СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ
ULTRA-WIDEBAND GENERATOR OF ELECTROMAGNETIC PULSES

Изобретение относится к технике генерации мощных сверхширокополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов для средств связи, радиолокации и навигации.
Под сверхширокополосным электромагнитным излучением понимается излучение, спектральный состав которого определяется выражением  где  - центральная частота спектра излучения,  - ширина спектра излучения.
Общая концепция построения СШП генератора основана на принципе формирования сверхкороткого (субнаносекундного) электрического импульса (СКИ) и его излучении в пространство с помощью широкополосной антенной системы. Обобщенная схема построения СШП генератора представлена на фиг. 1, где: Г - генератор, Л1, Л2, Л3 - линии передачи энергии, Р1, Р2 - ключи, А - антенная система.
Генератор Г заряжает высоковольтную линию передачи энергии Л1 до напряжения U. При замыкании ключа Р1 формирующая линия Л2 импульсно заряжается до напряжения U, после чего ключ Р1 размыкается. При замыкании ключа Р2 линия Л2 разряжается на антенну А через линию передачи Л3. Характерная длительность импульса излучения пропорциональна электрической длине линии Л2. Мощность излученного импульса пропорциональна напряжению в линии Л2 и волновому сопротивлению линий Л2 и Л3. Частота повторения импульсов зависит от мощности генератора Г и задается частотой срабатывания ключей.
По такой схеме построен, например, генератор СШП, описанный в [1] («Импульсная энергетика и электроника» / Месяц Г.А. - Наука, 2004, стр. 679). Генератор заряжал формирующую линию с волновым сопротивлением 50 Ом и емкостью 9 пФ до напряжения 420 кВ. В качестве ключа Р1 использовался полупроводниковый прерыватель, в качестве ключа Р2 - водородный разрядник с давлением до 100 атмосфер. В описанном генераторе были получены импульсы с амплитудой 200 кВ длительностью 0,4 нс и частотой следования импульсов 3,5 кГц.
Проблемой этого генератора СШП является недостаточно высокая частота следования его импульсов и низкая пиковая мощность излучения. Частота следования импульсов ограничивалась частотой работы водородного разрядника, которая связана временем восстановления его электрической прочности, а амплитуда импульса ограничивалась величиной электропрочности полупроводникового размыкателя. Кардинально повысить приведенные характеристики в данной схеме не представляется возможным. Другие типы известных газовых (или вакуумных) управляемых ключей обладают еще более низкими частотами работы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является сверхширокополосный генератор электромагнитных импульсов [2] (Патент на «Генератор электромагнитных импульсов» RU (11) 2175154 (13) С2, с приоритетом от 15 ноября 1999 года, авторы: Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др.), включающий в себя подключенный к источнику высоковольтного напряжения высоковольтный фотодиод, состоящий из фотокатода в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода, эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода, причем в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения от импульсно-периодического лазера в полость, образованную параболоидом анода, а в фокусе параболоида фотокатода размещено параболическое зеркало, обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода.
Принцип действия прототипа 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 параболического зеркала;
освещение фотокатода высоковольтного фотодиода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью ν>с;
ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» высоковольтного фотодиода и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой (образованной) анодом.
Реализация этой последовательности процессов приводит к тому, что внутри полости возбуждается бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью волна инжекции электронов в полупространство, которая является источником ЭМИ. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью ν>с вдоль анода виртуальный катод, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем узкая направленность излучения в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма с генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида с преобразованием типа волны или без него, имеет плоский фронт.
Главным недостатком прототипа является невозможность его работы с высокой частотой следования импульсов. Это связано с тем, что фотокатод и сетчатый анод высоковольтного фотодиода напрямую подключены к источнику высоковольтного напряжения. Перед первым импульсом импульсно-периодического лазера между фотокатодом и сетчатым анодом формируется высокая разность потенциалов с таким уровнем напряжения, при котором еще сохраняется электрическая прочность зазора «фотокатод-анод». После импульса лазера в высоковольтном фотодиоде формируется поток фотоэлектронов, которые ускоряются в диоде, пролетают сквозь сетчатый анод, тормозятся в эквипотенциальной полости и возвращаются в высоковольтный диод. Наличие электронов в высоковольтном диоде резко снижает величину электрической прочности зазора «фотокатод-анод», на этом принципе даже строятся высоковольтные разрядники с управлением электронным пучком [1, стр. 214]. Если фотокатод и сетчатый анод напрямую подключены к источнику высоковольтного напряжения, то резко увеличивается вероятность возникновения электрического пробоя высоковольтного диода, при котором вся энергия источника напряжения трансформируется в ток короткого замыкания, вызывая сильный разогрев и разрушение сетчатого анода.
