ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 442, № 4, с. 465-467
ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА
УДК 533.9.15
МОЩНЫЙ СВЕРХМИНИАТЮРНЫЙ БЕСПУЧКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР В ГАЗОРАЗРЯДНОЙ СВЧ-ЭЛЕКТРОНИКЕ
© 2012 г. В. Д. Селемир, А. Е. Дубинов, В. С. Жданов, С. А. Садовой, И. Л. Львов, Д. В. Вялых
Представлено академиком Р. И. Илькаевым 15.08.2011 г. Поступило 23.09.2011 г.
Среди технических параметров мощных СВЧ-генераторов, предназначенных для массового изготовления, на первом плане всегда стоят их массо-габаритные и стоимостные характеристики. И чем меньше, легче и дешевле СВЧ-генератор, тем более привлекательным представляется он для потенциального потребителя.
Рассматривая мощные (>1 МВт) и сверхмощные (>1 ГВт) СВЧ-генераторы, можно констатировать, что все они относятся к электровакуумным (ЛБВ, ЛОВ, клистроны, магнетроны, гиро-троны, виркаторы и др.) либо к плазменным приборам (плазменно-пучковые генераторы), в которых энергия сильноточного электронного пучка преобразуется в энергию СВЧ-излучения.
Необходимость использования электронных пучков накладывает серьезный отпечаток на внешний облик таких генераторов и особенно на их массу, размеры и стоимость: для генераторов помимо основных систем — электродинамической структуры и антенны — требуются громоздкие вспомогательные системы, среди которых вакуумная система, обеспечивающие глубокий вакуум (~10-5 Тор), высокоэффективный катод, обеспечивающий высокую плотность тока электронной эмиссии (>10 кА/см2), мощный высоковольтный источник напряжения (>100 кВ), необходимый для ускорения электронного пучка, электронный коллектор, а также магнитная система, создающая магнитное поле (>1 кГс) во всем объеме электродинамической структуры для того, чтобы электронный пучок не рассыпался благодаря ку-лоновскому расталкиванию. В итоге все эти вспомогательные системы определяют массу, габаритные размеры и стоимость СВЧ-генераторов.
Кроме того, и сама электродинамическая структура мощных электровакуумных СВЧ-гене-раторов, как правило, имеет большие размеры. Удобно выражать объем электродинамической
ФГУП "Российский федеральный ядерный центр — Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики", Саров Нижегородской обл.
структуры генератора V в кубических длинах волн
X3 = (е/Г )3, где с — скорость света в пустоте, В — несущая частота генерируемого в структуре СВЧ-излучения. Обычно в мощных электровакуумных
СВЧ-генераторах V > X3, а в сверхмощных многоволновых СВЧ-генераторах часто даже V > 103X3. Для сравнения укажем, что слабомощные полупроводниковые СВЧ-генераторы (лавинно-про-летные диоды, диоды Ганна) могут иметь объемы
рабочей зоны генерации V « X3, позволяющие считать их миниатюрными.
Возникает простая идея как уменьшить массу, размеры и стоимость мощных СВЧ-генераторов, которую можно формулировать следующим образом: если отказаться от электронных пучков, выступающих в роли активной среды электровакуумных СВЧ-генераторов, то можно, по-видимому, избежать и необходимости использования всех вышеперечисленных вспомогательных систем и уменьшить объем электродинамической структуры V.
Что же тогда выбрать в качестве активной среды СВЧ-генераторов? Нам представляется, что такой средой может выступать плазма газового разряда при низком давлении (<1 Тор), в которой СВЧ-генерация развивается по причине одной из многочисленных плазменных неустойчивостей.
Например, в импульсных высоковольтных разрядах низкого давления в газоразрядных камерах с полым катодом может происходить полная модуляция разрядного напряжения на частоте, лежащей в диапазоне нескольких десятков МГц и выше. Это явление можно использовать для генерации мощных импульсов когерентного ВЧ-излучения.
Статьи [1—3] группы из "Технион" (Израиль) представляют результаты первых разработок и исследований мощных генераторов ВЧ-импульсов на основе газоразрядных камер с полым катодом. Лучшие их результаты, полученные, конечно же, в разных режимах, таковы: максимальная длительность ВЧ-импульсов 11.5 мкс, их максимальная мощность 121 кВт, ВЧ-частота 35—39 МГц, частота следования импульсов до 100 Гц (Хе, при давлении 19—21 мТор) [3].
466
СЕЛЕМИР и др.
Источник питания
Я*
С
S
Газоразрядная _камера
[С
15
Яг
К осциллографу
■-о
Рис. 1. Схема электрической цепи СВЧ-генератора (размеры газоразрядной камеры — в мм).
Статья [4] группы из РФЯЦ-ВНИИЭФ (Россия) представляет широкий обзор последующих исследований, направленных на улучшение характеристик генераторов ВЧ-импульсов с полым катодом и на уточнение физических механизмов их работы. В ней описан ряд газоразрядных камер с разными размерами. На одной из них при использовании воздуха пониженного давления в качестве рабочей среды были получены следующие результаты (также в разных режимах): максимальная длительность ВЧ-импульсов 1.8 мкс, мощность 8 МВт, частота 100—140 МГц, частота следования импульсов до 1 кГц. Напряжение зажигания газового разряда не превышало 7 кВ, а давление воздуха в таких камерах составляло несколько десятков или сотен мТор, что позволило использовать обычный форвакуумный насос для откачки. Было проверено, что такие газоразрядные камеры прекрасно работают и в импульс-но-периодическом режиме с частотой следования импульсов >1 кГц. Впоследствии в работах [5, 6] были разработаны отпаянные газоразрядные камеры с азотом и с водородом в качестве рабочего газа, что позволило вообще отказаться от вакуумной системы.
