微波:从微波炉到大工业
针对微波在现行工业大规模应用中存在的关键问题，四川大学黄卡玛教授研究团队针对微波与复杂时变媒质相互作用机理，提出了工业用大功率智能微波源的制造与应用方法，为微波能应用从厨房延伸到大型工业提供了理论和技术支撑。
微波是指频率范围为300兆赫至3000千兆赫的电磁波。20世纪40年代，美国雷声公司的培西.史宾赛（Percy Spencer)博士发现了微波具有加热的功能,从而在1947年推出世界第一台商业微波炉。随着科技的突飞猛进，微波炉已变得小巧轻便，价格低廉。相比于传统加热方式，微波加热具有使用方便、加热快速、节能环保、易于控制等优点，微波炉也因此受到大众的欢迎，普遍应用于食品的加热加工。
1986年，加拿大科学家R.N.格迪（R.N. Gedye）尝试用微波炉加热化学反应，开创了微波化学这一领域。各种研究都表明微波加热化学反应能够在很大程度上缩短反应流程，降低反应温度要求，提高反应效率，且易于自动控制。因此，微波加热替代传统加热不仅可以降低反应要求，还有利于节能减排，具有非常大的工业应用前景。
正因为微波能在化学工业应用中蕴藏着巨大潜力，微波化学已成为了当前国际上的一门新兴交叉学科,引起了广泛关注。 2003 年D.亚当（D. Adam）在英国《自然》杂志上对微波化学的进展情况做了综述，他在文章中指出 “微波能的发展将是工业应用领域的一次技术革命”。当前美国、意大利和法国等国已经有相关企业从事实验室规模微波化学的商业活动。但虽然微波已得到工业应用，却仍局限于简单的加热或干燥处理，微波在化工、冶金等高能耗、高污染行业的大规模应用面临着巨大的挑战。2014 年全年中国能源消费总量为 42.6亿吨标准煤，若利用微波技术使六大高耗能行业（化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼及压延加工业、有色金属冶炼及压延加工业、石油加工炼焦及核燃料加工业、电力热力的生产和供应业）实现节能30%，将降低中国工业能耗16.8%，节约近6亿吨标准煤；按2010年北京市总能耗计算，这些节约的能源将足够提供北京市8年的能源供应。
微波能工业系统设计缺乏理论指导
目前，微波与化学反应体系的相互作用机理仍不完全清楚。反应体系的介电特性研究是研究微波与物质相互作用中基础而关键的一环。介电特性一般由物质的成分和温度决定。但化学反应这一非平衡态系统，其介电特性的表征和测量尚待研究。此外，高温或特高温下的物质介电特性的表征和测量也是个难题。
加热不均匀及热失控问题尚未解决。微波加热物料时，往往会出现 “热点”现象，即物料局部出现过高的温度梯度。而当物料吸波能力与温度成正比时，形成正反馈，将导致热失控现象。大功率工业应用时可能引发爆炸。目前，对于微波加热产生热失控的问题仍缺少有效的预测模型及控制。
缺少工业用大功率和长寿命的微波源
微波源功率低。磁控管已被证明是最高效和经济的工业用微波发生器。但是，目前单支磁控管的输出功率远不能满足工业应用的需求，而将多个磁控管进行非相干功率合成并不能解决问题。
微波源寿命短。目前，磁控管的平均工作寿命仅为2000小时左右，远不能满足现代工业生产需求。
难以实现大功率微波源高效安全和可靠的应用
工业物料特性往往千差万别，其对微波的吸收能力随时间和温度会发生剧烈变化。如不考虑工业物料的实时变化，将可能烧毁物料和导致爆炸等安全事故。
大功率微波源工作中产生的电磁脉冲以及微波泄漏必然会对微波源中的控制系统和其他辅助设备造成严重干扰，影响微波源的可靠性和安全性。
针对以上难题，国家重大科学研究计划“支撑微波能高效工业应用中的新型微波源基础问题研究”，首次提出智能微波源概念并开展基础理论与关键技术研究，从以下5个方面展开工作：(1)大功率长寿命注入锁频磁控管基础问题研究及实现；(2)工业用微波源中微波相干原理与高效功率合成技术；(3)基于负载特性的微波源实时智能控制理论与关键技术；(4)大功率微波源中的电磁干扰研究与抑制；(5)微波加热工业物料机理与多物理场协同计算。项目组在各个方面都取得了重大成果。
在微波与反应物相互作用机理方面，项目组推导出了表征反应物料介电特性的两个向量，以及微波在化学反应非平衡态体系中传播规律的新型波动方程，发现并解释了微波在化学反应等非平衡体系中传播时出现的一些特异性现象，为设计加热均匀和高效反应器以及控制热失控奠定了理论基础；同时，依据声波在介质中传播的过程中其特性参数与温度变化具有较强相关性的原理，通过测量获取这些特性参数或其变化参数，重建了被测介质的温度场，并应用于微波工业安全加热过程的温度在线非接触式测量。
项目组还将微波加热物料中涉及的各方程进行耦合计算，建立了微波时变媒质的多物理场耦合模型和并行计算软件，构建了具有较大通用性的多物理场协同、高效大规模科学计算平台，实现了微波作用复杂反应、复杂运动的多物理场计算。
在大功率磁控管方面，利用钍钨合金材料制备的阴极，碳化后提高了阴极表面的微观发射面积，工作温度从原来的2000摄氏度降低到1600摄氏度，并应用于20千瓦的大功率连续波磁控管中，寿命实验超过1万小时（常规磁控管寿命2000小时），成果突破了我国大功率连续波磁控管功率低、寿命短的应用瓶颈问题,对微波能工业应用行业必将起到变革性的巨大推动作用。同时，采用注入锁频磁控管的杂散能量回收技术和智能相位调节技术，实现了大功率注入锁频磁控管的高效相干功率合成，突破了单只磁控管功率限制，实现了2450兆赫/60千瓦功率的输出，为具有更高功率需求的工业用系统提供支持。
在源的智能控制方面，项目组建立了微波源运行信息与整体行为的联系机制，实现从宏观到微观、从整体到局部以及从粗略到精确的多目标、多层次的整体性主动调控过程。
目前，项目组已将研究成果应用到南京三乐公司的江苏大丰港红土矿冶炼生产线上。与传统工艺相比，使用微波能时的冶炼温度降低300摄氏度左右，冶炼电耗降低50%左右，在无需高温熔分的条件下，镍收得率高达92%以上，实现节能40%以上。专家组评审认为：该项技术总体达到国际先进水平，其中采用大功率微波设备生产镍铁技术达到国际领先水平。
面对中国人口众多、能源严重短缺的现状，推进节能减排迫在眉睫，并成为我国经济可持续发展的基本国策。利用新技术对高耗能行业进行重大技术改造意义重大。微波能在工业的大规模应用，将为建设绿色美好新家园的畅想提供坚实有力的技术支撑。
致谢：感谢国家973计划项目“支撑微波能高效工业应用中的新型微波源基础问题研究”（项目编号：2013CB328900）的支持。
研究团队简介
黄卡玛：四川大学电子信息学院教授，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授，973计划项目首席科学家。
张兆传：中国科学院电子学研究所研究员。
刘长军：四川大学电子信息学院教授，博导。
王均宏：北京交通大学光波所教授，国家杰出青年基金获得者，长江学者特聘教授；束小建，北京大学应用物理与技术研究中心研究员。
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