一種豁免廢物微波熱解裝置電磁屏蔽設(shè)計與實現(xiàn)

羅中興，左莉，李霄，羅昆升，張開

（中國人民解放軍96901部隊，北京 100094）

1 前言

微波的熱效應(yīng)自1945年美國雷達工程師斯彭塞發(fā)現(xiàn)以來，因其高頻率、波長短、穿透性、量子性等特性，在很多領(lǐng)域與其他技術(shù)組合，催生出許多“微波+”的耦合技術(shù)，并由此產(chǎn)生與微波相關(guān)的交叉學(xué)科。但是，微波加熱存在的不均勻性、快速性、選擇性、無熱損耗等特點，也給微波運用帶來了諸多挑戰(zhàn)。在放射性廢物處理領(lǐng)域，大型微波設(shè)備可用于處理放射性固體廢物，由于處理對象特殊，此類設(shè)備一般為小批量產(chǎn)品，設(shè)計研發(fā)的放射性豁免廢物微波熱解裝置，因其微波功率普遍較高，其電磁輻射量會在兩個層次對使用和操作環(huán)境造成影響。首先，是工作于基頻頻段的能量輻射，人體與微波幅射源距離很近時，可能受到過量的輻射能量而導(dǎo)致頭昏、睡眠障礙、記憶力減退、心動過緩、血壓下降等。其微波泄漏控制應(yīng)嚴格按照《GB 5959.6-2008 電熱裝置的安全 第6部分 工業(yè)微波加熱設(shè)備的安全規(guī)范》，因為過量的微波泄漏會影響操作人員人身安全。其次，是微波場諧波會產(chǎn)生電磁干擾，會形成電磁傳導(dǎo)和輻射兩種干擾源，從而嚴重影響周邊電子設(shè)備正常工作。其電磁輻射量控制應(yīng)該嚴格按照《GJB 151B-2013軍用設(shè)備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》。這兩個范疇電磁輻射問題，已經(jīng)成為影響設(shè)備安全使用的一個重要因素，為保證設(shè)備、操作人員和環(huán)境安全，需要從結(jié)構(gòu)設(shè)計、屏蔽措施等方面進行電磁屏蔽考慮。

2 微波泄漏屏蔽

2.1 功率設(shè)計

控制微波泄漏首先需要控制其功率，從源頭控制微波的泄漏量。微波設(shè)備的功率計算，必須考慮微波功率和功率密度。對微波功率而言，物料吸收微波后產(chǎn)生熱量，微波吸收功率的公式如下：

式中，f為微波頻率（Hz），E為電場強度（V/cm），εr為介電常數(shù)，tgδ為介質(zhì)損耗系數(shù)。

而宏觀上，微波設(shè)計主要根據(jù)熱學(xué)公式來考慮物料的加熱要求，由溫度和時間等確定。

式中，T為溫升，C為比熱，W為物料重量，t為微波作用時間。

豁免廢物微波熱解對象主要是特殊崗位產(chǎn)生的放射性豁免廢物，比重按照0.5（棉布、塑膠手套、空氣過濾器等平均比重）計算，一次裝載物料約60kg。假定升溫處理時間為1h（不考慮冷卻時間），升溫最高為1100℃余量設(shè)計，棉布比熱約1.34，不考慮物料灰化后生成物質(zhì)吸熱，微波功率應(yīng)為25.5kW，綜合考慮設(shè)計為30kW。

對于功率密度，微波密度為單位空間內(nèi)的微波能量，微波密度越高，電場強度E就越大，微波能量就越強。在30kW的能量條件下，微波爐設(shè)計容積為860L，平均能量為35W/L，微波強度比較合適。

2.2 微波諧振腔微波傳導(dǎo)與抗干擾設(shè)計

微波激勵采用磁控管作為微波源，設(shè)計成斜面矩形波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有耦合度高、抗載能力強的特點。以單個微波源（圖1所示）舉例，通過設(shè)在微波腔體側(cè)壁的波導(dǎo)耦合口，在微波腔體內(nèi)激發(fā)了與波導(dǎo)的E面平行的諧振電場，并伴隨微波腔內(nèi)物料的吸收，電磁場以行駐波的形式，層層向物料波動傳輸。

圖1 單個微波源波導(dǎo)仿真

微波諧振腔是保證微波設(shè)備工作的最重要部分，為達到較好的微波熱解效果，同時，要保證盡量少的微波泄漏，需要對微波結(jié)構(gòu)進行設(shè)計。參考文獻[14]提到的很多微波諧振腔的設(shè)計方法與仿真手段，微波諧振腔采用了不同的極化方向設(shè)計，以達到抗臨近干擾目的。

