ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON DISCHARGE WITH HOLLOW CATHODE

Изобретение относится к высокочастотной технике и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения.
Разряд с полым катодом ([Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. - М.: Энергия, 1969]) имеет следующую особенность - при определенных условиях (то есть при определенных геометрических параметрах полости, при значениях давления разрядного газа, лежащих в определенном диапазоне, и при превышении определенного порога плотности тока разряда) в процессе его развития происходит ВЧ-модуляция разрядного напряжения ([ArbelD., Bar-LevZ., FelsteinerJ., RosenbergA., SlutskerYa.Z. ″Collisionless Instability of the Cathode Sheath in a Hollow-Cathode Discharge″, Physical Review Letters. 1993. V. 71. №18. P. 2919]).
Известны генераторы ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору (например, [Булычев С.В., Вялых Д.В., Дубинов А.Е. и др. ″Результаты исследований генераторов мощных ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом″, Физика плазмы. 2009, т. 35, №11, с. 1019]), содержащие газоразрядную камеру, подсоединенную к вакуумной системе, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подключены к источнику питания. Вакуумная система создает необходимое давление в газоразрядной камере. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. Электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Рабочие частоты созданных к настоящему времени генераторов на основе разряда с полым катодом лежат, как правило, в диапазоне 10÷200 МГц, причем функционирование подобных приборов с частотами выше 150 МГц сопряжено со многими весьма существенными ограничениями. Однако во многих технических задачах, для решения которых возможно применение приборов данного типа, могут потребоваться частоты электромагнитного излучения, выходящие за пределы верхней границы указанного диапазона. Следовательно, возникает проблема создания генераторов высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, рабочие частоты которых лежат выше достигнутых к настоящему времени.
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом ([Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C., 20.11.2012, бюл. №32]), содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом и полым анодом, которые разделены изолятором, полости катода и анода открыты навстречу друг другу и соединены каналом, формируемым в зоне стыка катода и анода отверстием, открывающим катодную полость, отверстием в изоляторе, задающим межэлектродный промежуток, и отверстием, открывающим анодную полость. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания. Электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. Необходимое рабочее давление в газоразрядной камере устанавливается посредством вакуумной системы. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Выполнение анода полым снижает среднестатистическое время пробоя между электродами камеры, следствием чего является повышение стабильности частоты следования ВЧ-импульсов, формируемых генератором при функционировании его в импульсно-периодическом режиме.
Недостатком подобной конструкции генератора является ограниченность частоты генерации прибора.
Согласно проведенным исследованиям рабочая частота ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом тем больше, чем выше плотность тока разряда. Следовательно, добиться повышения частоты генерации можно, увеличив плотность разрядного тока. Наиболее тривиальный способ сделать это - уменьшить площадь электродов. Однако этот путь имеет свои недостатки: при уменьшении площади катода существенно возрастет вероятность перехода разряда из объемной формы в контрагированную, что приведет к нестабильной работе генератора.
Задачей изобретения является создание генератора на основе разряда с полым катодом с увеличенной частотой генерации.
Техническим результатом изобретения является увеличение значений частот генерации ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом.
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную электродами - полым катодом и полым анодом, разделенными изолятором, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, причем полость катода и полость анода открыты навстречу друг другу и соединены между собой каналом, формируемым в зоне стыка катода и анода отверстием, открывающим катодную полость, отверстием в изоляторе, задающим межэлектродный промежуток, и отверстием, открывающим анодную полость, в предложенном генераторе канал сужен посредством выполнения, по крайней мере, одного из отверстий, формирующих канал, таким образом, чтобы площадь поперечного сечения этого отверстия была меньше средней площади поперечного сечения катодной полости.
Данное техническое решение позволяет добиться повышения частоты ВЧ-генератора путем увеличения плотности тока разряда без изменения рабочей площади (т.е. площади, с которой происходит эмиссия частиц в процессе горения разряда) катодной полости, но за счет уменьшения площади поперечного сечения разряда в области межэлектродного промежутка. А именно за счет уменьшения (по сравнению со средней площадью поперечного сечения катодной полости по протяженности полости) площади поперечного сечения канала, соединяющего полости катода и анода, формируемого в зоне стыка катода и анода отверстием, открывающим катодную полость, отверстием в изоляторе, задающим межэлектродный промежуток, и отверстием, открывающим анодную полость. Соответственно уменьшить площадь поперечного сечения канала возможно, уменьшив площадь поперечного сечения по крайней мере одного, любого из отверстий, формирующих канал (либо любых двух отверстий, либо всех трех отверстий). При этом разряд, инициируясь по всей площади полостей электродов (или по большей ее части), за счет того, что площадь поперечного сечения какой-либо части канала меньше площади поперечного сечения катодной полости, будет сужаться, то есть уплотняться в области межэлектродного зазора (в той части канала, в которой площадь поперечного сечения канала будет наименьшей по его протяженности). При этом плотность тока разряда возрастет, и частота ВЧ-импульсов увеличится.
Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом в цилиндрической геометрии показан на чертеже. Газоразрядная камера генератора образована цилиндрическими по форме электродами - полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. Канал, соединяющий полости катода и анода, сужен в зоне стыка катода и анода за счет того, что диаметр формирующего канал круглого аксиального отверстия в изоляторе 3 гораздо меньше диаметра катодной полости, и площадь его поперечного сечения значительно меньше средней площади поперечного сечения катодной полости. Диаметры отверстий, открывающих полости катода и анода и соответственно их площади в данном случае равны средней площади поперечного сечения катодной полости. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания 4. К электродам камеры подключена электрическая нагрузка 5. Рабочий объем камеры подсоединен к вакуумной системе 6.
ВЧ-генератор работает следующим образом. Посредством вакуумной системы 6 в газоразрядной камере устанавливается необходимый для функционирования устройства уровень давления. При запуске источника питания 4 на электроды газоразрядной камеры подается импульс напряжения. В камере инициируется газовый разряд с полым катодом, напряжение разряда промодулировано по ВЧ-частоте. ВЧ-колебания разрядного напряжения передаются в нагрузку 5 (в качестве нагрузки может использоваться система излучения или резистивное сопротивление). Тонкими линиями со стрелками показаны направления движения эмитированных с поверхности катода частиц через узкое отверстие в межэлектродной области. Так как плотность тока разряда, проходящего через канал малой площади, существенно превышает плотность тока разряда в устройстве-прототипе, в данной конструкции частота генерации заявляемого устройства значительно превосходит частоту генерации прототипа.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
2
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, средний диаметр поперечного сечения катодной полости 25 мм (при этом средняя площадь поперечного сечения катодной области равна приблизительно 500 мм), протяженность полости 50 мм.
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра диаметром 25 мм.
2
- Изолятор, задающий межэлектродный промежуток, выполнен из жаропрочной керамики в форме диска с аксиальным отверстием, формирующим канал, соединяющий полости катода и анода, диаметр отверстия 5 мм (площадь поперечного сечения отверстия примерно 20 мм), в 5 раз меньший, чем средний диаметр поперечного сечения катодной полости и соответственно в 25 раз меньше средней площади поперечного сечения катодной полости.
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 3÷5 кВ.
-1
- Вакуумная система обеспечивает уровень давления рабочего газа в газоразрядной камере порядка 10 Торр.
Согласно предварительным экспериментам рабочая частота данного ВЧ-генератора по сравнению с прототипом возрастает на несколько десятков МГц. Таким образом, техническая задача изобретения решена за счет реализованного в конструкции технического решения.