ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

Устройство относится к высокочастотной технике и может быть использовано при формировании импульсов 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, при горении разряда в определенном диапазоне давлений и при превышении плотностью тока разряда определенного значения) в процессе его развития происходит модуляция разрядного напряжения 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., Садовой С.А., Селемир В.Д. Генератор мощных высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом // ПТЭ. - 2005. - №1. - С.86), содержащие газоразрядную камеру, вакуумную систему, источник питания и электрическую нагрузку. Вакуумная система создает и поддерживает необходимое давление в газоразрядной камере, образованной полым катодом и изолированным от него анодом, подключенными к источнику питания. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке между 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.
Такой генератор обладает практически бесконечным рабочим ресурсом, то есть его срок службы и общее количество генерируемых ВЧ-импульсов не ограничиваются практически никакими условиями, кроме условий физической сохранности элементов генератора. Однако среди многочисленных возможных применений генераторов такого типа есть и такие, которые не требуют длительного ресурса работы (по количеству генерируемых ВЧ-импульсов), зато предполагают высокую мобильность генератора, а значит, накладывают достаточно жесткие ограничения на вес и габариты прибора. С этой точки зрения описанная выше конструкция генератора в конкретном исполнении имеет существенные недостатки: ее габаритные характеристики достигают нескольких метров, а общий вес установки составляет многие десятки килограмм. При этом наибольший вклад по весу и габаритам установки вносят источник питания и вакуумная система. К тому же для функционирования этих элементов необходима электрическая энергия, что делает неотъемлемым условием работы генератора наличие либо внешней электрической сети (что сильно ограничивает мобильность генератора), либо мощных аккумуляторов электрической энергии (которые имеют значительные габариты и массу).
Таким образом, недостатком описанного выше генератора является его низкая мобильность вследствие значительных весовых и габаритных характеристик.
Прототипом заявляемого генератора является высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом (Дубинов А.Е., Львов И.Л., Садовой С.А., Селемир В.Д. Вялых Д.В. Мощный импульсный высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом // Известия вузов. Радиофизика. - 2006. - Т.49. - №4. - С.300), содержащий газоразрядную камеру, образованную полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, источник электропитания (функциональный узел электропитания газоразрядной камеры), к которому подключены электроды газоразрядной камеры, и вакуумную систему (функциональный узел поддержания давления в газоразрядной камере). К аноду и полому катоду параллельно подключена электрическая нагрузка.
С помощью вакуумной системы в газоразрядной камере поддерживается давление в определенном диапазоне (зависящем от геометрических параметров полого катода), за пределами которого при зажигании разряда генерации ВЧ-импульсов не происходит. 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.
Подобно аналогу генератор-прототип в конкретном исполнении имеет габаритные характеристики до нескольких метров, а общий вес установки составляет многие десятки килограмм, что существенно ограничивает его функциональные возможности. При этом наибольший вклад по весу и габаритам установки вносят источник питания и вакуумная система.
То есть, недостатком прототипа также следует считать его низкую мобильность, являющуюся следствием его значительных весовых и габаритных характеристик.
Задачей полезной модели является создание мобильного высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом.
Технический результат заключается в расширении возможностей применения генератора за счет значительного снижения его весовых и габаритных характеристик.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным генератором высокочастотного излучения 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, функциональный узел электропитания газоразрядной камеры, к которому подключены электроды газоразрядной камеры, функциональный узел поддержания давления в газоразрядной камере, параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом устройстве генератор является портативным за счет выполнения по крайней мере одного из функциональных узлов компактным.
Генератор ВЧ-излучения может отличаться тем, что компактный узел обладает возможностью автономного функционирования в составе генератора.
В частном варианте исполнения в ВЧ-генераторе компактность функционального узла электропитания газоразрядной камеры может быть обеспечена тем, что в качестве источника электропитания использован взрывной пьезогенератор.
В частном варианте исполнения в ВЧ-генераторе компактность функционального узла поддержания давления в газоразрядной камере может быть обеспечена посредством использования отпаянной конструкции газоразрядной камеры.
Обеспечение портативности генератора (способности к легкому передвижению с одного места на другое) путем выбора влияющих на его подвижность составляющих, а именно: в части, касающейся функциональных узлов электропитания газоразрядной камеры и поддержания давления в газоразрядной камере, обусловлено следующими причинами.
