ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ELECTROMAGNETIC PULSE GENERATOR

Изобретение относится к технике генерации мощных сверхширокополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов.
Известен генератор ЭМИ, (Bessarab A.V., Gaydash V.А., Jidkov N.V. el al., "Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse". Book of abstracts of 11th International conference on high-power electromagnetics "EUROEM'98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p. 57). содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный лазер.
Недостатком известного генератора ЭМИ является широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является известный генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ) (патент РФ №2175154, МПК H01J 25/00, опублик. 20.10.2001, включающий фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, при этом он снабжен зеркалом в виде параболоида вращения, которое преобразует лазерный луч в сферическую волну света, освещающую фотокатод, в котором выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, анод выполнен в виде параболоида вращения, а зеркало установлено внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему, при этом отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов с диаметром, превышающим диаметр лазерного луча.
В таком генераторе волна электронной эмиссии, инициированная лазерным излучением, генерирует импульс ЭМИ в направлении оси симметрии.
В процессе сверхсветовой разрядки параболического фотодиода формируется импульс ЭМИ с квазиплоским фазовым фронтом. После выхода из генератора, различные частотные компоненты имеют различную расходимость, обусловленную дифракционными эффектами. В результате, при использовании пассивного рефлектора, располагаемого в дальней зоне генератора, невозможно обеспечить равномерную засветку его площади для всех частотных составляющих ЭМИ.
Недостатком такого генератора является невозможность эффективного освечивания пассивного рефлектора, т.к. наблюдается сильная зависимость ширины диаграммы направленности от частоты вследствие того, что различные спектральные компоненты сверхширокополосного импульса распространяются по различным телесным углам. В результате при использовании известного генератора совместно с пассивным рефлектором разные частотные компоненты ЭМИ формируют на пассивном рефлекторе пятна различных размеров, что снижает эффективность при генерации направленного ЭМИ.
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности при формировании широкополосного направленного излучения, достигается в первом варианте генератора электромагнитных импульсов (ЭМИ), содержащего импульсный или импульсно-периодический лазер, фотокатод, в котором выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, а также отражательный зеркальный элемент, тем, что эмиссионная поверхность фотокатода выполнена в форме усеченного эллипсоида вращения, при этом отражательный зеркальный элемент расположен в первом фокусе эллипсоида вращения с обеспечением расходимости лазерного излучения из первого фокуса упомянутого эллипсоида вращения и распределения инициирующего воздействия лазерного излучения по эмиссионной поверхности фотокатода, причем генератор ЭМИ содержит параболический рефлектор электромагнитного излучения, фокус которого совмещен со вторым фокусом упомянутого эллипсоида вращения.
Указанный технический результат достигается также во втором варианте генератора электромагнитных импульсов (ЭМИ), содержащего импульсный или импульсно-периодический лазер, фотокатод, в котором выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, тем, что эмиссионная поверхность фотокатода выполнена в форме усеченного эллипсоида вращения, причем генератор ЭМИ содержит источник рентгеновского излучения, расположенный в первом фокусе эллипсоида вращения с обеспечением инициирующего воздействия рентгеновского излучения по эмиссионной поверхности фотокатода, и параболический рефлектор электромагнитного излучения, фокус которого совмещен со вторым фокусом упомянутого эллипсоида вращения.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 приведена функциональная схема генератора ЭМИ по первому варианту;
на фиг. 2 приведена функциональная схема генератора ЭМИ по второму варианту.
Генератор электромагнитных импульсов (фиг. 1, фиг. 2) содержит импульсный или импульсно-периодический лазер 1, фотокатод 2, в котором выполнено отверстие 3 для ввода лазерного излучения, и сетчатый анод 4, подключенные к источнику напряжения 5.
При этом эмиссионная поверхность фотокатода 2 выполнена в форме усеченного эллипсоида вращения.
В первом варианте (фиг. 1) генератор содержит отражательный зеркальный элемент 6, расположенный в первом фокусе эллипсоида вращения с обеспечением расходимости лазерного излучения из первого фокуса упомянутого эллипсоида вращения и распределения инициирующего воздействия лазерного излучения по эмиссионной поверхности фотокатода.
