ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
HIGH-FREQUENCY PULSES GENERATOR BASED ON HOLLOW CATHODE DISCHARGE

Изобретение относится к области высокочастотной техники 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 (при определенных геометрических параметрах катодной полости, при значениях давления разрядного газа, лежащих в определенном диапазоне, и при превышении определенного порога плотности тока разряда) 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 разряда.
Известны генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору [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]. Генератор подобного типа содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, электроды камеры подключены к источнику питания, электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При подаче на электроды импульса напряжения в газоразрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
К недостаткам ВЧ-генераторов подобного типа следует отнести ограниченную мощность генерируемых ВЧ-импульсов. Ограничение обусловлено тем, что ВЧ-модуляции разрядного напряжения имеют место только при сравнительно невысокой мощности высоковольтных импульсов питания, подаваемых на электроды газоразрядной камеры и инициирующих разряд с полым катодом в газоразрядной камере, инициируемый при этом разряд имеет диффузную форму. Увеличение мощности высоковольтных импульсов приводит к загоранию в газоразрядной камере разряда контрагированной формы, при которой ВЧ-модуляции разрядного напряжения невозможны [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].
Возможно увеличить мощность ВЧ-генерации, реализовав устройство, в котором выходной ВЧ-импульс является результатом сложения ВЧ-импульсов, сгенерированных одновременно посредством двух или нескольких газоразрядных камер или промежутков. Однако этот путь имеет свои сложности - для эффективного сложения гармонических сигналов требуется, чтобы фазы этих сигналов были одинаковы. А у сигналов, формируемых ВЧ-генераторами на основе разряда с полым катодом, начальная фаза является случайной величиной, следовательно, вероятность равенства фаз ВЧ-сигналов, одновременно формируемых посредством газоразрядных камер или промежутков, входящих в состав ВЧ-генератора, практически равна нулю. Для эффективного функционирования ВЧ-устройства на основе разряда с полым катодом, включающего в себя более одной газоразрядной камеры или более одного газоразрядного промежутка, необходимо реализовать режим фазовой подстройки ВЧ-импульсов, генерируемых одновременно на разных газоразрядных промежутках или камерах.
Известен ВЧ-генератор на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 2657240, приоритет 24.01.2017], в котором режим фазовой подстройки генерируемых одновременно в разных газоразрядных камерах ВЧ-сигналов осуществлен за счет реализации электромагнитной связи между трансформаторами сопротивлений, подключенных к камерам, согласующими внутренние импедансы газоразрядных камер с импедансом блока нагрузки. Однако такой тип фазовой подстройки сопряжен с искажением и уменьшением амплитуды генерируемых сигналов за счет возникающих в точках соединений отрезков длинных линий рассогласований импедансов, и его эффективность может быть недостаточной.
Известен ВЧ-генератор на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 2462783, приоритет 21.04.2011], являющийся прототипом заявляемого устройства, содержащий газоразрядную камеру, в которой предусмотрено два или более газоразрядных промежутка, каждый промежуток образован полым катодом и анодом, соответствующие геометрические параметры всех газоразрядных промежутков равны. Электроды газоразрядных промежутков подключены к блоку питания и блоку нагрузки. Блок питания обеспечивает синхронную подачу импульсов высокого напряжения на газоразрядные промежутки. В генераторе организован режим фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на разных газоразрядных промежутках. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При синхронной подаче на электроды всех газоразрядных промежутков импульсов напряжения с блока питания в газоразрядных промежутках одновременно инициируются газовые разряды с полым катодом, в которых возникают ВЧ-модуляции напряжения разряда, и таким образом на газоразрядных промежутках формируются ВЧ-импульсы напряжения, передаваемые в блок нагрузки. За счет равенства соответствующих геометрических параметров газоразрядных промежутков частоты ВЧ-модуляций на всех промежутках также равны [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]. Изначально фазы ВЧ-импульсов, формируемых на газоразрядных промежутках, могут быть различны, но спустя некоторое время после инициирования разрядов выравниваются, посредством организованного в устройстве режима фазовой подстройки. В результате в блок нагрузки со всех газоразрядных промежутков синхронно поступают ВЧ-импульсы с одинаковыми частотой и фазой. Таким образом, в блоке нагрузки формируется результирующий ВЧ-импульс, амплитуда которого существенно выше, чем амплитуда ВЧ-импульса, формируемого на единичном газоразрядном промежутке.
