Богданова автоэлектронный модулятор электромагнитного излучения

 

Использование: в устройствах модуляции электромагнитного излучения, в частности, СВЧ-излучения. Сущность изобретения: модулятор содержит поляризатор и конденсатор, обкладки которого ориентированы параллельно направлению распространения электромагнитного излучения. В конденсаторе параллельно его обкладкам установлены проводящие полоски. На одной стороне проводящих полосок, обращенной к одной из обкладок конденсатора, выполнены эмиссионные катоды, испускание электронов с которых происходит под действием электрической составляющей модулируемого электромагнитного излучения. Материал эмиссионных катодов имеет меньшую работу выхода, чем материал проводящих полосок. 3 з.п. ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к устройствам для модуляции электромагнитного излучения.

Известен электрооптический модулятор [1] содержащий два поляризатора, между которыми помещена ячейка Керра. Она заполняется жидкостью, состоящей из частиц с высоким значением дипольного момента, например, нитробензолом. Ячейку ограничивают обкладками конденсатора, на которые подается напряжение, под действием которого меняется фазовый сдвиг между обыкновенными и необыкновенными лучами оптического излучения, которое, проходя через поляризатор и анализатор /второй поляризатор/, фазовую модуляцию преобразует в амплитудную, которая регистрируется.

Недостатком данного модулятора является то, что он модулирует только оптическое излучение. Другим недостатком является то, что он не может модулировать электромагнитное излучение так, чтобы частота модуляции совпадала с частотой этого излучения. Следующим недостатком модулятора является то, что он не может регулировать направление вектора электрического поля волны в плоскости колебаний так, чтобы на выходе модулятора это поле было направлено в определенную сторону, заданную заранее.

Известен модулятор, содержащий расположенные на оси распространения излучения два поляризатора, между которыми на оси распространения электромагнитного излучения оптического диапазона находится, помещенная между обкладками внешнего конденсатора, ячейка Поккельса с электрооптическим кристаллом. Чаще всего используется кристалл КДР /KH₂PO₄/ с тетрагональной структурой [1] В ячейке Поккельса используется эффект изменения оптической анизотропии под действием электрического поля в электрооптических кристаллах, не содержащих инверсной среды. Между обкладками внешнего конденсатора подается напряжение, между обыкновенным и необыкновенным лучами электромагнитного излучения оптического диапазона в электрооптическом кристалле возникает разность фаз, которая на выходе излучения из ячейки Поккельса, после прохождения второго поляризатора, излучением изменяет амплитуду электромагнитной волны, преобразуя модуляцию излучения по фазе между обыкновенным и необыкновенным лучами в амплитудную модуляцию, которая на выходе излучения из модулятора регистрируется или как-либо используется, например, для модуляции добротности резонатора лазера.

Недостатком данного модулятора является то, что он модулирует электромагнитное излучение только оптического диапазона. Другим недостатком модулятора является то, что он не может модулировать электромагнитное излучение настолько быстро, чтобы частота модуляции совпадала с частотой этого излучения. Следующим недостатком модулятора является то, что он не может регулировать направление вектора электрического поля в плоскости колебаний электромагнитной волны так, чтобы на выходе модулятора электрическое поле волны было направлено в определенную сторону, заданную заранее.

Задачей, стоящей перед изобретателем, является обеспечение возможности модулировать электромагнитное излучение в более длинноволновой области спектра, например, излучение с длиной волны более миллиметра, а также обеспечение возможности модулировать электромагнитное излучение с частотой модуляции, совпадающей с его частотой так, чтобы отдельные импульсы промодулированного излучения следовали друг за другом с частотой этого излучения и с заданным направлением вектора электрического поля электромагнитной волны на выходе модулятора и в фиксированной заранее точке вне модулятора.

Указанная задача выполняется за счет того, что в модуляторе, содержащем внешний конденсатор, поляризатор, между обкладками конденсатора проходит ось распространения электромагнитного излучения, дополнительно в конденсаторе параллельно его обкладкам установлены проводящие полоски, причем на поверхностях проводящих полосок, обращенных к одной из обкладок конденсатора, выполнены эмиссионные катоды. Эмиссионные катоды выполнены из материала с меньшей работой выхода, чем у материала проводящих полосок. Поверхность каждой проводящей полоски выполнена гладкой, а поверхность по крайней мере одного эмиссионного катода выполнена по крайней мере с одним острием. Величина зазора между ближайшими проводящими полосками меньше длины волны электромагнитного излучения.

