ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
GENERATOR OF HIGH FREQUENCY PULSES ON THE BASIS OF DISCHARGE WITH FULL CATHODE

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 (то есть при определенных геометрических параметрах 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 разрядного напряжения может достигать 100% от величины разрядного напряжения.
Известны генераторы ВЧ-импульсов (ВЧ-генераторы) на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору (например, Патент РФ №134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., 20.11.2012, бюл. №32), содержащие газоразрядную камеру, к электродам которой, полому катоду и аноду, подключены источник питания и электрическая нагрузка. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. Электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения импульса ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Особенностью функционирования генераторов подобного типа является то, что длительность формируемого ВЧ-импульса ограничена длительностью горения разряда в объемной форме, окончанию импульса генерации соответствует переход разряда из объемной стадии в шнуровую, т.е. из тлеющей формы в дугу (см. Райзер Ю.П. "Физика газового разряда", М., Наука, 1992, Москалев Б.И. "Разряд с полым катодом", М., Энергия, 1969). Если в процессе горения объемного разряда плотность тока через некоторый участок катода по каким-либо причинам немного увеличивается по сравнению с плотностью тока через остальную площадь катода, возникает неустойчивость, приводящая к тому, что происходит сосредоточение всего разрядного тока на этом участке, ток через этот небольшой участок катода резко возрастает, а через остальную площадь катода прекращается. В результате разряд из объемной формы переходит в шнуровую. Чем выше ток тлеющего разряда, тем выше вероятность возникновения неустойчивости, приводящей к шнурованию разряда, то есть тем выше вероятность перехода тлеющего разряда в дуговой. Для получения ВЧ-импульсов высоких мощностей необходимо реализовывать разряды с высокими значениями тока, при которых вероятность шнурования разряда очень велика. Таким образом, возникает задача создания ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом, в которых были бы осуществлены механизмы предотвращения перехода тлеющего разряда в дуговой.
Проблема предотвращения шнурования объемного разряда известна давно, в частности, с ней сталкиваются разработчики газоразрядных лазеров. Известны и различные пути решения этой проблемы, некоторые из которых возможно применить в ВЧ-генераторах на основе разряда с полым катодом. Различные способы борьбы со шнурованием разряда рассмотрены в [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]. Одним из наиболее эффективных путей является секционирование катода [Райзер Ю.П. "Основы современной физики газоразрядных процессов", М., Наука, 1980].
Идея применения секционированного катода в ВЧ-генераторе на основе разряда с полым катодом была авторами опробована в [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], приведено описание устройства с секционированным катодом. Это устройство выбрано за прототип. Данный генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом, причем к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, катод разделен на изолированные друг от друга секции (фиг. 1). Внутренние поверхности секций образуют полость катода. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-модуляции напряжения разряда являются причиной возникновения импульса ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
В данном устройстве каждая секция катода подключена к источнику питания (в конкретном исполнении - к общей шине) через индивидуальный резистор (см. фиг. 2), величина сопротивления которого (10 Ом) сравнима с величиной внутреннего сопротивления генератора (эмпирически определено, что эта величина составляет порядка 3 Ом). Эти резисторы составляют резистивный блок, организованный таким образом, что резистивное сопротивление между любой из секций катода и источником питания больше резистивного сопротивления между секциями катода, замкнутыми между собой накоротко, и источником питания, в количество раз, равное количеству замкнутых между собой накоротко секций. Резистивный блок выполняет стабилизирующую роль, препятствуя переходу объемного разряда в шнуровой. При горении объемного тлеющего разряда (то есть при протекании тока через все секции) общее сопротивление, вносимое резистивным блоком в разрядную цепь, равняется сопротивлению одного резистора, поделенному на количество секций, так как в этом случае все резисторы соединены между собой параллельно. Это сопротивление гораздо меньше внутреннего сопротивления генератора и на величину разрядного тока практически не влияет. Однако при зарождении дуги и начале сосредоточения разрядного тока на какой-нибудь одной из секций ток через нее возрастает, а через все остальные секции уменьшается. Так как в этом случае значительная часть тока течет через один резистор (подключенный к той секции, на которой сосредотачивается разряд), то сопротивление, вносимое резистивным блоком, возрастает, потому что становится равным сопротивлению одного резистора. Это препятствует росту тока разряда и дальнейшему сосредоточению тока через одну секцию и приводит к восстановлению горения объемного разряда. Используя этот способ, авторам удалось добиться подавления процессов шнурования в течение полной длительности импульса напряжения с источника питания, были получены ВЧ-импульсы, длительности которых в несколько раз превысили достигнутые ранее.
