微波的產(chǎn)生

微波的產(chǎn)生

    微波能通常由直流電或50Hz交流電通過(guò)某一特殊的器件來(lái)獲得。雖然產(chǎn)生微波能量的器件有很多種，但主要是電子管和半導(dǎo)體器件。在電子管器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的主要有磁控管，速調(diào)管，微波三、四極管等等。相比之下，由于微波三、四極管本身結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，使用時(shí)還要外加諧振腔，而且頻率在900MHz以上要獲得千瓦以上的功率比較困難，因此限制了它在微波加熱上的應(yīng)用，半導(dǎo)體器件在獲得微波大功率方面與電子管相比至少相差三個(gè)數(shù)量級(jí)，無(wú)法獲得幾十千瓦的微波功率。因此，在目前和將來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)，微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)運(yùn)用中，主要使用的是磁控管和速調(diào)管。

    1.磁控管的結(jié)構(gòu)

    磁控管通常具有一個(gè)以高導(dǎo)電率無(wú)氧銅做成的陽(yáng)極、一個(gè)發(fā)射電子的直熱式或間熱式陰極。

    陽(yáng)極同時(shí)又是產(chǎn)生高頻振蕩的諧振問(wèn)路，類(lèi)似于高頻發(fā)射機(jī)中槽路的職能。在陰極與陽(yáng)極之間是電子作用空間。在這一空間上，要加有均勻的、與陰極軸線(xiàn)相平行的強(qiáng)磁場(chǎng)。磁場(chǎng)通常由兩種方式來(lái)產(chǎn)生。在小功率磁拄管里往往采用永久磁鐵，大功率磁控管則更普通地使用電磁鐵c微波能量的輸出一般有3種形式，(1)同軸輸出；(2)波導(dǎo)輸出；(3)天線(xiàn)輻射器一轉(zhuǎn)換到波導(dǎo)。

    為了保證作用空間的磁場(chǎng)均勻及減少磁漏，在磁控管的兩端帶有軟鐵制成的磁極并構(gòu)成電子管外殼的一部分。磁控管陰極根據(jù)不同的設(shè)計(jì)通常有以下幾種形式；

