【正文】 質因素 定義 : 000dTdQ? ?() 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 開放式諧振腔 0 drdWWPP????(本征 Q), (衍射 Q) W為開放腔的總儲能； Pr為開放腔中的歐姆損耗功率； Pd為開放腔中的輻射損耗功率 。 波在開放腔中來回一次造成的能量損耗為： ? ?22121dWW? ? ? ?腔中波的群速為 ，能量往返一次所需的時間為 gv2gLv? ?() () () 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 單位時間內繞射能量損耗為： 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 開放式諧振腔 ? ?221212gddWvWPL?? ? ???() ? ?221221dd gWLQP v????? ? ?() 當 12 1? ? ?? ?121d d gWLQP v????? ? ?() 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 開放式諧振腔 利用 2 2, . ,p p ggk v v v c k L L q??? ?? ? ? ?∥∥? ?201241dLQq????? ??? ? ? ??() 電子槍端為全反射時，由 (),即 1 1??? ?220241dLQq????? ???? ??() 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 開放式諧振腔 當 , 時 1q?2 1?? ?2m in04d LQ ?????????() 通常 ，因此可以估算 約為數(shù)百至一千左右。當 時 , ? ?35L ?? ? ?mindQ0 d 0 d?一般情況 ,諧振頻率必須根據(jù)下述相位條件確定 ? ? ? ?1202 a r g( ) a r g( ) 2 1 , 2 , 3 ,L k z dz q q?? ? ? ? ? ?? ∥() 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 回旋行波管 回旋行波管可作為一種大功率、高效率、寬頻帶的器件。與回旋單腔管不同的是波導系統(tǒng)是非諧振型的互作用高頻電路，當回旋行波管中的工作模式為 TEmn時，波導的色散方程為 2 2 2 2 2 0ck c k c? ? ? ?∥() 在模式場波的作用下，電子注的色散方程為 0ck v s? ? ? ? ?∥∥() 電子注與波同步的條件 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 回旋行波互作用色散曲線 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 回旋行波管 ? ? ? ? 222 1k k b? ? ? ?? ? ? ? ? ?∥∥ ∥當波導場與回旋電子注相互作用時，兩者通過電子注產(chǎn)生耦合，在接近截止狀態(tài)下，由動力學理論不難得到下述電子回旋脈塞的色散方程 () ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ? ?2 2020239。0022 222, , , ,41pcc c m sc c p c cc c c s c c m s cmsc m cckv ck c k b s Wc v ck R k R J k R J k RWmk a J k aka? ??? ? ?? ? ? ? ??????? ?? ? ? ? ? ????????? ??????????????∥∥∥∥a為波導半徑， R0為電子注導引中心半徑，Rc為電子回旋半徑。 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波與電子相互作用 — 微波的產(chǎn)生 167。 回旋管（ Gyrotron） 4. 回旋行波管 當 和不存在群聚時 ， 這時 ， 波導模與回旋模之間不存在耦合 。 當 時，上述色散方程是關于 k‖ 的四次方程，將存在四個根，每一個根都可能是復數(shù)，其虛部代表波的增長率。象普通行波管中一樣，存在有四個波，其中三個為前向波，一個則為返向波。三個前向波中，一個為等幅波，一個為增長波，一個為衰減波。 0 0?? ? 0??0??中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 問題 在實驗室用網(wǎng)絡分析儀測量諧振腔的頻率，一根同軸線探針從 截止漂移管 將微波信號饋入到諧振腔，另一根同軸線探針從截止漂移管將微波信號引出回到網(wǎng)絡分析儀。實驗發(fā)現(xiàn)，探針通過漂移管往腔內伸時，諧振頻率下降；探針通過漂移管往外抽出時，頻率上升。引起這一現(xiàn)象的原因是什么？什么狀態(tài)下測出的頻率最接近真實值 ？ 網(wǎng)絡分析儀 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波加熱 167。 概述 傳統(tǒng)微波加熱 : 食物加工 , 木材、蔬菜等烘干 介質材料加熱 : 燒結 (結構 ,功能 , 納米 )、改性、焊接 , 粉末金屬加熱：快速、性能增強、磁感應加熱 微波化學：加速反應，提高產(chǎn)率或新物質合成 鐵電、鐵磁、光學和光電材料的合成，電池能源 材料的合成 等離子體加熱 ?離子共振加熱、低雜波加熱、回旋共振加熱 ?核聚變反應 微波生物效應 ?改變生物的成長過程，微波武器殺傷機理 微波波譜學 ?探索物質奧秘 熱和非熱效應，滲透和非滲透，局部作用 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 微波處理材料的特點 ? 材料內外同時加熱 ? 選擇性加熱工件 ? 升溫快 ? 處理時間縮短 (可以是傳統(tǒng)加熱時間的 1/10) ? 產(chǎn)品質量提高 ? 新型特種材料制備 (例如：納米材料 ) ? 減少能源消耗 ? “ 環(huán)境清潔” 技術 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波加熱 167。 概述 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 22 22dEHP???????????????根據(jù)第二章公式 (), 被微波加熱的物質單位體積吸收的功率為 : 損耗的來源 : 1. 電介質損耗 :在外加電磁場的作用下 介質內部極化產(chǎn)生的極化強度落后于電場一個相角，產(chǎn)生與電場同相的極化電流，構成介質內部功率耗散 2. 磁介質損耗 , 渦流損耗 3. 歐姆損耗 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波加熱 167。 微波加熱原理 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 損耗因子隨溫度的變化關系 當溫度低于臨界溫度 Tc時，損耗因子相對較小，而溫度超過 Tc后，溫度的上升使 ε″ 增大，它反過來又使溫度升高。如果在同一單元體積中熱的輸入 kε″f Ｅ 2大于熱的逸散率 α t▽ ２ Ｔ（ α t為熱擴散率），則材料溫度上升的速率會失去控制導致材料的損壞。 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 頻率升高 ? 與材料耦合更強（低溫高頻，高溫低頻） ? 場分布更均勻 ? 部件和系統(tǒng)更緊湊、更小 ? 可以采用過模波導減小傳輸損耗 ? 可以應用準光技術 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波加熱 167。 微波加熱原理 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 陶瓷相對密度與燒結溫度之間的關系 材料 98%Al2O3+1%SiO2+1%MgO 燒結方式 傳統(tǒng)無壓燒結 毫米波無壓燒結 編號 1 2 3 4 燒結溫度 (℃ ) 1300 600800, 800 950 1050 1150 升溫時間(min) 180 30 35 保溫時間(min) 120 60, 5 30 30 30 密度 (g/cm3) 相對密度 % % % % % 第七章 微波與物質相互作用 167。 微波加熱 167。 實驗研究 毫米波燒結氧化鋁 中國科學院電子學研究所 Institute of Electronics, Chinese Academy of Science 表１－１ 歐洲、美國、日本和中國毫米波燒結陶瓷研究基本情況 頻率 (GHz) 峰值功率 (kW) 平均功率 (kW) 爐腔尺寸 (mm) 試樣材料 燒結溫度 (℃) 保溫時間 (min) 陶瓷密度 研究單位 30 — φ 500 600 Si3N 1650 10 96% ITP,德國 30 — — BaTiO3 — 1015 98% IAP,俄國 83 — — PZT,PMNT — 1015 98% IAP,俄國 28 — 200 φ 760 1020 Al2O3 1200 60 % ORNL,美國 35 75 φ 180 210 Al2O3 1520 10 92% NRL,美國 60 100 — ZrO2 1120 60 97% JWRI,日本 28 — φ 600 900 Si3N 1600 30 % 。日本