ОТПАЯННАЯ КАМЕРА ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная модель относится к области высокочастотной техники 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 значениях плотности тока разряда, лежащих выше некоторого порога) 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 напряжения разряда может достигать 100% от величины напряжения горения разряда.
На основе данного эффекта созданы приборы, генерирующие ВЧ-импульсы [Felsteiner 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, J.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 катод и анод, разделенные изолятором. Воздух из камеры откачан, откачной патрубок запаян, так что рабочее пространство камеры (пространство, где горит разряд) изолировано 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 пространстве камеры создается давление газа, соответствующее левой ветви кривой Пашена для данной конфигурации электродов (таково условие возникновения ВЧ-модуляций разрядного напряжения [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]). При подаче импульса высокого напряжения на электроды камеры (полый катод и анод) в рабочем пространстве 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 невысокий рабочий ресурс, обусловленный образованием проводящего слоя на поверхности изолятора при наработке срока службы прибора. Проводящий слой формируется из продуктов распыления электродов камеры, имеющего место при горении в камере сильноточных разрядов.
Прототипом заявляемого устройства является отпаянная камера, используемая 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 полый катод и полый анод, разделенные изолятором, в заанодном пространстве содержится система создания газоразрядной среды, то есть накаливаемый генератор газа, закрытый от межэлектродного промежутка газопроницаемой мембраной. Электроды отпаянной камеры изготовлены из нержавеющей стали, изолятор - из керамики. В области межэлектродного промежутка у анода предусмотрен выступ, защищающий часть поверхности изолятора от попадания на него продуктов распыления электродов. Все составляющие устройства выполнены в едином модуле. При пропускании через генератор газа тока накала определенной величины в рабочем пространстве камеры устанавливается соответствующее давление газа, требуемое для штатного функционирования отпаянной камеры. При подаче импульса высокого напряжения на электроды камеры в рабочем пространстве камеры инициируется газовый разряд с полым катодом. Мембрана защищает генератор газа от воздействия плазмы газового разряда. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения импульсов ВЧ-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. Ограниченность ресурса обусловлена необратимыми изменениями поверхности изолятора в процессе наработки срока службы камеры в результате осаждения на изолятор продуктов распыления электродов камеры (в особенности полого катода), 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.
Проблемы, сопряженные с распылением (или эрозией) материалов электродов различных газоразрядных приборов (разрядников, тиратронов, рентгеновских трубок) при наработке срока службы, известны (см. [Патент РФ №2192067, Гайнутдинов К.С., Никитин В.В., Теплова Т.В., «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»]). Известен и способ устранения этих проблем путем выполнения электродов из материалов, устойчивых к эрозии (упоминается, например, в [Патент РФ №2192067, Гайнутдинов К.С., Никитин В.В., Теплова Т.В., «Газоразрядный прибор»]).
Перспективным представляется применение данного способа и в отпаянных камерах для газоразрядных ВЧ-генераторов. Однако при выборе материалов изготовления электродов отпаянных камер следует учитывать определенные принципы и условия функционирования ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом.
Технической проблемой полезной модели 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 интенсивности процессов распыления электродов, происходящих при горении сильноточных разрядов в отпаянной камере.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известной отпаянной камерой для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, содержащей полый катод и полый анод, разделенные изолятором, причем в заанодном пространстве размещена система создания газоразрядной среды, закрытая от межэлектродного промежутка газопроницаемой мембраной, причем все составляющие устройства выполнены в едином модуле, в предложенном устройстве рабочие поверхности по крайней мере одного из электродов изготовлены из тугоплавкого, слабо распыляющегося материала.
В частном случае в качестве тугоплавкого, слабо распыляющегося материала может использоваться либо молибден, либо вольфрам, либо тантал, либо ниобий.
