ГЕНЕРАТОР ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ

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 (то есть 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-излучения 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, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подключены к источнику питания. С помощью системы создания газоразрядной среды 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.

Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C., 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. С помощью системы создания газоразрядной среды в камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа (воздуха, аргона, водорода, азота и прочих). 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.

Так как механизмом ВЧ-генерации в устройствах данного типа является модуляция разрядного напряжения, следовательно, амплитуда (и, соответственно, мощность) генерируемых ВЧ-сигналов ограничена величиной разрядного напряжения, то есть напряжения между электродами газоразрядной камеры. Для некоторых возможных технических применений ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом достигнутая к настоящему времени мощность генерации является недостаточной. Очевидным путем ее повышения является увеличение амплитуды ВЧ-модуляций за счет повышения напряжения разряда, реализуемого в газоразрядной камере ВЧ-генератора. Величина напряжения разряда определяется энергией электрического поля между электродами, необходимой для ионизации определенного количества частиц газоразрядной среды, необходимого для поддержания определенной силы тока разряда. Наиболее простым способом повышения напряжения разряда является увеличение тока разряда путем увеличения амплитуды импульса напряжения, формируемого источником питания. Однако такой путь приведет к резкому увеличению вероятности перехода разряда из объемной формы в контрагированную (при этой форме разряда ВЧ-генерация невозможна).

Более перспективным представляется способ увеличения разрядного напряжения без увеличения тока разряда. Падение напряжения между электродами при горении тлеющего разряда зависит, помимо прочих факторов, от газа, являющегося разрядной средой (см., например, [Райзер Ю.П., Физика газового разряда, Долгопрудный, Издательский дом «Интеллект», 2009; Капцов К.А., Электрические явления в газах и вакууме, М.-Л., ОГИЗ Гостехиздат, 1947]). Для горения газового разряда необходимо постоянное появление новых заряженных частиц взамен высаживающихся на электроды. На количество заряженных частиц, появляющихся в разрядном промежутке под воздействием межэлектродного напряжения, оказывают влияние многие процессы рождения и гибели заряженных частиц, и для разных газов эффективность каждого процесса различна при прочих равных условиях. У некоторых газов по сравнению, например, с воздухом, процессы гибели частиц более эффективны, вследствие чего для образования необходимого для горения разряда количества заряженных частиц нужно большее напряжение между электродами. Следовательно, увеличения разрядного напряжения можно добиться, используя в качестве разрядной среды газы, у которых эффективность процессов гибели заряженных частиц больше по сравнению с воздухом и прочими газами, используемыми в устройстве-прототипе, при прочих равных условиях.

Недостатком созданных к настоящему времени приборов данного типа является недостаточная для многих технических применений мощность генерируемого электромагнитного ВЧ-излучения, ограниченная величиной напряжения разряда с полым катодом, реализуемого в газоразрядной камере ВЧ-генератора.

Задачей изобретения является создание генератора на основе разряда с полым катодом, мощность генерации которого была бы выше достигнутых к настоящему времени значений.

Техническим результатом изобретения является увеличение значений мощности излучения ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом за счет повышения величины напряжения разряда с полым катодом, реализуемого в газоразрядной камере ВЧ-генератора, путем использования рабочего газа, у которого эффективность образования заряженных частиц меньше, чем у воздуха.

Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную электродами - полым катодом и анодом, разделенными изолятором, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, к камере подсоединена система создания газоразрядной среды, в предложенном генераторе в качестве газа, формирующего газоразрядную среду, использован газ с более высоким, чем у кислорода, значением энергии сродства молекулы к электрону.

Среди механизмов потерь электронов в газовом разряде основное место принадлежит процессам прилипания электронов [Райзер Ю.П., Физика газового разряда, Долгопрудный, Издательский дом «Интеллект», 2009], заключающимся в образовании отрицательных ионов в результате присоединения электронов к нейтральным молекулам. Ионы гораздо менее подвижны, чем электроны, и не могут так эффективно ионизовывать нейтральные молекулы, вследствие чего процесс образования заряженных частиц в газе затруднен. Процессы прилипания имеют место в газах, называемых электроотрицательными, молекулам таких газов энергетически выгоднее присоединить к себе электрон, чем оставаться нейтральными. Энергия образования отрицательного иона из нейтральной молекулы называется сродством молекулы к электрону [Грановский В.Л., Электрический ток в газе, Москва - Ленинград, Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952], электроотрицательными являются газы, у которых эта энергия положительна. Эффективность процессов прилипания больше у тех газов, у которых энергия сродства молекулы к электрону выше. Используемый в устройстве-прототипе воздух, являющийся смесью различных газов, также обладает свойствами электроотрицательности, в основном благодаря присутствию в нем молекул кислорода. Однако существуют газы, у которых энергия сродства молекулы к электрону существенно выше, чем у кислорода. Используя эти газы в ВЧ-генераторе на основе разряда с полым катодом, можно добиться существенного увеличения напряжения горения разряда, так как вследствие потерь электронов в результате процессов присоединения электронов к нейтральным молекулам для поддержания горения разряда потребуется существенно большее разрядное напряжение, чем при использовании воздуха.

В частности, высокими относительно кислорода значениями энергии сродства молекулы к электрону обладает SF₆ (элегаз). Благодаря свойствам, затрудняющим образование в нем заряженных частиц и тем самым обеспечивающим его высокую электропрочность, элегаз часто используется в качестве газовой среды в газовых разрядниках для повышения пробойного напряжения, в заявляемом устройстве же предлагается использовать его в качестве разрядной газовой среды для повышения разрядного напряжения.

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. Электроды газоразрядной камеры подключены к источнику питания 4. К электродам камеры подключена электрическая нагрузка 5. Рабочий объем камеры подсоединен к системе создания газоразрядной среды 6, обеспечивающей его заполнение элегазом.

ВЧ-генератор работает следующим образом. Посредством системы создания газоразрядной среды 6 газоразрядная камера сначала откачивается до максимально возможной степени вакуума, а затем заполняется элегазом до необходимого для функционирования устройства уровня давления. 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). Благодаря процессам прилипания электронов к молекулам элегаза образование заряженных частиц при горении разряда сильно затруднено по сравнению с использованием воздуха в качестве газовой среды, вследствие чего напряжение горения разряда больше, чем у воздуха, амплитуда ВЧ-модуляций также больше, и мощность генерируемого ВЧ-сигнала выше по сравнению с прототипом.

Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры.

- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, средний диаметр поперечного сечения катодной полости 25 мм, протяженность полости 50 мм.

- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра диаметром 25 мм.

- Система создания газоразрядной среды обеспечивает заполнение камеры элегазом при давлении порядка 10^-1 Тор.

- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 3÷5 кВ.

Предварительные испытания устройства, выполненного согласно описанным выше условиям, показали, что мощность излучения такого ВЧ-генератора при использовании элегаза значительно (до нескольких раз) возросла по сравнению с использованием аргона, воздуха и азота. Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволяет успешно добиться заявленного технического результата.