СПОСОБ ИЗЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА В АТМОСФЕРЕ Российский патент 2000 года по МПК H01Q23/00 H01Q7/00 G21K1/08 

Изобретение относится к технике генерации и излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) в атмосфере на различных высотах и может быть использовано при разработке соответствующих излучателей, использующих импульсные, наносекундной длительности (1...100 нс) источники γ--квантов.

Принцип действия устройств на основе импульсных источников γ--квантов в атмосфере основан на выбивании из атомов и молекул воздуха релятивистских комптоновских электронов, направленное движение которых создает электрический ток и индуцирует электрическое поле разделения зарядов. Для сферически симметричного источника γ--квантов излучение ЭМИ отсутствует, так как дипольный, квадрупольный и высшие моменты системы зарядов равны нулю. Поэтому известные способы излучения ЭМИ в атмосфере, основанные на использовании импульсных сферически симметричных источников γ--квантов, различаются тем, каким образом создается асимметрия разлета комптоновских электронов.

Известен способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ--квантов, который предварительно размещают вблизи проводящей поверхности, например поверхности Земли - элемента, создающего асимметрию разлета комптоновских электронов, [1] (Кувшинников В.М., Медведев Ю.А., "Электромагнитное поле от источника гамма-излучения, расположенного на границе двух сред". - В сб. Импульсные электромагнитные поля быстропрпротекающих процессов и измерение их параметров. - М.: Атомиздат, 1976, с. 57) так, чтобы расстояние между источником γ--квантов и поверхностью не превышало средней длины свободного пробега γ--квантов. Для источников γ-- квантов с их средней энергией порядка нескольких МэВ это расстояние не превышает 2-3 км. Таким образом, способ [1] можно реализовать для высот расположения источника γ-- квантов не более 2-3 км относительно Земли.

Известен также способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ--квантов, который предварительно размещают в области существенного перепада давления атмосферы в зависимости от высоты [2] (Gilinsky V. , Peebls G. , "The development of a radio signal from a nuclear explosion in the atmosphere", J. Geoph. Res., 1968, v. 137, N 1, p. 405). Перепад давления здесь вызывает асимметрию длин пробега γ--квантов и комптоновских электронов. Однако особенности строения атмосферы Земли приводят к тому, что этот способ имеет значение только для высот расположения импульсного источника γ-- квантов, превышающих 10-15 км.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ-- квантов, который предварительно размещают в геомагнитном поле [3] (Виленская Г.Г., Медведев Ю. А. , Федорович Г.В., Степанов Б.М., "Возмущение магнитного поля стационарным источником гамма-квантов". Журнал прикладной механики и технической физики, 1975, N 2, с. 141), которое выполняет роль фактора асимметрии разлета комптоновских электронов. Данный способ реализуем, когда средняя длина пробега комптоновских электронов превышает величину его ларморовского радиуса. Это приводит к тому, что способ применим для высот расположения импульсного источника γ--квантов, превышающих 10-15 км.

Таким образом, в значениях высот расположения импульсного источника γ--квантов имеется диапазон (от 2-3 до 10-15 км), в которых перечисленные известные способы не работоспособны. Кроме того, так как факторы асимметрии имеют естественное происхождения с уже имеющейся осью асимметрии, во всех известных способах отсутствует возможность управления направлением распространения ЭМИ.

Технической задачей является разработка способа излучения ЭМИ в атмосфере, работающих в диапазоне высот от 2-3 до 10-15 км, так, чтобы имелась возможность управления направлением распространения ЭМИ.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность излучения ЭМИ в атмосфере на любой высоте с возможностью управления направлением распространения ЭМИ.

Этот результат достижим за счет того, что в способе излучения ЭМИ в атмосфере, заключающемся в предварительном создании фактора асимметрии разлета комптоновских электронов и последующем включении импульсного источника γ--квантов, в отличие от известных, в качестве фактора асимметрии вблизи источника γ--квантов размещают по меньшей мере один провод так, чтобы расстояние от источника γ--квантов до ближайшей к нему точки провода было меньше средней длины свободного пробега γ-- квантов в атмосфере на данной высоте, и пропускают по нему электрический ток. Дополнительным отличием предлагаемого способа может быть использование в качестве источника электрического тока в проводе взрывного магнитогидродинамического генератора (ВМГДГ) или взрывомагнитного генератора (ВМГ) [4] ("Импульсные МГД-преобразователи химической энергии в электрическую" / Э.И. Асиновский, В.А. Зейгарник, Е.Ф. Лебедев и др.; Под ред. А.Е. Шейндлина и В.Е. Фортова.- М.: Энергоатомиздат, 1997).

