ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
GENERATOR OF ELECTROMAGNETIC PULSES

Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов (ЭМИ) и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных полей.
Важнейшей задачей, стоящей в данной области техники, является обеспечение высокой направленности излучения, которая расширяет область применения генератора в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.
Известен генератор ЭМИ [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], содержащий импульсный или импульсно-периодический источник света в виде лазера, фотокатод и сетчатый параболоидный анод, подключенные к источнику напряжения. Принцип действия известного генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью источника света, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси, ускорение электронов в промежутке "фотокатод-анод" и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь объема, охватываемого анодом. Тогда на внешней поверхности анода возбуждается волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки, которая является источником ЭМИ.
Недостатком этого генератора ЭМИ является то, что для наблюдателя, находящегося на оси параболоида, распределение излучающих токов по поверхности параболоида является радиальным (фиг. 3). При этом каждому элементарному излучающему току можно поставить в соответствие такой же по величине, но зеркально симметричный. Каждая такая пара излучает сигналы, одинаковые по амплитуде, но находящиеся в противофазе. В результате интерференции излучение в направлении оси параболоида полностью подавляется - образуется зона, свободная от электромагнитного поля. А излучение проявляется в виде бокового лепестка с увеличенным углом раскрыва, но существенно меньшей амплитудой излучаемого сигнала. Такое распределение излучающих токов приводит также к тому, что поляризация излучаемого поля зависит от азимутального угла. Это затрудняет использование данного источника в радиолокации в виду низкой направленности и малой интенсивности генерируемого электромагнитного излучения. Кроме того, вакуумный диод с параболическими электродами, один из которых сеточный, с точки зрения его конструирования и изготовления является очень сложным изделием.
th
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому генератору является генератор ЭМИ [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 11 International conference on high-power electromagnetic «EUROEM 98», Tel Aviv, Israel, June 14-19, p. 57], содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный или импульсно-периодический источник света в виде лазера, конвертер, преобразовывающий излучение лазера в сферически расходящуюся волну рентгеновского излучения. Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует субнаносекундный 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 (р<90°, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью V=c/sinφ>c. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке "фотокатод-анод", проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью является источником широкополосного ЭМИ, причем направленность электромагнитного излучения обеспечивается черенковским характером формирования интерференционной картины излучения.
Учитывая, что лазерная плазма фактически является точечным источником рентгеновского излучения, то угол падения (р рентгеновских квантов на фотокатод на различных его участках различный, поэтому и направление черенковского излучения по мере прохождения волны инжекции меняется. Таким образом, главным недостатком прототипа является низкая направленность, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации. Вследствие низкой направленности системы получаем малую интенсивность генерируемого электромагнитного излучения.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом изобретении, заключается в улучшении направленности и увеличении интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.
Технический результат достигается тем, что в генераторе электромагнитных импульсов, который включает в себя плоский фотокатод и параллельный ему плоский сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света и конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, новым является то, что дополнительно введен отражатель в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, при этом между отражателем и его фокусом размещены фотокатод и анод, а между отражателем и анодом установлен конвертер, центр излучения которого размещен на перпендикуляре к плоскости фотокатода, проведенном от фокуса отражателя, при этом расстояния от центра излучения конвертера до плоскости внешней стороны сетчатого анода и от фокуса отражателя до плоскости освещенной поверхности фотокатода одинаковы. Дополнительными отличиями является то, что плоский фотокатод и плоский сетчатый анод могут быть выполнены в форме либо прямоугольника, либо круга, либо овала, либо сектора. Конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо в виде точечной мишени сферической, конической или плоской формы. Отражатель может быть выполнен целиком из металла либо путем напыления металла на несущую конструкцию необходимой формы, изготовленную из стеклопластика, углепластика либо других композиционных материалов.
Введение отражателя в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения позволяет сформировать плоский синхронный фронт электромагнитного излучения.
Размещение фотокатода и анода между отражателем и его фокусом, а между отражателем и анодом - конвертера, центр излучения которого размещен на перпендикуляре к плоскости фотокатода, проведенном от фокуса отражателя, при этом расстояния от центра излучения конвертера до плоскости внешней стороны сетчатого анода и от фокуса отражателя до плоскости освещенной поверхности фотокатода, одинаковы, что позволяет сформировать центр излучения токов инжекции в фокусе отражателя, что также определяет качество направленности и интенсивность генерируемого электромагнитного излучения.
Выполнение фотокатода и сетчатого анода в виде плоских фигур прямоугольной, круговой, овальной и секторной форм позволяют выбрать оптимальный вариант конструкции.
Исполнение конвертера в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием, позволяет конвертировать оптическое и ультрафиолетовое излучение в расходящуюся волну.
Исполнение конвертера в виде точечной мишени сферической, конической или плоской формы, позволяет конвертировать излучение источника света в расходящееся рентгеновское излучение.
Выполнение отражателя целиком из металла, либо путем напыления металла на несущую конструкцию необходимой формы, изготовленную из стеклопластика, углепластика либо других композиционных материалов определяют точность изготовления зеркала и на его габаритно массовые и прочностные характеристики.
Изобретение поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - конструкция генератора ЭМИ;
Фиг. 2 - схема фотоэмиссии на промежутке «фотокатод-анод»;
Фиг. 3 - схема распределения излучающих токов аналога для наблюдателя, находящегося на оси параболоида.
