ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Область техники
Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие мощных импульсных электромагнтых полей.
Уровень техники
Известен генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ) [1], содержащий импульсный лазер, источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод.
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 излучения 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, описанный в [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 с 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 частоту следования электромагнитных импульсов, заключающийся в низкой частоте срабатывания из-за медленной зарядки конденсатора, образованного фотокатодом и параболическим сетчатым анодом.
Раскрытие изобретения
Технический результат, достигаемый в предлагаемом техническом решении, заключается в увеличении частоты следования электромагнитных импульсов, создаваемых генератором, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.
Этот результат достигается тем, что предлагаемый генератор электромагнитных импульсов по пункту 1, как и известный [2], содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, источник напряжения, сетчатый параболоидный анод, фотокатод, рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода и софокусно ему. Новым в генераторе является то, что он снабжен экраном фотокатода и коаксиальной линией, высоковольтный проводник которой соединен с высоковольтным выводом источника напряжения и с фотокатодом у его вершины, к низковольтному выводу источника напряжения последовательно подключены экран линии, экран фотокатода, и параболоидный сетчатый анод, причем лазер установлен с возможностью ввода лазерного излучения в полость анода и направления излучения на рассеиватель.
В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 2 экраном фотокатода служит охватывающая его сплошная металлическая оболочка.
В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 3 экран фотокатода выполнен в виде цилиндрических, трубчатых или плоских проводников, размещенных вдоль образующей фотокатода и равномерно распределенных по его окружности.
В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 4 источником напряжения служит высоковольтный быстродействующий емкостной или индуктивный генератор импульсного напряжения.
Благодаря наличию экрана и коаксиальной линии в генераторе ЭМИ, размещенных вышеуказанным образом, обеспечивается быстрая многократная зарядка емкости «анод-фотокатод» после каждой ее разрядки вследствие чего существенно повышается частота следования последовательности импульсов электромагнитного излучения.
На чертеже изображена схема конструктивного выполнения предлагаемого генератора ЭМИ, где: 1 - источник напряжения; 2 - коаксиальная линия; 3 - экран катода; 4 - фотокатод; 5 - сетчатый анод; 6 - лазерный луч; 7 - система для направления лазерного излучения на рассеиватель, 8 - рассеиватель лазерного излучения.
Прицип действия заявляемого генератора основаны на следующей последовательности процессов. Импульсы света 6, генерируемые импульсно-периодическим лазером, системой 7 направляются на рассеиватель 8 и преобразовываются в сферически расходящуюся волну света или рентгеновского излучения. Сферическая волна света или рентгеновского излучения, расширяясь, освещает фотокатод 4 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую вдоль катода в направлении от его вершины. Ток эмитированных электронов, ускоренных в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектированных сквозь сетчатый параболоидный анод 5 является источником ЭМИ. Тогда на внешней поверхности анода 5 образуется волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от вершины параболоида, которая и является источником ЭМИ. После каждого процесса разрядки и последующей зарядки емкости «анод-катод» последовательность физических процессов многократно повторяется. Ожидается, что с помощью предложенного генератора ЭМИ возможно повышение частоты следования ЭМИ до 100 МГц и выше.
После излучения каждого импульса емкость анод-катод оказывается полностью разряженной и на какое-то время до зарядки не может служить источником ускоренных электронов. От места сочленения экрана 3 и анода 5 начинают бежать волны зарядки и разрядки. Волна зарядки бежит по линии, образуемой катодом и анодом. Волна разрядки бежит по линии «экран-катод», а далее по коаксиальной линии 2 к источнику напряжения 1. Наличие этих волн приводит к тому, что
во-первых, разные участки катода оказываются под разным напряжением;
во-вторых, напряжение на некоторых участках линии анод-катод может превысить электрическую прочность промежутка «анод-катод» и вызвать его пробой.
Для устранения этого явления предлагается выполнять экран таким образом, чтобы его волновое сопротивление многократно превышало волновое сопротивление линии «анод-катод». В этом случае тракт зарядки по отношению к волнам зарядки и разрядки оказывается слабо связанным с линией «анод-катод». Через определенное число пробегов по экрану после начала работы генератора он плавно переходит в индуктивный режим работы и обеспечивает плавную зарядку емкости анод-катод.
При работе генератора ЭМИ лазер и источник импульсного напряжения начинают работать примерно одновременно (по крайней мере, первый импульс от лазера должен прийти до момента достижения напряжением на промежутке анод-катод электрической прочности).
3
2
2
В качестве лазера 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: покрытие с отрицательным 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.
В том случае, если импульс лазерного излучения конвертируется в импульс рентгеновского излучения, как в [1], в качестве катода можно использовать обычные металлы: сталь, никель, алюминий и т.д.
Ввод лазерного луча во внутреннюю полость анода и направление его на рассеиватель осуществляется либо через выходную апертуру генератора ЭМИ, либо через специальные отверстия в катоде (одно или несколько). Рассеиватель может быть выполнен либо в виде параболических зеркал, которые 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 конвертора 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 возможно изготовить из тонкой металлической проволоки, например из никеля или меди, добиваясь прозрачности >80%. Это позволит свести потери отраженного света и ускоренных электронов к незначительным.
В РФЯЦ-ВНИЭФ проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности заявляемого изобретения и исследования на экспериментальном стенде, подтверждающие достижение технического результата при его использовании.
Благодаря увеличению частоты следования электромагнитных импульсов, создаваемых генератором, заявляемый генератор электромагнитных импульсов найдет широкое применение, в том числе в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.
Источники информации
1. Bessarab А.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 1 1th International conference on high-power electromagnetics "EUROEM'98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p.57.
2. Бессараб A.B., Дубинов A.E., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент РФ №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ №29, 2001.