СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ШИРОКОПОЛОСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ ДИАПАЗОНА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.

Известен способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом (ВК) [1] (Hwang G.S., Wu M.W., Song P.S., Hou W.S., "High power microwave generation from a tunable radially extracted vircator", J. Appl. Phys., 1991, №69(3), P.1247). Этот способ генерации заключается в том, что в диодной области прибора создается импульсный электронный пучок с током выше предельного, который инжектируется через сетчатый анод в пространство дрейфа, где из-за действия объемного заряда электронов формируется ВК. Часть электронов отражается от ВК и совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается электромагнитному полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. Недостатком этого способа является низкая (около нескольких процентов) эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию излучения.

Наиболее близким (прототип) к предлагаемому способу является способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, описанный в работе [2] (Ю.Н.Лазарев, П.В.Петров, «Генератор ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника», ЖЭТФ, 1999, Т.88, С.926), основанный на использовании для генерации ЭМИ распространяющегося со сверхсветовой скоростью импульса тока, возникающего над анодом при инициируемом лазерным излучением разряде высоковольтного фотодиода. Он позволяет получить мощный широкополосный направленный импульс электромагнитного излучения.

Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая (примерно, 12%) эффективность преобразования запасенной электростатической энергии в электромагнитную. Для достижения более высоких значений эффективности преобразования требуется существенно более высокий уровень интенсивности генерируемого излучения.

Известны два устройства, осуществляющие на практике способ генерации ЭМИ, выбранный в качестве прототипа.

Одно из них, описанное в [3] (Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., патент RU 2175154 C2, 15.11.1999; Бессараб А.В., Гаранин С.Г., Мартыненко С.П. и др., «Генератор сверхширокополосного электромагнитного излучения, инициируемый пикосекундным лазером», Доклады Академии Наук, 2006. Т.411, №5, С.609), включает в себя лазер, фотокатод и сетчатый анод в форме параболоидов вращения, генератор импульсов напряжения (ГИН), параболическое зеркало для преобразования лазерного луча в сферически расходящуюся волну, установленное внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему. Из-за формы электродов данный генератор имеет очень низкую эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную ≈2% и крайне неудачную диаграмму направленности: генератор не излучает вдоль своей оси.

Другое устройство, описанное в [4] (P.V.Petrov, V.I.Afonin, D.O.Zamuraev et al., ((Experimental and Theoretical Investigation of Directional Wideband Electromagnetic Pulse Photoemission Generator», Book of Abstracts of EUROEM 2008 European Electromagnetics, Lausanne, Switzerland, 21-25 July 2008, P.302; A.A. Кондратьев, Ю.Н. Лазарев, A.B. Потапов и др., «Экспериментальное исследование генератора ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника», Доклады Академии Наук, 2011. Т.438, №5, С.615), включает в себя ГИН, импульсный лазер, плоский вакуумный фотодиод с сетчатым анодом, вакуумную камеру над анодом, систему ввода ЛИ и вывода ЭМИ в виде стеклянного окна в стенке вакуумной камеры, противоположной аноду.

Этот генератор работает следующим образом. На разрядный промежуток подается импульс напряжения амплитудой до 100 кВ, длительностью фронта около 2·10^-9 сек, τ_FWHM≈7·10^-9 сек. Импульсный лазер генерирует импульс излучения с плоским фронтом длительностью τ_FWHM≈1·10^-12 сек, энергией импульса (100-600)мкДж, λ=0.53 мкм. Лазерное излучение проходит через сетчатый анод, падает на Cs₃Sb фотокатод под углом θ=45° и выбивает из него электроны. Процесс фотоэмиссии распространяется вдоль поверхности фотокатода со скоростью $$\text{}с/Sin\theta =\sqrt{2}c$$ . Эмитированные электроны ускоряются в поле между фотокатодом и анодом, проходят через сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего поля пространство. Под действием пространственного заряда прошедших через анод электронов в их потоке формируется виртуальный катод. Облако инжектированных в пространство над анодом электронов распространяется вдоль поверхности анода со сверхсветовой скоростью $$\text{}с/Sin\theta =\sqrt{2}c$$ и излучает широкополосное ЭМИ в направлении, зеркальном углу падения ЛИ θ. Эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную ≈9%. Интенсивность ЭМИ≈7 МВт/см².

