CN1166262A - 材料的微波处理装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于测试或者其它所选应用的变频微波加热装置(10)，设计成可以调制引入到炉腔(34)内的微波的频率。该变频加热装置(10)用在本发明的方法中，以监视炉腔(34)内随加工成工件(36)的材料(包括其状态)变化的谐振处理频率。变频微波加热装置(10)包括微波信号发生器(12)和高功率微波放大器(20)或者压控微波振荡器(14)。设置有一电源(22)以使高功率微波振荡器(14)或者微波放大器(20)工作。设置一定向耦合器(24)用于检测入射到和反射出微波腔(34)的信号的方向和幅度。设置第一功率表(30)用于测量传送给微波炉(32)的功率。第二功率表(26)用于检测反射功率的幅度。反射功率由反射功率负载(28)消耗。一种用于测试或者其它所选应用的变频微波加热装置，设计成可以调制引入到炉腔内的微波的频率。在本发明的方法中使用了该变频微波加热装置，以监视炉腔内随加工成工件的材料(包括其状态)变化的谐振处理频率。变频微波加热装置包括微波信号发生器和高功率微波放大器或者压控微波振荡器。设置有定向耦合器用于检测入射到和反射出微波腔的信号的方向和幅度。第一功率表用于测量传送给微波炉的功率。第二功率表用于检测反射功率的幅度。反射功率由反射功率负载消耗。

Description

材料的微波处理装置和方法
根据美国能源部颁发给Martin Marietta能源系统公司的合同No.DE-AC-84ORZ1400，本发明得到了政府的支持，所以政府在本发明中具有一些权利。
本申请部分揭示并要求早先提出的待批申请(1994年3月29日申请的No.08/219,098；1994年3月31日申请的No.08/221,188)中所揭示的主题的权利，该两申请都揭示和要求早先提出的待批申请(1991年11月14日申请的No.07/792,103)，该申请已于1994年6月14日被授予美国专利证书No.5,321,222，它所揭示的主题至少是本发明的一个发明人发明的。
技术领域
本发明涉及微波辐射，尤其涉及具有选择性地改变微波源的频率和功率的能力的微波炉。
背景技术
在微波辐射领域中，众所周知，微波炉一般是由固定的工作频率构成的。已经知道，各种材料与微波的相互作用(interaction)是与频率相关的。这些相互作用可以包括固化(curing)橡胶和烧结(sintering)陶瓷。因此，希望有可以在宽的频率范围上工作的微波炉。
大多数微波源的带宽非常窄，这是因为它们使用谐振腔。为家用制作的微波炉设置有磁控管，它工作在2.45GHz上，这是加热水有效的频率。由于2.45GHz的微波与水的耦合能力，这些微波炉用于烹调食品、干燥以及其它目的，其中受到作用的主要材料是水。然而，众所周知，在该范围内的频率并不适于所有的场合，例如加热等离子体、烧结诸如硅等的材料以及准备诸如金刚石膜片等膜片。
通过波模摆动(mode stirring)方法使频率扫过较宽范围重要的含义是用微波功率对医疗器械或者被污染的废物进行消毒。这样使用决定了能消除腔内的可能不能接收到足够功率的“死区”，以彻底进行消毒。电子频率扫描能以较高的速率进行，因而在整个炉腔内产生了更一致的时间上均匀的功率密度。所要求的频率扫描可以通过使用各种微波电子设备来实现。例如，螺旋式行波管(TWT)与诸如电压可调磁控管(2.45±0.05GHz)相比可以使扫描覆盖较宽的带宽(例如2至8GHz)。如下文将揭示的，其它设备具有其它的特性带宽。
又，已知一般家庭使用的频率固定的微波炉具有冷点和热点。这种现象是由波长对微波腔大小的比率引起的。把较低频率的微波引入较小的腔内，会产生驻波，因此微波功率不是均匀地充满腔内的所有空间，未受影响的区域没有加热。在极端的情况下，炉腔实际上成为“单波模”腔。
已经在波模摆动下进行了偿试，或者随机地使微波“束”偏转，以消除驻波波模，从而使微波辐射充满腔体。一种偿试是在腔的波束进口处增加旋转的风扇叶片。
克服驻波不利影响的另一种方法是在单波模腔内故意产生驻波，可以把工件放置在具有最高功率(热点)的位置上。因此，仅仅腔内驻波最集中的部份可以使用。
虽然还不知道其正确的原因，但已经显示，在高频上烧结各种材料会得到改善。然而，现有技术难以进行一系列相同的仅改变频率的摆动实验。这大部分是由于各微波源连接到不同的炉腔内所造成的。众所周知，炉腔的几何形状是在这种实验中必须考虑的参量。
在一些著作中，已经报导了引入陀螺振子振荡器以产生频率固定的28GHz微波的炉。陀螺振子炉能比那些设置有2.45GHz磁控管的微波炉更有效地烧结某些材料。陀螺振子炉在烧结陶瓷等材料方面有特殊的应用。然而，28GHz并不是烧结所有材料都有效的频率。要求确定把最有效的频率加到带有所选结构的腔的炉中的指定材料上。
在加热处理时最有效的处理频率可以随指定的材料而变化。当材料改变状态时，也可能要求改变频率。因此，可以要求它在加热过程中具有改变频率的能力，允许测试器开始以一频率加热样品，然后随着温度的升高，改变频率，以维持良好的耦合。也可以要求在加热合成材料时，改变材料来有效地对不同频率起作用。
也已生产了其它的设备来改变所选材料的加热工艺的参数。已有技术中典型的技术是下列美国专利中所揭示的设备：
专利号       发明人            公告日期
3,611,135    D.L.Margerum      1971.10.5
4,144,468    G.Mourier         1979.3.13
4,196,332    A.Mackay B，等    1980.4.1
4,340,796    M.Yamaguchi等     1982.7.20
4,415,789    T.Nobue等         1983.11.15
4,504,718    H.Okatsuka等      1985.3.12
4,593,167    O.K.Nilssen       1986.6.3
4,777,336    J.Asmussen        1988.10.11
4,825,028    P.H.Smith         1989.4.25
4,843,202    P.H.Smith等       1989.6.27
