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 Ζ., Felsteiner J., Rosenberg Α., Slutsker Ya. Ζ. "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 заявляемому генератору (например, Булычев C.B. 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, 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.
В подобных устройствах анод выполнен в форме диска и обращен плоской частью к катодной полости. Разряд происходит между поверхностью катодной полости и обращенной к ней плоской поверхностью анода, называемых рабочими поверхностями соответственно катода и анода. Диаметр анода не превышает диаметра катодной полости. Как правило, площадь рабочей поверхности анода существенно (во много раз) меньше площади рабочей поверхности катода. Это обуславливает высокие значения плотности тока через рабочую поверхность анода даже при сравнительно низких разрядных токах, что может являться причиной достаточно сильного разогрева рабочей поверхности анода.
Среди возможных применений генераторов подобного типа есть и такие, которые предполагают их использование в импульсно-периодических режимах, в том числе с достаточно высокими (порядка 1 кГц) частотами следования импульсов. Однако при функционировании генератора в подобных режимах ресурс его работы невелик. Это вызвано тем, что чем большее количество разрядов в камере происходит за единицу времени, тем больший ток протекает за это время через рабочую поверхность анода, тем выше будет температура, до которой она нагреется за время непрерывного функционирования генератора (согласно эмпирическим наблюдениям, эта температура может достигать многих сотен градусов по Цельсию и даже больше). В результате рабочая поверхность анода может обгореть настолько, что в газоразрядной камере нарушится режим нормального горения разряда, что может привести к нестабильной работе генератора. В этом случае потребуется трудоемкая и долговременная чистка рабочей поверхности анода, или даже замена анода.
Также стабильное функционирование генераторов в импульсно-периодических режимах может быть затруднено по следующей причине.
Пробой газового промежутка - явление, принципиально вероятностное по времени, то есть величина промежутка времени, за который происходит формирование разряда, может изменяться в существенных пределах, особенно на левой ветви кривой Пашена (см. Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М., Наука, 1992), на которой функционирует генератор ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом. При подаче на электроды генератора импульсов напряжения от источника питания с частотой хотя бы несколько Гц время запаздывания зажигания разряда может превышать временной интервал между импульсами напряжения, и возможно, в течение этого интервала разряда так и не произойдет. Таким образом, количество ВЧ-импульсов, формируемых генератором в единицу времени (то есть частота следования), может быть меньше, чем количество импульсов напряжения, поданных на электроды, причем количество ВЧ-импульсов при этом будет варьироваться по какой-то случайной зависимости (то есть частота следования импульсов будет нестабильной).
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, 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, 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.
Недостатком описанных выше генераторов ВЧ-излучения можно считать ограниченность их применения в импульсно-периодических режимах работы. Эта ограниченность обусловлена сильным обгоранием анодного электрода и затрудненностью обеспечения величины и стабильности заданной частоты следования ВЧ-импульсов.
Увеличить ресурс работы при работе на высоких частотах следования импульсов генератора можно, увеличив площадь рабочей поверхности анода, что приведет к уменьшению плотности анодного тока, а следовательно, к уменьшению разогрева рабочей поверхности анода и, соответственно, к уменьшению степени ее обгораемости при неизменном количестве разрядов в камере в единицу времени. Однако тривиальное увеличение диаметра диска, в форме которого выполнен анод, существенных результатов скорее всего не даст, так как при превышении диаметра катодной полости диаметром анода края анода не будут задействованы в горении разряда с полым катодом, и действительные размеры рабочей поверхности анода практически не увеличатся. Более эффективным решением будет изменение формы анода.
Повысить стабильность частоты следования формируемых генератором ВЧ-импульсов можно, уменьшив среднестатистическое время пробоя между электродами камеры. Один из способов добиться этого - увеличить степень ионизованности разрядного газа на момент подачи импульса напряжения на электроды, то есть на момент начала формирования разряда. При частоте чередования разрядов в газоразрядной камере порядка 1 Гц и выше основную часть заряженных частиц составляют частицы, ионизованные во время предыдущих разрядов в камере. Их тем больше, чем большим было плазмообразование во время предыдущих разрядов. Следовательно, увеличив плазмообразование в течение разряда в камере генератора, функционирующего в режиме с высокой частотой следования импульсов, можно уменьшить время формирования последующих разрядов и, соответственно, повысить стабильность частоты следования формируемых генератором ВЧ-импульсов.
Техническим результатом полезной модели является: 1) повышение стабильности частоты следования ВЧ-импульсов, формируемых генератором ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом при функционировании его в импульсно-периодическом режиме; 2) увеличение рабочего ресурса генератора ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом при функционировании его в импульсно-периодическом режиме с высокими частотами следования импульсов.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным генератором ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим подсоединенную к вакуумной системе газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания, параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе анод выполнен полым, причем полость катода и полость анода обращены друг к другу.
