一种豁免废物微波热解装置电磁屏蔽设计与实现

罗中兴，左莉，李霄，罗昆升，张开

（中国人民解放军96901部队，北京 100094）

1 前言

微波的热效应自1945年美国雷达工程师斯彭塞发现以来，因其高频率、波长短、穿透性、量子性等特性，在很多领域与其他技术组合，催生出许多“微波+”的耦合技术，并由此产生与微波相关的交叉学科。但是，微波加热存在的不均匀性、快速性、选择性、无热损耗等特点，也给微波运用带来了诸多挑战。在放射性废物处理领域，大型微波设备可用于处理放射性固体废物，由于处理对象特殊，此类设备一般为小批量产品，设计研发的放射性豁免废物微波热解装置，因其微波功率普遍较高，其电磁辐射量会在两个层次对使用和操作环境造成影响。首先，是工作于基频频段的能量辐射，人体与微波幅射源距离很近时，可能受到过量的辐射能量而导致头昏、睡眠障碍、记忆力减退、心动过缓、血压下降等。其微波泄漏控制应严格按照《GB 5959.6-2008 电热装置的安全 第6部分 工业微波加热设备的安全规范》，因为过量的微波泄漏会影响操作人员人身安全。其次，是微波场谐波会产生电磁干扰，会形成电磁传导和辐射两种干扰源，从而严重影响周边电子设备正常工作。其电磁辐射量控制应该严格按照《GJB 151B-2013军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》。这两个范畴电磁辐射问题，已经成为影响设备安全使用的一个重要因素，为保证设备、操作人员和环境安全，需要从结构设计、屏蔽措施等方面进行电磁屏蔽考虑。

2 微波泄漏屏蔽

2.1 功率设计

控制微波泄漏首先需要控制其功率，从源头控制微波的泄漏量。微波设备的功率计算，必须考虑微波功率和功率密度。对微波功率而言，物料吸收微波后产生热量，微波吸收功率的公式如下：

式中，f为微波频率（Hz），E为电场强度（V/cm），εr为介电常数，tgδ为介质损耗系数。

而宏观上，微波设计主要根据热学公式来考虑物料的加热要求，由温度和时间等确定。

式中，T为温升，C为比热，W为物料重量，t为微波作用时间。

豁免废物微波热解对象主要是特殊岗位产生的放射性豁免废物，比重按照0.5（棉布、塑胶手套、空气过滤器等平均比重）计算，一次装载物料约60kg。假定升温处理时间为1h（不考虑冷却时间），升温最高为1100℃余量设计，棉布比热约1.34，不考虑物料灰化后生成物质吸热，微波功率应为25.5kW，综合考虑设计为30kW。

对于功率密度，微波密度为单位空间内的微波能量，微波密度越高，电场强度E就越大，微波能量就越强。在30kW的能量条件下，微波炉设计容积为860L，平均能量为35W/L，微波强度比较合适。

2.2 微波谐振腔微波传导与抗干扰设计

微波激励采用磁控管作为微波源，设计成斜面矩形波导耦合结构，这种结构具有耦合度高、抗载能力强的特点。以单个微波源（图1所示）举例，通过设在微波腔体侧壁的波导耦合口，在微波腔体内激发了与波导的E面平行的谐振电场，并伴随微波腔内物料的吸收，电磁场以行驻波的形式，层层向物料波动传输。

图1 单个微波源波导仿真

微波谐振腔是保证微波设备工作的最重要部分，为达到较好的微波热解效果，同时，要保证尽量少的微波泄漏，需要对微波结构进行设计。参考文献[14]提到的很多微波谐振腔的设计方法与仿真手段，微波谐振腔采用了不同的极化方向设计，以达到抗临近干扰目的。

为了强化谐振腔内部的微波分布均匀性，设计采用相邻波导口相互垂直的方式（如图2所示），即每相邻的两个波导口E面均垂直，从而形成不通的极化方向，即做到了增加微波谐振腔均匀性，又可以减少相邻波导口间的端口串扰，保护多微波源系统的工作状态。