На фигурах позициями обозначены: 1 - фотокатод; 2 - сетчатый анод; 3 -отражатель; 4 - импульсный или импульсно-периодический лазер; 5 - конвертер, преобразовывающий излучение лазера в сферически расходящуюся волну света или рентгеновского излучения; 6 - фокус отражателя; стрелками показан ход лазерного излучения, а именно: 7 - падающее на фотокатод оптическое или рентгеновское излучение, 8 - путь движения электронов в ускоряющем промежутке «фотокатод - сетчатый анод», 9 - обусловленное инжектируемыми токами электромагнитное излучение; 10 - плоскость, равноудаленная от внешней стороны сетчатого анода и от освещенной поверхности фотокатода.
2
2
2
Рассмотрим вариант реализации генератора ЭМИ, представленного на фиг. 1, где в качестве источника света 4 возможно использование неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или ультрафиолетового лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 1: покрытие с отрицательным электронным сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо CsTe; 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 ультрафиолетовый лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа CsTe или RbТе, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра. Источник света 4 размещается в защищенном от электромагнитного излучения месте так, чтобы его луч, попадал на оптический центр конвертера. Сетчатый анод 2 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. При этом плоский фотокатод 1 и плоский сетчатый анод 2 размещены параллельно друг другу между отражателем 3 и фокусом отражателя 6, и подключены к источнику напряжения (на фиг. не показано). А также они могут быть выполнены в форме либо прямоугольника, либо круга, либо овала, либо сектора. Между сетчатым анодом 2 и отражателем расположен конвертер 5, центр излучения которого размещен на перпендикуляре к плоскости фотокатода 1, проведенном от фокуса отражателя 6, при этом расстояния от центра излучения конвертера 5 до плоскости внешней стороны сетчатого анода 2 и от фокуса отражателя до плоскости освещенной поверхности фотокатода 1 одинаковы. При этом конвертер 5 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 точечной мишени сферической, конической или плоской формы из материала с большим атомным номером (золото) и размером ≈ 1 мм, преобразующей лазерное излучения в ультрафиолетовое и рентгеновское излучения. В том случае, если импульс лазерного излучения конвертируется в импульс рентгеновского излучения, в качестве фотокатода 1 можно использовать обычные металлы: сталь, никель, алюминий и т.д. Отражатель 3 представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения и может быть выполнен целиком из металла (например, путем штамповки листового алюминия) либо путем напыления металла на несущую конструкцию необходимой формы, изготовленную из стеклопластика, углепластика либо других композиционных материалов.
Устройство работает следующим образом. Перед началом работы генератора ЭМИ с помощью источника напряжения (на фиг. не показано) подают на промежуток "фотокатод-анод" напряжение, например, величиной 100 кВ. Далее запускается импульсный или импульсно-периодический источник света 4, который генерирует мощные импульсы света, которые направляются на конвертер 5, который в свою очередь, преобразует луч в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Сферическая волна излучения, расширяясь, освещает фотокатод 1 и инициирует поверхностную волну эмиссии электронов, бегущую вдоль фотокатода 1 в направлении от точки фотокатода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эмитированные электроны ускоряются в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 2. Тогда на внешней поверхности анода 2 образуется волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от точки анода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эта волна инжекции электронов и является источником расходящейся электромагнитной волны. Возникающая электромагнитная волна излучается в направлении, отвечающем зеркальному отражению падающего оптического или рентгеновского излучения, т.е. α=β (фиг. 2, позициями 7, 8, 9 обозначены пути движения излучения). Отсюда следует, что излучение токов инжекции представляет собой сферически расходящуюся электромагнитную волну. Причем, из-за того что электроны в ускоряющем промежутке «фотокатод-анод» распространяются по траекториям, перпендикулярным поверхности катода, происходит смещение центра излучения сферически расходящейся электромагнитной волны на величину, равную половине расстояния между рабочей поверхностью фотокатода и сеткой. Происхождение смещения иллюстрирует фиг. 2. Поэтому центр излучения расположен зеркально симметрично центру сферически расходящейся волны оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения относительно плоскости 10, равноудаленной от внешней стороны сетчатого анода 2 и освещенной поверхности фотокатода 1.
п
При выбранных условиях размещения фотокатода, анода и конвертера центр излучение токов инжекции будет находиться в фокусе отражателя 6. Отражатель 3 формирует плоский синхронный фронт электромагнитного излучения. Ширина его главного лепестка диаграммы направленности θ равна [Кюн Р. Микроволновые антенны. Судостроение, Л., 1967 г.]
,
где S - апертура отражателя; λ - характерная длина волны.
8
-12
-2
При характерной длительности пика излучаемого импульса Т=200 пс, характерная длина волны составляет λ=2сТ=3·10·400·10=12·10=120 мм.
2
Например, для апертуры S=4 м, получаем
P
P
П
Для прототипа ширина главного лепестка диаграммы направленности составляет ϑ≈20°. Амплитуда поля на заданном расстоянии обратно пропорциональна ширине главного лепестка диаграммы направленности. Таким образом, проведенные расчетные оценки показывают, что в предложенном генераторе ЭМИ по сравнению с прототипом (при одинаковой их мощности) отношение амплитудных значений напряженности электрического поля равно (ϑ/θ), что составляет 20/1,7≈12 раз. По мощности это будет составлять 144 раза. При использовании отражателей с большей апертурой этот выигрыш будет увеличиваться пропорционально квадрату апертуры.
Таким образом, все новые признаки обеспечивают достижение технического результата, а именно улучшения направленности и увеличение интенсивности генерируемого ЭМИ.