Наличие у анода полости, обращенной к катодной полости, особенно в случае хотя бы приблизительного равенства диаметров полостей позволит значительно увеличить площадь анода, задействованную в горении разряда в газоразрядной камере, то есть увеличить рабочую площадь анода (в этом случае поверхностью, задействованной в горении разряда, будет поверхность анодной полости). Это позволит существенно снизить плотность анодного тока, а значит, предотвратить чрезмерное нагревание анода, снизить обгораемость анода и тем самым увеличить ресурс работы генератора при функционировании его в импульсно-периодическом режиме с высокими частотами следования импульсов.
Увеличение рабочей площади анода также способствует решению задачи уменьшения времени формирования разряда путем повышения плазмообразования в предыдущих разрядах. Значительное увеличение площади анода приводит к тому, что анодное падение разрядного напряжения становится не положительным, как обычно, а отрицательным (Капцов Н.А., Электрические явления в газах и вакууме. М.-Л, ОГИЗ Гостехиздат, 1947), то есть потенциал ближнего к аноду края положительного столба разряда выше потенциала анода. Увеличение площади анода для достижения отрицательного анодного падения возможно достигнуть, изготовив анод полым (см. Коваль Н.Н., Королев Ю.Д., Пономарев В.Б. и др., "Формирование импульсного разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна", Физика Плазмы, 1989, т.15, вып.6, с.747, Коваль Н.Н., Крейндель Ю.Е., Месяц Г.А. и др., "Эффективное использование дуги низкого давления в сетчатом плазменном эмиттере электронов", Письма в ЖТФ, 1983, т.9, вып.9, с.568). Следствием отрицательного анодного падения станет то (см. Коваль К.Н., Королев Ю.Д., Пономарев В.Б. и др., "Формирование импульсного разряда низкого давления при принудительном инициировании катодного пятна", Физика Плазмы, 1989, т.15, вып.6, с.747), что электроны положительного столба, двигаясь к аноду, попадут в потенциальную яму, не смогут пролетать к аноду и, оставшись в области положительного столба, будут производить дополнительную ионизацию нейтральных молекул разрядного газа. Также следствием нахождения электронов в потенциальной яме станет потеря ими поступательной скорости движения к аноду. Соответственно, на анод будет высаживаться гораздо меньшее количество электронов (как во время горения разряда, так и в промежуток времени до начала следующего разряда), значительная часть их останется в разрядном промежутке, что также будет способствовать повышению числа заряженных частиц в разрядном газе к моменту начала формирования последующего разряда. По этой причине время запаздывания зажигания разряда в камере сократится.
Поскольку генератор работает в области давлений, соответствующих левой ветви кривой Пашена, то для уменьшения времени зажигания разряда целесообразно увеличить зазор между катодом и анодом. Выполнение анода полым также станет решением этой задачи, потому что в таком случае пробой будет формироваться между катодом и внутренними областями анодной полости, расстояние между которыми больше, чем между катодом и ближней к нему областью анода.
Таким образом, следствием выполнения анода полым будет повышение стабильности частоты следования ВЧ-импульсов, формируемых генератором ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом при функционировании его в импульсно-периодическом режиме.
На фиг. показан пример конструкции заявляемого генератора высокочастотного излучения.
Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1 и полым анодом 2, обращенных друг к другу полостями. Полый катод 1 и полый анод 2 разделены 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. Рабочее пространство газоразрядной камеры (полость катода, полость анода и пространство между ними) 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 импульса напряжения с частотой порядка 1 кГц от источника питания 4 на электроды камеры 1,2 с той же частотой 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.
Так как анод 2 выполнен полым, площадь его рабочей поверхности достаточно велика и плотность анодного тока относительно мала. Поэтому сильного нагрева и обгорания поверхности анода не происходит, и рабочий ресурс устройства не уменьшается.
Еще одним следствием выполнения анода полым является то, что в области горения разряда повышается ионизованность разрядного газа. Чем большее количество заряженных частиц образуется в рабочем объеме газоразрядной камеры во время горения разряда, тем большее их количество остается там к моменту подачи на электроды следующего импульса напряжения (основная часть заряженных частиц за это время высаживается на стенки камеры или рекомбинирует). Таким образом, время формирования последующего разряда с большой вероятностью существенно сократится и будет явно меньше временного интервала между подачей на электроды импульсов напряжения. Число разрядов в газоразрядной камере (число ВЧ-импульсов) будет равным числу поданных на электроды импульсов напряжения за единицу времени, то есть генератор будет работать стабильно с заданной частотой следования импульсов.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
- катод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра (длина цилиндра 50 мм, внутренний диаметр 25 мм);
- анод выполнен из нержавеющей стали в форме трубы диаметром 25 мм, анод расположен коаксиально с полым катодом на расстоянии 10 мм от его открытого торца;
-2
- вакуумная система обеспечивает остаточное давление в газоразрядной камере (7÷9)*10 Тор;
- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой до 4 кВ с частотой следования до 5 кГц.
Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволит успешно добиться заявленного технического результата.