Физическая сущность способа основана на возбуждении вблизи токонесущего провода магнитного поля величиной, существенно превышающей геомагнитное поле. Поскольку не существует таких конфигураций провода, чтобы созданное протекающим по нему током магнитное поле имело сферически симметричную конфигурацию, то любая конфигурация будет вносить асимметрию в разлет комптоновских электронов. Таким образом, конфигурация провода может быть любой, например, плоский круговой контур, плоский эллиптический контур, винтовая линия на поверхности кругового цилиндра, замкнутый контур, лежащий на поверхности параболоида вращения и т.д.

Ориентация провода относительно источника γ-- квантов, т.е. для перечисленных примеров: направление перпендикуляра к плоскости кругового и эллиптического контуров, ось винтовой линии, ось параболоида вращения будет определять направление излучения ЭМИ.

Использование в качестве источника тока ВМГДГ или ВМГ позволит создать вблизи провода такое магнитное поле, в котором ларморовский радиус комптоновских электродов с энергией в несколько МэВ будет менее их пробега в атмосфере даже на нулевой высоте.

На чертеже представлена схема, поясняющая способ, где обозначено 1 - источник γ-- квантов, 2 - источник тока в виде ВМГДГ или ВМГ, 3 - провод в виде плоского кругового контура, имеющего диаметр в несколько сот метров и отстоящий от источника γ-- квантов на расстоянии порядка километра.

Способ реализуется следующим образом.

Сначала включают источник тока 2, который генерирует токовый импульс в контуре 3, например, амплитудой 10 кА и длительностью 100 мкс. В момент максимума тока в контуре включают источник γ-- квантов 1.

γ-- кванты в своем разлете выбивают в атмосфере комптоновские электроны, асимметрия разлета которых задается токонесущим контуром. Асимметрия разлета определяет величину возникающего дипольного момента, который и является источником направленного ЭМИ.

Оценим энергетические затраты. Пусть диаметр контура составляет 300 м, а диаметр провода, из которого сделан провод, - 1 см. Тогда индуктивность контура составит примерно 2 мГн. Для генерирования в таком контуре тока величиной 10 кА необходима энергия порядка 100 кДж. Согласно [4], выходные характеристики современных ВМГДГ и ВМГ существенно превосходят необходимые для реализации предлагаемого способа параметры.

Использование: в технике генерации и излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) в атмосфере на различных высотах и может быть использовано при разработке соответствующих излучателей, использующих импульсные, наносекундной длительности (1-100 нс) источники γ-квантов. Сущность изобретения: способ излучения ЭМИ в атмосфере заключается в предварительном создании фактора асимметрии разлета комптоновских электронов и последующем включении импульсного источника γ-квантов и в отличие от известных в качестве фактора асимметрии вблизи источников γ-квантов размещают по меньшей мере один провод так, чтобы расстояние от источника γ-квантов до ближайшей к нему точки провода было меньше средней длины свободного пробега γ-квантов в атмосфере на данной высоте, и пропускают по нему электрический ток. Дополнительным отличием предлагаемого способа может быть использование в качестве источника электрического тока в проводе взрывного генератора или взрывомагнитного генератора. Технический результат: возможность излучать ЭМИ в атмосфере на любой высоте с возможностью управления направлением распространения ЭМИ. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ излучения электромагнитного импульса в атмосфере, заключающийся в предварительном создании фактора асимметрии разлета комптоновских электронов и последующем включении импульсного источника γ-квантов и отличающийся тем, что в качестве фактора асимметрии вблизи источника γ-квантов размещают по меньшей мере один провод так, чтобы расстояние от источника γ-квантов до ближайшей к нему точки провода было меньше средней длины свободного пробега γ-квантов в атмосфере на данной высоте, и пропускают по нему электрический ток. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника электрического тока в проводе используют взрывной магнитогидродинамический генератор. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника электрического тока в проводе используют взрывомагнитный генератор.