RU2387039C1

RU2387039C1 - High-frequency generator with discharge in hollow cathode

Info

Publication number: RU2387039C1
Application number: RU2008149411/28A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Викторович Вялых (RU); Дмитрий Викторович Вялых; Александр Евгеньевич Дубинов (RU); Александр Евгеньевич Дубинов; Инна Юрьевна Корнилова (RU); Инна Юрьевна Корнилова; Игорь Львович Львов (RU); Игорь Львович Львов; Сергей Александрович Садовой (RU); Сергей Александрович Садовой; Сергей Константинович Сайков (RU); Сергей Константинович Сайков; Виктор Дмитриевич Селемир (RU); Виктор Дмитриевич Селемир
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-04-20

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: proposed generator comprises gas-discharge chamber made by hollow cathode with its open camber facing anode isolated from the latter and closing it. It comprises also power supply connected to gas-discharge chamber electrodes, vacuum system communicated with the chamber inside. Note here that electric load is connected parallel to chamber electrodes. Additionally, generator comprises the device designed to form low-scattering flow of charged particles in hollow cathode cavity, right opposite the anode. Aforesaid device can be represented by magnetic field source. In particular case, solenoid embracing gas-discharge chamber can make aforesaid source of magnetic field. Note here that hollow cathode, anode and solenoid are arranged coaxially.

EFFECT: stable operation.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к высокочастотной технике и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения.The invention relates to high-frequency technology and can be used to create generators of high-frequency (HF) radiation.

Разряд с полым катодом (Москалев Б.И. Разряд с полым катодом. - М.: Энергия, 1969) имеет характерную особенность - при определенных условиях (то есть при определенных геометрических параметрах полости и при превышении плотности тока разряда определенного значения) в процессе его развития происходит модуляция разрядного тока по частоте ВЧ-диапазона (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).A discharge with a hollow cathode (Moskalev B.I. A discharge with a hollow cathode. - M .: Energy, 1969) has a characteristic feature - under certain conditions (that is, under certain geometric parameters of the cavity and when the discharge current density exceeds a certain value) during In the development, the discharge current is modulated in the high-frequency range (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. - No. 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 заземленный полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания. При подаче на электроды импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, загорается газовый разряд с полым катодом. Электрическая нагрузка подключена параллельно газоразрядной цепи. ВЧ-компонента колебаний тока разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.Known high-frequency generators based on a hollow cathode discharge, similar to the claimed generator (for example, Vyalykh D.V., Dubinov A.E., Lvov I.L. et al. "Powerful high-frequency pulse generator based on a hollow cathode discharge", Instruments and experimental technique, 2005, No. 1, pp. 86-89), containing a gas discharge chamber, a vacuum system, a power source and an electrical load. The vacuum system creates the necessary pressure in the gas discharge chamber, inside of which there is a grounded hollow cathode and an anode isolated from it, connected to a power source. When a voltage pulse is applied to the electrodes in the discharge gap formed by the cathode and the anode, a gas discharge with a hollow cathode lights up. An electrical load is connected in parallel with the discharge circuit. The RF component of the oscillations of the discharge current is the cause of the RF oscillations of the voltage at the electric load, which, in turn, are the source of electromagnetic RF energy.

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 расположены полый катод и изолированный от него анод, подключенные к источнику питания, и вакуумную систему. Полость катода обращена в сторону замыкающего эту полость анода с образованием внутреннего рабочего объема разрядной камеры. К аноду и полому катоду параллельно подключена электрическая нагрузка.The prototype of the inventive generator is a high-frequency generator based on a discharge with a hollow cathode (Dubinov A.E., Lvov I.L., Sadovoy SA, etc. "Powerful pulsed high-frequency generator based on a discharge with a hollow cathode", University Bulletin. Radio Physics , 2006, vol. XLIX, No. 4, pp. 300-306) containing a gas discharge chamber in which a hollow cathode and an anode isolated from it are connected to a power source and a vacuum system. The cathode cavity is turned towards the anode closing this cavity with the formation of the internal working volume of the discharge chamber. An electrical load is connected in parallel to the anode and hollow cathode.

