ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
HIGH-FREQUENCY PULSE GAS-DISCHARGE GENERATOR

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, при значениях давления разрядного газа, лежащих в определенном диапазоне, и при величинах плотности тока разряда, превышающих некоторое пороговое значение) 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 может достигать 100% от величины напряжения разряда.
Известны газоразрядные генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору [Булычев С.В., Вялых Д.В., Рубинов А.Е. и др. "Результаты исследований генераторов мощных ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом", Физика плазмы. 2009, т. 35, №11, с. 1019; Патент РФ 134697, опубл. 20.11.2013, бюл. №32, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., «Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом»], содержащие газоразрядную камеру, систему формирования газовой среды, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подсоединены к источнику питания. С помощью системы формирования газовой среды в камере устанавливается уровень давления рабочего газа, требуемый для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда с полым катодом. При подаче с источника питания на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в промежутке между полым катодом и анодом (газоразрядном промежутке) инициируется газовый разряд с полым катодом. Блок электрической нагрузки, содержащий электрическое сопротивление, включен между электродами газоразрядной камеры, то есть параллельно газоразрядной цепи. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрическом сопротивлении блока нагрузки, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
Несомненным достоинством ВЧ-генераторов данного типа, по сравнению с другими ВЧ-приборами, обеспечивающими аналогичные характеристики генерируемых ВЧ-импульсов, является их компактность.
При использовании генераторов данного типа в импульсно-периодических режимах с достаточно высокими частотами следования импульсов (сотни Гц и выше) и при долговременных включениях (десятки секунд и больше) в газоразрядной электрической цепи, основными элементами которой являются электроды газоразрядной камеры и газоразрядный промежуток между ними, потребляется весьма существенное количество энергии. Значительная часть этой энергии расходуется на нагревание электродов (зафиксированы случаи нагрева на многие сотни градусов °С). Тепловая энергия от электродов передается контактирующим с ними неметаллическим элементам конструкции генератора, таким, как изолятор между анодом и полым катодом, вакуумные уплотнители, разделительный конденсатор блока нагрузки (выполняющий роль ВЧ-фильтра). Сильный нагрев этих элементов может привести к их деформации (при плавлении пластмассы или резины) или механическому разрушению (при растрескивании керамики), что станет причиной функционального сбоя всего устройства и потребует ремонта либо замены генератора. При этом в атмосферный воздух, окружающий газоразрядную камеру, тепловая энергия, выделяющаяся на электродах, передается довольно низкими темпами, так как воздух обладает невысокой теплопроводностью.
Прототипом заявляемого устройства является газоразрядный генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом [С.В. Булычев, А.Е. Дубинов, Д.В. Вялых и др., Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов, ПТЭ, 2011, №5, с. 106-110]. Генератор содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, систему формирования газовой среды, а также источник питания и блок электрической нагрузки. Система формирования газовой среды сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры, включающим в себя полость катода и газоразрядный промежуток между электродами. Один из электродов газоразрядной камеры подсоединен к высоковольтной шине источника питания, другой - к нулевой шине. Блок нагрузки, содержащий электрическое сопротивление, включен между электродами газоразрядной камеры, контакт блока нагрузки с электродом, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода. Обратный токопровод представляет собой проводник с малым электрическим сопротивлением, выполненный в виде оболочки, внутри которой расположены электрод камеры, подсоединенный к высоковольтной шине источника питания, и промежуток между электродами. Пространство, заполненное атмосферным воздухом и заключенное между внутренними поверхностями обратного токопровода и внешними поверхностями электрода, подсоединенного к высоковольтной шине источника питания, является изолятором между ними. Система формирования газовой среды заполняет внутреннее пространство камеры рабочим газом, давление газа соответствует уровню, требуемому для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда в промежутке между катодом и анодом.
