МАГНЕТРОН ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОГО НАГРЕВА

Полезная модель относится к магнетронам непрерывного действия и может быть использована, в частности, для применения в перспективных системах нагрева на частоте 915 МГц.
Наиболее массовым СВЧ генератором является магнетрон на частоту 2450 МГц мощностью около 1 кВт, который выпускается фирмами LG, Samsung, Toshiba и др. и устанавливается в бытовые микроволновые печи. Благодаря дешевизне и доступности этот магнетрон используется также в научных исследованиях и в системах промышленного нагрева. Однако его недостатками является малая глубина проникновения электромагнитной волны в материал на частоте 2450 МГц (малая глубина нагрева) и большой уровень внеполосных шумов. Поэтому для устранения отмеченных недостатков и расширения области применения микроволнового нагрева не прекращаются попытки создания магнетронов невысокой мощности (1-5 кВт) на частоте 915 МГц. На частоте 915 МГц имеются магнетроны с мощностью до 100 кВт и КПД до 90%, однако их применение на уровне 1÷5 кВт невыгодно из-за высокой цены самих магнетронов и их источников питания при больших габаритах и массе.
Задачей, на решение которой направлена полезная модель, является создание магнетрона на частоту 915 МГц мощностью не менее 3÷4 кВт в непрерывном режиме при минимальных габаритах и массе и напряжением анода 4,5÷5,5 кВ.
Известен магнетрон на чистоту 2450 МГц для бытовых печей, состоящий из трех основных узлов: анодного блока, содержащего резонаторную систему и осевой коаксиальный вывод энергии, катодно-подогревательного узла, содержащего спиральный прямонакальный катод и держатель катода, и магнитной системы, содержащей полюсные наконечники, два кольцевых магнита и внешнюю стальную арматуру (патент ЕР 1385191 B1, H01J 25/587, публ. 2006 г.).
Для создания магнетрона, работающего на частоте 915 МГц, необходимо прежде всего изменить (заменить) резонаторную систему.
При переходе от частоты 2450 МГц на более низкую частоту 915 МГц увеличивается диаметр резонаторной системы, потому что нужно увеличить емкость или индуктивность (по отдельности или одновременно) в соответствии с формулой резонансной частоты магнетрона:
,
где L - индуктивность ламелей,
а
С - емкость на концах лопаток (емкость анодная),
св
С - емкость связок.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели по решаемой задаче является магнетрон для микроволнового нагрева, рабочая частота которого находится в диапазоне 100-400 МГц, содержащий анодный блок, состоящий из цилиндра, шести анодных секций специальной формы, примыкающих одними концами к внутренней поверхности цилиндра и расположенных радиально к оси цилиндра с образованием другими их концами соосного с цилиндром анодного отверстия, и более двух пар концентричных кольцевых связок, соединенных с соответствующими торцами анодных секций через одну с образованием трех мест соединения на каждую связку, катодно-подогревательный узел, источник магнитного поля (патент RU 2214647, H01J 25/587, публ. 2006 г.).
В указанном патенте предлагается увеличить индуктивность путем выбора специальной формы анодных секций и связок, число которых более двух на каждом конце анодного блока. Однако это не позволяет достичь минимального диаметра анодного блока, усложняет конструкцию и технологию производства из-за Т-образных анодных секций и большого числа связок.
Техническими результатами, которые обеспечиваются полезной моделью, являются уменьшение массогабаритных показателей, повышение предельной мощности магнетрона и КПД, уменьшение уровня шумов, уменьшение мощности накала, возможность работы при анодном напряжении 5±0,5 кВ.