Выполнению поставленной задачи способствует то, что такое конструктивное исполнение позволяет модулировать электромагнитную волну ее собственным вектором электрического поля за счет того, что испускаемые при термоавтоэлектронной эмиссии электроны при соответствующей направленности этого вектора перекрывают промежутки между рядами катодов и отражают волну, а при его противоположном направлении электрическое поле волны препятствует проникновению тепловых электронов, вылетающих с поверхности катодов за счет тепловой эмиссии в промежутки между рядами катодов, и направляет эти электроны обратно на поверхности тех же самых катодов, из которых они вылетели так, что высота, на которую удаляются от поверхности катода электроны, пренебрежимо мала по сравнению с шириной промежутка между рядами катодов. Концентрация электронов в этом пространстве недостаточна для отражения электромагнитной волны, и она свободно проходит между катодами. Различие концентраций эмиссионных электронов в промежутках между рядами катодов в рассмотренные различные фазы волны составляют несколько порядков за счет того, что поверхности эмиссионных катодов, обращенные к одной определенной обкладке внешнего конденсатора, выполнены из материала с малой работой выхода, а поверхности полосок, на которых они крепятся, выполнены из материала с большой работой выхода и обращены к противоположной обкладке внешнего конденсатора, причем поверхности полосок гладкие, а на поверхностях катодов имеются острия или полосы с заостренными краями.

В результате осуществления модуляции волны ее собственным электрическим полем удается повысить частоту модуляции до частоты электромагнитного излучения той волны, которая модулируется, в результате чего импульсы изменения амплитуды электромагнитного излучения следуют друг за другом с частотой этого излучения. Это позволяет получать на выходе модулятора волну с заданным направлением вектора электрического поля в плоскости колебаний.

Достижение требуемого быстродействия, при котором электроны успевают опередить поворот плоскости поляризации волны, обеспечивается за счет того, что расстояние между рядами катодов значительно меньше длины волны электромагнитного излучения.

Модулятор также может модулировать электромагнитное излучение импульсами длительностью, превышающей период волны, за счет того, что между обкладками внешнего конденсатора прикладывается значительная разность потенциалов, и вызываемая этим электрическим полем термоавтоэлектронная эмиссия также перекрывает электронами промежутки между рядами катодов, и происходит аналогичное отражение электромагнитной волны электронными токами.

Модуляция электромагнитной волны ее собственным вектором электрического поля создает уникальную возможность направлять излучение на данную поверхность /точку/ таким образом, что на этой поверхности /точке/ вектор электрического поля волны всегда направлен в одну заданную сторону, изменяясь при этом только по амплитуде, но не по направлению. Это дает возможность создать на базе модулятора широкий ряд качественно новых приборов, использующих в своей работе выпрямленное /по аналогии с выпрямлением переменного тока/ излучение с заданным направлением электрического вектора на данной поверхности. Прежде всего, это устройство для запитки энергией сверхпроводящих катушек, в котором выпрямленное электрическое поле волны направляется вдоль сверхпроводящей обмотки катушки, запитывая ее непосредственно в сверхпроводящем состоянии поверхностными токами, текущими по скин-слою под действием электрического переменного по амплитуде поля электромагнитной волны. Выпрямленное модулятором электромагнитное излучение может также использоваться для создания новым способом реактивной тяги в электроракетных двигателях, создающих внешнее магнитное поле и ускоряющих силой Ампера электрические токи в плазме, текущие между удаленными электродами. Такие двигатели ионизируют вокруг себя газ атмосферы и затем ускоряют его, создавая тягу [2, 3] В данном случае газ атмосферы ионизируется вокруг двигателя с возможностью образования плазменного волновода для промодулированного излучения. В этом волноводе одной из стенок является плазма газа атмосферы, а другой поверхность двигателя. Излучение поступает на плазменную стенку в фазе волны с заданным направлением электрического вектора, отражается от нее, направляется после отражения на поверхность корпуса двигателя, отражается от нее тоже и снова поступает на плазменную стенку так, чтобы ее фаза на пути между отражениями изменилась на целое четное число π Два отражения прибавляют к фазе 2π Таким образом, на плазменную стенку волна возвращается в фазе, изменившейся на четное число p которой отвечает то же самое, выбранное и рассчитанное заранее направление вектора электрического поля в плоскости колебаний, создавая, таким образом, между удаленными электродами, лежащими на поверхности корпуса двигателя, образующей стенку плазменного волновода, вдоль пути распространения волны линию с одним направлением электрического поля со значительной разностью потенциалов на концах /электроды электрически контактируют с плазменной стенкой волновода/. По этой плазменной линии /перемычке/ течет электрический ток, замыкаемый в единый контур с соленоидом двигателя. На ток со стороны поля соленоида действует сила Ампера, ускоряя перемычку и создавая тягу. Основной положительный эффект, достигаемый применением модулятора в данном случае большая разность потенциалов, создаваемая излучением вдоль перемычки между ее концами, вызывающая электрический пробой газа атмосферы по всей ее длине. Создание таких напряжений порядка 10⁷ В другими техническими средствами является намного более сложной технической задачей, чем в данном случае применения модулятора.

Модулятор может быть использован в качестве полупрозрачного зеркала в резонаторах лазеров субмиллиметрового, миллиметрового диапазонов и лазеров на свободных электронах. Для них модулятор может работать также и в качестве высокоскоростного затвора. Возможность такой работы обеспечивается созданием сильных электрических полей между обкладками внешнего конденсатора, вызывающих термоавтоэлектронную эмиссию между рядами эмиссионных катодов. Регулируя прилагаемое к обкладкам напряжение, регулируется плотность электронного эмиссионного тока, и за счет этого можно добиться различных значений коэффициента прохождения излучения через модулятор, совпадающих в этом случае с коэффициентами прохождения для полупрозрачных зеркал. Когда коэффициент прохождения равен нулю, модулятор работает как оптический затвор аналогично ячейкам Поккельса и Керра с очень хорошим быстродействием и резким фронтом. /Необходимо сделать оговорку, что слово "оптический" использовано здесь для удобства терминологии, поскольку работа модулятора осуществляется также и в более длинноволновой области спектра/.

