RU2497225C2

RU2497225C2 - Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode

Info

Publication number: RU2497225C2
Application number: RU2012100143/07A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Викторович Вялых; Александр Евгеньевич Дубинов; Виктор Станиславович Жданов; Игорь Львович Львов; Сергей Александрович Садовой; Виктор Дмитриевич Селемир
Priority date: 2012-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2013-10-27
Also published as: RU2012100143A

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: generator of HF emission based on a discharge with a hollow cathode includes a gas-discharge chamber including a hollow cathode and an anode insulated from it, a power supply connected to electrodes of the gas-discharge chamber, a vacuum chamber interconnected with the working cavity of the chamber; with that, parallel to the chamber electrodes there connected is an electric load, and a section of surface of hollow cathode, which faces the anode and is opposite to it, is made from non-conducting material.

EFFECT: increase of values of duration of HF energy pulses formed on the generator electric load by increasing the time of discharge existence in a volumetric shape.

3 cl, 1 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 следующую особенность - при определенных условиях (то есть при определенных геометрических параметрах полости, при давлении разрядного газа, лежащем в определенном диапазоне и при превышении плотностью тока разряда определенного значения) 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. - Р.2919).A discharge with a hollow cathode [Moskalev BI, A discharge with a hollow cathode, M., Energia, 1969) has the following peculiarity - under certain conditions (that is, under certain geometric parameters of the cavity, at a discharge gas pressure lying in a certain range and at exceeding the discharge current density by a value) during its development, the RF modulation of the discharge voltage occurs (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, генераторы ВЧ-излучения 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 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 напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.Known, RF generators based on a hollow cathode discharge, similar to the claimed generator (for example, Vyalykh DV, Dubinov A.E., Lvov I.L. et al. "Powerful high-frequency pulse generator based on a hollow cathode discharge ", Instruments and experimental equipment, 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 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 fluctuations in the discharge voltage 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 генератор ВЧ-излучения 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. К аноду и полому катоду параллельно подключена электрическая нагрузка.The prototype of the inventive generator is a generator of RF radiation 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 Radiophysics, 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. 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 напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Вакуумная система обеспечивает необходимый уровень давления в газоразрядной камере.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 voltage fluctuations which cause the RF voltage fluctuations at the electric load, which, in turn, are the source of the electromagnetic RF energy. The vacuum system provides the required pressure level in the gas discharge chamber.

Согласно проведенным исследованиям (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.), длительность рабочего импульса генераторов ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом равняется длительности горения разряда в объемной форме, окончанию импульса генерации соответствует переход разряда из объемной стадии в шнуровую, т.е. из тлеющей формы в дугу (см. Райзер Ю.П., Физика газового разряда, М., Наука, 1992, Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, М., Энергия, 1969,). При значениях тока разряда, необходимых для эффективного функционирования ВЧ-генераторов, переход разряда в дуговую форму происходит со стопроцентной вероятностью. Чем выше ток разряда (ток необходимо повышать для достижения максимально возможной мощности импульса ВЧ-генерации), тем меньше время горения разряда в объемной стадии.According to the research (see Bulychev S.V. Vyalykh D.V. Dubinov A.E. et al. "Results of studies of high-frequency RF pulsed generators based on a hollow-cathode discharge" Plasma Physics. 2009, v. 35, No. 11, p. 1019.), The duration of the working pulse of RF generators based on a hollow cathode discharge is equal to the duration of the discharge burning in volume form, the end of the generation pulse corresponds to the transition of the discharge from the volume stage to the cord stage, i.e. from a smoldering form to an arc (see Reiser Yu.P., Physics of gas discharge, M., Nauka, 1992, Moskalev B.I., Hollow cathode discharge, M., Energia, 1969,). When the discharge current is necessary for the efficient operation of the RF generators, the transition of the discharge into an arc form occurs with one hundred percent probability. The higher the discharge current (the current must be increased to achieve the maximum possible pulse power of the RF generation), the shorter the discharge burning time in the volume stage.