Уменьшение массогабаритных показателей обеспечиваются тем, что магнетрон для микроволнового нагрева содержит анодный блок, состоящий из цилиндра, десяти лопаток, примыкающих одними концами к внутренней поверхности цилиндра и расположенных радиально к оси цилиндра с образованием другими их концами соосного с цилиндром анодного отверстия, и двух пар концентричных кольцевых связок, соединенных с соответствующими торцами лопаток через одну с образованием пяти мест соединения на каждую связку, катодно-подогревательный узел, два расположенных соосно с цилиндром анодного блока полюсных наконечника со сквозными центральными отверстиями, два кольцевых магнита, установленные на полюсные наконечники, и коаксиальный вывод энергии, при этом лопатки в области присоединения к внутренней поверхности цилиндра выполнены высотой на 30÷60% меньше высоты лопаток со стороны анодного отверстия, кольцевые связки выполнены высотой 15÷20% от высоты лопаток со стороны анодного отверстия, а радиальное расстояние между концентричными кольцевыми связками составляет 15÷20% от их высоты.
Расположение мест соединения кольцевых связок с торцами лопаток симметрично относительно плоскости, проходящей перпендикулярно оси цилиндра анодного блока через середину высоты лопаток, позволяет повысить предельную мощность магнетрона и его КПД.
Для уменьшения мощности накала катодно-подогревательный узел косвенного накала может быть выполнен в виде состоящего из установленного в анодном отверстии цилиндрического керна из молибденовой или никелевой трубки толщиной не менее 1 мм, с нанесенным на ее поверхность оксидным покрытием и размещенного внутри него спирального подогревателя.
отв
к
кон
a
цил
пол
к
a
пол
Повышение КПД и снижение уровня шумов обеспечивается тем, что каждый полюсный наконечник выполнен в виде обращенных к анодному блоку охватывающего кольца и примыкающей к нему конусной частью, при этом диаметр сквозного отверстия полюсного наконечника d=(1÷1.3)d, наружный диаметр торца конической части полюсного наконечника, обращенного к анодному блоку, d=(1÷1.2)d, внутренний диаметр цилиндрической части полюсного наконечника d=(1÷1.2)h, где d - диаметр катода, d - диаметр анодного отверстия, h - расстояние между полюсными наконечниками.
Сущность полезной модели поясняется следующими фигурами.
На фиг.1 показан продольный разрез магнетрона.
На фиг.2 отдельно показано взаимное расположение полюсных наконечников и катодно-подогревательного узла.
Магнетрон для микроволнового нагрева содержит анодный блок, состоящий из цилиндра 1, десяти лопаток 2 и двух пар концентричных кольцевых связок 3, 4 и 5, 6.
a
Лопатки 2 расположены радиально к оси цилиндра 1 и примыкают одними концами к внутренней поверхности цилиндра 1 равномерно, а другие их концы образуют соосное с цилиндром 1 анодное отверстие диаметром d.
Лопатки в области присоединения к внутренней поверхности цилиндра 1 имеют высоту h, а со стороны анодного отверстия - высоту Н, причем высота h на 30÷60% меньше высоты Н.
Лопатки 1 вблизи анодного отверстия имеют по два паза с каждого торца, в которых размещены две пары концентричных кольцевых связок 3, 4 и 5, 6: связки 3 и 4 - со стороны верхнего торца, а связки 5 и 6 - со стороны нижнего торца лопаток 1, при этом наружные связки 3 и 6 соединены, например, с четными, а внутренние связки 4 и 5 - с нечетными лопатками 1, т.е. через одну лопатку 1 с образованием пяти мест соединения на каждую связку. В результате этого места их соединения оказываются расположенными симметрично относительно плоскости, проходящей перпендикулярно оси цилиндра анодного блока через середину высоты лопаток 1.
Высота кольцевых связок 3-6 составляет 15÷20% от высоты Н лопатки, а радиальное расстояние между кольцевыми связками 3 и 4 и кольцевыми связками 5 и 6 составляет 15÷20% от их высоты.
В анодном отверстии анодного блока соосно с ним на держателе 13 установлен катодно-подогревательный узел косвенного накала. Он выполнен в виде цилиндрического керна 7 с эмиссионным покрытием и спирального подогревателя 8.
