一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器的制作方法

本发明属于岩土工程及采矿工程技术领域，特别是涉及一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器。

背景技术：

目前，在岩土工程及采矿工程中，破岩技术始终在向前发展，为了使破岩技术更加高效和经济，科研人员和相关技术人员从未停止过努力。

现阶段，以机械破岩法最为成熟，而在机械破岩法的基础上，相关技术人员也曾提出了在微波辅助下进行机械破岩的想法。由于岩石内不同矿物成分对微波具有不同的吸收特性，而各矿物因不同的热膨胀所产生的内应力，会使岩石内部发生沿晶断裂和穿晶断裂，从而使岩石内部产生损伤和微裂纹，这会导致岩石的单轴抗压强度、抗拉强度及点载荷强度等降低，此时再进行机械破岩，便可解决破岩刀具易磨损的问题，进而充分发挥机械破岩的优势。

例如，公开号为104563883a的中国专利申请，就提出了一种微波辅助钻孔破岩方案。但是，该方案中设定将辅助破岩微波发生器嵌入到钻头镶体的刀翼内部，而辅助破岩微波发生器的微波传导路径依次为磁控管、矩形波导管、同轴波导管及电极针，并最终通过电极针将微波发射出去。想要使岩石充分吸收微波能量，微波发射时的功率密度就至关重要，也是保证岩石能够在单位面积内尽可能多的吸收微波能量。可该专利申请中的辅助破岩微波发生器完全没有设置用于微波聚焦的部件，也就是说，磁控管发出的微波将以恒定的功率密度从电极针发射出去，想要充分实现岩石表面致裂，就必须提高磁控管的额定功率，但pdc钻头的尺寸范围是一定的，而钻头镶体的刀翼尺寸则更小，按照目前的技术水平，大功率磁控管因自身体积问题，是没法安装到小尺寸的pdc钻头刀翼内部的，如果为了满足安装条件而选择小功率磁控管，微波的功率密度又无法满足岩石表面致裂需要，进而就起不到辅助钻孔破岩的效果了。也就是说，公开号为104563883a的中国专利申请在短时间内是无法投入实际应用的。

另外，不局限于钻孔破岩领域，在隧道掘进施工领域内，微波辅助破岩方案同样可以起到充分发挥机械破岩优势的目的。但是，为了尽快满足工业化应用，以目前采用的恒定功率密度微波显然是不行的，必须对恒定功率密度微波进行聚焦，以提高微波发射时的功率密度。目前，通用的角锥喇叭辐射天线虽然在一定程度上可以实行微波的聚焦发射，但角锥喇叭辐射天线的尺寸较大，且口径效率较低，对于岩石来说吸收效率也偏低，且能量损耗较大，岩石表面致裂效果也难以达到要求。

因此，为了尽快满足微波辅助破岩方案的工业化应用，亟需设计一种全新的微波聚焦辐射器，与角锥喇叭辐射天线相比，尺寸更加合理，口径效率更高，可有效提高岩石的吸收效率，且能量损耗较小，可有效保证岩石表面致裂效果。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器，与角锥喇叭辐射天线相比，尺寸更加合理，口径效率更高，可有效提高岩石的吸收效率，且能量损耗较小，可有效保证岩石表面致裂效果，首次满足了微波辅助破岩方案的工业化应用要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器，包括标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段，所述标准波导段用于接入微波源发出的微波，标准波导段与阻抗匹配段相连，阻抗匹配段与压缩辐射段相连；所述阻抗匹配段用于在标准波导段与压缩辐射段之间形成阻抗匹配，所述压缩辐射段用于形成并向外辐射高功率密度的微波。

所述标准波导段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述阻抗匹配段采用变截面矩形金属腔体，变截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相配。

所述阻抗匹配段的变截面矩形金属腔体的纵向窄边尺寸为由大到小的线性过渡，且纵向窄边的大尺寸端与标准波导段相连，纵向窄边的小尺寸端与压缩辐射段相连。

所述压缩辐射段采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述标准波导段具有两种微波接入结构形式，第一种结构形式的标准波导段通过矩形波导或环形器接入微波源发出的微波，第二种结构形式的标准波导段依次通过同轴转换器及同轴电缆接入微波源发出的微波。

