RU58785U1

RU58785U1 - HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE

Info

Publication number: RU58785U1
Application number: RU2005110530/28U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Викторович Вялых; Александр Евгеньевич Дубинов; Игорь Львович Львов; Сергей Александрович Садовой; Виктор Дмитриевич Селемир
Priority date: 2005-04-11
Filing date: 2005-04-11
Publication date: 2006-11-27

Abstract

Применение: высокочастотная техника, может быть использовано при создании генераторов высокочастотного излучения. Сущность: в высокочастотном генераторе на основе разряда с полым катодом, содержащем источник питания и вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод с открытой полостью и анод, расположенный напротив полости, подключенный к источнику питания, в отличие от известных устройств снаружи полого катода напротив выполненного в его стенке окна или внутри полости полого катода установлен по меньшей мере один плазменный инжектор.Application: high-frequency technology, can be used to create high-frequency radiation generators. Essence: in a high-frequency generator based on a hollow cathode discharge containing a power source and a vacuum chamber, in which a grounded hollow cathode with an open cavity and an anode located opposite the cavity, connected to a power source are located, in contrast to the known devices outside the hollow cathode opposite at least one plasma injector is installed in its window wall or inside the hollow cathode cavity.

Description

Изобретение относится к высокочастотно 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 (подробнее см. [1]: Москалев Б.И., Разряд с полым катодом, М.: Энергия, 1969) имеет характерную особенность - в процессе его развития на катодном слое возникают высокочастотные колебания напряжения, вызывающие модуляцию тока разряда. ВЧ колебания в разряде с полым катодом наблюдались в ряде. исследований, поэтому применение этих колебаний для целей генерации электромагнитного излучения является закономерным решением.A discharge with a hollow cathode (see [1] for more details: Moskalev BI, A discharge with a hollow cathode, Moscow: Energia, 1969) has a characteristic feature: during its development, high-frequency voltage fluctuations arise on the cathode layer, causing modulation of the discharge current . HF oscillations in a hollow cathode discharge were observed in a series. studies, therefore, the use of these oscillations for the purpose of generating electromagnetic radiation is a logical solution.

Известны высокочастотные генераторы на основе разряда с полым катодом, аналогичные данному изобретению (например, [2]: Arbel D., Bar-Lev Z., Felsteiner J., RosenbergA., Slutsker Ya. Z., "Periodic microwave spikes from a magnetic-field-free hollow-cathode discharge", Physical Review Letters, 1997, v.78, num.1, p.66-69), представляющие собой вакуумную камеру, внутри которой расположены полый катод с открытой полостью и анод, подключенный к источнику питания. При подаче с источника питания импульса напряжения в разрядном промежутке, образованном катодом и анодом, загорается газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компоненты колебаний тока разряда являются источником электромагнитного ВЧ излучения.Known high-frequency hollow-cathode discharge generators similar to this invention (for example, [2]: Arbel D., Bar-Lev Z., Felsteiner J., Rosenberg A., Slutsker Ya. Z., "Periodic microwave spikes from a magnetic -field-free hollow-cathode discharge ", Physical Review Letters, 1997, v. 78, num. 1, p. 66-69), which are a vacuum chamber inside which there is a hollow cathode with an open cavity and an anode connected to the source nutrition. When a voltage pulse is applied from the power source in the discharge gap formed by the cathode and the anode, a gas discharge with a hollow cathode lights up. The RF components of the oscillations of the discharge current are a source of electromagnetic RF radiation.

Прототипом заявляемого устройства является высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом [3] (Felsteiner J., Ish-Shalom S., Slutsker Ya. Z., "Optimized performance of a powerful hollow-cathode rf oscillator". Journal of Applied Physics, 1998, vol.83, num.6, p.2940-2943), содержащий источник питания и вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод с открытой полостью, и анод, подключенный к источнику питания. При подаче с источника питания импульса напряжения между полым катодом и анодом загорается тлеющий газовый разряд с полым катодом, ВЧ-колебания тока которого являются источником электромагнитного излучения.The prototype of the claimed device is a high-frequency generator based on a hollow cathode discharge [3] (Felsteiner J., Ish-Shalom S., Slutsker Ya. Z., "Optimized performance of a powerful hollow-cathode rf oscillator". Journal of Applied Physics, 1998, vol. 83, num.6, p.2940-2943) containing a power source and a vacuum chamber in which a grounded hollow cathode with an open cavity, and an anode connected to a power source are located. When a voltage pulse is applied from the power source between the hollow cathode and the anode, a glowing gas discharge with a hollow cathode lights up, the high-frequency current oscillations of which are a source of electromagnetic radiation.