Цилиндрический керн представляет собой трубку из никеля или молибдена толщиной не менее 1 мм, например, 1, 2 мм. На наружную поверхность трубки нанесено оксидное покрытие.
Спиральный подогреватель 8 расположен внутри цилиндрического керна.
отв
Над и под анодным отверстием анодного блока расположены два обращенных к нему полюсных наконечника 9 и 10 со сквозными центральными отверстиями диаметром d.
цил
отв=
к
кон
a
цил
пол
к
a
пол
Каждый полюсный наконечник 9 и 10 выполнен в виде обращенных к анодному блоку охватывающего кольца с внутренним диаметром d и примыкающей к нему конусной частью. При этом диаметр сквозного отверстия полюсного наконечника d(1÷1.3)d, наружный диаметр торца конической части полюсного наконечника, обращенного к анодному блоку d=(1÷1.2)d, внутренний диаметр цилиндрической части полюсного наконечника d=(1÷1.2)h, где d - диаметр катода, d - диаметр анодного отверстия, h - расстояние между полюсными наконечниками.
Полюсные наконечники 9 и 10 установлены соосно с цилиндром 1 анодного блока и закреплены в его верхней и нижней частях, соответственно. На полюсные наконечники 9 и 10 установлены два кольцевых магнита 11 и 12.
Полюсный наконечник 10 имеет боковое отверстие, через которое коаксиальный вывод энергии соединен с торцом одной из лопаток 1 анодного блока.
Уменьшение габаритов магнетрона обусловлено выбором простой резонаторной системы с десятью лопатками и так называемыми «тяжелыми» связками большой емкости, обеспечив одновременное увеличение емкости связок и индуктивности лопаток.
Для увеличения индуктивности лопаток их высота h была уменьшена на 30÷60% в области, примыкающей к цилиндру анодного блока, как показано на фиг.1. Дальнейшее уменьшение высоты лопаток ограничивается необходимостью отвода тепла, выделяющегося на концах лопаток при работе магнетрона.
Увеличение емкости связок достигается за счет увеличения высоты колец и уменьшения зазора между ними.
Однако при увеличении емкости связок обнаружилась проблема -электрическое СВЧ поле колец связи нарастает и проникает в рабочее пространство анод-катод. Кроме того, появляется поле между связками, расположенными на разных сторонах анодной системы. Эти обнаруженные эффекты искажают поле основного π-вида, что приводит к снижению предельной мощности магнетрона и его КПД. Для уменьшения искажений, вносимых «тяжелыми» связками, контакты связок с лопатками, в отличие от всех известных конструкций, выполнены симметрично, как показано на фиг.1.
Таким образом, уменьшение габаритов достигнуто путем одновременного увеличения индуктивности лопаток и емкости двухсторонних связок при симметричном подключении связок к лопаткам. Это позволило сохранить простоту конструкции (лопатки могут быть изготовлены из пластин, как и в магнетронах массового производства для бытовых печей), а также уменьшить до минимума диаметр резонаторной системы.
Дополнительным результатом является использование оксидного катода, имеющего самую низкую рабочую температуру и, соответственно, самую низкую мощность накала среди известных катодов. В магнетронах для бытовых печей (1 кВт, 2450 МГц), как известно, в качестве катода используется спираль из карбидированного торированного вольфрама, содержащая вредную окись тория и отличающаяся повышенной хрупкостью. Это ограничивает применение спирали в приборах большей мощности, требующих катода больших размеров.
