты Труд №137 за 13 июня 1941 года про новую установку приготовления пищи токами ультравысокой частоты.

Подробностей устройства этой установки найти не удалось, но похоже, она аналогична подобным установкам зарубежного производства тех лет, и сродни похожей демонстрации на чикагской выставке 1933 года, поэтому нельзя сказать, что микроволновки изобрели в СССР. Всё-таки используется не СВЧ-излучение магнетрона, а более низкие частоты от лампового генератора.

Работы по магнетронам в СССР проводились и до войны — достаточно глянуть библиографию, опубликованную на форуме [33] уважаемым Клапауцием.

Магнетронами занимались многие страны помимо Советского Союза [31], и успехи в радарной технике приводят к тому, что инженеры располагают магнетронами, способными генерировать киловатты сверхвысокочастотного излучения в непрерывном режиме. В журнале 1948 года [32] упоминается о магнетронах с непрерывной мощностью в несколько кВт. И обязательно кто-нибудь придумает использовать их для разогрева еды.

Если в послевоенное время для производителей в США была проблема найти рынок сбыта для магнетронов в гражданском секторе, чтобы заработать, то в СССР были более озадачены восстановлением разрушенной войной экономики. Возможно, поэтому первое упоминание о бытовой СВЧ-печи относится к 1961 году, когда в Москве на ВДНХ была продемонстрирована СВЧ-печь разработки ВНИИТВЧ [4]. Ленинградский завод торгового машиностроения изготовил опытно-промышленную серию подобных печей с использованием магнетронов непрерывного действия мощностями 600 и 1600 Вт [4].

Самые ранние СВЧ-печи, о которых удалось найти информацию — это модель «Волжанка» 1966 года и «Славянка» 1968 года.

Волжанка имела габариты 680*750*1200 (камера 600*400*330), 180 килограмм веса, имела водяное охлаждение, потребляла 5,7 кВт из сети, мощность излучения 2,5 кВт.

Эволюционный путь аналогичен тому, который проходили печи Radarange: модель «Славянка» имела уже габариты 650*600*600 (камера 350*240*300), массу 70 кг, воздушное охлаждение и мощность 2,4 кВт (излучение 1,1 кВт). Первые советские печи работали на частоте 2375 МГц, позже перейдя на 2450 МГц. Если сравнить с зарубежными аналогами, то характеристики были сопоставимы.

Так как я выложил принципиальные схемы ранних американских печей, думаю, стоит сделать то же и для советских. Ниже электрическая принципиальная схема печи Волжанка 1966 года:

И схема печи «Славянка» 1968 года. В ней реализован предварительный прогрев катода магнетрона и индикация выхода печи на готовность:

В медиабанке РИА Новости нашлось фото печи «Славянка-501» 1974 года:

Серийный выпуск бытовых СВЧ-печей был налажен к 1978 году на ПО «Плутон». Вполне логичным было то, что поначалу производство СВЧ-печей началось на заводах, производивших в том числе магнетроны. Позднее производство развернулось на множестве других заводов. Причём, как ныне модно говорить, степень локализации была 100% — всё, от магнетрона до микроконтроллера в блоке управления производилось в Советском Союзе. В начале 90-х на некоторых предприятиях освоили производство СВЧ-печей по лицензии от японских производителей, которое, вероятно свелось к отвёрточной сборке.

▍ Заключение

Мы так внимательно рассматривали прошлое микроволновых печей, что попробуем, напоследок, заглянуть в их будущее.

Экономически производство и продажи печей будут продолжать расти. Помимо зажиточных стран, на планете осталось огромное количество семей в развивающихся странах, которые ещё никогда не покупали себе микроволновую печь. Значительного удешевления печей ожидать не стоит, потенциал для удешевления практически исчерпан. А вот потенциал по улучшению долговечности и ремонтопригодности (а значит и экономии природных ресурсов, потребных на производство) реализовываться не будет, поскольку это противоречит логике капитализма.

С технической точки зрения всё интереснее. Микроволновые печи уже достигли некоторого технического совершенства, когда производители опробовали, кажется, всё возможное. Начиная от дополнительных функций, вроде термодатчика для готовки, заканчивая попытками заменить магнетрон на другой источник СВЧ-колебаний, например, на клистрон или даже полупроводниковый генератор. И пока технических предпосылок для замены магнетрона, несмотря на все его недостатки, не наблюдается. Последнее техническое новшество в микроволновых печах за последнее время — это появление инверторных СВЧ-печей, в которых благодаря специально спроектированному магнетрону и полупроводниковому высоковольтному блоку питания печь способна плавно регулировать свою мощность в некоторых пределах. Обычные печи могут только включить магнетрон на полную мощность и выключить, а мощность нагрева регулируется соотношением времени, когда он включён или выключен. В остальном конструкция именно самой печи вряд ли технически сильно изменится в обозримом будущем. А когда инженеры не могут придумать что-то новое, в работу включаются маркетологи и дизайнеры.