Как утверждают авторы [3], предел КПД излучения приборов подобной конфигурации составляет 25%. Однако этой величины явно недостаточно для целого ряда случаев возможного применения таких устройств.According to the authors of [3], the radiation efficiency limit of devices of this configuration is 25%. However, this value is clearly not enough for a number of cases of the possible use of such devices.

Недостатком прибора, выбранного нами за прототип, следует считать его относительно невысокий предел КПД излучения.The disadvantage of the device we have chosen for the prototype should be considered its relatively low limit of radiation efficiency.

Технической задачей изобретения является создание высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом с более высоким по сравнению с прототипом КПД излучения.An object of the invention is the creation of a high-frequency generator based on a discharge with a hollow cathode with a higher radiation efficiency compared to the prototype.

Технический результат при использовании предлагаемого устройства заключается в увеличении КПД излучения.The technical result when using the proposed device is to increase the efficiency of radiation.

Этот результат достижим за счет того, что в высокочастотном генераторе с полым катодом, содержащем вакуумную камеру, в которой расположены заземленный полый катод с открытой полостью и анод, подключенный к источнику питания, предлагается установить снаружи полого катода напротив выполненного в его стенке окна или внутри полости полого катода по меньшей мере один плазменный инжектор.This result is achievable due to the fact that in a high-frequency hollow cathode generator containing a vacuum chamber in which a grounded hollow cathode with an open cavity and an anode connected to a power source are located, it is proposed to install outside the hollow cathode opposite the window made in its wall or inside the cavity hollow cathode at least one plasma injector.

Следует отметить, что КПД излучения подобных генераторов имеет обратную зависимость от сопротивления газового разряда, то есть одним из путей увеличения КПД генератора является уменьшение сопротивления разряда. В созданных к настоящему времени ВЧ генераторах на основе газового разряда с полым катодом реализован импульсный тлеющий разряд, уменьшить удельное сопротивление которого возможно несколькими способами. Один из них - значительно увеличить напряжение разряда. Однако этот путь явно не оптимален, так как он предполагает использование в качестве источников питания только генераторов весьма существенной мощности. На наш взгляд, более рациональным способом будет уменьшение сопротивления разряда путем инжекции в разрядный промежуток плазмы, создаваемой плазменными инжекторами. Тем самым мы дополнительно повышаем концентрацию заряженных частиц в промежутке, в результате чего увеличивается проводимость среды, а ее сопротивление соответственно уменьшается. Следствием уменьшения сопротивления разряда станет повышение КПД излучения генератора.It should be noted that the radiation efficiency of such generators has an inverse dependence on the resistance of the gas discharge, that is, one of the ways to increase the generator efficiency is to decrease the discharge resistance. In the RF hollow-cathode gas-discharge generators that have been created to date, a pulsed glow discharge is implemented, the resistivity of which can be reduced in several ways. One of them is to significantly increase the discharge voltage. However, this path is clearly not optimal, since it involves the use of only very substantial power generators as power sources. In our opinion, a more rational method would be to reduce the discharge resistance by injecting plasma created by plasma injectors into the discharge gap. Thus, we additionally increase the concentration of charged particles in the gap, as a result of which the conductivity of the medium increases, and its resistance decreases accordingly. The consequence of a decrease in discharge resistance will be an increase in the efficiency of the generator radiation.

Осуществить инжекцию плазмы в разрядный промежуток предлагается посредством использования в устройстве плазменного инжектора (в устройстве их может быть несколько) на основе разряда вдоль поверхности диэлектрика ([4]: Булычев С.В., Дубинов А.Е., Жданов B.C. и др., "Газоразрядная камера и инициированием разряда вспомогательным разрядом вдоль поверхности сегнетокерамики", ПТЭ, 1999, №3, с.116).It is proposed to carry out the injection of plasma into the discharge gap by using a plasma injector in the device (there can be several of them in the device) based on the discharge along the surface of the dielectric ([4]: Bulychev SV, Dubinov A.E., Zhdanov BC, etc., "A gas discharge chamber and initiation of a discharge by an auxiliary discharge along the surface of ferroceramics", PTE, 1999, No. 3, p.116).

Инжектор плазмы такого типа представляет собой систему из двух электродов, управляющего и заземленного, отделенных друг от друга диэлектрическим элементом. На управляющий электрод подается импульс управляющего напряжения, который в A plasma injector of this type is a system of two electrodes, control and grounded, separated from each other by a dielectric element. A control voltage pulse is applied to the control electrode, which

результате электровзрыва кромки одного из электродов создает поверхностный разряд вдоль диэлектрического элемента, иными словами, создает плазму. Как утверждают авторы [4], при использовании плазменного инжектора такого типа удельное сопротивление реализованного ими разряда составляло 200 Ом·см², в то время как при неработающем плазменном инжекторе эта величина равнялась 18 кОм·см².As a result of electric explosion, the edges of one of the electrodes create a surface discharge along the dielectric element, in other words, it creates a plasma. According to the authors of [4], when using a plasma injector of this type, the specific resistance of the discharge realized by them was 200 Ohm · cm ² , while with an idle plasma injector this value was 18 kΩ · cm ² .

