ВЫСОКОЧАСТОТНЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ОСНОВЕ РАЗРЯДА С ПОЛЫМ КАТОДОМ Российский патент 2008 года по МПК H01J17/38 

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 характерную особенность - в процессе его развития в прикатодной области возникают высокочастотные колебания, которые приводят к модуляции тока разряда. ВЧ-колебания в разряде с полым катодом наблюдались в ряде исследований, поэтому применение этих колебаний в целях генерации электромагнитного излучения является закономерным решением.

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), представляющие собой вакуумную камеру, внутри которой расположены заземленный полый катод и изолированный от него анод, подключенный к источнику питания. При подаче на анод импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, загорается газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компоненты колебаний тока разряда являются источниками электромагнитного ВЧ-излучения. Для отделения ВЧ-компоненты от постоянной составляющей анодного напряжения используется обычный фильтр верхних частот, состоящий из разделительного конденсатора и последовательно подключенного к нему сопротивления нагрузки.

Недостатком прибора является высокий уровень потерь выводимой ВЧ-мощности при работе ВЧ-генератора в частотном диапазоне десятки-сотни МГц.

Прототипом заявляемого устройства 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 источник питания и вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод и изолированный от него анод, подключенный к источнику питания. Полость катода обращена в сторону замыкающего эту полость анода с образованием внутреннего рабочего объема разрядной камеры.

При подаче на анод импульса высокого напряжения в разрядном промежутке между катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются источником электромагнитного излучения. Для отделения ВЧ-компоненты от постоянной составляющей анодного напряжения используется фильтр верхних частот, состоящий из разделительного конденсатора и последовательно подключенной к нему электрической нагрузки. Одна обкладка разделительного конденсатора электрически связана с анодом, а электрическая нагрузка включена в электрическую цепь посредством линии передачи (передающей линии), образованной прямым токопроводом, соединяющим другую обкладку конденсатора с электрической нагрузкой, и обратным токопроводом, соединяющим электрическую нагрузку с катодом. Обратный токопровод в месте подсоединения к катоду выполнен в виде одиночного проводника.

Недостатком прибора, выбранного нами за прототип, следует считать высокий уровень потерь выводимой ВЧ-мощности при работе ВЧ-генератора в частотном диапазоне десятки-сотни МГц. Это связано с тем, что при переходе к более высоким частотам индуктивность линии передачи оказывает более сильное влияние на потери, возникающие при передаче электрической энергии. Так, в прототипе мощность ВЧ-сигнала, регистрируемого непосредственно на электрической нагрузке, составляет лишь несколько процентов от полной ВЧ-мощности, генерируемой ВЧ-генератором, вследствие высокой индуктивности линии передачи, которая в месте подключения к катоду представляет собой открытую двухпроводную линию.

Задачей изобретения является создание высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом с системой низкоиндуктивного вывода излучения.

Технический результат заключается в обеспечении возможности вывода генерируемого ВЧ-излучения с малыми потерями путем снижения индуктивности линии передачи.

Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным высокочастотным генератором на основе разряда с полым катодом, подключенным к нагрузке, содержащим вакуумную разрядную камеру, образованную заземленным полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, подключенного к источнику питания, а также разделительный конденсатор, одна обкладка которого электрически связана с анодом, при этом электрическая нагрузка включена в электрическую цепь посредством линии передачи, образованной прямым токопроводом, соединяющим другую обкладку конденсатора с электрической нагрузкой, и обратным токопроводом, обеспечивающим электрическую связь катода с электрической нагрузкой, в предлагаемом генераторе обратный токопровод выполнен в виде образующей внутреннюю полость проводящей оболочки, которая контактно охватывает катод по периметру его сечения с расположением внутри нее разделительного конденсатора и прямого токопровода.

Кроме того, генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом может в частном случае отличаться тем, что в качестве линии передачи использован коаксиальный кабель, внутренний проводник которого является прямым токопроводом, а проводящая оболочка, выполняющая функцию обратного токопровода, образована проводящим кожухом, электрически связанным с внешним проводником кабеля и изолированным от внутреннего проводника.

Любое электрическое соединение, любой проводник имеют некоторую индуктивность L, которая вносит свой вклад в реактивную составляющую сопротивления электрического контура. С увеличением частоты f переменного тока, проходящего по электрическому контуру, реактивная составляющая сопротивления Z_L=2πfL увеличивается и при некотором значении частоты становится существенной, увеличивая потери энергии на излучение. В прототипе обратный токопровод, выполненный в виде открытого одиночного проводника, обладает значительным реактивным сопротивлением, что объясняет высокие потери ВЧ мощности. В заявляемом генераторе предлагается использовать обратный токопровод в виде проводящей оболочки, состоящей, например, из дискретно набранных отдельных проводников, либо представляющей собой сплошную проводящую поверхность, образующую замкнутую или незамкнутую внутреннюю полость. Такая система вывода позволяет уменьшить индуктивность обратного токопровода за счет уменьшения общего реактивного сопротивления включенных в параллель проводников по сравнению с реактивным сопротивлением одного проводника. Проводящая оболочка, контактно охватывающая катод по периметру его поперечного сечения, обладает значительно меньшей индуктивностью по сравнению с двухпроводной линией и позволяет выводить достаточно мощное ВЧ-излучение с низким уровнем потерь. Такая система коаксиального вывода ВЧ-излучения по своей структуре сходна с коаксиальным кабелем, который, как известно, широко используется при передаче высокочастотных сигналов и позволяет свести к минимуму потери энергии на излучение. В частном случае реализации предложена конструкция на основе кабельной передающей линии.