為了強化諧振腔內(nèi)部的微波分布均勻性，設(shè)計采用相鄰波導(dǎo)口相互垂直的方式（如圖2所示），即每相鄰的兩個波導(dǎo)口E面均垂直，從而形成不通的極化方向，即做到了增加微波諧振腔均勻性，又可以減少相鄰波導(dǎo)口間的端口串擾，保護多微波源系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

圖2 微波爐腔結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3 微波諧振腔門體抑制微波泄漏設(shè)計

腔體設(shè)計主要是為均衡微波傳導(dǎo)與電磁干擾，而門體是抑制微波泄漏的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

根據(jù)微波傳輸線的理論，微波是以電磁場電磁相互轉(zhuǎn)換的原理來傳遞的，根據(jù)終端短路傳輸線阻抗公式：

其中，l表示傳輸線長度，通過公式可以了解，當l長度動態(tài)變化過程中，體現(xiàn)的特性是每隔λ/2重復(fù)，每隔λ/4相反。因此，在微波爐門體設(shè)計防漏結(jié)構(gòu)，采用比較典型微波1/4波長傳輸線阻抗變換來實現(xiàn)，防漏結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 微波抗流結(jié)構(gòu)示意圖

圖3中，E表示微波爐箱體內(nèi)部即微波諧振腔，此處微波強度最大，D為微波爐門體外部，此處通常作為微波泄漏測試位置，A為抗流槽內(nèi)部平面，即金屬短路面，B離開A點1/4波長距離的位置，C為爐腔E內(nèi)微波能量輻射出門體的位置，距離B點1/4波長距離。A處是金屬短路面，此處電流I最大，而電場U最小；通過1/4波長變換，到了B處位置，變成了電場U最大，電流I最小，同時，阻抗Zi無窮大，等效于開路，所以D點無微波泄漏；然后，再次通過1/4波長變換，到了C處位置，變成了電場U最小，電流I最大，同時，阻抗Zi為0，等效于短路，因而在C點就形成了理論上的門體和爐腔壁的導(dǎo)通，抑制微波能量向外輻射。圖4為最終爐門微波抗流結(jié)構(gòu)圖。

圖4 爐門微波抗流結(jié)構(gòu)圖

2.4 微波泄漏屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）微波腔體是主要的輻射源，其抑制微波泄漏設(shè)計從根本上保證了微波泄漏的量級，但是，由于電磁波特性，可通過導(dǎo)線傳播、空間傳播等方式泄漏，需要對總電源、磁控管、變壓器，以及內(nèi)表面、機架等進行屏蔽設(shè)計。

（2）設(shè)備采用全不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計。從加工角度，容易焊接加工形成封閉箱體，同時，耐設(shè)備內(nèi)部腐蝕性氣體侵蝕，總體電導(dǎo)率高，有利于接地和電磁屏蔽。

（3）微波爐中心頻率為2450MHz，根據(jù)CISPR11（轉(zhuǎn)換為GB4824），其測試點最難過的區(qū)間是11.7GHz～12.7GHz，此處是微波的5次諧波處，此諧波頻率下波長約24.4mm，嚴格控制1/2波長（12.2mm間隙）以上的間隙可以有效抑制。

（4）設(shè)備內(nèi)部導(dǎo)線總體用金屬導(dǎo)管屏蔽，接地可靠。

（5）磁控管作為微波發(fā)生結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)線采用鐵氧體作吸收成立，微波源分布區(qū)通過金屬網(wǎng)作屏蔽罩進行防護。

（6）設(shè)備外殼和框架連接處，安裝導(dǎo)電簧片，避免較大空隙產(chǎn)生。

（7）排氣孔加裝銅網(wǎng)，防止電磁泄漏。

2.5 微波泄漏測量結(jié)果分析

經(jīng)過微波腔體、門體設(shè)計與采取多項電磁屏蔽措施，設(shè)計的放射性豁免廢物微波熱解裝置（圖5所示）通過了各項電磁兼容測試。

圖5 放射性豁免廢物微波熱解裝置

該裝置正常工作時，微波泄漏量僅為0.923mW/cm2（圖6所示），遠低于《GB 5959.6-2008電熱裝置的安全》（第6部分：工業(yè)微波加熱設(shè)備的安全規(guī)范）規(guī)定的5mW/cm2要求。從結(jié)果看，這些措施對防止電磁泄漏起到了很好的作用。

圖6 放射性豁免廢物微波熱解裝置微波泄漏測試

3 結(jié)語

某放射性豁免廢物微波熱解裝置屬大型工業(yè)微波設(shè)備，通過有效的微波設(shè)計與抑制泄漏結(jié)構(gòu)設(shè)計等措施，很好地控制了電磁泄漏與電磁干擾，并滿足了國家各項標準要求，試驗結(jié)果表明，各項措施在保證微波效果的同時，有效降低了電磁泄漏與電磁干擾。