Газоразрядный прибор на основе полого катода для генерации мощных ВЧ-импульсов
GAS-DISCHARGE DEVICE BASED ON HOLLOW CATHODE FOR GENERATION OF POWERFUL HF-PULSES

(i) Область техники
Изобретение относится к электронной высокочастотной технике, а более конкретно к газоразрядным приборам, в частности неуправляемым разрядникам, предназначенным для генерации в плазме ВЧ колебаний и может быть использовано при создании мощных импульсных малогабаритных генераторов высокочастотного излучения, эксплуатирующихся в различных устройствах в широком диапазоне рабочих температур.
(ii) Предшествующий уровень техники
Большая мощность генерации, малые габариты и вес, высокий КПД и ресурс - являются важнейшими параметрами радиотехнических устройств. Существующие генераторы с мощностью порядка единиц Мегаватт на частоты десятков и сотен Мегагерц как на основе вакуумных (например, магнетронов и генераторных ламп), так и полупроводниковых приборов имеют весьма большие габариты и вес. Альтернативой им служат генераторы на основе газоразрядных камер с полым катодом.
Известны высокочастотные генераторы на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору (например, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А., и др. "ГЕНЕРАТОР МОЩНЫХ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ", Приборы и техника эксперимента, 2005, №1, с. 86-89, а также патент РФ №2497225 от 10. 01.2012).
Эти генераторы содержат газоразрядную камеру, вакуумную систему, источник питания и электрическую нагрузку, например, антенное устройство. Вакуумная система создает необходимое давление в газоразрядной камере, внутри которой расположены заземленный 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 тока разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Вакуумная система состоит из откачивающих устройств - вакуумных насосов и натекателя газа, дозирующего газовый поток от внешнего источника (А.Е. Дубинов, И.Л. Львов, С.А. Садовой, В.Д. Селемир, Д.В. Вялых, «МОЩНЫЙ ИМПУЛЬСНЫЙ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ», Известия вузов. Радиофизика, 2006, Том XLIX, №4, стр. 1-7).
6
2
В известных конструкциях применяются в качестве наполнения тяжелые инертные газы при давлении несколько десятков или сотен мТор - криптон, ксенон, а также элегаз (SF6). Недостатком данной конструкции является необходимость использования вспомогательных устройств для наполнения газом, в том числе вакуумной системы (откачка, напуск газа, контроль давления) с помощью которой поддерживается рабочее давление газа с обновлением его в течение всего рабочего цикла. Поддержание давления и обновление необходимы из-за поглощения газов в разряде (жестчение) и разложения. Последнее особенно касается наполнения сложными газами (SF, СО) и воздухом. При этом требуется постоянный контроль за давлением и корректировка его, производя напуск газа от внешнего источника, например, баллонов высокого давления, и определяет большие размеры и вес системы, что неприемлемо для ряда применений.
Другим недостатком наполнения атомарными газами (как инертными, так и азотом) является появление проводящих пленок на изоляторе из-за сильного распыления в разряде материала электродов, роста токов утечки, что существенно снижает долговечность прибора.
Выходом из положения может быть применение смеси рабочих газов с окисляющей и частично восстанавливающей способностью. При этом важно, чтобы такие газы можно было накапливать в компактных устройствах-резервуарах с последующим регулируемым выделением в объем прибора.
6
2
Для тяжелых атомарных газов Ar, Kr Хе, а также сложных SF, СО компактные источники, которые могут интегрироваться в конструкцию прибора, не известны.
Одним из вариантов при разработке генератора может быть использование воздуха в качестве рабочего газа. Экспериментальные приборы на разряде в среде воздуха были выполнены, но они показали нестабильные параметры и низкий срок службы, в частности из-за появления агрессивных химических веществ, синтезированных в разряде (окислов азота и азотной кислоты). Кроме того, воздушное наполнение требует контролируемого постоянного потока газа при давлении в интервале 10÷50 мТорр, т.е. опять требуется постоянная откачка, что сложно сделать при требованиях компактности конструкции.