При подаче на электроды камеры импульса высокого напряжения от источника питания в промежутке между полым катодом и анодом инициируется газовый разряд с полым катодом. Разрядная цепь включает в себя электроды камеры и промежуток между ними (в этом промежутке горит газовый разряд), блок электрической нагрузки, элементы электрических соединений и обратный токопровод. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрическом сопротивлении блока нагрузки, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Выполнение обратного токопровода в виде оболочки, внутри которой размещены основные элементы разрядной цепи, значительно снижает индуктивное сопротивление газоразрядной цепи и позволяет существенно уменьшить паразитное рассеяние ВЧ-энергии, передаваемой в блок нагрузки (идея денной конструкции ВЧ-генератора, аналогичной конструкции коаксиального кабеля, содержащего центральную жилу и покрывающую ее оплетку-оболочку, обоснована в [Патенте РФ 2335032, опубл. 27.09.2008, бюл. №27, Булычев С.В., Вялых Д.В., Дубинов А.Е. и др., «Высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом»]).
Недостатком данной конструкции газоразрядного генератора является ограниченный межремонтный ресурс его функционирования в интенсивных (свыше 1000 Гц) импульсно-периодических режимах. Ограничение вызвано возможным выходом из строя элементов конструкции генератора вследствие их существенного нагрева при протекании тока через газоразрядную камеру.
Понизить степень нагрева газоразрядной камеры можно, увеличив эффективность темпов передачи тепловой энергии, выделяющейся на электродах газоразрядной камеры, в окружающую среду.
В устройстве-прототипе и других реализованных к настоящему времени ВЧ-генераторах охлаждающей средой для газоразрядной камеры является атмосферный воздух, окружающий ее. Скорость отбора тепла от электродов при этом невелика, так как воздух обладает низкой теплопроводностью. Повысить эффективность рассеяния в окружающую среду тепла, выделяющегося на электродах газоразрядной камеры, можно, используя в качестве охлаждающей среды теплоноситель со значением теплопроводности, гораздо большим, чем у воздуха. Предполагается размещение газоразрядной камеры в специальной емкости, содержащей охлаждающий теплоноситель. В этом случае тепловая энергия, выделяющаяся на электродах газоразрядной камеры при протекании через них тока, будет передаваться теплоносителю, окружающему электроды, во много раз быстрее, чем она передается атмосферному воздуху. Скорость рассеяния тепла при нагревании газоразрядной камеры существенно увеличится, что позволит избежать сильного нагрева элементов газоразрядной камеры. Применяемый в газоразрядном ВЧ-генераторе теплоноситель должен обладать сравнительно высокими теплопроводностью (для эффективного отбора тепла от нагреваемых элементов), теплоемкостью (для аккумуляции тепловой энергии без существенного увеличения температуры) и электропрочностью (для предотвращения электрического пробоя между элементами газоразрядной камеры, в процессе функционирования газоразрядного генератора находящимися под разными потенциалами).
-3
-3
В качестве охлаждающей среды газоразрядной камеры ВЧ-генератора целесообразным представляется использование жидкого диэлектрика. Известны и широко доступны к использованию жидкие диэлектрики, обладающие достаточно высокими электропрочностью и удельной теплоемкостью и, по сравнению с атмосферным воздухом, гораздо более высокой теплопроводностью. В качестве примера можно привести трансформаторное масло: его теплопроводность -120*10 Вт/(м*К), удельная теплоемкость - 1,67 кДж/(кг*К), пробивное напряжение - 200-250 кВ/см; для сравнения, у атмосферного воздуха теплопроводность 26*10 Вт/(м*К), пробивное напряжение 32 кВ/см, удельная теплоемкость 1,0 кДж/(кг*К) [Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.; Атомиздат. 1976. 1008 с.; Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др., под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.].
Принцип использования жидкого диэлектрика в качестве охлаждающего теплоносителя и изолирующей среды при эксплуатации электрических приборов известен - в ГОСТе 16110-82 «Трансформаторы силовые» особо выделены такие классы трансформаторов, как "Трансформатор с жидким диэлектриком", "Трансформатор с негорючим жидким диэлектриком" и "Масляный трансформатор".
Однако, применение в газоразрядных ВЧ-генераторах жидкого диэлектрика в качестве охлаждающей среды может существенно ухудшить такое важное для приборов данного типа качество, как компактность. Для того, чтобы газоразрядная камера была погружена в емкость с жидким диэлектриком-теплоносителем, габариты емкости должны превышать габариты газоразрядной камеры. Гак что включение в конструкцию ВЧ-генератора емкости с жидким диэлектриком, обладающей существенными габаритами, нарушит компактность устройства.
