ОТПАЯННАЯ КАМЕРА ДЛЯ ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
OPEN-CHAMBER FOR GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY PULSE BASED  ON DISCHARGE WITH HOLLOW CATHODE

Изобретение относится к области высокочастотной техники 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., Fekteiner 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 напряжения разряда может достигать 100% от величины напряжения горения разряда.
На основе данного эффекта созданы приборы, генерирующие ВЧ-импульсы [Fekteiner J., Ish-Shalom S., Slutsker Ya. Z, "Optimized performance of a powerful hollow-cathode rf oscillator", Journal of Applied Physics, 1998, vol. 83, num.6, p. 2940-2943; 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; Селемир В.Д., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., "Мощный сверхминиатюрный беспучковый СВЧ-генератор в газоразрядной СВЧ-электронике", ДАН, 2012, том 442, №4, с. 465-467]. Основным элементом генератора такого типа является камера, в которой зажигается газовый разряд с полым катодом. С целью обеспечения компактности ВЧ-генератора камера может быть выполнена отпаянной, что позволяет избежать необходимости использования в генераторе вакуумных систем и откачивающих устройств, зачастую обладающих существенными массой и габаритами.
Пример конструкции отпаянной камеры для ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом описан в [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]. Камера содержит полый катода и анод, разделенные изолятором. Воздух из камеры откачан, откачной патрубок запаян, так что рабочий объем камеры (промежуток между полым катодом и анодом, где горит разряд) изолирован от атмосферы. Внутри камеры также предусмотрен накаливаемый генератор газа, при нагреве испускающий рабочий газ. При пропускании через генератор газа тока накала определенной величины в рабочем объеме камеры создается соответствующее давление газа, требуемое для реализации газового разряда в камере на левой ветви кривой Пашена (ВЧ-модуляции разрядного напряжения возникают при условиях зажигания разряда, соответствующих левой ветви кривой Пашена). При подаче импульса высокого напряжения на электроды камеры (полый катод и анод) в рабочем объеме камеры инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке ВЧ-генератора, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Существенным недостатком такой камеры являлся ее относительно низкий рабочий ресурс, обусловленный образованием на изоляторе проводящего слоя при наработке срока службы прибора.
Прототипом заявляемого устройства является отпаянная газоразрядная камера, исполъзуемая в генераторе ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом [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]. Отпаянная камера содержит газоразрядную камеру и вспомогательную камеру, газоразрядная камера содержит полый катод и анод, разделенные изолятором, поверхность полости полого катода и обращенная к ней поверхность анода образуют рабочий объем газоразрядной камеры, а между обращенными навстречу друг другу торцами полого катода и анода организован зазор, газоразрядная камера сообщена с вспомогательной камерой, содержащей систему создания газоразрядной среды, то есть накаливаемый генератор газа. При подаче импульса высокого напряжения на электроды камеры в рабочем объеме камеры инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке ВЧ-генератора, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Недостатком созданных к настоящему времени отпаянных камер для генераторов высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом является ограниченный рабочий ресурс. Он обусловлен необратимыми изменениями поверхности изолятора в процессе наработки срока службы камеры в результате осаждения на изолятор продуктов эрозии электродов камеры, возникающих в процессе горения разряда. Поверхность изолятора покрывается проводящим слоем, шунтирующим разрядный промежуток. В результате форма горения разряда изменяется так, что ВЧ-модуляций разрядного напряжения не происходит, и штатное функционирование генератора становится невозможным.
Проблема осаждения продуктов эрозии электродов на изоляторах различных газоразрядных приборов (разрядников, тиратронов, рентгеновских трубок) при их наработке с течением времени известна - при образовании проводящего слоя на изоляторе нарушается электропрочность разрядного промежутка, что нарушает работоспособность прибора. Известны также и способы решения этой проблемы, способствующие сохранению электропрочности разрядного промежутка: применение сложных геометрических конфигураций электродов и изолятора, защитных экранов перед изолятором, в результате чего внутренняя поверхность изолятора находится вне зоны прямой видимости со стороны межэлектродного промежутка и недоступна для попадания на нее продуктов эрозии электродов [Патент РФ №2300157, Бочков В.Д., «Управляемый газоразрядный прибор»; Патент РФ №2089003 Бочков В.Д., Дягилев В.М., Королев Ю.Д., Ушич В.Г., Шемякин И.А. «Газоразрядный прибор с холодным катодом»].