При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в разрядном промежутке между катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.When a high voltage pulse is applied to the electrodes of the gas discharge chamber in the discharge gap between the cathode and the anode, a glowing gas discharge with a hollow cathode lights up, the RF oscillations of the current causing the RF oscillations of the voltage at the electric load, which, in turn, are the source of the electromagnetic RF energy.

Недостатком описанных выше приборов следует считать нестабильность генерации, то есть мощность генерируемого излучения на протяжении каждого единичного импульса достаточно сильно изменяется по сравнению со своим максимальным значением.The disadvantage of the devices described above should be considered the instability of the generation, that is, the power of the generated radiation during each single pulse varies quite strongly compared to its maximum value.

Задачей изобретения является создание усовершенствованного с точки зрения выходных параметров высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом.The objective of the invention is to provide improved in terms of output parameters of a high-frequency generator based on a discharge with a hollow cathode.

Технический результат заключается в обеспечении такого режима работы высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом, при котором мощность каждого генерируемого импульса излучения была бы стабильной во времени.The technical result consists in providing such a mode of operation of a high-frequency generator based on a hollow cathode discharge, in which the power of each generated radiation pulse would be stable over time.

Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным высокочастотным генератором на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную полым катодом, обращенным открытой полостью в сторону изолированного от него и замыкающего эту полость анода, источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, заявляемый генератор дополнительно содержит устройство формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода.This result is achievable due to the fact that, compared to the known high-frequency generator based on a hollow cathode discharge, containing a gas discharge chamber formed by a hollow cathode facing the open cavity towards the anode isolated from it and closing this cavity, the power source connected to the gas discharge electrodes chamber, a vacuum system in communication with the working cavity of the chamber, while an electric load is connected in parallel with the chamber electrodes, the inventive generator further comprises a device in the formation of a weakly scattering stream of charged particles in the cavity of the hollow cathode opposite the anode.

В качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости катода напротив анода может быть использован источник магнитного поля.As a device for forming a weakly scattering stream of charged particles in the cathode cavity opposite the anode, a magnetic field source can be used.

В частном варианте реализации генератора источником магнитного поля может служить охватывающий газоразрядную камеру соленоид, причем полый катод, анод и соленоид расположены коаксиально.In a particular embodiment of the generator, the source of the magnetic field can be a solenoid enclosing a gas discharge chamber, the hollow cathode, anode and solenoid being located coaxially.

Согласно представлениям авторов, причина возникновения высокочастотных колебаний тока разряда с полым катодом заключается в развитии в разрядной плазме "излучательной" неустойчивости (название условное), механизм которой сходен с двухпотоковой или плазменно-пучковой неустойчивостью (Чен Ф. Введение в физику плазмы. - М.: Мир, 1987). Эта неустойчивость развивается вследствие взаимодействия формирующихся в прикатодном слое разряда высокоэнергетичных (быстрых) электронов с плазмой разряда, происходящего по мере движения электронов сквозь плазму (поступательно электроны движутся по направлению к аноду). Чем меньший угловой разброс скоростей имеет совокупность быстрых электронов, движущихся к аноду, тем более стабильным является существование излучательной неустойчивости и, следовательно, функционирование ВЧ-генератора. Нестабильность работы генератора является следствием рассеяния совокупности движущихся к аноду быстрых электронов из-за углового разброса начальных импульсов электронов. Следовательно, повысить стабильность работы генератора можно путем формирования из совокупности хаотично движущихся электронов плотного слаборассеивающегося потока электронов напротив анода и с помощью специально предусмотренного для этой цели устройства. Сформированный плотный поток электронов под действием электростатической силы будет направлен к аноду, облегчая тем самым реализацию механизма "излучательной" неустойчивости (то есть реализуется движение плотного потока заряженных частиц через плазму).According to the authors, the reason for the appearance of high-frequency oscillations of the discharge current with a hollow cathode is the development of “radiative” instability in the discharge plasma (the name is conditional), the mechanism of which is similar to two-stream or plasma-beam instability (Chen F. Introduction to plasma physics. - M. : World, 1987). This instability develops as a result of the interaction of high-energy (fast) electrons formed in the cathode layer of the discharge with the discharge plasma, which occurs as the electrons move through the plasma (the electrons progressively move towards the anode). The smaller the angular velocity spread has a collection of fast electrons moving towards the anode, the more stable is the existence of radiative instability and, therefore, the operation of the RF generator. The instability of the generator is a consequence of the scattering of a set of fast electrons moving toward the anode due to the angular spread of the initial electron momenta. Therefore, it is possible to increase the stability of the generator by forming a dense weakly scattering electron stream from the aggregate of randomly moving electrons opposite the anode and using a device specially provided for this purpose. The generated dense electron flow under the action of electrostatic force will be directed to the anode, thereby facilitating the implementation of the mechanism of "radiative" instability (that is, the movement of a dense stream of charged particles through the plasma is realized).

