ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2002 года по МПК H01J25/02 

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

Известен генератор ЭМИ, содержащий источник сильноточного релятивистского электронного пучка (РЭП) и излучатель в виде протяженного электрода, по проводящей поверхности которого организуется сканирование РЭП [1] (Л.Н. Казанский, А.А. Рухадзе, "О возможности генерации ультракороткого ЭМИ большой мощности с помощью сканирующего РЭП", Письма в ЖТФ, 1994, т. 20, 3, с. 26-28). Принцип действия этого генератора основан на возбуждении волны электрического заряда, движущейся вдоль поверхности электрода синхронно со сканируемым РЭП. Недостатком известного генератора [1] является большая техническая сложность организации сканирования РЭП.

Известны также генераторы ЭМИ, содержащие излучатель в виде протяженного электрода, выполненного, например, из металлической фольги, и источник питания в виде генератора импульсного рентгеновского излучения, ориентированный так, чтобы фронт импульса рентгеновского излучения достигал проводящую поверхность электрода под наклоном [2] (N. J. Carron, С. L. Longmire, "Electromagnetic pulse produced by obliquely incident X rays", IEEE Transactions on Plasma Science, 1976, v. 23, 6, р. 1897-1902) и [3] (Ю.Н. Лазарев, П. В. Петров, "Генерация мощного направленного электромагнитного импульса ультракороткой длительности". Письма в ЖЭТФ, 1994, т. 60, 9, с. 625-628). Принцип действия известных генераторов основан на организации волны фотоэмиссии электронов с проводящей поверхности электрода под действием рентгеновского излучения, бегущей вдоль этой поверхности.

Генераторы [2, 3] близки по технической сущности и но принципу действия к предлагаемому решению и, например, [2] выбран нами за прототип.

Их недостатком является малый кпд преобразования энергии рентгеновского излучения в энергию ЭМИ вследствие малой эффективности процесса фотоэмиссии, а также малый кпд генератора рентгеновского излучения. Таким образом, технической задачей является создание генератора ЭМИ с высоким кпд преобразования энергии первичного источника питания в энергию ЭМИ.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении кпд работы генератора ЭМИ.

Этот результат достигается тем, что генератор ЭМИ, содержащий протяженный электрод и источник питания, в отличие от прототипа дополнительно содержит по меньшей мере один дополнительный электрод, выполненный в виде сетки и расположенный вдоль протяженного электрода, и по меньшей мере один предварительно поляризованный сегнетоэлектрический образец, расположенный между протяженным электродом и ближним к нему дополнительным электродом, а в качестве источника питания выбран генератор напряжения, подсоединенный к электродам через подводящий фидер и управляющий коммутатор.

Известно, что при подаче на сегнетоэлектрик импульса определенной полярности и амплитуды и с наносекундной длительностью фронта с поверхности сегнетоэлектрика осуществляется импульс электронной эмиссии, плотность тока которой может достигать величины 700 А/см² [4] (Д.Р. Агзамова, В.А. Борисенок, А.Е. Дубинов и др., "Зажигание газовых разрядов электронами, эмиттированными сегнетоэлектриками". Тезисы докладов XXIV Звенигородской конференции по физике плазмы и УТС, Звенигород, 1997, с. 194).

Таким образом, принцип действия предлагаемого генератора ЭМИ основан на возбуждении при помощи генератора напряжения в волноводе, образованном протяженным и ближайшим к нему дополнительным электродом, высоковольтной волны зарядки этого волновода с фронтом наносекундной длительности и с такой полярностью и амплитудой, чтобы на фронте этой волны возбуждалась волна эмиссии электронов с поверхности предварительно поляризованного сегнетоэлектрика. При этом эмиттированные электроны будут пролетать сквозь сетчатый электрод волновода, формируя с внешней стороны сетчатого волновода волну пространственного заряда, аналогичную волне пространственного заряда в [1-3], которая движется синхронно с волной зарядки волновода. При этом волна пространственного заряда формирует в дальней зоне ЭМИ.

Повышение кпд в генераторе ЭМИ по сравнению с известным основано на смене типа источника питания и на изменении пути передачи энергии; в нашем случае путь передачи энергии следующий: энергия, передаваемая от источника напряжения в высоковольтную волну в волноводе, которая трансформируется в энергию эмиттированных электронов, которые в свою очередь излучают ЭМИ. Все этапы трансформации энергии до генерации электронного пучка можно реализовать по кпд не ниже 99%, что недостижимо в известном генераторе ЭМИ [2].

