ПОРТАТИВНЫЙ ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

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 величинах плотности тока разряда, превышающих некоторое пороговое значение) 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% величины напряжения разряда.
Известны газоразрядные генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору [Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А., Селемир В.Д. Генератор мощных высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом // ПТЭ, 2005, №1, с. 86; Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А., Селемир В.Д. Вялых Д.В. Мощный импульсный высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом // Известия вузов. Радиофизика. 2006, т.49, №4. с. 300; Булычев СВ., 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; 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], включающие в себя газоразрядную камеру (катод камеры содержит полость, открытую со стороны анода), вакуумный блок (блок обеспечения рабочего давления газа в камере), блок питания и блок электрической нагрузки. Электроды газоразрядной камеры подсоединены к блоку питания, блок электрической нагрузки включен параллельно электродам газоразрядной камеры. Базовым элементом блока обеспечения рабочего давления газа в камере является откачивающее устройство (вакуумный насос). С помощью блока обеспечения рабочего давления газа в камере в ее рабочем пространстве устанавливается и поддерживается уровень давления рабочего газа, требуемый для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда с полым катодом. При подаче с блока питания на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в промежутке между полым катодом и анодом (рабочем пространстве камеры) 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.
3
Уровни рабочих давлений газа для ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом принадлежат диапазону значений 0,1-0,2 мм рт.ст., относящемуся к области среднего вакуума (от 25 до НО' мм рт.ст.). Типом вакуумного насоса, обеспечивающим предельное остаточное давление в пределах данной области и, таким образом, наиболее подходящим для использования в вакуумном блоке газоразрядного ВЧ-генератора, представляется эффективный и простой в обслуживании и управлении пластинчато-роторный форвакуумный насос. В устройствах, указанных в качестве аналогов заявляемого генератора, для создания и поддержания вакуума использовалась одна из наиболее распространенных моделей пластинчато-роторного насоса - насос марки 2НВР-5ДМ.
Следует отметить, что газоразрядные камеры, являющиеся базовыми элементами ВЧ-генераторов данного типа, обладают довольно малыми массово-габаритными характеристиками - самые объемные и массивные образцы, реализованные к настоящему времени, имеют характеристики, не превышающие нескольких килограммов по массе и нескольких кубических дециметров по объему, типичные же камеры имеют характеристики, существенно меньшие указанных. Это обстоятельство обуславливает перспективность применения устройств на основе газовых разрядов с полым катодом при разработке компактных портативных ВЧ-генераторов.
В то же время массовые характеристики устройств-аналогов соответствовали значениям многих десятков килограмм, и наибольший вклад (до 40%) в указанный параметр был внесен вспомогательным элементом - блоком поддержания рабочего давления в газоразрядной камере, главным образом, за счет массы используемого вакуумного насоса, равной 26 кг.
Недостатком устройств-аналогов, препятствующим их использованию в качестве портативных ВЧ-генераторов, является их чрезмерно большая масса.
Для реализации эффективных портативных ВЧ-установок на основе газоразрядных генераторов необходима более рациональная архитектура создаваемых приборов.
Известен портативный газоразрядный генератор [Патент на полезную модель РФ №90932, опубл.20.01.2010], являющийся прототипом заявляемого устройства. Функциональными блоками генератора-прототипа являются газоразрядная камера, блок питания, блок нагрузки и блок обеспечения рабочего давления газа в камере, причем катод камеры содержит полость, открытую со стороны анода, электроды газоразрядной камеры подключены к высоковольтному выходному каскаду блока питания, блок нагрузки подключен параллельно электродам газоразрядной камеры. Обеспечение портативности генератора в целом достигается увеличением степени портативности составляющих его функциональных блоков. В частности, одним из способов обеспечения портативности ВЧ-генератора является уменьшение массово-габаритных характеристик блока обеспечения рабочего давления газа в камере.
Вариантом минимизации массово-габаритных характеристик блока обеспечения рабочего давления газа в камере является организация отпаянной конструкции газоразрядной камеры. Известен портативный газоразрядный ВЧ-генератор [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], выполненный согласно указанному техническому решению, позволившему отказаться от использования устройств откачки и контроля вакуума, обладающих значительными массой и габаритами. Однако мощность ВЧ-импульсов, генерируемых посредством отпаянных камер, существенно меньше, чем мощность сигналов, генерируемых посредством откачиваемых газоразрядных камер, эксплуатация которых возможна только при наличии вакуумного насоса.
