RU2717091C1 - High-frequency pulse gas-discharge generator - Google Patents
High-frequency pulse gas-discharge generator Download PDFInfo
- Publication number
- RU2717091C1 RU2717091C1 RU2019129776A RU2019129776A RU2717091C1 RU 2717091 C1 RU2717091 C1 RU 2717091C1 RU 2019129776 A RU2019129776 A RU 2019129776A RU 2019129776 A RU2019129776 A RU 2019129776A RU 2717091 C1 RU2717091 C1 RU 2717091C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- gas
- discharge chamber
- discharge
- electrodes
- generator
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 4
- 238000001816 cooling Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 12
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 11
- 238000013461 design Methods 0.000 description 11
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 3
- 244000309464 bull Species 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
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
Landscapes
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
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 значениях давления разрядного газа, лежащих в определенном диапазоне, и при величинах плотности тока разряда, превышающих некоторое пороговое значение) 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 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 (that is, under certain geometric parameters of the cavity, with discharge gas pressures lying in a certain range , and at values of the discharge current density exceeding a certain threshold value) in the process of its development, 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 can reach 100% of the discharge voltage.
Известны газоразрядные генераторы ВЧ-импульсов на основе разряда с полым катодом, аналогичные заявляемому генератору [Булычев С.В., Вялых Д.В., Рубинов 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»], содержащие газоразрядную камеру, систему формирования газовой среды, источник питания и электрическую нагрузку. Газоразрядная камера образована полым катодом и изолированным от него анодом, электроды подсоединены к источнику питания. С помощью системы формирования газовой среды в камере устанавливается уровень давления рабочего газа, требуемый для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда с полым катодом. При подаче с источника питания на электроды газоразрядной камеры импульса высокого напряжения в промежутке между полым катодом и анодом (газоразрядном промежутке) инициируется газовый разряд с полым катодом. Блок электрической нагрузки, содержащий электрическое сопротивление, включен между электродами газоразрядной камеры, то есть параллельно газоразрядной цепи. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрическом сопротивлении блока нагрузки, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.Known gas-discharge generators of RF pulses based on a discharge with a hollow cathode, similar to the claimed generator [Bulychev S.V., Vyalykh D.V., Rubinov 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; RF patent 134697, publ. 11/20/2013, bull. No. 32, Vyalykh D.V., Dubinov A.E., Zhdanov B.C. et al., “Hollow-cathode discharge high-frequency radiation generator”], containing a gas discharge chamber, a gas medium formation system, a power source, and an electrical load. The gas discharge chamber is formed by a hollow cathode and an anode isolated from it, the electrodes are connected to a power source. Using the system for forming a gas medium in the chamber, the working gas pressure level is established, which is required for the implementation of RF modulations of the discharge voltage during ignition of a hollow cathode discharge. When a high voltage pulse is applied from the power source to the electrodes of the gas discharge chamber in the gap between the hollow cathode and the anode (gas discharge gap), a gas discharge with a hollow cathode is initiated. An electric load unit containing electrical resistance is connected between the electrodes of the gas discharge chamber, that is, parallel to the gas discharge circuit. The RF component of the oscillations of the discharge voltage is the cause of the RF oscillations of the voltage at the electrical resistance of the load unit, which, in turn, are the source of electromagnetic RF energy.
Несомненным достоинством ВЧ-генераторов данного типа, по сравнению с другими ВЧ-приборами, обеспечивающими аналогичные характеристики генерируемых ВЧ-импульсов, является их компактность.The undoubted advantage of RF generators of this type, in comparison with other RF devices that provide similar characteristics of generated RF pulses, is their compactness.
