ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 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 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. 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. Внутри газоразрядной камеры расположены полый катод и изолированный от него анод, подключенные 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.
Среди возможных применений генераторов подобного типа есть и предполагающие такие режимы работы данных устройств, в которых может потребоваться запуск генератора в строго определенный (до нескольких наносекунд) момент времени. Однако статистическое запаздывание зажигания разряда в газоразрядной камере в данных генераторах при подаче напряжения на электроды, как правило, существенно превышает этот временной диапазон и может достигать нескольких секунд. Этот фактор может наложить серьезные ограничения на использование генераторов на основе разряда с полым катодом. Необходимо существенно уменьшить время статистического зажигания разряда в газоразрядной камере, что позволит существенно уменьшить время запуска генератора.
Решение задачи снижения времени статистического зажигания разряда в газоразрядной камере необходимо и при создании генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом с использованием нескольких газоразрядных камер. При одновременном инициировании разряда во всех камерах формируемые при этом высокочастотные сигналы можно просуммировать, в результате амплитуда результирующего сигнала будет существенно выше, чем амплитуда сигнала, формируемого при функционировании единичной камеры. Однако для одновременного зажигания разряда во всех камерах необходимо, чтобы время статистического зажигания разряда во всех камерах было бы существенно меньше средней длительности ВЧ-импульса, то есть не превышало бы нескольких десятков наносекунд. Возможное решение задачи организации генератора с использованием нескольких газоразрядных камер предложено в (Патент РФ 2462783, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С. и др.), однако описанный там способ обеспечения плазменной связи между камерами, предполагающий наличие вакуумных каналов между ними, далеко не всегда технологически приемлем.
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом (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), содержащий газоразрядную камеру. Внутри газоразрядной камеры 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, 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.
Недостатком описанных выше генераторов ВЧ-излучения можно считать невозможность их запуска в строго определенный момент времени. Этот недостаток обусловлен достаточно длительным статистическим запаздыванием зажигания разряда при подаче напряжения между электродами газоразрядной камеры генератора.
В принципе, проблему уменьшения времени статистического запаздывания зажигания разряда можно решить путем значительного увеличения напряжения, прикладываемого к газоразрядному промежутку, так, чтобы приложенное напряжение существенно превышало пробойное напряжение данного промежутка. Однако этот путь потребует значительного увеличения мощности источника питания и усложнения конструкции генератора, а также существенно снизит к.п.д. генератора и длительность импульса генерации.
Задача, решаемая полезной моделью, заключается в создании генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, в котором обеспечено управление его запуском в строго определенный момент времени.
Кроме того, задачей, решаемой полезной моделью, является создание генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом с использованием нескольких газоразрядных камер, в котором реализована возможность формирования импульсов ВЧ-излучения, амплитуда которых существенно выше амплитуды ВЧ-импульсов, формируемых генератором с использованием единичной камеры.
Техническим результатом полезной модели является существенное уменьшение времени запуска генератора на основе разряда с полым катодом при подаче напряжения между электродами его газоразрядной камеры за счет уменьшения среднестатистического времени запаздывания разряда между электродами газоразрядной камеры.
Также техническим результатом полезной модели является возможность существенного увеличения амплитуды и энергии формируемых генератором ВЧ-импульсов за счет уменьшения среднестатистического времени запаздывания разряда между электродами газоразрядной камеры.
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, подключенные к источнику питания, параллельно электродам камеры подсоединена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе в газоразрядной камере размещен управляющий электрод, подключенный к управляющему источнику питания.
Также генератор может отличаться тем, что управляющий электрод расположен таким образом, что расстояние между катодом и управляющим электродом превышает расстояние между катодом и анодом.
Кроме того, генератор может отличаться тем, что он дополнительно содержит, по крайней мере, одну идентичную газоразрядную камеру, снабженную управляющим электродом, причем к управляющим электродам газоразрядных камер подсоединен единый управляющий источник питания.