4,866,344    R.I.Ross等        1989.9.12
4,939,331    B.Berggren等      1990.7.3
发表在1979年14(1)期的微波功率期刊上的、Mackay B.等著的、名称为“微波炉的频率灵敏(agile)源”文章中进一步讨论MacKay在’332中所揭示的主题。然而，除了上述共同待批申请No.07/792,103之外，并没有揭示具有宽频范围的微波炉。
然而，上述的已有技术参考资料中没有一篇资料清楚地认可同时提供多个微波频率以显著提高微波处理效率，并通过从多个微波频率获取有用的信息来达到高度处理控制的诊断(diagnostic)值，包括共同待申请No.07/792,103。
因此，本发明的一个目的在于提供一种微波基的材料处理系统，它能同时工作在多个频率上。
本发明的另一个目的在于提供一种微波基的处理系统，利用微波处理腔内的入射和反射微波信号，从该系统可以得到诊断信息。
本发明的再一个目的在于提供这样一种微波基处理系统，其中，根据利用入射和反射的微波信号获得的诊断信息来控制和监视处理过程。
本发明的又一个目的在于提供一种微波基的处理方法，在这种方法中，利用根据在多个频率上的入射和反射的微波信号从微波处理系统得到的信息来提供反馈，以控制或监视处理操作。发明内容
本发明还将实现其它的目的和优点，它被设计成调制引入到用于测试或者其它所选应用的炉腔内的微波频率。一些可用的处理包括热处理、消毒、烧结、等离子体处理、矿物处理、聚合、蚀刻以及制备膜。本发明的方法设计成监视微波处理，使处理目标材料的谐振频率最佳。
本发明提供一种微波信号发生器，用于产生低功率微波信号，输入到微波放大器中。较佳实施例中的信号发生器可以扫过一指定范围的频率，以脉冲方式工作，调制微波信号的频率，并产生各种复杂的波形。较佳实施例的微波信号发生器可以利用内部的脉冲发生器工作在脉冲模式，或者可以从外部得到脉冲。设置有一内部调制器以进行宽带调制。内部调制器可以工作在调幅(AM)模式或者调频(FM)模式。
电压控制器用于调制微波压控振荡器的振幅。微波压控振荡器可以用来替代微波信号发生器，以改善产生的微波的频率和幅度。
可以提供第一放大器，以放大微波信号发生器或者微波压控振荡器输出的信号的幅度。较佳实施例的第一放大器是压控的，因此，其增益是可以调节的，操作者可以选择输出的幅度。
提供第二放大器，处理第一放大器输出的信号，或者当不用第一放大器时处理从微波信号发生器或者微波压控振荡器输出的信号。第二放大器向炉腔输出高功率微波信号，并使工件受到微波辐射。在较佳实施例中，第二放大器可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、环形TWT、环棒TWT、速调管、行波速调管或者陀螺振子之一。这些器件包括设计成扩散放大器在正常工作期间集聚的热的内部冷却设备。
在本发明的另一个实施例中，振荡器和第一和第二放大器可以用频率灵敏的同轴磁控管来代替，其频率可以手动、机械或者电调谐。
提供一电源，用于第二放大器的工作。在较佳实施例中，电源是由精确稳压的螺旋式电源与无稳压控制器的高压电源组成的直流电源。
提供一定向耦合器，用于检测信号的方向以及根据检测到的方向进一步控制该信号。把从微波源接收到的信号送至微波腔。从微波腔的方向上接收到的信号送至反射功率负载上。因此定向耦合器提供一种手段，利用这一手段，把反射功率转离微波源，以保护微波源免受未被工件吸收的功率。较佳实施例的定向耦合器是水冷却的，以扩散微波源来的功率传输和微波腔来的功率反射集聚到的热。
提供第一功率表，用于测量供给微波腔的功率。第一功率表用于与位置设置成测量从微波腔反射来的功率的第二功率表连接，以监视微波腔的效率并确保在反射功率负载上消耗该反射功率而不是由第二放大器来消耗。
反射功率负载还可以用于通过从炉腔中移去所有工件，由此，把第二放大器的所有信号送至反射功率负载来测试系统的机能。可以把反射功率负载接收到的功率与第二放大器输出的功率比较，以确定系统的损耗。
第二功率表检测反射功率的幅度。该幅度可以用于确定引入到微波腔内的微波的即时频率的效率。由于所选工件较高的吸收率，所以较低的反射功率表示更有效的工作频率。
可以提供渐缩的过渡(tapered transition)以提高效率，用该渐缩过渡可以把宽带微波能量耦合到微波腔内。把它作为传输线与微波腔之间的阻抗转换器，这种过渡提高了耦合到腔内的功率百分比。另外，对于必须把微波能量耦合到有活性气体的腔内的应用来说，该渐缩过渡提供了一种减少在窗口和活性气体之间的界面之间微波能量的功率密度的方法，从而防止在输入窗口形成等离子放电。
在本发明的方法中都使用了上述的微波加热装置的各种实施例。在本发明的方法中，当第二放大器在微波腔空的时候，首先工作在低功率上。第二放大器用于在待研究的频率范围上扫描该空的微波处理腔。然后测量反射通过定向耦合器的功率，确定传输到腔的功率与反射返回到第二放大器的功率的百分比。测量把反射功率作为频率的函数，根据该函数快速和正确地确定微波处理腔的谐振波模。通过比较在种腔波模上反射的功率，可以立即识别出最佳的腔波模。然后把待处理的样品放入微波腔内。再次以低功率扫描该频率。在微波腔内有样品的效果是向下移动波模图形的频率。另外，出现新的波模。把处理样品时的初始谐振频率确定为产生最有效波模的频率。然后增加输出功率，开始进行微波处理。在高功率条件下，可以呈现出远不同于系统冷机时的特性。这些改变的条件可以影响腔内的波模图形，引起所要求的谐振波模的频率的漂移。因此，监视这种反射功率能提供维持最佳耦合的能力。在本发明的方法中，在接近所要求的波模的较窄的频率范围上监视反射功率的百分比，由此，使处理效率保持最大。
利用TWT的能力来处理多个同时的不同频率的信号，同时以高功率用所选的初始谐振频率产生等离子体或加热样品，用低功率信号在整个频率范围上同时探测微波腔。然后为该低功率的探测信号确定反射功率与频率的关系曲线。然后把高功率波模频谱与接地状态的低功率波模频谱比较。波模频谱的比较结果说明所选的谐振频率的效率。因此，可以选出更合适的高功率谐振频率。在一些例子中，本方法发现和利用了在初始低功率条件下不存在的或者在低功率测试时不可能表现出最佳的波模。
在用初始的低功率标准继续驱动所选的波模时，可以同时以高功率驱动热等离子体或者样品的第二谐振频率特性。因此，与用一种波模进行处理而另一种波模用于严格地监视相反，可以同时以两种波模处理样品。