Типом разряда, реализация которого в газоразрядной камере обеспечивает штатное функционирование газоразрядного ВЧ-генератора, является объемный сильноточный тлеющий разряд с полым катодом (разряд данного типа описан в [Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, - М.: Энергия, 1969; Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 2-е изд. М.: Наука, 1992, 536 с.]). Нежелательным, но весьма вероятным явлением при горении сильноточного тлеющего разряда является его переход в контрагированную дуговую форму [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]. Таким образом, при выборе материала электродов отпаянной камеры, устойчивого к эрозии, следует исходить из необходимости борьбы с механизмами распыления, имеющими место в разрядах этих двух типов.
Реализация дугового разряда сопряжена с формированием на катоде так называемого катодного пятна [Райзер Ю.П. Физика газового разряда. 2-е изд. М.: Наука, 1992, 536 с.; Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971, 544 с.], в области которого температура катода может быть очень высокой. Это является причиной катодной эрозии, возможной как в газообразной (испарение), так и в жидкой (разбрызгивание) фазах. В [Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971, 544 с.] отмечается некоторая наблюдаемая тенденция к увеличению скорости эрозии с уменьшением температуры плавления материала катода. Следовательно, меньших темпов эрозии (в сравнении со сталью, являющейся электродным материалом в устройстве-прототипе) можно достигнуть, используя тугоплавкие вещества.
Распыление материала катода в сильноточном тлеющем разряде обусловлено столкновением между падающими на катод ионами разрядного газа и атомами кристаллической решетки катодного материала [Капцов Н.А. Электрические явления в газах и вакууме. М., Л.: ОГИЗ Гостехиздат, 1947, 808 с., Королев Ю.Д., Месяц Г.А. Автоэмиссионные и взрывные процессы в газовом разряде. Новосибирск: Наука, 1982, 256 с.]. Устойчивость материала к распылению зависит от количества энергии, которое необходимо затратить, чтобы при столкновении выбить атом из катода, то есть от энергии связи между атомами кристаллической решетки. В монографии [Плешивцев Н.В., Катодное распыление, М.: Атомиздат, 347 с.], содержащей обобщенный анализ экспериментальных и теоретических исследований различных аспектов распыления электродов в разряде, выделены следующие слабо распыляющиеся металлы: Be, Ti, V, Zr, Nb, Mo, Та, W, Fe, Al.
Таким образом, для уменьшения интенсивности эрозии электродов в отпаянной газоразрядной камере следует использовать тугоплавкие и слабо распыляющиеся материалы. В соответствии с меньшими темпами распыления замедлится образование проводящего слоя на поверхности изолятора отпаянной камеры, так что в той же степени возрастет эксплуатационный ресурс камеры.
Более тугоплавкими металлами, чем железо, металлами, являются вольфрам, молибден, тантал и ниобий. Эти вещества указаны и в приведенном перечне слабо распыляющихся материалов. Согласно информации, приведенной в [Плешивцев Н.В., Катодное распыление, М.: Атомиздат, 347 с.], в зависимости от типа ионов разрядного газа и их энергии скорости распыления указанных элементов несколько изменяются, однако при практически любых условиях у молибдена, вольфрама, тантала и ниобия скорость распыления ниже, чем у железа.
Таким образом, можно заключить, что более низких темпов распыления, по сравнению с применением нержавеющей стали, следует ожидать при использовании в качестве материала для изготовления электродов отпаянной камеры какого-либо из следующих металлов - молибдена, вольфрама, тантала и ниобия.
Стоит отметить, что удельная стоимость указанных материалов гораздо выше, чем стоимость стали, поэтому можно предложить использование в отпаянной камере электродов, изготовленных из нержавеющей стали, у которых рабочие поверхности (участки поверхностей электродов, участвующие в газоразрядных процессах) тонким слоем (пленкой или фольгой) одного из данных веществ.