Авторам представляется, что одним из наиболее эффективных средств формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц является магнитное поле, что делает закономерным выбор в качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода источника магнитного поля.It seems to the authors that one of the most effective means of forming a weakly scattering stream of charged particles is a magnetic field, which makes it logical to choose a source of a magnetic field as a device for forming a weakly scattering stream of charged particles in a hollow cathode cavity.

На фиг.1 схематично изображен пример конструкции высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом, в котором предусмотрено устройство формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода.Figure 1 schematically shows an example of the design of a high-frequency generator based on a hollow cathode discharge, in which a device for forming a weakly scattering stream of charged particles in the hollow cathode cavity opposite the anode is provided.

Генератор содержит образующие газоразрядную камеру соосные друг другу полый катод 3 с открытой полостью и анод 4, расположенный напротив полости (замыкающий ее), вмонтированный в диэлектрический фланец 5, подключенную параллельно аноду и полому катоду электрическую нагрузку 6, источник питания 2, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему 7, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, а также устройство 7 формирования слаборассеивающегося потока заряженных частиц в полости полого катода напротив анода газоразрядной камеры. В качестве электрической нагрузки используется, как правило, антенная система. В качестве устройства формирования слаборассеивающегося потока электронов (источника магнитного поля) можно использовать, например, установленный коаксиально с полым катодом и анодом соленоид, создающий магнитное поле вдоль оси газоразрядной камеры.The generator comprises a gas-discharge chamber forming an open cavity, coaxial with each other, and an anode 4 located opposite the cavity (closing it), mounted in a dielectric flange 5, an electrical load 6 connected in parallel to the anode and the hollow cathode, a power supply 2, connected to the gas-discharge electrodes chamber, a vacuum system 7 in communication with the working chamber cavity, and also a device 7 for forming a weakly scattering stream of charged particles in the cavity of the hollow cathode opposite the anode of the gas discharge chamber EASURES. As an electric load, an antenna system is usually used. As a device for forming a weakly scattering electron flux (magnetic field source), for example, a solenoid mounted coaxially with a hollow cathode and anode can be used, which creates a magnetic field along the axis of the gas discharge chamber.

