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 (при определенных геометрических параметрах катодной полости, при значениях давления разрядного газа, лежащих в определенном диапазоне, и при превышении определенного порог а плотности тока разряда) в процессе его развития происходит ВЧ-модуляция разрядного напряжения [Arbel D., Bar-Lev Z., Felsteiner J., Rosenberg A., Slutsker Ya. Z. ʺCollisionless Instability of the Cathode Sheath in a Hollow-Cathode Dischargeʺ, Physical Review Letters. 1993. V. 71. №18. Р. 2919].
Известны генераторы ВЧ-импульсов (ВЧ-генераторы) на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору (например, Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов Л.Е., Жданов B.C., 20.11.2012, бюл. №32]), содержащие газоразрядную камеру, к электродам шторой, полому катоду и аноду, подключены источник питания и электрическая нагрузка. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модудяций 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.
Многие возможные применения ВЧ-генераторов данного типа требуют генерации импульсов мощности больших значений, чем достигнутые к настоящему времени. Мощность генерируемых ВЧ-импульсов зависит от мощности высоковольтных импульсов питания, подаваемых на электроды газоразрядной камеры. Однако путь увеличения мощности ВЧ-импульсов за счет повышения величины напряжения питания имеет достаточно серьезные ограничения применимости, так как может привести к изменению формы разряда с полым катодом и. как следствие, к прекращению функционирования генератора.
Одним из способов увеличения мощности ВЧ-импульсов, генерируемых приборами данного типа, является использование в генераторе двух и более газоразрядных камер или газоразрядных промежутков. При суммировании двух или нескольких одновременно формируемых импульсов, представляющих собой гармонические ВЧ-колебания, амплитуда результирующего ВЧ-сигнала будет выше, чем амплитуда сигнала, генерируемого в единичной камере. Однако для этого фазы ВЧ-колебаний в каждой из камер должны незначительно отличаться друг от друга, в противном случае при сложении импульсов результирующая амплитуда может увеличиться незначительно, либо вообще уменьшиться.
Способы добиться синфазности двух и более ВЧ-сигналов, формируемых газоразрядными камерами ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом, известны [Патент РФ 2462783, 27.09.2012, бюл. №27; Патент РФ 145556, 27.02.2014, бюл. №26], однако их реализация не всегда эффективна, так как предполагает существенное усложнение конструкции или увеличение массогабаритных характеристик ВЧ-генератора.
Прототипом заявляемого устройства является генератор ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом [S.V. Bulychev, А.Е. Dubinov, I.L. L'vov et. al., Autonomous portable pulsed-periodical generator of high-power radiofrequency-pulses based on gas discharge with hollow cathode // Review of Scientific Instruments, 2016, vol. 87 (5), 054707], содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, подсоединенная к газоразрядной камере через согласующий трансформатор сопротивлений, представляющий собой резонансную линию. 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. Согласующий трансформатор сопротивлений выполняет функцию согласования внутреннего сопротивления генератора с сопротивлением нагрузки, с целью предотвратить появление отраженных волн и искажения ВЧ-импульса. В конкретном исполнении согласующий трансформатор сопротивлений представляет собой четвертьволновый трансформатор на отрезке длинной линии [Власов В.Ф., Курс радиотехники. М. - Л., Госэнергоиздат, 1960; Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков A.И., Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005; Зернов Н.В., Карпов В.Г., Теория радиотехнических цепей. М., Энергия. 1972]. Длина отрезка равняется четверти длины волны колебаний генерируемого ВЧ-импульса, а волновое сопротивление длинной линии равняется квадратному корню из произведения внутреннего сопротивления газоразрядной камеры и сопротивления нагрузки ВЧ-генератора. Четвертьволновый трансформатор представляет собой резонансную линию и является колебательным контуром [Румянцев К.Е., Землянухин П.А., Окорочков А.И., Радиотехнические цепи и сигналы, М., Издательский центр «Академия», 2005]. При указанном условии равенства длины отрезка длинной линии четверти длины волны колебаний генерируемого ВЧ-импульса резонансная частота четвертьволнового трансформатора совпадает с частотой ВЧ-импульса. При передаче ВЧ-импульса, инициируемого в газоразрядной камере, в четвертьволновый трансформатор в нем, как в колебательном контуре, возбуждаются колебания с резонансной частотой, то есть с частотой ВЧ-импульса. Таким образом, передаваемый в нагрузку ВЧ-импульса инициируемого в газоразрядной камере, окончательно формируется в согласующем трансформаторе сопротивлений.
