ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Полезная модель относится к высокочастотной технике и может быть использована 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 [Arbel D., Bar-Lev Z., Felsteiner J., Rosenberg A., Slutsker Ya.Z. "Collisionless Instability of the Cathode Sheath in a Hollow-Cathode Discharge", Physical Review Letters. 1993. V. 71. №18. P. 2919], при этом амплитуда ВЧ-модуляций может достигать 100% от величины напряжения разряда.
Известны генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору [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; Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C., 20.11.2012, бюл. №32; Дубинов А.Е., Вялых Д.В., Львов И.Л. и др., "Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов", ПТЭ, 2011, №5, с. 106-110], содержащие газоразрядную камеру, систему создания газоразрядной среды, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подключены к источнику питания. С помощью системы создания газоразрядной среды в камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. 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.
В данных ВЧ-генераторах газом, формирующим газоразрядную среду, является воздух, а система создания газоразрядной среды включает в себя откачивающее устройство (вакуумный насос, посредством которого газоразрядная камера откачивается до необходимого уровня давления), устройство напуска газа (систему вакуумных клапанов, с помощью которой в газоразрядную камеру напускается свежий газ взамен отработанного) и устройство измерения давления в газоразрядной камере. Обслуживание подобной системы создания газоразрядной среды требует практически постоянного участия оператора, кроме того, масса и габариты системы, как правило, превышают массу и габариты всех в совокупности остальных частей ВЧ-генератора.
Согласно результатам исследований ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом, мощность ВЧ-импульсов, генерируемых приборами данного типа, прямо зависит от атомной массы газа, используемого в качестве газоразрядной среды - чем тяжелее газ, тем выше генерируемая ВЧ-мощность [Bliokh Yu. P., Felsteiner J., Slutsker Ya.Z., Vaisberg P.M. Characteristics of a High-Power RF Oscillator Based on a Pulsed Hollow-Cathode Discharge // IEEE Transactions on plasma science. - 2001. - V. 29. - №6. - P. 895; A.E. Dubinov, I.Y. Kornilova, I.L. Lvov etc., "Generator of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chamber with hollow cathode", IEEE Trans. Plasma Sci., Nov. 2010, vol. 38, no. 11, pp. 3105-3108].
6
Известен генератор ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом [Патент РФ, №2624000 Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., «Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом», 30.06.2017], в котором в качестве газа, формирующего газоразрядную среду, используется SF (элегаз). Элегаз, помимо того, что является электроотрицательным газом (что обуславливает его широкое применение в ВЧ-генераторах на основе разряда с полым катодом), также обладает высокой атомной массой, так что его использование в газоразрядных ВЧ-генераторах позволило существенно увеличить мощность ВЧ-генерации. Однако, наряду с этим, при данной модификации прибора пришлось усложнить устройство системы создания газоразрядной среды и увеличить массогабаритные характеристики ВЧ-генератора за счет контейнеров (баллонов) с элегазом.
Между тем. несомненными достоинствами ВЧ-генераторов заявляемого типа (по сравнению с другими ВЧ-устройствами, обладающими схожими техническими характеристиками), делающими их использование весьма перспективным для решения многих практических задач, являются их техническая простота, компактность и портативность. Однако использование в таких ВЧ-генераторах систем создания газоразрядной среды, подобных описанной выше, уменьшает данные достоинства.
Недостатком описанных выше ВЧ-генераторов, аналогичных заявляемому, является использование в них системы создания газоразрядной среды, обладающей сравнительно большими массой и габаритами и требующей постоянного контроля обслуживающего эту систему оператора.
Данный недостаток можно преодолеть, используя в ВЧ-генераторе заявляемого типа систему создания газоразрядной среды, включающую в себя накаливаемый генератор газа для газоразрядных приборов, а также электрический источник, генерирующий ток накала. Основу такого накаливаемого генератора газа составляет накаливаемый элемент, при нагревании выделяющий определенный газ, наполняющий объем газоразрядной камеры и формирующий газоразрядную среду. Интенсивность газовыделения и, соответственно, давление газа в газоразрядной камере контролируется величиной тока накала - чем выше ток, тем сильнее нагревается и выделяет газ накаливаемый элемент, тем большее давление газа создается в газоразрядной камере.
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом [A.E. Dubinov, I.Y. Kornilova, I.L. Lvov etc., "Generator of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chamber with hollow cathode", IEEE Trans. Plasma Sci., Nov. 2010, vol. 38, no. 11, pp. 3105-3108], содержащий газоразрядную камеру, образованную электродами - полым катодом и анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, к камере подсоединена система создания газоразрядной среды, состоящая из накаливаемого генератора газа и подключенного к нему источника постоянного тока, причем все составляющие генератора выполнены в едином модуле. При пропускании через накаливаемый генератор газа тока, генерируемого источником тока, происходит заполнение газоразрядной камеры газом. Значение величины тока накала генератора газа устанавливается таким, чтобы поддерживать в газоразрядной камере уровень давления, при котором происходят ВЧ-модуляции разрядного напряжения в разряде с полым катодом (то есть тот уровень давления на левой ветви кривой Пашена, при котором реализуется пробой межэлектродного промежутка при заданной амплитуде высоковольтного импульса напряжения, формируемого источником питания). При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-модуляции напряжения разряда являются причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
3
В устройстве-прототипе используются накаливаемые генераторы водорода и азота (также известен ВЧ-генератор, в котором используется накаливаемый генератор изотопа водорода - дейтерия [S.V. Bulychev, A.E. Dubinov, I.L. Lvov etc., "Autonomous portable pulsed-periodical generator of high-power radiofrequency-pulses based on gas discharge with hollow cathode", Rev. of Sci. Instr., 2016, vol. 87, no. 5, p. 054707]). Использованные накаливаемые генераторы газа имеют массу в пределах нескольких грамм, занимают объем не более 2 см - эти величины несущественно малы по сравнению с массогабаритными характеристиками ВЧ-генератора в целом и не оказывают влияния на его портативность и компактность. Такие генераторы газа функционируют в автономном режиме и не требуют постоянного контроля оператора.