微波源发出的微波优选2.45ghz，矩形波导、标准波导段、阻抗匹配段及压缩辐射段的横向宽边尺寸优选为109mm或86mm。

本发明的有益效果：

本发明的岩石表面致裂微波聚焦辐射器，与角锥喇叭辐射天线相比，尺寸更加合理，口径效率更高，可有效提高岩石的吸收效率，且能量损耗较小，可有效保证岩石表面致裂效果，首次满足了微波辅助破岩方案的工业化应用要求。

附图说明

图1为本发明的一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器(标准波导段采用第一种结构形式)立体图；

图2为本发明的一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器(标准波导段采用第一种结构形式)剖视图；

图3为本发明的一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器(标准波导段采用第二种结构形式)立体图；

图4为本发明的一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器(标准波导段采用第二种结构形式)剖视图；

图中，1—标准波导段，2—阻抗匹配段，3—压缩辐射段，4—矩形波导，5—同轴转换器，6—同轴电缆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，一种岩石表面致裂微波聚焦辐射器，包括标准波导段1、阻抗匹配段2及压缩辐射段3，所述标准波导段1用于接入微波源发出的微波，标准波导段1与阻抗匹配段2相连，阻抗匹配段2与压缩辐射段3相连；所述阻抗匹配段2用于在标准波导段1与压缩辐射段3之间形成阻抗匹配，所述压缩辐射段3用于形成并向外辐射高功率密度的微波。

所述标准波导段1采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述阻抗匹配段2采用变截面矩形金属腔体，变截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相配。

所述阻抗匹配段2的变截面矩形金属腔体的纵向窄边尺寸为由大到小的线性过渡，且纵向窄边的大尺寸端与标准波导段1相连，纵向窄边的小尺寸端与压缩辐射段3相连。

所述压缩辐射段3采用等截面矩形金属腔体，等截面矩形金属腔体的横向宽边尺寸与微波源发出的微波波长相匹配。

所述标准波导段1具有两种微波接入结构形式，第一种结构形式的标准波导段1通过矩形波导4或环形器接入微波源发出的微波，第二种结构形式的标准波导段1依次通过同轴转换器5及同轴电缆6接入微波源发出的微波。

微波源发出的微波优选2.45ghz，矩形波导4、标准波导段1、阻抗匹配段2及压缩辐射段3的横向宽边尺寸优选为109mm或86mm，其对应的国家标准型号为bj22或bj26。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

以标准波导段1采用第一种结构形式为例，微波源发出的2.45ghz微波通过矩形波导4进入标准波导段1的等截面矩形金属腔体，进而通过标准波导段1向阻抗匹配段2的变截面矩形金属腔体内输入微波，微波会在标准波导段1与压缩辐射段3之间逐渐实现阻抗匹配并进行聚焦，同时也是微波功率密度逐渐提高的过程，直到微波传输到压缩辐射段3，在压缩辐射段3内的微波功率密度已达到最高值，最后通过压缩辐射段3将微波定向辐射出去，再通过空气介质传输到岩石表面，使岩石充分吸收微波能量，从而达到致裂岩石的效果。

以标准波导段1采用第二种结构形式为例，微波源发出的2.45ghz微波依次通过同轴电缆6及同轴转换器5进入标准波导段1的等截面矩形金属腔体，进而通过标准波导段1向阻抗匹配段2的变截面矩形金属腔体内输入微波，微波会在标准波导段1与压缩辐射段3之间逐渐实现阻抗匹配并进行聚焦，同时也是微波功率密度逐渐提高的过程，直到微波传输到压缩辐射段3，在压缩辐射段3内的微波功率密度已达到最高值，最后通过压缩辐射段3将微波定向辐射出去，再通过空气介质传输到岩石表面，使岩石充分吸收微波能量，从而达到致裂岩石的效果。

实施例中的方案并非用以限制本发明的专利保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本案的专利范围中。