ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
HIGH-FREQUENCY GENERATOR WITH DISCHARGE IN HOLLOW CATHODE

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 характерную особенность - при определенных условиях (то есть при определенных геометрических параметрах полости и при превышении плотности тока разряда определенного значения) в процессе его развития происходит модуляция разрядного тока по частоте ВЧ-диапазона (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).
Известны высокочастотные генераторы на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору (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. 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.
Прототипом заявляемого генератора является высокочастотный генератор 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, в которой расположены полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания, и вакуумную систему. Полость катода обращена в сторону замыкающего эту полость анода с образованием внутреннего рабочего объема разрядной камеры. К аноду и полому катоду параллельно 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 тока которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Недостатком описанных выше приборов следует считать нестабильность генерации, то есть мощность генерируемого излучения на протяжении каждого единичного импульса достаточно сильно изменяется по сравнению со своим максимальным значением.
Задачей изобретения является создание усовершенствованного с точки зрения выходных параметров высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом.
Технический результат заключается в обеспечении такого режима работы высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом, при котором мощность каждого генерируемого импульса излучения была бы стабильной во времени.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным высокочастотным генератором на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, заявляемый генератор дополнительно содержит устройство формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода.
В качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости катода напротив анода может быть использован источник магнитного поля.
В частном варианте реализации генератора источником магнитного поля может служить охватывающий газоразрядную камеру соленоид, причем полый катод, анод и соленоид расположены коаксиально.
Согласно представлениям авторов, причина возникновения высокочастотных колебаний тока разряда с полым катодом заключается в развитии в разрядной плазме "излучательной" неустойчивости (название условное), механизм которой сходен с двухпотоковой или плазменно-пучковой неустойчивостью (Чен Ф. Введение в физику плазмы. - М.: Мир, 1987). Эта неустойчивость развивается вследствие взаимодействия формирующихся в прикатодном слое разряда высокоэнергетичных (быстрых) электронов с плазмой разряда, происходящего по мере движения электронов сквозь плазму (поступательно электроны движутся по направлению к аноду). Чем меньший угловой разброс скоростей имеет совокупность быстрых электронов, движущихся к аноду, тем более стабильным является существование излучательной неустойчивости и, следовательно, функционирование ВЧ-генератора. Нестабильность работы генератора является следствием рассеяния совокупности движущихся к аноду быстрых электронов из-за углового разброса начальных импульсов электронов. Следовательно, повысить стабильность работы генератора можно путем формирования из совокупности хаотично движущихся электронов плотного слаборассеивающегося потока электронов напротив анода и с помощью специально предусмотренного для этой цели устройства. Сформированный плотный поток электронов под действием электростатической силы будет направлен к аноду, облегчая тем самым реализацию механизма "излучательной" неустойчивости (то есть реализуется движение плотного потока заряженных частиц через плазму).
Авторам представляется, что одним из наиболее эффективных средств формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц является магнитное поле, что делает закономерным выбор в качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода источника магнитного поля.
На фиг.1 схематично изображен пример конструкции высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом, в котором предусмотрено устройство формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода.
Генератор содержит образующие газоразрядную камеру соосные друг другу полый катод 3 с открытой полостью и анод 4, расположенный напротив полости (замыкающий ее), вмонтированный в диэлектрический фланец 5, подключенную параллельно аноду и полому катоду электрическую нагрузку 6, источник питания 2, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему 7, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, а также устройство 7 формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода газоразрядной камеры. В качестве электрической нагрузки используется, как правило, антенная система. В качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока электронов (источника магнитного поля) можно использовать, например, установленный коаксиально с полым катодом и анодом соленоид, создающий магнитное поле вдоль оси газоразрядной камеры.
Генератор работает следующим образом. Производится откачка рабочего объема газоразрядной камеры до требуемого давления при помощи вакуумной системы 1. При подаче напряжения от источника питания 2 на электроды камеры 3, 4 происходит пробой газоразрядного промежутка и загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке 6, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Магнитное поле, генерируемое соленоидом 7, направлено вдоль оси газоразрядной камеры, а следовательно, сонаправлено с поступательным движением быстрых электронов по направлению к аноду. Направленное таким образом поле вынудит быстрые электроны дрейфовать вдоль оси камеры и воспрепятствует их движению к стенкам катода, то есть из совокупности достаточно хаотично движущихся быстрых электронов формируется слаборассеивающийся поток под воздействием электростатической силы, движущейся к аноду 4. Таким образом, магнитное поле содействует формированию плотного потока быстрых электронов вдоль оси камеры, что способствует дальнейшему развитию излучательной неустойчивости и соответственно стабильной работе генератора. На фиг.2 схематично изображен принцип создания потока электронов с помощью соленоида. Толстыми стрелками показаны начальные импульсы быстрых электронов, тонкими линиями - направления движения быстрых электронов под воздействием направленного вдоль оси камеры магнитного поля.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
-2
- давление воздуха в вакуумной камере (3÷8)·10 Top;
- полый катод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра с одной торцевой стенкой (длина цилиндра 50 мм, внутренний диаметр 30 мм);
- анод выполнен из нержавеющей стали в виде цилиндра диаметром 15 мм, анод расположен коаксиально с полым катодом на расстоянии 2 мм от его открытого торца;
- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой 2÷8 кВ;
-3
- в качестве источника магнитного поля используется 1000-витковый соленоид (из провода ПЭЛШО 0,25) внутренним диаметром 80 мм, длиной 115 мм; при поддерживаемом на концах соленоида токе 0,22 А внутри него создается магнитное поле 1,4·10 Тл.
В результате предложенного усовершенствования генератора экспериментально подтверждено повышение стабильности его работы за счет стабилизации во времени мощности каждого генерируемого импульса.