高功率脉冲微波系统的研制

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)北京真空电子技术研究所 作者:王宗华

  介绍了高功率脉冲微波系统的工作机理及应用,提出了采用刚管高压脉冲调制器作为激励源技术,利用脉冲磁控管输出高功率脉冲微波以及谐振腔体处理物料的设计思路。详细阐述了高压脉冲调制器、微波头、谐振腔体三个部分的设计方案,通过合理的结构设计完成了整机的研制,为探索脉冲微波的非热效应机理研究及应用提供了有利依据。

  自上世纪六七十年代以来,微波作为非通讯领域中的一种崭新能源,以其高效节能的热效应以及某些神奇的非热效应,已经在工业、农业、医疗以及家庭等领域获得了十分广泛成功的应用。进入90年代,微波能技术又开始高速步入生物、化工、新材料、微电子等高新科技领域,并日益显示出其应用潜力和独特的优越性。

  微波源主要分为连续波微波源和脉冲微波源两种。连续波微波源具有电源简单、易于控制、适应负载能力强、效率高、易于合成、成本低廉等特点,目前已在多个领域得到了产业化应用。而在一些不宜使用高热效应,并且需要利用高功率脉冲微波辐射的应用领域,脉冲微波源则能很好地满足这种需求。高功率脉冲微波技术多应用于雷达技术、医用加速器和工业加速器等方面,由于整套系统技术难度大,制造成本较高,限制了该项技术在其它领域中的应用。随着近十几年微波技术水平的发展提高,在其它领域也逐渐开展了脉冲微波技术的应用研究,并取得了一些成果。为此,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为需要研制一套高功率脉冲微波系统来进行相关特性实验,为探索脉冲微波的非热效应的机理研究及应用提供一个平台。

1、脉冲微波源的工作机理及应用

  采用高压脉冲调制器技术,将微秒级宽度的高压脉冲加到脉冲磁控管上,使其产生脉冲功率达到数百千瓦至几兆瓦(而平均功率只有几百瓦至几千瓦)的高功率、周期性的脉冲微波能量,通过微波传输系统以及谐振腔体作用到被处理的物料上,使物料在极短时间内受到高能量的微波照射,而又不会使物料温度得到明显升高,从而实现了利用周期性瞬时高功率脉冲微波能量而平均功率很低的脉冲微波处理技术。

  根据上述机理研制了一套脉冲微波系统,该系统主要利用脉冲微波的非热效应,面向银行人民币纸币的灭菌消毒、医疗废弃物的处理、特种物料改性等方面应用,可实现低升温灭菌消毒及物料改性,同时还能保持被处理物的原有成分不变化、无损伤。相对于传统的连续波微波源,在某些应用领域中具有很好的实用性和推广价值。

2、脉冲微波系统的设计思想及技术指标

  2.1、设计思想

  考虑到利用高功率脉冲微波系统机进行相关实验的要求,并综合设备性价比和设备运行稳定性的要求,选取了778厂的CKM-121A脉冲磁控管作为核心器件,然后围绕它来搭建整个系统。采取刚管高压脉冲调制器作为激励源,可连续调节脉冲宽度,以输出多种模式的脉冲微波,获取不同的实验结果。谐振腔体采用方形不锈钢结构,配有前开门方便物料放置。系统组成框图如图1所示。

高功率脉冲微波系统组成框图

图1 高功率脉冲微波系统组成框图

  2.2、主要技术指标

  脉冲微波技术指标:微波频率范围1220~1350MHz;频谱宽度小于等于0.6MHz;微波脉冲功率大于400kW;平均输出功率大于等于530W。脉冲调制器技术指标:脉冲电压Ulmax=29kV;工作比Dmax=0.12%;调制脉冲宽度τ=1~5μs;调制工作频率fr=100~600Hz;平均电流Imax=45mA。

4、应用及前景展望

  高功率脉冲微波系统调试完成后,经检测能够输出400kW 以上的脉冲微波功率,并能长时间连续稳定工作,交由客户做相应实验。客户进行了多次仿纸币杀菌消毒试验、多种磁卡灭菌消毒实验,取得了初步实验数据,有一定的灭菌效果。但由于目前微波灭菌的原理以及微波非热效应的灭菌机理仍然不太明确,还需要多种专业的技术人员做大量的实验分析及研究工作。

  总之,这台高功率脉冲微波系统提供了一个完善的实验平台,对于推动脉冲微波的应用与研究创造了条件。今后,我们还将研制出更高脉冲功率及更高场强腔体结构的微波系统,为推动微波能的更大发展而努力。

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