Задачами, которые в числе прочих приходится решать разработчикам ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом, являются миниатюризация и простота монтажа разрабатываемых устройств (при интенсивной работе генератора поверхность катодной полости подвергается обгоранию и эрозии, и ее следует периодически чистить, для чего необходимо демонтировать и снова монтировать газоразрядную камеру). В устройстве-прототипе, созданном для исследовательских целей, катод разделен на 12 секций, диаметр полости составляет 100 мм, ее длина 120 мм. Однако на практике востребованными являются приборы с гораздо меньшими габаритами катодной полости (от размеров полости зависит частота генерации, чем меньше полость, тем выше частота). Также, поскольку генераторы такого типа функционируют при пониженном давлении газа, являющегося разрядной средой, необходимо предусмотреть необходимость герметизации газоразрядной камеры. А катод, будучи разделен на секции (для большей действенности механизма предотвращения шнурования желательно предусмотреть разделение катода на как можно большее количество секций), состоит их множества достаточно мелких составных частей (секций катода и элементов, изолирующих секции друг от друга), и для герметичности газоразрядной камеры потребуется обеспечить герметичное разборное соединение этих частей друг с другом.
Исходя из всего вышеизложенного при конструировании ВЧ-генератора с секционированным полым катодом разработчику, при соблюдении условия максимальной компактности устройства, следует решать задачи реализации разборной оперативной герметизации газоразрядной камеры, состоящей из множества элементов, и обеспечения оперативного подключения достаточно большого количества резисторов, составляющих резистивный блок, к секциям катода, а также компактного размещения этих резисторов, рассчитанных на высокую электрическую мощность и поэтому обладающих сравнительно большими габаритами. Все эти факторы могут усложнить конструкцию ВЧ-генератора настолько, что использование секционированного катода станет неэффективным.
Недостатками реализованного к настоящему времени ВЧ-генератора с секционированным полым катодом является сложность конструкции генератора и сложность монтажа генератора, обуславливающие большие габариты устройства.
Задачей изобретения является создание генератора на основе разряда с полым катодом, конструкция которого предусматривает выполнение полого катода секционированным, при этом в качестве технического результата обеспечивает простоту монтажа устройства при его компактности.
к
г
c
c
к
г
c
c
г
с
c
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, причем катод разделен на изолированные друг от друга секции, внутренние поверхности секций образуют полость катода, все секции катода соединены с источником питания через резистивный блок, организованный таким образом, что резистивное сопротивление между источником питания и любой из секций катода больше резистивного сопротивления между источником питания и секциями катода, замкнутыми между собой накоротко, в количество раз, равное количеству замкнутых между собой накоротко секций, в заявляемом устройстве резистивный блок представляет собой кожух, контактно охватывающий внешние поверхности секций катода, выполненный из материала, имеющего удельное сопротивление ρ в диапазоне 0,1⋅R⋅S/d<ρ<n⋅R⋅S/d, где R - внутреннее сопротивление генератора, S - площадь единичной катодной секции, d - толщина стенки кожуха, n - количество катодных секций, при этом внешняя поверхность кожуха контактно охвачена дополнительным внешним электродом, непосредственно подключенным к источнику питания.
Принцип функционирования кожуха как резистивного блока пояснен с помощью фиг. 3. Сопротивление R проводника удельным сопротивлением ρ, длиной l и площадью S рассчитывается по формуле R=ρ⋅l/S. Предполагается, что удельное сопротивление материала кожуха на несколько порядков выше, чем удельное сопротивление металлов, но достаточно, чтобы материал кожуха являлся проводником тока. Фактически кожух является объемным резистором в разрядной цепи, включенным между катодом и источником питания, и сопротивление такого резистора тем выше, чем меньше площадь, по которой ток протекает через кожух. Если предусмотреть наличие дополнительного внешнего электрода, непосредственно подключенного к источнику питания и контактно охватывающего наружную поверхность кожуха, то длина пути прохождения тока сквозь кожух всегда будет минимальной и равной толщине стенки кожуха. Это позволит минимизировать сопротивление кожуха в случае горения диффузного разряда и ограничить тем самым нежелательное в данных условиях рассеяние электрической энергии на этом сопротивлении.