在微波关联的沉淀工艺中，对于诸如金刚石等在TWT的频率范围内具有谐振的沉淀材料，可以把低功率探测用作直接传感器，以监视膜的生长。同时，把高功率信号用于产生沉淀。把在该频率上吸收的强度与膜的厚度相关联，实现了就地智能处理控制程度的传感。
也可以用间接的方法来代替直接传感膜的生长。这种情况尤其发生在膜的最佳谐振频率在第二放大器的频率范围外。一种间接传感膜沉淀的技术包括把介电材料的样品放置在微波腔内，这样该材料的谐振频率在第二放大器的频率范围内。随着该介电材料被涂覆，把谐振频率的变化用于测量涂覆的厚度。
在另一种间接传感膜沉淀的方法中，使用了压电晶体。压电晶体的谐振频率随着沉淀的膜的厚度的增加而改变。晶体由第二放大器或者由外部电子装置用在低功率微波扫描期间测得的响应直接激励。
可以把在n个频率中的每个频率下的反射功率值表示成n维矢量。任意多个这种矢量或者符号都是合适的，每个矢量或符号表示不同组的处理条件。这些符号用于指向中性网络或者其它模式分类器。模式分类器实时监视处理过程，并通过自动地调节处理参数来提供实际的控制程度，以维持那些产生所要求的工作范围的符号特征的条件。
附图概述
根据下面对本发明的详细描述以及附图，本发明的上述特点将变得更易理解。
图1是本发明的变频微波炉系统的较佳实施例的示意图；
图2是本发明的变频微波炉系统的另一较佳实施例的示意图；
图3是行波管的透视图，部分作了剖视，它组成本发明的变频微波炉系统；
图4是组成本发明的变频微波炉系统的行波管的示意图；
图5是行波管的端视图，作了剖视，它组成本发明的变频微波炉系统；
图6是本发明的变频微波加热装置的另一较佳实施例的示意图；
图7是本发明的变频微波加热装置的另一较佳实施例的示意图；
图8是空的微波腔的波模图形的曲线图，示出了反射功率百分比对频率的曲线；
图9是其内设置有负载的微波腔的波模图形的曲线图，示出了反射功率百分比对频率的曲线，它叠合在图8上，由此说明在微波腔内波模图形的变化与其内设置负载有关；
图10是炉腔示意图，在微波辅助涂覆加工过程期间，把介电体沿着工件放置在其中，从而改变介电体的谐振特性，表示沉淀在介电体和工件上涂覆层的厚度。
本发明的实施方式
具有本发明各种特点的变频微波加热装置在图中一般以10来图示。微波加热装置10用于实现本发明的微波处理方法。微波加热装置10设计成调制引入到微波腔内以测试或者进行其它所选应用的微波的频率。这种调制对于测试过程以确定对特定材料处理最有效的频率是有用的。频率调制与在较小的炉腔内产生更均匀的功率分布的波模摆动一样也是有用的。
频率调制测试不仅在确定所选材料有效的烧结频率时是有用的，而且在确定所选材料的各种状态的最有效烧结频率也是有用的。以相同的方式，频率调制在处理状态变化的材料方面也是有用的，其中材料的每种状态都更有效地联接到从其它状态的频率改变的频率上。而且，在处理合成材料时频率调制也是有用的，其中每种成分联接到与其它成分不同的频率上。
图1示意性地示出了本发明的变频微波加热装置的较佳实施例，其中所选的工件36正待处理。可进行的处理包括加热处理、消毒、烧结、等离子处理、矿石加工、聚合、蚀刻以及制备膜等，但不限于这些。应当理解，本揭示中所用的术语“工件”涉及所选的材料或者材料的组合。术语“工件”可以进一步包括如此所选的材料或者材料的组合，其中至少一种材料要经过至少一种状态的变化，因此，在一给定时间材料不至一种状态。
提供一微波压控振荡器14，用于产生低功率微波信号，输入到微波炉32内。复杂波形发生器12向压控振荡器14提供控制电压，使压控振荡器扫描指定的频率范围，它工作在脉冲模式，调制微波信号的频率，并产生各种复杂波形。
较佳实施例的复杂波形发生器12可以用内部脉冲工作在脉冲模式，或者可以从外部得到脉冲。设置内部调制器以进行宽带调制。内部调制器可以以AM模式或者FM模式工作。
微波压控振荡器14产生频率由波形发生器12加到压控振荡器14上的电压确定的微波信号。与所选材料可以有效地与特定频率耦合以及要求高电压一样，可以要求调制微波频率，尽管第二种材料可以更有效地以不同频率和在低或高电压下进行耦合。因此，微波压控振荡器14可以与复杂波形发生器12一起使用，以修正产生的微波的频率。
将可看到，频率与功率级可能的组合是无数的。而且，有了这种频率与幅度调制能力，将可看到，可以通过使微波的频率和幅度交替来实现对工件36的处理，以达到最大的处理效率。调制可以以这样的速率进行，以使工件36不能检测到，但仍能对各材料和材料状态产生最大的处理效率。
可以提供第一放大器，放大微波压控振荡器14输出的信号的功率。本较佳实施例的第一放大器18是压控的，因此其增益是可调的，所以输出幅度可由操作者选择。在变频微波加热装置10工作期间，操作者可以同时调节第一放大器18，所以可以相应调节微波的幅度。第一放大器18的控制电压还可以由复杂波形发生器12提供，可以以所要求的方式调制信号输出的幅度。
提供第二放大器20，对第一放大器18的输出信号进行处理，或者当不用第一放大器18时，对微波压控振荡器14的输出信号进行处理。第二放大器20输出微波信号，输入到多波模炉腔34内，使工件36受到微波信号的照射。在较佳实施例中，第二放大器20可以是螺旋式行波管(TWT)、耦合腔TWT、环形TWT、环棒TWT、速调管、行波速调管或者陀螺振子之一。
TWT20是一种线性射束器件，它放大并输出具有所选频率和波形的信号。TWT20在TWT20的结构所限定的范围或带宽内具有放大所选频率或波形的能力。尤其是，TWT的物理几何形状限止了频率范围，所以当达到高限时，将遇到抵消信号，出现第二波。
为了达到高于或者低于引入特定结构中的TWT20所能提供的频率，改变TWT20的内部几何形状，尤其是螺旋40的间距。在后面提到的TWT20中，可以定义一新的频率范围。因此将看到，TST20结构的改变是可能的，所以可以达到较宽的频率范围。至此，本发明的TWT20被设计成可选择地从变频微波加热装置10中移去，并与其它的这种TWT20互换。因此，单微波压控振荡器14、微波炉32和微波炉腔34可以与各种TWT20一起使用，所以，可以仅把微波频率作为主要变量进行一系列相同的测试。一个TWT20可以限定4GHz至8GHz的频率范围，而另一个TWT20’限定了8GHz至16GHz的频率范围。再一个TWT20”可以限定第三频率范围。把TWT20与TWT20’互换限定了从4GHz至16GHz的总范围。一种限定4GHz至8GHz的范围的TWT20为MicrowaveLaboratories(微波试验室)公司制造的Model T-1096G/H Band Helix TWT。在表1中列出的Model T-1096的技术规格。