Модулятор может быть также использован в высоковольтном генераторе принципиально новой конструкции, содержащем волновод по крайней мере одна из стенок которого выполнена из проводящего материала и вдоль всей его длины электрически разделена диодами, выполненными с возможностью пропускать электрический ток, текущий вдоль стенки, только в одном направлении и не пропускать в противоположном. К концам стенки, расположенным около входа излучения в волновод и около выхода, присоединен конденсатор /если волновод выполнен замкнутым, то в одном месте стенка электрически размыкается и конденсатор присоединяется с двух сторон по отношению к точке размыкания/. Излучение направляется /вводится/ под определенным углом внутрь волновода так, чтобы оно после прохождения модулятора приходило на стенку в фазе с определенным направлением электрического поля и после отражения от другой стенки волновода снова возвращалась на нее в той же фазе, и так далее. Многократное падение на проводящую стенку волны с одинаковым направлением электрического поля вызывает на ней ток, текущий в одном направлении. Диоды не позволяют току течь в противоположном направлении, и в итоге между концами стенки возникает значительная разность потенциалов, которая заряжает конденсатор, причем с каждым новым периодом волны заряд конденсатора увеличивается, соответственно, в зависимости от длины волновода, создавать разность потенциалов от 10⁷ до 10¹⁰ В, которая в дальнейшем может быть использована либо в ускорителях более облегченных и упрощенных конструкций, либо в электроракетных двигателях для создания тяги. Высоковольтный генератор с модулятором намного легче и технически проще в изготовлении, чем известные высоковольтные генераторы, создающие аналогичные напряжения, что позволяет получить заметный выигрыш в весе при изготовлении ускорителей известных на сегодня конструкций, например, линейных высоковольтных ускорителей ионов, электронов или плазменных. Особенно важным положительным эффектом является уменьшение веса в электроракетных двигателях. Модулятор может быть использован в известных ускорителях заряженных частиц, разгоняющих их СВЧ-излучением, например, микротронах и циклотронах. Использование в них для разгона частиц промодулированного модулятором электромагнитного излучения с заданным направлением вектора электрического поля в области, где происходит ускорение частиц, позволит резко увеличить число одновременно ускоряемых частиц за счет отсутствия замедляющей фазы излучения.