Технический результат изобретения заключается в увеличении ресурса работы газоразрядного генератора высокочастотных импульсов в интенсивных импульсно-периодических режимах за счет эффективного охлаждения нагреваемых элементов конструкции генератора при сохранении компактности устройства.
Технической проблемой изобретения является создание компактного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, обладающего высоким ресурсом работы в интенсивных импульсно-периодических режимах.
Требуемый технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, содержащего газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, систему формирования газовой среды, а также источник питания и блок электрической нагрузки, при этом система формирования газовой среды сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры, один из электродов газоразрядной камеры подсоединен к высоковольтной шине источника питания, другой - к нулевой шине, блок электрической нагрузки включен между электродами газоразрядной камеры, причем контакт блока нагрузки с электродом, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода, обратный токопровод представляет собой проводник с малым сопротивлением, выполненный в виде оболочки, внутри которой расположены электрод камеры, подсоединенный к высоковольтной шине источника питания, и промежуток между электродами, в предложенном генераторе пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки и внешними поверхностями » элементов газоразрядной камеры, расположенных внутри оболочки, организовано непроницаемым для жидкостей и заполнено жидким диэлектриком.
В частном случае в качестве жидкого диэлектрика используется трансформаторное масло.
В предложенной конструкции генератора охлаждающей средой, окружающей элементы газоразрядной камеры, является жидкий диэлектрик.
В устройстве-прототипе обратный токопровод, выполненный в виде оболочки, покрывающей элементы газоразрядной камеры, уменьшает индуктивное сопротивление газоразрядной цепи и тем самым позволяет избежать нежелательного рассеяния мощности ВЧ-импульсов, формируемых в газоразрядной камере и передаваемых в блок нагрузки. В заявляемом же устройстве, помимо данной функции, обратный токопровод выполняет также роль стенок емкости, содержащей жидкий диэлектрик. Объем, занимаемый емкостью, заключает в себе пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки и внешними поверхностями элементов газоразрядной камеры, расположенными внутри оболочки. Во избежание утечки жидкого диэлектрика из данной емкости проводящая оболочка и места присоединения оболочки к блоку нагрузки и к электроду, подсоединенному к нулевой шине, должны быть непроницаемы для жидкости (протечка жидкого диэлектрика во внутренний объем газоразрядной камеры исключается вакуумным уплотнением камеры). Данную проблему можно разрешить, предусмотрев оболочку сплошной, с уплотняемыми отверстиями под залив/слив жидкого диэлектрика и под шнур подключения электрода, находящегося внутри оболочки, к высоковольтной шине источника питания, а также предусмотрев уплотняемыми соединительные стыки оболочки к блоку нагрузки и к электроду, подсоединенному к нулевой шине.
Подобная модификация конструкции обратного токопровода и газоразрядной камеры не потребует изменения внешних габаритов газоразрядной камеры, при этом отпадет потребность включения в состав ВЧ-генератора емкости с жидким диэлектриком-теплоносителем для погружения в него газоразрядной камеры. То есть компактность устройства будет сохранена.
При работе ВЧ-генератора в интенсивных импульсно-периодических режимах и соответствующем интенсивном выделении тепла на электродах газоразрядной камеры жидкий диэлектрик, обладающий, по сравнению с воздухом, более высокой теплопроводностью и высокой удельной теплоемкостью, будет эффективно отбирать тепловую энергию от электродов, в свою очередь нагреваясь довольно слабо. Следовательно, значительно увеличатся темпы рассеяния тепловой энергии, выделяющейся на электродах газоразрядной камеры, и чрезмерного нагревания электродов и разрушения контактирующих с ними элементов конструкции прибора не произойдет. Таким образом, межремонтный ресурс ВЧ-генератора при работе в интенсивных импульсно-периодических режимах существенно увеличится при сохранении компактности устройства.