Применение оксидного катода в мощном магнетроне ограничивается явлением обратной электронной бомбардировки катода, вызывающей его дополнительный нагрев. Для исключения перегрева катода приходится снижать или вовсе выключать напряжение накала. В рассматриваемом случае этого оказывается недостаточным из-за большой мощности обратной электронной бомбардировки. Дело в том, что верхний конец катода охлаждается за счет отвода тепла по держателю 13 (фиг.1). Как показали теоретические расчеты, при большой мощности обратной бомбардировки, которая растет пропорционально выходной мощности магнетрона, перепад температуры по керну катода может составить 100°С и более. Тогда нижний конец катода оказывается нагретым до слишком высокой температуры, а верхний - холодным, не обеспечивающим требуемую плотность тока, то есть работает только часть катода (40÷60%). Для обеспечения рабочего тока приходится увеличивать высоту катода и, соответственно высоту анодного блока H.
Предлагаемое решение состоит в увеличении толщины никелевой трубки 7 от обычных размеров 0,1÷0,2 мм до 1 мм и более, а также в применении трубки из молибдена, имеющего вдвое более высокую теплопроводность, чем никель. Тогда перепад температуры по керну катода 7 не превышает 30°С, вся поверхность катода обеспечивает примерно одинаковую плотность тока и используется на 95÷100%.
В предлагаемом магнетроне применен оксидный катод, способный обеспечить запуск магнетрона при меньшей мощности накала (25 Вт против 46 Вт у магнетрона 2М246 фирмы LG для бытовых печей), причем после возбуждения магнетрона накал выключается.
Другим дополнительным результатом является улучшение однородности магнитного поля путем выбора оптимальной формы полюсных наконечников. Это обусловлено особенностью электронных процессов в магнетроне.
z
z
Критерий качества магнитной системы вытекает из требования равномерного распределения тока по высоте катода. Представив реальный магнетрон как совокупность n элементарных магнетронов малой высоты H/n с осевым магнитным полем B(z) и одинаковым напряжением анода, можно утверждать, что ток элементарного магнетрона определяется величиной магнитного поля: чем больше магнитное поле, тем меньше ток элементарного магнетрона. Следовательно, для равномерной нагрузки катода требуется не только одинаковая температура поверхности катода, но и одинаковое по высоте магнитное поле B(z). Расчетные оценки для предлагаемой полезной модели дают допустимую неоднородность магнитного поля не более 3%. Известные простые наконечники магнетрона-аналога (патент ЕР 1385191 В1) дают неоднородность магнитного поля не лучше 5÷10%.
Применение полюсного наконечника, состоящего из конуса и охватывающего цилиндра с предлагаемым соотношением размеров позволяет получить однородное магнитное поле, что обеспечивает примерно одинаковую плотность тока и использование катодной поверхности на 90÷95%.
Кроме того, проведенные эксперименты обнаружили, что однородность магнитного поля дает дополнительное преимущество, а именно уменьшение шума магнетрона на 10÷15 дБ. В отличие от аналога ЕР 1385191 В1 снижение шума достигается без выбора специальных размеров связок, имеющих более важное значение для уменьшения диаметра резонатора.
Таким образом, предлагаемое выполнение катодно-подогревательного узла и полюсных наконечников обеспечивает выравнивание температуры и магнитного поля вдоль катода. Это способствует наиболее полному использованию поверхности катода, увеличению предельной мощности магнетрона, что в итоге позволяет уменьшить высоту анода Н и, соответственно, высоту кольцевых магнитов.
С помощью компьютерного моделирования было установлено, что для обеспечения работы магнетрона при анодном напряжении 5±0,5 кВ размеры его анодного блока и катода должны находиться в следующих пределах
- высота анодного блока - от 15 до 25 мм;
- диаметр анодного отверстия - от 15 до 17 мм;
- внутренний диаметр цилиндрической части анодного блока не более 70 мм,
- диаметр эмиссионного покрытия катодного керна в пределах от 8,6 до 9,2 мм.
5
Макет магнетрона был успешно испытан и продемонстрировал выходную мощность 4,7 кВт при КПД около 78%, причем при увеличении СВЧ мощности выше 400 Вт накал выключался. Напряжение анода около 5 кВ обеспечивалось с помощью постоянных кольцевых магнитов из сплава SmCo.