[go: up one dir, main page]

RU2722228C1 - High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge - Google Patents

High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge Download PDF

Info

Publication number
RU2722228C1
RU2722228C1 RU2019115192A RU2019115192A RU2722228C1 RU 2722228 C1 RU2722228 C1 RU 2722228C1 RU 2019115192 A RU2019115192 A RU 2019115192A RU 2019115192 A RU2019115192 A RU 2019115192A RU 2722228 C1 RU2722228 C1 RU 2722228C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
gas
discharge
hollow
cathode
gaps
Prior art date
Application number
RU2019115192A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Викторович Вялых
Виктор Станиславович Жданов
Игорь Львович Львов
Сергей Александрович Садовой
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2019115192A priority Critical patent/RU2722228C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2722228C1 publication Critical patent/RU2722228C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J17/00Gas-filled discharge tubes with solid cathode
    • H01J17/02Details

Landscapes

  • Plasma Technology (AREA)

Abstract

FIELD: physics.SUBSTANCE: invention relates to high-frequency equipment. Generator of high-frequency pulses based on discharge with hollow cathode includes gas-discharge chamber, in which two gas-discharge gaps are provided, each gap is formed by hollow cathode and anode, at that corresponding geometrical parameters of both gas-discharge gaps are equal. Electrodes of both gas-discharge gaps are connected to power supply unit and load unit, power supply unit provides synchronous supply of high-voltage pulses to electrodes of both gas-discharge gaps, wherein in the generator there is a mode of mutual phase adjustment of high-frequency voltage pulses, simultaneously formed on both gas-discharge gaps. Inner surfaces of cavities of hollow cathodes related to different gas-discharge gaps are approximated to each other, which provides arrangement of mode of mutual phase adjustment by direct mutual electromagnetic influence of cathode layers of discharges initiated simultaneously in both gas-discharge gaps. In a particular embodiment, the generator is characterized by that both hollow cathodes are made in the form of hollow cylinders with open ends, at each cathode one of the ends faces the corresponding anode, and the second end face towards the other hollow cathode, wherein proximity of inner surfaces of cavities of hollow cathodes is provided by the fact that facing each other hollow cathode ends are maximally approximated.EFFECT: technical result is increase in efficiency of phase adjustment of HF pulses of generator of high-frequency pulses simultaneously generated on gas-discharge gaps on the basis of discharge with hollow cathode.1 cl, 1 dwg

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 катодной 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 cathode 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, 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 [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]. Генератор подобного типа содержит газоразрядную камеру, образованную полым катодом и изолированным от него анодом, электроды 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 газоразрядном промежутке, образованном катодом и анодом, инициируется газовый разряд с полым катодом. 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 this generator [Bulychev SV, Vyalykh DV, Dubinov A.E. et al. "Results of studies of high-frequency RF pulses generators based on a hollow cathode discharge" , Plasma Physics. 2009, t. 35, No. 11, p. 1019]. A generator of this type contains a gas discharge chamber formed by a hollow cathode and an anode isolated from it, the electrodes of the chamber are connected to a power source, and an electrical load is connected in parallel with the gas 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 gas-discharge gap formed by the cathode and the anode, a gas discharge with a hollow cathode is initiated. 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.

К недостаткам ВЧ-генераторов подобного типа следует отнести ограниченную мощность генерируемых ВЧ-импульсов. Ограничение обусловлено тем, что ВЧ-модуляции разрядного напряжения имеют место только при сравнительно невысокой мощности высоковольтных импульсов питания, подаваемых на электроды газоразрядной камеры и инициирующих разряд с полым катодом в газоразрядной камере, инициируемый при этом разряд имеет диффузную форму. Увеличение мощности высоковольтных импульсов приводит к загоранию в газоразрядной камере разряда контрагированной формы, при которой ВЧ-модуляции разрядного напряжения невозможны [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].The disadvantages of RF generators of this type include the limited power of the generated RF pulses. The limitation is due to the fact that RF modulations of the discharge voltage occur only at a relatively low power of high-voltage power pulses supplied to the electrodes of the gas discharge chamber and initiating a hollow cathode discharge in the gas discharge chamber, and the discharge initiated in this case has a diffuse shape. An increase in the power of high-voltage pulses leads to ignition in a gas-discharge chamber of a contracted shape, in which RF modulation of the discharge voltage is impossible [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].