Решением задачи может служить использование компактных источников - резервуаров газа, химически связанного в твердом теле, обеспечивающих при нагреве регулируемое давление газа. В настоящее время известны только два таких источника - азота и водорода или дейтерия (A.E. Dubinov, I.Y. Kornilova, I.L.L'vov, S.A. Sadovoy, V.D. Selemir, D.V. Vyalykh, V.S. Zdanov, V.D. Bochkov, and VG. Ushich, "Generators of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chambers with hollow cathode", IEEE Trans, on Plasma Sci., vol. 38, no. 11, pp. 3105-3108, Nov. 2010).
3
3
2
Генератор с азотным наполнением. В качестве источника азота применен нитрид меди CuN - полупроводник с электросопротивлением 6⋅10 Ом см при комнатной температуре. При нагревании до 450°С CuN за счет химической реакции разлагается в вакууме с выделением газообразного азота.
3
Неудобством источника азота является необратимость реакции разложения CuN, поэтому выделенный азот обратно не поглощается, что препятствует корректировке давления при передозировке.
Компактные встраиваемые в прибор источники водорода и дейтерия на основе гидрида титана, применяются в мощных импульсных тиратронах. Испытания генераторов с водородом на основе титановых источников показали недостаточную мощность генерации. С более тяжелым его изотопом дейтерием эффективность работы лучше, но и с ним мощность генерации недостаточно высока. Для данного прибора получены следующие характеристики: частота в.ч. генерации 120 МГц, мощность - от 0.15 до 1 МВт при длительности импульса соответственно от 1.2 до 0.2 мкс. Однако, из-за появления проводящих напылений и соответственно утечек тока недостаточен срок службы.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является патент РФ №90932 от 10.08.2009, где заявлен «Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, функциональный узел электропитания газоразрядной камеры, функциональный узел поддержания давления в газоразрядной камере, электроды газоразрядной камеры подключены к функциональному узлу электропитания, параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, отличающийся тем, что генератор является портативным за счет выполнения по крайней мере одного из функциональных узлов компактным».
В патенте РФ №90932 компактность предлагается обеспечить за счет отпаянной конструкции, однако не оговаривается какие элементы обеспечат постоянство давления в таком приборе. Единственно отмечено, что такая конструкция может быть оправдана, если ресурс работы генератора не предполагает значительного количества генерируемых ВЧ-импульсов, что характерно для некоторых задач, например, для одноразового использования, так как получить большие сроки службы в таком приборе невозможно.
Недостатком этого предложения является то, что простая отпаянная конструкция не дает возможности получения стабильного давления рабочего газа - нужно его пополнять в течение срока службы из какого-то источника.
Другим недостатком конструкции является открытость межэлектродного изолятора для появления на его внутренней поверхности напылений материала электродов из разряда.
2
Предлагается отпаянный прибор - генератор в/ч колебаний, снабженный внутренним источником рабочего газа, с окисляющей способностью, в частности двуокисью углерода. Ввиду того что СО, как и все известные газы подвержен процессу жестчения (поглощения газа и уменьшения его давления на сроке службы), он в отпаянном приборе должен иметь возможность пополнения. В приборе предлагается применить систему экранов, способствующих повышению эффективности генерации и защите изолятора от напылений.
(iii) Раскрытие изобретения
Целью изобретения является создание отпаянного, малогабаритного высокочастотного газоразрядного прибора с высокой выходной мощностью, малым разбросом по амплитуде напряжения пробоя в различные моменты времени коммутации, а также с технологически простой, экологически чистой конструкцией, обеспечивающей высокий срок службы.
Это достигается тем, что в конструкции газоразрядного прибора, содержащего изолятор, фиксирующий электродную систему, образованную полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, а также функциональный узел поддержания давления рабочего газа (УПД), анод и катод разделены экранирующими электродами (ЭИ), которые могут быть как под потенциалами катода и анода, так и под плавающим потенциалом плазмы, либо под потенциалами промежуточными катодному и анодному, при зазоре 1-5 мм между ЭИ, а узел поддержания давления выполнен встроенным с нагреваемым источником газа (ИГ) из материала, который обеспечивает обратимую реакцию разложения - восстановления, с выделением рабочего газа имеющего молярную массу более чем у трития.