Техническая задача заключается в предотвращении электрического пробоя высоковольтного фотодиода с формированием тока короткого замыкания.
Технический результат состоит в обеспечении работы СШП генератора ЭМИ с высокой частотой следования импульсов без катастрофического разрушения сетчатого анода при пробое высоковольтного фотодиода.
Технический результат достигается тем, что в отличие от известного сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов, включающего в себя подключенный к источнику высоковольтного напряжения высоковольтный фотодиод, состоящий из фотокатода в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода, эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода, причем в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения от импульсно-периодического лазера в полость, образованную параболоидом анода, а в фокусе параболоида фотокатода размещено параболическое зеркало, обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода, согласно изобретению в предложенном генераторе в цепи питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом  установлен управляемый ключ, состоящий из импульсно-периодического источника света, фотокатода ключа и анода ключа, причем расстояние между фотокатодом ключа и анодом ключа исключает возможность электрического пробоя управляемого ключа при максимальном напряжении, приложенном к высоковольтному фотодиоду.
То есть технически задача решается, если в цепь питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установить управляемый ключ, который был бы замкнут в процессе формирования напряжения в высоковольтном фотодиоде и разомкнут перед облучением лазерным излучением поверхности высоковольтного фотокатода до тех пор, пока не восстановится электрическая прочность высоковольтного фотодиода. Это позволит избежать возникновения электрического пробоя в высоковольтном фотодиоде. В этом случае может быть обеспечен импульсно-периодический режим работы с частотой работы управляемого ключа, который является аналогом коммутатора Р1 на фиг. 1.
Для достижения технического результата - повышения частоты следования импульсов при высоких уровнях напряжения источника питания, предлагается схема сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов (фиг. 2), включающая в себя, как и в прототипе [2]:
высоковольтный фотодиод, состоящий из высоковольтного фотокатода (1) в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода (2), эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода,
источник высоковольтного напряжения (3), подключенный к высоковольтному фотодиоду,
импульсно-периодический лазер (4), обеспечивающий формирование лазерного излучения,
полость, образованную параболоидом фотокатода с отверстием (5) для ввода лазерного излучения,
параболическое зеркало (6), размещенное в фокусе параболоида фотокатода и обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода.
Отличие заключается в том, что в цепи питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установлен управляемый ключ (7), состоящий из импульсно-периодического источника света (8), фотокатода ключа (9) и анода ключа (10), причем электрическая прочность управляемого ключа исключает возможность его межэлектродного электрического пробоя при максимальном напряжении, приложенном к высоковольтному фотодиоду.
Управляемый ключ представляет собой высоковольтную вакуумную двухэлектродную систему, один из электродов которой является фотокатодом ключа. Конструктивно зазор между электродами ключа выбирается таким, чтобы заведомо обеспечить его электрическую прочность во всем диапазоне прикладываемых к нему напряжений от источника высоковольтного напряжения вне зависимости от наличия или отсутствия в нем тока фотоэлектронов. Для формирования тока фотоэлектронов может быть использован импульсно периодический источник света, например импульсно-периодический лазер.
На фиг. 1 представлена обобщенная схема построения СШП генератора.
На фиг. 2 представлена схема сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов, где на фиг. 2а изображен вариант схемы с питанием от источника высоковольтного напряжения с положительной полярностью, на фиг. 2б - с питанием от источника высоковольтного напряжения с отрицательной полярностью.
Реализация предлагаемого СШП генератора электромагнитных импульсов осуществлена на основе схемы, приведенной на фиг. 2, где 1 - фотокатод высоковольтного фотодиода (высоковольтный фотокатод), 2 - сетчатый анод высоковольтного фотодиода (сетчатый анод), 3 - источник высоковольтного напряжения, 4 - импульсно-периодический лазер, 5 - отверстие для ввода лазерного излучения, 6 - параболическое зеркало, 7 - управляемый ключ, 8 - импульсно-периодический источник света, 9 - фотокатод ключа, 10 - анод ключа. Схема имеет два варианта. На фиг. 2а приведен вариант схемы с питанием от источника высоковольтного напряжения с положительной полярностью, на фиг. 2б - с питанием от источника высоковольтного напряжения с отрицательной полярностью.
Предлагаемый СШП генератор ЭМИ для обоих вариантов действует следующим образом.