В работе [7] было показано, что ВЧ-генерато-ры хорошо работают не только на согласованную активную нагрузку в виде резистора, но и на реальную уголковую антенну, направленно излучающую ВЧ-импульсы в дальнюю зону.
Электродинамические структуры таких ВЧ-гене-раторов, в качестве которых выступают газоразряд-
ные камеры, имеют весьма малый объем. Например, для генератора из [3] V = 3.4 • 10 -7X3, а лучшего
генератора из [4] V = 3.6 • 10 К . Поэтому ВЧ -генераторы подобного класса можно назвать сверхминиатюрными. Кроме того, в них нет электронных пучков, а следовательно, и вспомогательных систем, необходимых для традиционных генераторов.
Во всех генераторах из перечисленных работ [1—6] частота ВЧ-излучения ограничена сверху величиной 200 МГц. Общей задачей данного направления исследований является дальнейшее повышение частоты генерации с переходом в СВЧ-диапазон и с сохранением их сверхминиатюрности. В рамках этой задачи нам удалось довести частоту в генераторе с полым катодом до Хр-диапазона СВЧ-излучения (390—465 МГц).
Ранее считалось (см., например, [1, 3]), что частота генерации в разряде с полым катодом близка к ионной плазменной частоте. Однако в [5] показано, что это не так и что частота в генераторах с полым катодом определяется собственной частотой эффективного колебательного контура, который образован емкостью прикатодного слоя газового разряда и индуктивностью токоведущих элементов конструкции газоразрядной камеры. Следовательно, увеличения частоты генерации можно достичь, уменьшая объем катодной полости и площади ее поверхности.
Сначала исследовались газоразрядные камеры с катодной полостью в виде цилиндра, имеющего форму стакана с проводящей торцевой стенкой на другом конце относительно анода. Оказалось, однако, что предельно малые размеры катодной полости таковы: диаметр полого катода 15 мм, высота 25 мм. Дальнейшее уменьшение размеров катодной полости приводило к тому, что генерация пропадала вообще.
Ключевой идеей дальнейшего уменьшения размеров катодной полости с целью увеличения частоты генерации явилось исключение проводящей торцевой стенки катода с тем, чтобы полый катод принял форму простой цилиндрической трубки.
Схема камеры с полым катодом и схема ее подключения в СВЧ-генераторе представлена на рис. 1. Полый катод диаметром 15 мм и высотой всего 15 мм выполнен из нержавеющей стали, его внутренняя поверхность отполирована. Торец трубки был закрыт заглушкой из диэлектрической керамики. Анод диаметром 8 мм изготовлен из тугоплавкого сплава ВНЖ (W—N1—Fe), его поверхность также была отполирована. Все элементы конструкции компактны, чтобы минимизировать эффективную индуктивность генератора.
Генератор работает следующим образом. Высоковольтный блок питания через балластный резистор с варьируемым сопротивлением Я* = 5—10 кОм заряжает конденсатор емкостью С = 0.1 мкФ. Как только напряжение на конденсаторе С превысит 3.5 кВ — напряжения срабатывания неуправляе-
МОЩНЫЙ СВЕРХМИНИАТЮРНЫЙ БЕСПУЧКОВЫЙ ГЕНЕРАТОР
467
u 3
2
1
0
-1
-2
-3
103 B
200 250 t, нс
Рис. 2. Выходной сигнал напряжения на нагрузке.
uF, усл. ед. 20 г
15
10 5
...........^
■ ■■1.1.1, II
200
400 600
800 1000 F, МГц
Рис. 3. Фурье-спектр выходного сигнала — напряжения на нагрузке.
мого разрядника, в камере генератора развивается объемный разряд. В результате неустойчивости разряда происходят СВЧ-осцилляции напряжения на электродах камеры. Сигнал с этими осцил-ляциями через разделительный конденсатор Cf = = 4700 пФ и резистивную нагрузку RL = 3 Ом поступает в цифровой осциллограф с полосой пропускания <500 МГц.
На рис. 2 представлена типичная осциллограмма получаемых СВЧ-импульсов. Несущая частота импульса (см. фурье-спектр СВЧ-импульса на рис. 3) приблизительно 460 МГц. Действующая мощность СВЧ-осцилляций напряжения на резистивной нагрузке достигала величины 1 МВт. Длительность СВЧ-импульсов составила ~150 нс.
СВЧ-генератор может работать в импульсно-периодическом режиме, частота которого определяется временем зарядки входной цепи RFC. Надлежащим подбором RF мы достигли частоты следования импульсов генерации 1000 Гц.
При работе в импульсно-периодическом режиме с такой частотой в газоразрядной камере объемом несколько см3 может выделяться порядка 1 кВт теплоты. Это может приводить к разогреву электродов и контактирующих с ними изоляторов. По этой причине все изоляторы необходимо выполнять из жароустойчивой керамики, что и было реализовано в данной конструкции камеры.
Кроме того, при работе в импульсно-периоди-ческом режиме с частотой более 100 Гц потребовалось принудительное воздушное охлаждение. Оно осуществлялось внешним вентилятором через отве
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.