30kW连续波磁控管的研制

　　本文叙述了大功率连续波磁控管的研制成果，该管为2450MHz、大功率、水冷、非包装式、全金属陶瓷结构、固定频率连续波磁控管，该管最大工作效率可达72%，最大连续波输出功率可达30kW，主要用于工业加热和等离子体应用，该管的研制成功为国内微波能应用提供了高效率的微波源。

　　连续波磁控管主要用于微波加热，其机理是基于微波与物质分子相互作用产生的热效应。磁控管作为一种高效率的大功率微波电真空器件，适用于微波能的应用。近年来由于工业生产、城市生活和节能环保的需要，只有采用大功率、性能好的连续波磁控管才能满足需求。目前，磁控管仍然是现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、低成本的方向发展。

1、关键技术

　　按照国际上规定，连续波磁控管专用频率点是915，2450，5800MHz。目前国内外常用的是915和2450MHz。本文所研制的连续波磁控管频率为2450MHz，单管最大输出功率为30kW，已经达到了国际同类磁控管的技术水平，该管的研制成功填补了国内这一领域的空白，为国内微波能的广泛应用提供了高效率的功率源。

　　目前10kW 以下的连续波磁控管，结构上多数与普通磁控管差别不大。但是当单管功率达到30kW 时，由于其输出功率很大，因而在阴极类型的选择、能量输出器的结构、工作磁场的方式等方面与一般磁控管有很大的差别，设计的重点与关键技术突破也在于以上几个方面。

　　1.1、阴极设计考虑

　　大功率连续波磁控管阴极采用直热式金属阴极，这种阴极结构相对简单，不易变形，预热时间短，通常在1min左右。随着输出功率的增加，电子回轰阴极加剧，阴极的工作温度会快速升高，阴极表面的发射物质就会加剧蒸散，最终会使管子效率逐步降低，使用寿命大大缩短。所以大功率连续波磁控管的阴极在设计时是非常重要的。本文所研制的30kW 连续波磁控管采用直热式纯钨阴极，工作温度在2500℃左右，用钨带绕成单螺旋形状，最大钨丝电流达到100A，实际工作最小电流54A。当输出功率达到满功率时，灯丝电流降至3A。

　　在设计钨丝上端的屏蔽帽和下端的支持帽与灯丝的焊接连接方式时，经过多次设计改进和工艺试验，最终采用了氩弧焊连续点焊。这种焊接工艺与国外同类管子所用高温焊料钎焊的方式相比，不仅保证了钨丝在工作时的机械强度，同时又降低了焊料在高温时的蒸散，延长了管子的使用寿命。阴极焊接结构示意图如图1所示。

图1　阴极焊接结构示意图

　　1.2、能量输出器设计考虑

　　现在大功率连续波磁控管的能量输出器一般采用轴向引出结构。轴向能量输出器分为对称引出和不对称引出两种。单根天线的不对称引出，在2450MHz的管子中应用最多。本文研制的30kW 连续波磁控管为了简化结构，装配合理，能量输出器为单根天线的不对称引出，天线的截面取为圆形。为了满足30kW 的功率容量和提高机械强度，该天线由圆截面的无氧铜压制成形，天线圆截面的直径为5mm(国外一般为4.5mm)，使该部分同轴线的特性阻抗变小，进一步降低了功率损耗。同时天线穿过极靴的部分也是圆形，这样更有利于提高极靴的击穿强度。

　　1.3、其它方面设计考虑

　　本文研制的30kW 连续波磁控管，磁控管输出功率可以通过外部线包磁场调节。当磁控管安装在微波头上时，采用线包产生磁场，这种结构体积小，产生的磁场均匀、效率高。由于大功率连续波功率输出，为了提高阴极耐电子回轰的能力，采用直热式的阴极，这样阴极的直径可以减小，因而腔体的腔数可以取较小的数值，本管N=12。同时为了提高电子效率，阳极的长度有所增加，这样上、下极靴两端的距离有所增加，为了保证互作用空间的磁场，在阴极的下面连接处，设计了一段导磁块，实际测试磁场增加了2×10-2　T左右，有效地提高了电子效率，减低了管子的工作电压。

2、测试结果

　　该管最终研制样管性能指标如表1所示，整管外形图如图2所示。从测试结果可以看出，该管基本达到了设计要求，电参数完全满足使用要求。

表1　30kW 连续波磁控管测试数据

图2　整管外形图

3、结论

　　30kW 连续波磁控管的研制成功，填补了国内该类型连续波磁控管的空白。随着微波能在工业、化工等领域的大量应用，可靠性高、寿命长的大功率微波源的市场需求巨大，符合国家节能减排要求，必定会带来可观的经济效益和较大的社会效益。