Однако, как показали экспериментальные исследования авторов, в отпаянных камерах для ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом применение подобных способов не имеет смысла - ВЧ-модуляции разрядного напряжения в разряде с полым катодом возможны только при таких конфигурациях полого катода и анода, когда внутренняя поверхность изолятора непосредственно открыта в сторону рабочего объема за счет того, что полый катод и анод разнесены друг относительно друга по продольной оси камеры и торцы электродов не заходят друг за друга. А при усложнении геометрической конфигурации системы электродов и изолятора в камере инициируются разряды такой формы, что ВЧ-модуляций разрядного напряжения не происходит, то есть прибор является нефункциональным. Также неэффективной является организация перед изолятором непроводящего защитного экрана - такой экран достаточно быстро покроется проводящим слоем из продуктов эрозии электродов и станет как бы дополнительным электродом, в результате чего форма горения разряда изменится и ВЧ-модуляции в разряде инициироваться не будут. Для устойчивой длительной работоспособности ВЧ-генератора требуется, чтобы полый катод и анод были конструктивно разнесены друг относительно друга по продольной оси газоразрядной камеры так, чтобы любая плоскость поперечного сечения газоразрядной камеры (то есть любая плоскость, перпендикулярная продольной оси газоразрядной камеры) пересекала бы либо только полый катод, либо только анод, либо не пересекала бы ни один из электродов, но не пересекала бы одновременно полый катод и анод.
Технической проблемой является увеличение рабочего ресурса отпаянной камеры для генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом.
Эта проблема может быть решена путем обеспечения технического результата, состоящего в существенном снижении вероятности попадания на изолятор камеры продуктов эрозии электродов, возникающих в процессе горения разряда в камере.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известной отпаянной камерой для генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, включающей в себя газоразрядную камеру и вспомогательную камеру, газоразрядная камера содержит полый катод и анод, разделенные изолятором, поверхность полости полого катода и обращенная к ней поверхность анода образуют рабочий объем газоразрядной камеры, а между обращенными друг к другу торцами полого катода и анода организован зазор, газоразрядная камера сообщена с вспомогательной камерой, содержащей систему создания газоразрядной среды, в предложенном устройстве изолятор отдален от рабочего объема, полый катод и анод конструктивно разнесены друг относительно друга по продольной оси газоразрядной камеры так, что любая плоскость поперечного сечения газоразрядной камеры не пересекает одновременно полый катод и анод, а зазор организован таким образом, что ширина зазора возле рабочего объема газоразрядной камеры меньше ширины зазора возле поверхности изолятора и меньше расстояния от рабочего объема до изолятора (то есть длины зазора в продольном сечении газоразрядной камеры). Кроме того, ширина зазора на большей части его длины в продольном сечении газоразрядной камеры может быть равна ширине зазора непосредственно возле рабочего объема газоразрядной камеры.
Снижения вероятности попадания фрагментов эрозии электродов из рабочего объема, где горит разряд, на поверхность изолятора можно добиться путем отдаления изолятора от рабочего объема и сужения зазора между торцами электродов. При этом уменьшать ширину зазора возле поверхности изолятора не следует, так как это может привести к возникновению в газоразрядной камере разрядов вдоль поверхности диэлектрика (изолятора), то есть к нарушению электропрочности катод-анодного промежутка.