При выборе материала для электродов отпаянной камеры также, помимо устойчивости к эрозии, важна такая характеристика металла, как пороговый ток дуги. Переход разряда, зажигаемого в газоразрядной камере ВЧ-генератора, в дуговую контрагированную форму крайне нежелателен, так как в контрагированном режиме ВЧ-модуляции разрядного напряжения прекращаются, и ВЧ-генерация невозможна [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]. А вероятность перехода в дугу возрастает при увеличении тока разряда, необходимом для достижения высоких значений генерируемой ВЧ-мощности. Эта вероятность различна при использовании разных материалов электродов при прочих равных условиях. В работах, содержащих результаты исследований данного явления [Грановский В.Л. Электрический ток в газе. Установившийся ток. М.: Наука, 1971, 544 с.; Кратъко С.А. К вопросу о существовании пороговых токов дуги. ЖТФ, 1976, с. 1066; Мик Дж., Крэгс Дж. Электрический пробой в газах. М.: Издательство иностранной литературы, 1960, 606 с.], для электродов, изготовленных из различных металлов, приведены экспериментально определенные значения минимальных (пороговых) токов, при которых возможен переход в тлеющего разряда в дуговой. Для уменьшения вероятности срыва объемного разряда в дугу следует предусматривать изготовление рабочих поверхностей электродов газоразрядной камеры только из материалов, имеющих высокий порог дугообразования по току. Согласно результатам исследований, значения пороговых токов дуги довольно высоки у следующих металлов: Cu, Cr, Fe, Со, Ni, Nb, Mo, Та, W. В этом перечне указаны молибден, вольфрам, тантал и ниобий. Таким образом, использование какого-либо из этих материалов при изготовлении рабочих поверхностей электродов отпаянной газоразрядной камеры, способствуя разрешению поставленной технической проблемы, не приведет к ухудшению других технических характеристик отпаянной камеры.
На фиг. показан пример конструкции отпаянной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов. Отпаянная камера содержит полый катод 1 и полый анод 2, разделенные изолятором 3, причем в полости полого анода размещена система создания газоразрядной среды (накаливаемый генератор газа 5, подключаемый к источнику тока накала через вывод 6), закрытая от межэлектродного промежутка газопроницаемой мембраной 4. Внутренняя поверхность катодной полости, то есть рабочая поверхность полого катода 1 покрыта фольгой 7 либо из молибдена, либо из вольфрама, либо из тантала, либо из ниобия.
Отпаянная камера подключается в цепь питания и в цепь нагрузки газоразрядного генератора высокочастотных импульсов (катод подключается к высоковольтной шине источника питания). С помощью генератора газа 5 внутри камеры создается определенное давление рабочего газа, соответствующее левой ветви кривой Пашена для данной конфигурации электродов. При создании импульсной разности потенциалов между полым катодом 1 и анодом 3, соответствующей условиям пробоя, в рабочем объеме камеры зажигается разряд. В результате в цепи нагрузки формируется высокочастотный импульс напряжения. Мембрана 4 защищает генератор газа 5 от воздействия плазмы газового разряда. Камера функционирует подобным образом некоторое количество раз, до исчерпания своего рабочего ресурса. Ресурс же ее зависит от темпов образования на изоляторе 2 проводящего слоя из материалов распыления электродов 1 и 3, в подавляющей степени - из материалов распыления полого катода 1. А так как рабочая поверхность катода покрыта фольгой 7 из тугоплавкого и слабо распыляющегося материала, значит, темпы распыления и эрозии материала катодной поверхности малы по сравнению с камерой-прототипом. Следовательно, интенсивность осаждения распыляемого материала на поверхность изолятора 2 снижена, данная камера будет обладать более высоким рабочим ресурсом в сравнении с прототипом.
В конкретном исполнении отпаянная камера может иметь следующие параметры:
полый катод представляет собой полый цилиндр из нержавеющей стали, диаметром 30 мм, длиной 50 мм, толщина стенки 1 мм;
внутренняя поверхность полого катода покрыта молибденовой фольгой толщиной 0,02 мм;
анод представляет собой полый цилиндр из нержавеющей стали;
изолятор изготовлен из вакуумной керамики;
генератором газа является генератор дейтерия или диоксида углерода, ток накала порядка 1,5 А.
Предварительные испытания отпаянной камеры в составе газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, изготовленной в соответствии с заявленным техническим решением, продемонстрировали ее более чем вдвое больший ресурс по сравнению с камерой-прототипом.
Таким образом, заявляемое техническое решение способствует достижению требуемого технического результата и решению поставленной технической проблемы.