Не обнаружено технических решений, достигающих выполнения поставленной задачи аналогичными техническими средствами.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема автоэлектронного модулятора электромагнитного излучения; на фиг. 2 выносной элемент 1; на фиг. 3 - сечение А-А; на фиг. 4 сечение Б-Б; на фиг. 5 принципиальная схема устройства для запитки энергией сверхпроводящих катушек; на фиг. 6 схема волновода устройства для запитки энергией сверхпроводящих катушек в точке пучности стоячей волны TE₁₀; на фиг. 7 принципиальная схема создания реактивной тяги с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе, вид сбоку; на фиг. 8 принципиальная схема создания реактивной тяги с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе с парой коаксиальных электродов, вид сверху; на фиг. 9 принципиальная схема создания реактивной тяги за счет сбора впередилежащего вещества внешней среды с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе; на фиг. 10 принципиальная схема создания реактивной тяги за счет сбора вещества внешней среды вдоль оси магнитной катушки с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе; на фиг. 11 принципиальная схема создания реактивной тяги за счет ядерных взрывов на оси магнитной катушки с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе; на фиг. 12 принципиальная схема высоковольтного генератора с применением автоэлектронного модулятора изображена; на фиг. 13 схема сборки модулятора; на фиг. 14 выносной элемент 11; на фиг. 15 сечение В-В; на фиг. 16 схема крепления проводящих полосок; на фиг. 17 схема крепления проводящих полосок в сечении Г-Г.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема автоэлектронного модулятора электромагнитного излучения. На оси распространения излучения мощного СВЧ-излучателя 1 установлен автоэлектронный модулятор электромагнитного излучения 2, далее в тексте просто модулятор. В качестве СВЧ-излучателя рекомендуется СВЧ-генератор мощностью 10¹¹ Вт с длительностью импульса порядка 50 нс и длиной волны порядка 1 м. Возможно использование антенны, например, параболической для уменьшения расходимости излучения. На фиг. 2 изображен выносной элемент 1. На оси распространения излучения в модуляторе около входа установлен поляризатор 3, выполненный в виде дифракционной решетки с периодом меньше длины волны излучения. Элементами решетки являются металлические полосы, стержни или проволоки. Ось проходит между обкладками 11, 12 внешнего конденсатора. Элементы решетки параллельны обкладкам конденсатора. Внутри конденсатора установлены проводящие полоски 9, 48, параллельные его обкладкам. На проводящих полосках выполнены эмиссионные катоды 4, 5, 8 в виде параллельных рядов. Катоды выполнены из тугоплавкого материала с малой работой выхода, например, 2 эв с возможностью испускать эмиссионные электроны в направлении одной определенной обкладки внешнего конденсатора 11 и не испускать в направлении другой 12. Проводящие полоски 9 выполнены из тугоплавкого проводящего материала с большой работой выхода, например, 5 эВ. В качестве материала для эмиссионного катода можно рекомендовать материал известного L-катода, металлопористого вольфрамобариевого термокатода с работой выхода 1,8-2,0 эВ [4] Полоски могут быть выполнены из вольфрама с кристаллографической гранью 110 /работа выхода 5,25 эВ/ или из никеля с гранью 111 /работа выхода 5,35 эВ/. Часть эмиссионных подходов, например, 4, 5, имеют форму острий или полос с заостренным краем, другая часть, например, 8, выполнена плоскими. Часть катодов, например, 4, 5, электрически соединена с полоской. Между плоским катодом 8 и полоской расположен промежуточный слой 6, выполненный из тугоплавкого материала, который может быть либо металлом или другим проводящим материалом со скоростью испарения меньше, чем у материала катода при тех же рабочих температурах и работой выхода меньше, чем у материала полоски, либо выпрямляющей ток структурой, пропускающей ток в направлении от полоски к катоду и не пропускающей обратно, например, плоским диодом с p-n переходом или барьером Шотки, либо из материала, уменьшающего влияние контактных явлений при протекании тока в направлении от полоски к катоду, при котором этот ток максимален в рабочем диапазоне прикладываемых электрических полей, либо из диэлектрика. /Следует уточнить, что под направлением тока, в целях упрощения изложения, понимается направление движения электронов/. Промежуточный слой может отсутствовать вовсе. Конкретный вид материала слоя определяется в ходе оптимизации работы системы. Ряды эмиссионных катодов, соединенные с промежуточным слоем и полоской, образует вместе с ними уединенные пластины 7, 10, выполненные с возможностью заряжаться при испускании катодом эмиссионных электронов и нейтрализовать приобретенный заряд либо за счет эмиссионных электронов, испущенных соседним катодом ближайшего ряда снизу /по отношению к конкретному изображению на фиг. 2/, либо за счет тока, текущего через ближайшую /нижнюю/ обкладку внешнего конденсатора. Поверхности катодов обращены к одной определенной обкладке внешнего конденсатора, например, в обкладке 11, а поверхности полосок к другой, например, к обкладке 12. Толщина уединенной пластины в несколько раз меньше расстояния между ними. Рекомендуется толщина пластины 5 мкм, из которых на долю плоского катода приходится 2 мкм, на промежуточный слой и полоску по 1,5 мкм. Расстояние между уединенными пластинами много меньше длины волны электромагнитного излучения, например, 30 мкм. Термин "уединенная пластина" следует понимать аналогично термину уединенный проводник в электростатике. Катоды, выполненные в виде острий или полосок с заостренным краем, имеют высоту 10 мкм. Количество таких катодов на единицу поверхности уединенной пластины желательно делать наибольшим. В случае, если промежуточный слой выполнен из диэлектрика, то плоский катод и полоска образуют обкладки конденсатора, внутри которого находится промежуточный слой, который является для этого конденсатора промежуточным диэлектриком. Величина зазора между ближайшими проводящими полосками меньше длины волны электромагнитного излучения. Исключение составляет случай, когда модулятор используется как полупрозрачное зеркало или затвор /аналогично оптическому/ в лазерах. В этом случае расстояние между рядами эмиссионных катодов и, соответственно, между пластинами может быть произвольным, в том числе и больше или равно длине волны электромагнитного излучения.

Схема крепления проводящих полосок дана на фиг. 16. На фиг. 17 показана схема крепления проводящих полосок в сечении Г-Г. Для наглядности расстояние между проводящими полосками сильно увеличено. Между проводящими полосками 9, 48 и между ними и обкладками 11, 12 внешнего конденсатора установлены диэлектрические прокладки 40, 41, 53, 54, выполненные из тугоплавкого изолятора с большим удельным сопротивлением и высоким напряжением пробоя. Прокладки, установленные по краям проводящих полосок 40, 41, выполнены в форме параллелепипедов. Прокладки 53, 54, установленные на удалении от краев, в центральной части проводящих полосок, выполнены в виде шайб. Для наглядности расстояние между прокладками сильно уменьшено. Прокладки установлены друг от друга на расстоянии много большем, чем их ширина и высота. Обкладки 11, 12 прижимаются друг к другу с помощью винтов 49, 50 и гаек 51, 52. При этом обкладки сжимают между собой проводящие полоски и диэлектрические прокладки. Винты выполнены из тугоплавкого изолятора с высоким напряжением пробоя и большим удельным сопротивлением.

Покажем, как модулятор изготовляется. Приведем подробную технологию сборки, монтажа и эксплуатации модулятора.