Недостатком описанных выше генераторов ВЧ-излучения можно считать то, что длительность рабочего импульса устройств такого типа ограничена временем горения разряда в объемной форме. Это обуславливает ограничение энергии ВЧ-импульса и, в свою очередь, эффективности применения генераторов.The disadvantage of the above RF generators can be considered that the duration of the working pulse of devices of this type is limited by the burning time of the discharge in bulk. This leads to a limitation of the energy of the RF pulse and, in turn, the efficiency of the use of generators.

Задачей изобретения является существенное увеличение энергии импульсов ВЧ-излучения, формируемых генератором ВЧ-излучения заявляемого типа, за счет увеличения длительности импульсов.The objective of the invention is a significant increase in the energy of the pulses of RF radiation generated by the RF generator of the claimed type, by increasing the duration of the pulses.

Технический результат заключается в увеличении в несколько раз значений длительности импульсов ВЧ-энергии, формируемых на электрической нагрузке генератора, путем увеличения времени существования разряда в объемной форме.The technical result consists in increasing by several times the values of the duration of the RF energy pulses generated on the electric load of the generator by increasing the lifetime of the discharge in bulk.

Этот результат достижим за счет того, что по сравнению с известным генератором ВЧ-излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, включающую в себя полый катод и изолированный от него анод, источник питания, подключенный к электродам газоразрядной камеры, вакуумную систему, сообщающуюся с рабочей полостью камеры, при этом параллельно электродам камеры подключена электрическая нагрузка, в заявляемом генераторе обращенный к аноду и противоположный ему участок поверхности полого катода выполнен из непроводящего материала.This result is achievable due to the fact that compared with the known RF generator based on a hollow cathode discharge containing a gas discharge chamber including a hollow cathode and an anode isolated from it, a power source connected to the electrodes of the gas discharge chamber, a vacuum system, communicating with the working cavity of the chamber, while an electric load is connected parallel to the electrodes of the chamber, in the inventive generator facing the anode and the opposite portion of the surface of the hollow cathode is made of non-conductive his material.

В большинстве случаев катодная часть дуги формируется на обращенном к аноду участке поверхности полого катода в области середины дна катодной полости (зоне наиболее вероятного образования дуги разряда). Значит, выполнив обращенный к аноду и противоположный рабочей поверхности анода участок поверхности полого катода из непроводящего материала, можно предотвратить или, во всяком случае, замедлить процесс шнурования разряда. Это может существенно увеличить время существования разряда в объемной форме, что, в свою очередь, позволит повысить длительность импульса генерации.In most cases, the cathode part of the arc is formed on the surface portion of the hollow cathode facing the anode in the region of the middle of the bottom of the cathode cavity (the zone of the most probable discharge arc formation). This means that by performing a portion of the surface of the hollow cathode made of a non-conductive material facing the anode and opposite to the working surface of the anode, it is possible to prevent or, in any case, slow down the discharge cords. This can significantly increase the lifetime of the discharge in bulk, which, in turn, will increase the duration of the lasing pulse.

На фиг. показан пример конструкции заявляемого генератора высокочастотного излучения.In FIG. shows an example of the design of the inventive high-frequency radiation generator.

Газоразрядная камера образована электродами: полым катодом 1 и анодом 2, разделенными изолятором 3. К электродам газоразрядной камеры подключен источник питания 4. Параллельно полому катоду и аноду подключена электрическая нагрузка 5, тип которой зависит от целей использования генератора ВЧ-излучения. Как правило, в качестве электрической нагрузки используется система излучения генерируемых ВЧ-импульсов в пространство. Обращенный к аноду и противоположный рабочей поверхности анода участок поверхности полого катода 7 выполнен из непроводящего материала. Рабочая полость камеры сообщается с вакуумной системой 6.The gas discharge chamber is formed by electrodes: a hollow cathode 1 and anode 2 separated by an insulator 3. A power supply 4 is connected to the electrodes of the gas discharge chamber 4. An electric load 5 is connected in parallel with the hollow cathode and anode, the type of which depends on the purpose of using the RF radiation generator. As a rule, a system of radiation of generated RF pulses into space is used as an electrical load. The surface portion of the hollow cathode 7 facing the anode and opposite to the working surface of the anode is made of non-conductive material. The working cavity of the chamber communicates with the vacuum system 6.