В устройстве-прототипе режим взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на газоразрядных промежутках, организован за счет соединения газоразрядных промежутков вакуумными каналами, обеспечивающими возможность транспортировки по ним плазменных образований, являющихся элементами газового разряда и совершающих высокочастотные колебания под воздействием модуляций разрядного напряжения. В частном варианте газоразрядные промежутки являются смежными. Возмущения электромагнитных полей в газоразрядных промежутках, вызываемые высокочастотными колебаниями распространяющихся по вакуумным каналам плазменных образований из соседних промежутков, накладываются на "собственные" колебания полей в промежутках. В результате взаимного влияния друг на друга колебаний в разных газоразрядных промежутках фазы колебаний во всех промежутках выравниваются.
Однако режим взаимной фазовой подстройки, применяемый в устройстве-прототипе, нельзя считать максимально эффективным. Электромагнитная связь между газоразрядными промежутками, организуемая при подобном режиме фазовой подстройки, может быть недостаточно сильна, и процесс фазовой подстройки между ВЧ-сигналами может занять слишком долгое время, практически равное длительности ВЧ-импульса. Данный режим фазовой подстройки предполагает воздействие друг на друга процессов, вызывающих высокочастотную модуляцию разрядного напряжения в разных газоразрядных промежутках, посредством плазменных образований. Режим фазовой подстройки, при котором реализовывалось бы непосредственное взаимное влияние модулирующих процессов, представляется более эффективным.
Недостатком устройства-прототипа следует считать недостаточную эффективность организованного в генераторе режима фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на разных газоразрядных промежутках.
Технической проблемой является создание генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, в котором используется газоразрядная камера, имеющая два газоразрядных промежутка, и в генераторе реализован эффективный режим фазовой подстройки ВЧ-импульсов, одновременно генерируемых на газоразрядных промежутках.
Техническим результатом является увеличение эффективности режима фазовой подстройки ВЧ-импульсов одновременно генерируемых на газоразрядных промежутках газоразрядной камеры генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом.
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, в которой предусмотрено два газоразрядных промежутка, каждый промежуток образован полым катодом и анодом, причем соответствующие геометрические параметры обоих газоразрядных промежутков равны, электроды обоих газоразрядных промежутков подключены к блоку питания и блоку нагрузки, блок питания обеспечивает синхронную подачу импульсов высокого напряжения на электроды обоих газоразрядных промежутков, при этом в генераторе организован режим взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на обоих газоразрядных промежутках, в предложенном генераторе внутренние поверхности полостей полых катодов, относящихся к разным газоразрядным промежуткам, приближены друг к другу, что обеспечивает организацию режима взаимной фазовой подстройки путем непосредственного взаимного электромагнитного влияния прикатодных слоев разрядов, инициируемых одновременно в обоих газоразрядных промежутках.
В частности, оба полых катода выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, причем близость внутренних поверхностей полостей полых катодов обеспечена тем, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены.
Тлеющий разряд, разновидностью которого является реализуемый в ВЧ-генераторах заявляемого типа разряд с полым катодом, характеризуется наличием возле рабочей поверхности катода сравнительно тонкого прикатодного слоя с большим градиентом электрического поля и электрического потенциала [Грановский В.Л., Электрический ток в газе. - М.: «Наука», 1971; Райзер Ю.П., Физика газового разряда. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009]. Согласно исследованиям авторов патентуемого технического решения, причиной ВЧ-модуляций разрядного напряжения, возникающих в газовом разряде с полым катодом, является специфическая колебательная неустойчивость, возникающая в прикатодном слое разряда [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].
Так как ВЧ-модуляции разрядного напряжения в разряде с полым катодом вызываются неустойчивостью прикатодного слоя разряда, то эффективной фазовой подстройки ВЧ-сигналов, формируемых одновременно на обоих газоразрядных промежутках газоразрядной камеры ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом, можно достичь, обеспечив эффективное электромагнитное взаимодействие между прикатодными слоями разрядов, инициируемых в этих промежутках.
Высокочастотные колебания электрического потенциала в прикатодном слое вызывают соответствующее колебательное возмущение электромагнитного поля в пространстве возле области, занятой прикатодным слоем. Идея патентуемого технического решения заключается в том, что при близости друг к другу двух рабочих поверхностей полых катодов (то есть поверхностей катодов, покрытых разрядом), будет осуществлено эффективное обоюдное электромагнитное взаимодействие прикатодных слоев двух газоразрядных промежутков. Степень эффективности взаимодействия определяется величинами воздействующих полей, которые тем больше, чем ближе друг к другу прикатодные слои, излучающие эти поля. В итоге в каждом из прикатодных слоев друг на друга будут накладываться собственные высокочастотные колебания электрического поля и вынуждающие колебания электрического поля от другого слоя, причем частоты этих колебаний равны. В результате сложения этих колебаний в каждом из прикатодных слоев установятся единые резонансные колебания, причем фазы колебаний в обоих слоях будут равны. Таким образом, будет организован режим фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на различных газоразрядных промежутках.