к
c
c
c
к
c
с
c
к
с
Ток через кожух протекает от внешних поверхностей секций катода к внутренней поверхности дополнительного внешнего электрода. Если оценивать величину сопротивления в газоразрядной цепи кожуха, выполненного из материала удельным сопротивлением ρ, длиной проводника является толщина стенки кожуха d, площадь проводника определяется площадью кожуха, сквозь которую протекает ток. Если горит объемный разряд, эта площадь равна сумме площадей всех секций катода n⋅S, где n - количество секций катода, S - площадь одной секции. В этом случае сопротивление кожуха в газоразрядной цепи равно (ρ⋅d)/(n⋅S). Если же происходит шнурование разряда, и ток сосредотачивается на одной секции, площадь проводника становится равной площади единичной катодной секции S, и сопротивление кожуха равно ρ⋅d⋅/S. Сопротивление кожуха в случае горения в газоразрядной камере объемного разряда в n раз меньше, чем при горении шнурового разряда.
с
с
к
к
с
c
г
к
с
с
г
к
c
c
г
к
c
c
г
г
с
с
к
г
с
c
В зависимости от конкретных значений переменных n, d, и S, можно выбрать значение удельного сопротивления материала кожуха ρ таким, чтобы сопротивление кожуха в случае горения объемного разряда (равное (ρ⋅d)/(n⋅S)) было бы мало в сравнении с внутренним сопротивлением генератора R (то есть должно выполняться условие ρ⋅d/S<n⋅R), а при шнуровании разряда сопротивление кожуха (в этом случае равное ρ⋅d/S) было бы сравнимым со значением R (ρ⋅d/S~R). Тогда ток шнурующегося разряда будет существенно ограничиваться этим сопротивлением, процесс нарастания тока через единичную секцию прекратится и шнурования разряда не произойдет. Для эффективного применения кожуха в качестве резистивного блока значение удельного сопротивления материала кожуха должно лежать в диапазоне 0,1⋅R⋅S/d<ρ<n⋅R⋅S/d. За пределами указанного диапазона сопротивление кожуха будет либо недостаточно большим в случае горения шнурового разряда (и тогда величина тока шнурующегося разряда будет ограничена несущественно и произойдет срыв тлеющего разряда в дугу), либо недостаточно малым в случае горения объемного разряда (что приведет к нежелательно высокому рассеянию энергии на сопротивлении кожуха).
г
Величина внутреннего сопротивления генератора R, в основном определяющегося сопротивлением газоразрядной плазмы, зависит от ряда факторов (размеров газоразрядной камеры генератора, типа газа, являющегося разрядной средой) и может быть оценена эмпирически (например, путем определения номинала сопротивления нагрузки генератора, на котором будет выделяться максимальная мощность). Для реализованных к настоящему времени ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом [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] эта величина составляет порядка 3-4 Ом.
Предполагается, что кожух и внешний электрод будут едиными деталями, элементарными в изготовлении, по форме и габаритам приближенными к полому катоду. Их установка поверх катода не будет заключать в себе особой сложности, а их наличие практически не изменит габариты устройства в целом. Поверхности кожуха и внешнего электрода рациональнее всего выполнять сплошными, а так как кожух и внешний электрод будут сверху покрывать составленный из многих элементов катод, то это снимет проблему герметизации стыковочных швов секций катода с разделяющими их изоляторами. Таким образом, предлагаемая конструкция ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом, в которой реализован секционированный катод, позволяет добиться технического результата, состоящего в обеспечении простоты монтажа устройства при соблюдении условия компактности устройства.
На фиг. 1 схематично изображено устройство секционированного полого катода по прототипу.
На фиг. 2 схематично изображено устройство резистивного блока по прототипу.
На фиг. 3 схематично изображено устройство резистивного блока в заявляемом ВЧ-генераторе. Тонкими линиями со стрелками показан путь протекания тока через камеру в случае горения объемного разряда, толстой линией со стрелкой показан путь протекания тока в случае горения шнурового разряда.
