СВЧ-ГЕНЕРАТОР
MICROWAVE GENERATOR

Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотному (СВЧ) генератору согласно ограничительной части п. 1 формулы.
В DE 10 2005 002 279 А1 раскрывается СВЧ-генератор с двумя электродами, установленными в корпусе и разделенными искровым промежутком, в котором происходит пробой при подаче высокого напряжения для СВЧ-излучения, при этом один, внешний электрод выполнен в форме стакана и проходит снаружи над другим, внутренним электродом по меньшей мере над частью его длины на некотором расстоянии. Выполненный в форме стакана внешний электрод имеет участок основания, который в то же время образует боковое окончание корпуса. Внутренний электрод закруглен в форме чаши или полусферы, а внешний электрод имеет небольшой сферический чашеобразный выступ, при этом два электрода расположены напротив друг друга так, чтобы над выступом было небольшое расстояние, например несколько миллиметров.
Участки рабочих поверхностей электродов, между которыми имеется наименьшее расстояние, подвержены особенно сильной коррозии. При такой конструкции разряд ограничен очень узким фиксированным диапазоном минимальных расстояний между рабочими поверхностями электродов, что приводит к очень выраженной коррозии, ограничению срока службы СВЧ-генератора.
Эти проблемы встречаются в известном СВЧ-генераторе по DE 10 2005 034 295 В4.
Для уменьшения скорости эрозии электродов в таких СВЧ-генераторах с единственным искровым промежутком и для обеспечения стабильной и надежной работы в DE 10 2005 013 925 А1 предлагалось формировать электроды в области искрового промежутка так, чтобы вместо квазиточкообразной конструкции возникал двухмерный или трехмерный участок по существу с постоянным минимальным зазором между электродами. Однако такой известный СВЧ-генератор микроволн также имеет единственный искровой промежуток.
СВЧ-генератор, относящийся к типу, описанному в начале, с единственным кольцевым искровым промежутком, известен из DE 10 2005 044 353 А1.
Все эти известные СВЧ-генераторы содержат соосную емкость, которая разряжается через единственный искровой промежуток. Эта емкость за счет физических свойств переключающей плазмы в искровом промежутке и при соединении электрических проводов формирует резонансный контур, который имеет нереактивное сопротивление R, индуктивность L и емкость С. Емкость заряжается через зарядный импеданс R, L для напряжений порядка 100 кВ - 1 МВ. Повышение напряжения заряда в итоге приводит к пробою искрового промежутка в соответствии с законом Пашена. Пробой искрового промежутка также можно вызывать целенаправленно с помощью соответствующего спускового механизма.
Физические свойства искрового промежутка, такие как напряжение пробоя, давление окружающей среды, расстояние между электродами в искровом промежутке, импеданс плазмы и пр., критически влияют на переключающую реакцию, т.е. на реакцию зажигания разряда в искровом промежутке и, следовательно, на время нарастания и форму импульса или на различные частотные компоненты генерируемого высоковольтного импульса.
После пробоя искрового промежутка, энергия, хранящаяся в резонансном контуре резонатора, полностью или частично излучается через излучающее устройство, соединенное с резонатором, т.е. через антенну, в среду, окружающую СВЧ-генератор.
Отсоединение резонансного контура от генератора высокого напряжения, которым является, например, генератор Аркадьева-Маркса, происходит посредством импеданса, включаемого в цепь заряда в форме нереактивного или индуктивного резисторов. Количество энергии, излучаемой в окружающую среду, критически определяется согласованием резонансного контура и окружающей среды, т.е. окружающей области, по импедансу. Такой импеданс равен 377 Ом.
При идеальном согласовании вся энергия будет излучена в форме прямоугольного импульса. При небольшом рассогласовании, часть энергии импульса выражается во внезапном изменении импеданса и, следовательно, приводит к изменению формы импульса, излучаемого в связи с наложением исходящей и возвращающейся волны. При соответствующем согласовании отношений импеданса, можно формировать импульсы, соответствующие затухающим синусоидальным колебаниям.
При очень сильном рассогласовании, система реагирует как резонансный контур с высоким коэффициентом динамического усиления, что приводит к тому, что в окружающую среду энергия практически не излучается. Энергия остается в системе и приводит к резонансным колебаниям, продолжающимся до полного истощения энергии в результате собственных потерь в резонансном контуре.