На чертеже схематично изображена конструкция высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом с системой низкоиндуктивного вывода ВЧ-излучения.

Устройство содержит образующие вакуумную разрядную камеру заземленный полый катод 1 с открытой полостью и анод 2, расположенный напротив полости (замыкающий ее), вмонтированный в диэлектрический фланец 3. Систему вывода ВЧ-излучения представляют коаксиальный разделительный конденсатор 5, одна обкладка которого электрически связана с тыльной стороной анода, другая обкладка соединяется с электрической нагрузкой 9 посредством внутреннего проводника коаксиального кабеля 6, являющегося прямым токопроводом передающей линии. При этом обратный токопровод передающей линии, соединяющий электрическую нагрузку с катодом, образован проводящим кожухом 4, электрически связанным с внешним проводником коаксиального кабеля 7 при помощи конструкции-зажима 8 и изолированным от внутреннего проводника.

Устройство работает следующим образом. Производится откачка рабочего объема разрядной вакуумной камеры до требуемого давления при помощи вакуумной системы. При подаче напряжения от источника питания на анод 2 происходит самопробой газоразрядного промежутка с возникновением тлеющего газового разряда с полым катодом 7, ВЧ-колебания тока которого являются источником электромагнитного излучения. ВЧ-составляющая тока разряда поступает в электрическую нагрузку 9, проходя через фильтр верхних частот, образованный емкостью разделительного конденсатора С_н 5 и сопротивлением электрической нагрузки R_н. Сопротивление нагрузки и емкость разделительного конденсатора выбираются исходя из требуемой частоты среза фильтра верхних частот

ниже которой производится отсечка постоянной составляющей анодного напряжения. В качестве электрической нагрузки может выступать антенна либо другой потребитель.

Устройство в конкретном выполнении имело следующие параметры:

- давление воздуха в вакуумной камере (3-8)×10^-2 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 2-8 кВ;

- емкость коаксиального конденсатора К15-10 составляет 4700 пФ, вывод ВЧ-излучения осуществляется через коаксиальный кабель РК-75.

При данных параметрах и электрической нагрузке 5-10 Ом было выведено ВЧ-излучение мощностью порядка 2000 кВт. Для сравнения в прототипе было зарегистрировано лишь 200 кВт ВЧ-мощности.

Изобретение относится к высокочастотной технике и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения. ВЧ-генератор на основе разряда с полым катодом содержит вакуумную разрядную камеру, образованную заземленным полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, подключенного к источнику питания, а также разделительный конденсатор, одна обкладка которого электрически связана с анодом, при этом электрическая нагрузка включена в электрическую цепь посредством линии передачи, образованной прямым токопроводом, соединяющим другую обкладку конденсатора с электрической нагрузкой, и обратным токопроводом, обеспечивающим электрическую связь катода с электрической нагрузкой. Для обеспечения возможности вывода генерируемого излучения обратный токопровод генератора выполнен в виде образующей внутреннюю полость проводящей оболочки, которая контактно охватывает катод по периметру его сечения с расположением внутри нее разделительного конденсатора и прямого токопровода. В качестве линии передачи может быть использован коаксиальный кабель, внутренний проводник которого является прямым токопроводом, а проводящая оболочка, выполняющая функцию обратного токопровода, образована проводящим кожухом, электрически связанным с внешним проводником кабеля и изолированным от внутреннего проводника. Технический результат: обеспечение возможности вывода генерируемого ВЧ-излучения с малыми потерями путем снижения индуктивности линии передачи. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, подключенный к электрической нагрузке, содержащий вакуумную разрядную камеру, образованную заземленным полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, подключенного к источнику питания, а также разделительный конденсатор, одна обкладка которого электрически связана с анодом, при этом электрическая нагрузка включена в электрическую цепь посредством линии передачи, образованной прямым токопроводом, соединяющим другую обкладку конденсатора с электрической нагрузкой, и обратным токопроводом, соединяющим электрическую нагрузку с катодом, отличающийся тем, что обратный токопровод выполнен в виде образующей внутреннюю полость проводящей оболочки, которая контактно охватывает катод по периметру его сечения с расположением внутри нее разделительного конденсатора и прямого токопровода.2. Генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, подключенный к электрической нагрузке по п.1, отличающийся тем, что в качестве линии передачи использован коаксиальный кабель, внутренний проводник которого является прямым токопроводом, а проводящая оболочка, выполняющая функцию обратного токопровода, образована проводящим кожухом, электрически связанным с внешним проводником кабеля и изолированным от внутреннего его проводника.