Возможно увеличить мощность ВЧ-генерации, реализовав устройство, в котором выходной ВЧ-импульс является результатом сложения ВЧ-импульсов, сгенерированных одновременно посредством двух или нескольких газоразрядных камер или промежутков. Однако этот путь имеет свои сложности - для эффективного сложения гармонических сигналов требуется, чтобы фазы этих сигналов были одинаковы. А у сигналов, формируемых ВЧ-генераторами на основе разряда с полым катодом, начальная фаза является случайной величиной, следовательно, вероятность равенства фаз ВЧ-сигналов, одновременно формируемых посредством газоразрядных камер или промежутков, входящих в состав ВЧ-генератора, практически равна нулю. Для эффективного функционирования ВЧ-устройства на основе разряда с полым катодом, включающего в себя более одной газоразрядной камеры или более одного газоразрядного промежутка, необходимо реализовать режим фазовой подстройки ВЧ-импульсов, генерируемых одновременно на разных газоразрядных промежутках или камерах.It is possible to increase the power of RF generation by implementing a device in which the output RF pulse is the result of adding the RF pulses generated simultaneously by two or more gas discharge chambers or gaps. However, this path has its own difficulties - for the effective addition of harmonic signals it is required that the phases of these signals are the same. And for signals generated by RF generators based on a hollow cathode discharge, the initial phase is a random variable, therefore, the probability of equality of phases of the RF signals simultaneously generated by gas-discharge chambers or gaps that are part of the RF generator is practically zero. For the effective operation of an RF device based on a hollow cathode discharge, which includes more than one gas discharge chamber or more than one gas discharge gap, it is necessary to implement a phase adjustment mode for RF pulses generated simultaneously at different gas discharge gaps or chambers.

Известен ВЧ-генератор на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 2657240, приоритет 24.01.2017], в котором режим фазовой подстройки генерируемых одновременно в разных газоразрядных камерах ВЧ-сигналов осуществлен за счет реализации электромагнитной связи между трансформаторами сопротивлений, подключенных к камерам, согласующими внутренние импедансы газоразрядных камер с импедансом блока нагрузки. Однако такой тип фазовой подстройки сопряжен с искажением и уменьшением амплитуды генерируемых сигналов за счет возникающих в точках соединений отрезков длинных линий рассогласований импедансов, и его эффективность может быть недостаточной.A RF generator based on a hollow cathode discharge is known [RF Patent 2657240, priority January 24, 2017], in which the phase adjustment mode of the RF signals generated simultaneously in different gas discharge chambers is implemented by implementing electromagnetic coupling between resistance transformers connected to chambers matching internal impedances of gas discharge chambers with impedance of the load unit. However, this type of phase adjustment is associated with distortion and a decrease in the amplitude of the generated signals due to the segments of the long impedance mismatch lines arising at the connection points, and its efficiency may be insufficient.

Известен ВЧ-генератор на основе разряда с полым катодом [Патент РФ 2462783, приоритет 21.04.2011], являющийся прототипом заявляемого устройства, содержащий газоразрядную камеру, в которой предусмотрено два или более газоразрядных промежутка, каждый промежуток образован полым катодом и анодом, соответствующие геометрические параметры всех газоразрядных промежутков равны. Электроды газоразрядных промежутков подключены к блоку питания и блоку нагрузки. Блок питания обеспечивает синхронную подачу импульсов высокого напряжения на газоразрядные промежутки. В генераторе организован режим фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на разных газоразрядных промежутках. В камере устанавливается требуемый для зажигания разряда и реализации ВЧ-модуляций разрядного напряжения уровень давления рабочего газа. При синхронной подаче на электроды всех газоразрядных промежутков импульсов напряжения с блока питания в газоразрядных промежутках одновременно инициируются газовые разряды с полым катодом, в которых возникают ВЧ-модуляции напряжения разряда, и таким образом на газоразрядных промежутках формируются ВЧ-импульсы напряжения, передаваемые в блок нагрузки. За счет равенства соответствующих геометрических параметров газоразрядных промежутков частоты ВЧ-модуляций на всех промежутках также равны [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]. Изначально фазы ВЧ-импульсов, формируемых на газоразрядных промежутках, могут быть различны, но спустя некоторое время после инициирования разрядов выравниваются, посредством организованного в устройстве режима фазовой подстройки. В результате в блок нагрузки со всех газоразрядных промежутков синхронно поступают ВЧ-импульсы с одинаковыми частотой и фазой. Таким образом, в блоке нагрузки формируется результирующий ВЧ-импульс, амплитуда которого существенно выше, чем амплитуда ВЧ-импульса, формируемого на единичном газоразрядном промежутке.Known RF generator based on a discharge with a hollow cathode [RF Patent 2462783, priority 04/21/2011], which is a prototype of the inventive device containing a gas discharge chamber in which two or more gas discharge gaps are provided, each gap is formed by a hollow cathode and anode, corresponding geometric parameters all discharge gaps are equal. The electrodes of the discharge gaps are connected to the power supply and the load unit. The power supply provides a synchronous supply of high voltage pulses to gas discharge gaps. In the generator, a phase adjustment mode for high-frequency voltage pulses generated at different gas-discharge gaps is organized. 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 all the discharge gaps of the voltage pulses are synchronously supplied to the electrodes from the power supply in the discharge gaps, gas discharges with a hollow cathode are simultaneously triggered, in which RF modulations of the discharge voltage occur, and thus RF voltage pulses transmitted to the load block are formed on the gas discharge gaps. Due to the equality of the corresponding geometric parameters of the gas-discharge gaps, the frequencies of the RF modulations at all the gaps are also equal [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]. Initially, the phases of the RF pulses generated at the gas-discharge gaps can be different, but some time after the initiation of the discharges, they are aligned by means of a phase adjustment mode organized in the device. As a result, RF pulses with the same frequency and phase are simultaneously delivered to the load block from all gas-discharge gaps. Thus, the resulting RF pulse is formed in the load block, the amplitude of which is significantly higher than the amplitude of the RF pulse generated in a single gas-discharge gap.

