磁控管的基本结构

磁控管系统的基本结构包括管体和管外磁铁两大部分，而管体又可分为阴极和阳极两个主要部分。管体是微波产生与发射的主体结构；管外磁铁可以是永久磁铁，也可以是电磁铁。一般来讲，小功率的磁控管多是采用永久磁铁，大功率的磁控管多是采用电磁铁。其作用是为管体提供轴向磁场，是磁控管微波振荡系统不可或缺的重要组成部分。但在一般情况下，管体和管外磁铁是分别安装的，并且磁铁结构和工作原理都非常简单，所以，当谈到磁控管的时候，往往就是特指管体部分。

磁控管其实是一种管内被抽成高度真空状态的特殊二极管结构，但其输入的是电功率，输出的是微波功率。从外形上看，磁控管的一端有阴极（灯丝）接头，另一端是用高强度玻璃封堵的微波输出端口，而阳极与外壳连为一体（零电位）。此外，外观上还可以看到两个水管接口和一个调谐机构接口，以便分别连接外部冷却水管与外部的频率调谐机构。图2-9-7所展示的就是一只成品磁控管的外形照片实例图，总长度不到0．5m。

磁控管的内部结构原理示意图，见图2-9-8。下面将分步介绍磁控管的基本结构原理。

1．阴极　由图2-9-8中的A可见，阴极处于整个磁控管的正中央，是由发射电子能力很强的金属材料制作的。大功率磁控管的阴极一般为圆筒形结构，间接加热方式，在阴极圆筒内装有灯丝，两者之间彼此绝缘。磁控管工作时，灯丝通电可以间接加热阴极，使阴极具有电子发射能力。因此，阴极的加热需要一个过程，灯丝通电以后，一般需要预热3～4min才能正常发射电子。所以，灯丝的工作电流有“预热”和“工作”两项指标，而工作电流比预热电流要小。由于阴极的外表面面积较大，因而具有很大的电流发射能力，阴极电流脉冲值可达数十安培甚至数百安培，以适应磁控管产生大功率微波能量的要求。

图2-9-7　磁控管外形照片

图2-9-8　磁控管的内部结构原理

2．阳极　阳极是磁控管的结构主体，也是磁控管微波振荡系统的技术关键。

由图2-9-8中的A可知，阳极内开有偶数个空槽，每一个空槽都是形如图2-9-2所示变形后的LC谐振腔体，各谐振腔之间通过槽缝相互耦合，整个磁控管内部腔体的等效谐振电路见图2-9-8中的B。其中，L表示每个空腔所呈现的分布电感；C1表征每个空腔所呈现的分布电容；C2则表征磁控管阳极与阴极之间所呈现的分布电容。

由于磁控管的分布参数（等效LC）是由谐振腔的结构尺寸来确定的，所以，谐振腔的谐振频率主要取决于谐振腔的结构尺寸。一般来说，腔体尺寸越大，分布参数（等效LC）就越大，谐振频率就越低，波长就越长。为了能够产生单一频率的微波电磁场，各个腔体被设计为完全相同的结构尺寸，所以每一只磁控管都具有单一模式的固有谐振频率。

阳极材料一般是由电气性能和气密性都很好的无氧铜材整体加工而成。成品磁控管的内部要抽成高度真空状态，并要长期保持。工作时，磁控管的阳极与阴极之间要施加直流高电压或脉冲高电压。由于阳极露在外边，而且体积较大，为了安装方便和运行安全，阳极总是通过外壳接地（零电位），而将阴极连接负高电压，这样，在阳极与阴极之间就会产生一个径向直流高电场，与磁场共同作用可以起振并产生微波。

3．微波能量输出装置　由于磁控管阳极的谐振腔是通过电磁场耦合在一起的，因此从其中任何一个谐振腔都可以把微波能量输送出来。应用最广泛的输出耦合装置有同轴线和波导管两种。通常同轴线输出装置与磁控管之间采用的是磁环耦合，只能用于小功率输出；大功率微波能量的输出必须采用槽缝耦合的波导管输出装置。对输出耦合装置的基本技术要求，首先要能使微波能量在输出过程中达到功率匹配，同时又必须保证磁控管的真空状态不被破坏。

4．调频机构　我们知道，行波加速管存在一个通频带，在通频带范围内可以有多个频率工作点；驻波加速管虽然只有一个工作频率点，但由于加速管与磁控管在制造过中的离散性和微波在传输过程中的各种影响，往往难以保证两者的频率特性完全匹配，也要求磁控管产生的微波频率可调。因此，应用在医用电子直线加速器上的磁控管必须是频率可调。磁控管的微波频率调节原理，是在阳极的谐振腔中插入一根金属杆来干扰内部的谐振条件以改变微波频率，通过调节插入深度，就可以在一定范围内得到不同频率的微波。调节杆的移动方式一般是在步进电机的带动下，按照指令自动调节插入深度，可以快速调节所需要的微波频率，以保证加速器快速反应，稳定运行。

5．冷却措施　磁控管的工作效率一般只有50%左右，就是说，约有50%的注入功率被消耗在阳极上，因此必须采取强制降温冷却措施。通常，根据功率大小和应用环境的不同，可分别采取自然冷却（散热片）、水冷却和油冷却等不同的降温措施。在医用电子直线加速器上应用的磁控管，一般是在阳极外周加装水套，与阳极联为一体，通过循环水流来强制冷却，以保证磁控管的稳定工作。