微波的產(chǎn)生
1、產(chǎn)生微波能的器件
微波能常有直流或50Hz交流電通過一特殊的器件來獲得的？梢援a(chǎn)生微波的器件有許多種，但主要可以分為兩大類：半導(dǎo)體器件和電真空器件。電真空器件是利用電子在真空中運(yùn)動(dòng)來完成能量交換的器件，或稱之為電子管。在真空器件中能產(chǎn)生大功率微波能量的有磁控管，多腔速調(diào)管，微波三、四極管，行波管等多種。半導(dǎo)體器件在獲得微波大功率方面與電真空器件相比至少相差三個(gè)數(shù)量級。例如，單支915MHz磁控管可以獲得30kw以至60kw的功率，而半導(dǎo)體雪崩二極管只能得到數(shù)十瓦或近百瓦的功率。2450MHz磁控管可以得到5kw功率，2450MHz速調(diào)管可以獲得30KW的功率，而半導(dǎo)體器件只能給出幾瓦。因此，在目前或?qū)硪欢〞r(shí)期，微波加熱領(lǐng)域特別是工業(yè)中使用的，主要是磁控管及速調(diào)器
2、連續(xù)波磁控管
用磁控管能方便地獲得微波大功率，它可在1S內(nèi)發(fā)出幾百個(gè)至幾千個(gè)相互間隔的電波信號，稱之為脈沖，也可以發(fā)射不間斷的連續(xù)電磁波。因此，前者稱為脈沖磁控管，主要用于雷達(dá)。工業(yè)用磁控管為連續(xù)波磁控管，以下稱磁控管（見下圖）。
下圖為915MHZ微波源磁控管 |
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上圖為2450MHZ微波源磁控管及其參數(shù) |
2.1磁控管的結(jié)構(gòu)
磁控管通常有一個(gè)高導(dǎo)電率無氧銅制成的陽極，腔體中間是一個(gè)發(fā)射電子的陰極，陽極上有許多小腔是產(chǎn)生高頻率振蕩的諧振回路，陰極與陽極中間為電子作用的空腔，在這一空腔內(nèi)加有均勻的、與陰極軸線平行的磁場。磁場通常由兩種方式產(chǎn)生，在小功率磁控管里往往采用永久磁鐵，而在大功率磁控管中普遍地使用電磁鐵，將數(shù)千伏電壓加在陰極和陽極之間。為了安全，將陽極接地，而將陰極接以負(fù)高壓。微波能量的輸出通常有三種形式：
① 同軸輸出型。②波導(dǎo)輸出型。③天線輻射型
為了保證作用空間的磁場均勻及減少漏磁，在磁控管的兩端帶有軟鐵制成的磁極，并由其構(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)，通常做成間熱式和直熱式兩種。
所謂間熱式：即陰極由熱源來加熱，而熱源就裝在陰極管內(nèi)。而直熱式：即熱源本身就是用電子發(fā)射材料制成的，它既是加熱體又是陰極。
2.2磁控管工作原理
當(dāng)磁控管與陽極間存在著一定的直流電場時(shí)，從陰極發(fā)射的電子受陽極正電位的影響加速而向陽極移動(dòng)，空間交叉存在磁場，磁場方向與電場方向垂直，同時(shí)也與電子運(yùn)動(dòng)方向垂直。眾所周知，當(dāng)帶電體在垂直磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將受到洛侖茲力。該作用力與磁場及電子運(yùn)動(dòng)的方向垂直。因此，當(dāng)電子離開陰極向陽極移動(dòng)時(shí)受到磁場力的作用，結(jié)果使電子偏離原來的方向而呈圓周狀運(yùn)動(dòng)。不同的磁場與電場比值使電子具有不同的圓周運(yùn)動(dòng)半徑。在某一特定的電壓及磁場值下，正好電子能繞陰極旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，雖然在陰極與陽極間加1有直流電壓，但是在外電路不會(huì)出現(xiàn)陰極電流。只有陽極電壓超過某一壓值時(shí)，在外電路里才會(huì)出現(xiàn)電流。這一狀態(tài)稱之為臨界狀態(tài)。如果陽極陽極電壓繼續(xù)升高，那么電子運(yùn)動(dòng)的半徑會(huì)超過陽極的內(nèi)徑，電子在作用空間作一定狀態(tài)的圓周運(yùn)動(dòng)并最終打到陽極。