В устройстве-прототипе режим взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на газоразрядных промежутках, организован за счет соединения газоразрядных промежутков вакуумными каналами, обеспечивающими возможность транспортировки по ним плазменных образований, являющихся элементами газового разряда и совершающих высокочастотные колебания под воздействием модуляций разрядного напряжения. В частном варианте газоразрядные промежутки являются смежными. Возмущения электромагнитных полей в газоразрядных промежутках, вызываемые высокочастотными колебаниями распространяющихся по вакуумным каналам плазменных образований из соседних промежутков, накладываются на "собственные" колебания полей в промежутках. В результате взаимного влияния друг на друга колебаний в разных газоразрядных промежутках фазы колебаний во всех промежутках выравниваются.In the prototype device, the regime of mutual phase adjustment of high-frequency voltage pulses simultaneously generated on gas-discharge gaps is organized by connecting gas-discharge gaps with vacuum channels, which enable the transportation of plasma formations that are elements of a gas discharge and perform high-frequency oscillations under the influence of discharge voltage modulations. In a particular embodiment, the gas discharge spaces are adjacent. Perturbations of electromagnetic fields in gas-discharge gaps caused by high-frequency oscillations of plasma formations propagating through vacuum channels from neighboring gaps are superimposed on “intrinsic” field oscillations in the gaps. As a result of the mutual influence of oscillations on each other in different gas-discharge gaps, the phases of the oscillations in all gaps are aligned.

Однако режим взаимной фазовой подстройки, применяемый в устройстве-прототипе, нельзя считать максимально эффективным. Электромагнитная связь между газоразрядными промежутками, организуемая при подобном режиме фазовой подстройки, может быть недостаточно сильна, и процесс фазовой подстройки между ВЧ-сигналами может занять слишком долгое время, практически равное длительности ВЧ-импульса. Данный режим фазовой подстройки предполагает воздействие друг на друга процессов, вызывающих высокочастотную модуляцию разрядного напряжения в разных газоразрядных промежутках, посредством плазменных образований. Режим фазовой подстройки, при котором реализовывалось бы непосредственное взаимное влияние модулирующих процессов, представляется более эффективным.However, the mutual phase adjustment mode used in the prototype device cannot be considered as efficient as possible. The electromagnetic coupling between the gas-discharge gaps, which is organized under a similar phase adjustment mode, may not be strong enough, and the phase adjustment process between RF signals can take too long, almost equal to the duration of the RF pulse. This phase adjustment mode involves the impact on each other of processes that cause high-frequency modulation of the discharge voltage in different gas-discharge gaps, through plasma formations. The phase adjustment mode, in which the direct mutual influence of modulating processes would be realized, seems more effective.

