RU2707267C2 - High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge - Google Patents
High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2707267C2 RU2707267C2 RU2018101355A RU2018101355A RU2707267C2 RU 2707267 C2 RU2707267 C2 RU 2707267C2 RU 2018101355 A RU2018101355 A RU 2018101355A RU 2018101355 A RU2018101355 A RU 2018101355A RU 2707267 C2 RU2707267 C2 RU 2707267C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- discharge
- cavity
- frequency
- hollow
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
- H01J17/00—Gas-filled discharge tubes with solid cathode
- H01J17/02—Details
Abstract
Description
Изобретение относится к области высокочастотной техники и может быть использовано при создании генераторов высокочастотного (ВЧ) излучения.The invention relates to the field of 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 (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.A discharge with a hollow cathode [Moskalev BI, A discharge with a hollow cathode, M .: Energia, 1969] has the following peculiarity - under certain conditions (under certain geometric parameters of the cavity, with discharge gas pressures lying in a certain range, and when a certain threshold of the discharge current density is exceeded) 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], while the amplitude of the RF modulations of the discharge voltage can reach 100% of the value of the discharge voltage.
Известны генераторы ВЧ-импульсов 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, образованную полым катодом и изолированным от него анодом. Электроды камеры подключены к источнику питания. 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. К настоящему времени реализованы генераторы на основе разряда с полым катодом, в которых ВЧ-генерация происходит на частотах от 10 до 400 МГц, Частотные спектры ВЧ-импульсов, формируемых генераторами данного типа, как правило, являются достаточно узкими - их ширина не превьгшает самое большее нескольких МГц.Known RF generators based on a hollow cathode discharge, similar to this generator (for example, [Bulychev SV, Vyalykh D.V. Dubinov A.E. et al. "Results of studies of generators of powerful RF pulses based on a discharge with a hollow cathode ", Plasma Physics. 2009, v. 35, No. 11, p. 1019]) containing a gas discharge chamber formed by a hollow cathode and an anode isolated from it. The electrodes of the camera are connected to a power source. In the chamber, the pressure level of the working gas is required for igniting the discharge and implementing RF modulations of the discharge voltage. 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 is initiated. 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. To date, hollow-cathode discharge generators have been implemented in which the RF generation occurs at frequencies from 10 to 400 MHz. The frequency spectra of the RF pulses generated by this type of generator are usually quite narrow - their width does not exceed at most several MHz.
Прототипом заявляемого устройства является генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 134697, Вялых Д.В., Дубинов А.Е., Жданов В.С., 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. 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. 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.The prototype of the claimed device is a high-frequency pulse generator based on a discharge with a hollow cathode [RF Patent 134697, Vyalykh DV, Dubinov A.E., Zhdanov V.S., November 20, 2012, bull. No. 32] containing a gas discharge chamber formed by a hollow cathode and anode. The electrodes of the gas discharge chamber are connected to a power source. An electrical load is connected in parallel with the discharge circuit. In the chamber, the pressure level of the working gas is required for igniting the discharge and implementing RF modulations of the discharge voltage. 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 is initiated. HF modulations of the discharge voltage are the cause of HF voltage fluctuations at the electric load, which, in turn, are a source of HF electromagnetic energy. In this design variant, the anode is hollow in order to reduce the average breakdown time between the chamber electrodes, which results in an increase in the frequency stability of the RF pulses generated by the generator when it operates in a pulse-periodic mode.
В реализованных к настоящему времени приборах данного типа катодные полости имеют цилиндрическую форму, при этом основание цилиндра обращено к аноду. Частота ВЧ-импульсов, формируемых генераторами на основе разряда с полым катодом, зависит, в основном, от геометрических характеристик катодной полости [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], то есть, в первую очередь, от диаметра цилиндра. Практически во всех созданных к настоящему времени генераторах такого типа формируемые ВЧ-импульсы представлены гармоническими составляющими, заключенными в узких полосах частот, то есть частотные спектры ВЧ-импульсов являются узкими.In the devices of this type realized to date, the cathode cavities are cylindrical in shape, with the base of the cylinder facing the anode. The frequency of the RF pulses generated by the hollow-cathode discharge generators mainly depends on the geometric characteristics of the cathode cavity [Bulychev SV, Vyalykh DV, Dubinov A.E. et al., “Results of studies of high-frequency RF pulse generators based on a hollow cathode discharge”, Plasma Physics. 2009, t. 35, No. 11, p. 1019], that is, primarily from the diameter of the cylinder. In almost all generators of this type created to date, the generated RF pulses are represented by harmonic components enclosed in narrow frequency bands, that is, the frequency spectra of the RF pulses are narrow.