Кроме того, генератор может отличаться тем, что в качестве управляющего источника питания использован источник питания, формирующий на выходе периодический сигнал с частотой, равной рабочей частоте генератора.
Размещение в газоразрядной камере генератора дополнительного управляющего электрода, подключенного к управляющему источнику питания, позволит реализовать управление моментом запуска генератора путем уменьшения среднестатистического времени запаздывания зажигания разряда между анодом и катодом посредством инициирования предварительного вспомогательного разряда между управляющим электродом и одним из основных электродов (катодом). Вспомогательный разряд создает возле катода область ионизованного газа и тем самым способствует существенному снижению времени статистического запаздывания зажигания разряда между основными электродами газоразрядной камеры, так как количество заряженных частиц в межэлектродном промежутке резко увеличивается и инициирование разряда между анодом и катодом значительно облегчается.
Подобный принцип управления разрядом широко применяется в управляемых коммутаторах, или разрядниках. Различные виды разрядников низкого давления описаны в (Месяц Г.А., Импульсная энергетика и электроника, - М.: Наука, 2004). Время их коммутации не превышает нескольких десятков наносекунд.
Наличие в конструкции генератора заявляемого типа возможности использования технического подхода, известного в области техники газовых коммутаторов, позволит усовершенствовать генератор ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом с точки зрения обеспечения возможности запуска генератора в строго определенный момент времени за счет уменьшения среднестатистического времени запаздывания разряда между анодом и катодом газоразрядной камеры.
Тем не менее, чтобы время запуска генератора было по возможности наименьшим, необходимо минимизировать время статистического запаздывания вспомогательного разряда в промежутке между катодом и управляющим электродом. Так как задачей вспомогательного разряда является только создание плазменной области возле катода, напряжение горения этого разряда может быть существенно ниже напряжения горения разряда в основном промежутке, и для возбуждения горения вспомогательного разряда достаточно импульса напряжения сравнительно небольшой амплитуды и энергии. Следовательно, пробойное напряжение промежутка между управляющим электродом и катодом может быть существенно меньше пробойного напряжения между анодом и катодом. В таком случае для достижения пренебрежимо малого времени статистического запаздывания зажигания разряда между управляющим промежутком и катодом вполне допустимо прикладывать между этими электродами напряжение, существенно превышающее пробойное для этого промежутка.
Для того чтобы пробойное напряжение между управляющим электродом и катодом было существенно меньше пробойного напряжения между катодом и анодом, в конструкции газоразрядной камеры генератора должно быть предусмотрено следующее. Обязательным условием функционирования генератора является соответствие давления в газоразрядной камере (при определенных рабочем напряжении и геометрии межэлектродного промежутка) левой ветви кривой Пашена (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). Разряд на левой ветви кривой Пашена (Райзер Ю.П., Физика газового разряда, - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009) характеризуется тем, что пробойное напряжение уменьшается с увеличением межэлектродного расстояния. То есть, чтобы пробойное напряжение между управляющим электродом и катодом было меньше пробойного напряжения между катодом и анодом, расстояние между управляющим электродом и катодом должно быть больше расстояния между катодом и анодом. Подобный принцип конструкции разрядных камер известен и применяется в технике коммутаторов (например, в Лобов С.И., Цукерман В.А., Эйг Л.С., Управляемый разрядник низкого давления, ПТЭ, 1960, №1, с. 89).
Следовательно, то, что в газоразрядной камере управляющий электрод расположен так, что расстояние между катодом и управляющим электродом превышает расстояние между катодом и анодом, позволит более рационально решить поставленную задачу обеспечения запуска генератора в строго определенный момент времени.