3
Другим отличием является то, что в устройстве в качестве источника газа (ИГ) в УПД использована смесь состава СаО:СаСО с содержанием СаО не менее 5%.
3
3
Третьим отличием является то, что кроме кальцита СаСО в УПД включена добавка магнезита MgCO или другой соли с меньшей температурой разложения, что позволяет снизить рабочую температуру источника газа.
Четвертым отличием является то, что нагреватель в УПД выполнен из нихрома без изолирующего покрытия, при этом нагреватель предварительно спекается с ИГ, образуя с ним единый элемент - генератор газа (ГГ).
Пятым отличием является то, что в его объем при наполнении добавляется водород или дейтерий при парциальном давлении 0,1-1 Торр.
Шестым отличием является то, что изолятор удален от зазора между ЭИ на расстояние большее 2-х размеров зазора.
(iv) Предпочтительные примеры осуществления изобретения и краткое описание чертежей
Возможные варианты осуществления предлагаемого изобретения поясняются чертежами.
• На фигуре 1 показан общий вид конструкции прибора;
2
• на фигуре 2 дан чертеж УПД - источника СО с изолированным подогревателем;
• на фигуре 3 показана конструкция устройства с раздельным питанием экранирующих электродов;
• на фигуре 4 дан чертеж УПД - источника CO2 с запеченным подогревателем;
• на фигуре. 5а и 5б представлены фото вариантов генератора.
Прибор (фиг. 1) состоит из полого катода 1, изолятора 2, анода 3, узла поддержания давления (УПД) 4, ввода накала УПД 5, анодного экрана 6 и катодного экрана 7 при зазоре между экранами 1-3 мм, причем изолятор удален от этого зазора более чем на 6 мм. Размер зазора выбирается в зависимости от рабочего напряжения: больше напряжение - больше зазор. Такая конструкция обеспечивает достаточную экранировку изолятора от напылений материала электродов, образующихся в разряде, в частности из катодной полости 1.
При включении накала на УПД прибор наполняется газом при давлении 0,1-5 Торр.
В качестве источника рабочего газа с регулируемым давлением использован УПД, обеспечивающий автономность работы прибора с высоким ресурсом.
УПД 4 состоит (фиг. 2) из корпуса 8 с тепловым экраном 9 в который помещен источник газа (ИГ) 10 в качестве которого могут служить соли металлов, например, углекислого кальция (кальцита), нагревателя из материала, стойкого к воздействию диоксида углерода, в частности нихромового провода 11 с выводами 13, навитого на высокотемпературный изолятор 12 (в виде катушки), либо с изолятором, нанесенным на витки провода 11. Выводы накала 13 фиксируются в корпусе 8 через изоляторы 14.
3
3
2
2
2
Важной особенностью источника газа является возможность в процессе работы изменять давление в объеме прибора, как повышая, так и снижая его. Это соответствует требованию обратимости реакции разложения-соединения при нагреве-остывании компонентов. При нагревании выше 500°С кальцит СаСО разлагается на оксид кальция и углекислый газ: СаСО↔СаО+СО↑. В замкнутом пространстве эта реакция обратимая и при остывании СО поглощается окисью кальция СаО, но реально в объеме длительное время остается большое количество СО.
2
3
2
Чтобы давление СО изменялось достаточно быстро в пределах, определяющих рабочую область прибора, необходимо иметь избыток СаО. Этого можно достичь либо использованием смеси состава СаО:СаСО с содержанием СаО не менее 5%, либо специальной обработкой кальцита на откачном посту, удаляя излишки СО.
