30kW連續波磁控管的研制

2013-12-06 朱　程 北京真空電子技術(shù)研究所

　　本文敘述了大功率連續波磁控管的研制成果，該管為2450MHz、大功率、水冷、非包裝式、全金屬陶瓷結構、固定頻率連續波磁控管，該管最大工作效率可達72%，最大連續波輸出功率可達30kW，主要用于工業(yè)加熱和等離子體應用，該管的研制成功為國內微波能應用提供了高效率的微波源。

　　連續波磁控管主要用于微波加熱，其機理是基于微波與物質(zhì)分子相互作用產(chǎn)生的熱效應。磁控管作為一種高效率的大功率微波電真空器件，適用于微波能的應用。近年來(lái)由于工業(yè)生產(chǎn)、城市生活和節能環(huán)保的需要，只有采用大功率、性能好的連續波磁控管才能滿(mǎn)足需求。目前，磁控管仍然是現有微波管中效率很高的微波器件，并且向小型化、高效率、大功率、低成本的方向發(fā)展。

1、關(guān)鍵技術(shù)

　　按照國際上規定，連續波磁控管專(zhuān)用頻率點(diǎn)是915，2450，5800MHz。目前國內外常用的是915和2450MHz。本文所研制的連續波磁控管頻率為2450MHz，單管最大輸出功率為30kW，已經(jīng)達到了國際同類(lèi)磁控管的技術(shù)水平，該管的研制成功填補了國內這一領(lǐng)域的空白，為國內微波能的廣泛應用提供了高效率的功率源。

　　目前10kW 以下的連續波磁控管，結構上多數與普通磁控管差別不大。但是當單管功率達到30kW 時(shí)，由于其輸出功率很大，因而在陰極類(lèi)型的選擇、能量輸出器的結構、工作磁場(chǎng)的方式等方面與一般磁控管有很大的差別，設計的重點(diǎn)與關(guān)鍵技術(shù)突破也在于以上幾個(gè)方面。

　　1.1、陰極設計考慮

　　大功率連續波磁控管陰極采用直熱式金屬陰極，這種陰極結構相對簡(jiǎn)單，不易變形，預熱時(shí)間短，通常在1min左右。隨著(zhù)輸出功率的增加，電子回轟陰極加劇，陰極的工作溫度會(huì )快速升高，陰極表面的發(fā)射物質(zhì)就會(huì )加劇蒸散，最終會(huì )使管子效率逐步降低，使用壽命大大縮短。所以大功率連續波磁控管的陰極在設計時(shí)是非常重要的。本文所研制的30kW 連續波磁控管采用直熱式純鎢陰極，工作溫度在2500℃左右，用鎢帶繞成單螺旋形狀，最大鎢絲電流達到100A，實(shí)際工作最小電流54A。當輸出功率達到滿(mǎn)功率時(shí)，燈絲電流降至3A。

　　在設計鎢絲上端的屏蔽帽和下端的支持帽與燈絲的焊接連接方式時(shí)，經(jīng)過(guò)多次設計改進(jìn)和工藝試驗，最終采用了氬弧焊連續點(diǎn)焊。這種焊接工藝與國外同類(lèi)管子所用高溫焊料釬焊的方式相比，不僅保證了鎢絲在工作時(shí)的機械強度，同時(shí)又降低了焊料在高溫時(shí)的蒸散，延長(cháng)了管子的使用壽命。陰極焊接結構示意圖如圖1所示。

陰極焊接結構示意圖

圖1　陰極焊接結構示意圖

　　1.2、能量輸出器設計考慮

　　現在大功率連續波磁控管的能量輸出器一般采用軸向引出結構。軸向能量輸出器分為對稱(chēng)引出和不對稱(chēng)引出兩種。單根天線(xiàn)的不對稱(chēng)引出，在2450MHz的管子中應用最多。本文研制的30kW 連續波磁控管為了簡(jiǎn)化結構，裝配合理，能量輸出器為單根天線(xiàn)的不對稱(chēng)引出，天線(xiàn)的截面取為圓形。為了滿(mǎn)足30kW 的功率容量和提高機械強度，該天線(xiàn)由圓截面的無(wú)氧銅壓制成形，天線(xiàn)圓截面的直徑為5mm(國外一般為4.5mm)，使該部分同軸線(xiàn)的特性阻抗變小，進(jìn)一步降低了功率損耗。同時(shí)天線(xiàn)穿過(guò)極靴的部分也是圓形，這樣更有利于提高極靴的擊穿強度。

　　1.3、其它方面設計考慮

　　本文研制的30kW 連續波磁控管，磁控管輸出功率可以通過(guò)外部線(xiàn)包磁場(chǎng)調節。當磁控管安裝在微波頭上時(shí)，采用線(xiàn)包產(chǎn)生磁場(chǎng)，這種結構體積小，產(chǎn)生的磁場(chǎng)均勻、效率高。由于大功率連續波功率輸出，為了提高陰極耐電子回轟的能力，采用直熱式的陰極，這樣陰極的直徑可以減小，因而腔體的腔數可以取較小的數值，本管N=12。同時(shí)為了提高電子效率，陽(yáng)極的長(cháng)度有所增加，這樣上、下極靴兩端的距離有所增加，為了保證互作用空間的磁場(chǎng)，在陰極的下面連接處，設計了一段導磁塊，實(shí)際測試磁場(chǎng)增加了2×10-2　T左右，有效地提高了電子效率，減低了管子的工作電壓。

2、測試結果

　　該管最終研制樣管性能指標如表1所示，整管外形圖如圖2所示。從測試結果可以看出，該管基本達到了設計要求，電參數完全滿(mǎn)足使用要求。

表1　30kW 連續波磁控管測試數據

30kW 連續波磁控管測試數據

整管外形圖

圖2　整管外形圖

3、結論

　　30kW 連續波磁控管的研制成功，填補了國內該類(lèi)型連續波磁控管的空白。隨著(zhù)微波能在工業(yè)、化工等領(lǐng)域的大量應用，可靠性高、壽命長(cháng)的大功率微波源的市場(chǎng)需求巨大，符合國家節能減排要求，必定會(huì )帶來(lái)可觀(guān)的經(jīng)濟效益和較大的社會(huì )效益。