СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГАЗОРАЗРЯДНОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ ГАЗОРАЗРЯДНОГО ГЕНЕРАТОРА ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ С ЗАДАННОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТОЙ ГЕНЕРАЦИИ Российский патент 2023 года по МПК H01J17/38 H01J9/02 

Изобретение относится к радиочастотной технике и может быть использовано при разработке и создании мощных импульсных генераторов высокочастотного (ВЧ) диапазона.

Известны газоразрядные генераторы высокочастотных импульсов, принцип действия которых основан на ВЧ-модуляции напряжения горения сильноточных газовых разрядов с полым катодом, имеющей место при определенных условиях [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; 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"]. Приборы указанного типа характеризуются мегаваттными уровнями пиковой мощности генерации и микросекундными уровнями длительности импульсов генерации.

Типичными конструктивными элементами газоразрядного ВЧ-генератора являются газоразрядная камера, предназначенная для инициации сильноточных газовых разрядов с полым катодом при низком давлении, высоковольтный блок питания, блок нагрузки и блок поддержания давления газа в газоразрядной камере. В катоде газоразрядной камеры предусмотрена полость, открытая в сторону анода.

Результаты экспериментальных исследований [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, vol. 71, num. 18, p. 2919; Bliokh Yu. P., Felsteiner J., Rosenberg A., Slutsker Y.Z., Vaisberg P.M. "Characteristics of a High-Power RF Oscillator Based on a Pulsed Hollow-Cathode Discharge" // IEEE Transaction on Plasma Science, Dec. 2001, vol. 29, num. 6, p. 895; 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], посвященных различным аспектам функционирования газоразрядных ВЧ-генераторов, свидетельствуют о наличии явной зависимости несущей частоты генерации от геометрических параметров газоразрядной камеры, используемой в составе ВЧ-генератора, прежде всего - от геометрических параметров катодной полости. Несущая частота генерации обратно пропорциональна геометрическим размерам газоразрядной камеры.

Явление ВЧ-модуляций напряжения газового разряда с полым катодом авторы объясняют тем, что в процессе горения разряда указанного типа при определенных условиях газоразрядная цепь начинает функционировать как электрический колебательный контур с собственной ВЧ-частотой колебаний, определяемой эффективными значениями индуктивности и емкости колебательного контура. Таким образом, зависимость частоты генерации от геометрии камеры обусловлена тем, что геометрические параметры газоразрядной камеры являются характеристиками, определяющими эффективные значения емкости и индуктивности газоразрядной цепи. Так, индуктивность токового контура зависит от его длины и конструктивного исполнения, а емкость прикатодного слоя разряда определяется площадью поверхности катодной полости.

Типичные значения линейных геометрических размеров полостей катодов газоразрядных камер, применяемых в составе создаваемых в настоящее время газоразрядных ВЧ-генераторов, находятся в сантиметровом диапазоне. Соответствующий этим значениям диапазон несущих частот генерируемых импульсов составляет 10-500 МГц.

При создании газоразрядных ВЧ-генераторов, соответствующих условиям практического применения, требуется обеспечить заданные значения несущей частоты ВЧ-генерации. Так как несущая частота генерации газоразрядного генератора определяется характеристиками газоразрядной камеры, фактически данная задача сводится к изготовлению газоразрядной камеры, обеспечивающей соблюдение требуемых условий.

Между тем, анализ уровня техники в области газоразрядных генераторов высокочастотных импульсов, проведенный авторами на момент создания настоящего технического решения, не выявил удовлетворительных решений указанной задачи.

Приведенная выше известная зависимость несущей частоты генерации от геометрических параметров газоразрядной камеры имеет качественный характер и может обеспечить приемлемый результат только методом итераций (последовательного приближения), то есть длительным и трудоемким путем создания и испытания некоторого количества газоразрядных камер, причем это количество до достижения точного значения несущей частоты может оказаться весьма существенным.

Предложенный в [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] способ создания газоразрядного ВЧ-генератора с заданной несущей частотой генерации основан на использовании массива определенных экспериментальным путем эталонных численных значений несущей частоты генерации, соответствующих различным значениям диаметра полости катода газоразрядной камеры. Данный способ учитывает только один из геометрических параметров газоразрядной камеры и может обеспечить лишь приближенное соответствие между реализованным и требуемым значениями несущей частоты генерации. Поэтому выбор способа в качестве прототипа не является обоснованным.

Таким образом, разработка способа изготовления газоразрядной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов со строго заданной несущей частотой генерации является актуальной задачей.