В начальный момент времени управляемый ключ 7 разомкнут и источник высоковольтного напряжения 3 сформировал напряжение U, следовательно, между электродами ключа разность потенциалов также равна величине U, а между высоковольтным фотокатодом 1 и сетчатым анодом 2 разность потенциалов отсутствует. При замыкании управляемого ключа 7 между высоковольтным фотокатодом 1 и сетчатым анодом 2 формируется разность потенциалов, которая в пределе не превышает величину U. При достижении требуемого напряжения в высоковольтном фотодиоде управляемый ключ 7 размыкается и запускается импульсно-периодический лазер 4, излучение от которого проходит через отверстие 5, падает на параболическое зеркало 6 и отражается от него, формируя сферическую волну света.
Далее процесс формирования СШП ЭМИ проходит точно так же, как и в прототипе [2]. Сферическая волна света освещает фотокатод, инициируя поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью ν>с. Фотоэлектроны ускоряются в зазоре «фотокатод-анод» и инжектируются 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. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью ν>с вдоль анода виртуальный катод, чем также вызывается генерация ЭМИ. Узкая направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида с преобразованием типа волны или без него, имеет плоский фронт.
Так как управляемый ключ в этот момент времени разомкнут, то после завершения процесса формирования СШП ЭМИ электрическая энергия от источника питания не поступает в высоковольтный фотодиод, что способствует быстрому восстановлению электрической прочности зазора «фотокатод-анод». После восстановления электропрочности цикл, начиная с момента замыкания ключа, повторяется.
Процесс управления ключа, то есть замыкания и размыкания, выполняется следующим образом.
фэ
фэ
При приложенном напряжении от источника высоковольтного напряжения между электродами ключа имеется разность потенциалов, причем, как в варианте на чертеже 2а, так и в варианте на чертеже 2б разность между потенциалами анода ключа 10 и фотокатода ключа 9 всегда положительная. При включении источника света 8, направленного на фотокатод ключа, с его поверхности эмитируются фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и пролетают анод-катодный зазор, формируя фотоэмиссионный электрический ток I. Ток будет течь до тех пор, пока потенциалы анода ключа 10 и фотокатода ключа 9 не будут выровнены либо пока не будет выключен импульсно-периодический источник света. Таким образом, если не добиваться полного выравнивания потенциалов анода ключа и фотокатода ключа, то замыкание и размыкание управляемого ключа эквивалентно включению и выключению источника света. Во избежание пробоя управляемого ключа его конструкция должна обладать высокой электрической прочностью, которую проще всего обеспечить величиной зазора между анодом ключа и фотокатодом ключа. Величина коммутируемого управляемым ключом тока I определяется площадью фотокатода ключа, эффективностью фотоэмиссии из материала фотокатода, а также интенсивностью источника света.
2
2
2
фэ
0
фэ
Для оценки возможной реализации импульсно-периодического режима с высокой частотой следования рассмотрим схему работы СШП генератора ЭМИ со следующими параметрами. Напряжение источника высоковольтного напряжения U=+500 кВ. Площадь фотокатода ключа 100 см, зазор между анодом ключа и фотокатодом ключа 50 см. При эффективности фотоэмиссии на уровне 10 А/см ток фотоэмиссии составит величину I=1 кА. Для определенности примем площадь параболического высоковольтного фотокатода равной S=1 м, а зазор между высоковольтным фотокатодом и сетчатым анодом примем равным d=1 см. Рассматривая систему параболического фотокатода и сетчатого анода как емкость, оценим ее величину С=εεS/d≈1 нФ. Заряд, необходимый для зарядки емкости С до напряжения U, должен быть равен заряду, протекающему через ключ, то есть произведению тока фотоэмиссии на время зарядки t. Следовательно, время зарядки емкости оценивается как величина t=CU/I≈500 нс. Приняв (с запасом), что время восстановления электропрочности высоковольтного фотодиода составит такую же величину, получим, что период включения СШП генератора ЭМИ составляет 1 мкс, или допустимая частота следования импульсов составит величину 1 МГц. Даже если рассмотреть более экстремальные условия, например - увеличение площади высоковольтного параболического фотокатода на порядок, или наоборот, снизив требования на эффективность фотоэмиссии на фотокатоде ключа на порядок, в любом случае частота повторения значительно, почти на два порядка будет превосходить реализованные частоты повторения известных мощных СШП генераторов ЭМИ.
Таким образом, технический результат, обеспечение работы СШП генератора ЭМИ с высокой частотой следования импульсов без катастрофического разрушения сетчатого анода при пробое высоковольтного фотодиода, может быть реализован.