Однако, при таких достоинствах, как портативность и компактность, реализованные к настоящему времени ВЧ-генераторы, в которых применяются накаливаемые генераторы газов, имеют и существенные недостатки - их мощность ВЧ-генерации недостаточна для многих технических применений. Причиной этому является сравнительно невысокая атомная масса газов, применяемых в качестве газоразрядной среды - как водорода (2) и дейтерия (4), так и азота (28).
Для повышения мощности ВЧ-генерации при сохранении портативности и компактности ВЧ-генератора следует использовать накаливаемые генераторы газов, производящих газы с более высокими атомными массами, чем у азота. С точки зрения увеличения ВЧ-мощности доказало свою эффективность использование элегаза, а также тяжелых инертных газов - ксенона и аргона. Но накаливаемых генераторов этих газов к сегодняшнему дню не создано.
Недостатком созданных к настоящему времени компактных и портативных ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом является недостаточная для многих технических применений мощность генерируемых ВЧ-импульсов.
Задачей полезной модели является создание генератора на основе разряда с полым катодом, мощность генерации которого была бы выше достигнутых к настоящему времени значений, при сохранении портативности, компактности и простоты обслуживания устройства.
Техническим результатом полезной модели является увеличение значений мощности излучения ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом при сохранении его портативности, компактности и простоты обслуживания путем использования рабочего газа с большой атомной массой.
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 анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, к камере подсоединена система создания газоразрядной среды, состоящая из накаливаемого генератора газа и подключенного к нему источника тока накала, причем все составляющие устройства выполнены в едином модуле, в предложенном генераторе в системе создания газоразрядной среды в качестве накаливаемого генератора газа использован генератор газообразного диоксида углерода.
3
3
К настоящему времени разработаны технологии, позволяющие реализовывать накаливаемые генераторы газообразного диоксида углерода (подобные генераторы диоксида углерода используются в газоразрядных приборах, производимых предприятием ООО «Импульсные технологии», г. Рязань, www.pulsetech.ru). Данные накаливаемые генераторы диоксида углерода обладают массогабаритными и функциональными характеристиками, практически полностью аналогичными массогабаритным и функциональным характеристикам накаливаемых генераторов водорода и азота, используемых в устройстве-прототипе - масса в пределах нескольких грамм, объем в пределах 2 см, генератор способен заполнять газом объем не менее 100 см до давления величиной не менее 10 Тор. Данные массогабаритные характеристики генератора газообразного диоксида углерода практически не влияют на массогабаритные характеристики ВЧ-генератора в целом, приведенные технические характеристики полностью удовлетворяют требуемым характеристикам генератора газа в ВЧ-генераторе на основе разряда с полым катодом. Функционирование накаливаемого генератора газа инициируется включением источника тока накала и не требует дальнейшего внимания операторов, обслуживающих ВЧ-генератор.
Следовательно, применение в ВЧ-генераторе заявляемой конструкции накаливаемого генератора газообразного диоксида углерода полностью удовлетворяет требованиям компактности, портативности и простоты обслуживания ВЧ-генератора.
2
2
2
2
Атомная масса молекулы диоксида углерода (СО) равняется 44, что существенно выше, чем атомная масса молекулы азота (N) - 28, и многократно выше, чем атомная масса молекул водорода (Н) - 2, и дейтерия (D) - 4. А так как мощность ВЧ-импульсов, генерируемых газоразрядными ВЧ-генераторами, прямо зависит от атомной массы газа, используемого в качестве газоразрядной среды, то применение в качестве газоразрядной среды газообразного диоксида углерода с точки зрения мощности генерации гораздо более предпочтительно, чем применение газов, используемых в устройстве-прототипе.
Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Газоразрядная камера генератора образована электродами - полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания 4. К электродам камеры подключена электрическая нагрузка 5. Рабочий объем камеры имеет сообщение с системой создания газоразрядной среды. Система создания газовой среды состоит из накаливаемого генератора газа 6, при пропускании через его накаливаемый элемент электрического тока от источника тока 7 выделяющего газообразный диоксид углерода, заполняющий рабочий объем газоразрядной камеры через отверстия в анодном дне.
ВЧ-генератор работает следующим образом. Включается источник тока 7, инициирующий работу генератора газа 6. Интенсивность функционирования генератора газа, определяющая уровень давления в газоразрядной камере, регулируется величиной тока накала. При запуске источника питания 4 на электроды 1 и 2 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).
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, средний диаметр поперечного сечения катодной полости 25 мм, протяженность полости 50 мм.
Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра диаметром 25 мм.
-1
Накачиваемый генератор газа при пропускании через его накаливаемый элемент тока 1,5 А обеспечивает заполнение объема газоразрядной камеры газообразным диоксидом углерода при давлении порядка 10 Тор.
Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 3÷5 кВ.
Предварительные испытания устройства, выполненного согласно предложенному техническому решению, показали, что мощность генерации ВЧ-генератора при использовании диоксида углерода в качестве газоразрядной среды в несколько раз выше по сравнению с использованием водорода, и примерно на 20% выше по сравнению с использованием азота, при сохранении портативности, компактности и простоты обслуживания ВЧ-генератора. Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволяет успешно добиться заявленного технического результата.