Недостатком устройства-прототипа следует считать недостаточную эффективность организованного в генераторе режима фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на разных газоразрядных промежутках.The disadvantage of the prototype device should be considered the lack of efficiency organized in the generator phase adjustment mode of high-frequency voltage pulses generated at different gas-discharge gaps.

Технической проблемой является создание генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, в котором используется газоразрядная камера, имеющая два газоразрядных промежутка, и в генераторе реализован эффективный режим фазовой подстройки ВЧ-импульсов, одновременно генерируемых на газоразрядных промежутках.The technical problem is the creation of a high-frequency pulse generator based on a hollow-cathode discharge, in which a gas-discharge chamber with two gas-discharge gaps is used, and the generator implements an effective phase adjustment mode for RF pulses simultaneously generated at gas-discharge gaps.

Техническим результатом является увеличение эффективности режима фазовой подстройки ВЧ-импульсов одновременно генерируемых на газоразрядных промежутках газоразрядной камеры генератора высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом.The technical result is to increase the efficiency of the phase adjustment mode of the RF pulses simultaneously generated on the gas discharge gaps of the gas discharge chamber of the high-frequency pulse generator based on the hollow cathode discharge.

Этот технический результат достижим за счет того, что по сравнению с генератором высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, содержащим газоразрядную камеру, в которой предусмотрено два газоразрядных промежутка, каждый промежуток образован полым катодом и анодом, причем соответствующие геометрические параметры обоих газоразрядных промежутков равны, электроды обоих газоразрядных промежутков подключены к блоку питания и блоку нагрузки, блок питания обеспечивает синхронную подачу импульсов высокого напряжения на электроды обоих газоразрядных промежутков, при этом в генераторе организован режим взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на обоих газоразрядных промежутках, в предложенном генераторе внутренние поверхности полостей полых катодов, относящихся к разным газоразрядным промежуткам, приближены друг к другу, что обеспечивает организацию режима взаимной фазовой подстройки путем непосредственного взаимного электромагнитного влияния прикатодных слоев разрядов, инициируемых одновременно в обоих газоразрядных промежутках.This technical result is achievable due to the fact that, compared with a high-frequency pulse generator based on a hollow cathode discharge containing a gas discharge chamber, in which two gas discharge gaps are provided, each gap is formed by a hollow cathode and an anode, and the corresponding geometric parameters of both gas discharge gaps are equal, the electrodes of both gas-discharge gaps are connected to the power supply and the load unit, the power supply provides a synchronous supply of high voltage pulses to the electrodes of both gas-discharge gaps, while in the generator the regime of mutual phase adjustment of high-frequency voltage pulses simultaneously generated on both gas-discharge gaps is organized, in the proposed generator internal the surfaces of the cavities of the hollow cathodes, belonging to different gas-discharge gaps, are close to each other, which ensures the organization of the regime of mutual phase adjustment by direct mutual electromagnetic the influence of the near-cathode layers of the discharges, initiated simultaneously in both gas-discharge gaps.

В частности, оба полых катода выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, причем близость внутренних поверхностей полостей полых катодов обеспечена тем, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены.In particular, both hollow cathodes are made in the form of hollow cylinders with open ends, at each cathode one of the ends faces the corresponding anode, and the second end faces the other hollow cathode, and the proximity of the inner surfaces of the hollow cathode cavities is ensured by facing each other to each other the ends of the hollow cathodes are as close as possible.

Тлеющий разряд, разновидностью которого является реализуемый в ВЧ-генераторах заявляемого типа разряд с полым катодом, характеризуется наличием возле рабочей поверхности катода сравнительно тонкого прикатодного слоя с большим градиентом электрического поля и электрического потенциала [Грановский В.Л., Электрический ток в газе. - М.: «Наука», 1971; Райзер Ю.П., Физика газового разряда. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2009]. Согласно исследованиям авторов патентуемого технического решения, причиной ВЧ-модуляций разрядного напряжения, возникающих в газовом разряде с полым катодом, является специфическая колебательная неустойчивость, возникающая в прикатодном слое разряда [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].A glow discharge, a variant of which is a hollow cathode discharge realized in RF generators of the claimed type, is characterized by the presence of a relatively thin cathode layer near the working surface of the cathode with a large gradient of electric field and electric potential [Granovsky V.L. Electric current in a gas. - M .: "Science", 1971; Reiser Yu.P., Gas discharge physics. - Dolgoprudny: Intellect Publishing House, 2009]. According to the studies of the authors of the patented technical solution, the reason for the RF modulations of the discharge voltage arising in a gas discharge with a hollow cathode is a specific oscillatory instability that occurs in the near-cathode layer of the discharge [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].