Вероятность попадания продуктов эрозии электродов из рабочего объема в зазор понизится, если уменьшить ширин)' зазора непосредственно вблизи рабочего объема, то есть ширина зазора возле рабочего объема газоразрядной камеры должна быть меньше ширины зазора возле поверхности изолятора, Чем более узким (менее широким) будет зазор вблизи рабочего объема, тем меньшее количество продуктов эрозии электродов проникнет из рабочего объема в зазор.
Также, вероятность попадания продуктов эрозии электродов на изолятор снизится, если изолятор будет отдален от рабочего объема. Чем больше расстояние от рабочего объема до изолятора, то есть чем больше длина зазора в продольном сечении газоразрядной камеры, тем большее количество продуктов эрозии электродов осядет на стенках зазора, не долетев до изолятора. Но на неограниченно большое расстояние от рабочего объема изолятор, естественно, отнесен быть не может из-за требований соблюдения компактности отпаянной камеры.
Если, согласно дополнительному условию, предусмотреть зазор узким на большей части его длины в продольном сечении газоразрядной камеры, то есть предусмотреть ширину зазора на большей части его длины равной ширине зазора непосредственно возле рабочего объема газоразрядной камеры, это тем более увеличит вероятность осаждения продуктов эрозии электродов на стенках зазора.
При выполнении указанных условий путь продуктов эрозии электродов между рабочим объемом камеры и поверхностью изолятора возможен только по узкому протяженному каналу. Чем канал уже и протяженнее, тем больше вероятность осаждения фрагментов электродов на его стенках, тем меньшее количество фрагментов электродов достигнут изолятора, тем более будет затруднено образование на поверхности изолятора проводящего слоя в процессе наработки ресурса отпаянной камеры.
На фиг. показан пример конструкции отпаянной камеры для генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом. Камера содержит газоразрядную камеру и вспомогательную камеру. Газоразрядная камера содержит полый катод 1 и анод 2, разделенные изолятором 3, и сообщена с вспомогательной камерой, содержащей накаливаемый генератор газа 4 (систему создания газоразрядной среды). Поверхность полости полого катода 1 и обращенная к ней поверхность анода 2 образуют рабочий объем газоразрядной камеры (показан прерывистой линией), а между обращенными друг к другу торцами полого катода 1 и анода 2 организован зазор. Полый катод 1 и анод 2 конструктивно разнесены друг относительно друга по продольной оси газоразрядной камеры так, что любая плоскость поперечного сечения газоразрядной камеры не пересекает одновременно полый катод 1 и анод 2. Зазор между торцами полого катода 1 и анода 2 организован таким образом, что ширина зазора на большей части его длины в продольном сечении газоразрядной камеры (обозначена h), в том числе и возле рабочего объема газоразрядной камеры, меньше ширины зазора возле поверхности изолятора (обозначена H), и меньше длины зазора в продольном сечении, или расстояния от рабочего объема до изолятора (обозначена l). В конкретном исполнении диаметр катодной полости равен 30 мм, глубина полости -50 мм. Ширина зазора между торцами электродов возле изолятора - Н -равняется 8 мм, длина зазора в поперечном сечении газоразрядной камеры - l - равняется 15 мм, ширина зазора на большей части его длины - h -равняется 1 мм (меньше H=8 мм и меньше l=15 мм).
С помощью генератора газа 4 внутри камеры создается определенное давление рабочего газа (в частности, дейтерия), соответствующее левой части кривой Пашена. При создании разности потенциалов между полым катодом 1 и анодом 2, соответствующей условиям пробоя, в рабочем объеме камеры зажигается разряд. При горении разряда продукты эрозии электродов камеры попадают в узкий длинный зазор между электродами и, с высокой степенью вероятности, не достигают поверхности изолятора 3, оседая на одном из электродов.
Таким образом, вероятность попадания на изолятор камеры продуктов эрозии электродов, возникающих в процессе горения разряда в камере, существенно снижена, возникновение на поверхности изолятора проводящего слоя в процессе наработки ресурса отпаянной камеры затруднено, что способствует увеличению рабочего ресурса отпаянной камеры и решению поставленной технической проблемы.