СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК H02J17/00 

Область техники.

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения с перестройкой частоты генерации в широком интервале значений и может быть использовано в системах локации, передачи энергии на большие расстояния.

Уровень техники.

Известны способы генерации электромагнитного (ЭМ) излучения диапазона десятков и сотен гигагерц, которые базируются на торможении электронов в электрическом (клистроны, оротроны, и т.д.) или в магнитном поле (гиротроны, МСЭ…). В указанных устройствах (генераторах) электронные пучки отдают энергию ЭМ колебаниям в условиях высокого вакуума, и частотные характеристики излучения определяются геометрией электродинамической системы, параметрами статического электрического и магнитного поля, а также пучка (A.V. Gaponov-Grekhov, V.L. Granatsteein, 1994, Application of high-power microwaves. Artech House, Boston, London), [1]. Существуют устройства, в которых присутствие в электродинамической системе специально созданного слоя плазмы изменяет ее частотные характеристики, но оставляет неизменным механизм передачи энергии от пучка к электромагнитной волне (Кузелев М.В., Рухадзе А.А., Стрелков П.С. Плазменная релятивистская СВЧ электроника, М: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана) [2].

Во всех указанных выше устройствах значительная перестройка частоты может осуществляться только изменением геометрии электродинамической системы и статических полей и весьма слабо параметрами активной среды, т.е. пучка. К тому же в этих устройствах крайне затруднена техническая реализация продвижения в область частот выше 300 ГГц.

В то же время в космических и лабораторных исследованиях уже наблюдали электромагнитное излучение из плазменных образований, которое возникает в результате возбуждения в ней пучками электронов ленгмюровских колебаний большой амплитуды и последующей трансформации энергии этих колебаний в электромагнитное излучение в ходе нелинейных процессов в плазме (D.A. Gumett and R.R.Anderson, Science 194, 1159 (1976)) [3], (D.A. Whelan and R.L. Stenzel, Phys. Rev. Lett. 47, 95 (1981)) [4], (А.В. Baranga, G. Benford, D. Tzach, and K. Kato, Phys. Rev. Lett. 54, 1377 (1985)). [5]. В этих условиях частота генерации электромагнитного излучения определяется плотностью плазмы и слабо зависит от других параметров генерирующего устройства. Поскольку скорость нелинейных процессов генерации электромагнитных волн в турбулентной плазме существенно зависит от отношения плотности энергии ленгмюровских колебаний к плотности тепловой энергии плазмы, увеличение мощности излучения в лабораторных пучково-плазменных экспериментах может быть достигнуто за счет увеличения этого параметра и перехода в режим сильной турбулентности.

В проведенных экспериментах последних лет (L.N. Vyacheslavov, V.S. Burmasov, I.V. Kandaurov, E.P. Kruglyakov, O.I. Meshkov, S.S. Popov and A.L. Sanin, Plasma Phys. Control. Fusion 44, B279 (2002) [6]; (A.V. Arzhannikov, A.V. Burdakov, S.A. Kuznetsov, M.A. Makarov, K.I. Mekler, V.V. Postupaev, A.F. Rovenskikh, S.L. Sinitsky, and V.F. Sklyarov, Fusion Sci. Technol. 59(1T), 74 (2011)) [7] и модельном теоретическом рассмотрении процесса нелинейной генерации ЭМ волн в плазме (I.V.Timofeev, Phys. Plasmas 19, 044501 (2012)) [8]; (A.V. Arzhannikov, I.V. Timofeev, arXiv:1205.4081v1 [physics.plasm-ph) [9] данное положение получило однозначное подтверждение.

Задача изобретения и технический результат.

Задачей изобретения является создание способа генерации ЭМ излучения большой мощности путем накачки высокого уровня ленгмюровских колебаний в плазме сильноточным электронным пучком и трансформации этих колебаний в ходе нелинейных плазменных процессов в электромагнитные волны с частотой, соответствующей плазменной или удвоенной плазменной частотам.

Технический результат заявляемого способа состоит в возможности достижения большой мощности электромагнитного излучения в миллиметровой, субмиллиметровой и терагерцовой областях (в диапазоне частот от десятков гигагерц до терагерца). При этом в предлагаемом способе имеется возможность быстрой (за время ~10^-7 с) управляемой перестройки частоты генерируемого излучения. Плотность мощности генерируемого излучения в этом случае достигает сотен киловатт на см³ плазмы при частоте излучения более 500 ГГц.

Поставленная задача решается путем создания в магнитном поле плазменного столба с длиной в несколько метров с заданной плотностью в широком (10¹³-5 10¹⁵ см^-3) интервале значений и пропускания но нему пучка релятивистских электронов с высокой (от 0.1 до 10 кА/см² в соответствии с плотностью плазмы) плотностью тока и малой (не более чем 10^-1) угловой расходимостью, таким образом в плазме накачивают ленгмюровские колебания до уровня турбулентности выше, чем 10^-2, обеспечивающего необходимую плотность мощности в потоке электромагнитного излучения, выходящего из плазмы.

Технический результат обеспечивается совокупностью заявляемых признаков:

1. Пучок электронов с плотностью тока в диапазоне от 0.1 до 10 кА/см² позволяет создать необходимую плотность плазмы (10¹³-5 10¹⁵ см^-3), которая задается в зависимости от требуемого значения частоты генерируемого электромагнитного излучения, и накачивает в плазме ленгмюровские колебания до достижения такого уровня значений амплитуды, при котором происходит слияние двух ленгмюровских колебаний в одну электромагнитную волну с удвоенной ленгмюровской частотой, которая при заданном значении плотности плазмы дает требуемое значение частоты электромагнитного излучения.