Так как ВЧ-модуляции разрядного напряжения в разряде с полым катодом вызываются неустойчивостью прикатодного слоя разряда, то эффективной фазовой подстройки ВЧ-сигналов, формируемых одновременно на обоих газоразрядных промежутках газоразрядной камеры ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом, можно достичь, обеспечив эффективное электромагнитное взаимодействие между прикатодными слоями разрядов, инициируемых в этих промежутках.Since the RF modulation of the discharge voltage in the discharge with the hollow cathode is caused by the instability of the cathode layer of the discharge, the effective phase adjustment of the RF signals generated simultaneously on both gas discharge gaps of the discharge chamber of the RF generator based on the discharge with the hollow cathode can be achieved by providing an effective electromagnetic interaction between the cathode layers of discharges initiated in these gaps.

Высокочастотные колебания электрического потенциала в прикатодном слое вызывают соответствующее колебательное возмущение электромагнитного поля в пространстве возле области, занятой прикатодным слоем. Идея патентуемого технического решения заключается в том, что при близости друг к другу двух рабочих поверхностей полых катодов (то есть поверхностей катодов, покрытых разрядом), будет осуществлено эффективное обоюдное электромагнитное взаимодействие прикатодных слоев двух газоразрядных промежутков. Степень эффективности взаимодействия определяется величинами воздействующих полей, которые тем больше, чем ближе друг к другу прикатодные слои, излучающие эти поля. В итоге в каждом из прикатодных слоев друг на друга будут накладываться собственные высокочастотные колебания электрического поля и вынуждающие колебания электрического поля от другого слоя, причем частоты этих колебаний равны. В результате сложения этих колебаний в каждом из прикатодных слоев установятся единые резонансные колебания, причем фазы колебаний в обоих слоях будут равны. Таким образом, будет организован режим фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, формируемых на различных газоразрядных промежутках.High-frequency oscillations of the electric potential in the near-cathode layer cause a corresponding vibrational disturbance of the electromagnetic field in space near the region occupied by the near-cathode layer. The idea of a patented technical solution is that when two working surfaces of hollow cathodes are close to each other (i.e., surfaces of cathodes coated with a discharge), an effective mutual electromagnetic interaction of the cathode layers of two gas-discharge gaps will be realized. The degree of interaction efficiency is determined by the magnitudes of the acting fields, which are greater the closer to each other the cathode layers emitting these fields. As a result, in each of the cathode layers, their own high-frequency oscillations of the electric field and forcing oscillations of the electric field from the other layer will be superimposed on each other, and the frequencies of these oscillations are equal. As a result of the addition of these oscillations, uniform resonant oscillations will be established in each of the cathode layers, and the phases of the oscillations in both layers will be equal. Thus, a phase adjustment mode for high-frequency voltage pulses generated at various gas-discharge gaps will be organized.

При инициации разряда с полым катодом рабочей поверхностью катода является поверхность катодной полости. Следовательно, для организации эффективного режима фазовой подстройки поверхности катодных полостей полых катодов нужно разместить в близости друг от друга.When initiating a hollow cathode discharge, the cathode surface is the surface of the cathode cavity. Therefore, to organize an effective regime of phase adjustment of the surface of the cathode cavities of the hollow cathodes, it is necessary to place them in close proximity to each other.