Однако в некоторых областях применения ВЧ-генераторов на основе разряда с полым катодом узкий частотный спектр может являться недостатком - требуется как можно более широкий частотный спектр генерации (пусть и в ущерб мощности генерации). Таким образом, встает задача разработки конструкции генераторов, обладающих широким частотным спектром генерации.However, in some applications of hollow-cathode-based RF generators, a narrow frequency spectrum may be a drawback - the widest possible frequency spectrum of generation is required (albeit to the detriment of the generation power). Thus, the challenge arises of developing the design of generators with a wide frequency spectrum of generation.
Технической проблемой является создание генератора, высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, формирующего ВЧ-импульсы с широким частотным спектром генерации.The technical problem is the creation of a generator, high-frequency pulses based on a hollow-cathode discharge, which generates RF pulses with a wide frequency spectrum of generation.
Техническим результатом является увеличение ширины частотного спектра ВЧ-импульсов, генерируемых ВЧ-генератором на основе разряда с полым катодом, за счет изменения формы катодной полости.The technical result is to increase the width of the frequency spectrum of the RF pulses generated by the RF generator based on a hollow cathode discharge by changing the shape of the cathode cavity.
Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, образованную полым катодом и анодом, к электродам камеры подключены источник питания и электрическая нагрузка, в предложенном генераторе полость выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение.This technical result is achievable due to the fact that, in comparison with a high-frequency radiation generator based on a hollow cathode discharge containing a gas discharge chamber formed by a hollow cathode and anode, a power source and an electric load are connected to the chamber electrodes, in the proposed generator the cavity is made in the shape of a figure having a variable cross section.
В частном варианте реализации полость катода имеет коническую форму.In a particular embodiment, the cathode cavity has a conical shape.
Как указано выше, принцип действия генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом основан на ВЧ-модуляции разрядного напряжения при горении так называемого «разряда с полым катодом» [Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, - М.: Энергия, 1969; Райзер Ю.П., Физика газового разряда, - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2009]. Разряд с полым катодом характеризуется тем, что электроны, вылетающие с поверхности катодной полости, не летят прямо к аноду, а, двигаясь к нему поступательно, совершают многократные колебательные движения в плоскостях поперечных сечений катодной полости (т.е., в плоскостях, секущих катодную полость под прямым углом к продольной оси полости). Согласно экспериментальным исследованиям авторов, частота модуляции разрядного напряжения, определяющая частотный спектр генерации, зависит от частоты колебаний электронов в плоскости поперечного сечения полости катода. Частота же колебаний электронов в плоскости поперечного сечения катодной полости имеет зависимость от длины траектории колебательных движений, совершаемых электронами. В свою очередь, длина траектории колебательных движений напрямую связана с геометрическими размерами поперечного сечения полости катода, в частности, с его площадью.As indicated above, the principle of operation of a high-frequency pulse generator based on a hollow-cathode discharge is based on the RF modulation of the discharge voltage during combustion of the so-called “hollow-cathode discharge” [Moskalev BI, Hollow-cathode discharge, - M .: Energy, 1969; Raizer Yu.P., Gas Discharge Physics, Dolgoprudny: Intellect Publishing House, 2009]. A hollow cathode discharge is characterized by the fact that the electrons flying out from the surface of the cathode cavity do not fly directly to the anode, but, moving toward it progressively, make multiple oscillatory movements in the planes of the cross sections of the cathode cavity (i.e., in planes that cut the cathode cavity at right angles to the longitudinal axis of the cavity). According to the experimental studies of the authors, the frequency of modulation of the discharge voltage, which determines the frequency spectrum of the generation, depends on the frequency of oscillations of electrons in the plane of the cross section of the cathode cavity. The frequency of oscillations of electrons in the plane of the cross section of the cathode cavity has a dependence on the length of the trajectory of vibrational movements made by the electrons. In turn, the length of the trajectory of vibrational movements is directly related to the geometric dimensions of the cross section of the cathode cavity, in particular, to its area.
