ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
HIGH-FREQUENCY PULSES GENERATOR BASED ON HOLLOW CATHODE DISCHARGE

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 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 A., Slutsker Ya. Z "Collisionless Instability of the Cathode Sheath in a Hollow-Cathode Discharge", Physical Review Letters. 1993. V. 71. №18. P. 2919], при этом амплитуда ВЧ-модуляций напряжения разряда может достигать 100% от величины напряжения разряда.
Известны генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному генератору (например, [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, образованную полым катодом и изолированным от него анодом. Электроды камеры подключены к источнику питания. 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. 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. К настоящему времени реализованы генераторы на основе разряда с полым катодом, в которых ВЧ-генерация происходит на частотах от 10 до 400 МГц, Частотные спектры ВЧ-импульсов, формируемых генераторами данного типа, как правило, являются достаточно узкими - их ширина не превьгшает самое большее нескольких МГц.
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С., 20.11.2012, бюл. №32], содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания. Электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. 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 ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. В данном варианте конструкции анод выполнен полым с целью снижения среднестатистического времени пробоя между электродами камеры, следствием чего является повышение стабильности частоты следования ВЧ-импульсов, формируемых генератором при функционировании его в импульсно-периодическом режиме.
В реализованных к настоящему времени приборах данного типа катодные полости имеют цилиндрическую форму, при этом основание цилиндра обращено к аноду. Частота ВЧ-импульсов, формируемых генераторами на основе разряда с полым катодом, зависит, в основном, от геометрических характеристик катодной полости [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], то есть, в первую очередь, от диаметра цилиндра. Практически во всех созданных к настоящему времени генераторах такого типа формируемые ВЧ-импульсы представлены гармоническими составляющими, заключенными в узких полосах частот, то есть частотные спектры ВЧ-импульсов являются узкими.
Однако в некоторых областях применения ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом узкий частотный спектр может являться недостатком - требуется как можно более широкий частотный спектр генерации (пусть и в ущерб мощности генерации). Таким образом, встает задача разработки конструкции генераторов, обладающих широким частотным спектром генерации.
Технической проблемой является создание генератора, высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, формирующего ВЧ-импульсы с широким частотным спектром генерации.
Техническим результатом является увеличение ширины частотного спектра ВЧ-импульсов, генерируемых ВЧ-генератором на основе разряда с полым катодом, за счет изменения формы катодной полости.
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, в предложенном генераторе полость выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение.
В частном варианте реализации полость катода имеет коническую форму.
Как указано выше, принцип действия генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом основан на ВЧ-модуляции разрядного напряжения при горении так называемого «разряда с полым катодом» [Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, - М.: Энергия, 1969; Райзер Ю.П., Физика газового разряда, - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009]. Разряд с полым катодом характеризуется тем, что электроны, вылетающие с поверхности катодной полости, не летят прямо к аноду, а, двигаясь к нему поступательно, совершают многократные колебательные движения в плоскостях поперечных сечений катодной полости (т.е., в плоскостях, секущих катодную полость под прямым углом к продольной оси полости). Согласно экспериментальным исследованиям авторов, частота модуляции разрядного напряжения, определяющая частотный спектр генерации, зависит от частоты колебаний электронов в плоскости поперечного сечения полости катода. Частота же колебаний электронов в плоскости поперечного сечения катодной полости имеет зависимость от длины траектории колебательных движений, совершаемых электронами. В свою очередь, длина траектории колебательных движений напрямую связана с геометрическими размерами поперечного сечения полости катода, в частности, с его площадью.
Наиболее тривиальной формой катодной полости, как указано выше, является цилиндрическая - поперечные сечения имеют форму окружности постоянного диаметра относительно продольной оси, то есть площадь поперечного сечения постоянна относительно продольной оси катодной полости. Таким образом, в данной конструкции частота колебаний электронов в плоскостях поперечного сечения катодной полости постоянна, и генератор формирует ВЧ-импульс представленный гармоническими составляющими, заключенными в узкой полосе частот.
Но если полость катода будет выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение (площадь поперечного сечения полости в разных секущих плоскостях различна), колебания электронов в плоскостях поперечного сечения катодной полости будут происходить на разных частотах, то есть частотный спектр импульса будет занимать гораздо более широкую полосу частот.
Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Газоразрядная камера генератора образована электродами - полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. К электродам камеры подключены источник питания 4 и электрическая нагрузка 5. Полость катода выполнена в конической форме.
ВЧ-генератор работает следующим образом. В газоразрядной камере поддерживается уровень давления рабочего газа, требуемый для зажигания газового разряда между электродами данной конфигурации. При запуске источника питания 4 на электроды газоразрядной камеры подается импульс напряжения. В камере инициируется газовый разряд с полым катодом, напряжение разряда промодулировано по ВЧ-частоте. ВЧ-колебания разрядного напряжения передаются в нагрузку 5 (в качестве нагрузки может использоваться система излучения или резистивное сопротивление). Так как полость катода 1 выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение - выполнена в конической форме, длины траекторий колебательных движений электронов в разных плоскостях поперечных сечений различны (на фиг. траектории колебательных движений электронов в различных сечениях относительно продольной оси катодной полости схематично показаны линиями со стрелками), колебания электронов в зависимости от их положения относительно продольной оси полости происходят на разных частотах. Следствием этого является то, что спектр формируемого импульса содержит в себе множество частот, то есть является широким по сравнению с прототипом.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме усеченного полого конуса с одной открытой торцевой стенкой, являющейся основанием конуса, протяженность полости 50 мм, диаметр основания конуса 25 мм, диаметр дна полости 15 мм.
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра диаметром 25 мм.
-1
- Газоразрядная камера заполнена воздухом или аргоном при давлении порядка 10 Тор,
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 3÷5 кВ.
Согласно результатам пробных экспериментальных исследований, спектр частот ВЧ-импульеа генератора на основе разряда с полым катодом, выполненного в соответствии с указанными условиями, имеет ширину 40 МГц (от 110 до 150 МГц), в то время как в генераторе-прототипе, при использовании катода с полостью в форме цилиндра основанием 25 мм, высотой 50 мм. спектр частот ВЧ-импульеа имеет ширину 2 МГц (от 118 до 120 МГц).
Таким образом, ширина спектра импульса, сформированного генератором, реализованным согласно заявляемому техническому решению, гораздо шире, чем ширина спектра импульса, сформированного генератором-прототипом, за счет изменения формы катодной полости, то есть требуемый технический результат можно считать достигнутым.