Конструкция устройства-прототипа (даже в частном варианте, когда газоразрядные промежутки являются смежными) не предполагает обязательного близкого взаимного расположения поверхностей катодных полостей полых катодов, относящихся к разным промежуткам, то есть близкого взаимного расположения прикатодных слоев. Конструкция же заявляемого устройства предполагает обязательное близкое друг к другу расположение поверхностей катодных полостей полых катодов, относящихся к разным промежуткам - то есть предполагает близкое расположение друг к другу областей двух газоразрядных промежутков, в которых происходят процессы, приводящие к высокочастотным модуляциям напряжения. По причине близкого расположения двух прикатодных слоев друг к другу связь между ними, являющаяся организующим фактором взаимной фазовой подстройки ВЧ-импульсов, формируемых одновременно на двух газоразрядных промежутках, сильнее, чем при использовании устройства-прототипа. Следовательно, при использовании конструкции газоразрядной камеры, выполненной в соответствии с заявляемым техническим решением, эффективность фазовой подстройки между ВЧ-импульсами, формируемыми на разных газоразрядных промежутках, будет выше, чем при использовании устройства-прототипа.The design of the prototype device (even in the particular embodiment when the gas-discharge gaps are adjacent) does not imply a mandatory close relative position of the surfaces of the cathode cavities of the hollow cathodes belonging to different gaps, i.e., a close relative position of the cathode layers. The design of the claimed device implies the obligatory close proximity to each other of the surfaces of the cathode cavities of the hollow cathodes belonging to different gaps - that is, it implies the close proximity to each other of the regions of two gas-discharge gaps in which processes leading to high-frequency voltage modulations occur. Due to the close location of the two near-cathode layers to each other, the connection between them, which is the organizing factor of the mutual phase adjustment of the RF pulses generated simultaneously at two gas-discharge gaps, is stronger than when using the prototype device. Therefore, when using the design of the gas discharge chamber, made in accordance with the claimed technical solution, the efficiency of the phase adjustment between the RF pulses generated at different gas discharge gaps will be higher than when using the prototype device.

В частном случае, когда полые катоды выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, близость поверхностей полых катодов, покрываемых разрядом, обеспечивается тем, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены.In the particular case when the hollow cathodes are made in the form of hollow cylinders with open ends, at each cathode one of the ends faces the corresponding anode, and the second end faces the other hollow cathode, the proximity of the surfaces of the hollow cathodes covered by the discharge is ensured by the fact that the ends of the hollow cathodes are as close as possible to each other.

Пример конструкции ВЧ-генератора на основе разряда с полым катодом показан на фиг. Газоразрядная камера содержит два газоразрядных промежутка, каждый газоразрядный промежуток образован соответствующими ему полым катодом 1 и анодом 2, разделенных изолятором 3, полые катоды 1 выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, причем близость внутренних поверхностей полостей полых катодов обеспечена тем, Геометрические характеристики обоих газоразрядных промежутков (то есть размеры катодных и анодных полостей, расстояния от полых катодов до анодов) соответственно равны. Поверхности катодных полостей полых катодов 1 (рабочие поверхности катодов, возле которых зажигается разряд) приближены друг к другу, за счет того, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены. Торцы полых катодов разделены мембраной 4, наличие которой предотвращает развитие разряда между электродами разных газоразрядных промежутков. К полому катоду 1 и аноду 2 каждого газоразрядного промежутка подключены блок питания и блок электрической нагрузки 6. Блок питания 5 включает в себя два источника питания, одновременно запускаемых единым управляющим импульсом, и обеспечивает возможность синхронной подачи импульсов питающего напряжения на полый катод и анод каждого из газоразрядных промежутков.An example of the design of a hollow-cathode discharge RF generator is shown in FIG. The gas discharge chamber contains two gas discharge gaps, each gas discharge gap is formed by its corresponding hollow cathode 1 and anode 2 separated by insulator 3, the hollow cathodes 1 are made in the form of hollow cylinders with open ends, at each cathode one of the ends faces towards the corresponding anode, and the second the end face towards the other hollow cathode, and the proximity of the inner surfaces of the hollow cathode cavities is ensured by the fact that the geometric characteristics of both gas-discharge gaps (i.e., the dimensions of the cathode and anode cavities, the distances from the hollow cathodes to the anodes) are respectively equal. The surfaces of the cathode cavities of the hollow cathodes 1 (the working surfaces of the cathodes near which the discharge is ignited) are close to each other due to the fact that the ends of the hollow cathodes facing each other are as close as possible. The ends of the hollow cathodes are separated by a membrane 4, the presence of which prevents the development of a discharge between the electrodes of different gas-discharge gaps. A power supply unit and an electric load unit 6 are connected to the hollow cathode 1 and anode 2 of each gas-discharge gap. The power supply unit 5 includes two power sources, simultaneously triggered by a single control pulse, and provides the possibility of synchronously supplying voltage pulses to the hollow cathode and anode of each gas discharge gaps.