Техническим результатом изобретения является точное обеспечение заданного значения несущей частоты генерации газоразрядного ВЧ-генератора на базе газоразрядной камеры, изготовленной согласно указанному порядку действий, позволяющее на базе численного моделирования без проведения большого количества экспериментов создать газоразрядную камеру с заданным значением несущей частоты генерации.

Указанный технический результат достигается за счет того, что применяется способ изготовления газоразрядной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации, при котором:

- Изготавливают газоразрядную камеру, предназначенную для инициации сильноточных газовых разрядов с полым катодом при низком давлении, причем в катоде камеры предусмотрена полость, открытая в сторону анода, при этом геометрические параметры полости выбраны произвольным образом и приняты за эталон;

- Монтируют генератор высокочастотных импульсов на базе газоразрядной камеры, содержащей катод с эталонной полостью, и экспериментально измеряют несущую частоту генерации импульсов данного генератора;

- Рассчитывают эффективную площадь по формуле S_эф=S_эт⋅(ƒ_эт/ƒ_з)⁴, где S_эт - площадь поверхности эталонной полости, ƒ_эт - несущая частота генерации импульсов, формируемых посредством камеры, содержащей катод с эталонной полостью, ƒ_з - заданная несущая частота, на которой требуется обеспечить ВЧ-генерацию;

- Изготавливают катод с полостью, площадь поверхности которой равняется эффективному значению S_эф, в остальном же форм-фактор изготавливаемого катода с эффективной полостью соответствует форм-фактору катода с эталонной полостью;

- Катод с эффективной катодной полостью монтируют в газоразрядную камеру, изготавливая при этом газоразрядную камеру для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации.

Результаты исследований, проведенных авторами, позволили сформулировать эмпирическое соотношение между несущими частотами генерации газоразрядных камер с различными геометрическими параметрами катодных полостей, в остальном же имеющих строго одинаковые конструкцию и геометрические параметры: ƒ₁/ƒ₂=(S₂/S₁)^-1/4, где ƒ₁ и ƒ₂ - несущие частоты генерации газоразрядных камер, S₁ и S₂ - площади поверхности полостей катодов газоразрядных камер. Точность данного соотношения - не ниже нескольких процентов в диапазоне частот 30-300 МГц, то есть в основном рабочем диапазоне высокочастотных газоразрядных генераторов.

Соответственно, этой же формулой описывается отношение между несущими частотами генерации газоразрядной камеры, в которую последовательно устанавливаются два катода с различными геометрическими параметрами полостей, в остальном же имеющие единый форм-фактор.

Таким образом, зная частоту генерации газоразрядной камеры, в которую установлен полый катод с некоторыми известными геометрическими параметрами полости, можно рассчитать частоту генерации этой камеры в случае замены катода на другой, имеющий иные, также известные геометрические параметры полости, а в остальном тот же форм-фактор.

На фиг. 1 представлена схема газоразрядной камеры типовой конструкции.

1 - катод; 2 - анод; 3 - изолятор между катодом и анодом; 4 - разделительный конденсатор; 5 - внутренний проводник узла подключения камеры к блоку нагрузки; 6 - внешний проводник узла подключения камеры к блоку нагрузки; 7 - изолятор между внутренним и внешним проводниками узла подключения камеры к блоку нагрузки; 8 - обратный токопровод.

На фиг. 2 представлена газоразрядная камера с катодом с эффективной полостью, изготовленная в соответствии с предложенным способом.

Данное решение реализовано в настоящем способе изготовления газоразрядной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации.

В качестве исходных данных для изготовления газоразрядных камер и выбора эталонных значений геометрических параметров цилиндрической катодной полости приведем следующие рекомендации:

- для частот около 45 МГц - диаметр 75 мм, длина 125 мм;

- для частот около 120 МГц - диаметр 30 мм, длина 50 мм;

- для частот около 165 МГц - диаметр 20 мм, длина 35 мм;

- для частот около 200 МГц - диаметр 15 мм, длина 25 мм.

Приведем пример применения данного способа.

Требуется создать газоразрядную камеру заданной конструкции, обеспечивающую генерацию ВЧ-импульсов на несущей частоте 65 МГц.

Изготавливается газоразрядная камера типовой конструкции, схема которой показана на фиг. 1. Камера содержит катод 1 и анод 2, разделенные изолятором 3, а также узел подключения камеры к блоку нагрузки, включающий в себя внутренний проводник 5, изолированный от него посредством изолятора 7 внешний проводник 6 и разделительный конденсатор 4, одна обкладка которого подсоединена к катоду 1, а другая - к внутреннему проводнику 5 узла подключения камеры к блоку нагрузки, внешний проводник 6 узла подключения камеры к блоку нагрузки гальванически соединен с анодом 2 посредством обратного токопровода 8, выполненного в виде оболочки, заключающей в себе полый катод 1. Форм-фактором катода является цилиндр длиной 130 мм, диаметром 75 мм. В катоде 1 предусмотрена полость, открытая в сторону анода 2, имеющая форму цилиндра, характеризующегося произвольно выбранными эталонными значениями геометрических параметров - длиной l_эт=80 мм и диаметром d_эт=40 мм. Площадь поверхности полости катода, таким образом, определяется по формуле S_эт=π⋅d_эт²/4+π⋅d_эт⋅l_эт, и равняется 0,0113 м².