Размещение в газоразрядной камере управляющего электрода позволит решить проблему создания генератора высокочастотного излучения на основе нескольких идентичных газоразрядных камер, при том, что управляющие электроды каждой камеры подключены к единому источнику управляющего напряжения. Так как в каждой камере за счет наличия управляющего электрода время среднестатистического запаздывания разряда сведено к пренебрежимо малому уровню, то в каждой камере разряд между анодом и катодом инициируется практически одновременно с подачей управляющего импульса на управляющий электрод. В этом случае при подаче на управляющие электроды единого управляющего сигнала с единого управляющего источника питания разряд в каждой газоразрядной камере инициируется одновременно с разрядами в других камерах. В итоге в выходных цепях газоразрядных камер одновременно будет формироваться несколько ВЧ-импульсов, и результирующим сигналом генератора будет импульс, равный сумме сигналов со всех газоразрядных камер генератора. По амплитуде и энергии этот импульс будет значительно превосходить импульс, формируемый единичной газоразрядной камерой. Таким образом, уменьшение среднестатистического времени формирования разряда в единичной камеры за счет размещения в ней управляющего электрода приведет к увеличению амплитуды и энергии ВЧ-импульса, формируемого генератором на основе нескольких идентичных газоразрядных камер.
Следует отметить, что наиболее эффективно генератор высокочастотного излучения на основе нескольких газоразрядных камер будет функционировать при условии не только одновременности инициирования разрядов в камерах, но и синфазности генерируемых каждой камерой сигналов. Для решения данной задачи в качестве единого управляющего источника питания предлагается использовать источник, формирующий на выходе периодический сигнал с частотой, равной частоте генерируемых единичной газоразрядной камерой ВЧ-импульсов, то есть рабочей частоте генератора (частоты генерации всех газоразрядных камер равны между собой). В этом случае частота колебаний напряжения разряда между катодом и анодом (собственных колебаний резонатора, то есть газоразрядной камеры) будет совпадать с частотой колебаний напряжения управляющего разряда (вынуждающих колебаний). Колебания плазмы основного разряда (соответствующие колебаниям напряжения основного разряда) будут инициироваться колебаниями плазмы управляющего разряда (возбуждаемыми колебаниями напряжения управляющего разряда, то есть управляющим периодическим сигналом), и, таким образом, совпадать с ними по фазе. То есть ВЧ-осцилляции, формируемые единичной газоразрядной камерой, будут синфазны осцилляциям управляющего сигнала. А так как ВЧ-колебания, генерируемые во всех газоразрядных камерах, управляются единым сигналом с единого управляющего источника питания, значит, все эти колебания будут синфазны осцилляциям управляющего сигнала и, следовательно, синфазны друг другу.
Таким образом, выходным сигналом генератора на основе нескольких газоразрядных камер будет ВЧ-импульс с амплитудой, равной сумме амплитуд импульсов, генерируемых каждой камерой. То есть мощность данного генератора будет значительно выше мощности генератора на основе единичной газоразрядной камеры.
На фиг. 1 показан пример конструкции заявляемого генератора высокочастотного излучения.
Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1, анодом 2 и управляющим электродом 3, разделенных изоляторами 7 и 8. К полому катоду 1 и аноду 2 подключен источник питания 4, к управляющему электроду 3 подключен управляющий источник питания 6. 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. Рабочее пространство газоразрядной камеры (полость катода и межэлектродные промежутки) сообщается с вакуумной системой 9. Расстояние между краями управляющего электрода 3 и полого катода 1 превосходит расстояние между краями полого катода 1 и анода 2.
Генератор работает следующим образом. С помощью вакуумной системы 9 в газоразрядной камере поддерживается необходимый уровень давления рабочего газа. Посредством источника питания 4 между полым катодом 1 и анодом 2 создается разность потенциалов, немного меньшая пробойного напряжения между ними при данном давлении и межэлектродном расстоянии. В определенный момент времени посредством управляющего источника питания 6 на управляющий электрод 3 подается импульс напряжения, в результате чего инициируется разряд между управляющим электродом 7 и полым катодом 1. При соответствующей геометрии разрядного промежутка между этими электродами напряжение управляющего импульса существенно выше пробойного напряжения между ними, и статистическое время запаздывания разряда между управляющим электродом 3 и полым катодом 1 пренебрежимо мало. Управляющий разряд создает область ионизованного газа возле полого катода 1, и заряженные частицы из этой области под воздействием потенциала анода 2 перемещаются в основной промежуток между полым катодом 1 и анодом 2 и способствуют инициированию основного разряда между этими электродами. Временной промежуток между инициированием управляющего разряда между управляющим электродом 3 и полым катодом 1 и инициированием разряда между полым катодом 1 и анодом 2 также пренебрежимо мал.