При использовании генераторов данного типа в импульсно-периодических режимах с достаточно высокими частотами следования импульсов (сотни Гц и выше) и при долговременных включениях (десятки секунд и больше) в газоразрядной электрической цепи, основными элементами которой являются электроды газоразрядной камеры и газоразрядный промежуток между ними, потребляется весьма существенное количество энергии. Значительная часть этой энергии расходуется на нагревание электродов (зафиксированы случаи нагрева на многие сотни градусов °С). Тепловая энергия от электродов передается контактирующим с ними неметаллическим элементам конструкции генератора, таким, как изолятор между анодом и полым катодом, вакуумные уплотнители, разделительный конденсатор блока нагрузки (выполняющий роль ВЧ-фильтра). Сильный нагрев этих элементов может привести к их деформации (при плавлении пластмассы или резины) или механическому разрушению (при растрескивании керамики), что станет причиной функционального сбоя всего устройства и потребует ремонта либо замены генератора. При этом в атмосферный воздух, окружающий газоразрядную камеру, тепловая энергия, выделяющаяся на электродах, передается довольно низкими темпами, так как воздух обладает невысокой теплопроводностью.When using generators of this type in pulse-periodic modes with sufficiently high pulse repetition rates (hundreds of Hz and above) and with long-term switching on (tens of seconds or more) in a gas-discharge electric circuit, the main elements of which are the electrodes of the gas-discharge chamber and the gas-discharge gap between them, a very significant amount of energy is consumed. A significant part of this energy is spent on heating the electrodes (cases of heating by many hundreds of degrees ° C have been recorded). Thermal energy from the electrodes is transferred to the non-metallic elements of the generator structure in contact with them, such as an insulator between the anode and the hollow cathode, vacuum seals, a separation capacitor of the load unit (acting as an high-pass filter). Strong heating of these elements can lead to their deformation (during melting of plastic or rubber) or mechanical destruction (during cracking of ceramics), which will cause a functional failure of the entire device and require repair or replacement of the generator. At the same time, the thermal energy released on the electrodes is transmitted to the atmospheric air surrounding the gas-discharge chamber at a rather low rate, since the air has a low thermal conductivity.
Прототипом заявляемого устройства является газоразрядный генератор высокочастотного излучения на основе разряда с полым катодом [С.В. Булычев, А.Е. Дубинов, Д.В. Вялых и др., Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов, ПТЭ, 2011, №5, с. 106-110]. Генератор содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, систему формирования газовой среды, а также источник питания и блок электрической нагрузки. Система формирования газовой среды сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры, включающим в себя полость катода и газоразрядный промежуток между электродами. Один из электродов газоразрядной камеры подсоединен к высоковольтной шине источника питания, другой - к нулевой шине. Блок нагрузки, содержащий электрическое сопротивление, включен между электродами газоразрядной камеры, контакт блока нагрузки с электродом, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода. Обратный токопровод представляет собой проводник с малым электрическим сопротивлением, выполненный в виде оболочки, внутри которой расположены электрод камеры, подсоединенный к высоковольтной шине источника питания, и промежуток между электродами. Пространство, заполненное атмосферным воздухом и заключенное между внутренними поверхностями обратного токопровода и внешними поверхностями электрода, подсоединенного к высоковольтной шине источника питания, является изолятором между ними. Система формирования газовой среды заполняет внутреннее пространство камеры рабочим газом, давление газа соответствует уровню, требуемому для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда в промежутке между катодом и анодом.The prototype of the claimed device is a gas-discharge generator of high-frequency radiation based on a discharge with a hollow cathode [S.V. Bulychev, A.E. Dubinov, D.V. Vyalykh et al., Pulse-periodic generator based on a discharge with a hollow cathode and an antenna system for the emission of powerful radio pulses, PTE, 2011, No. 5, p. 106-110]. The generator contains a gas discharge chamber formed by a hollow cathode and an anode isolated from it, a system for forming a gas medium, as well as a power source and an electric load unit. The system for forming a gaseous medium is in communication with the interior of the gas discharge chamber, including a cathode cavity and a gas discharge gap between the electrodes. One of the electrodes of the gas discharge chamber is connected to the high-voltage bus of the power source, the other to the zero bus. A load block containing electrical resistance is connected between the electrodes of the gas discharge chamber; the contact of the load block with the electrode connected to the zero bus is arranged by means of a reverse current conductor. The return conductor is a conductor with low electrical resistance, made in the form of a sheath, inside which there is a camera electrode connected to the high-voltage bus of the power source, and the gap between the electrodes. The space filled with atmospheric air and enclosed between the internal surfaces of the reverse current path and the external surfaces of the electrode connected to the high voltage bus of the power supply is an insulator between them. The system of forming a gas medium fills the inner space of the chamber with working gas, the gas pressure corresponds to the level required for the implementation of RF modulations of the discharge voltage during ignition of the discharge in the gap between the cathode and anode.