Экспериментальное измерение несущей частоты генерации импульсов, формируемых посредством газоразрядной камеры, содержащей катод с эталонной полостью, дает результат ƒ_эт=78 МГц.

По формуле S_эф=S_эт⋅(ƒ_эт/ƒ_з)⁴ рассчитывается эффективное значение площади поверхности полости катода, обеспечивающее генерацию высокочастотных импульсов на заданной частоте ƒ_з=65 МГц. Расчет дает результат 0,0236 м².

Изготавливается катод с эффективной полостью в форме цилиндра, форм-фактор которого, за исключением геометрических параметров полости, соответствует форм-фактору катода с эталонной полостью. Геометрические размеры полости должны обеспечивать равенство поверхностной площади полости рассчитанному значению S_эф=0,0236 м². Указанное соответствие достигается, например, при выборе следующих параметров цилиндра: длина l_эф=100 мм, диаметр d_эф=65 мм.

Катод с эффективной полостью изготавливается и монтируется в газоразрядную камеру (см. фиг. 2).

Таким образом, применение указанного способа позволило создать газоразрядную камеру для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации равное 65 МГц. Аналогично, применение указанного способа позволяет изготовить газоразрядную камеру для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации в диапазоне 30-300 МГц.

Изобретение относится к радиочастотной технике и может быть использовано при разработке и создании мощных импульсных генераторов высокочастотного (ВЧ) диапазона. Технический результат - повышение точности обеспечения заданного значения несущей частоты генерации газоразрядного ВЧ-генератора на базе газоразрядной камеры без проведения большого количества экспериментов. Способ изготовления газоразрядной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации, при котором изготавливают газоразрядную камеру, предназначенную для инициации сильноточных газовых разрядов с полым катодом при низком давлении, причем в катоде камеры предусмотрена полость, открытая в сторону анода, геометрические параметры полости выбраны произвольным образом и приняты за эталон; монтируют генератор высокочастотных импульсов на базе газоразрядной камеры, содержащей катод с эталонной полостью, и экспериментально измеряют несущую частоту генерации импульсов данного генератора; рассчитывают эффективную площадь по формуле S_эф=S_эт⋅(ƒ_эт/ƒ_з)⁴, где S_эт - площадь поверхности эталонной полости, ƒ_эт - несущая частота генерации импульсов, формируемых посредством камеры, содержащей катод с эталонной полостью, ƒ_з - заданная несущая частота, на которой требуется обеспечить ВЧ-генерацию; изготавливают катод с полостью, площадь поверхности которой равняется эффективному значению S_эф, в остальном же форм-фактор изготавливаемого катода с эффективной полостью соответствует форм-фактору катода с эталонной полостью; катод с эффективной катодной полостью монтируют в газоразрядную камеру, изготавливая при этом газоразрядную камеру для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации. 2 ил.

Способ изготовления газоразрядной камеры для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации, при котором:

- изготавливают газоразрядную камеру, предназначенную для инициации сильноточных газовых разрядов с полым катодом при низком давлении, причем в катоде камеры предусмотрена полость, открытая в сторону анода, при этом геометрические параметры полости выбраны произвольным образом и приняты за эталон;

- монтируют генератор высокочастотных импульсов на базе газоразрядной камеры, содержащей катод с эталонной полостью, и экспериментально измеряют несущую частоту генерации импульсов данного генератора;

- рассчитывают эффективную площадь по формуле S_эф=S_эт⋅(ƒ_эт/ƒ_з)⁴, где S_эт - площадь поверхности эталонной полости, ƒ_эт - несущая частота генерации импульсов, формируемых посредством камеры, содержащей катод с эталонной полостью, ƒ_з - заданная несущая частота, на которой требуется обеспечить ВЧ-генерацию;

- изготавливают катод с полостью, площадь поверхности которой равняется эффективному значению S_эф, в остальном же форм-фактор изготавливаемого катода с эффективной полостью соответствует форм-фактору катода с эталонной полостью;

- катод с эффективной катодной полостью монтируют в газоразрядную камеру, изготавливая при этом газоразрядную камеру для газоразрядного генератора высокочастотных импульсов с заданной несущей частотой генерации.