ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY EMISSION 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 давлении разрядного газа, лежащем в определенном диапазоне и при превышении плотностью тока разряда определенного значения) 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. - Р.2919).
Известны, генераторы ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору (например, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Львов И.Л. и др. "Генератор мощных высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом", Приборы и техника эксперимента, 2005, №1, с.86-89), содержащие газоразрядную камеру, вакуумную систему, источник питания и электрическую нагрузку. Вакуумная система создает необходимое давление в газоразрядной камере, внутри которой расположены полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, загорается 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.
Прототипом заявляемого генератора является генератор ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом (Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А. и др. "Мощный импульсный высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом", Известия вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №4, с.300-306), содержащий газоразрядную камеру, в которой расположены полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания, и вакуумную систему. К аноду и полому катоду параллельно подключена электрическая нагрузка.
При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в разрядном промежутке между катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Вакуумная система обеспечивает необходимый уровень давления в газоразрядной камере.
Согласно проведенным исследованиям (см. 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.), длительность рабочего импульса генераторов ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом равняется длительности горения разряда в объемной форме, окончанию импульса генерации соответствует переход разряда из объемной стадии в шнуровую, т.е. из тлеющей формы в дугу (см. Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М., Наука, 1992, Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, М., Энергия, 1969,). При значениях тока разряда, необходимых для эффективного функционирования ВЧ-генераторов, переход разряда в дуговую форму происходит со стопроцентной вероятностью. Чем выше ток разряда (ток необходимо повышать для достижения максимально возможной мощности импульса ВЧ-генерации), тем меньше время горения разряда в объемной стадии.
Недостатком описанных выше генераторов ВЧ-излучения можно считать то, что длительность рабочего импульса устройств такого типа ограничена временем горения разряда в объемной форме. Это обуславливает ограничение энергии ВЧ-импульса и, в свою очередь, эффективности применения генераторов.
Задачей изобретения является существенное увеличение энергии импульсов ВЧ-излучения, формируемых генератором ВЧ-излучения заявляемого типа, за счет увеличения длительности импульсов.
Технический результат заключается в увеличении в несколько раз значений длительности импульсов ВЧ-энергии, формируемых на электрической нагрузке генератора, путем увеличения времени существования разряда в объемной форме.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным генератором ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе обращенный к аноду и противоположный ему участок поверхности полого катода выполнен из непроводящего материала.
В большинстве случаев катодная часть дуги формируется на обращенном к аноду участке поверхности полого катода в области середины дна катодной полости (зоне наиболее вероятного образования дуги разряда). Значит, выполнив обращенный к аноду и противоположный рабочей поверхности анода участок поверхности полого катода из непроводящего материала, можно предотвратить или, во всяком случае, замедлить процесс шнурования разряда. Это может существенно увеличить время существования разряда в объемной форме, что, в свою очередь, позволит повысить длительность импульса генерации.
На фиг. показан пример конструкции заявляемого генератора высокочастотного излучения.
Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. К электродам газоразрядной камеры подключен источник питания 4. Параллельно полому катоду и аноду подключена электрическая нагрузка 5, тип которой зависит от целей использования генератора ВЧ-излучения. Как правило, в качестве электрической нагрузки используется система излучения генерируемых ВЧ-импульсов в пространство. Обращенный к аноду и противоположный рабочей поверхности анода участок поверхности полого катода 7 выполнен из непроводящего материала. Рабочая полость камеры сообщается с вакуумной системой 6.
Генератор ВЧ-излучения работает следующим образом. При помощи вакуумной системы 6 в газоразрядной камере устанавливается необходимый уровень давления рабочего газа. При подаче напряжения от источника питания 4 на электроды камеры 1, 2 происходит пробой газоразрядного промежутка и загорается газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке 5, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. За счет того, что обращенный к аноду и противоположный его рабочей поверхности участок поверхности полого катода 7 выполнен из непроводящего материала, процесс шнурования разряда затруднен, и время горения разряда в объемной стадии существенно повышается. Следовательно, существенно повышается и длительность ВЧ-импульса.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
- полый катод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра (длина цилиндра 50 мм, внутренний диаметр 30 мм) с одной торцевой стенкой (дно катодной полости), участок внутренней (обращенной к аноду) поверхности которой в области, противоположной аноду, выполнен из фторопласта;
- анод выполнен из нержавеющей стали в виде цилиндра диаметром 15 мм, анод расположен коаксиально с полым катодом на расстоянии 2 мм от его открытого торца;
-2
- вакуумная система обеспечивает остаточное давление в газоразрядной камере (7÷9)*10 Top;
- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой до 4кВ.
Предварительные исследования показали возможность увеличения длительности излучаемого генератором высокочастотного электромагнитного излучения до пяти раз за счет увеличения времени существования разряда в объемной форме.
Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволит успешно решить поставленную задачу.