如上所述，行波管20是一种线性射束器件，其特点在于行移电场连续地纵向沿着电子束的路径取得能量。如图3和图4所示，典型的TWT20是由电子枪组件44连接到单线螺旋丝40的第一端46上构成的。枪组件44产生聚焦的电子束，直接穿过螺旋丝40的中央。与螺旋丝40形成整体的渐缩的碳衰减器50用作定向耦合器，防止从通路上返回到管的输入处的反射。射频输入和输出绕组52、54分别设置在螺旋丝40的阴极和收集端。
    表1  T-1096G/H Band Helix TWT的技术规格射频特性           最小值   最大值  典型值   单位功率输出            63.0     65.0    63.5    dbm频率范围            4.0      8.0             Ghz谐波含量             -       -3.0    -6.0    dbc标称功率时的增益    25.0     37.0    30.0    db电参数螺旋丝电压            -8.0    -9.0    -8.4    kV阳极电压(WRTC)        0.0     +9.0    -       kV收集极电压(WRTC)      +6.2    +6.8    +6.5    kV丝线电压(WRTC)        12.4    13.2    12.8    V螺线管电压            35.0    57.0    48.0    VVac-Ion电压           +3.5    +5.0    +3.5    kV螺旋丝电流            -       25.0    15.0    mA阳极电流              -       5.0     -       mA收集极电流            0.9     1.8     1.2     A丝线电流              1.2     2.0     1.4     A螺线管电流            21.0    26.0    25.0    AVac-Ion电流           -       0.01    -       mA最佳功率                      10.7    9.2     kW
被正向充电的收集极56位于螺旋丝40的第二端48。收集极56提供TWT20工作的能量。电子束聚焦和封闭磁体58围在TWT20的整体组件外。
在螺旋丝40的轴上行进的电子与沿着螺旋丝40传播的射频波相互作用，能量从电子束转移到射频波上。这种相互作用连续地进行并不断积累，在射频信号沿螺旋丝40传播时增加了其振幅。
本较佳实施例的第二放大器20包括内部冷却装置38，它被设计成扩散第二放大器20在正常工作时集聚的热。尤其，在用螺旋式TWT的情况下，TWT20的螺旋丝和螺旋丝支架42由选出的材料制成，以达到其功能。本较佳实施例的螺旋式TWT20设置有用扁铜线制成的螺旋丝40。多个保持器42围绕着螺旋式TWT42的纵轴平行设置，在TWT42上绕有铜线，保持器42用来保持铜线限定的螺旋丝40，并还扩散在螺旋式TWT20工作期间传输给铜线的热。在本较佳实施例中，保持器42至少用一个平面43限定了横截面，平面43基本上与铜线接触。
而且，本实施例的保持器42由氧化铍制成。尽管已知氧化铍为电绝缘体，但它还是极佳的导热体。铜线限定平面横截面并基本上与保持器42的平面43接触高效和彻底地扩散了传输到铜线上热，因此，为螺旋式TWT20的内部提供了冷却装置38，延长了螺旋式TWT20的寿命。
设置了电源22，用于第二放大器20的工作。虽然在图中没有单独画出，但较佳的电源22为由精确稳压的阴极电源和无稳压的收集极高压电源组成的直流电源。阴极电源的输出稳压通过使用四极管的电子管稳压电路来实现的。一种这样的电子管为Eimac 4PR400A电子管。对收集极电源和阴极原电源的稳压是用机电式稳压器。本较佳实施例的收集极电源设置有两个开关板，用于选择输出范围。用于向第二放大器提供电力的典型的电源22为通用Voltronics型BRE-15-140-ML高压电源。在表2中列出了这种通用Voltronics电源的技术指标。
   表二 通用voltronics Model BRE-15-140-ML电源的电技术指标螺旋丝电源输出电压                     500V-15KVDC输出电流                     140mADC极性                         负极输出波纹                .01％rms 15KVDC，140mADC稳压，负载          .01％(从空载到满载)，最大输出稳压，线路          +0.1％，190-230VAC线路电压，
                最大输出收集极电压输出电压和电流I型(平联)         0-5KV，4000mAII型(串联)        0-10KV，2000mA极性                正极性输出，负极连接到螺旋丝电源波纹                3％rms，10KVDC，2000mA稳压，负载          +2％(从空载到满载)，最大输出稳压，线路          +2％，190-230VAC线路电压，
                最大输出保安电路(跨接在收集极电源上)响应时间            5微秒系统输入电压            190-230VAC，相与相，3相，
                60Hz，30KVA电力连接            5端连接板(3相中央接地)输出连接器          10-32个柱，用于收集极、阴极和螺旋丝控制连接器          90端Elco连接器