Недостатком описанных выше приборов следует считать невысокий уровень энергии генерируемых ВЧ-импульсов.
Идея заявляемого технического решения состоит в том, чтобы при использовании в ВЧ-геиераторе двух или нескольких газоразрядных камер добиваться синфазности не ВЧ-импульсов, инициируемых в газоразрядных камерах, а импульсов, формируемых в подключенных к каждой камере согласующих трансформаторах сопротивлений.
Технической проблемой генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом является повышение энергии генерируемых ВЧ-импульсов.
Технический результат заключается в повышении мощности формируемых генератором высокочастотных импульсов.
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, подсоединенная к газоразрядной камере через согласующий трансформатор сопротивлений, представляющий собой резонансную линию, заявляемое устройство дополнено, по меньшей мере, еще одной подключенной к источнику питания аналогичной газоразрядной камерой с идентичными геометрическими размерами, к этой камере через соответствующий ей согласующий трансформатор сопротивлений, представляющий собой резонансную линию, подсоединена электрическая нагрузка, причем резонансные частоты у всех согласующих трансформаторов сопротивлений, входящих в состав генератора, совпадают, при этом все согласующие трансформаторы сопротивлений имеют между собой электромагнитную связь.
Так как геометрические размеры газоразрядных камер, входящих в состав ВЧ-генератора, идентичны, то частоты ВЧ-колебаний разрядного напряжения, инициируемых в камерах, приблизительно равны (частота ВЧ-колебаний определяется геометрическими размерами катодной полости и газоразрядного промежутка между электродами газоразрядной камеры, [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]). Согласующий трансформатор сопротивлений генератора ВЧ-импульсов, представляющий собой резонансную линию, является колебательным контуром с резонансной частотой, равной частоте генерации ВЧ-генератора. Так как резонансные частоты всех согласующих трансформаторов сопротивлений, входящих в состав генератора, совпадают, то, при одновременном инициировании электромагнитных ВЧ-импульсов в каждой из газоразрядных камер, во всех согласующих трансформаторах сопротивлений одновременно возникнут ВЧ-колебания с одинаковой частотой, но со случайными фазами, по всей видимости, не совпадающими между собой. Эти согласующие трансформаторы сопротивлений имеют между собой электромагнитную связь, благодаря которой электромагнитные колебания из одного согласующего трансформатора сопротивлений могут передаваться в другие согласующие трансформаторы сопротивлений. Эта электромагнитная связь позволит осуществить взаимную подстройку фаз колебаний в разных согласующих трансформаторах сопротивлений, представляющих собой резонансные линии.
Если, например, между двумя резонансными линиями, в которых одновременно возбуждаются колебания с одинаковой частотой, но с разными фазами, имеется электромагнитная связь, то колебания в первой резонансной линии будут передаваться во вторую линию, и наоборот. Колебания из первой линии будут возбуждать во второй линии колебания, по всей вероятности., с фазой, отличной от фазы исходных колебаний во второй линии. Эти два колебания во второй резонансной линии, исходное и возбужденное колебаниями в первой линии, сложатся, и фаза результирующих колебаний будет ближе к фазе колебаний в первой резонансной линии, чем исходная во второй. Одновременно и колебания из второй резонансной линии, передаваемые в первую, также вызовут смещение фазы результирующих колебаний в первой резонансной линии. Таким образом, по причине взаимного влияния колебаний в первой и во второй резонансных линиях друг на друга произойдет установление в обеих резонансных линиях колебаний с одинаковой или с практически совпадающей фазой. Сложение этих колебаний с двух резонансных линий даст результирующие колебания с амплитудой, существенно большей, чем амплитуда колебаний, инициированных единичной газоразрядной камерой в единичной резонансной линии. Аналогичные рассуждения можно провести для большего количества газоразрядных камер и резонансных линий.
Таким образом, организация электромагнитной связи между согласующими трансформаторами сопротивлений позволит добиться синфазности всех ВЧ-пмпульсов. формируемых в трансформаторах сопротивлений, а, следовательно, увеличения амплитуды результирующих, сложенных колебаний в количество раз, соответствующее количеству всех согласующих трансформаторов, входящих в состав ВЧ-генератора. Мощность результирующего ВЧ-импульса возрастет соответственно, следовательно, будет достигнуто решение поставленной технической проблемы увеличения ВЧ-мощности. Для одновременного инициирования ВЧ-импульсов в каждой из газоразрядных камер возможно использование как индивидуального источника питания для каждой газоразрядной камеры, при условии, что подача на электроды всех камер высоковольтных импульсов питания со всех источников питания происходит строго одновременно, так и единою для всех камер источника питания, в этом случае при включении источника питания высоковольтный импульс питания с него подается на электроды всех газоразрядных камер одновременно. Можно использовать как различные нагрузки для каждой газоразрядной камеры и соответствующего ей согласующего трансформатора сопротивлений, так и единую нагрузку для генератора в целом, ко входу которой будут подключены выходы всех четвертьволновых трансформаторов сопротивлений.
