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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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 )
8、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
9、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