При подаче на электроды камеры импульса высокого напряжения от источника питания в промежутке между полым катодом и анодом инициируется газовый разряд с полым катодом. Разрядная цепь включает в себя электроды камеры и промежуток между ними (в этом промежутке горит газовый разряд), блок электрической нагрузки, элементы электрических соединений и обратный токопровод. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения на электрическом сопротивлении блока нагрузки, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии. Выполнение обратного токопровода в виде оболочки, внутри которой размещены основные элементы разрядной цепи, значительно снижает индуктивное сопротивление газоразрядной цепи и позволяет существенно уменьшить паразитное рассеяние ВЧ-энергии, передаваемой в блок нагрузки (идея денной конструкции ВЧ-генератора, аналогичной конструкции коаксиального кабеля, содержащего центральную жилу и покрывающую ее оплетку-оболочку, обоснована в [Патенте РФ 2335032, опубл. 27.09.2008, бюл. №27, Булычев С.В., Вялых Д.В., Дубинов А.Е. и др., «Высокочастотный генератор на основе разряда с полым катодом»]).When a high voltage pulse is applied to the chamber electrodes from the power source in the gap between the hollow cathode and the anode, a gas discharge with a hollow cathode is initiated. The discharge circuit includes the electrodes of the chamber and the gap between them (a gas discharge is lit in this gap), the electrical load unit, the elements of the electrical connections and the return conductor. The RF component of the oscillations of the discharge voltage is the cause of the RF oscillations of the voltage at the electrical resistance of the load unit, which, in turn, are the source of electromagnetic RF energy. The implementation of the reverse current lead in the form of a sheath, inside which the main elements of the discharge circuit are located, significantly reduces the inductive resistance of the gas discharge circuit and significantly reduces parasitic dissipation of the RF energy transmitted to the load unit (the idea of the design of an RF generator similar to that of a coaxial cable containing a central core and its sheath-braid, justified in [RF Patent 2335032, published September 27, 2008, bull. No. 27, Bulychev SV, Vyalykh DV, Dubinov A.E. et al., “High-frequency generator p based on a discharge hollow cathode "]).
Недостатком данной конструкции газоразрядного генератора является ограниченный межремонтный ресурс его функционирования в интенсивных (свыше 1000 Гц) импульсно-периодических режимах. Ограничение вызвано возможным выходом из строя элементов конструкции генератора вследствие их существенного нагрева при протекании тока через газоразрядную камеру.The disadvantage of this design of a gas-discharge generator is the limited overhaul life of its functioning in intensive (over 1000 Hz) pulse-periodic modes. The restriction is caused by the possible failure of the structural elements of the generator due to their significant heating during the flow of current through the gas discharge chamber.
Понизить степень нагрева газоразрядной камеры можно, увеличив эффективность темпов передачи тепловой энергии, выделяющейся на электродах газоразрядной камеры, в окружающую среду.The degree of heating of the gas discharge chamber can be reduced by increasing the efficiency of the rate of transfer of thermal energy released on the electrodes of the gas discharge chamber to the environment.
В устройстве-прототипе и других реализованных к настоящему времени ВЧ-генераторах охлаждающей средой для газоразрядной камеры является атмосферный воздух, окружающий ее. Скорость отбора тепла от электродов при этом невелика, так как воздух обладает низкой теплопроводностью. Повысить эффективность рассеяния в окружающую среду тепла, выделяющегося на электродах газоразрядной камеры, можно, используя в качестве охлаждающей среды теплоноситель со значением теплопроводности, гораздо большим, чем у воздуха. Предполагается размещение газоразрядной камеры в специальной емкости, содержащей охлаждающий теплоноситель. В этом случае тепловая энергия, выделяющаяся на электродах газоразрядной камеры при протекании через них тока, будет передаваться теплоносителю, окружающему электроды, во много раз быстрее, чем она передается атмосферному воздуху. Скорость рассеяния тепла при нагревании газоразрядной камеры существенно увеличится, что позволит избежать сильного нагрева элементов газоразрядной камеры. Применяемый в газоразрядном ВЧ-генераторе теплоноситель должен обладать сравнительно высокими теплопроводностью (для эффективного отбора тепла от нагреваемых элементов), теплоемкостью (для аккумуляции тепловой энергии без существенного увеличения температуры) и электропрочностью (для предотвращения электрического пробоя между элементами газоразрядной камеры, в процессе функционирования газоразрядного генератора находящимися под разными потенциалами).In the prototype device and other RF generators implemented to date, the cooling medium for the gas discharge chamber is atmospheric air surrounding it. In this case, the rate of heat extraction from the electrodes is low, since air has low thermal conductivity. It is possible to increase the efficiency of heat dissipation into the environment of the heat released on the electrodes of the gas discharge chamber by using a coolant with a thermal conductivity much greater than that of air as a cooling medium. It is planned to place the gas discharge chamber in a special tank containing a cooling coolant. In this case, the thermal energy released on the electrodes of the gas discharge chamber when current flows through them will be transferred to the coolant surrounding the electrodes, many times faster than it is transmitted to atmospheric air. The heat dissipation rate during heating of the gas discharge chamber will increase significantly, which will avoid strong heating of the elements of the gas discharge chamber. The heat carrier used in a gas-discharge RF generator must have relatively high thermal conductivity (for efficient heat removal from heated elements), heat capacity (for accumulating thermal energy without a significant increase in temperature) and electric strength (to prevent electrical breakdown between the elements of the gas-discharge chamber during the operation of the gas-discharge generator under different potentials).