На фиг. показан пример выполнения высокочастотного генератора на основе разряда с полым катодом.In FIG. An example of a high-frequency generator based on a hollow cathode discharge is shown.

Устройство содержит вакуумную камеру 8, в которой расположены заземленный полый катод 6 с открытой полостью и анод 7, расположенный напротив полости, подключенный к источнику питания 9, внутри полости полого катода установлен плазменный инжектор, включающий в себя управляющий электрод 5 и заземленный электрод 2, разделенные диэлектрическим элементом 4, управляющий электрод подключен к источнику управляющего напряжения 1.The device comprises a vacuum chamber 8 in which a grounded hollow cathode 6 with an open cavity and an anode 7 located opposite the cavity, connected to a power source 9 are located, a plasma injector is installed inside the cavity of the hollow cathode, including a control electrode 5 and a grounded electrode 2, separated dielectric element 4, the control electrode is connected to a source of control voltage 1.

В качестве параметров примера конкретного выполнения можно предложить следующие:As parameters of an example of a specific implementation, the following can be proposed:

- в вакуумной камере поддерживается давление порядка 5*10^-2 Торр;- the pressure in the order of 5 * 10 ^-2 Torr is maintained in the vacuum chamber;

- полый катод изготовлен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной торцевой стенкой, длина цилиндра 180 мм, внутренний диаметр 86 мм;- the hollow cathode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder with one end wall, cylinder length 180 mm, inner diameter 86 mm;

- анод изготовлен из нержавеющей стали в форме цилиндра диаметром 75 мм, он расположен коаксиально с полым катодом на расстоянии 20 мм от его открытого торца;- the anode is made of stainless steel in the form of a cylinder with a diameter of 75 mm, it is located coaxially with the hollow cathode at a distance of 20 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;

- диэлектрический элемент изготовлен из титаната-цирконата свинца;- the dielectric element is made of lead zirconate titanate;

- зазор между заземленным и управляющим электродами 2-4 мм;- the gap between the grounded and control electrodes 2-4 mm;

- источник управляющего напряжения обеспечивает импульс напряжения амплитудой 2-4 кВ.- the source of control voltage provides a voltage pulse with an amplitude of 2-4 kV.

Устройство работает следующим образом. В вакуумной камере 8 поддерживается необходимое для зажигания разряда давление. С источника питания 9 на анод 7 подается импульс напряжения. После того как с источника управляющего напряжения 1 на управляющий электрод 5 подается импульс высокого напряжения, в зазоре между управляющим и заземленным (2) электродами вдоль поверхности диэлектрического элемента 4 зажигается низковольтный сильноточный разряд. Изолятор 3 предотвращает развитие разряда вдоль обратной стороны диэлектрического элемента 4. Вследствие сил магнитного давления и гидродинамического расширения The device operates as follows. In the vacuum chamber 8, the pressure necessary to ignite the discharge is maintained. A voltage pulse is supplied from the power source 9 to the anode 7. After a high voltage pulse is supplied from the control voltage source 1 to the control electrode 5, a low-voltage high-current discharge is ignited in the gap between the control and grounded (2) electrodes along the surface of the dielectric element 4. The insulator 3 prevents the development of a discharge along the reverse side of the dielectric element 4. Due to the forces of magnetic pressure and hydrodynamic expansion

плазма с поверхности диэлектрического элемента 4 выталкивается в полость полого катода 6, благодаря чему сопротивление разряда между полым катодом 6 и анодом 7 существенно уменьшается. Таким образом, в устройстве реализован разряд с полым катодом, при этом колебания тока разряда являются источником электромагнитного излучения.plasma from the surface of the dielectric element 4 is pushed into the cavity of the hollow cathode 6, so that the discharge resistance between the hollow cathode 6 and the anode 7 is significantly reduced. Thus, the device implements a hollow cathode discharge, while the oscillations of the discharge current are a source of electromagnetic radiation.

Согласно сделанным нами теоретическим оценкам, КПД излучения заявляемого устройства должно достигать 55%.According to our theoretical estimates, the radiation efficiency of the claimed device should reach 55%.

Claims

A high-frequency generator based on a hollow cathode discharge, containing a power source and a vacuum chamber, in which a grounded hollow cathode with an open cavity and an anode located opposite the cavity, connected to a power source, characterized in that outside the hollow cathode opposite the window made in its wall, are located or at least one plasma injector is installed inside the cavity of the hollow cathode.