2
2
2
2
Молекулы СО в условиях прибора практически не диссоциируют термическим путем. В электрическом разряде при работающем приборе происходит диссоциация СО до СО и кислорода. Температура газа в разряде составляет доли эВ, в то время как энергия разрыва химической связи одного атома кислорода от молекулы СО составляет 5,47 эВ, а энергия разрыва двух атомов кислорода, то есть полного распада молекулы СО, составляет 9,75 эВ (mybiblioteka.su/9-45089.html). Диссоциация молекул в тлеющем разряде происходит либо в результате прямого удара достаточно быстрого электрона
либо в результате диссоциативной рекомбинации:
e
a
e
2
Преобладает в разряде процесс (1.1), так как скорость его протекания пропорциональна произведению n×n, в то время как скорость диссоциативной рекомбинации пропорциональна лишь n.
2
2
2
В разряде присутствуют молекулы газа X - это преимущественно СО, СО, H, О.
2
Обратные процессы, ведущие к восстановлению молекул СО в разряде, могут протекать либо в объеме, при тройных столкновениях с молекулами газа X:
либо на стенках камеры при условии, что они поглощают образующийся в разряде кислород
В стационарном состоянии устанавливается динамическое равновесие:
2
2
2
2
и относительное содержание СО, СО и О в разряде определяется особенностями конструкции прибора. Например, в зависимости от типа используемого катода или от материала стенок реакция (1.5) может сдвигаться как вправо, так и влево. Восстановлению молекул СО способствует добавка в активную среду небольшого количества водорода. Разложение молекул СО активируется ростом температуры и увеличением силы разрядного тока.
Таким образом электрохимические процессы в разряде способствуют окислению паров металла и препятствуют появлению проводящих пленок металла и углерода на стенках изоляторов.
2
2
В то же время, газы - восстановители (водород и СО) не допускают глубокое окисление материала подогревателя до степени, снижающей его механическую прочность. Избыток H или D добавляемый при наполнении (0,1-1,0 Торр) способствует также снижению времени готовности прибора.
2
В известных газоразрядных и вакуумных приборах (тиратронах, рентгеновских трубках, магнетронах и проч.) нагреватели выполняются из высокотемпературных материалов - молибдена, вольфрама. Однако в среде СО эти материалы, взаимодействуя с газом переходят в карбиды и оксиды, охрупчиваются и сгорают. Для обеспечения требуемых сроков службы они неприемлемы.
2
В качестве нагревателя источника СО необходимо применять проводник 11 стойкий к окислительной и карбонизирующей среде, например, из нихрома или нержавеющей стали.
Так как материал источника газа (ИГ) 10 является изолятором, допускается использовать нагреватель без изолирующего покрытия, или без изолятора в виде катушки (фиг 3), при этом нагреватель может предварительно спекаться с ИГ, образуя с ним единый элемент - генератор газа (ГГ) 10. Такой ГГ монтируется в металлическую камеру 8 (например, из никелевой фольги), препятствующую выносу частиц ИГ в рабочий объем прибора. Через зазоры, меньшие чем минимальной размер частицы ИГ, между проводником нагревателя и изолятора осуществляется движение газа в течение всего срока службы.
3
3
За основу ИГ берется кальцит СаСО с начальной температурой разложения в вакууме приблизительно 450-500°С. Добавка магнезита MgCO с температурой разложения 360°С, а также других веществ (например, хлористого натрия) позволяет снизить рабочую температуру ИГ.
Подключение катодного и/или анодного экранов для варианта конструкции с изолированными от катода и анода экранами (фигура 4), к источнику с промежуточным напряжением способствует возможности регулирования параметров генерации, например, изменяя ее длительность. В ряде случаев можно упростить схему, оставляя экраны под «плавающим» потенциалом.
Приборы предлагаемой конструкции (фиг. 5а и 5б) испытывались в режимах генерации при рабочем напряжении до 10 кВ, которое подавалось на его анод с импульсного модулятора на основе импульсного миниатюрного псевдоискрового коммутатора, накопительного конденсатора или формирующей линии, а также в/ч излучателя.
7
2
Испытания прибора на срок службы показали его высокие значения. Так, ресурс на дейтерии 2×10, а на СО - существенно больше 108 импульсов. При этом на рабочей частоте 120 МГц улучшен на 20-30% и такой важный параметр прибора, как импульсная мощность. Разброс по амплитуде напряжения пробоя в различные моменты времени коммутации не превышал 5%.