Форма электродов волновода может быть различной: плоской конической, параболической и др. Кроме того, дополнительных сетчатых электродов может быть несколько, они располагаются параллельно друг другу.

Пример выполнения генератора ЭМИ с плоскими электродами волновода показан на фиг.1, а с коническими электродами показан на фиг.2.

Генератор ЭМИ содержит протяженный электрод 1 и сетчатый электрод 2, разделенные между собой межэлектродным зазором и представляющие собой: для плоского варианта (фиг. 1) соответственно сплошной и сетчатый диски, а для конического варианта (фиг.2) - сплошной и сетчатый конусы. В межэлектродном зазoрe располагаются поляризованные сегнетоэлектрические образцы 3, выполненные в виде таблеток (фиг.1) или в виде пленки (фиг.2). Электроды 1 и 2 через центральные отверстия с помощью фидера 4 в виде кабельной линии и управляемого коммутатора 5 в виде разрядника, например, тригатронного типа соединены с источником питания 6, который может быть выполнен, например, в виде конденсаторной батареи (фиг.1) или в виде генератора типа Аркадьева-Маркса (фиг. 2). По краям электроды могут быть разомкнуты, замкнуты накоротко либо нагружены на нагрузку, например систему резисторов 7. Электроды помещаются в герметичную диэлектрическую оболочку (на фиг.1 и 2 не показана), в которой создается разрежение 10^-4...10^-5 Topр.

Сегнетоэлектрические образцы могут быть выполнены из любого твердого материала (например, как и в работе [4], из керамики типа PLZT - цирконата-титаната свинца с 8%-ным содержанием лантана) в виде таблеток диаметром 10 мм и толщиной 1 мм.

Сплошной электрод может быть выполнен, например, из медной фольги толщиной 1...5 мм, а сетчатый - из проволочной медной сетки с диаметром проволочек 0,2 мм и с геометрической прозрачностью 95...98%. Диаметр электродов для плоского варианта - 2...2,5 м, величина межэлектродного зазора - 10...20 мм. Для поддержания механической жесткости системы электродов в межэлектродном зазоре могут размещаться диэлектрические распорки (на фиг.1 и 2 не показаны).

Генератор ЭМИ работает следующим образом. При срабатывании управляющего коммутатора 5 по фидеру 4 начинает бежать высоковольтный импульс от источника питания, который на входе в межэлектродный зазор возбуждает в последнем волну ТЕМ-типа или ТЕ-типа. Эта волна бежит вдоль поверхности электродов 1 и 2 и вызывает волну переполяризации сегнетоэлектрических образцов 3, в результате которой в межэлектродном зазоре возникает волна эмиссии. Эмиттированные электроны пролетают сквозь сетчатый электрод 2, чем вызывают формирование ЭМИ.

В случае выполнения сегнетоэлектрического образца 3 в виде пленки волна эмиссии бежит по ее поверхности.

Для реализации работы генератора ЭМИ необходимо обеспечение импульса питания амплитудой 500...1000 В и длительностью фронта 1...3 нс. Современный уровень развития техники позволяет формировать такие импульсы с частотой следования до 1 кГц и более.

Кпд преобразования энергии питания в энергию электронного пучка в генераторе ЭМИ близок к 100%, что на несколько порядков превышает электронное кпд известных генераторов ЭМИ [2, 3].

Таким образом, предлагаемый генератор ЭМИ вполне работоспособен и соответствует современному уровню развития техники, а техническая задача повышения кпд в таком генераторе решена.

Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ), может быть использовано при разработке соответствующих генераторов. Техническим результатом является повышение кпд. Генератор ЭМИ содержит протяженный электрод и по меньшей мере еще один дополнительный электрод, выполненный в виде сетки и расположенный вдоль протяженного электрода, и по меньшей мере один предварительно поляризованный сегнетоэлектрический образец. Образец расположен между протяженным и ближайшим к нему дополнительным электродами, причем электроды через подводящий фидер и управляющий коммутатор подсоединены к источнику питания. 2 ил.

Генератор электромагнитных импульсов, содержащий протяженный электрод и источник питания, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере один дополнительный электрод, выполненный в виде сетки и расположенный вдоль протяженного электрода, и по меньшей мере один предварительно поляризованный сегнетоэлектрический образец, расположенный между протяженным электродом и ближним к нему дополнительным электродом, а в качестве источника питания выбран генератор напряжения, подсоединенный к электродам через подводящий фидер и управляющий коммутатор.