ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ (ВАРИАНТЫ)
HOLLOW-CATHODE DISCHARGE-BASED HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR (VERSIONS)

Изобретение относится к высокочастотной технике 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 и при превышении плотности тока разряда определенного значения) 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.-Р.2919).
Известны генераторы ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору (первому и второму вариантам) (например, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Львов И.Л. и др. "Генератор мощных высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом", Приборы и техника эксперимента, 2005, №1, с.86-89), содержащие газоразрядную камеру, вакуумную систему, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера содержит полый катод и изолированный от него анод, источник питания подключен к полому катоду и аноду газоразрядной камеры. Вакуумная система сообщается с рабочей полостью камеры, создавая необходимое давление в газоразрядной камере. Параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка.
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 напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Прототипом заявляемого генератора (первого и второго вариантов) является генератор ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом (Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А. и др. "Мощный импульсный высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом", Известия вузов. Радиофизика, 2006, т.XLIX, №4, с.300-306), содержащий газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, источник питания, подключенный к полому катоду и аноду газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка.
При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в разрядном промежутке между катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Недостатком описанных выше приборов следует считать сравнительно невысокую мощность ВЧ-импульса, формируемого на электрической нагрузке.
Задачей изобретения является создание генератора ВЧ-излучения, формирующего импульсы ВЧ-энергии высокой мощности.
Технический результат заключается в увеличении мощности импульсов ВЧ-энергии, формируемых на электрической нагрузке генератора.
Этот результат для первого варианта генератора достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, источник питания, подключенный к полому катоду и аноду газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в предложенном генераторе газоразрядная камера выполнена таким образом, что анод расположен в полости катода с образованием коаксиальной волноводной линии, причем электрофизические параметры волноводной линии выбраны из условия формирования из газоразрядной камеры резонансной линии.
В частности, длина газоразрядной камеры может быть кратна четверти длины волны генерируемого ВЧ-импульса.
Этот результат для второго варианта генератора достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, источник питания, подключенный к полому катоду и аноду газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в предложенном генераторе газоразрядная камера выполнена таким образом, что анод расположен в полости катода с образованием коаксиальной волноводной линии, причем волновое сопротивление коаксиальной волноводной линии согласовано с волновым сопротивлением фидера от газоразрядной камеры к электрической нагрузке и с сопротивлением нагрузки
В заявляемом генераторе при расположении анода в полости катода с образованием коаксиальной волноводной линии газоразрядную камеру можно рассматривать как отрезок коаксиальной длинной линии (о свойствах длинных линий см., например Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков A.M. Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005; Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С.В. Основы теории цепей, М., Энергия, 1975; Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей, М., Энергия, 1972). Использование в качестве элемента, инициирующего ВЧ-колебания, отрезка коаксиальной длинной линии позволяет решать проблему увеличения мощности передаваемого на нагрузку ВЧ-импульса следующими способами.
Во-первых, амплитуду ВЧ-колебаний, поступающих на нагрузку, можно существенно повысить, сформировав из газоразрядной камеры резонансную линию. Как известно, отрезки длинных линий можно использовать в качестве резонансных колебательных контуров с распределенными параметрами (Власов В.Ф. Курс радиотехники, М.-Л., Госэнергоиздат, 1960; Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков А.И. Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005; Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей, М., Энергия, 1972). Резонансную линию из газоразрядной камеры возможно получить при условии совпадения собственной частоты колебаний колебательной системы (то есть газоразрядной камеры, имеющей конструкцию коаксиальной линии) и частоты колебаний разрядного напряжения, то есть рабочей частоты генератора. В этом случае на нагрузку будет передаваться ВЧ-импульс, амплитуда которого будет равняться не амплитуде модуляций разрядного напряжения, а амплитуде резонансных колебаний, которая существенно выше. Соответственно, мощность ВЧ-колебаний на нагрузке в этом случае будет также существенно выше.
Зная рабочую частоту генератора (она определяется внутренним диаметром полого катода, подробнее см. Булычев С.В., Вялых Д.В., Дубимов А.Е. и др. Результаты исследований генераторов мощных ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом // Физика плазмы. - 2009, - т.35, - №11, - с.1019) и, соответственно, длину волны генерируемого импульса, можно получить резонансную линию из газоразрядной камеры, имеющей конструкцию коаксиальной линии, в том случае, если длина газоразрядной камеры будет соответствовать определенному числу четвертей длин волн генерируемого ВЧ-импульса. В конкретном исполнении число четвертей длин волн определяется типом нагрузки резонансной линии (Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков А.И. Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005; Зернов Н.В., Карпов В.Г. Теория радиотехнических цепей, М., Энергия, 1972).