Количество колебаний, т.е. коэффициент динамического усиления резонансного контура на импульс, можно изменить путем согласования внезапного изменения импеданса. В случае СВЧ-генератора, желательно сгенерировать импульс высокого напряжения, т.е. электромагнитный импульс, длящийся от одного цикла колебания до нескольких десятков циклов колебания.
Реакция зажигания устройства искрового промежутка в СВЧ-генераторе определяется характеристикой напряжения зажигания. Характеристика напряжения зажигания (кривая Пашена) описывает отношение между произведением давления p газа, в котором происходит разряд, зазора d между электродами и напряжением Uz зажигания искрового промежутка СВЧ-генератора. Напряжение Uz зажигания в этом случае описывает максимальное удерживаемое напряжение, которое можно подать на искровой промежуток до того, как оно в итоге сформирует разряд в газовой среде, т.е. искровой разряд и, следовательно, произойдет пробой напряжения, поданного на искровой промежуток. Временной профиль пробоя напряжения на искровом промежутке в первую очередь определяется импедансом (RL) формируемого газового или плазменного разряда, собственной емкостью искрового промежутка и его внешних цепей. На фиг. 3 приложенных чертежей представлен качественный профиль характеристики напряжения зажигания, т.е. кривая Пашена Uz = f (p.d). По существу кривая Пашена определена для идеального случая плоско-параллельных электродов, имеющих неопределенную протяженность, т.е. для однородного электрического поля с идеальными поверхностями и для напряжения, подаваемого в квазиустойчивом состоянии. В реальности, однако, такие идеальные условия по существу нереализуемы, поскольку обычно участки электродов имеют жестко ограниченные размеры и расстояние зазора между электродами имеет приблизительно тот же порядок величины, что и диаметр электрода. Кроме того, электроды обычно бывают не чистыми и их поверхности содержат загрязнения и неровности в результате механической обработки или соответствующего производственного процесса. Оба этих фактора приводят к искажениям электрического поля на поверхности электрода и, следовательно, к изменению функции электрической работы.
Эти эффекты влияют на характеристику накопления заряда или пробоя в результате газового разряда в искровом промежутке. Несмотря на наличие широкого спектра различных эффектов, влияющих на характеристики искрового промежутка и на характеристики возникающего в нем пробоя, профиль реальной кривой Пашена подобен идеальной кривой Пашена.
Настоящее изобретение имеет целью создание СВЧ-генератора, относящегося к типу, описанному в начале, имеющему повышенную мощность при простой конструкции, и который может эксплуатироваться при относительно высоких напряжениях зажигания или напряженности поля.
Эта цель в настоящем изобретении достигается признаками, изложенными в п. 1. формулы. Предпочтительные варианты и модификации СВЧ-генератора по настоящему изобретению определены в зависимых пунктах.
Другие признаки, детали и преимущества настоящего изобретения будут понятны из нижеследующего описания вариантов, показанных на чертежах СВЧ-генератора по настоящему изобретению или его существенных отдельных признаков в сравнении с известным СВЧ-генератором.
На чертежах:
фиг. 1 - продольное сечение известного варианта СВЧ-генератора.
фиг. 2 - продольное сечение, подобное фиг. 1, варианта СВЧ-генератора по настоящему изобретению.
фиг. 3 - характеристика напряжения зажигания, т.е. кривая Пашена искрового промежутка известного СВЧ-генератора, в котором искровой разрядник образован единственным искровым промежутком, как показано на фиг. 1, и СВЧ-генератора по настоящему изобретению, в котором искровой разрядник образован двумя искровыми промежутками, соединенными последовательно, как показано на фиг. 2.
фиг. 4 - иллюстрация, соответствующая фиг. 2, показывающая искровые промежутки, соединенные последовательно.
фиг. 5 - увеличенный вид детали V на фиг. 4.
фиг. 6А-6D - различные конфигурации электродов, подобные показанному на фиг. 5.
фиг. 7 - продольное сечение, в принципе подобное показанному на фиг. 2, еще одного варианта СВЧ-генератора по настоящему изобретению или его разрядника с тремя искровыми промежутками, соединенными последовательно.