На фиг. 4 показан пример конструкции заявляемого ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом.
c
c
к
2
-3
Газоразрядная камера генератора (фиг. 4) образована электродами - полым катодом, состоящим из n=30 изолированных друг от друга секций 1, и анодом 4, разделенных изолятором 6. Секции 1 установлены в пазы выполненного из непроводящего материала катодного каркаса 8, обеспечивающего функцию изолятора между секциями, имеющего форму полого цилиндра с одним открытым торном. В закрытом торце катодного каркаса 8 секции не устанавливаются, так как именно на участке катода, обращенном к аноду, наиболее вероятно возникновение дуги [Патент РФ №2497225, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., 20.07.2013, бюл. №20]. Внутренние поверхности секций 1 образуют полость катода, аналогично тому, как это показано на фиг. 1. Длина полости катода 50 мм, диаметр 30 мм, площадь поверхности одной секции S=1 см. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания 5. К электродам камеры подключена электрическая нагрузка 7. Кожух 2 контактно охватывает внешние поверхности секций катода. Толщина стенки кожуха d=5 мм. Кожух выполнен из композиционной смеси порошкообразного проводника (углерода) и связующего его диэлектрического наполнителя, из подобных смесей изготавливаются токопроводящие элементы серийно производимых непроволочных композиционных объемных резисторов [Н.Н. Акимов, Е.П. Ващурков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, композиционные устройства РЭА: Справочник. Мн.: Беларусь, 1994, 591 с.], подробнее о технологии создания подобных смесей см. [Гальперин Б.С. Непроволочные резисторы. Л.: Энергия, 1968. 284 с.; Гусев В.П. Производство радиоаппаратуры, М.: Высшая школа, 1970, 360 с.]. Удельное электрическое сопротивление материала кожуха составляет ρ=0,1 Ом⋅м (в пределах диапазона от 6⋅10 до 1,8 Ом⋅м). Кожух 2 имеет электрические контакты со всеми секциями катода 1, при этом наружная поверхность кожуха 2 контактно охвачена дополнительным внешним электродом 3, непосредственно подключенным к источнику питания 5. Толщина дополнительного внешнего электрода 3 может составлять не более долей миллиметра.
c
к
с
с
c
c
c
При горении в газоразрядной камере объемного разряда, когда разрядный ток течет через все секции (но площади S⋅n), кожух, являющийся элементом газоразрядной цепи, оказывает току сопротивление (ρ⋅d)/(S⋅n)=0,17 Ом. Эта величина существенно меньше внутреннего сопротивления генератора (около 3 Ом), и в этом случае влияние сопротивления кожуха на разрядный ток пренебрежимо мало. Но, если ток начинает сосредотачиваться на какую-либо одной из секций, и значительная его часть начинает течь через участок кожуха, площадь которого равна площади одной секции S, сопротивление, оказываемое кожухом разрядному току, становится близким к величине ρ⋅d/S=5 Ом, что больше величины внутреннего сопротивления генератора. В результате многократно возросшего сопротивления ток через эту секцию резко уменьшается, через остальные секции восстанавливается, и полного сосредоточения тока на одной секции, то есть шнурования разряда, не происходит, восстанавливается режим горения объемного разряда.
Совокупная толщина стенок кожуха и внешнего электрода, устанавливаемых поверх катода вплотную к нему, составляет несколько миллиметров, и увеличение габаритных размеров катода при этом несущественно. Монтаж устройства в такой конфигурации сильно облегчен по сравнению с прототипом, так как не требуется использования рассчитанных на высокую мощность значительного количества резистивных сопротивлений, отпадает задача монтажа сопротивлений в устройстве и подключения каждого из них к секциям катода и к источнику питания. Кожух и внешний электрод представляют собой детали со сплошными поверхностями, и для герметизации объема внутри них не требуется обеспечения герметизации всех соединительных швов между всеми составными элементами катода. Это также значительно облегчает монтаж устройства.
Таким образом, конструкция генератора на основе разряда с полым катодом в данной конфигурации обеспечивает простоту монтажа устройства при выполнении условия максимальной компактности устройства, что позволяет успешно решить задачу изобретения.