ГАЗОРАЗРЯДНЫЙ ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
GAS-DISCHARGE GENERATOR OF HIGH-FREQUENCY PULSES

Изобретение относится к высокочастотной технике и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения.
к
к
к
к
к
к
-1/2
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 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 [ArbelD., Bar-LevZ., FelsteinerJ., RosenbergA., SlutskerYa.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. Данное явление авторы объясняют тем, что при указанных условиях в силу некоторых причин газоразрядная цепь функционирует как электрический колебательный контур с собственной ВЧ-частотой колебаний ƒ, определяемой эффективными значениями индуктивности L и емкости С колебательного контура согласно следующей зависимости: ƒ ~ (L⋅С).
Известны газоразрядные генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору [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; 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 создания газовой среды, источник питания и блок электрической нагрузки, содержащий электрическое сопротивление. Газоразрядная камера состоит из полого катода и изолированного от него анода, задающих рабочее пространство камеры (включающее в себя катодную полость, межэлектродиый промежуток и прианодное пространство). Электроды камеры подключены к источнику питания, электрическая нагрузка включена между электродами. С помощью системы создания газовой среды рабочее пространство заполняется рабочим газом при определенном уровне давления. При подаче с источника питания на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в рабочем пространстве газоразрядной камеры инициируется импульсный газовый разряд с полым катодом. Происходит высокочастотная модуляция напряжения разряда (напряжения между электродами), и на электрическом сопротивлении блока нагрузки возникает импульс ВЧ-колебаний напряжения.
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 разрядной электрической цепи выделяется весьма существенное количество тепловой энергии. Тепловая нагрузка на камеру (зафиксированы случаи нагрева на сотни градусов °С) может оказывать значительное влияние на техническое состояние как собственно камеры, так и ВЧ-генератора в целом. Такие факторы, как отравление газовой среды в камере вследствие интенсивного газовыделения из разогретых элементов камеры, обгорание рабочих поверхностей электродов могут привести к ухудшению характеристик генерации и даже стать причиной функционального сбоя устройства.
Прототипом заявляемого устройства является ВЧ-генератор 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 двумя электродами - полым катодом и изолированным от него анодом, задающими рабочее пространство газоразрядной камеры, а также источник питания, блок электрической нагрузки и систему создания газовой среды, причем полый катод подключен к высоковольтной шине источника питания, анод подключен к нулевой шине, между электродами включен блок электрической нагрузки, при этом блок электрической нагрузки соединен с катодом через разделительный конденсатор и с анодом посредством обратного токопровода.
Система создания газовой среды заполняет рабочее пространство камеры (включающее в себя катодную полость, межэлектродный промежуток и прианодное пространство) 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.
При инициации в газоразрядной камере сильноточного газового разряда электрическая цепь, включающая в себя токоведущие части газоразрядной камеры, разделительный конденсатор, блок электрической нагрузки и обратный токопровод, выполняет функцию электрического колебательного контура, обладающего собственной емкостью, определяемой главным образом емкостью рабочего пространства газоразрядной камеры, и собственной индуктивностью, определяемой собственными индуктивностями составляющих контур элементов.
В результате возбуждения в контуре ВЧ-колебаний в блоке нагрузки формируется ВЧ-импульс напряжения, являющийся источником ВЧ-энергии.
В конкретном исполнении генератора-прототипа обратный токопровод представляет полую оболочку, внутри которой расположены токоведущая часть газоразрядной камеры и разделительный конденсатор. Подобное исполнение обратного токопровода позволяет существенно уменьшить паразитное рассеяние ВЧ-энергии, передаваемой в блок нагрузки (идея данного технического решения 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 данного газоразрядного генератора является сильно ограниченный срок его стабильного функционирования при эксплуатации в интенсивных (свыше 1000 Гц) импульсно-периодических режимах. Ограничение вызвано значительной тепловой нагрузкой на элементы генератора, в первую очередь на газоразрядную камеру. Спустя довольно непродолжительное время работы устройства в интенсивном режиме мощность и длительность ВЧ-импульсов понижаются вследствие изменения формы газового разряда из-за обгорания рабочих поверхностей электродов камеры и отравления разрядной газовой среды газами, выделяемыми из подвергшихся тепловому воздействию и обгоранию элементов камеры.