如图2所示，变频微波加热装置10可以不用微波压控振荡器14和第一放大器18工作。在该实施例中，单独用微波信号发生器12来产生所选的信号，并不经调制而直接输出。一种这类微波信号发生器12为Wiltron制造的Model 6724信号发生器。在本实施例中，在第二放大器20的电源22内进行幅度调制。
参见图1和图2，提供一定向耦合器24，用于检测信号的方向，并进一步根据检测到的方向对信号进行定向。定向耦合器24设置在第二放大器20的收集端的附近。把从第二放大器20接收到的信号送到微波腔32内。把从微波腔32方向接收到的信号送到反射功率负载28。因此，定向耦合器24提供了一个手段，即，把反射信号-即，工件36没有吸收的返回源20的功率-转离第二放大器20，以保护第二放大器20不受工件36未吸收的功率的影响。本实佳实施例的反射功率负载28是水冷却的，以扩散通过反射微波腔32的功率集聚的热。
提供第一功率表30，用于测量传递给微波腔32的功率。第一功率表30用于连同设置的第二功率表26一起测量微波炉32的反射功率，以监视微波炉的效率，并确保反射功率在反射功率负载28上被消耗，而不是第二放大器20。
第二放大器20输出的信号被引入到微波腔34内，由所选的工件36吸收。一般，工件36不能完全吸收引入的信号，因此引入的信号被反射返回第二放大器20，而没有其它的路径。
反射信号到达定向耦合器24，被转向第二功率表26，最后到反射功率负载28上。如上所述，在反射功率负载28上消耗反射功率，以保护第二放大器20的寿命。也可以从炉腔34移去所有的工件，把反射功率负载28用于测试系统的机能，由此把整个负载从第二放大器20连到反射功率负载28上。可以把反射功率负载28接收的功率与第二放大器20发出的功率比较，以确定系统的损耗。
第二功率表26检测反射功率的大小。该值可以用于确定引入到微波腔34的微波的即时频率的效率。低反射功率表示高效率工作频率，这是由于所选工件36有较高的吸收率。
图6所示的是变频微波加热装置10’的另一个实施例。在该实施例中，功率和温度显示和控制器60接收功率监视器62和温度传感器64的输出。功率监视器62接收定向耦合器24’的输入，把它用作与前述实施例中的反射到功率表26，30相同的基本作用。功率和温度显示和控制器60还用于控制微波振荡器14’、预放器器功率控制18’和TWT电源22’。设置有一冷却系统66，用于在其工作期间至少冷却TWT20。
可以提供一渐缩的波导耦合器68，以提高效率，用该渐缩波导耦合器68把宽带微波能量耦合到微波腔内。把它用作定向耦合器24’的传输线与微波腔32’之间的阻抗转换器，这种过渡增加了耦合到微波腔32’内的功率百分比。另外，对于必须把微波能量耦合到有活性气体的微波腔32’内的应用来说，该渐缩波导68提供了一种减少在窗口和活性气体之间的界面之间微波能量的功率密度的方法，从而防止在输入窗口形成等离子放电。
上述的微波加热装置10包括螺旋TWT放大器20。然而，应当理解，根据本发明的其它方面，可以使用许多其它的微波源20。下面的表3给出了一些适用的其它微波源20的一般特性。
      表三 一些适用的微波源的特性
源类型 频率范围(GHz) 带宽(％) 峰值输出功率(kW) 平均输出功率(kW) 总效率(％)
环形TWT .5-20 5-15 1-20 .05-.6 30-45
环棒TWT .5-20 10-20 3-30 .08-.9 30-45
速调管 .5-70 5-8 100-8000 1-5000 40-70
相交场Amp .5-20 15-40 100-3000 1-300 30-50
图7中所示的是本发明的变频微波加热装置10的另一个实施例。在该实施例中，用诸如频率灵敏的同轴磁控管114的高功率振荡器来代替前述实施例的微波振荡器14、预放大器功率控制18和TWT20。本较佳实施例的磁控管114的可用带宽至少为其中心频率的5％。磁控管114或是手动频率控制，或者最好是通过闭环、电压基反馈控制系统进行频率控制。在这种反馈控制系统中，用低电平(0至10V)信号激励磁控管114内的伺服机构，使它精确地把磁控管的同轴腔内的插板(plunger plate)复位来从一个频率到另一个频率地“调谐”磁控管114。
本技术领域的熟练人员从上述的描述中可以认识到已经指出了变频微波加热装置10对已有技术提供的优点。具体地说，根据本发明所用的微波加热装置10提供了一种调节引入到腔34内以进行烧结或者其它要求的加工等微波的频率的手段。可以看出，微波加热装置10在测试所选材料相对于微波频率的处理特性时是有用的。这种测试能对带有微波源的微波炉32进行设计，以产生确定频率的微波。
还可以看出，微波加热装置10也可以用作微波可以随不同材料或者材料状态变化的生产工具。可以在微波加热装置工作期间进行频率调制，以适应各种材料和材料状态。而且，本发明的频率调制能力可用作波模摆动的方法，以在较小的微波腔34内产生更均匀的功率分布。
在开发过程中进行的各种测试已经显示了变频微波加热装置10的效率。在上述共同待批申请No.07/792,103中已经描述了一般测试结构和结果，将此援引在此，以作参考。
本发明的方法中使用了上述的微波加热装置10的各种实施例。对于本方法来说，较佳实施例的第二放大器20能同时输出两路微波信号，第一路微波信号为低功率信号，第二路微波信号为高功率信号。低功率微波信号在本发明的方法中用作诊断信号，而高功率信号用于处理工件36。另一种方法，低功率和高功率信号可以从单独的源中取得。
在本发明的方法中，第二放大器20首先以低功率级工作，而微波腔34保持空。在例如用螺放式TWT20的情况时，起始工作功率级可以在1至10瓦的数量级。在这种情况下，螺旋式TWT20用于在待研究的频率范围上扫描空的微波处理腔34。然后测量通过定向耦合器24反射回的功率，以确定传输到腔34和反射到螺旋式TWT20的功率百分比。测量是把反射功率作为频率的函数来进行的，这样可以快速和正确地确定出微波处理腔34的谐振波模。图8用曲线图示出了这些测量的一般情况。而且，在各种腔波模下比较反射功率，可以辨认出最佳的腔波模，例如图8中的A。最佳腔波模是由反射功率百分比最大，或者微波腔34内吸收的功率的百分比最大来确定的。