В качестве охлаждающей среды газоразрядной камеры ВЧ-генератора целесообразным представляется использование жидкого диэлектрика. Известны и широко доступны к использованию жидкие диэлектрики, обладающие достаточно высокими электропрочностью и удельной теплоемкостью и, по сравнению с атмосферным воздухом, гораздо более высокой теплопроводностью. В качестве примера можно привести трансформаторное масло: его теплопроводность -120*10-3 Вт/(м*К), удельная теплоемкость - 1,67 кДж/(кг*К), пробивное напряжение - 200-250 кВ/см; для сравнения, у атмосферного воздуха теплопроводность 26*10-3 Вт/(м*К), пробивное напряжение 32 кВ/см, удельная теплоемкость 1,0 кДж/(кг*К) [Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. акад. И.К. Кикоина. М.; Атомиздат. 1976. 1008 с.; Физические величины: Справочник. А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, А.М. Братковский и др., под. ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.; Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.].It is advisable to use a liquid dielectric as the cooling medium of the gas-discharge chamber of the RF generator. Liquid dielectrics are known and widely available for use, having sufficiently high electric strength and specific heat and, compared with atmospheric air, much higher thermal conductivity. An example is transformer oil: its thermal conductivity is -120 * 10 -3 W / (m * K), specific heat is 1.67 kJ / (kg * K), breakdown voltage is 200-250 kV / cm; for comparison, thermal conductivity in atmospheric air is 26 * 10 -3 W / (m * K), breakdown voltage is 32 kV / cm, specific heat is 1.0 kJ / (kg * K) [Tables of physical quantities. Directory. Ed. Acad. I.K. Kikoina. M .; Atomizdat. 1976.1008 s .; Physical quantities: Reference. A.P. Babichev, N.A. Babushkina, A.M. Bratkovsky et al., Under. ed. I.S. Grigoryeva, E.Z. Meilikhova. M .; Energoatomizdat, 1991. 1232 p.].
Принцип использования жидкого диэлектрика в качестве охлаждающего теплоносителя и изолирующей среды при эксплуатации электрических приборов известен - в ГОСТе 16110-82 «Трансформаторы силовые» особо выделены такие классы трансформаторов, как "Трансформатор с жидким диэлектриком", "Трансформатор с негорючим жидким диэлектриком" и "Масляный трансформатор".The principle of using a liquid dielectric as a coolant and an insulating medium during the operation of electrical devices is known - in GOST 16110-82 “Power transformers”, classes of transformers such as “Transformer with a liquid dielectric”, “Transformer with a non-combustible liquid dielectric” and “Oil transformer".
Однако, применение в газоразрядных ВЧ-генераторах жидкого диэлектрика в качестве охлаждающей среды может существенно ухудшить такое важное для приборов данного типа качество, как компактность. Для того, чтобы газоразрядная камера была погружена в емкость с жидким диэлектриком-теплоносителем, габариты емкости должны превышать габариты газоразрядной камеры. Гак что включение в конструкцию ВЧ-генератора емкости с жидким диэлектриком, обладающей существенными габаритами, нарушит компактность устройства.However, the use of a liquid dielectric in gas-discharge RF generators as a cooling medium can significantly impair compactness, which is important for devices of this type. In order for the gas discharge chamber to be immersed in a container with a liquid dielectric coolant, the dimensions of the container must exceed the dimensions of the gas discharge chamber. So that the inclusion in the design of the RF generator capacitance with a liquid dielectric, which has significant dimensions, will violate the compactness of the device.
Технический результат изобретения заключается в увеличении ресурса работы газоразрядного генератора высокочастотных импульсов в интенсивных импульсно-периодических режимах за счет эффективного охлаждения нагреваемых элементов конструкции генератора при сохранении компактности устройства.The technical result of the invention is to increase the service life of a gas-discharge generator of high-frequency pulses in intense pulse-periodic modes due to the effective cooling of the heated elements of the generator structure while maintaining the compactness of the device.
