ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Полезная модель относится к области высокочастотной техники 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 некоторых 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 А., Slutsker Ya.Z. "Collisionless Instability of the Cathode Sheath in a Hollow-Cathode Discharge", Physical Review Letters. 1993. V. 71. №18. P. 2919].
Известны генераторы высокочастотных импульсов (ВЧ-генераторы) 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], содержащие газоразрядную камеру, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована электродами - полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подключены к источнику питания. С помощью системы создания газоразрядной среды 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 полым катодом и анодом, инициируется 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.
Устройства данного типа генерируют ВЧ-импульсы, представляющие собой гармонические сигналы с определенной частотой, зависящей от емкости и индуктивности газоразрядного контура [A.E. Dubinov, I.Y. Kornilova, I.L. Lvov etc., "Generator of high-power high-frequency pulses based on sealed-off discharge chamber with hollow cathode". IEEE Trans. Plasma Sci., Nov. 2010, vol. 38, no. 11, pp. 3105-3108]. Наиболее эффективным путем изменения несущей частоты ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом является изменение емкости прикатодного слоя разряда за счет изменения площади поверхности катодной полости. Чем меньше площадь (или, соответственно, объем полости), тем выше частота. Тривиальный способ изменения несущей частоты ВЧ-генераторов - изменение объема катодной полости за счет изменения диаметра или глубины полости.
Одной из задач, решаемых в настоящее время при конструировании систем электромагнитного излучения на основе ВЧ-генераторов данного типа, является реализация генерации многочастотных ВЧ-импульсов, то есть импульсов на двух и более различных несущих частотах. Для этой цели возможно использовать систему из двух или нескольких различных ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом, одновременно генерирующих ВЧ-импульсы на разных несущих частотах. При этом объемы полостей катодов газоразрядных камер генераторов должны отличаться друг от друга. При одновременном запуске ВЧ-генераторов можно получить многочастотный сигнал - ВЧ-сигнал с различными гармониками, соответствующими частотам генерации каждого из ВЧ-генераторов.
Однако использование нескольких ВЧ-генераторов может существенно увеличить массогабаритные характеристики системы генерации в целом. Для соблюдения компактности многочастотного ВЧ-устройства представляется более перспективным использовать в ВЧ-генераторах на основе разряда с полым катодом газоразрядные камеры, в которых было бы предусмотрено более одного газоразрядного промежутка, причем частоты ВЧ-генерации при инициации газового разряда в каждом промежутке были бы различны.
Прототипом заявляемого устройства является генератор ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом [Булычев С.В., Вялых Д.В.; Дубинов А.Е. и др. "Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов". Приборы и техника эксперимента. 2011, №5, с. 106-110], представляющий собой газоразрядную камеру, образованную двумя электродами - полым катодом и анодом, формирующими газоразрядный промежуток, к электродам подключены блок питания и блок электрической нагрузки. В газоразрядном промежутке устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При подаче на электроды импульса напряжения в газоразрядном промежутке 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.
Устройство подобной конструкции генерирует ВЧ-импульсы на одной несущей частоте ВЧ-осцилляций, определяемой объемом полости катода, являющегося одним из электродов газоразрядного промежутка.
Технической проблемой полезной модели является создание генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, формирующего многочастотные ВЧ-импульсы, то есть ВЧ-импульсы на различных несущих частотах, при соблюдении компактности генератора.
Технический результат заключается в формировании многочастотных ВЧ-импульсов.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, представляющим собой газоразрядную камеру, образованную двумя электродами - полым катодом и анодом, формирующими газоразрядный промежуток, к электродам подключены блок питания и блок электрической нагрузки, в заявляемом устройстве в газоразрядной камере предусмотрено более чем два электрода, формирующих более одного газоразрядного промежутка, каждый газоразрядный промежуток сформирован соответствующими ему полым катодом и анодом, причем к полому катоду и аноду каждого газоразрядного промежутка подключены блок питания и блок электрической нагрузки, объемы полостей каждого из катодов различны, а блок питания обеспечивает возможность одновременной подачи импульса питающего напряжения на полый катод и анод каждого из газоразрядных промежутков.