фиг. 8 - вариант СВЧ-генератора, в принципе подобного показанному на фиг. 7, с четырьмя искровыми промежутками, соединенными последовательно, которые определены тремя проводящими путями, разнесенными вдоль оси друг от друга.
фиг. 9 - продольное сечение, подобное показанному на фиг. 7 или 8 варианта СВЧ-генератора, в котором разрядник определен проводящими путями, радиально разнесенными друг от друга.
На фиг. 1 показано продольное сечение существенных деталей известного СВЧ-генератора 10 с резонатором 12, который имеет внутренний электрод 14 и внешний электрод 16, которые расположены напротив друг друга и определенным образом разнесены друг от друга. Внутренний электрод 14 выполнен выпуклым, а внешний электрод 16 выполнен вогнутым. Вогнутый внешний электрод проходит над выпуклым внутренним электродом 14. Внутренний электрод 14 и внешний электрод 16 спроектированы так, чтобы быть осесимметричными, и установлены соосно относительно друг друга. На внутреннем электроде 14 сформирована выпуклая сферическая торцевая поверхность 18. Вогнутый внешний электрод 16 имеет основание 20, в котором изнутри сформирован центральный выступ 22. Между выступом 22 основания 20 внешнего электрода 6 и торцевой поверхностью 18 внутреннего электрода 14 образован искровой промежуток 24. Этот единственный торцевой промежуток 24 образует разрядник 26 резонатора 12 известного СВЧ-генератора 10.
На фиг. 2 показан вариант СВЧ-генератора 10 по настоящему изобретению, в котором разрядник 26 имеет два искровых промежутка 24а и 24b, соединенных последовательно. Для этого выпуклый внутренний электрод 14 резонатора 12 имеет центральное первое отверстие 28, а основание 20 вогнутого внешнего электрода 16 имеет центральное второе отверстие 30, и сквозь первое и второе отверстия 28 и 30 проходит устройство 32 проводника, отстоящее от краев отверстий. В варианте, показанном на фиг. 2, устройство 32 проводника сформировано интегральным проводящим элементом 34.
Последовательное расположение искровых промежутков 24а и 24b можно считать последовательным включением емкостей на фазе заряда резонатора 12. Когда множество емкостей включено последовательно, все приложенное напряжение распределяется по этому множеству емкостей. Общее напряжение является суммой отдельных приложенных напряжений.
Основной принцип последовательного соединения по меньшей мере двух искровых промежутков можно реализовать через различные геометрические варианты расположения.
На практике это значит, что когда, например, два искровых промежутка 24а и 24b соединены последовательно, нагрузочное напряжение на отдельных искровых промежутках 24а, 24b уменьшается наполовину по сравнению с единственным искровым промежутком 24 (см. фиг. 1) при одинаковом общем напряжении Uz,0 на резонаторе 12, если эти искровые промежутки 24а и 24b имеют одинаковые размеры. Если на два последовательных искровых промежутка 24а, 24b вновь подается напряжение Uz,0 (см. фиг. 3) с соответственно высокими значениями p.d, в идеальном случае, т.е. в случае идентичных конфигураций искровых промежутков 24а, 24b, если пренебречь процессами потерь, вторичной емкостью и т.п., максимально возможное общее напряжение для работы резонатора 12 можно практически удвоить, что также по существу зависит от фактического профиля отдельной характеристики напряжения зажигания искровых промежутков 24а, 24b в разных конфигурациях. Таким образом, можно существенно увеличить мощность резонатора 12 или напряженность созданного поля.
На фиг. 3 показаны напряжения Uz,1,2 зажигания и соответствующие величины p1,2.d1,2 при использовании последовательного расположения двух искровых промежутков 24а, 24b, а также напряжение Uz,0 и соответствующие величины p.d: p0, d0 для единственного искрового промежутка 24 (фиг. 1) с идентичным нагрузочным напряжением Uz,0 на резонатор 12. В идеальном случае, когда два искровых промежутка включены последовательно, общее напряжение равномерно распределяется по двум последовательным искровым промежуткам. При работе резонатора 12 это будет соответствовать заметно более низкой величине p1,2.d1,2 отдельных искровых промежутков 24а, 24b. Если конструкция искровых промежутков теперь работает при более высоких величинах p.d, т.е. при p.d>p1,2×d1,2, рабочее напряжение резонатора 12 можно заметно повысить.