Генератор работает следующим образом. Производится откачка рабочего объема газоразрядной камеры до требуемого давления при помощи вакуумной системы 1. При подаче напряжения от источника питания 2 на электроды камеры 3, 4 происходит пробой газоразрядного промежутка и загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке 6, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Магнитное поле, генерируемое соленоидом 7, направлено вдоль оси газоразрядной камеры, а следовательно, сонаправлено с поступательным движением быстрых электронов по направлению к аноду. Направленное таким образом поле вынудит быстрые электроны дрейфовать вдоль оси камеры и воспрепятствует их движению к стенкам катода, то есть из совокупности достаточно хаотично движущихся быстрых электронов формируется слаборассеивающийся поток под воздействием электростатической силы, движущейся к аноду 4. Таким образом, магнитное поле содействует формированию плотного потока быстрых электронов вдоль оси камеры, что способствует дальнейшему развитию излучательной неустойчивости и соответственно стабильной работе генератора. На фиг.2 схематично изображен принцип создания потока электронов с помощью соленоида. Толстыми стрелками показаны начальные импульсы быстрых электронов, тонкими линиями - направления движения быстрых электронов под воздействием направленного вдоль оси камеры магнитного поля.The generator operates as follows. The working volume of the gas discharge chamber is pumped out to the required pressure using the vacuum system 1. When voltage is applied from the power supply 2 to the electrodes of the chamber 3, 4, the gas discharge gap is broken and a glowing gas discharge with a hollow cathode lights up, the high-frequency current oscillations of which cause high-frequency voltage fluctuations at an electric load 6, which, in turn, are a source of electromagnetic RF energy. The magnetic field generated by the solenoid 7 is directed along the axis of the gas discharge chamber, and therefore, is aligned with the translational motion of fast electrons towards the anode. A field directed in this way will force fast electrons to drift along the chamber axis and prevent them from moving toward the cathode walls, that is, a weakly scattering flux is formed from a combination of rather randomly moving fast electrons under the influence of an electrostatic force moving towards the anode 4. Thus, a magnetic field promotes the formation of a dense flux fast electrons along the axis of the chamber, which contributes to the further development of radiative instability and, accordingly, stable operation of the generator. Figure 2 schematically shows the principle of creating an electron flow using a solenoid. Thick arrows show the initial pulses of fast electrons, thin lines show the directions of motion of fast electrons under the influence of a magnetic field directed along the camera axis.

Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:The device in a specific implementation has the following parameters:

- давление воздуха в вакуумной камере (3÷8)·10^-2 Top;- air pressure in the vacuum chamber (3 ÷ 8) · 10 ^-2 Top;

- полый катод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра с одной торцевой стенкой (длина цилиндра 50 мм, внутренний диаметр 30 мм);- the hollow cathode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder with one end wall (cylinder length 50 mm, inner diameter 30 mm);

- 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;- the anode is made of stainless steel in the form of a cylinder with a diameter of 15 mm, the anode is located coaxially with the hollow cathode at a distance of 2 mm from its open end;

- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой 2÷8 кВ;- the power source provides a voltage pulse with an amplitude of 2 ÷ 8 kV;

- в качестве источника магнитного поля используется 1000-витковый соленоид (из провода ПЭЛШО 0,25) внутренним диаметром 80 мм, длиной 115 мм; при поддерживаемом на концах соленоида токе 0,22 А внутри него создается магнитное поле 1,4·10^-3 Тл.- a 1000-turn solenoid (from PELSHO 0.25 wire) with an internal diameter of 80 mm and a length of 115 mm is used as a source of magnetic field; with a current of 0.22 A supported at the ends of the solenoid, a magnetic field of 1.4 · 10 ^-3 T is created inside it.

В результате предложенного усовершенствования генератора экспериментально подтверждено повышение стабильности его работы за счет стабилизации во времени мощности каждого генерируемого импульса.As a result of the proposed improvement, the generator experimentally confirmed the increase in the stability of its operation due to the stabilization in time of the power of each generated pulse.

Claims

1. A high-frequency radiation generator based on a hollow cathode discharge, containing a gas discharge chamber formed by a hollow cathode facing the open cavity towards the anode isolated from it and closing the cavity, a power source connected to the electrodes of the gas discharge chamber, a vacuum system in communication with the working cavity the camera, while parallel to the electrodes of the camera is connected to an electrical load, characterized in that the generator further comprises a device for forming a low diffusing flow charged particles in the cavity of the hollow cathode opposite the anode.

2. The generator according to claim 1, characterized in that a magnetic field source is used as a device for forming a weakly scattering stream of charged particles in the cavity of the cathode opposite the anode.

3. The generator according to claim 2, characterized in that the source of the magnetic field is a solenoid enveloping the gas discharge chamber, the solenoid, hollow cathode and anode being located coaxially.