СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ ДИАПАЗОНА Российский патент 2024 года по МПК H01J25/00 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и может быть использовано при разработке генераторов СВЧ электромагнитного излучения (ЭМИ) с широким спектральным диапазоном.

Известен способ генерации СВЧ ЭМИ в приборе с виртуальным катодом (ВК) (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 межэлектродном пространстве (пространство между катодом/фотокатодом и анодом) 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 виртуальный катод (ВК). Часть электронов отражается от ВК и совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов преобразуется в ЭМИ и передается электромагнитному полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. Основным недостатком этого способа является низкая (~ед. %) эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию излучения, связанная, в частности, с быстрым ослаблением электронного пучка из-за ухода на стенки прибора.

Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, описанный в работе Ю.Н. Лазарева, П.В. Петрова «Генератор ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника». ЖЭТФ, 1999, т. 115, с. 1689. Способ основан на использовании для генерации ЭМИ разряда высоковольтного фотодиода (состоит из фотокатода и сеточного анода), инициируемого лазерным излучением, наклонно падающим на фотокатод. Он позволяет получить направленный импульс ЭМИ СВЧ диапазона. К недостаткам данного технического решения можно отнести отсутствие возможности регулирования спектра ЭМИ в заданном диапазоне значений.

Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего получать ЭМИ СВЧ диапазона с заданным спектром.

Технический результат заявляемого способа состоит в генерации ЭМИ с широким спектральным диапазоном, который может регулироваться посредством изменения напряженности внешнего магнитного поля.

Технический результат изобретения обеспечивается тем, что в способе генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона на электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате фотоэффекта с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном пространстве под действием разности потенциалов между фотокатодом и анодом. Согласно изобретению с помощью приложенного к межэлектродному пространству внешним образом магнитного поля, силовые линии которого направлены под заданным (ненулевым) утлом к вектору импульса электронов, регулируют спектр генерируемого электромагнитного излучения.

Электромагнит, обеспечивающий изменение спектра ЭМИ, позволяет создать внутри корпуса генератора относительно равномерное, направленное вдоль его оси магнитное поле. Конструкция фотокатода генератора -параболоид вращения, обеспечивает генерацию тока электронов, векторы импульсов (скоростей) которых направлены под ненулевым утлом к силовым линиям приложенного магнитного поля.

Движение электронов во внешнем магнитном поле приводит к их прецессии с угловой частотой, величина которой определяется напряженностью магнитного поля и углом между вектором мгновенной скорости электрона и направлением магнитного поля. Прецессия электронов вносит в спектр ЭМИ дополнительную характерную частоту. Величина дополнительной характерной частоты тем больше, чем больше значение напряженности магнитного поля, приложенного к межэлектродному пространству.

Таким образом, изменяя ток в витках электромагнита, т.е. величину напряженности порождаемого им магнитного поля, можно регулировать основную (пиковую) частоту генерируемого ЭМИ - изменять спектр излучения в широком диапазоне частот.

На фиг. 1 изображена схема реализации способа.

Генератор ЭМИ помещают во внешнее магнитное поле, создаваемое электромагнитом. Силовые линии магнитного ноля направлены под заданным углом к вектору скорости эмитированных с фотокатода электронов.

Обозначения, представленные на фиг. 1:

1 - стальной корпус генератора;

2 - анод;

3 - фотокатод;

4 - вакуумированное межэлектродное пространство;

5 - направление эмиссии электронов - вектор импульса электронов;

6 - направление силовых линий напряженности магнитного поля.

На фиг. 2 представлены спектры ЭМИ с учетом (поз. 2) и без учета (поз. 1) влияния внешнего магнитного поля.

На электроды фотодиода 2 и 3 подают импульс напряжения. Стальной корпус генератора 1 заземлен. Фотокатод 3 наклонно облучают импульсным лазерным излучением. Лазерное излучение «скользит» вдоль поверхности фотокатода 3 со сверхсветовой скоростью. Посредством явления фотоэффекта с фотокатода 3 в вакуумированное межэлектродное пространство 4 эмитируются электроны в направлении 5. Вдоль поверхности фотокатода 3 формируется сверхсветовой электронный ток.

В вакуумированном межэлектродном пространстве 4 образуется дипольный электронный слой, распространяющийся вдоль образующей фотокатода 3 со сверхсветовой скоростью. Эмитированные из фотокатода 3 электроны ускоряются разностью потенциалов, созданной в вакуумированном межэлектродном пространстве 4.

Ускоряющийся слой электронов - дипольный слой, генерирует ЭМИ с широким спектральным диапазоном. Ширина спектра обусловлена величиной межэлектродного пространства и ограничена величиной напряженности пробоя промежутка между фотокатодом 3 и анодом 2 фотодиода.

Это приводит к невозможности регулировки или изменения спектра ЭМИ - величина межэлектродного пространства раз и навсегда определена конструкцией излучателя.

Регулирование спектра ЭМИ обеспечивается приложением к межэлектродному пространству внешним образом магнитного поля, силовые линии 6 которого, направлены под заданным (ненулевым) утлом к вектору импульса электронов 5. Магнитное поле генерируется электромагнитом, в полости которого размещен генератор. Тем самым обеспечивается регулировка спектра излучения без внесения изменений в конструкцию генератора.

Движение электронов во внешнем магнитном поле приводит к изменению характера их ускоренного движения - явлению «прецессии» (вращения) вокруг направления магнитного поля 6 с угловой частотой ω_L=-(е⋅Н)/(2⋅m_e⋅c), где: ω_L - угловая (циклическая) частота прецессии электронов; е - электрический заряд; H - напряженность магнитного поля; m_e - масса электрона; с - скоротать света.

Ускоренное круговое движение электронов вдоль направления магнитного поля 6 вносит в спектр ЭМИ дополнительную характерную частоту, величина которой обусловлена значением напряженности магнитного поля, приложенного внешним образом к генератору.

Разработана и изготовлена конструкция генератора, принципиальная схема которого представлена на фиг. 1. Генератор размещен в полости коаксиального электромагнита с регулируемой величиной тока в обмотках -величиной напряженности создаваемого магнитного поля. Проведены экспериментальные исследования характеристик ЭМИ, генерируемого данной конструкцией при наличии/отсутствии приложенного к межэлектродному пространству внешним образом магнитного поля. Результаты измерений спектров ЭМИ представлены на фиг. 2.

Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона относится к технике СВЧ и может быть использован при разработке генераторов СВЧ электромагнитного излучения (ЭМИ) с широким спектральным диапазоном. Технический результат - регулирование спектра электромагнитного излучения. На электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате чего с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном пространстве. Спектр электромагнитного излучения, формируемого током электронов, обусловлен величиной и направлением приложенного внешнего магнитного поля. 2 ил.

Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, заключающийся в том, что на электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате фотоэффекта с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном пространстве под действием разности потенциалов между фотокатодом и анодом, отличающийся тем, что с помощью приложенного к межэлектродному пространству внешним образом магнитного поля, силовые линии которого направлены под заданным ненулевым углом к вектору импульса электронов, регулируют спектр генерируемого электромагнитного излучения.