На фиг. 13 изображена схема сборки модулятора. Для сборки и монтажа модулятора используются направляющие нити 37, 38, выполненные из тугоплавкого металла диаметром 30 мкм, к которым крепятся изготовленные или находящиеся в процессе сборки пленки блоки 39 с заготовками в виде тонких прямоугольных листов, являющимися полосками из проводящего материала с большой работой выхода, на которые наносятся промежуточный слой и ряды эмиссионных катодов. Вдоль направляющих к рядам катодов прикреплены диэлектрические прокладки 40, 41 толщиной 30 мкм, задающие расстояние между рядами катодов. Длина направляющих для рассмотренного в описании примера с площадью поверхности модулятора 10 м² равна 87 км. Направляющие наматываются с одного барабана 42 на другой 43, к которому прикреплена одна плоская обкладка внешнего конденсатора 44. Первоначально они используются в качестве конвейера 45, на котором происходит изготовление рядов эмиссионных катодов и промежуточных слоев, соединенных с ними, методом фотолитографии. Расстояние между отдельными пленками-блоками с рядами катодов согласовано с тем, как происходит намотка направляющих на барабан 43 /пленки-блоки упакованы параллельными слоями в стопке 46 с учетом этого согласования, стопка прикреплена к барабану 42 и вращается вместе с ним/ так, чтобы пленки-блоки с рядами эмиссионных катодов вставали точно на предназначенное им место в собираемом модуляторе 47, который вращается вместе с барабаном. После того, как барабан намотал всю длину направляющих, сверху на ряды катодов устанавливается вторая обкладка внешнего конденсатора и под давлением прижимает их к нижней обкладке, после чего она фиксируется винтами в этом положении. Необходимо отметить, что суммарная площадь поверхностей диэлектрических прокладок должна быть мала по сравнению с площадью полосок, на которые крепятся ряды эмиссионных электродов, чтобы не препятствовать эмиссии электронов.

Модулятор готов к работе.

После того, как срок службы эмиссионных катодов истекает в следствие испарения рабочего вещества с малой работой выхода, барабаны начинают вращаться в противоположном направлении, и направляющие нити наматываются на другой точно такой же барабан. При этом пленки-блоки с рядами эмиссионных катодов проходят технологический цикл обработки, при котором на их поверхности наносится новое рабочее вещество с малой работой выхода взамен испарившегося в процессе работы. Можно рекомендовать делать рабочие поверхности эмиссионных катодов из вольфрама, в который методом плазменного напыления инжектируются предварительно ускоренные ионы цезия. Они проникают в него на некоторую глубину и фиксируются там. Работа выхода такого катода будет 1,36 эВ, плотности эмиссионного тока будут выше, чем у вольфрамово-бариевого термокатода при одинаковых температурах. Взамен испарившихся атомов цезия затем, во время перемотки направляющих нитей с закрепленными на них пленками-блоками с рядами эмиссионных катодов, в вольфрамовые катоды будут инжектироваться новые ионы цезия.

Скорость перемотки направляющих нитей реально может достигать величины 30 м/с, поскольку именно такая скорость считается предельно допустимой для ленты транспортера, используемой в генераторе Ван-Дер-Граафа. При такой скорости перемотки направляющие нити длиной 87 км перематываются за 50 мин.

После повторной перемотки с нанесением на поверхности эмиссионных катодов нового рабочего вещества с малой работой выхода, а также возможного нанесения на поверхности полосок, к которым крепятся катоды, небольшого слоя материала с большой работой выхода, возможного стравливания с этих поверхностей попавших туда атомов материала с малой работой выхода, установления обкладок внешнего конденсатора модулятор снова готов к работе.

Для описания работы модулятора необходимо дать описания тех приборов и устройств, в которых он используется в качестве основного рабочего элемента конструкции.

На оси распространения излучения, прошедшего модулятор, за его выходом расположена отражающая поверхность 13. Характер этой поверхности зависит от конкретного устройства, в котором используется модулятор. Некоторые устройства в своей работе отражающую поверхность не используют.