Согласно существующим представлениям возникающая над анодом электромагнитная волна имеет в области источника амплитуду H^out=tgθ·ε/eλ, здесь θ - угол падения лазерного излучения (ЛИ), инициирующего разряд фотодиода, s - максимальная энергия электронов, вылетающих из анода, λ=cT, T - характерное время процесса разряда фотодиода. В зависимости от условий облучения, размеров разрядного промежутка L и величины начальной разности потенциалов φ₀ время T равно либо времени образования объемного заряда T_p, либо времени пролета электроном разрядного промежутка - $$T_0=L\sqrt{2m/e{\varphi }_0}$$ . В первом случае T_p>T₀, во втором - Т_р<Т₀. При T₀/T_p→∞ амплитуда поля излучения, монотонно возрастая, стремится к некоторому предельному значению, а плотность потока энергии при сравнительно небольших значениях ускоряющего поля Е₀=φ₀/L≈10⁶ В/см может достигать величины ~0.5·10⁸ Вт/см².

Известно, что при наклонном падении ЛИ и T₀/T_p→∞ максимальная энергия электронов, вылетающих из разрядного промежутка, зависит от угла падения ЛИ θ: ε=eφ0Cos²θ, что приводит к ∝Cos²θ уменьшению амплитуды волны и ∝Cos²θ уменьшению плотности потока электромагнитной энергии над анодом (А.В.Солдатов, А.А.Соловьев, М.С.Терехина, Физика плазмы, 2007, Т.33, С.795).

Значительное снижение энергии вылетающих из анода электронов при θ≥45° свидетельствует о том, что внутри фотодиода генерируется довольно сильная электромагнитная волна, тормозящая электроны. Амплитуда этой волны должна быть сравнима с величиной электрического поля Е₀, приложенного к разрядному промежутку. Поскольку E^out>Е₀, то поток энергии в такой волне гораздо больше потока электромагнитной энергии над анодом. Следовательно, если для генерации электромагнитного излучения использовать не внешнюю, а внутреннюю область фотодиода, то можно получить гораздо более мощный источник ЭМИ, чем при известном способе генерации.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего получать импульсы широкополосного ЭМИ СВЧ диапазона с существенно более высокими значениями интенсивности излучения и, как следствие, более высокой эффективностью преобразования электростатической энергии в энергию ЭМИ.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного способа генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, включающего наклонное облучение фотокатода лазерным излучением, проходящим через анод, эмиссию электронов с катода в вакуумированный объем, ускорение электронов между фотокатодом и анодом, прохождение электронов через анод, движение электронов над анодом с формированием виртуального катода, в предлагаемом способе лазерное излучение попадает на фотокатод, проходя либо через торцевую границу межэлектродного пространства, либо через анод, либо через то и другое вместе. При этом областью генерации ЭМИ является область между электродами, в которой интенсивность ЭМИ более чем на порядок выше, чем над анодом вследствие запирания ЭМИ между отражающими электродами и увеличения времени взаимодействия между ЭМИ и электронами.

Поскольку область над анодом не рассматривается как источник ЭМИ, то электроны, прошедшие через анод, могут двигаться любым возможным образом и, в частности, поглощаться. Следовательно, размер области над анодом может изменяться в случае необходимости.

Облучение фотодиода через торец позволяет отказаться от сетчатого анода, расширяет возможности облучения стопки одинаковых фотодиодов, поскольку лазерное излучение может облучать фотокатод и в результате отражения от электродов. Многократное отражение ЛИ от электродов обеспечивает более эффективное использование энергии ЛИ, позволяет увеличить длину фотодиода в направлении распространения ЛИ, чтобы амплитуда генерируемой электромагнитной волны была близка к насыщению.

