ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

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 ([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]).
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. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, подключенными 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.
Детальные исследования позволили предположить, что частота генерации устройств данного типа определяется собственной частотой эффективного колебательного контура, который образован емкостью прикатодного слоя газового разряда и индуктивностью токоведущих элементов конструкции генератора ([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]; [В.Д. Селемир, А.Е. Дубинов, В.С. Жданов и др., Мощный сверхминиатюрный беспучковый СВЧ-генератор в газоразрядной СВЧ-электронике, ДАН, 2012, том 442, №4, с. 465-467]). Следовательно, увеличения частоты генерации можно достичь путем уменьшения значений данных величин, изменяя конструктивные характеристики генератора.
Один из способов увеличения частоты - уменьшение емкости прикатодного слоя разряда, чего можно добиться, уменьшая объем катодной полости и площадь ее поверхности. Имеется экспериментальное подтверждение возможности такого способа повышения частоты до 460 МГц ([В.Д. Селемир, А.Е. Дубинов, В.С. Жданов и др., Мощный сверхминиатюрный беспучковый СВЧ-генератор в газоразрядной СВЧ-электронике, ДАН, 2012, том 442, №4, с. 465-467]). Однако этот путь, при всей эффективности, сопряжен с определенными недостатками - значительное уменьшение размеров катодной полости существенно увеличивает вероятность перехода разряда из объемной формы в контрагированную, что приводит к срыву генерации ([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]), функционирование генератора становится нестабильным. К тому же, миниатюризация рабочего объема газоразрядной камеры влечет за собой соответствующее изменение характеристик разряда и, как следствие, заметное уменьшение мощности генерации. Эти факторы существенно ограничивают возможность практического применения устройства, описанного в [В.Д. Селемир, А.Е. Дубинов, В.С. Жданов и др., Мощный сверхминиатюрный беспучковый СВЧ-генератор в газоразрядной СВЧ-электронике, ДАН, 2012, том 442, №4, с. 465-467].
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом ([С.В. Булычев, А.Е. Дубинов, Д.В. Вялых и др., Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов, ПТЭ, 2011, №5, с. 106-110]), содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, подключенными к источнику питания. Газоразрядная камера через разделительный конденсатор подключена к электрической нагрузке. Обратный токопровод, замыкающий цепь электрической нагрузки, выполнен в виде образующей внутреннюю полость проводящей оболочки, которая контактно охватывает электрод камеры, подключенный к нулевой шине источника питания, а разделительный конденсатор и электрод камеры, подключенный к высоковольтной шине источника питания, составляющие прямой токопровод к электрической нагрузке, расположены внутри полости проводящей оболочки. Необходимое рабочее давление в газоразрядной камере устанавливается с помощью 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. Разделительный конденсатор служит фильтром, позволяющим поступать в электрическую нагрузку только ВЧ-составляющей разрядного напряжения. Выполнение обратного токопровода в виде проводящей оболочки, внутри которой размещен прямой токопровод (по аналогии с коаксиальным кабелем), позволяет существенно уменьшить потери передаваемой в нагрузку ВЧ-энергии. Частота генерации устройства составила 120 МГц.
Недостатком подобной конструкции генератора является ограниченность частоты генерации прибора даже при минимально возможных размерах катодной полости (дальнейшее уменьшение размеров полости делает генератор нефункциональным).
Задачей изобретения является создание генератора на основе разряда с полым катодом с рабочими частотами свыше 200 МГц.
Для этого предлагается реализовать максимально возможное уменьшение индуктивности газоразрядного токового контура, образованного токоведущими элементами конструкции устройства (при размерах катодной полости, позволяющих стабильное функционирование генератора). Отчасти этот способ затронут в [В.Д. Селемир, А.Е. Дубинов, В.С. Жданов и др., Мощный сверхминиатюрный беспучковый СВЧ-генератор в газоразрядной СВЧ-электронике, ДАН, 2012, том 442, №4, с. 465-467], где для уменьшения индуктивности токового контура устройства элементы конструкции генератора выполнены компактными (т.е. небольших размеров). Однако в той конструкции основное внимание было уделено уменьшению емкости разряда за счет минимизации размеров катодной полости, а ограничение индуктивности имело косвенное значение и способы его реализации не были использованы в полной степени.
Техническим результатом изобретения является увеличение рабочих частот ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом (достижение значений свыше 200 МГц).
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащем газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, подключенными к источнику питания, причем полость катода обращена к аноду, при этом к электродам камеры через разделительный конденсатор подключена электрическая нагрузка, а обратный токопровод, замыкающий цепь электрической нагрузки, выполнен в виде полой проводящей оболочки, внутри которой размещаются газоразрядная камера и разделительный конденсатор, образующие прямой токопровод к электрической нагрузке, в предложенном генераторе взаимное расположение последовательно соединенных элементов прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора предусмотрено максимально близким, и длины всех электрических соединений между последовательно подключаемыми друг к другу элементами прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора минимизированы.