然后把待处理的样品36(无论是气体、液体或者固体样品)放置到微波腔34内。再次仅以低功率级扫描频率。在微波腔34中有样品的结果是波模图形的频率向下移动，这可归因于微波腔34中有介电常数大于1的容积。除了波模向下移动之外，也出现反映工件36的谐振频率的附加波模。对于气体工件36来说，新的波模是由于分子共振产生的，对于液体和固体工件36来说，新的波模是由于形状因数(form factor)和形状共振(shape resonances)产生的，它表示把微波功率耦合到反应的化学过程或者样品的有效频率。图9示出了在微波腔34内增加了工件36的效果。如图所示以及前面的讨论，空的腔34的波模图形在频率上下移了，并检测到了由于工件36产生的附加波模。新检测到的波模B和C起因于增加了工件36，在反射功率百分比方面来说，波模C更有效。
在较佳实施例中，把处理工件36的起始谐振频率确定为产生最有效波模的频率。然后增加输出功率，开始进行微波处理。例如，为了产生等离子体或者加热工件36，上述的MLI型T-1096TWT可以产生功率达3kW的连续波。在高功率情况下，工件36可以表现出与系统冷机时远不同的特性。在产生等离子体的情下，出现了高密度的电子和离子以及表示均匀密度(但也包括可能是非均匀亚稳种类)的产品种类的频谱。另外，气体是“热”的，各种类并不单一地分布在微波腔34内。在加热样品的情况下，材料的介电常数是材料温度的函数，因此，它随样品的加热而变化。在这两种情况下，这些变化的条件对腔34内的波模图形有影响，会引起所要求的谐振波模的频率漂移。
由于最佳谐振波模的漂移，因而图示的反射功率对频率的曲线也将变化。因此，监视该反射功率能维持最佳的耦合。在本发明的方法中，在接近要求波模的窄的频率范围上监视反射功率的百分比，因此，可以把处理效率维持在最大程度上。
利用TWT20的能力在不同的频率上处理多个同时产生的信号，而用所选的起始谐振频率在高功率级下产生等离子或加热工件20，同时用低功率信号在整个频率范围上探测微波腔34。然后对该低功率的探测信号确定反射功率百分比对频率的关系曲线。然后把高功率波模谱与接地状态的低功率波模谱比较。波模谱的比较结果说明了所选的谐振频率的效率。因此，可以选更合适的高功率谐振频率。该方法在一些例子中发现和利用了在初始低功率条件下不存在的或者在低功率测试时不可能表现出最佳的波模。在等离子体的情况下，由于所有相应种类在低功率较弱的吸收而造成不存在现有的最佳波模。如该技术领域的熟练人员所理解的，许多其它的因素也可能影响最佳谐振频。
在用初始的低功率标准继续驱动所选的波模时，可以同时以高功率驱动热等离子体或者样品的第二谐振频率特性。对于输出为3kW的TWT20来说，能同时驱动两个功率级在1至1.5KW范围内的信号。因此，与用一种波模进行处理而另一种波模用于严格地监视相反，可以同时以两种波模处理样品。
在微波相关的沉淀处理中，对于诸如金刚石等在TWT20的频率范围内具有共振的沉淀材料来说，可以用低功率频率作为直接传感器来监视膜的生长。同时，把高功率信号用于进行沉淀。如上所述，为此可以用能同时输出两个信号的TWT20。把在该频率上吸收的强度与膜的厚度相关联，实现了就地传感智能处理控制程度。
也可以用间接的方法来代替直接传感膜的生长。这种情况尤其发生在膜的最佳谐振频率在TWT20的频率范围外。一种间接传感膜沉淀的技术的例子包括把介电材料体37放置在微波腔34内，这样介电体37的谐振频率在TWT20的频率范围内。随着在介电体37涂上层39，把谐振频率的变化用于测量涂层39’的厚度。
在间接传感膜沉淀的另一种方法中，用压电晶体代替了介电体37。压电晶体的谐振频率随着沉淀的膜的厚度的增加而改变。晶体由TWT20或者由外部电子装置用在低功率微波扫描期间测得的响应直接激励。
TWT20的频率范围可以通过同时在许多频率上检查反射功率取得高度的处理控制信息。可以把在n个频率中的每个频率下的反射功率值表示成n维矢量。例如，图8和图9所示的反射功率谱的曲线可以容易地用所希望的任意维来表示，仅受到所用的测量系统的频率分辨率的限制。如图中所示，可以选择离散的频率(表示为f1，f2，…，f19)，这些频率上反射功率的值确定了“频率空间”上的矢量。为了说明该方法，可以用在频率f2，f3，f6，f8，f9，f12，f15和f16上的反射功率确定矢量。空的腔将对应于矢量[95，75，95，60，70，95，95，80]，而有负载的腔将对应于矢量[75，95，80，20，90，55，95，65]等。本技术领域的熟练人员应当理解，上面给出的两个矢量彼此不同。任意多个这种矢量或者符号都是合适的，每个矢量或符号表示一组的不同的处理条件。而这些符号用于指向中性网络或者其它模式分类器。模式分类器实时监视处理过程，并通过自动地调节处理参数来提供实际的控制程度，以维持那些产生所要求的工作范围的符号特征的条件。本技术领域的熟练人员应当理解，有许多适当的模式分类技术，包括那些使用模拟和数据中性网络的技术。而且，这些技术工人应当理解，这些模式分类技术或者可以用专用的硬件，或者可以用在通用计算机或者装置内运行的软件来实现。上述已经图示和描述了变频微波加热装置的几个较佳实施例，应当理解，这些描述并不是对揭示内容的限制，而是覆盖了落入所附权利要求书或者它们的等效物中所限定的发明的精神和范围内的所有修饰和变换的方法。

Claims (37)

1、一种变频微波加热装置，用于处理所选材料，所述变频微波加热装置包括微波炉，它限定有一多波模腔，用于处理所述所选的材料，其特征在于，所述变频微波加热装置包含：
第一微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第一信号；
第二微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第二信号；
第一信号放大器，用于放大所述第一信号，所述第一信号放大器在所选频率范围内产生第一组微波，并限定一中心频率，所述第一组微波的功率与所选幅度相关，所述第一信号放大器包含第一微波电子器件；
第二信号放大器，用于放大所述第二信号，所述第二信号放大器在所选频率范围内产生第二组微波，并限定一中心频率，所述第二组微波的功率与所选幅度相关，所述第二信号放大器包含第二微波电子器件；
第一电源，用于向所述第一信号放大器提供电力；
第二电源，用于向所述第二信号放大器提供电力；
传输器，用于把所述第一和第二组微波传送到所述微波炉内；
信号定向器，把所述第一和第二组微波信号引向所述微波炉内，把从所述微波炉内反射的微波引向反射负载消耗器，所述反射负载消耗器用于消耗从所述微波炉反射的所述微波，从所述微波炉反射的所述微波的功率与所述幅度相关；