Снизить тепловую нагрузку на газоразрядную камеру и, тем самым, интенсивность нагревания элементов камеры и обгорания их поверхностей, подвергаемых воздействию разрядной плазмы, можно за счет увеличения геометрических размеров рабочего пространства газоразрядной камеры, в котором происходят акты горения разрядов. Во-первых, для увеличения рабочего пространства камеры потребуется увеличение габаритов электродов камеры, следовательно, и массы камеры. Таким образом, при неизменном количестве тепловой энергии, рассеиваемой в газоразрядной цепи, степень нагрева камеры снизится. Во-вторых, при увеличении геометрических размеров рабочего пространства камеры увеличится площадь рабочих поверхностей электродов, следовательно, понизится плотность разрядного тока, а значит, уменьшится интенсивность обгорания рабочих поверхностей электродов и поверхности межэлектродного изолятора (разумеется, уменьшать плотность газоразрядного тока возможно в допустимых пределах, не выходя за границы условий возникновения ВЧ-модуляций разрядного напряжения).
Однако, согласно установленным авторами закономерностям функционирования ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом (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]), при увеличении размеров рабочего пространства газоразрядной камеры (и, соответственно, камеры в целом) уменьшается несущая частота ВЧ-импульсов, так как собственные индуктивность и емкость колебательного контура при этом возрастают.
Технической проблемой изобретения является создание газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, менее, по сравнению с устройством-прототипом, подверженного воздействию тепловой нагрузки, при неизменной величине несущей частоты генерации.
Технический результат изобретения заключается в понижении тепловой нагрузки на газоразрядный генератор высокочастотных импульсов в интенсивных импульсно-периодических режимах эксплуатации за счет увеличения массово-габаритных характеристик газоразрядной камеры, входящей в состав прибора, при неизменной величине несущей частоты генерации.
Требуемый технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, содержащего газоразрядную камеру, образованную двумя электродами - полым катодом и изолированным от него анодом, задающими рабочее пространство газоразрядной камеры, а также источник питания, блок электрической нагрузки и систему создания газовой среды, причем полый катод подключен к высоковольтной шине источника питания, анод подключен к нулевой шине, между электродами включен блок электрической нагрузки, при этом блок электрической нагрузки соединен с катодом через разделительный конденсатор и с анодом посредством обратного токопровода, причем организованная при этом электрическая цепь, включающая в себя токоведущие части газоразрядной камеры, разделительный конденсатор, блок электрической нагрузки и обратный токопровод, выполняет при инициации в газоразрядной камере сильноточного газового разряда функцию электрического колебательного контура, обладающего собственной емкостью, определяемой главным образом емкостью рабочего пространства газоразрядной камеры, и собственной индуктивностью, определяемой собственными индуктивностями составляющих контур элементов, в предложенном генераторе геометрические параметры газоразрядной камеры выбраны из условия увеличения ее рабочего пространства, причем возрастание за счет этого емкости рабочего пространства газоразрядной камеры и собственной индуктивности токоведущих частей газоразрядной камеры скомпенсировано снижением совокупной индуктивности остальных элементов колебательного контура, так что собственная частота колебаний контура сохраняется.
В частном случае снижение совокупной индуктивности остальных элементов колебательного контура помимо токоведущих частей газоразрядной камеры обеспечено за счет использования разделительного конденсатора, обладающего малой собственной индуктивностью.
к
кам
ост
к
кам
к
к
кам
ост
кам
к
к
к
к
к
кам
кам
ост
-1/2
Собственная индуктивность колебательного контура, формируемого при инициировании разряда в газоразрядной камере, складывается из индуктивности токоведущих частей газоразрядной камеры и совокупной индуктивности остальных элементов колебательного контура: L=L+L. Основной вклад в значение собственной емкости колебательного контура вносит величина емкости рабочего пространства газоразрядной камеры С≈С. Таким образом, L⋅С=(L+L)⋅С. Собственная частота колебательного контура, определяемая зависимостью ƒ ~ (L⋅С), останется неизменной, если не изменится величина произведения емкости контура на индуктивность контура L⋅С. Этого можно добиться, если при увеличении величин L и С уменьшить соответственно величину L.
