ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Изобретение относится к высокочастотно технике и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения.
Разряд с полым катодом (подробнее см. [1]: Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, М.: Энергия, 1969) имеет характерную особенность - в процессе его развития на катодном слое возникают высокочастотные колебания напряжения, вызывающие модуляцию тока разряда. ВЧ колебания в разряде с полым катодом наблюдались в ряде. исследований, поэтому применение этих колебаний для целей генерации электромагнитного излучения является закономерным решением.
Известны высокочастотные генераторы на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному изобретению (например, [2]: Arbel D., Bar-Lev Z., Felsteiner J., RosenbergA., Slutsker Ya. Z., "Periodic microwave spikes from a magnetic-field-free hollow-cathode discharge", Physical Review Letters, 1997, v.78, num.1, p.66-69), представляющие собой вакуумную камеру, внутри которой расположены полый катод с открытой полостью и анод, подключенный к источнику питания. При подаче с источника питания импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, загорается газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компоненты колебаний тока разряда являются источником электромагнитного ВЧ излучения.
Прототипом заявляемого устройства является высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом [3] (Felsteiner J., Ish-Shalom S., Slutsker Ya. Z., "Optimized performance of a powerful hollow-cathode rf oscillator". Journal of Applied Physics, 1998, vol.83, num.6, p.2940-2943), содержащий источник питания и вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод с открытой полостью, и анод, подключенный к источнику питания. При подаче с источника питания импульса напряжения между полым катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются источником электромагнитного излучения.
Как утверждают авторы [3], предел КПД излучения приборов подобной конфигурации составляет 25%. Однако этой величины явно недостаточно для целого ряда случаев возможного применения таких устройств.
Недостатком прибора, выбранного нами за прототип, следует считать его относительно невысокий предел КПД излучения.
Технической задачей изобретения является создание высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом с более высоким по сравнению с прототипом КПД излучения.
Технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в увеличении КПД излучения.
Этот результат достижим за счет того, что в высокочастотном генераторе с полым катодом, содержащем вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод с открытой полостью и анод, подключенный к источнику питания, предлагается установить снаружи полого катода напротив выполненного в его стенке окна или внутри полости полого катода по меньшей мере один плазменный инжектор.
Следует отметить, что КПД излучения подобных генераторов имеет обратную зависимость от сопротивления газового разряда, то есть одним из путей увеличения КПД генератора является уменьшение сопротивления разряда. В созданных к настоящему времени ВЧ генераторах на основе газового разряда с полым катодом реализован импульсный тлеющий разряд, уменьшить удельное сопротивление которого возможно несколькими способами. Один из них - значительно увеличить напряжение разряда. Однако этот путь явно не оптимален, так как он предполагает использование в качестве источников питания только генераторов весьма существенной мощности. На наш взгляд, более рациональным способом будет уменьшение сопротивления разряда путем инжекции в разрядный промежуток плазмы, создаваемой плазменными инжекторами. Тем самым мы дополнительно повышаем концентрацию заряженных частиц в промежутке, в результате чего увеличивается проводимость среды, а ее сопротивление соответственно уменьшается. Следствием уменьшения сопротивления разряда станет повышение КПД излучения генератора.
Осуществить инжекцию плазмы в разрядный промежуток предлагается посредством использования в устройстве плазменного инжектора (в устройстве их может быть несколько) на основе разряда вдоль поверхности диэлектрика ([4]: Булычев С.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., "Газоразрядная камера и инициированием разряда вспомогательным разрядом вдоль поверхности сегнетокерамики", ПТЭ, 1999, №3, с.116).
Инжектор плазмы такого типа представляет собой систему из двух электродов, управляющего и заземленного, отделенных друг от друга диэлектрическим элементом. На управляющий электрод подается импульс управляющего напряжения, который в
2
2
результате электровзрыва кромки одного из электродов создает поверхностный разряд вдоль диэлектрического элемента, иными словами, создает плазму. Как утверждают авторы [4], при использовании плазменного инжектора такого типа удельное сопротивление реализованного ими разряда составляло 200 Ом·см, в то время как при неработающем плазменном инжекторе эта величина равнялась 18 кОм·см.
На фиг. показан пример выполнения высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом.
Устройство содержит вакуумную камеру 8, в которой расположены заземленный полый катод 6 с открытой полостью и анод 7, расположенный напротив полости, подключенный к источнику питания 9, внутри полости полого катода установлен плазменный инжектор, включающий в себя управляющий электрод 5 и заземленный электрод 2, разделенные диэлектрическим элементом 4, управляющий электрод подключен к источнику управляющего напряжения 1.
В качестве параметров примера конкретного выполнения можно предложить следующие:
-2
- в вакуумной камере поддерживается давление порядка 5*10 Торр;
- полый катод изготовлен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной торцевой стенкой, длина цилиндра 180 мм, внутренний диаметр 86 мм;
- анод изготовлен из нержавеющей стали в форме цилиндра диаметром 75 мм, он расположен коаксиально с полым катодом на расстоянии 20 мм от его открытого торца;
- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой 2-8 кВ;
- диэлектрический элемент изготовлен из титаната-цирконата свинца;
- зазор между заземленным и управляющим электродами 2-4 мм;
- источник управляющего напряжения обеспечивает импульс напряжения амплитудой 2-4 кВ.
Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 8 поддерживается необходимое для зажигания разряда давление. С источника питания 9 на анод 7 подается импульс напряжения. После того как с источника управляющего напряжения 1 на управляющий электрод 5 подается импульс высокого напряжения, в зазоре между управляющим и заземленным (2) электродами вдоль поверхности диэлектрического элемента 4 зажигается низковольтный сильноточный разряд. Изолятор 3 предотвращает развитие разряда вдоль обратной стороны диэлектрического элемента 4. Вследствие сил магнитного давления и гидродинамического расширения
плазма с поверхности диэлектрического элемента 4 выталкивается в полость полого катода 6, благодаря чему сопротивление разряда между полым катодом 6 и анодом 7 существенно уменьшается. Таким образом, в устройстве реализован разряд с полым катодом, при этом колебания тока разряда являются источником электромагнитного излучения.
Согласно сделанным нами теоретическим оценкам, КПД излучения заявляемого устройства должно достигать 55%.