磁控管结构及工作原理

电气知识 2022-08-06

  磁控管结构

  1.阳极

  阳极是磁控管的主要组成之一,它与阴极一起构成电子与高频电磁场相互作用的空间。在恒定磁场和恒定电场的作用下,电子在此空间内完成能量转换的任务。磁控管的阳极除与普通的二极管的阳极一样收集电子外,还对高频电磁场的振荡频率起着决定性的作用。

  阳极由导电良好的金属材料(如无氧铜)制成,并设有多个谐振腔,谐振腔的数目必须是偶数,管子的工作频率越高腔数越多。

  2.阴极及其引线

  磁控管的阴极即电子的发射体,又是相互作用空间的一个组成部分。阴极的性能对管子的工作特性和寿命影响极大,被视为整个管子的心脏。

  阴极的种类很多,性能各异。连续波磁控管中常用直热式阴极,它由钨丝或纯钨丝绕成螺旋形状,通电流加热到规定温度后就具有发射电子的能力。这种阴极具有加热时间短和抗电子轰击能力强等优点,在连续波磁控管中得到广泛的应用。

  此种阴极加热电流大,要求阴极引线要短而粗,连接部分要接触良好。大功率管的阴极引线工作时温度很高,常用强迫风冷散热。磁控管工作时阴极接负高压,因此引线部分应有良好的绝缘性能并能满足真空密封的要求。为防止因电子回轰而使阳极过热,磁控管工作稳定后应按规定降低阴极电流以延长使用寿命。

磁控管结构及工作原理

  磁控管工作原理

  磁控管通常工作在π模,相邻两个谐振腔腔口处微波电场相位正好相差180°,即微波电场方向正好相反(图2)。虽然这种微波场为驻波场,但在π模的情况下,相当于两个相同的微波场在圆周上沿相反的方向运动,两个场的相速值相等。从阴极发射出的电子在正交电磁场作用下作轮摆线运动。调节直流电压和恒定磁场,使电子在圆周方向的平均漂移速度v=E/B正好等于在其方向上运动的一个微波场的相速v(式中E是直流电压在互作用空间产生的直流电场平均值,B为轴向恒定磁感应强度),电子就可以与微波场作同步运动。

  在同步运动过程中,处在微波减速场中的那部分电子将自己的直流位能逐渐交给微波场,并向阳极靠拢,最后为阳极所收集。这部分电子向微波场转移能量,有利于在磁控管中建立稳定的微波振荡,故称为有利电子。处在微波加速场的那部分电子从微波场获得能量并向阴极运动,最后打在阴极上。这部分电子称为不利电子。不利电子在回轰阴极时打出大量的次级电子,使互作用空间电子的数量因之增加。最大减速场区是电子的群聚中心。在它两旁的电子都受到向这个群聚中心靠拢的力而向群聚中心运动。最大加速场区是电子的散聚中心,附近的电子都受到背离散聚中心的力,分别向左右两边运动,转化为有利电子。

  这样,在振荡建立过程中不利电子越来越少,有利电子越来越多,并向群聚中心集中,逐步在互作用空间形成轮辐状电子云。这种处于不同相位下的电子在互作用空间自动群聚成轮辐状电子云的现象,称为自动相位聚焦。在互作用空间的微波场,随着远离阳极表面而指数衰减。因此,在阴极表面的微波场极弱,对电子的群聚作用极小,在阴极附近不会形成明显的电子轮辐,而是形成几乎均匀分布的电子轮毂。

  磁控管在互作用空间的电子中有利电子占绝大多数,而且均在向阳极运动过程中,有利电子回旋的时间又较长,它们能够充分地将直流位能轮换成微波能量;回轰阴极的电子比较少,而且它们从阴极发射后不久就打在阴极上,因而从微波场吸收能量也较少。这样,互作用空间全部电子与微波场相互作用的总的效果是,电子将直流位能交给微波场,在磁控管中建立起稳定的微波振荡。

  微波炉磁控管的构造原理

  磁控管是微波炉的关键器件,主要由管芯和磁铁两部分构成,如图1。管芯由阴极、灯丝、阳极、天线(波导管)等构成。

磁控管结构及工作原理

  其工作原理是:存接通电源后,高压变压器次级灯丝线圈两端产生的3.3V交流电给磁控管灯丝供电。与此同时,高压绕组产生的约2000V交流高压经高压电容限流,二极管整流后得到约2000V的直流高压加至磁控管阳极,形成加速电场(阳极接地,实际卜是阴极为负2000V,见图2),使阴极(分直热式和间热式两种,图2中为直热式)发射的电子向阳极加速运动。在电子向阳极加速运动的过程中还要受到永久磁铁所形成的垂直方向上的强磁场作用,因此电子是边旋转边向阳极加速运动(就像子弹在枪管中的运动一样),旋转速度也不断变快。阳极做成内齿轮状(见图1b),形成偶数个空腔,称为谐振腔。每个谐振腔就是一个微波谐振器,其谐振频率取决于谐振腔尺寸。电子存通过扇形谐振腔时会发生振荡,且频率不断升高。当顿率达到2400MHz以后便形成微波,由波导管口发射,再传输到炉膛内对食品加热。