Технической проблемой изобретения является создание компактного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, обладающего высоким ресурсом работы в интенсивных импульсно-периодических режимах.The technical problem of the invention is the creation of a compact gas-discharge generator of high-frequency pulses based on a discharge with a hollow cathode, which has a high resource of operation in intense pulse-periodic modes.
Требуемый технический результат достижим за счет того, что в отличие от известного газоразрядного генератора высокочастотных импульсов, содержащего газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, систему формирования газовой среды, а также источник питания и блок электрической нагрузки, при этом система формирования газовой среды сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры, один из электродов газоразрядной камеры подсоединен к высоковольтной шине источника питания, другой - к нулевой шине, блок электрической нагрузки включен между электродами газоразрядной камеры, причем контакт блока нагрузки с электродом, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода, обратный токопровод представляет собой проводник с малым сопротивлением, выполненный в виде оболочки, внутри которой расположены электрод камеры, подсоединенный к высоковольтной шине источника питания, и промежуток между электродами, в предложенном генераторе пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки и внешними поверхностями » элементов газоразрядной камеры, расположенных внутри оболочки, организовано непроницаемым для жидкостей и заполнено жидким диэлектриком.The required technical result is achievable due to the fact that, in contrast to the known gas-discharge generator of high-frequency pulses, which contains a gas-discharge chamber formed by a hollow cathode and an anode isolated from it, a gas medium formation system, as well as a power source and an electrical load unit, while a gas generation system the medium communicates with the interior of the gas discharge chamber, one of the electrodes of the gas discharge chamber is connected to the high-voltage bus of the power source, and the other to the zero Otherwise, an electric load unit is connected between the electrodes of the gas discharge chamber, the contact of the load unit with the electrode connected to the zero bus being arranged by means of a return conductor, the return conductor is a low-resistance conductor made in the form of a sheath, inside of which there is a chamber electrode connected to high voltage bus power supply, and the gap between the electrodes in the proposed generator, the space bounded by the inner surfaces of the shell and the outer surfaces "elements discharge chamber disposed within the shell, arranged impervious to liquids and is filled with a liquid dielectric.
В частном случае в качестве жидкого диэлектрика используется трансформаторное масло.In a particular case, transformer oil is used as a liquid dielectric.
В предложенной конструкции генератора охлаждающей средой, окружающей элементы газоразрядной камеры, является жидкий диэлектрик.In the proposed generator design, the cooling medium surrounding the elements of the gas discharge chamber is a liquid dielectric.
В устройстве-прототипе обратный токопровод, выполненный в виде оболочки, покрывающей элементы газоразрядной камеры, уменьшает индуктивное сопротивление газоразрядной цепи и тем самым позволяет избежать нежелательного рассеяния мощности ВЧ-импульсов, формируемых в газоразрядной камере и передаваемых в блок нагрузки. В заявляемом же устройстве, помимо данной функции, обратный токопровод выполняет также роль стенок емкости, содержащей жидкий диэлектрик. Объем, занимаемый емкостью, заключает в себе пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки и внешними поверхностями элементов газоразрядной камеры, расположенными внутри оболочки. Во избежание утечки жидкого диэлектрика из данной емкости проводящая оболочка и места присоединения оболочки к блоку нагрузки и к электроду, подсоединенному к нулевой шине, должны быть непроницаемы для жидкости (протечка жидкого диэлектрика во внутренний объем газоразрядной камеры исключается вакуумным уплотнением камеры). Данную проблему можно разрешить, предусмотрев оболочку сплошной, с уплотняемыми отверстиями под залив/слив жидкого диэлектрика и под шнур подключения электрода, находящегося внутри оболочки, к высоковольтной шине источника питания, а также предусмотрев уплотняемыми соединительные стыки оболочки к блоку нагрузки и к электроду, подсоединенному к нулевой шине.In the prototype device, a reverse current conduit made in the form of a sheath covering the elements of the gas discharge chamber reduces the inductive resistance of the gas discharge circuit and thereby avoids undesired power dissipation of the RF pulses generated in the gas discharge chamber and transmitted to the load unit. In the inventive device, in addition to this function, the reverse current path also plays the role of the walls of the vessel containing the liquid dielectric. The volume occupied by the container encloses the space bounded by the inner surfaces of the shell and the outer surfaces of the elements of the gas discharge chamber located inside the shell. In order to avoid leakage of a liquid dielectric from a given capacitance, the conductive shell and the points of attachment of the shell to the load unit and to the electrode connected to the zero bus should be impermeable to liquid (leakage of a liquid dielectric into the internal volume of the gas discharge chamber is prevented by vacuum sealing of the chamber). This problem can be solved by providing a continuous casing with sealing holes for filling / draining a liquid dielectric and a cord connecting the electrode inside the casing to the high-voltage bus of the power supply, as well as providing sealing joints for the casing to the load unit and to the electrode connected to zero bus.
