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微波炉用磁控管失效机理的探讨 电子科技大学张兆镗 无论是家用微波炉,还是采用炉用磁控管的大型L l :_ q k 微波力热设备,其中磁控 管的失效通常表现在: 1 阳极损坏:由于阳极端面存在局部烧毁或严重变形,或阳极块两端的隔模带 的变形造成相互短接或与阳极的短接导敛谐振系统的变态或消失,管子无法币常起 振,这主要是t :l - J 于阳极散热严重4 :足而又无合适的保护措施造成的,但这种失效情 况属于非正常的寿命终了,因此,只要措施得当是完全可以避免的。 2 能量输出器即天线的损坏:L 1 二管子L 作在雷基图( 负载特性曲线) 刁;恰当 的相位区中造成高频输出电流过大会造成天线烧断,或输出端陶瓷炸裂,或天线帽 局部烧毁等现象。家用微波炉腔与管j r 的严重失配,_ l i _ q k 微波炉中的各管位蹬的配 筒不当,或空炉运行等都会产生上述失效现象。 3 阴极损坏:阴极是磁控管的心脏,它的寿命主宰了磁控管的工作极限,正常 情况下,只要合理使用,寿命可以达到数千小时,很久以前,原美国R C A 公司曾 使磁控管的寿命高达二力多小时,创下了世界记录。但目前炉用磁控管的失效,绝 大多数表现为阴极寿命的提前终了。本文重点探讨这一失效机理。 近年来,由于微波炉用磁控管价格低廉,使得国内外许多微波设备厂商都采用 多管功率合成的方法来代替单管的火功率微波源,但由于功率合成技术需要每个管 予的频率和相位一致,并且还需配置相当复杂的微波网络,因此成本高昂,很难为 人们所采纳。所以目前我们看到的都是采用在炉腔的顶部或侧壁上配置为数众多( 从 几只到百余只) 的炉用磁控管,虽然在i 5 ; 计时也考虑了各管之间的相剥位髓、距离、 极化面的合理分斫i ,但都无严格的理沦分析和计算,也很难通过实验测量的方法来 找到这些馈口的最佳配置。于是设备制成后就极有可能产生各管之间的交叉耦合现 象,这种现象的后果,轻则降低各管的输出功率和效率,重则损坏管子,使管予产: 生非寿命终了的失效。这种现象实际上与相控阵天线设计中遇到的各天线元之问的 互耦现象是非常类似的。从相控阵天线理论中我1 f i n n 道,这种各天线元之I W 的耦合 产生四个效应,其中一个就是改变了每一个辐射元的输入阻抗,使其与单独辐射的 输入阻抗发生了改变。在多管馈能时与单管馈能时的这一阻抗的改变,就会导致耦 合效率的变化。如果我们在设计单管馈能时达到了最佳匹配,那么这科咬叉1 i 耦现 象的出现只会导致耦合效率的下降,导致输出功率的下降。这一下降程度则取决1 二 交叉耦合的情况,目前尚无非常成功的设计范例和程序,而完全依靠实际经验来摸 索。 通常在炉用磁控管中都采用耐轰击性能好,抗载能力强,可以在较宽的温度范 围内工作,结构简单的直热式敷钍钨阴极,它与纯钨阴极在性能一I - :有较大的差异( 见 表1 ) 。实际上,敷钍钨阴极是在纯钨阴极中加入( O 5 2 ) 的氧化钍再经碳化处删 后青4 成的,由表1 可见这种阴极比纯钨阴极发射效率离得多,二次发射系数和发射 密度都高出一倍左右,而工作温度却低于纯钨阴极5 0 0 6 5 0 ”C 。由此可见钍钨| I = I 极 有许多优点。在单管或多管使用中,尤其是后者,往往处在交叉互耦的不利条件 ;, 严重时会造成输出急剧下降,管内微波功率无法证常输出,这些已振荡的微波功率 就耗散在管内阳极阴极及天线三个部件上,特别是阴极吸收微波功率后造成温度过 离,最终导致钍原子的大量蒸发,发射性能下降甚至丧失。