В данном устройстве добиться достижения технического результата предполагается путем организации в газоразрядной камере двух или более газоразрядных промежутков, в каждом из газоразрядных промежутков возможна реализация газового разряда с полым катодом. Два или более газоразрядных промежутка сформировано за счет того, что в камере предусмотрено несколько электродов, каждый газоразрядный промежуток образован соответствующими ему полым катодом и анодом. Так, для формирования двух газоразрядных промежутков в газоразрядной камере можно предусмотреть четыре электрода - два полых катода и два анода, можно три электрода - либо один общий анод и два полых катода, либо в одном катодном электроде организовать две полости, обращенные к двум анодам. При одновременной подаче с блока питания импульса питающего напряжения на полый катод и анод каждого из газоразрядных промежутков произойдет одновременная инициация газовых разрядов с полым катодом во всех газоразрядных промежутках. В блок электрической нагрузки одновременно поступят ВЧ-модуляции разрядных напряжений на каждом промежутке. Так как объемы катодных полостей всех газоразрядных промежутков различны, частоты ВЧ-модуляций напряжений на каждом газоразрядном промежутке будут также различны. В результате в блоке электрической нагрузки сформируется результирующий многочастотный ВЧ-сигнал, состоящий из двух или нескольких ВЧ-импульсов на различных несущих частотах. Блоком электрической нагрузки, позволяющим реализовывать импульсы многочастотного ВЧ-излучения, может служить как широкополосная антенная система (диапазон излучения которой включает частоты ВЧ-осцилляций на каждом из газоразрядных промежутков), подключенная ко всем газоразрядным промежуткам, так и несколько антенных систем, каждая из которых подключена к одному газоразрядному промежутку, причем частота излучения данной антенной системы равна частоте ВЧ-осцилляций на данном газоразрядном промежутке.
На фиг. показан пример конструкции заявляемого ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом. В газоразрядной камере, являющейся основой ВЧ-генератора, реализованы два газоразрядных промежутка - между полым катодом 1 и анодом 3 и между полым катодом 2 и анодом 3. Полые катоды 1 и 2 и анод 3 разделены изоляторами 4 и 5. Полости катодов выполнены в форме цилиндров. Объемы катодных полостей различны (при равенстве глубин полостей диаметры полостей d1 и d2 различны между собой, d1>d2). Газоразрядные промежутки подключены к блоку питания 6. Параллельно газоразрядным промежуткам подключен блок электрической нагрузки 7. В газоразрядных промежутках установлен требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа.
Устройство работает следующим образом. При подаче на анод 3 с блока питания 6 высоковольтного импульса положительного напряжения в газоразрядных промежутках, образованных анодом 3 и полыми катодами 1 и 2, одновременно инициируются газовые разряды с полым катодом. На каждом газоразрядном промежутке происходит ВЧ-модуляция разрядного напряжения, причем с различными частотами, так как объемы катодных полостей. В блоке электрической нагрузки 7, соответственно, вследствие ВЧ-модуляций разрядных напряжений, одновременно инициируются два ВЧ-импульса на двух различных несущих частотах. В итоге результирующий ВЧ-импульс будет иметь две различные гармоники, то есть две различные несущие частоты.
В конкретном выполнении устройство может иметь следующие характеристики:
в качестве полых катодов используются два полых цилиндра из нержавеющей стали, открытые края полостей обращены к аноду, представляющему собой диск из нержавеющей стали;
каждый из газоразрядных промежутков заполнен воздухом или аргоном при давлении 0,1 Торр;
блок питания формирует импульсы высокого напряжения амплитудой 2,5-6 кВ в импульсно-периодическом режиме;
длины полостей цилиндров равны 50 мм, диаметры полостей цилиндров равны 30 мм и 20 мм, соответственно, частоты ВЧ-осцилляций в газоразрядных промежутках равны 120 МГц и 165 МГц;
в качестве блока электрической нагрузки к газоразрядным промежуткам подключены антенные системы, рассчитанные на излучение на соответствующих частотах.
Данный генератор способен формировать мощные многочастотные ВЧ-импульсы на несущих частотах 120 МГц и 165 МГц в импульсно-периодическом. режиме. Использование одного анодного электрода и организация двух газоразрядных промежутков в единой газоразрядной камере позволяют реализовать генератор компактным.
Таким образом, конструкция генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, соответствующая заявляемому техническому решению, позволит успешно разрешить проблему полезной модели.