Технический результат заявляемого способа состоит в получении гораздо более интенсивной генерации ЭМИ за счет того, что электромагнитная волна, возникающая внутри разрядного промежутка, более эффективно отбирает энергию электронов, чем волна, возникающая над анодом. В итоге имеет место и более высокая эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную.

В конкретном устройстве этот результат достигается за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и прототип [4], включает в себя импульсный или импульсно-периодический лазер, плоский вакуумный фотодиод, подключенный к генератору импульсного напряжения, систему ввода ЛИ, систему вывода ЭМИ, вакуумную камеру для ускоренных электронов, прошедших через анод, но в отличие от известного он использует для генерации ЭМИ межэлектродное пространство фотодиода, где амплитуды генерируемых полей существенно выше. Поскольку межэлектродный зазор мал, то для увеличения площади излучающей апертуры несколько фотодиодов вместе с вакуумными камерами соединены в стопку. Это стало возможным благодаря тому, что ЛИ попадает внутрь фотодиода через его торцевую поверхность и распространяется внутри фотодиода, отражаясь от электродов. Таким образом, система ввода ЛИ расположена на одних торцах фотодиодов, а система вывода ЭМИ - на противоположных. В итоге за счет соединения фотодиодов в стопку можно создать такую же площадь излучающей апертуры, как и у прототипа, и вследствие более высоких значений интенсивности генерируемого ЭМИ получить источник ЭМИ с существенно большими значениями мощности и энергии при тех же входных параметрах, что и у прототипа. Роль лазерного излучения остается прежней. Оно обеспечивает образование необходимого количества электронов и синхронизацию излучения, в данном случае испускаемого разными фотодиодами.

Физические основы предложенного изобретения поясняются ниже.

Поскольку размеры рассматриваемого источника значительно больше характерной длины волны излучения, то изучение такого источника сводится к изучению разряда плоского фотодиода.

Приближенное решение уравнений Максвелла внутри плоского фотодиода.

Рассмотрим бесконечный вдоль x, y, плоский фотодиод $$\left(T_0/T_p>>1,ƛ=L\sqrt{2/(\gamma -1)},\gamma -1=e{\varphi }_0/m{c}^2\right)$$ . Ось z перпендикулярна плоскостям электродов, θ - угол падения лазерного излучения. Компонента электрического поля Е_х внутри диода является решением следующей задачи:

При T₀/T_p>1 в роли характерного времени процессов выступает Т₀.

Тогда, если $$2LCos\theta /c{T}_o=Cos\theta \sqrt{2/(\gamma -1)},<<1$$ , то запаздыванием можно пренебречь и, приближенно

Здесь $${\dot{P}}_z^{in}=-{\displaystyle \underset{0}{\overset{L}{\int }}dz{j}_z}$$ с точностью до знака производная по времени плотности дипольного момента внутри диода.

Практически достаточно выполнения более слабого условия $$\sqrt{2/(\gamma -1)}\cdot Cos\theta <1.$$

Анализ полученного решения.

Сравним плотности потока энергии электромагнитной волны внутри фотодиода

$$W_x^{in}=-c/4\pi E_z^{in}{H}_y^{in}$$

и над анодом

$$W^{out}=W_{\theta }^{out}\frac{S_{\perp }}{S}=W_{\theta }^{out}Cos\theta =\frac{c}{4\pi }{\left(H_y^{out}\right)}^{2}Cos\theta$$ .