系统监视器，监视与传送给所述微波炉的所述第一和第二组微波相关的所述功率的所述大小以及与从所述微波炉反射的所述微波相关的所述功率，所述系统监视器用于监视所述变频微波加热装置的效率；和
数据处理器，用于处理所述系统监视器的输出。
2、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述第一信号放大器把有用的带宽限定在至少是所述第一信号放大器的中心频率的5％，所述第二信号放大器把有用的带宽限定在至少是所述第二信号放大器的中心频率的5％。
3、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述第一和第二微波电子器件从下面的组中选择：行波管、行波速调管、速调管、相交场所放大器、同轴磁控管和陀螺振子。
4、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述数据处理器至少包括中性网络。
5、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器至少包括一在多个频率上测量微波信号的装置，所述数据处理器至少包括把所述测得的微波信号转换成特征符号的转换器和至少对所述符号进行分类的装置。
6、如权利要求5所述的变频加热装置，其特征在于，所述测量微波信号的装置至少包括一模数转换器。
7、如权利要求5所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述至少对所述符号进行分类的装置至少包括中性网络。
8、如权利要求1所述的变频加热装置，其特征在于，所述系统监视器至少包括一容纳在所述多波模腔内的天线，所述天线设置成把微波能量传输至所述多波模腔内，并从所述多波模腔接收微波能量。
9、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器包括鉴频器。
10、如权利要求9所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述鉴频器包括从下面组中选出的器件：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、频谱分析器、跟踪带通滤波器、标量网络分析器、矢量网络分析器和频率合成器。
11、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述电源是可调的，因而可选择地调制所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度。
12、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含信号幅度控制器，用于可选择地调制所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度。
13、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器的所述输出包括与至少一个正在处理的所述所选材料的所选物理特性相关的信息。
14、如权利要求13所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选材料为聚合物，所述至少一个所选物理特性至少包括从下面组中选择的一个特性：所述聚合物的聚合度、固化度和交联度。
15、如权利要求13所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选的材料为陶瓷，所述至少一个所选特理特性至少包括一个从下面组中选择的特性：密度、温度、晶粒大小和状态分布。
16、如权利要求13所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选材料的至少一部分转换成等离子状态，所述至少一个所选物理特性包括所述等离子体的状态特性。
17、如权利要求1所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述信号定向器设置有扩散所述信号定向器工作积聚的热量的冷却装置。
18、一种变频微波加热装置，用于处理所选材料，所述变频微波加热装置包括微波炉，它限定有一多波模腔，用于处理所述所选的材料，所述变频微波加热装置包含：
微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第一信号和一个具有所选波形、频率和幅度的第二信号；
信号放大器，用于放大所述第一和第二信号，所述信号放大器在所选频率范围内产生第一和第二组微波，并限定一中心频率，所述第一组微波的功率与所选幅度相关，所述第二组微波的功率与所选幅度相关，所述信号放大器包含微波电子器件；
电源，用于向所述信号放大器提供电力；
传输器，用于把所述第一和第二组微波传送到所述微波炉内；
信号定向器，把所述第一和第二组微波信号引向所述微波炉内，把从所述微波炉内反射的微波引向反射负载消耗器，所述反射负载消耗器用于消耗从所述微波炉反射的所述微波，从所述微波炉反射的所述微波的功率与所述幅度相关；
系统监视器，监视与传送给所述微波炉的所述第一和第二组微波相关的所述功率的所述大小以及与从所述微波炉反射的所述微波相关的所述功率，所述系统监视器用于监视所述变频微波加热装置的效率；和
数据处理器，用于处理所述系统监视器的输出。
19、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述信号放大器把有用的带宽限定在至少是所述信号放大器的中心频率的5％。
20、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述微波电子器件从下面的组中选择：行波管、行波速调管、速调管、相交场所放大器、同轴磁控管和陀螺振子。
21、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述数据处理器至少包括中性网络。
22、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器至少包括一在多个频率上测量微波信号的装置，所述数据处理器至少包括把所述测得的微波信号转换成特征符号的转换器和至少对所述符号进行分类的装置。