Во втором варианте (фиг. 2) генератор содержит источник рентгеновского излучения 7, расположенный в первом фокусе эллипсоида вращения с обеспечением инициирующего воздействия рентгеновского излучения по эмиссионной поверхности фотокатода,
Генератор ЭМИ содержит также параболический рефлектор 8 электромагнитного излучения, фокус которого совмещен со вторым фокусом 9 упомянутого эллипсоида вращения.
Использование катода с формой поверхности в виде усеченного эллипсоида вращения позволяет дополнительно внести в излучение геометрическую расходимость, в результате чего диаграмма направленности имеет практически одинаковый раствор для всех частотных компонент ЭМИ. За счет такого решения возможно обеспечить равномерное заполнение пассивного рефлектора, что позволяет эффективным образом транспортировать ЭМИ на большие дистанции. Дополнительно такой генератор позволяет осуществлять фокусировку излучения вблизи к выходной апертуре, что может быть использовано для формирования высокоинтенсивного поля непосредственно вблизи генератора.
Предлагаемый генератор ЭМИ работает следующим образом
Перед началом работы генератора (фиг. 1 и фиг. 2) емкость фотодиода заряжается с помощью источника 5 высоковольтного напряжения таким образом, что вектор напряженности электрического поля направлен от анода 4 к фотокатоду 3 (на аноде положительное напряжение). При этом анод 4 эквидистантен фотокатоду 3. Зарядка может осуществляться как с помощью источника 5 постоянного напряжения, так и посредством генератора высоковольтных импульсов.
Инициирующий разряд лазерный импульс, прошедший через отверстие 7, отражается от зеркального отражателя 6 (фиг. 1) и распределяется по эллиптической поверхности фотокатода 3, проходя через оптически прозрачный сетчатый или проволочный анод 4. При этом отражательный элемент 6 (первый вариант) располагается в первом фокусе эллипсоида и имеет такую форму, что отраженное излучение засвечивает всю площадь фотокатода 3.
Во втором варианте (фиг. 2) используется точечный источник рентгеновского излучения 7 с лазерным инициированием, расположенный в первом фокусе эллипсоида вращения, с обеспечением воздействия рентгеновского излучения по эмиссионной поверхности фотокатода.
Под воздействием лазерного или рентгеновского излучения электроны с поверхности фотокатода 3 начинают движение к аноду 4 благодаря напряжению, приложенному между фотокатодом 3 и анодом 4.
В процессе ускоренного движения фотоэлектроны пролетают сквозь сетчатый анод 4 и генерируют электромагнитный импульс. ЭМИ в окрестности каждой точки фотокатода генерируется в направлении, зеркальном падению инициирующего излучения. Таким образом направленность излучения такова, что электромагнитный импульс фокусируется в окрестности второго фокуса 9 эллипсоида.
В результате направленность всех частотных компонент ЭМИ сосредоточена внутри диапазона углов, определяемого из геометрических параметров засветки и формы фотокатода 3. Далее электромагнитное излучение равномерно распределяется по поверхности пассивного рефлектора 8, в качестве которого используется параболическая антенна, при этом ее фокус совмещается со вторым фокусом 9 эллипсоида.
При использовании эллиптического фотокатода 3 обеспечивается оптимальное сопряжения с рефлектором 8. Диаметр области, засвечиваемой различными частотными компонентами ЭМИ на пассивном рефлекторе 8, перестает зависеть от частоты, в результате чего эффективно используется вся площадь рефлектора.
Благодаря эллиптической форме эмиссионной поверхности обеспечивается большая площадь фотодиода заданного наружного диаметра и высоты, что позволяет запасать большую электростатическую энергию в вакуумном диоде и, в конечном итоге, позволяет увеличить энергию и мощность излученного ЭМИ 10.
3
В качестве лазера 1 возможно использование 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 на основе GaAs, легированного цезием, либо CsSb; во втором случае применимы покрытия на основе окислов металлов типа W-Zr-O.
Технический результат, достигнутый в изобретении, состоит в создании генератора широкополосного электромагнитного излучения с повышенной эффективностью и возможностью контроля и управления параметрами генерации (интенсивность, спектр, диаграмма направленности излучения).
Изобретение было реализовано в лабораторных условиях с использованием современных средств лазерной техники, оптоэлектроники и микроэлектроники.