2. Необходимую плотность плазмы n_p определяют в зависимости от требуемого значения частоты генерируемого электромагнитного излучения f по формуле:

…n_p=1,26 10^-8 f²,

где плотность плазмы n_p- в единицах см^-3, а частота f - в Гц.

В указанных пределах плотности плазмы, достигается частота генерируемого излучения от 100 ТТц до 1 ТГЦ

3. Управляемое изменение значения частоты генерируемого излучения в несколько раз за времена масштаба 10^-7 секунды обеспечивается заданным изменением во времени значения плотности плазмы.

4. При заявляемых значениях плотности тока в пучке электронов (от 0.1 до 10 кА/см²) и малой угловой расходимости (не более, чем 10^-1), происходит накачка ленгмюровских колебаний до состояния сильной ленгмюровской турбулентности более, чем 10^-2, которое определяется как отношение плотности энергии ленгмюровских колебаний к плотности тепловой энергии плазмы.

5. Генерация электромагнитного излучения на плазменной и удвоенной плазменной частотах осуществляется в результате нелинейных процессов в плазме в условиях сильной ленгмюровской турбулентности.

6. Вывод излучения из плазмы на удвоенной плазменной (ленгмюровской) частоте обеспечивается превышением длины свободного пробега этого излучения в несколько раз по сравнению с характерным поперечным размером плазменного облака, где осуществляется генерация.

7. Поперечное удержание плазмы и пучка осуществляется сильным магнитным полем, создаваемом соленоидом.

8. Генерация пучка релятивистских электронов с необходимой плотностью тока в плазме обеспечивается ускорителями прямого действия при длительности импульса более 10^-7 с, которая дает возможность достигнуть высокой температуры плазмы в ходе пропускания пучка по плазме, и тем самым получить высокий уровень плотности энергии ленгмюровских колебаний.

9. Управляемое изменение значения частоты генерируемого излучения в несколько раз за время масштаба 10^-7 секунды обеспечивается заданным изменением во времени значения плотности плазмы.

Описание изобретения.

Описание изобретения поясняется фигурой 1.

На Фиг.1 показана схема генерации электромагнитного излучения в плазме

1 - плазменный столб, удерживаемый в магнитном ноле длинного соленоида;

2 - пучок электронов, пропускаемый через плазму с большой плотностью тока;

3 - соленоид, создающий необходимое магнитное поле;

4 - ленгмюровские колебания в плазме, накачиваемые пучком в результате пучковой неустойчивости;

5 - электромагнитное излучение, генерируемое в результате конверсии ленгмюровских волн в ходе нелинейных плазменных процессов и выходящее из плазмы в свободное пространство;

6 - прозрачная для излучения вакуумная камера, позволяющая его вывод из области генерации в плазме в свободное пространство.

Предлагаемый способ генерации излучения реализуется следующим образом:

Плазменный столб (1) с необходимой плотностью частиц создают в магнитном поле соленоида (3) либо перед инжекциен пучка, либо самим пучком (2) в ходе его инжекции. Пропускаемый по плазме пучок электронов накачивает в плазме ленгмюровские колебания (4) большой амплитуды, за счет которых растет тепловая энергия единицы объема плазмы, а вместе с ней происходит рост плотности энергии самих ленгмюровских колебаний. Нелинейное взаимодействие ленгмюровских колебаний при сильной турбулентности в плазме приводит к генерации в ней электромагнитных волн (5), плотность мощности потока которых из плазмы также растет с ростом плотности энергии ленгмюровских колебаний. Генерируемые в плазме электромагнитные волны имеют длину пробега в ней существенно больше, чем ее пространственные размеры и выделенную угловую направленность, что позволяет выпускать поток электромагнитного излучения из магнитной ловушки, где удерживаются пучок и плазма, в свободное пространство через прозрачную для получения вакуумную камеру (6).

Изобретение относится к технике генерации электромагнитного излучения с перестройкой частоты генерации в широком интервале значений и может быть использовано в системах локации, передачи энергии на большие расстояния. Заявленный способ генерации электромагнитного излучения большой мощности осуществляется путем накачки высокого уровня ленгмюровских колебаний в плазме сильноточным электронным пучком и трансформации этих колебаний в ходе нелинейных плазменных процессов в электромагнитные волны с частотой, соответствующей плазменной или удвоенной плазменной частотам. Техническим результатом заявленного способа является обеспечение возможности достижения большой мощности электромагнитного излучения в миллиметровой, субмиллиметровой и терагерцовой областях (в диапазоне частот от десятков гигагерц до терагерца) с возможностью быстрой (за время ~10^-7 с) управляемой перестройки частоты генерируемого излучения при плотности мощности генерируемого излучения в этом случае порядка сотен киловатт на см³ плазмы при частоте излучения более 500 ГГц. 1 ил.

Способ генерации в плазме мощного электромагнитного излучения, основанный на трансформации энергии ленгмюровских колебаний в электромагнитное излучение за счет слияния двух ленгмюровских волн в условиях сильной турбулентности, отличающийся тем, что в магнитном поле соленоида создают плазменный столб в интервале значений плотности плазмы от 10¹³ до 5·10¹⁵ см^-3, осуществляют накачку в такой плазме колебаний до необходимого уровня (более, чем 10^-2) ленгмюровской турбулентности путем пропускания пучка релятивистских электронов с плотностью тока в интервале от 0,1 до 10 кА/см² в соответствии с плотностью плазмы, что обеспечивает необходимую плотность мощности в потоке выходящего из плазмы электромагнитного излучения.