23、如权利要求22所述的变频加热装置，其特征在于，所述测量微波信号的装置至少包括一模数转换器。
24、如权利要求22所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述至少对所述符号进行分类的装置至少包括中性网络。
25、如权利要求18所述的变频加热装置，其特征在于，所述系统监视器至少包括一容纳在所述多波模腔内的天线，所述天线设置成把微波能量传输至所述多波模腔内，并从所述多波模腔接收微波能量。
26、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器包括鉴频器。
27、如权利要求26所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述鉴频器包括从下面组中选出的器件：高通滤波器、低通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器、频谱分析器、跟踪带通滤波器、标量网络分析器、矢量网络分析器和频率合成器。
28、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述电源是可调的，因而可选择地调制所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度。
29、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，进一步包含信号幅度控制器，用于可选择地调制所述信号发生器产生的所述信号的所述幅度。
30、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述系统监视器的所述输出包括与至少一个正在处理的所述所选材料的所选物理特性相关的信息。
31、如权利要求30所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选材料为聚合物，所述至少一个所选物理特性至少包括从下面组中选择的一个特性：所述聚合物的聚合度、固化度和交联度。
32、如权利要求30所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选的材料为陶瓷，所述至少一个所选特理特性至少包括一个从下面组中选择的特性：密度、温度、晶粒大小和状态分布。
33、如权利要求30所述的变频微波加热装置，其特征在于，正在处理的所述所选材料的至少一部分转换成等离子状态，所述至少一个所选物理特性包括所述等离子体的状态特性。
34、如权利要求18所述的变频微波加热装置，其特征在于，所述信号定向器设置有扩散所述信号定向器工作积聚的热量的冷却装置。
35、一种处理所选材料的方法，其特征在于，包含下列步骤：
a、把所述所选材料放到包括微波炉的变频加热装置内，所述微波炉包括有多波模腔；
b、用至少两种带有由至少两种微波信号限定的至少两种频率的微波信号照射所述所选的材料；
c、在所述多波模腔内测量微波信号；
d、处理在所述测量微波信号步骤时检测到的测结果；和
e、根据所述处理在所述测量微波信号的所述步骤内检测到的测量结果的步骤得到的结果控制所述至少两种频率中的至少一种频率。
36、如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述用频率变化的微波照射所述所选材料的步骤是在所述变频微波加热装置内进行的，所述变频微波加热装置包含：
第一微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第一信号；
第二微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第二信号；
第一信号放大器，用于放大所述第一信号，所述第一信号放大器在所选频率范围内产生第一组微波，并限定一中心频率，所述第一组微波的功率与所选幅度相关，所述第一信号放大器包含第一微波电子器件；
第二信号放大器，用于放大所述第二信号，所述第二信号放大器在所选频率范围内产生第二组微波，并限定一中心频率，所述第二组微波的功率与所选幅度相关，所述第二信号放大器包含第二微波电子器件；
第一电源，用于向所述第一信号放大器提供电力；
第二电源，用于向所述第二信号放大器提供电力；
传输器，用于把所述第一和第二组微波传送到所述微波炉内；
信号定向器，把所述第一和第二组微波信号引向所述微波炉内，把从所述微波炉内反射的微波引向反射负载消耗器，所述反射负载消耗器用于消耗从所述微波炉反射的所述微波，从所述微波炉反射的所述微波的功率所述幅度相关；
系统监视器，监视与传送给所述微波炉的所述第一和第二组微波相关的所述功率的所述大小以及与从所述微波炉反射的所述微波相关的所述功率，所述系统监视器用于监视所术变频微波加热装置的效率；和数据处理器，用于处理所述系统监视器的输出。
37、如权利要求35所述的方法，其特征在于，所述用频率变化的微波照射所述所选材料的步骤是在所述变频微波加热装置内进行的，所述变频微波加热装置包含：
微波信号发生器，用于产生至少一个具有所选波形、频率和幅度的第一信号和一个具有所选波形、频率和幅度的第二信号；
信号放大器，用于放大所述第一和第二信号，所述信号放大器在所选频率范围内产生第一和第二组微波，并限定一中心频率，所述第一组微波的功率与所选幅度相关，所述第二组微波的功率与所选幅度相关，所述信号放大器包含微波电子器件；
电源，用于向所述信号放大器提供电力；
传输器，用于把所述第一和第二组微波传送到所述微波炉内；
信号定向器，把所述第一和第二组微波信号引向所述微波炉内，把从所述微波炉内反射的微波引向反射负载消耗器，所述反射负载消耗器用于消耗从所述微波炉反射的所述微波，从所述微波炉反射的所述微波的功率与所述幅度相关；
系统监视器，监视与传送给所述微波炉的所述第一和第二组微波相关的所述功率的所述大小以及与从所述微波炉反射的所述微波相关的所述功率，所述系统监视器用于监视所述变频微波加热装置的效率；和
数据处理器，用于处理所述系统监视器的输出。
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