На фиг. 5 изображена принципиальная схема устройства для запитки энергией сверхпроводящих катушек. Ось распространения излучения расположена наклонно по отношению к отражающей поверхности 13 и стенкам волновода 14 с возможностью ввода излучения внутрь него и образования в волноводе стоячей волны требуемой конфигурации так, чтобы в областях пучностей волны вектор ее электрического поля был параллелен участкам сверхпроводящей обмотки 15 катушки, помещенным внутрь волновода или на его внутренние стенки. На фиг. 6 изображена схема волновода устройства для запитки энергией сверхпроводящих катушек в точке пучности стоячей волны TE₁₀. Участок сверхпроводящей обмотки 15 катушки в виде штыря в этом случае как раз оказывается в области электрического поля, направление которого параллельно поверхности участка. Возможны другие варианты расположения участка. Например, участки в виде полос могут располагаться на стенке волновода 14, причем эта стенка может быть совмещена с отражающей поверхностью 13. Волновод выполняется замкнутым, его длина согласована с длительностью импульса излучения, длиной волны, углом ввода излучения в волновод и расстоянием между широкими стенками плоского волновода, отражающими излучение как показано на фиг. 5, так, чтобы длина всего цуга импульса излучения, введенного в волновод, с учетом отражения от стенок полностью в него укладывалась за один проход. /Под "плоским" подразумевается волновод с прямоугольным поперечным сечением, под "широкими" подразумеваются стенки, площадь которых больше площади других стенок волновода/. Вторым требованием является согласование указанных параметров так, чтобы волна после прохождения волновода возвращалась к точке ввода излучения в волновод в той же фазе, в какой она в него вводилась. Исключение составляет случай, когда излучение вводится по касательной к стенкам волновода. При этом длина импульса может быть не ограничена, излучение направляется в волновод не непосредственно с выхода модулятора, а через ответвитель /другой волновод/ так, чтобы волна при циркуляции внутри волновода в ответвитель не попадала. Главным требованием согласования параметров во всех случаях является то, чтобы волна приходила на участки сверхпроводящей обмотки катушки в фазе с одинаковым направлением электрического поля волны. Выход модулятора, за исключением случая, оговоренного выше, установлен на стенке волновода и совпадает с точкой ввода излучения в волновод. Вдоль стенки волновода на значительном расстоянии от точки ввода излучения могут быть установлены дополнительные модуляторы, расстояние до которых от этой точки определяется экспериментально в каждом конкретном случае расходимостью излучения, поступающего внутрь волновода. Дополнительный модулятор соединен с дополнительным волноводом, выполненным с возможностью отводить излучение, прошедшее модулятор, либо какой-либо преобразователь энергии излучения, либо на источник электромагнитного излучения с возможностью повторного направления излучения через модулятор с измененной фазой в волновод, например, после рассеяния на свободный электронах в СВЧ-генераторе, либо дополнительный волновод содержит расположенные на стенках или внутри него участки сверхпроводящей обмотки катушки, выполненные так, чтобы излучение падало на них после прохождения модулятора и после отражения от стенок в фазе с одинаковым заданным направлением электрического поля волны. Стенки волновода, противоположные участкам сверхпроводящей обмотки, включены в электрические цепи, снимающие с них разность потенциалов, развиваемую падающей на них волной после многих отражений. Цепь может содержать, например, диоды, соединенные с конденсатором, пропускающие ток в одном направлении на конденсатор и не пропускающие в противоположном. И участки сверхпроводящей обмотки катушки, и расположенные рядом с ними проводящие участки стенок, образующие сопутствующие электрические цепи, описанные выше, могут быть расположены как вдоль направления распространения излучения в волноводе, так и поперек его. На стенках волновода могут устанавливаться отражающие дифракционные решетки, например, с элементами в виде клиньев, отражающие падающие излучение только под определенным углом. Участки сверхпроводящей обмотки могут располагаться на обеих противоположных стенках волновода.

На фиг. 7 изображена принципиальная схема создания реактивной тяги с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе 6, вид сбоку. Над магнитной катушкой 16 установлены соосные с ней сегментированные электроды 17, 18, выполненные в виде поверхностей фигур вращения, внутренний из которых установлен на выступе корпуса двигателя. Над ним установлен источник ионизирующего излучения 19, например, рентгеновского. Между электродами установлены модуляторы, совмещенные с СВЧ-излучателем 20, 21. С боков двигателя установлены пары коаксиальных электродов 22, 23. Между ними вдоль задней поверхности двигателя установлен источник ионизирующего излучения 24, например, электронов, и модулятор с СВЧ-излучателем 25. На фиг. 9 изображена принципиальная схема создания реактивной тяги за счет сбора находящегося впереди по курсу вещества внешней среды с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе. В носовой части двигателя установлены носовые источники ионизирующего излучения 26, 27, например, мощные источники жесткого рентгеновского излучения, создаваемого линейными ускорителями электронов с энергией ускоряемых частиц не менее 5 МэВ. Между ними установлен модулятор с СВЧ-излучателем 28, плоскость поляризации излучения которого на выходе модулятора перпендикулярна оси катушки магнитного поля. На фиг. 10 изображена принципиальная схема создания реактивной тяги за счет сбора вещества внешней среды вдоль оси магнитной катушки с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе. Модуляторы, совмещенные с излучателем СВЧ 29, 30, около его поверхности. На фиг. 11 изображена принципиальная схема создания реактивной тяги за счет ядерных взрывов на оси магнитной катушки с применением автоэлектронного модулятора в электроракетном двигателе. Модулятор, совмещенный с излучателем СВЧ 31, располагается со стороны предполагаемого осуществления взрыва на оси катушки внизу двигателя /в его нижней части/.