Подобная модификация конструкции обратного токопровода и газоразрядной камеры не потребует изменения внешних габаритов газоразрядной камеры, при этом отпадет потребность включения в состав ВЧ-генератора емкости с жидким диэлектриком-теплоносителем для погружения в него газоразрядной камеры. То есть компактность устройства будет сохранена.Such a modification of the design of the reverse current path and the gas discharge chamber will not require a change in the external dimensions of the gas discharge chamber, and there will be no need to include a capacitance with a liquid dielectric coolant in the RF generator for immersing the gas discharge chamber in it. That is, the compactness of the device will be maintained.
При работе ВЧ-генератора в интенсивных импульсно-периодических режимах и соответствующем интенсивном выделении тепла на электродах газоразрядной камеры жидкий диэлектрик, обладающий, по сравнению с воздухом, более высокой теплопроводностью и высокой удельной теплоемкостью, будет эффективно отбирать тепловую энергию от электродов, в свою очередь нагреваясь довольно слабо. Следовательно, значительно увеличатся темпы рассеяния тепловой энергии, выделяющейся на электродах газоразрядной камеры, и чрезмерного нагревания электродов и разрушения контактирующих с ними элементов конструкции прибора не произойдет. Таким образом, межремонтный ресурс ВЧ-генератора при работе в интенсивных импульсно-периодических режимах существенно увеличится при сохранении компактности устройства.When the RF generator is operated in intense repetitively pulsed modes and the corresponding intense heat is generated on the electrodes of the gas discharge chamber, a liquid dielectric, which, compared to air, has a higher thermal conductivity and a high specific heat capacity, will efficiently select thermal energy from the electrodes, in turn heating pretty weak. Consequently, the rate of dissipation of thermal energy released on the electrodes of the gas discharge chamber will increase significantly, and excessive heating of the electrodes and destruction of the structural elements of the device in contact with them will not occur. Thus, the overhaul life of the RF generator when operating in intense pulse-periodic modes will increase significantly while maintaining the compactness of the device.
Пример конструкции газоразрядного генератора высокочастотных импульсов показан на чертеже. Генератор содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом 1 и анодом 2, разделенных изолятором 3, систему формирования газовой среды 4, а также источник питания 5 и блок электрической нагрузки 6. Система формирования газовой среды 4 сообщается с внутренним пространством газоразрядной камеры (включающем в себя катодную полость и промежуток между электродами 1 и 2). Источник питания 5 формирует на выходе импульсы напряжения отрицательной полярности. Полый катод 1 подсоединен к высоковольтной шине источника питания 5, анод 2 - к нулевой шине. Блок электрической нагрузки 6 содержит электрическое сопротивление и включен между электродами газоразрядной камеры, причем контакт блока нагрузки 6 с анодом 2, подсоединенным к нулевой шине, организован посредством обратного токопровода 7. Обратный токопровод 7 представляет собой проводник с малым сопротивлением, выполненный в виде оболочки, в конкретном случае - в форме полого цилиндра, внутри которого расположены полый катод 1 и газоразрядный промежуток между электродами 1 и 2. Пространство, ограниченное внутренними поверхностями оболочки 7 и внешними поверхностями полого катода I и изолятора 3, расположенных внутри оболочки, организовано непроницаемым для жидкостей и заполнено жидким диэлектриком -трансформаторным маслом 8. В обратном токопроводе 7 предусмотрены уплотняемые отверстия под слив масла и под шнур подключения источника питания 5 к полому катоду 1. Стыки обратного токопровода с анодом и блоком нагрузки уплотнены.An example of the design of a gas-discharge generator of high-frequency pulses is shown in the drawing. The generator contains a gas discharge chamber formed by a