图2 微波炉腔结构设计

2.3 微波谐振腔门体抑制微波泄漏设计

腔体设计主要是为均衡微波传导与电磁干扰，而门体是抑制微波泄漏的关键结构。

根据微波传输线的理论，微波是以电磁场电磁相互转换的原理来传递的，根据终端短路传输线阻抗公式：

其中，l表示传输线长度，通过公式可以了解，当l长度动态变化过程中，体现的特性是每隔λ/2重复，每隔λ/4相反。因此，在微波炉门体设计防漏结构，采用比较典型微波1/4波长传输线阻抗变换来实现，防漏结构示意如图3所示。

图3 微波抗流结构示意图

图3中，E表示微波炉箱体内部即微波谐振腔，此处微波强度最大，D为微波炉门体外部，此处通常作为微波泄漏测试位置，A为抗流槽内部平面，即金属短路面，B离开A点1/4波长距离的位置，C为炉腔E内微波能量辐射出门体的位置，距离B点1/4波长距离。A处是金属短路面，此处电流I最大，而电场U最小；通过1/4波长变换，到了B处位置，变成了电场U最大，电流I最小，同时，阻抗Zi无穷大，等效于开路，所以D点无微波泄漏；然后，再次通过1/4波长变换，到了C处位置，变成了电场U最小，电流I最大，同时，阻抗Zi为0，等效于短路，因而在C点就形成了理论上的门体和炉腔壁的导通，抑制微波能量向外辐射。图4为最终炉门微波抗流结构图。

图4 炉门微波抗流结构图

2.4 微波泄漏屏蔽结构设计

（1）微波腔体是主要的辐射源，其抑制微波泄漏设计从根本上保证了微波泄漏的量级，但是，由于电磁波特性，可通过导线传播、空间传播等方式泄漏，需要对总电源、磁控管、变压器，以及内表面、机架等进行屏蔽设计。

（2）设备采用全不锈钢结构设计。从加工角度，容易焊接加工形成封闭箱体，同时，耐设备内部腐蚀性气体侵蚀，总体电导率高，有利于接地和电磁屏蔽。

（3）微波炉中心频率为2450MHz，根据CISPR11（转换为GB4824），其测试点最难过的区间是11.7GHz～12.7GHz，此处是微波的5次谐波处，此谐波频率下波长约24.4mm，严格控制1/2波长（12.2mm间隙）以上的间隙可以有效抑制。

（4）设备内部导线总体用金属导管屏蔽，接地可靠。

（5）磁控管作为微波发生结构，其导线采用铁氧体作吸收成立，微波源分布区通过金属网作屏蔽罩进行防护。

（6）设备外壳和框架连接处，安装导电簧片，避免较大空隙产生。

（7）排气孔加装铜网，防止电磁泄漏。

2.5 微波泄漏测量结果分析

经过微波腔体、门体设计与采取多项电磁屏蔽措施，设计的放射性豁免废物微波热解装置（图5所示）通过了各项电磁兼容测试。

图5 放射性豁免废物微波热解装置

该装置正常工作时，微波泄漏量仅为0.923mW/cm2（图6所示），远低于《GB 5959.6-2008电热装置的安全》（第6部分：工业微波加热设备的安全规范）规定的5mW/cm2要求。从结果看，这些措施对防止电磁泄漏起到了很好的作用。

图6 放射性豁免废物微波热解装置微波泄漏测试

3 结语

某放射性豁免废物微波热解装置属大型工业微波设备，通过有效的微波设计与抑制泄漏结构设计等措施，很好地控制了电磁泄漏与电磁干扰，并满足了国家各项标准要求，试验结果表明，各项措施在保证微波效果的同时，有效降低了电磁泄漏与电磁干扰。