ВЧ-генератор работает следующим образом. В газоразрядной камере поддерживается уровень давления рабочего газа, требуемый для зажигания газового разряда между электродами данной конфигурации. При запуске блока питания 5 на оба газоразрядных промежутка синхронно подаются высоковольтные импульсы напряжения. В каждом промежутке между полым катодом 1 и анодом 2 одновременно инициируются газовые разряды с полым катодом, напряжение разрядов промодулировано по ВЧ-частоте. ВЧ-колебания разрядного напряжения с каждого разрядного промежутка передаются в блок электрической нагрузки 5 (в качестве нагрузки может использоваться система излучения или резистивное сопротивление). Посредством взаимного электромагнитного влияния колебаний электрического потенциала прикатодных слоев 7 фазы колебаний взаимно подстраиваются и становятся равными.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 the power supply unit 5 is started, high voltage voltage pulses are simultaneously supplied to both gas discharge gaps. In each gap between the hollow cathode 1 and the anode 2, gas discharges with a hollow cathode are simultaneously initiated, the voltage of the discharges is modulated by the RF frequency. The HF oscillations of the discharge voltage from each discharge gap are transmitted to the electric load unit 5 (a radiation system or resistive resistance can be used as a load). Due to the mutual electromagnetic influence of the oscillations of the electric potential of the cathode layers 7, the phases of the oscillations mutually adjust and become equal.

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

- полые катоды и аноды выполнены из нержавеющей стали, изоляторы - из вакуумной керамики или фторопласта;- hollow cathodes and anodes are made of stainless steel, insulators are made of vacuum ceramics or fluoroplastic;

- протяженность каждой катодной полости 50 мм, диаметр - 25 мм;- the length of each cathode cavity is 50 mm, the diameter is 25 mm;

- толщина мембраны - 2 мм;- membrane thickness - 2 mm;

- газоразрядные промежутки заполнены электроотрицательным или инертным газом при давлении порядка 10-1 Тор.;- gas-discharge gaps are filled with electronegative or inert gas at a pressure of the order of 10 -1 Torr .;

- источник питания обеспечивает на выходе импульсы напряжения амплитудой 2÷5 кВ.- the power source provides voltage pulses with an amplitude of 2 ÷ 5 kV at the output.

При данной конструкции ВЧ-генератора будет осуществляться непосредственное взаимное электромагнитное воздействие областей газоразрядных промежутков, в которых имеют место процессы, вызывающие высокочастотные модуляции газоразрядного напряжения. За счет близости друг к другу прикатодных слоев разрядов, формируемых одновременно в обоих газоразрядных промежутках, их взаимное воздействие будет более сильным и эффективным, чем при использовании конструкции устройства-прототипа, следовательно, способ организации взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на обоих газоразрядных промежутках, будет более эффективным. Таким образом, требуемый технический результат будет достигнут при выполнении устройства согласно предложенному техническому решению.With this design of the RF generator, a direct mutual electromagnetic effect of the regions of gas-discharge gaps will occur, in which there are processes that cause high-frequency modulations of the gas-discharge voltage. Due to the proximity to each other of the near-cathode layers of the discharges formed simultaneously in both gas-discharge gaps, their mutual influence will be stronger and more effective than using the prototype device, therefore, the method of organizing the mutual phase adjustment of high-frequency voltage pulses simultaneously generated on both gas-discharge at intervals, will be more effective. Thus, the required technical result will be achieved when performing the device according to the proposed technical solution.

Claims (2)