Согласно уравнению(4)

$$\frac{\partial {Е}_z^{in}}{\partial \xi }=-4\pi j_z+\frac{4\pi }{L}\frac{Si{n}^2\theta }{Co{s}^2\theta }{\dot{P}}_z^{in}\left(\xi \right).(5)$$

Из уравнения Максвелла следует, что

$$-\frac{Sin\theta }{c}\frac{\partial H_y^{in}}{\partial \xi }=\frac{4\pi }{c}{j}_z+\frac{1}{c}\frac{\partial E_z^{in}}{\partial \xi }.(6)$$

Подставляя (5) в (6), получим

$$\frac{\partial H_y^{in}}{\partial \xi }=-\frac{4\pi }{L}\frac{Sin\theta }{Co{s}^2\theta }{\dot{P}}_z^{in}\left(\xi \right).(7)$$

Так как амплитуда плотности дипольного момента зависит только от максимальной энергии электронов

$${\left(P_z^{in}\right)}_{\max }=\epsilon /4\pi e=E_0\text{}LCo{s}^2\theta /4\pi ,$$

то имеет место следующая оценка амплитуды магнитного поля

$${\left(H_y^{in}\right)}_{max}=E_{0}Sin\theta .(8)$$

Если считать, что внутри фотодиода возбуждается главная волна, распространяющаяся вдоль оси х, то

$${\left(E_z^{in}\right)}_{max}={\left(H_y^{in}\right)}_{max}=E_{0}Sin\theta$$

и, следовательно,

$${\left(W_x^{in}\right)}_{\max }=c/4\pi E_0^2{\sin }^2\theta \stackrel{\theta \to \pi /2}{\to }c/4\pi E_0^2.(9)$$

Над анодом

$$H_y^{out}=-tg\theta \frac{\epsilon }{c{T}_o}Co{s}^2\theta =-Sin\theta Cos\theta \sqrt{\frac{\gamma -1}{2}}{E}_0$$ ,

$$W^{out}=Si{n}^2\theta Co{s}^3\theta \left(\gamma -1\right)\frac{c}{8\pi }{E}_0^2$$

Максимальное значение W^out достигается при Cos²θ=0.6

$$W_{max}^{out}=0.12\sqrt{0.6}\left(\gamma -1\right)\frac{c}{4\pi }{E}_0^2.(10)$$

Сравнивая (9) и (10), получим

$$\frac{{\left(W_x^{in}\right)}_{max}}{W_{max}^{out}}\approx \frac{\text{11}}{\gamma \text{-1}}.(11)$$

Из (11) следует, что при $$\gamma -1\simeq 0.1-0.2$$ плотность потока электромагнитной энергии внутри фотодиода в 50-100 раз больше плотности потока электромагнитной энергии над анодом.

Поскольку Т₀ - характерное время изменения плотности дипольного

момента и ее производных, то генерируемая внутри фотодиода электромагнитная волна может усиливаться на пространственном масштабе ~λ=cT₀. Следовательно, для l_x имеет место следующая оценка

l_x~λSinθ.

Рассмотрим источник ЭМИ (рис.4, 5), представляющий собой стопку из N>>1 плоских фотодиодов с прямоугольными электродами l_x×L_y (l_x<<L_y, L_y>>cT₀) и межэлектродным зазором L. Согласно полученному выше результату такой источник может излучить в десятки раз больше энергии, чем фотодиод, в котором электромагнитная волна излучается дипольным слоем, образующимся над анодом, и который имеет характеристики разрядного промежутка $$(\left(\gamma -\mathrm{1,}L)\right)$$ , совпадающие с аналогичными характеристиками фотодиодов стопки, и площадь электродов, совпадающую с площадью излучающей поверхности стопки фотодиодов.

Результаты численных расчетов генерации ЭМИ внутри плоского фотодиода.

При численном изучении динамики разряда внутри плоского фотодиода в двумерной постановке решались уравнения Максвелла и уравнения движения электронов. Рассматривались два случая.