Кроме того, в варианте реализации генератора разделительный конденсатор может иметь безвыводную конструкцию, позволяющую реализовать непосредственный электрический контакт газоразрядной камеры с разделительным конденсатором.
Недавние экспериментальные исследования позволили предположить, что частота генерации ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом определяется собственной частотой колебательного газоразрядного контура. В свою очередь известно, что собственная частота колебательного контура тем выше, чем меньше индуктивность контура. В заявляемой конструкции ВЧ-генератора технический результат (увеличение частоты генерации) достигается за счет уменьшения индуктивности разрядного колебательного контура.
Индуктивность токопроводящего контура, как известно, зависит от его формы и геометрических размеров. Понижения индуктивности контура можно добиться, уменьшив его периметр, то есть уменьшив протяженность составляющих контур проводящих элементов и расстояние между элементами. Минимизации периметра газоразрядного контура в ВЧ-генераторе на основе разряда с полым катодом можно достичь как уменьшением размеров составляющих контур токоведущих элементов, так и максимально близким взаимным расположением последовательно соединенных элементов прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора, а также минимизацией длин всех электрических соединений между последовательно подключаемыми друг к другу элементами прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора. В частности, близкое взаимное расположение и уменьшение длины электрического соединения газоразрядной камеры с разделительным конденсатором можно получить, используя конденсатор так называемой безвыводной конструкции, позволяющей непосредственное контактное электрическое соединение электрода камеры с конденсатором, а не соединение посредством имеющего некоторую длину вывода конденсатора. Вследствие уменьшения индуктивности газоразрядного контура частота ВЧ-импульсов, формируемых генератором, возрастет.
Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Газоразрядная камера генератора образована полым катодом 1 и анодом 2, которые разделены изолятором 3. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания 4, причем полый катод 1 подключен к высоковольтной шине, а анод 2 к нулевой шине. Один из электродов газоразрядной камеры, в данном случае полый катод 1, через разделительный конденсатор 5 соединен с входом электрической нагрузки 6. Выход электрическую нагрузки 6 и анод 2 соединяет обратный токопровод 7, замыкающий разрядную цепь. Обратный токопровод 7 выполнен в виде полой оболочки, охватывающей образующие прямой токопровод к электрической нагрузке 6 рабочий объем камеры (катодная полость и межэлектродный промежуток), в котором происходит горение разряда, и разделительный конденсатор 5. Рабочий объем камеры подсоединен к вакуумной системе 8.
В данном устройстве взаимное расположение последовательно соединенных элементов прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора предусмотрено максимально близким, и длины всех электрических соединений между последовательно подключаемыми друг к другу элементами прямого и обратного токопроводов к электрической нагрузке генератора минимизированы. Разделительный конденсатор 5 имеет безвыводную конструкцию, что позволяет осуществить электрический контакт полого катода 1 с ним непосредственно. Это обеспечивает максимально близкое расположение разделительного конденсатора 5 и газоразрядной камеры и минимальную длину электрического контакта между ними, в результате чего длина токового контура уменьшена (на фиг. контур схематично показан замкнутыми тонкими линиями со стрелками, указывающими направление тока). Геометрические размеры катодной полости выбраны по возможности наименьшими, но достаточными для стабильного горения объемного разряда без срыва в шнуровую форму.
ВЧ-генератор работает следующим образом. Посредством вакуумной системы 8 в газоразрядной камере устанавливается необходимый для функционирования устройства уровень давления. При запуске источника питания 4 на электроды газоразрядной камеры подается импульс напряжения отрицательной полярности. В камере инициируется газовый разряд с полым катодом, напряжение разряда промодулировано по ВЧ-частоте. ВЧ-колебания разрядного напряжения через разделительный конденсатор 5 передаются в электрическую нагрузку 6 (в качестве нагрузки может использоваться система излучения или резистивное сопротивление). Ток через электрическую нагрузку 6 замыкается на подключенный к нулевой шине анод 2 через обратный токопровод 7. Поскольку индуктивность газоразрядного контура уменьшена по сравнению с устройством-прототипом, то собственная частота колебаний газоразрядного контура стала существенно выше. Соответственно, частота генерации данного устройства значительно превосходит частоту генерации прототипа.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, диаметр катодной полости 15 мм, длина 25 мм (при таких размерах катодной полости генератор работает стабильно, реализация ВЧ-генератора с меньшими размерами катодной области в принципе возможна, но сопряжена с уменьшением эффективности функционирования прибора).
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра, диаметр полости соответствует диаметру катодной полости.
- Обратный токопровод выполнен из листа меди и имеет цилиндрическую форму, его диаметр 40 мм, длина 50 мм.
- В качестве разделительного конденсатора используется высоковольтный керамический конденсатор TDK GA-14, имеющий дисковую безвыводную конструкцию.
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения отрицательной полярности 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 составляет примерно 220 МГц. Таким образом, техническая задача изобретения решена за счет реализованного в конструкции технического решения.