Генератор работает следующим образом. Система формирования газовой среды 4 заполняет внутреннее пространство газоразрядной камеры рабочим газом, давление газа соответствует уровню, требуемому для реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения при зажигании разряда в промежутке между катодом 1 и анодом 2. При подаче на электроды газоразрядной камеры импульса напряжения от источника питания 5 в промежутке между полым катодом 1 и анодом 2 инициируется газовый разряд с полым катодом. ВЧ-компонента колебаний напряжения разряда является причиной возникновения ВЧ-колебаний напряжения в блоке нагрузки 6, которые, в свою очередь, являются источником электромагнитной ВЧ-энергии.The generator operates as follows. The gas
В ВЧ-энергию трансформируется лишь часть энергии источника питания 5, потребляемой разрядной цепью. Значительная доля энергии источника питания переходит в тепловую энергию, затрачиваемую в основном на нагрев электродов газоразрядной камеры. Количество тепловой энергии тем выше, чем выше частота следования подачи импульсов напряжения на электроды газоразрядной камеры и, соответственно, чем выше частота актов разряда в газоразрядной камере. Однако в предложенной конструкции генератора благодаря тому, что выделившееся на электродах тепло эффективно передается окружающему их трансформаторному маслу, и существенная часть тепла расходуется на нагрев трансформаторного масла, по сравнению с устройством-прототипом степень нагрева элементов ВЧ-генератора гораздо меньше. Соответственно, тем выше межремонтный ресурс работы генератора в интенсивных импульсно-периодических режимах.Only part of the energy of the
Генератор в конкретном исполнении может иметь следующие параметры и характеристики:A generator in a particular design may have the following parameters and characteristics:
- Катод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра с одной открытой торцевой стенкой, диаметр поперечного сечения катодной полости 25 мм, протяженность полости 50 мм, внешний диаметр катода 40 мм.- The cathode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder with one open end wall, the cross-sectional diameter of the cathode cavity is 25 mm, the length of the cavity is 50 mm, and the outer diameter of the cathode is 40 mm.
- Анод выполнен из нержавеющей стали в форме полого цилиндра, диаметр полости 25 мм.- The anode is made of stainless steel in the form of a hollow cylinder, the cavity diameter is 25 mm.
- Обратный токопровод выполнен из алюминиевой трубки внешним диаметром 60 мм, внутренним диаметром 54 мм.- The return conductor is made of an aluminum tube with an external diameter of 60 mm and an internal diameter of 54 mm.
- В качестве жидкого диэлектрика используется масло трансформаторное Т-750.- Transformer oil T-750 is used as a liquid dielectric.
- Система формирования газовой среды включает в себя откачивающее устройство и баллон с элегазом. Внутреннее пространство газоразрядной камеры посредством системы формирования газовой среды заполняется элегазом до давления порядка 10-1 Тор.- The system for the formation of a gas medium includes a pumping device and a gas cylinder. The internal space of the gas discharge chamber is filled with SF6 gas to a pressure of the order of 10 -1 Torr by means of a gas medium formation system.
- Источник питания обеспечивает на выходе импульсы отрицательного напряжения амплитудой 3÷5 кВ с частотой следования до 10 кГц.- The power supply provides output pulses of negative voltage with an amplitude of 3 ÷ 5 kV with a repetition rate of up to 10 kHz.
- Блок нагрузки включает в себя разделительный конденсатор, выполняющий роль ВЧ-фильтра, и излучающую антенну сопротивлением 50 Ом.- The load unit includes an isolation capacitor that acts as an high-pass filter and a 50 ohm radiating antenna.
Сравнительные испытания газоразрядных генераторов предложенной конструкции и конструкции прототипа в интенсивных режимах работы при одинаковых условиях показали, что темп нагрева элементов генератора новой конструкции замедляется в несколько раз по сравнению с устройством-прототипом. При этом внешние габариты обоих генераторов практически равны.Comparative tests of gas-discharge generators of the proposed design and the design of the prototype in intensive operating conditions under the same conditions showed that the heating rate of the generator elements of the new design slows down several times in comparison with the prototype device. In this case, the external dimensions of both generators are almost equal.