其外在表现为管予无微 波功率输出,而灯丝完好,没有断路现象,阳极高压也能加上,就是没有输出功率。 工作温皮 辐射功率 发射效率 阴极材料发射密度二次发射系数 K1 1 “ f ,1 2 1 1 1 ,f W W2 4 5 0 2 6 5 0O3 O 77 0 8 44 81 3 T h W19 5 0 2 0 0 00 7 1 51 4 2 25 0 7 02 5 表1 从管内钍钨阴极的工作原翌E 中知道,这种阴极的发射电流是由阴极中的活性物质 ( 钍原子) 表面的电子蒸发与从内 : | 向表面扩散的电子补充形成,当二者取得j I 衡 时,最终达到稳定。但当灯丝温度过i 暂时,钍原予的电子蒸发超过了电子补充;相 反,温度过低时,电子补充减慢,不管那种t i i “ 况,都会引起电子发射能力的下降, 这就成为寿命缩短的主要原因。 因此,在管予工作刚对灯丝电压有一个| j | i ! 定的范围,通常在I o 之内,最好:I : 作在额定灯丝电压的标准值下。 另一方面,由于磁控管工作时管予内在匝I 有的电子回轰会导致 j i | 极温度I I , J - Y l 高, 其温升程度因工作条件而异,通常为5 0 1 0 0 K ,但输出功率较高的磁控管可达1 0 0 K 以上。在图l 中示出了阴极温升与灯丝电压的关系,并且还可看到静态特性与起振 后特性两者的差异,这一差异就是起振后的I U 予对阴极的回轰造成的。 TK(K)TK(K) v f ( v ) b ( m A ) 幽1幽2 在图2 中示出了阴极温升与阳极平均工作电流之间的关系,从图中也可M 接看 到随着电流的增大电子回轰加剧的后果。在阁3 中示出了阴极温升与负载驻波比问 的相互关系。由图可见,随着负载失配程度的加剧,阴极温度会逐步升高( a ) ,即使 在同一驻波比情况下,不同的相位对温升也是不同的,在某些相位时几乎没有影响, 而在另一些相位时,却存在相当大的温升。 在采用多管馈能的微波炉腔中,情况要复杂得多。对单管来晚,最大的失配就 是全反射,这时管内振荡功率无法输出而全部耗散在管内:但在多管系统中,向某 一管子耦合进去的是许多管子功率的某种叠加,这一总功率会超过甚至会大大超过 单管的输出功率,从而造成某一管内阴极的急剧温升,使得钍原予大量蒸发而变成 纯钨阴极。如果仍然采用原有的电源变压器,不变的灯丝电压,管子就无法起振, 即使起振,也只会激励在非z 模式上。这就是通常所蜕的“跳模”现象。 磁控管的正常寿命过程也就是阴极中钍原予的不断蒸发过程,这利一钍原予的蒸 发减小是不可逆的,但在正常工作过程中,这种蒸发过程是缓慢的,因此期望 T K ( K ) T K ( K ) ( a )( b ) 【冬f3 寿命可达数千小时。但在非正常的失效小,这一蒸发速度随温升增大而迅述增人, 可以在短短的时划内使阴极中的钍原丫蒸发殆尽,l J 1 极电予发射能力急剧F 降,使 得“”模式”无法起振,这就是m j i f 多I j ;馈能的:刚k 微波加热i 5 ; 符I I 最常见的现象。 如果这时我们适当提高灯丝电压加大灯丝f 乜流以提高f 1 极的一f :作温度,使其_ 作在纯钨阴极相应的额定温度一卜,管予还是能够工作于”z 模式”卜,但I l I 于f I ! l 极辐 射功率的提i 萄,阳极端面的温升会比原钍钨阴极时商得多,因此仍然采圳5 微风冷 的方法显然是不合适的了,这时应改为水冷极以保护阳极及隔模带不敛凶温升过 高产生严重变形,但输出功率及效率”聃会F 降一些,寿命当然也= _ _ f i 会太K
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