На фиг. 4 и 5 показана конструкция последовательных искровых промежутков резонатора 12 СВЧ-генератора, показанного на фиг. 2, где расстояния d1, d2 и d4 выбираются свободно, и где d1, d2, d4>d3,1 и d3,2. Кроме того, возможны случаи d3,1>d3,2 или d3,1<d3,2 или d3,1=d3,2. Может быть случай, где в специальной конструкции d1=d2=d4>d3,1 и/или d3,2. В этом случае может выполняться равенство d3,1=d3,2.
Основной принцип последовательного соединения по меньшей мере двух искровых промежутков можно реализовать в разных геометрических конфигурациях. Некоторые из таких вариантов, не ограничивающих настоящее изобретение, показаны на фиг. 6А - 6D. В каждом из этих вариантов показан интегральный проводящий элемент 34, на фиг. 6А имеющий цилиндрическую внешнюю поверхность 36. Интегральный проводящий элемент 34 по фиг. 6В имеет цилиндрическую поверхность 36, образованную проходящими по окружности поясками 38. Осевое расстояние между поясками 38 соответствует осевому расстоянию между первым и вторым электродами 14, 16.
На фиг. 6С показан вариант, в котором проводящий элемент 34 имеет ступенчатую цилиндрическую поверхность 40. На фиг. 6D показан вариант, в котором проводящий элемент 34 имеет коническую внешнюю поверхность 42.
Для вариантов искровых промежутков 24а, 24b, показанных на фиг. 6А-6D для примера и не являющихся ограничивающими, сохраняются принцип последовательного соединения и отношения указанные выше в отношении фиг. 4 и 5 относительно расстояния d1, d2, d4 зазора между электродами или расстояний d3,1 и d3,2 искрового промежутка.
На фиг. 7 схематически показан вариант СВЧ-генератора 10 или его резонатора 12 и проводника 32, который проходит через первое отверстие 28 и второе отверстие 30 электродов 14 и 16, образованного состоящей из двух частей структурой 44 проводника. Структура 44 проводника содержит две части 46 и 48 проводника, которые расположены соосно друг с другом. Одна часть 46 проводника связана с первым отверстием 28, а вторая часть 48 - со вторым отверстием 30. Две части 46 и 48 проводника находятся на расстоянии d3,3 друг от друга, которое используется для определения третьего искрового промежутка 24с.
На фиг. 8 показан вариант, подобный варианту по фиг. 7, в котором структура 44 проводника имеет три проводящие части 46, 48 и 50, которые расположены соосно друг с другом и разнесенные друг от друга определенным образом. Проводящая часть 46 связана с первым отверстием 28, а проводящая часть 48 связана со вторым отверстием 30. Проводящая часть 50 расположена между частями 46 и 48 и отстоит от них на расстояние d3,4 и d3,5, и сказанное в отношении расстояний d3,3; d3,1 и d3,2 соответственно относится и к d3,4 и d3,5. Расстояния d3,4 и d3,5 далее определяют искровые промежутки 24с и 24d.
В то время как на фиг. 7 и 8 показаны варианты, в которых проводящие части 46, 48 и 50 расположены соосно, на фиг. 9 показан вариант, в котором проводящие части 46 и 48 отстоят друг от друга радиально для создания соответствующего количества искровых промежутков 24а, 24b и 24с.
Перечень позиций
10 - СВЧ-генератор
12 - резонатор (входит в 10)
14 - внутренний электрод (входит в 12)
16 - внешний электрод (входит в 12)
18 - торец (входит в 14)
20 - основание (входит в 16)
22 - выступ (на 20)
24 - искровой промежуток (входит в 12 или 26)
26 - разрядник (входит в 12)
28 - отверстие (в 14)
30 - отверстие (в 16)
32 - проводящее устройство (входит в 10)
34 - проводящий элемент (входит в 32)
36 - цилиндрическая внешняя поверхность (элемента 34)
38 - пояски (на 36)
40 - ступенчатая цилиндрическая поверхность (элемента 34)
42 - коническая поверхность (элемента 34)
44 - структура проводника
46 - проводящая часть (структуры 44)
46 - проводящая часть (структуры 44)
48 - проводящая часть (структуры 44)
50 - проводящая часть (структуры 44)