磁控管的功能就是能產(chǎn)生一定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子，把電子由電場中獲得的能量在到達(dá)陽極的過程中不斷地轉(zhuǎn)換為諧振腔中高頻振蕩所需的能量，并以一定頻率發(fā)射。能進(jìn)行能量交換的高頻圓周運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的電子，要靠陽極上諧振腔的作用。陽極有偶數(shù)個(gè)諧振腔，或稱“槽路”。在磁控管工作時(shí)，相臨諧振腔上的磁場方向相反，其翼片上的電場方向也相反，即在二相臨諧振腔間有180度的相位差，通常稱為磁控管的π模振蕩。由于腔內(nèi)存在著高頻電磁場，因此在高頻率電場為負(fù)的翼片附近，高頻電場與直流電場方向相反而部分抵消，因此，在陰極發(fā)射的電子，如果是處于陽極的翼片為負(fù)的位置，電子就會(huì)比沒有高頻場時(shí)慢。當(dāng)電子受磁場力的作用而反時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)時(shí)，處于正高頻場附近的電子的運(yùn)動(dòng)速度將大于處于負(fù)高頻場附近的電子運(yùn)動(dòng)的速度，其結(jié)果是，在兩極之間的腔中作圓周運(yùn)動(dòng)的電子將出現(xiàn)“集聚”現(xiàn)象，均勻的電子分布變成了“翼狀電子云”，繞著陰極軸心旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)然，使電子從這一翼片到下一翼片時(shí)，翼片上和高頻場要正好改變一次方向，所要加的陽極電壓稱之為同步電壓。電子的這種旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了高頻電磁場的諧振，解釋如下：陰極以一定的速度發(fā)射電子，當(dāng)電子旋轉(zhuǎn)到諧振腔翼片附近時(shí)，如果外加電場正好使翼片處電場為負(fù)，那么它將對電子有排斥作用，使電子速度降低，電子速度降低而所損失的能量不會(huì)消失，而是將能量交換給了高頻電磁場，電子在繞陰極旋轉(zhuǎn)的過程中，每經(jīng)過一個(gè)腔體翼片，均受到一次減速而失去一部分能量，直到其到達(dá)陽極為止。電子在這一過程中損失的能量變成了高頻場的能量，再有無線輻射出去。沒撞到陽極上的磁控管中的電子，由于受場作用力而重新返回到陰極附近，當(dāng)電子返回到陰極附近時(shí)，它又受到電壓的加速而飛向陽極，進(jìn)行第二次能量交換，循環(huán)往復(fù)直到最后落到陽極上。在陽極上，電子將其剩余的能量最終變成了熱能。由此可見，電子是微波產(chǎn)生的客體，磁控管是電子云的工作間。在磁控管工作時(shí)，整機(jī)設(shè)備上設(shè)有防止勵(lì)磁電流突然消失的裝置，以免正在工作的磁控管在失去磁場時(shí)，管內(nèi)強(qiáng)大的電子云打上陽極使磁控管燒毀。
3、速調(diào)管簡介
在要求頻率較高而功率很大的場合，用磁控管已不能滿足要求，這時(shí)通常采用多腔速調(diào)管。多腔速調(diào)管是一種放大器，而磁控管則是一種振蕩器。為了可以用很小的功率來推動(dòng)速調(diào)管而獲得功率，這就要求速調(diào)管采用多個(gè)諧振腔，稱為多腔速調(diào)管。速調(diào)管在效率方面比磁控管低，結(jié)構(gòu)也較復(fù)雜，但單管可以獲得的功率比較大，工作壽命也比磁控管長。多腔速調(diào)管的效率在工作時(shí)可以達(dá)到60%左右，低于磁控管。所以在微波化學(xué)污水處理技術(shù)中催化的微波源只采用磁控管發(fā)射。
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