(1)氧化物陰極；

(2)以鎢為基體滲有活性物質(zhì)的陰極；
    (3)社鎢陰極；

    (4)純鎢陰極。

    其中，(1)、(2)種陰極常做成間熱式。(3)、(4)種常做成直熱式：

    2.磁控管的工作原理

    當(dāng)磁控管陰極與陽(yáng)極問(wèn)存在著一定的直流電場(chǎng)時(shí)，從陰極發(fā)射的電子受陽(yáng)極亡正電位加速而向閱極移動(dòng)，移動(dòng)速度正比于電比的二分之一次方。出于空間存在著磁場(chǎng)，磁場(chǎng)方向正好與電場(chǎng)方向垂直，同時(shí)也與電子運(yùn)動(dòng)方向垂直。眾所周知．當(dāng)帶電體在垂直磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到磁力的作用、該作用力與磁場(chǎng)及電子的運(yùn)動(dòng)方向垂直。因此，當(dāng)電子離開(kāi)陰極向陽(yáng)極移動(dòng)時(shí)受到磁力的作用，結(jié)果使電子偏離原來(lái)的方向而呈圓周狀運(yùn)動(dòng)。不同的磁場(chǎng)及電場(chǎng)比值使電子只行不同的圓周運(yùn)動(dòng)半徑。顯然，過(guò)低的電場(chǎng)或過(guò)高的磁場(chǎng)，使電子飛離陰極繞圓弧運(yùn)動(dòng)后仍然回到陰極。在某一特定的電壓及磁場(chǎng)值．正好電子能繞陰極旋轉(zhuǎn)(可以大致認(rèn)為運(yùn)動(dòng)的圓周半徑大于陰極的個(gè)徑而小于陽(yáng)極的半徑)。在這兩種情況下，雖然在陰極和陽(yáng)極間加有自流電壓，但是在外電路里將不出現(xiàn)陽(yáng)極電流。只有當(dāng)陽(yáng)極電壓超過(guò)某—電壓值時(shí)，在外電路里才會(huì)出現(xiàn)電流。這一狀態(tài)稱(chēng)之為臨界狀態(tài)。如果陽(yáng)極電壓繼續(xù)升高，那么電子運(yùn)動(dòng)的半徑超過(guò)了陽(yáng)極半徑，電子在作用空間又不能繞圓周運(yùn)動(dòng)而是直接打到陽(yáng)極上去。我們需要的也就是能進(jìn)行能量交換的只是電子能繞圓周運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。諧振腔類(lèi)似于高頻發(fā)射機(jī)中電感線(xiàn)圈與電容器所組成的諧振回路或稱(chēng)“槽路”c在磁控管工作時(shí)，相鄰諧振腔高頻磁場(chǎng)方向相反，其翼片上的高頻電場(chǎng)方向也相反。即在二相鄰諧振腔間有180度的相位差。因此，可以認(rèn)為，在陰極面上發(fā)射的電子，如果是處于正電場(chǎng)的冀片為負(fù)的位置，電子就比沒(méi)有高頗場(chǎng)時(shí)饅。當(dāng)電子受磁場(chǎng)作用力而繞反時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)時(shí)，正高頻場(chǎng)附近出發(fā)的電子將會(huì)追趕負(fù)高頻場(chǎng)附近出發(fā)的電子。相反，負(fù)高頻場(chǎng)附近出發(fā)的電子則由于減速，而好似在等待追上來(lái)的電子。其結(jié)果便是在作用場(chǎng)空間出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的電子“云集”現(xiàn)象，這種密集的電子云，沿著陰極軸心而旋轉(zhuǎn)著。

    要維持高頻振蕩，還必須使電子云的旋轉(zhuǎn)有一定的速度，使電子從這一翼片飛到下一翼片時(shí)，翼片上的高額場(chǎng)正好改變—次方向，即所需時(shí)間為振蕩周期的二分之一。為使電子獲得這一速度所要加的陽(yáng)極電壓稱(chēng)為同步電壓。

    現(xiàn)在再看一看陽(yáng)極板上諧振腔的作用。磁控管有10個(gè)諧振腔、每一個(gè)當(dāng)電子旋轉(zhuǎn)到諧振腔冀片附近時(shí)，如果正好翼片處于負(fù)高頻場(chǎng)，那么將對(duì)電子呈排斥作用而使電子速度降低，由于電子降低速度而喪失的能量實(shí)際上激勵(lì)了高頻場(chǎng)，從而將能量交給了高頻場(chǎng)，即運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)的勢(shì)能。電子向陽(yáng)極飛去。當(dāng)然，在磁控管中，電子并沒(méi)幢到陽(yáng)極亡．而是由于受磁場(chǎng)作用人重新返回到陰極附近，它的動(dòng)能又變成了勢(shì)能，這樣一來(lái)重又受陽(yáng)極電壓的加速而飛團(tuán)陽(yáng)極進(jìn)行第二次能量交換。但必須注意到，每次進(jìn)行能量交換，都有一個(gè)能且損失，直到最后，電子的位能越來(lái)越少而飛不動(dòng)，落到陽(yáng)極上而將剩余的能量變成熱能耗散在陽(yáng)極上。但也有這樣一些電子，從陰極出發(fā)不是把能量交給高頻場(chǎng)，而是從高頻場(chǎng)得到加速，吸取了部分高頻能量，從而使其受磁場(chǎng)作用力回到陰極時(shí)速度仍大于零，它便向陰極撞擊而使陰極獲得額外的熱量。即回轟陰極現(xiàn)象?；剞Z陰極的功率與磁控管輸入功率及輸出回路的負(fù)截駐波大小有關(guān)。在輸出回路負(fù)載失配情況下，過(guò)大的回轟會(huì)使陰極過(guò)熱以至縮短管子的工作壽命，甚至可能將陰極燒毀。因此，當(dāng)同一只磁控管工作卡：不同的功率時(shí)，必須根據(jù)規(guī)范加不同的燈絲電壓c