В первом предполагалось, что ЛИ облучает фотокатод, проходя через прозрачный для ЛИ и электронов анод. Исследовались характеристики электромагнитной волны (l_x, W_x) внутри фотодиода для трех значений угла падения ЛИ, соответствующих tgθ=0.5, 1, 2. Длина фотодиода изменялась от L_x=0.2 см до L_x=5 см, межэлектродный зазор L=0.1 см, φ(z=-L)=-100 кВ, φ(z=0)=0. Данные расчетов в сравнении с соответствующими аналитическими результатами представлены на рис.1, 2.

Во втором случае предполагалось, что фотодиод облучается с торца. Рассматривался бесконечный вдоль оси у плоский фотодиод высотой 2L (L=0.1 см) и длиной вдоль оси х: L_x=1.6 см, tgθ=0.5, 1, 2, 4. Предполагалось, что анод прозрачен для электронов. При z=±L φ=-100 кВ, на аноде (z=0) φ=0. Примерно так, как описано выше, может выглядеть типичный элемент стопки фотодиодов.

Лазерное излучение падает на отрезок фотокатода (z=-L) длиной 2Ltgθ. Отразившись от фотокатода и от анода, оно через промежуток времени $$\Delta t_{ЛИ}\text{}\text{}=\frac{2L}{c\cdot Cos\theta }$$ попадает на соседний отрезок той же длины и так далее. ЭМИ проходит отрезок длиной 2Ltgθ за время $$\Delta t_{ЭМИ}\text{}\text{}=\frac{2Ltg\theta }{c}$$ . При используемых исходных данных Δt_ЛИ-Δt_ЭМИ<<T₀, a L_x>>cT₀Sinθ~2Ltgθ.

Эти условия означают, что сложение электромагнитных волн, генерируемых разными областями фотодиода, происходит примерно так же, как и при сплошном облучении фотокатода, рассмотренном в первом случае. И поскольку длина диода превышает длину, на которой электромагнитная волна достигает предельной амплитуды, то расчетные значения амплитуды плотности потока энергии на выходе из фотодиода должны быть близки к теоретическим оценкам, что и демонстрирует график, показанный на рис.3. Эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную, примерно, 43% при tgθ=4(θ≈76°).

Результаты аналитического и численного исследования электромагнитного поля, возникающего внутри плоского фотодиода, разряд которого инициируется плоским потоком ЛИ, наклонно падающим на фотокатод, показывают, что

- при θ→π/2 амплитуда электромагнитной волны внутри фотодиода достигает величины, сравнимой с величиной начального электрического поля, приложенного к фотодиоду;

- плотность потока электромагнитной энергии внутри фотодиода в десятки и более раз превышает плотность потока электромагнитной энергии в пространстве над анодом.

Таким образом, источник электромагнитного излучения, использующий для генерации ЭМИ внутреннее пространство фотодиода, имеет в десятки раз более высокие энергетические характеристики, чем в известном техническом решении, в котором ЭМИ генерируется дипольным слоем над анодом. В качестве такого источника можно представить себе стопку (стэк) плоских фотодиодов. При E₀=φ₀/L≈l0⁶ В/см, L=0.1 см мощность, снимаемая с 1 см² излучающей апертуры источника, будет ~3·10⁹ Вт.

На рис.1 приведены сравнительные данные для длины, на которой электромагнитная волна внутри плоского фотодиода достигает максимальной амплитуды • - численный расчет, ―― - l_x≈2.7 cT₀Sinθ.

На рис.2 показана зависимость амплитуды плотности потока энергии внутри плоского фотодиода от угла падения лазерного излучения на фотокатод при облучении через анод (сплошное облучение).

На рис.3 приведены результаты расчета амплитуды плотности потока энергии внутри плоского фотодиода для различных углов падения лазерного излучения на фотокатод при облучении с торца фотодиода.