На фиг. 12 изображена принципиальная схема высоковольтного генератора с применением автоэлектронного модулятора. Модулятор, совмещенный с излучателем СВЧ 32, расположен около волновода 33 и выполнен с возможностью ввода внутрь него промодулированного излучения. По крайней мере одна из стенок волновода выполнена из проводящего материала и вдоль всей длины волновода электрически разделена диодами 34, 35, выполненными с возможностью пропускать электрический ток, текущий по стенке вдоль волновода, только в одном направлении и не пропускать в противоположном. К концам проводящей стенки, расположенным около входа излучения в волновод и около выхода, присоединен конденсатор 36 /если волновод выполнен замкнутым, то в одном месте стенка электрически размыкается, и конденсатор 36 присоединяется с двух сторон по отношению к точке размыкания/. На фиг. 12 изображен как раз такой случай замкнутого волновода, когда электрическое размыкание проводящей стенки осуществляется в точке расположения модулятора, в которой находится также точка входа излучения в волновод. Расстояние между стенками волновода и угол ввода излучения в волновод так согласованы с длиной волны, чтобы волна после выхода из модулятора и отражения от стенок падала на проводящую стенку постоянно в одной и той же фазе с заданным направлением вектора электрического поля волны вдоль волновода.

В лазерах модулятор располагается там же, где располагаются полупрозрачные зеркала или оптические затворы.

Автоэлектронный модулятор электромагнитного излучения работает следующим образом. Электромагнитное излучение испускается мощным СВЧ-излучателем 1 и вдоль оси распространения излучения поступает на модулятор 2, в котором оно сначала поступает на поляризатор 3, становится линейно поляризованным, а затем поступает в промежутки между рядами эмиссионных катодов 4, 5, 8, так, чтобы плоскость поляризации была перпендикулярна рядам эмиссионных катодов. Под действием электрического поля волны с их поверхностей начинается термоавтоэлектронная эмиссия при условии, что этот вектор направлен в ту же сторону, при которой он способствует вылету электронов с катодов. В этом случае электроны перекрывают эмиссионными токами промежутки между рядами катодов за время, много меньшее периода электромагнитной волны. Концентрация частиц в электронном облаке доводится до величины, при которой от него происходит полное отражение электромагнитной волны [5] l длина волны, м.

Во время испускания эмиссионных электронов возникает электрический ток, текущий в сторону поверхностей катодов со стороны соединенной с ними полоски 9 через электрически соединенные с ней катоды и промежуточный слой 6. Уединенные пластины 7, 10 накапливают избыточный положительный заряд, величина которого определяется их емкостью. Возникающие при этом электрическое поле направлено противоположно полю волны и препятствует вылету эмиссионных электронов. Это поле усиливается до тех пор, пока электроны, испущенные расположенным ниже ближайшим рядом эмиссионных катодов, не достигнут полоски. После этого накопленный избыточный положительный заряд пластины этими эмиссионными электронами частично компенсируется и наступает динамическое равновесие между зарядом, уносимым эмиссионными электронами с поверхностей катодов, и зарядом, приносимым на поверхность соединенной с ними в единую пластину полоски. За счет этого катоды получают возможность продолжать испускать эмиссионные электроны. Самый нижний ряд эмиссионных катодов нейтрализует накапливаемый на поверхностях катодов избыточный положительный заряд за счет тока, текущего через нижнюю обкладку внешнего конденсатора 12. Чтобы электронный эмиссионный ток протекал по замкнутому электрическому контуру между обкладками внешнего конденсатора 11, 12, между ними создают некоторую разность потенциалов. Электронный эмиссионный ток, текущий одновременно через все зазоры между рядами эмиссионных электродов между обкладками внешнего конденсатора, создает электронное облако, от которого электромагнитная волна отражается. В дальнейшем существует вероятность, не равная нулю, что волна после отражения направится обратно в излучатель СВЧ 1, провзаимодействует с ним, например, рассеется на свободных электронах, и вернется снова на модулятор. В этом случае появляется принципиальная возможность вернуть волну с фазой, измененной на полпериода, что позволяет надеяться на перспективу увеличения на 50% КПД модулятора. Полное отражение электромагнитной волны от электронного облака происходит также и в том случае, если облако имеет форму дифракционной решетки /примерно/, элементы которой совпадают с конфигурацией электронных токов, выходящих с острых концов катодов, входящих снизу в полоски, проходящие через пластины, а затем и через острые концы катодов снова, период элементов решетки меньше длины излучения, а толщина определяется условием экранировки магнитного поля волны текущими по ней токами [6] При этом толщина, при которой происходит полное отражение волны, за счет увеличения плотности электронных токов может быть достигнута существенно меньше длины волны излучения. Элементы такой решетки при этом параллельны плоскости поляризации волны.

Когда фаза электромагнитной волны противоположна, то есть вектор электрического поля волны препятствует вылету эмиссионных электронов с поверхностей катодов, волна свободно проходит через промежутки между рядами катодов, как проходит линейно поляризованная волна через дифракционную решетку, элементы которой перпендикулярны ее плоскости поляризации.