Генератор ВЧ-излучения работает следующим образом. При помощи вакуумной системы 6 в газоразрядной камере устанавливается необходимый уровень давления рабочего газа. При подаче напряжения от источника питания 4 на электроды камеры 1, 2 происходит пробой газоразрядного промежутка и загорается газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания напряжения которого являются причиной ВЧ-колебаний напряжения на электрической нагрузке 5, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. За счет того, что обращенный к аноду и противоположный его рабочей поверхности участок поверхности полого катода 7 выполнен из непроводящего материала, процесс шнурования разряда затруднен, и время горения разряда в объемной стадии существенно повышается. Следовательно, существенно повышается и длительность ВЧ-импульса.The RF radiation generator operates as follows. Using a vacuum system 6 in the gas discharge chamber, the required pressure level of the working gas is set. When voltage is applied from the power source 4 to the electrodes of the chamber 1, 2, a breakdown of the gas-discharge gap occurs and a gas discharge with a hollow cathode lights up, the high-frequency voltage fluctuations which cause the high-frequency voltage fluctuations at the electric load 5, which, in turn, are the source of electromagnetic RF energy. Due to the fact that the surface portion of the hollow cathode 7 facing the anode and opposite to its working surface is made of non-conductive material, the discharge casing process is difficult, and the discharge burning time in the volume stage is significantly increased. Consequently, the RF pulse duration also increases significantly.

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

- полый катод выполнен из нержавеющей стали в виде полого цилиндра (длина цилиндра 50 мм, внутренний диаметр 30 мм) с одной торцевой стенкой (дно катодной полости), участок внутренней (обращенной к аноду) поверхности которой в области, противоположной аноду, выполнен из фторопласта;- the hollow cathode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder (cylinder length 50 mm, inner diameter 30 mm) with one end wall (the bottom of the cathode cavity), a portion of the inner (facing the anode) surface of which in the region opposite the anode is made of fluoroplastic ;

- 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;

- вакуумная система обеспечивает остаточное давление в газоразрядной камере (7÷9)*10^-2 Top;- the vacuum system provides a residual pressure in the gas discharge chamber (7 ÷ 9) * 10 ^-2 Top;

- источник питания обеспечивает импульс напряжения амплитудой до 4кВ.- the power source provides a voltage pulse with an amplitude of up to 4kV.

Предварительные исследования показали возможность увеличения длительности излучаемого генератором высокочастотного электромагнитного излучения до пяти раз за счет увеличения времени существования разряда в объемной форме.Preliminary studies have shown the possibility of increasing the duration of high-frequency electromagnetic radiation emitted by the generator up to five times by increasing the lifetime of the discharge in bulk.

Таким образом, реализация предложенного устройства за счет его усовершенствования позволит успешно решить поставленную задачу.Thus, the implementation of the proposed device due to its improvement will successfully solve the problem.

Claims

1. A high-frequency radiation generator based on a hollow cathode discharge, comprising a gas discharge chamber including a hollow cathode and an anode isolated from it, a power source connected to the hollow cathode and the anode of the gas discharge chamber, a vacuum system in communication with the working chamber cavity, an electric load is connected parallel to the chamber electrodes, characterized in that the surface portion of the hollow cathode facing the anode and opposite to it is made of non-conductive material.

2. The generator according to claim 1, characterized in that the hollow cathode is made in the form of a hollow cylinder with one end wall.

3. The generator according to claim 1, characterized in that the anode is located coaxially with the hollow cathode at the open end of the cavity.