Таким образом, требуемый технический результат - увеличение межремонтного ресурса газоразрядного генератора при работе в интенсивных импульсно-периодических режимах и при сохранении компактности прибора - будет достигнут при выполнении устройства согласно предложенному техническому решению.Thus, the required technical result - an increase in the overhaul life of a gas-discharge generator when operating in intense pulse-periodic modes and while maintaining the compactness of the device - will be achieved when the device is executed according to the proposed technical solution.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129776A RU2717091C1 (en) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | High-frequency pulse gas-discharge generator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2019129776A RU2717091C1 (en) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | High-frequency pulse gas-discharge generator |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2717091C1 true RU2717091C1 (en) | 2020-03-18 |
Family
ID=69898373
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2019129776A RU2717091C1 (en) | 2019-09-20 | 2019-09-20 | High-frequency pulse gas-discharge generator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2717091C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6417604B1 (en) * | 1996-12-12 | 2002-07-09 | Siemens Aktiengesellshaft | Low pressure gas discharge switch |
| RU2241288C2 (en) * | 2003-01-20 | 2004-11-27 | Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии | Gas-tight heavy-current discharge switch |
| US7122949B2 (en) * | 2004-06-21 | 2006-10-17 | Neocera, Inc. | Cylindrical electron beam generating/triggering device and method for generation of electrons |
| RU58785U1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-11-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE |
| 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 |
| 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 |
| EA023538B1 (en) * | 2010-02-18 | 2016-06-30 | Энергрин Ас | Fluid-cooled load resistor for use in energy production and use thereof |
| RU2677323C1 (en) * | 2018-02-26 | 2019-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" | Plasma air activator |
-
2019
- 2019-09-20 RU RU2019129776A patent/RU2717091C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6417604B1 (en) * | 1996-12-12 | 2002-07-09 | Siemens Aktiengesellshaft | Low pressure gas discharge switch |
| RU2241288C2 (en) * | 2003-01-20 | 2004-11-27 | Российская Федерация в лице Министерства по атомной энергии | Gas-tight heavy-current discharge switch |
| US7122949B2 (en) * | 2004-06-21 | 2006-10-17 | Neocera, Inc. | Cylindrical electron beam generating/triggering device and method for generation of electrons |
| RU58785U1 (en) * | 2005-04-11 | 2006-11-27 | Российская Федерация,от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии | HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE |
| 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 |
| EA023538B1 (en) * | 2010-02-18 | 2016-06-30 | Энергрин Ас | Fluid-cooled load resistor for use in energy production and use thereof |
| 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 |
| RU2677323C1 (en) * | 2018-02-26 | 2019-01-16 | Общество с ограниченной ответственностью "ПлазЭйр" | Plasma air activator |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| С.В. БУЛЫЧЕВ, А.Е. ДУБИНОВ, Д.В. ВЯЛЫХ и др., Импульсно-периодический генератор на основе разряда с полым катодом и антенная система для излучения мощных радиоимпульсов, ПТЭ, 2011, N5, с. 106-110. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH03110737A (en) | Plasma switch having hollow cathode | |
| RU2368024C1 (en) | Well pulse neutron generator | |
| Zhang et al. | Compact rep-rate GW pulsed generator based on forming line with built-in high-coupling transformer | |
| Cheng et al. | Research of a high-current repetitive triggered spark-gap switch and its application | |
| RU2717091C1 (en) | High-frequency pulse gas-discharge generator | |
| US4063132A (en) | DC powered microwave discharge in an electrodeless light source | |
| RU2497225C2 (en) | Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode | |
| RU2703518C1 (en) | Pulsed neutron generator | |
| RU2703449C1 (en) | Neutron emitter unit | |
| RU2736772C1 (en) | Gas-discharge device based on hollow cathode for generation of powerful hf-pulses | |
| RU2551485C1 (en) | Borehole neutron emitter | |
| KR101342526B1 (en) | Cascade voltage amplifier and method of activating a plurality of cascaded electron tube stages | |
| RU164563U1 (en) | HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge | |
| RU2751542C1 (en) | Gas-discharge generator of high-frequency pulses | |
| RU2096855C1 (en) | Gas-discharge arrester | |
| RU2683962C1 (en) | Open-chamber for generator of high-frequency pulse based on discharge with hollow cathode | |
| RU753325C (en) | Gas laser | |
| RU2776026C1 (en) | Pulse neutron generator | |
| GB2180094A (en) | Discharge tube arrangements | |
| RU2130662C1 (en) | High-voltage pulse capacitor | |
| WO2007150048A2 (en) | Triggered spark gap | |
| RU196815U1 (en) | SEPARATED CAMERA FOR A DISCHARGE GENERATOR OF HIGH FREQUENCY PULSES | |
| RU209869U1 (en) | Pulse neutron generator | |
| Okress et al. | Design and performance of a high power pulsed magnetron | |
| SU310423A1 (en) | OZNAYA I |