Иными словами, при увеличении геометрических параметров рабочего пространства газоразрядной камеры добиться сохранения величины частоты осцилляций, возбуждаемых в электрическом колебательном контуре, можно, скомпенсировав увеличение емкости и индуктивности контура, имеющее место в результате увеличения габаритов газоразрядной камеры, уменьшением совокупной индуктивности остальных элементов, входящих в состав колебательного контура (уменьшением собственной индуктивности либо всех, либо некоторых, либо хотя бы одного из остальных элементов колебательного контура помимо токоведущих частей газоразрядной камеры).
Добиться же уменьшения совокупной остальных элементов колебательного контура помимо токоведущих частей газоразрядной камеры можно, воспользовавшись техническим решением, изложенным в [Патенте РФ 164 563, Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, Вялых Д.В., Жданов B.C., Львов И.Л. и др.] - предусмотрев в качестве разделительного конденсатора вместо дискового конденсатора с аксиальными выводами (применяемого в устройстве-прототипе) использование дискового конденсатора безвыводной конструкции, обладающего низкой собственной индуктивностью.
Пример газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, выполненного согласно данному техническому решению, показан на чертеже.
Газоразрядный генератор высокочастотных импульсов, содержащий газоразрядную камеру, образованную двумя электродами - полым катодом (1) и изолированным от него, посредством изолятора (3), анодом (2), задающими рабочее пространство газоразрядной камеры, а также источник питания (4), блок электрической нагрузки (5) и систему создания газовой среды (6). Полый катод (1) подключен к высоковольтной шине источника питания (4), анод (2) подключен к нулевой шине. Блок электрической нагрузки (5) включен между электродами (1) и (2), при этом с катодом (1) он соединен через разделительный конденсатор (7), а с анодом (2) - посредством обратного токопровода (8).
При инициации в газоразрядной камере сильноточного газового разряда электрическая цепь, включающая в себя токоведущие части газоразрядной камеры (то есть полый катод (1), рабочее пространство газоразрядной камеры и частично анод (2)), разделительный конденсатор (7), блок электрической нагрузки (5) и обратный токопровод (8), выполняет функцию электрического колебательного контура.
В качестве разделительного конденсатора используется низкоиндуктивный дисковый конденсатор безвыводной конструкции (марки TDK GA14), взамен используемого в устройстве-прототипе дискового конденсатора с аксиальными выводами (марки КВИ-3 10 кВ 3300 пФ).
Генератор-прототип, формирующий ВЧ-импульсы на частоте 120 МГц, имеет следующие габаритные характеристики газоразрядной камеры: диаметр катодной полости 25 мм, глубина 50 мм, совокупная длина токоведущих частей камеры 70 мм. У генератора, выполненного согласно патентуемому техническому решению, габаритные характеристики увеличены: диаметр катодной полости 44 мм, глубина 66 мм, совокупная длина токоведущих частей камеры 90 мм.
Расчет увеличенных геометрических характеристик газоразрядной камеры из условий сохранения собственной частоты колебаний контура при уменьшении собственной индуктивности разделительного конденсатора выполнен авторами на основе методик расчета величин индуктивности и емкости различных электрических структур, приведенных в [Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. Л.: Энергоатомиздат, 1986, 488 с.; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М: Высшая школа, 1964, 750 с.].
Возрастание емкости рабочего пространства газоразрядной камеры и собственной индуктивности токоведущих частей газоразрядной камеры, имеющее место за счет увеличения геометрических параметров газоразрядной камеры, выбранных из условия увеличения ее рабочего пространства, скомпенсировано снижением совокупной индуктивности остальных элементов колебательного контура (за счет использования разделительного конденсатора, обладающего малой собственной индуктивностью), так что собственная частота колебаний контура сохраняется. Соответственно, сохраняется несущая частота ВЧ-импульсов, формируемых данным устройством.
Испытания газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, изготовленного в соответствии с указанными параметрами, показали равенство несущих частот генерации у генератора-прототипа и у нового генератора - 120 МГц.
При этом суммарная масса элементов, подвергаемых тепловому воздействию, у генератора-прототипа равняется 0,5 кг, а у данного генератора - 1,3 кг. Таким образом, использование патентуемого технического решения позволяет более чем в 2,5 раза снизить тепловую нагрузку на газоразрядный ВЧ-генератор при сохранении частоты генерации - поставленную техническую задачу можно считать решенной.