Во-вторых, увеличить передаваемую в нагрузку генератора ВЧ-излучения мощность можно за счет уменьшения потерь энергии ВЧ-импульса при его прохождении по линиям передачи от газоразрядной камеры до нагрузки. Как известно, линии передачи характеризуются волновым сопротивлением (Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков А.И., Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005; Зевеке Г.В., Ионкин П.А., Нетушил А.В., Страхов С. В., Основы теории цепей, М., Энергия, 1975; Зернов Н.В., Карпов В.Г., Теория радиотехнических цепей, М., Энергия, 1972), волновое сопротивление коаксиальной линии определяется выражением W=138*lg, (D/d), где D - диаметр внешнего проводника, d - диаметр внутреннего проводника, выражение справедливо при условии, что в качестве диэлектрика между проводниками используются воздух или вакуум. Если сигнал передается по линии, различные участки которой имеют различные волновые сопротивления и не согласованы между собой, а также нет согласования между сопротивлением источника сигнала, волновым сопротивлением линии передачи и сопротивлением нагрузки, то мощность сигнала, поступившего на нагрузку, может быть существенно меньше мощности сигнала, сформированного источником сигнала. Таким образом, сконструировав газоразрядную линию в форме отрезка коаксиальной линии с определенным волновым сопротивлением и согласовав волновое сопротивление данного отрезка с волновым сопротивлением фидера от газоразрядной камеры к электрической нагрузке и с сопротивлением нагрузки, можно существенно понизить уровень потерь мощности передаваемого в нагрузку ВЧ-сигнала.
На чертеже показан пример конструкции генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом.
Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3, причем анод располагается внутри катодной полости на протяжении всей длины катодной полости. В подобном исполнении конструкция газоразрядной камеры аналогична конструкции коаксиальной линии передачи (коаксиальной волноводной линии). Подбирая соответствующим образом длину газоразрядной камеры L или отношение внутреннего  диаметра полого катода к диаметру анода D/d, можно сформировать из газоразрядной камеры резонансную линию на основе отрезка коаксиальной длинной линии (первый вариант генератора), а также варьировать волновое сопротивление коаксиальной линии (второй вариант генератора). К электродам газоразрядной камеры подключен источник питания 4. Параллельно полому катоду и аноду подключена электрическая нагрузка 5, тип которой зависит от целей использования генератора ВЧ-излучения. Как правило, в качестве электрической нагрузки используется система излучения генерируемых ВЧ-импульсов в пространство. Вакуумная система 6 сообщается с рабочей полостью газоразрядной камеры.
Генератор ВЧ-излучения работает следующим образом. Производится откачка рабочего объема газоразрядной камеры до требуемого давления при помощи вакуумной системы 6. При подаче напряжения от источника питания 4 на электроды камеры 1, 2 происходит пробой газоразрядного промежутка и загорается газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке 5, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
-2
Устройство в конкретном выполнении может иметь следующие параметры: источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой до 7 кВ, вакуумная система обеспечивает остаточное давление воздуха в газоразрядной камере до 5*10 Top. Внутренний диаметр полого катода 25 мм. При таком значении внутреннего диаметра частота генерации ВЧ-генератора составляет около 140 МГц, длина волны генерации - 2,14 м (см. 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), четверть длины волны составляет 0,54 м.
В первом варианте генератора для формирования из газоразрядной камеры резонансной линии длина газоразрядной камеры L кратна 0,54 м.
Полагая (из технических соображений) сопротивление нагрузки генератора и волновое сопротивление фидера от генератора к нагрузке равными 50 Ом, во втором варианте генератора получаем отношение внутреннего диаметра катода к диаметру анода D/d, рассчитанное по соответствующей формуле, равным 2,3. Таким образом, возможное значение внутреннего диаметра полого катода 23 мм, анода - 10 мм.
За счет выполнения газоразрядной камеры в форме коаксиальной линии можно повысить амплитуду передаваемого в нагрузку ВЧ-импульса либо за счет возникновения в газоразрядной камере резонанса на частоте формируемых ВЧ-колебаний, либо за счет понижения потерь энергии ВЧ-сигнала при прохождении его по фидеру от источника к нагрузке.