При инициации разряда с полым катодом рабочей поверхностью катода является поверхность катодной полости. Следовательно, для организации эффективного режима фазовой подстройки поверхности катодных полостей полых катодов нужно разместить в близости друг от друга.
Конструкция устройства-прототипа (даже в частном варианте, когда газоразрядные промежутки являются смежными) не предполагает обязательного близкого взаимного расположения поверхностей катодных полостей полых катодов, относящихся к разным промежуткам, то есть близкого взаимного расположения прикатодных слоев. Конструкция же заявляемого устройства предполагает обязательное близкое друг к другу расположение поверхностей катодных полостей полых катодов, относящихся к разным промежуткам - то есть предполагает близкое расположение друг к другу областей двух газоразрядных промежутков, в которых происходят процессы, приводящие к высокочастотным модуляциям напряжения. По причине близкого расположения двух прикатодных слоев друг к другу связь между ними, являющаяся организующим фактором взаимной фазовой подстройки ВЧ-импульсов, формируемых одновременно на двух газоразрядных промежутках, сильнее, чем при использовании устройства-прототипа. Следовательно, при использовании конструкции газоразрядной камеры, выполненной в соответствии с заявляемым техническим решением, эффективность фазовой подстройки между ВЧ-импульсами, формируемыми на разных газоразрядных промежутках, будет выше, чем при использовании устройства-прототипа.
В частном случае, когда полые катоды выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, близость поверхностей полых катодов, покрываемых разрядом, обеспечивается тем, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены.
Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Газоразрядная камера содержит два газоразрядных промежутка, каждый газоразрядный промежуток образован соответствующими ему полым катодом 1 и анодом 2, разделенных изолятором 3, полые катоды 1 выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, причем близость внутренних поверхностей полостей полых катодов обеспечена тем, Геометрические характеристики обоих газоразрядных промежутков (то есть размеры катодных и анодных полостей, расстояния от полых катодов до анодов) соответственно равны. Поверхности катодных полостей полых катодов 1 (рабочие поверхности катодов, возле которых зажигается разряд) приближены друг к другу, за счет того, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены. Торцы полых катодов разделены мембраной 4, наличие которой предотвращает развитие разряда между электродами разных газоразрядных промежутков. К полому катоду 1 и аноду 2 каждого газоразрядного промежутка подключены блок питания и блок электрической нагрузки 6. Блок питания 5 включает в себя два источника питания, одновременно запускаемых единым управляющим импульсом, и обеспечивает возможность синхронной подачи импульсов питающего напряжения на полый катод и анод каждого из газоразрядных промежутков.
ВЧ-генератор работает следующим образом. В газоразрядной камере поддерживается уровень давления рабочего газа, требуемый для зажигания газового разряда между электродами данной конфигурации. При запуске блока питания 5 на оба газоразрядных промежутка синхронно подаются высоковольтные импульсы напряжения. В каждом промежутке между полым катодом 1 и анодом 2 одновременно инициируются газовые разряды с полым катодом, напряжение разрядов промодулировано по ВЧ-частоте. ВЧ-колебания разрядного напряжения с каждого разрядного промежутка передаются в блок электрической нагрузки 5 (в качестве нагрузки может использоваться система излучения или резистивное сопротивление). Посредством взаимного электромагнитного влияния колебаний электрического потенциала прикатодных слоев 7 фазы колебаний взаимно подстраиваются и становятся равными.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
- полые катоды и аноды выполнены из нержавеющей стали, изоляторы - из вакуумной керамики или фторопласта;
- протяженность каждой катодной полости 50 мм, диаметр - 25 мм;
- толщина мембраны - 2 мм;
-1
- газоразрядные промежутки заполнены электроотрицательным или инертным газом при давлении порядка 10 Тор.;
- источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 2÷5 кВ.
При данной конструкции ВЧ-генератора будет осуществляться непосредственное взаимное электромагнитное воздействие областей газоразрядных промежутков, в которых имеют место процессы, вызывающие высокочастотные модуляции газоразрядного напряжения. За счет близости друг к другу прикатодных слоев разрядов, формируемых одновременно в обоих газоразрядных промежутках, их взаимное воздействие будет более сильным и эффективным, чем при использовании конструкции устройства-прототипа, следовательно, способ организации взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на обоих газоразрядных промежутках, будет более эффективным. Таким образом, требуемый технический результат будет достигнут при выполнении устройства согласно предложенному техническому решению.