Также возможно реализовать постоянный слаботочный разряд между управляющим электродом и катодом, создающий в промежутке между ними слабоионизованную плазму, частицы которой облегчают формирование сравнительно сильноточного разряда между управляющим электродом и катодом при подаче управляющего импульса на управляющий электрод.
Таким образом, для запуска генератора, то есть инициирования разряда между основными электродами, необходим существенно меньший временной интервал, чем среднее время статистического запаздывания разряда между полым катодом и анодом (при приложенном напряжении, равном или немного большим пробойного напряжения межэлектродного промежутка).
На фиг. 2 показан пример конструкции заявляемого генератора высокочастотного излучения на основе нескольких газоразрядных камер.
Генератор включает в себя несколько газоразрядных камер, каждая из которых образована полым катодом 1, анодом 2 и управляющим электродом 3. Геометрические параметры всех газоразрядных камер равны между собой, так как возбуждаемые в камерах колебания должны иметь одинаковую частоту. Основные электроды каждой камеры (полый катод 1 и анод 2) подключены к источнику питания 4, создающему между ними разность потенциалов, немного меньшую пробойного напряжения межэлектродного промежутка. Параллельно разрядному контуру, включающему в себя источник питания 4, анод 2 и полый катод 1, подключена электрическая нагрузка 5. Управляющий электрод 3 одной из камер подключен к управляющему источнику питания 6. Выходная цепь этой камеры подключена к управляющим электродам 3 остальных камер. Выходные цепи этих камер подключены к общей нагрузке 10.
Устройство работает следующим образом. При запуске управляющего источника питания 6 в одной из газоразрядных камер инициируется разряд с полым катодом, в результате в выходной цепи этой камеры формируется ВЧ-импульс. Этот импульс поступает на управляющие электроды 3 остальных камер, вследствие чего в них также возбуждаются разряды между анодами 2 и полыми катодами 1, причем практически одновременно. Частота ВЧ-импульса совпадает с частотой колебаний разрядного напряжения в каждой камере. Так как колебания управляющего сигнала являются изначальными возбудителями собственных колебаний напряжения разряда, и частоты колебаний равны, то и фазы колебаний также будут совпадать. А так как формируемый в выходной цепи первой камеры ВЧ-импульс является единым управляющим сигналом для всех остальных камер, то ВЧ-импульсы, одновременно формируемые в выходных цепях этих камер и передающиеся на общую нагрузку, будут синфазны друг другу. Результирующий сигнал на нагрузке 10 будет равен сумме поступающих на нее ВЧ-импульсов, амплитуда этого сигнала будет превышать амплитуду сигнала с единичной камеры во столько раз, сколько камер содержится в генераторе (исключая первую камеру, являющуюся управляющим источником питания для остальных камер). При этом, правда обязательным условием достижения данного результата является достаточно строгое равенство между собой длин фидерных линий между выходной цепью первой камеры и управляющими электродами остальных камер, а также фидерных линий между выходными цепями камер и общей нагрузкой. Но, даже если абсолютная синфазность всех поступающих на общую нагрузку ВЧ-импульсов достигнута не будет, все равно амплитуда результирующего сигнала будет существенно превосходить амплитуду импульса с единичной камеры.
Таким образом, выполнение заявляемого устройства согласно отличительным признакам позволит достигнуть существенно меньшего времени запуска генератора, а также существенно большей мощности формируемого ВЧ-импульса по сравнению с прототипом.