Пример конструкции ВЧ-геиератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом содержит две аналогичные газоразрядные камеры с идентичными геометрическими размерами, каждая камера образована полым катодом 1 и анодом 2, разделенных изолятором 3, к электродам камер подключены источник питания 4 и электрические нагрузки 5, подсоединенные к газоразрядным камерам через соответствующие согласующие трансформаторы сопротивлений 6, представляющие собой резонансные линии - четвертьволновые трансформаторы на отрезках длинных линий. Длины отрезков длинных линий, являющихся основой трансформаторов сопротивлений, равны между собой и равны четверти длины волны колебаний генерируемых ВЧ-импульсов, так что резонансная частота четвертьволновых трансформаторов равняется частоте ВЧ-импульсов, инициируемых в газоразрядных камерах. Волновое сопротивление длинной линии, из отрезка которой изготовлены четвертьволновые трансформаторы, равняется квадратному корню из произведения внутреннего сопротивления газоразрядной камеры (определяемого эмпирически как примерно 3 Ома) и сопротивления нагрузки 5. Согласующие трансформаторы сопротивлений 6 имеют между собой электромагнитную связь путем их электрического соединения отрезком длинной линии 7, длина отрезка выбрана равной четверти длины волны колебаний генерируемых ВЧ-импульсов. Волновое сопротивление длинной линии, отрезок которой выполняет функцию электромагнитной связи между четвертьволновыми трансформаторами, существенно выше волнового сопротивления длинной линии, из отрезка которой изготовлены четвертьволновые трансформаторы, чтобы, по возможности, уменьшить влияние волнового сопротивления связывающего отрезка на волновое сопротивление четвертьволновых трансформаторов.
Устройство работает следующим образом. При подаче на электроды 1, 2 газоразрядных камер высоковольтного импульса питания с источника питания 4 в камерах загораются газовые разряды с полым катодом. ВЧ-составляющие которых через согласующие трансформаторы сопротивлений 6 передаются в нагрузки 5, Частоты ВЧ-колебаний от разных камер равны, так как геометрические размеры камер идентичны. Фазы колебаний, поступающих в согласующие трансформаторы сопротивлений 6, могут отличаться, но, благодаря предусмотренной электромагнитной связи между трансформаторами, происходит взаимная подстройка фаз. Следовательно, на нагрузки 5 поступают близкие по фазе колебания, при сложении которых амплитуда результирующего ВЧ-импульса будет гораздо выше амплитуды колебаний с единичной камеры.
Таким образом, мощность ВЧ-импульса (определяемая его амплитудой), формируемого генератором заявляемой конструкции, будет выше но сравнению с импульсом, формируемым генератором-прототипом.
В конкретном исполнении устройство имеет следующие характеристики:
- полые катоды газоразрядных камер выполнены из нержавеющей стали в виде полого цилиндра с одной торцевой стенкой, длина полости 50 мм, внутренний диаметр полости 25 мм;
- анод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра, диаметр полости 25 мм;
- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой до 5 кВ;
- рабочим газом газоразрядной камеры является дейтерий, уровень давления дейтерия в газоразрядной камере порядка 0,1 Торр;
- сопротивление нагрузок равняется 50 Ом:
- четвертьволновые трансформаторы изготовлены из отрезков коаксиального кабеля волновым сопротивлением 12 Ом, длина отрезков равна 37,5 см:
- электромагнитная связь между четвертьволновыми трансформаторами предусмотрена путем соединения их отрезком длинной линии волновым сопротивлением 50 Ом, длина отрезка равна 37,5 см.
Предварительные исследования генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, выполненного согласно описанной конструкции, показали возможность генерации результирующего ВЧ-импульса мощностью в 1,8 раза выше, чем при использовании устройства-прототипа. Таким образом, выполнение ВЧ-генератора согласно отличительным признакам позволяет решить поставленную техническую проблему и добиться требуемого технического результата.