Таким образом, для реализации портативного ВЧ-генератора, характеризующегося высокой мощностью генерации, не представляется возможным избежать использования функционального блока поддержания рабочего давления газа в камере на основе вакуумного насоса.
Технической проблемой полезной модели является создание портативного (переносного, мобильного, транспортабельного) газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, представляющего собой устройство, составляющие которого находятся в функционально-конструктивном единстве, характеризующегося высоким уровнем мощности ВЧ-сигналов.
Технический результат полезной модели заключается в обеспечении портативности газоразрядного генератора высокочастотных импульсов без ухудшения его рабочих характеристик.
Данный результат достижим за счет того, что в отличие от портативного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, функциональными блоками которого являются газоразрядная камера, блок питания, блок нагрузки и блок обеспечения рабочего давления газа в камере, причем катод камеры содержит полость, открытую со стороны анода, электроды газоразрядной камеры подключены к высоковольтному выходному каскаду блока питания, блок нагрузки подключен параллельно электродам газоразрядной камеры, портативность генератора в целом обеспечена портативностью (рациональной архитектурой) составляющих его функциональных блоков, в предложенном генераторе портативность блока обеспечения рабочего давления газа обеспечена малой массой используемого вакуумного насоса, входящего в ее состав, при этом соблюдены следующие технические параметры насоса: предельное остаточное давление - не более 0,05 мм рт.ст.; быстрота действия при давлении на входе 0,1 мм рт.ст.- не менее 0,08 л/с.
Тривиальным способом обеспечения портативности ВЧ-генератора является организация его функциональных блоков из элементов, обладающих как можно меньшими массовыми параметрами - в частности, использование откачивающего устройства с малой массой. Однако, очевидно, массовые параметры насоса напрямую зависят от его технических характеристик. Разумеется, неприемлемо применение насоса, обладающего малой массой, но не обеспечивающего требуемых рабочих величин давления в газоразрядной камере, или задающего чересчур длительное время откачки.
Выбор значимых для поддержания рабочего состояния газоразрядного генератора характеристик насоса в заявляемой конструкции, обеспечивающих достижение заявляемого технического результата, осуществлен, исходя из следующих соображений. Общий объем откачиваемых сосудов, являющихся элементами портативного газоразрядного ВЧ-генератора (газоразрядных камер, балластного баллона и вакуумных магистралей) не превышает 10 л. При эксплуатации генератора может потребоваться откачка данного объема до предельной величины давления, немного меньшей 0,1 мм рт.ст. Для эффективной эксплуатации устройства допустимое время откачки не должно превышать несколько десятков минут.
Данным условиям удовлетворяет откачивающее устройство со следующими рабочими характеристиками: предельное остаточное давление - не более 0,05 мм рт.ст.; быстрота действия при давлении на входе 0,1 мм рт.ст.- не менее 0,08 л/с.
Известны пластинчато-роторные насосы, обладающие рабочими характеристиками не хуже указанных, при этом имеющие массу, значительно меньшую массы насоса 2НВР-5ДМ (26 кг). В качестве примеров можно привести:
насос 2НВР-4,5Д массой 10 кг (быстрота действия при давлении на входе 0,1 мм рт.ст.- 1 л/с; предельное остаточное давление - 0,008 мм рт.ст.);
насос 2НВР-0,1Д массой 1,7 кг (быстрота действия при давлении на входе 0,1 мм рт.ст.- 0,08 л/с; предельное остаточное давление - 0,05 мм рт.ст.);
насос РK 2 DC (Welch, Германия) массой 8 кг (быстрота действия при давлении на входе 0,1 мм рт.ст.- 0,5 л/с; предельное остаточное давление -0,008 мм рт.ст.).
Применение любого из этих насосов позволит существенно (на 20-30%) сократить массу ВЧ-генератора по сравнению с устройствами-аналогами, в которых использовался насос 2НВР-5ДМ. При этом эффективность генератора не изменится.
Таким образом, рациональное проектирование блока обеспечения рабочего давления в газоразрядной камере согласно заявляемому техническому решению позволит существенно повысить портативность генератора высокочастотных импульсов без какого-либо ухудшения его рабочих характеристик, что означает достижение поставленного технического результата.