Наиболее тривиальной формой катодной полости, как указано выше, является цилиндрическая - поперечные сечения имеют форму окружности постоянного диаметра относительно продольной оси, то есть площадь поперечного сечения постоянна относительно продольной оси катодной полости. Таким образом, в данной конструкции частота колебаний электронов в плоскостях поперечного сечения катодной полости постоянна, и генератор формирует ВЧ-импульс представленный гармоническими составляющими, заключенными в узкой полосе частот.The most trivial form of the cathode cavity, as indicated above, is cylindrical — the cross sections are in the form of a circle of constant diameter relative to the longitudinal axis, that is, the cross-sectional area is constant relative to the longitudinal axis of the cathode cavity. Thus, in this design, the frequency of electron vibrations in the planes of the cross section of the cathode cavity is constant, and the generator generates an RF pulse represented by harmonic components enclosed in a narrow frequency band.
Но если полость катода будет выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение (площадь поперечного сечения полости в разных секущих плоскостях различна), колебания электронов в плоскостях поперечного сечения катодной полости будут происходить на разных частотах, то есть частотный спектр импульса будет занимать гораздо более широкую полосу частот.But if the cathode cavity is made in the form of a figure having a variable cross-section (the cross-sectional area of the cavity is different in different cutting planes), the oscillations of the electrons in the cross-sectional planes of the cathode cavity will occur at different frequencies, that is, the frequency spectrum of the pulse will occupy a much wider frequency band.
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. К электродам камеры подключены источник питания 4 и электрическая нагрузка 5. Полость катода выполнена в конической форме.An example of the design of a hollow-cathode discharge RF generator is shown in FIG. The gas discharge chamber of the generator is formed by electrodes — a
ВЧ-генератор работает следующим образом. В газоразрядной камере поддерживается уровень давления рабочего газа, требуемый для зажигания газового разряда между электродами данной конфигурации. 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). Так как полость катода 1 выполнена в форме фигуры, имеющей переменное поперечное сечение - выполнена в конической форме, длины траекторий колебательных движений электронов в разных плоскостях поперечных сечений различны (на фиг. траектории колебательных движений электронов в различных сечениях относительно продольной оси катодной полости схематично показаны линиями со стрелками), колебания электронов в зависимости от их положения относительно продольной оси полости происходят на разных частотах. Следствием этого является то, что спектр формируемого импульса содержит в себе множество частот, то есть является широким по сравнению с прототипом.The RF generator operates as follows. In the gas discharge chamber, the working gas pressure level required to ignite the gas discharge between the electrodes of this configuration is maintained. When starting the
Устройство в конкретном выполнении имеет следующие параметры:The device in a specific implementation has the following parameters:
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме усеченного полого конуса с одной открытой торцевой стенкой, являющейся основанием конуса, протяженность полости 50 мм, диаметр основания конуса 25 мм, диаметр дна полости 15 мм.- The cathode is made of stainless steel in the form of a truncated hollow cone with one open end wall, which is the base of the cone, the length of the cavity is 50 mm, the diameter of the base of the cone is 25 mm, the diameter of the bottom of the cavity is 15 mm.
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра диаметром 25 мм.- The anode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder with a diameter of 25 mm.
- Газоразрядная камера заполнена воздухом или аргоном при давлении порядка 10-1 Тор,- The gas discharge chamber is filled with air or argon at a pressure of the order of 10 -1 Torr,
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 3÷5 кВ.- The power source provides voltage pulses with an amplitude of 3 ÷ 5 kV at the output.
Согласно результатам пробных экспериментальных исследований, спектр частот ВЧ-импульеа генератора на основе разряда с полым катодом, выполненного в соответствии с указанными условиями, имеет ширину 40 МГц (от 110 до 150 МГц), в то время как в генераторе-прототипе, при использовании катода с полостью в форме цилиндра основанием 25 мм, высотой 50 мм. спектр частот ВЧ-импульеа имеет ширину 2 МГц (от 118 до 120 МГц).According to the results of pilot experimental studies, the frequency spectrum of the RF pulse of the generator based on a hollow cathode discharge, made in accordance with the indicated conditions, has a width of 40 MHz (from 110 to 150 MHz), while in the prototype generator, when using the cathode with a cavity in the form of a cylinder with a base of 25 mm, a height of 50 mm. the frequency spectrum of the HF pulse has a width of 2 MHz (from 118 to 120 MHz).