На рис.4, 5 изображены примеры выполнения генератора широкополосного ЭМИ, использующего предложенный способ генерации. Генератор представляет собой стопку из одинаковых плоских фотодиодов, облучаемых с торца импульсом ЛИ с плоским фронтом. Лазерное излучение синхронизует электромагнитное излучение отдельных фотодиодов стопки в направлении распространения ЛИ. 1 - фотокатод, 2 - анод, 3 - вакуумная камера, 4 - зеркало, стрелками показан ход ЛИ.

Эти примеры не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенными совокупностями существенных признаков требуемого результата.

Многие элементы прототипа могут быть использованы и в предлагаемых устройствах. Можно использовать тот же самый ГИН, лазерное излучение с длиной волны λ≈0.53 мкм и сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анод 2 может быть выполнен из фольги, например, скандиевой. Зеркало 4 может быть изготовлено из любого металла с достаточно высокой проводимостью.

Работа генератора ЭМИ, например, изображенного на рис.4, начинается с подачи импульса напряжения на стопку фотодиодов. После того, как напряжение на разрядных промежутках достигает максимума порядка 100 кВ, начинается их облучение импульсом ЛИ длительностью порядка пикосекунды или менее. Поток ЛИ с плоским фронтом, распространяющийся перпендикулярно торцевой поверхности стопки фотодиодов, падает на систему зеркал и разделяется на параллельные пучки, облучающие фотокатоды под некоторым углом θ относительно нормали к их поверхностям. Кванты ЛИ выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряются в электрическом поле между фотокатодом и анодом и излучают ЭМИ. Внутри каждого фотодиода стопки пучок ЛИ, последовательно отражаясь от фотокатода и анода, создает растущую со скоростью c·Sinθ цепочку таких источников. Чем ближе угол θ к 90°, тем ближе скорость роста цепочки источников к скорости света, тем больше та длина цепочки, на которой источники излучают вдоль оси фотодиода почти синхронно и на которой амплитуды полей от разных источников складываются, достигая при насыщении величины, близкой к величине начального поля в разрядном промежутке. Поскольку оптические длины для фотодиодов стопки одинаковы, то ЭМИ, испускаемое стопкой фотодиодов, будет так же как и ЛИ иметь плоский фронт, параллельный фронту ЛИ. При этом мощность, снимаемая с единицы площади излучающей апертуры рассматриваемого генератора, будет много больше аналогичной величины для прототипа, поскольку амплитуда поля в межэлектродном промежутке почти на порядок больше амплитуды поля над анодом.

Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. С помощью разряда высоковольтного вакуумного фотодиода, инициируемого лазерным излучением, наклонно падающим на фотокатод, создают импульс тока, распространяющийся вдоль межэлектродного промежутка со сверхзвуковой скоростью. Генерация излучения происходит внутри разрядного промежутка. Лазерное излучение распространяется внутри фотодиода, отражаясь от поверхностей электродов. Для увеличения мощности и энергии генератора электромагнитного излучения несколько одинаковых фотодиодов соединяются в стопку. Технический результат - повышение эффективности преобразования электростатической энергии в энергию электромагнитного излучения. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ генерации электромагнитного излучения (ЭМИ) СВЧ диапазона, заключающийся в том, что на электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением (ЛИ), в результате чего с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном промежутке, отличающийся тем, что, с целью повышения кпд и интенсивности ЭМИ, используют анод и катод, отражающие назад генерируемое в межэлектродном промежутке ЭМИ, которое выводят через прозрачное для ЭМИ окно.

2. Генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ), включающий в себя плоский вакуумный фотодиод, систему ввода лазерного излучения (ЛИ), обеспечивающую наклонное падение ЛИ на фотокатод, систему вывода ЭМИ, вакуумную камеру, расположенную над анодом, импульсный или импульсно-периодический лазер, генератор импульсов напряжения, отличающийся тем, что содержит несколько одинаковых элементов, состоящих из плоского фотодиода с отражающими ЭМИ электродами и вакуумной камеры над ним, соединенных в стопку, системы ввода ЛИ и вывода ЭМИ расположены на противоположных торцах фотодиодов.