ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ
GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY EMISSION BASED ON DISCHARGE WITH HOLLOW CATHODE

Устройство относится к высокочастотной технике и может быть использовано при создании источников высокочастотного (ВЧ) электромагнитного излучения.
Газовый 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 давлении разрядного газа, лежащем в определенном диапазоне, и при превышении плотностью тока разряда определенного значения) 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).
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 полый катод и изолированный от него анод, образующие газоразрядный промежуток и подключенные к источнику питания. При подаче на электроды импульса напряжения в газоразрядном промежутке, 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.
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 расположен газоразрядный промежуток, образованный полым катодом и изолированным от него анодом, полый катод и анод подключены к источнику питания, и вакуумную систему. Полость катода обращена в сторону замыкающего эту полость анода. К аноду и полому катоду параллельно подключена электрическая нагрузка.
С помощью вакуумной системы в газоразрядной камере поддерживается необходимый уровень давления рабочего газа. При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в газоразрядном 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.
Особенностью функционирования генераторов данного типа является обратная зависимость длительности генерируемых ВЧ-импульсов генерации от амплитуды (зависящей от величины питающего напряжения), определяющей мощность ВЧ-излучения. Причина такой зависимости определяется физическими процессами, происходящими в газоразрядной камере генератора. Принципиальное изменение такой зависимости представляется весьма затруднительным. Это обстоятельство накладывает ограничение на величину генерируемой ВЧ-энергии (которая прямо зависит как от длительности, так и от мощности ВЧ-импульса).
Таким образом, недостатком описанных выше приборов следует считать невысокий уровень энергии генерируемого излучения.
Задачей заявляемого технического решения является создание генератора высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом с высокими значениями энергии генерируемого излучения.
Технический результат заключается в повышении мощности излучаемого генератором высокочастотного электромагнитного излучения.
Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным генератором высокочастотного излучения на основе газового разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, в камере предусмотрен газоразрядный промежуток, образованный анодом и полым катодом, при этом катод обращен открытой полостью в сторону изолированного от него анода; источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры; вакуумную систему, соединенную с камерой, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе в газоразрядной камере предусмотрен по меньшей мере один дополнительный газоразрядный промежуток, источник питания обеспечивает синхронную подачу разности потенциалов на электроды газоразрядной камеры, а газоразрядные промежутки соединены посредством вакуумных каналов, обеспечивающих возможность транспортировки заряженных частиц из одной газоразрядной камеры в другие.
Для обеспечения достижения оптимального с точки зрения заявляемого результата варианта между полостями должны быть предусмотрены как можно более прямые и короткие вакуумные каналы. Для этого:
- в газоразрядной камере генератора газоразрядные промежутки могут быть соединены посредством вакуумных каналов, имеющих конструктивно минимально возможную длину;
- в частности, в газоразрядной камере генератора газоразрядные промежутки могут быть выполнены смежными;
- в газоразрядной камере генератора газоразрядные промежутки соединены посредством вакуумных каналов, имеющих конструктивно минимально возможное количество изгибов.
Принцип увеличения мощности в патентуемом устройстве заключается в том, чтобы передавать в нагрузку ВЧ-импульсы, формирующиеся в разрядных цепях нескольких (а не одного, как в прототипе) газоразрядных промежутков. Сложение нескольких ВЧ-сигналов, обладающих пусть и невысокой энергией, позволит получить результирующий сигнал, энергия которого будет существенно выше.
Однако для того, чтобы реализовать сложение нескольких синусоидальных сигналов, необходимо преодолеть ряд достаточно серьезных трудностей. Первая из них заключается в том, что даже при строго одновременной подаче разности потенциалов на электроды всех газоразрядных промежутков вероятность того, что инициирование разрядов во всех промежутках будет одновременным, очень низка (межэлектродный пробой, предшествующий разряду, - процесс вероятностный во времени, так что момент начала разряда есть также величина вероятностная, и разница по времени между моментами начала разряда в разных промежутках может существенно превышать длительность ВЧ-импульса). Вторая трудность - для получения результирующего сигнала, амплитуда которого равнялась бы сумме амплитуд складываемых сигналов, необходимо, чтобы складываемые сигналы были синфазными. Таким образом, для решения поставленной задачи необходимо реализовать синхронность и синфазность ВЧ-импульсов всех газоразрядных промежутков.
Это возможно сделать обеспечив плазменную связь между газоразрядными промежутками. При инициировании разряда в каком-либо из промежутков в нем образуется газоразрядная плазма. Элементы плазменного образования, проникнув в другие газоразрядные промежутки, повысят степень ионизации в них и, следовательно, существенно увеличат вероятность инициирования в этих промежутках пробоя. Таким образом, возникновение разряда в одном из газоразрядных промежутков приведет к практически одновременному возникновению разряда в других промежутках. Высокочастотные плазменные колебания (являющиеся причиной возникновения ВЧ-колебаний разрядного напряжения), передаваемые плазменными образованиями, выполнят также функцию вынуждающих колебаний плазмы в других промежутках, тем самым будет реализована синфазность ВЧ-колебаний плазмы во всех газоразрядных промежутках.
Следовательно, для решения поставленной задачи необходимо обеспечение возможности взаимопроникновения плазменных образований во все газоразрядные промежутки. Это условие предполагается соблюсти обеспечив соединение газоразрядных промежутков посредством вакуумных каналов, обеспечивающих возможность транспортировки заряженных частиц (из которых состоят плазменные образования) из одного газоразрядного промежутка в другие.
На фиг. схематично изображен предполагаемый вариант конструкции устройства, в котором реализуется поставленная задача. В данном варианте в газоразрядной камере устройства расположены два газоразрядных промежутка, образованных полыми катодами 1 и анодами 2, разделенными изоляторами 3. К электродам газоразрядной камеры подключен источник питания 4, обеспечивающий синхронную подачу напряжения на электроды газоразрядных камер. Параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка 5. Посредством фланца 6 газоразрядная камера подключаются к вакуумной системе.
Устройство работает следующим образом. Посредством вакуумной системы 7 в газоразрядной камере создается уровень давления, достаточный для развития разряда при определенной разности потенциалов между электродами промежутка. При подаче на электроды 1 и 2 промежутков импульсов напряжения с источника питания 4 в одном из промежутков развивается газовый разряд с полым катодом (как уже указывалось, вероятность одновременного развития разряда в обоих промежутках очень мала). Элементы газоразрядного плазменного образования 8, распространяясь по каналу, предусмотренному в стыковочном фланце 6 и для конкретного исполнения, имеющего конструктивно минимально возможную длину и конструктивно минимально возможное количество изгибов, проникают в соседний газоразрядный промежуток и создают в нем дополнительный уровень ионизации, способствуя тем самым развитию в этом промежутке разряда, по времени практически одновременному с первым промежутком. По сформировавшемуся плазменному каналу ВЧ-колебания плазмы передаются из одного промежутка в другой, обеспечивая тем самым синфазность колебаний в обоих промежутках. Толстыми линиями со стрелками обозначено распространение плазменных образований из одного промежутка в другой.
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:
-2
- давление воздуха в газоразрядной камере (5÷8)·10 Тор;
- 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 до 7 кВ;
- длина вакуумного канала в стыковочном фланце 90 мм.
Предварительные оценки показали возможность увеличения мощности излучаемого генератором высокочастотного электромагнитного излучения на 50%.
Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволит успешно решить поставленную задачу.