1. Генератор высокочастотных импульсов на основе разряда с полым катодом, содержащий газоразрядную камеру, в которой предусмотрено два газоразрядных промежутка, каждый промежуток образован полым катодом и анодом, причем соответствующие геометрические параметры обоих газоразрядных промежутков равны, электроды обоих газоразрядных промежутков подключены к блоку питания и блоку нагрузки, блок питания обеспечивает синхронную подачу импульсов высокого напряжения на электроды обоих газоразрядных промежутков, при этом в генераторе организован режим взаимной фазовой подстройки высокочастотных импульсов напряжения, одновременно формируемых на обоих газоразрядных промежутках, отличающийся тем, что внутренние поверхности полостей полых катодов, относящихся к разным газоразрядным промежуткам, приближены друг к другу, что обеспечивает организацию режима взаимной фазовой подстройки путем непосредственного взаимного электромагнитного влияния прикатодных слоев разрядов, инициируемых одновременно в обоих газоразрядных промежутках.1. A high-frequency pulse generator based on a hollow cathode discharge, comprising a gas discharge chamber in which two gas-discharge gaps are provided, each gap is formed by a hollow cathode and an anode, the corresponding geometrical parameters of both gas-discharge gaps being equal, the electrodes of both gas-discharge gaps being connected to the power supply and the block load, the power supply provides a synchronous supply of high voltage pulses to the electrodes of both gas discharge gaps, while the oscillator is equipped with a regime of mutual phase adjustment of high frequency voltage pulses simultaneously generated on both gas discharge gaps, characterized in that the internal surfaces of the hollow cathode cavities belonging to different gas discharge the gaps are close to each other, which ensures the organization of the mutual phase adjustment mode by direct mutual electromagnetic influence of the near-cathode layers of the discharges, initiated simultaneously in the wallpaper x gas discharge gaps. 2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что оба полых катода выполнены в форме полых цилиндров с открытыми торцами, у каждого катода один из торцов обращен в сторону соответствующего анода, а второй торец в сторону другого полого катода, причем близость внутренних поверхностей полостей полых катодов обеспечена тем, что обращенные друг к другу торцы полых катодов максимально приближены.2. The generator according to claim 1, characterized in that both hollow cathodes are made in the form of hollow cylinders with open ends, at each cathode one of the ends faces the corresponding anode, and the second end faces the other hollow cathode, and the proximity of the internal surfaces of the cavities hollow cathodes is ensured by the fact that the ends of the hollow cathodes facing each other are as close as possible.
RU2019115192A 2019-05-17 2019-05-17 High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge RU2722228C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115192A RU2722228C1 (en) 2019-05-17 2019-05-17 High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019115192A RU2722228C1 (en) 2019-05-17 2019-05-17 High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2722228C1 true RU2722228C1 (en) 2020-05-28

Family

ID=71067287

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019115192A RU2722228C1 (en) 2019-05-17 2019-05-17 High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2722228C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7122949B2 (en) * 2004-06-21 2006-10-17 Neocera, Inc. Cylindrical electron beam generating/triggering device and method for generation of electrons
RU2462783C1 (en) * 2011-04-21 2012-09-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode
RU178906U1 (en) * 2017-04-03 2018-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") HIGH-FREQUENCY PULSE GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge
RU2657240C1 (en) * 2017-01-24 2018-06-09 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Generator of high frequency pulses on the basis of discharge with full cathode

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7122949B2 (en) * 2004-06-21 2006-10-17 Neocera, Inc. Cylindrical electron beam generating/triggering device and method for generation of electrons
RU2462783C1 (en) * 2011-04-21 2012-09-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Госкорпорация "Росатом" Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode
RU2657240C1 (en) * 2017-01-24 2018-06-09 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Generator of high frequency pulses on the basis of discharge with full cathode
RU178906U1 (en) * 2017-04-03 2018-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") HIGH-FREQUENCY PULSE GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102873676B1 (en) Device and method for transmitting multiple waveform signals during plasma processing
US5097472A (en) Preionized transversely excited laser
RU134697U1 (en) HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge
EP0400089B1 (en) Improved plasma wave tube
RU2722228C1 (en) High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge
RU2657240C1 (en) Generator of high frequency pulses on the basis of discharge with full cathode
KR20230175233A (en) Plasma processing device and substrate processing method
RU2462783C1 (en) Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode
RU178906U1 (en) HIGH-FREQUENCY PULSE GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge
RU2497225C2 (en) Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode
US2418121A (en) Impulse producing oscillator
RU2624000C2 (en) Generator of high-frequency emission based on discharge with hollow cathode
RU145556U1 (en) HIGH-FREQUENCY RADIATION GENERATOR BASED ON A Hollow Cathode Discharge
RU58785U1 (en) HIGH FREQUENCY GENERATOR BASED ON A HOLLOW CATHODE DISCHARGE
Barnett et al. 160 J, 100 HZ repetition rate, compact Marx generator and high power microwave system
RU2683962C1 (en) Open-chamber for generator of high-frequency pulse based on discharge with hollow cathode
RU2522894C2 (en) Hollow-cathode discharge-based high-frequency radiation generator (versions)
KR20220163300A (en) Plasma processing apparatus and plasma processing method
Chen et al. Relativistic magnetron research
RU2228560C1 (en) Relativistic magnetron
RU2751542C1 (en) Gas-discharge generator of high-frequency pulses
RU2211952C2 (en) Pulse electric jet engine
RU2707267C2 (en) High-frequency pulses generator based on hollow cathode discharge
Chen et al. Operation of a long-pulse relativistic magnetron in a phase-locking system
RU2679453C1 (en) Method of creating pulsed repetitive discharge in gas and device for its implementation