Особенность генератора, являющегося прототипом заявляемого устройства, состоит в том, что он является стационарным и предназначен для использования в качестве источника практически неограниченного количества импульсов ВЧ-энергии. Следствием этого условия является обязательная возможность относительно легкой разборки газоразрядной камеры, так как после генерации определенного количества ВЧ-импульсов (то есть после определенного количества разрядов в камере) поверхности электродов (анода и катода) камеры достаточно сильно обгорают и для эффективного функционирования требуют чистки. Необходимость легкой разборки газоразрядной камеры, в свою очередь, является условием обязательного наличия в вакуумной системе откачивающего устройства и, как правило, балластного объема, предназначенного для уменьшения скорости натекания газа в откачиваемый объем за счет неплотностей. Объясняется это следующими причинами. Во-первых, после каждой разборки (для которой необходимо напускание в камеру атмосферного давления) требуется откачка камеры до необходимого для работы генератора давления. Во-вторых, обратной стороной легкости разборки камеры является, как правило, се низкая герметичность, и в результате натекания воздуха извне со временем давление газа в газоразрядной камере выходит за рамки рабочего диапазона давлений, так что становятся необходимыми как дополнительная откачка камеры, так и контроль за скоростью натекания в откачиваемый объем за счет неплотностей (для чего в вакуумную систему устанавливается дополнительный балластный объем, обладающий значительными габаритами по сравнению с газоразрядной камерой). А в случае, когда в качестве рабочего газа используется не воздух, натекание из атмосферы воздуха может существенно изменить химический состав рабочего газа, что также приведет к неработоспособности генератора. Вследствие этих условий для функционирования генератора-прототипа необходимо постоянное подключение газоразрядной камеры к вакуумной системе, вес и габариты которой значительно превышают вес и габариты самой газоразрядной камеры.
Однако, если ресурс работы генератора не предполагает значительного количества генерируемых ВЧ-импульсов, что характерно для решаемой задачи, то условие легкости разборки камеры перестает быть определяющим. Это значительно облегчит выполнение условия высокой герметичности газоразрядной камеры, вследствие соблюдения которого теряется необходимость постоянного наличия в вакуумной системе откачивающего устройства и балластного объема, что в оптимальном варианте дает возможность выполнения газоразрядной камеры неразборной, например, отпаянной. Следствием этого является выполнение узла поддержания давления в газоразрядной камере компактным (плотным, тесно расположенным, занимающим мало места), что позволит значительно сократить весовые и габаритные характеристики генератора и обеспечить портативность устройства.
Еще одной возможностью уменьшить вес и габариты генератора является использование компактного и легкого узла электропитания газоразрядной камеры (источника питания), не требующего непосредственного подключения к электросети (автономность), например, малогабаритного взрывного пьезогенератора (см. например, Прищепенко А.Б. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. - 2008; Новицкий Е.З., Садунов В.Д., Карпенко Г.Я. Поведение сегнетоэлектриков в ударных волнах // Физика горения и взрыва, - 1978, - №4, - с.115). Таким образом, путем выполнения обоих узлов компактными обеспечена портативность генератора.
Автономность функционирования узлов дополнительно расширит возможности использования генератора за счет его мобильности.
На фиг. показан пример конструкции мобильного ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом.
Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. Параллельно полому катоду и аноду подключена электрическая нагрузка 4, тип которой зависит от целей использования ВЧ-генератора. Как правило, в качестве электрической нагрузки используется система излучения генерируемых ВЧ-импульсов в пространство. В качестве подключенного к электродам источника питания используется взрывной пьезогенератор 5. Газоразрядная камера выполнена отпаяной.
ВЧ-генератор работает следующим образом. При инициировании взрывного пьезогенератора 5 управляющим сигналом он генерирует импульс электроэнергии, поступающий на электроды 1,2 газоразрядной камеры. В результате в газоразрядной камере загорается газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются источником ВЧ-энергии, выделяющейся на электрической нагрузке 4.
По сравнению с прототипом весовые и габаритные характеристики уменьшены в несколько десятков раз. Габариты узла электропитания при использовании взрывного пьезогенератора составляют порядка десятков сантиметров, вес узла электропитания составляет порядка нескольких килограмм. Обеспечение функционирования узла поддержания давления посредством использования отпаянной конструкции газоразрядной камеры позволило сократить размеры ВЧ-генератора на несколько метров, а его массу - на несколько десятков килограмм. Все это обеспечило портативность генератора, что расширило возможности его использования за счет мобильности.