Таким образом, ширина спектра импульса, сформированного генератором, реализованным согласно заявляемому техническому решению, гораздо шире, чем ширина спектра импульса, сформированного генератором-прототипом, за счет изменения формы катодной полости, то есть требуемый технический результат можно считать достигнутым.Thus, the width of the spectrum of the pulse generated by the generator implemented according to the claimed technical solution is much wider than the width of the spectrum of the pulse generated by the prototype generator by changing the shape of the cathode cavity, that is, the required technical result can be considered achieved.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018101355A RU2707267C2 (en) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018101355A RU2707267C2 (en) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2018101355A RU2018101355A (en) | 2019-07-16 |
| RU2018101355A3 RU2018101355A3 (en) | 2019-09-19 |
| RU2707267C2 true RU2707267C2 (en) | 2019-11-26 |
Family
ID=67308233
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018101355A RU2707267C2 (en) | 2018-01-15 | 2018-01-15 | High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2707267C2 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040212311A1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-10-28 | Roman Chistyakov | High-density plasma source |
| RU2335032C1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | High-frequency generator built around hollow arc-cathode |
| US20090121629A1 (en) * | 2005-06-02 | 2009-05-14 | Viktor Dmitrievich Bochkov | Controllable Gas-Discharge Device |
| RU134697U1 (en) * | 2013-04-30 | 2013-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge |
| RU2522894C2 (en) * | 2012-08-24 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Hollow-cathode discharge-based high-frequency radiation generator (versions) |
-
2018
- 2018-01-15 RU RU2018101355A patent/RU2707267C2/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20040212311A1 (en) * | 2003-04-22 | 2004-10-28 | Roman Chistyakov | High-density plasma source |
| US20090121629A1 (en) * | 2005-06-02 | 2009-05-14 | Viktor Dmitrievich Bochkov | Controllable Gas-Discharge Device |
| RU2335032C1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-27 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | High-frequency generator built around hollow arc-cathode |
| RU2522894C2 (en) * | 2012-08-24 | 2014-07-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" | Hollow-cathode discharge-based high-frequency radiation generator (versions) |
| RU134697U1 (en) * | 2013-04-30 | 2013-11-20 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2018101355A (en) | 2019-07-16 |
| RU2018101355A3 (en) | 2019-09-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6408052B1 (en) | Z-pinch plasma X-ray source using surface discharge preionization | |
| JPS6335117B2 (en) | ||
| CA2706952A1 (en) | Interrupted particle source | |
| RU134697U1 (en) | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge | |
| US2466063A (en) | High-power high-frequency electron discharge apparatus | |
| Yu-Wei et al. | A compact magnetically insulated line oscillator with new-type beam dump | |
| RU2707267C2 (en) | High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge | |
| RU2624000C2 (en) | Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode | |
| RU2497225C2 (en) | Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode | |
| RU2387039C1 (en) | High-frequency generator with discharge in hollow cathode | |
| US2748277A (en) | Magnetron noise generators | |
| RU2605202C1 (en) | High-frequency radiation generator based on discharge with hollow cathode | |
| RU2683962C1 (en) | Open-chamber for generator of high-frequency pulse based on discharge with hollow cathode | |
| RU2657240C1 (en) | Generator of high frequency pulses on the basis of discharge with full cathode | |
| RU145556U1 (en) | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge | |
| RU2751542C1 (en) | Gas-discharge generator of high-frequency pulses | |
| RU2522894C2 (en) | Hollow-cathode discharge-based high-frequency radiation generator (versions) | |
| RU58785U1 (en) | HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE | |
| RU178906U1 (en) | HIGH-FREQUENCY PULSE GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge | |
| RU164563U1 (en) | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge | |
| Dubinov et al. | Ultraminiature pulsed periodic generator of powerful microwave pulses, based on gas discharge in hollow cathode | |
| RU2444805C1 (en) | Microwave generator based on virtual cathode | |
| RU196815U1 (en) | SEPARATED CAMERA FOR A DISCHARGE GENERATOR OF HIGH FREQUENCY PULSES | |
| RU2722228C1 (en) | High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge | |
| US1959019A (en) | Microray tube |