Пример конструкции газоразрядного генератора высокочастотных импульсов показан на чертеже. Генератор содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом 1 и анодом 2, разделенных изолятором 3, систему формирования газовой среды 4, а также источник питания 5 и блок электрической нагрузки 6. Система формирования газовой среды 4 сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры (включающем в себя катодную полость и промежуток между электродами 1 и 2). Источник питания 5 формирует на выходе импульсы напряжения отрицательной полярности. Полый катод 1 подсоединен к высоковольтной шине источника питания 5, анод 2 - к нулевой шине. Блок электрической нагрузки 6 содержит электрическое сопротивление и включен между электродами газоразрядной камеры, причем контакт блока нагрузки 6 с анодом 2, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода 7. Обратный токопровод 7 представляет собой проводник с малым сопротивлением, выполненный в виде оболочки, в конкретном случае - в форме полого цилиндра, внутри которого расположены полый катод 1 и газоразрядный промежуток между электродами 1 и 2. Пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки 7 и внешними поверхностями полого катода I и изолятора 3, расположенных внутри оболочки, организовано непроницаемым для жидкостей и заполнено жидким диэлектриком -трансформаторным маслом 8. В обратном токопроводе 7 предусмотрены уплотняемые отверстия под слив масла и под шнур подключения источника питания 5 к полому катоду 1. Стыки обратного токопровода с анодом и блоком нагрузки уплотнены.
Генератор работает следующим образом. Система формирования газовой среды 4 заполняет внутреннее пространство газоразрядной камеры рабочим газом, давление газа соответствует уровню, требуемому для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда в промежутке между катодом 1 и анодом 2. При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса напряжения от источника питания 5 в промежутке между полым катодом 1 и анодом 2 инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения в блоке нагрузки 6, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.
В ВЧ-энергию трансформируется лишь часть энергии источника питания 5, потребляемой разрядной цепью. Значительная доля энергии источника питания переходит в тепловую энергию, затрачиваемую в основном на нагрев электродов газоразрядной камеры. Количество тепловой энергии тем выше, чем выше частота следования подачи импульсов напряжения на электроды газоразрядной камеры и, соответственно, чем выше частота актов разряда в газоразрядной камере. Однако в предложенной конструкции генератора благодаря тому, что выделившееся на электродах тепло эффективно передается окружающему их трансформаторному маслу, и существенная часть тепла расходуется на нагрев трансформаторного масла, по сравнению с устройством-прототипом степень нагрева элементов ВЧ-генератора гораздо меньше. Соответственно, тем выше межремонтный ресурс работы генератора в интенсивных импульсно-периодических режимах.
Генератор в конкретном исполнении может иметь следующие параметры и характеристики:
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, диаметр поперечного сечения катодной полости 25 мм, протяженность полости 50 мм, внешний диаметр катода 40 мм.
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра, диаметр полости 25 мм.
- Обратный токопровод выполнен из алюминиевой трубки внешним диаметром 60 мм, внутренним диаметром 54 мм.
- В качестве жидкого диэлектрика используется масло трансформаторное Т-750.
-1
- Система формирования газовой среды включает в себя откачивающее устройство и баллон с элегазом. Внутреннее пространство газоразрядной камеры посредством системы формирования газовой среды заполняется элегазом до давления порядка 10 Тор.
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы отрицательного напряжения амплитудой 3÷5 кВ с частотой следования до 10 кГц.
- Блок нагрузки включает в себя разделительный конденсатор, выполняющий роль ВЧ-фильтра, и излучающую антенну сопротивлением 50 Ом.
Сравнительные испытания газоразрядных генераторов предложенной конструкции и конструкции прототипа в интенсивных режимах работы при одинаковых условиях показали, что темп нагрева элементов генератора новой конструкции замедляется в несколько раз по сравнению с устройством-прототипом. При этом внешние габариты обоих генераторов практически равны.
Таким образом, требуемый технический результат - увеличение межремонтного ресурса газоразрядного генератора при работе в интенсивных импульсно-периодических режимах и при сохранении компактности прибора - будет достигнут при выполнении устройства согласно предложенному техническому решению.