ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Область техники
Изобретение относится к технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов.
Уровень техники
Известен генератор ЭМИ [1], содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный лазер. Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует наносекундный импульс света, который направляется на некоторую мишень для создания вблизи ее поверхности слоя лазерной плазмы, конвертирующей импульс света в импульс рентгеновского излучения. Если предварительно ориентировать фотокатод и анод так, чтобы рентгеновское излучение освещало бы фотокатод под некоторым углом φ<90°, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью V=c/sinφ>с. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке "фотокатод-анод", проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Если пространственный заряд инжектированного в полупространство электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью V>с вдоль анода виртуальный катод. Волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, является источником широкополосного ЭМИ, причем направленность электромагнитного излучении обеспечивается черенковским характером формирования интерференционной картины излучения.
Учитывая, что лазерная плазма фактически является точечным источником рентгеновского излучения, то угол падения φ рентгеновских квантов на фотокатод на различных его участках различный, поэтому и направление черенковского излучения по мере прохождения волны инжекции меняется. Таким образом, главным недостатком известного генератора ЭМИ является широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому генератору является генератор ЭМИ [2]. Этот генератор ЭМИ содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, фотокатод с отверстием для ввода лазерного излучения и сетчатый параболоидный анод, подключенные к источнику напряжения, и рассеиватель лазерного излучения в виде зеркального параболоида вращения, который установлен внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему, причем отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов.
Принцип действия известного генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении лазерного луча от параболоидного зеркала, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью V>с, ускорение электронов в промежутке "фотокатод-анод" и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, которая является источником ЭМИ. Узкая направленность при излучении здесь обеспечивается как черенковским характером генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида, имеет плоский фронт.
Однако известный генератор ЭМИ имеет недостаток, существенно снижающий амплитудные значения генерируемого электромагнитного излучения. Этот недостаток связан с тем, что для параболоида с аксиальной симметрией, электронные потоки из симметричных областей генерируют импульс ЭМИ с противоположным направлением электрического поля, взаимно компенсируя друг друга.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является увеличение амплитудного значения электромагнитного излучения генератора ЭМИ, что позволит расширить область его применения в радиолокации.
Этот технический результат достижим за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и известный [2], содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, подключенные к источнику напряжения сетчатый параболоидный анод и фотокатод с соосным параболоиду отверстием для ввода лазерного излучения, и рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода и софокусно ему. В отличие от известного генераторе ЭМИ снабжен не менее чем двумя металлическими пластинами, установленными внутри параболоидного анода радиально от его оси параболоида до его поверхности. Дополнительным отличием является то, что рассеиватель лазерного излучения выполнен в виде мишени из материала, способного конвертировать лазерное излучение в рентгеновское.
Принцип действия предлагаемого генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении и преобразовании лазерного луча рассеивателем или преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну рентгеновского излучения при конверсии на мишени, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью V>с, ускорение электронов в промежутке "фотокатод-анод" и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от вершины параболоида также со сверхсветовой скоростью, которая и является источником ЭМИ.
Диаметрально противоположные области параболоида отделены друг от друга металлическими пластинами, то есть экранированы друг от друга, что исключает взаимную компенсацию полей из этих областей.
Таким образом, все новые признаки обеспечивают достижение технического результата, а именно повышение амплитудного значения электромагнитного излучения генератора ЭМИ.
Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ показан на фиг.1 и 2, на которых обозначено: 1 - импульсный или импульсно-периодический лазер; 2 - фотокатод; 3 - параболическое зеркало; 4 - сетчатый анод; 5 - металлические пластины (как пример, в количестве 4 шт.), стрелками показан ход лазерного излучения.
3
2
2
В качестве лазера 1 возможно использование, как и в [2], неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или УФ-лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 2: покрытие с отрицательным сродством сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо CsSb; во втором случае применимы покрытия на основе окислов металлов типа W-Zr-O. Если генератор ЭМИ предполагается использовать в условиях постоянного освещения, например дневного света, то рекомендуется использовать УФ-лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа CsTe или RbTe, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра.
На оси фотокатода 2 выполнено отверстие диаметром, превышающим диаметр лазерного луча. При необходимости в отверстии может быть установлена фокусирующая линзовая система. Рассеиватель 3 может быть выполнен либо в виде параболического зеркала, которое можно изготовить или с металлическим, или с диэлектрическим многослойным покрытием (нечетные слои из материала с высоким показателем преломления - сульфид цинка или сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория, свинца, а четные слои - из материалов с низким показателем преломления - фторид магния, стронция, двуокись кремния), либо в виде точечного конвертера лазерного излучения в УФ- и рентгеновское излучения, который конструктивно может быть выполнен в виде тела сферической или конической формы из материала с большим атомным номером (золото) и размером ~1 мм. Сетчатый анод 4 возможно изготовить из тонкой металлической проволоки, например, из вольфрама или тантала, добиваясь прозрачности >90%. Это позволит свести потери отраженного света и ускоренных электронов к незначительным. Отверстие для ввода лазерного луча в сетчатом аноде 4 можно выполнять либо в силу большой прозрачности сетки анод можно оставить без отверстия.
Металлические пластины 5 можно изготовить из тонкой медной алюминиевой фольги толщиной 0,1…1 мм, нанесенной для прочности, например, на текстолитовые листы.
Перед началом работы генератора ЭМИ с помощью источника напряжения подают на промежуток "фотокатод-анод" напряжение, например, величиной 100 кВ. Далее работает генератор ЭМИ следующим образом. Запускается импульсный или импульсно-периодический лазер 1, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются сквозь отверстие в фотокатоде 2 к рассеивателю 3. Рассеиватель 3 в свою очередь преобразует лазерный луч при отражении в сферически расходящуюся волну света. Сферическая волна света, расширяясь, освещает фотокатод 2 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду 2 в направлении от его оси со скоростью V>c. Эмиттированные электроны ускоряются в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 4 внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, которая является источником широкополосного ЭМИ.
Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что в предложенном генераторе ЭМИ достигается повышение амплитудного значения генерируемого электромагнитного излучения в 2-3 раза по сравнению с прототипом.
Изобретение позволит расширить область его применения в радиолокации
Источники информации, принятые во внимание
1. Bessarab A.V., Gaydash V.A., Jidkov N.V. et al., "Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse", Book of abstracts of llth International conference on high-power electromagnetics "EUROEM'98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p.57.
2. ] (Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент РФ №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ№29, 2001).