ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2001 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов.

Уровень техники
Известен генератор ЭМИ, содержащий источник напряжения, катодный электрод и гальванически отделенный от него анодный электрод с сетчатой диафрагмой, а также антенную систему рупорного типа [1] (Alyokhin В.V., Dubinov A.E. , Selemir V. D. et al., "Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices", IEEE Trans. Plasma Sc., 1994, v. 945, N 5, p. 945). Работает этот генератор следующим образом. При подаче импульса высокого напряжения к катод-анодному промежутку в результате взрывной эмиссии на поверхности катода формируется сильноточный электронный пучок, который ускоряется, и, проходя сквозь сетчатую диафрагму, попадает в эквипотенциальную полость анодного электрода. В полости в электронном пучке образуется виртуальный катод (ВК), осцилляции которого являются источником ЭМИ, которые излучаются в свободное пространство с помощью рупорной антенной системы.

Недостатком этого генератора ЭМИ является слабая направленность излучения. В частности, в [1] угол полураствора конуса диаграммы направленности при излучении ЭМИ составляет 30^o.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является генератор ЭМИ, содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный лазер [2] (Bessarаb A.V., Gaydash V. A. , 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).

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 такой же длительности. Если предварительно ориентировать фотокатод и анод так, чтобы рентгеновское излучение освещало бы фотокатод под некоторым углом ϕ < 90^o, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью v = c/sin ϕ > с. Эмиттированные 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. Если пространственный заряд инжектированного в полупространство электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается черенковским характером механизма генерации 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 также широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.

Сущность изобретения
Техническая задача заключается в уменьшении угла расходимости излучения ЭМИ, что позволит расширить область применения генератора в радиолокации.

Технический результат в предлагаемом генераторе - уменьшение угла расходимости излучения генерируемого ЭМИ.

Этот результат достижим за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и известный [2], включает в себя фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, но в отличие от известного он снабжен зеркалом в виде параболоида вращения, в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, анод выполнен в виде параболоида вращения, а зеркало установлено внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему. Дополнительным отличием является то, что отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов.

Принцип действия предлагаемого 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 этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со 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. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем 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.

Ввод лазерного излучения в анодную полость конструктивно проще всего ввести через отверстие в фотокатоде, которое лежит на оси параболоидов, хотя для достижения технического результата это не обязательно.

Таким образом, все новые признаки в совокупности обеспечивают достижение технического результата, а выполнение отверстия в фотокатоде по оси параболоидов дополнительно упрощают конструкцию генератора ЭМИ.

Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ показан на чертеже, на котором обозначено: 1 - импульсный или импульсно-периодический лазер; 2 - фотокатод; 3 - параболическое зеркало; 4 - сетчатый анод; стрелками показан ход лазерного излучения.

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 Cs₃Sb; 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 Cs₂Te или Rb₂Te, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра.

На оси фотокатода 2 выполнено отверстие диаметром, превышающим диаметр лазерного луча. В случае необходимости в отверстии может быть установлена фокусирующая линзовая система. Параболическое зеркало 3 можно изготовить либо с металлическим, либо 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). Сетчатый анод 4 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. Отверстие для ввода лазерного луча в сетчатом аноде 4 можно выполнять либо, в силу большой прозрачности сетки, анод можно оставить без отверстия. На чертеже показан первый вариант.

Перед началом работы генератора ЭМИ с помощью источника напряжения подают на промежуток "фотокатод-анод" напряжение, например величиной 100 кВ. Далее работает генератор ЭМИ следующим образом. Запускается импульсный или импульсно-периодический лазер 1, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются сквозь отверстие в фотокатоде 2 к параболическому зеркалу 3. Параболическое зеркало 3 преобразует лазерный луч при отражении в сферически расходящуюся волну света. Сферическая волна света, расширяясь, освещает фотокатод 2 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду 2 в направлении от его оси со скоростью v > с. Эмиттированные электроны ускоряются в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 4 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 широкополосного ЭМИ. При ширине промежутка "фотокатод-анод" 1 см и плотности тока фотоэмиссии > 100 А/см² в пучке после прохождения сетчатого анода 4 возможно формирование бегущего со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем, как было указано выше, узкая направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения. Ожидается, что с помощью предложенного генератора ЭМИ возможно получение узконаправленного излучения с расходимостью всего в 2-5^o.

Применение: техника генераци мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей, может быть использовано при разработке соответствующих генераторов. Сущность: генератор ЭМИ включает в себя фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, но в отличие от известного он снабжен зеркалом в виде параболоида вращения, в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, анод выполнен в виде параболоида вращения, а зеркало установлено внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему. Дополнительным отличием является то, что отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов. Технический результат: уменьшение угла направленности излучения. ЭМИ. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ), включающий фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, отличающийся тем, что 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. 2. Генератор ЭМИ по п.1, отличающийся тем, что отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов с диаметром, превышающим диаметр лазерного луча.