Достижению требуемого эффекта, при котором в течении одного и того же периода волны при одной фазе волна проходит через модулятор, а при другой - отражается и не проходит, способствует следующее. Во-первых, поверхности эмиссионных катодов обращены только к одной определенной обкладке внешнего конденсатора, а поверхности полосок, свободные от катодов, на которых катоды установлены к другой. За счет этого электрическое поле волны позволяет вылететь с поверхности катода при одной фазе эмиссионным электронам и ускоряет их по направлению к ближайшей полоске другой пластины, а при другой фазе направляет их снова обратно на ту же самую поверхность эмиссионного катода, с которой они вылетели за счет термоэлектронной эмиссии, в результате чего зазор между рядами эмиссионных катодов соседних пластин оказывается свободным от электронов. Во-вторых, поверхности эмиссионных катодов выполнены из материала с малой работой выхода, а полоски из материала с большой работой выхода. За счет этого эмиссионный ток с поверхности катода на несколько порядков превосходит по плотности аналогичный ток с поверхности полоски /хотя он пренебрежимо мал, но все же существует/. В-третьих, часть катодов имеет острия или выступающие полосы с заостренным краем. Это дополнительно увеличивает плотность эмиссионного тока с их поверхностей по сравнению с полосками, которые выполнены гладкими. В-четвертых, расстояние между рядами эмиссионных катодов ближайших уединенных пластин существенно меньше длины волны электромагнитного излучения, что позволяет электрону преодолеть под действием ускоряющего поля волны это расстояние за время, достаточно малое по сравнению с периодом волны.

В результате такой работы модулятора на его выходе волна имеет строго определенное направление вектора электрического поля, который в дальнейшем в этой точке изменяется только по амплитуде, но не по направлению. Аналогично, в любой определенной заранее точке на луче волны, на траектории ее распространения этот вектор также будет иметь направление, которое постоянно будет одним и тем же. Факт распространения такой волны представляет собой принципиально новое физическое явление, на базе которого возможно возникновение совершенно необычных эффектов. В частности, существует вероятность того, что волна вдоль всего луча будет иметь одно и то же направление этого вектора. Если это произойдет, то возникнут новые области применения модулятора, об одной из которых будет сказано ниже. Пока можно только уверенно гарантировать неизменность направления вектора электрического поля волны только для каждой отдельно взятой точки на луче, которое для различных точек может будет отличаться одно от другого, а может нет /это все, что может гарантировать достигнутый на сегодня уровень знания/. Не следует путать эффект с распространением не модулированной модулятором линейно поляризованной волны, для которой в любой точке луча вектор электрического поля меняет направление на 180^o в течение одного периода волны.

Промежуточный слой 6 в зависимости от материала, из которого он выполнен, работает по-разному. Если он выполнен из проводящего материала со скоростью испарения вещества меньше, чем у материала катода, а работа выхода меньше, чем у материала полоски, то его назначение электрически соединять материал плоского катода и полоску, обеспечивать подачу электронов от полоски к плоскому катоду 8, когда с его поверхности происходит эмиссия электронов, и обеспечивать механическую прочность конструкции и продолжение эмиссии электронов после того, как вещество катода во время работы испарения за счет высоких температур эксплуатации. В случае, если слой выполнен в виде выпрямляющей ток структуры, то он пропускает ток /электрон/ в направлении от полоски к катоду и не пропускает обратно. Это приводит к уменьшению времени между началом фазы волны с полем, вытягивающим, ускоряющим электроны с поверхности катода, и началом интенсивной эмиссии электронов с его поверхности, поскольку в этом случае электроны во время предыдущего периода волны после окончания эмиссии частично остаются на поверхности катода и не могут вернуться на полоску под действием поля, препятствующего их вылету /эмиссии/ с поверхности катода /иначе электроны образуют избыточный отрицательный заряд на поверхности полоски к началу ускоряющей фазы/. Выигрыш составляет как раз время движения их от полоски к катоду. Если слой выполнен из материала, уменьшающего контактные явления при протекании тока /электронов/ от полоски к катоду, то слой оптимизирует работу системы, способствует протеканию максимального тока при приложении ускоряющего поля волны в рабочем диапазоне его амплитуд /контактные явления возможны при соприкосновении материалов с различными работами выхода и различными энергиями Ферми, например, материалов полоски и катода/. Если промежуточный слой выполнен из диэлектрика, то плоский катод 8 оказывается электрически изолирован от полоски 9. Этот катод и полоска образуют конденсатор, причем катод 8 является его верхней обкладкой, а полоска 9 нижней. Находящийся между ними промежуточный слой выполняет функции промежуточного диэлектрика. Такая структура еще больше уменьшает время между началом фазы волны с ускоряющим электроны полем и началом их эмиссии с поверхности катода, чем в описанном выше случае со слоем в виде выпрямляющей ток структуры и, соответственно, еще больше увеличивает быстродействие. Это достигается тем, что после первого периода прошедшей модулятор волны электроны с поверхности катода 8 вылетят за счет эмиссии, а новых со стороны полоски не поступит, и в результате между полоской и катодом сохранится ускоряющее поле, амплитуда которого равна максимальной амплитуде поля волны в слое, достигаемой им в течение всего периода. Это поле будет постоянно вытягивать электроны через эмиссионные катоды, выполненные в виде острий или выступающих полос с заостренным краем 4, 5, электрически соединенных с полосками. Поэтому даже после окончания фазы волны с замедляющим электроны полем на этих катодах 4, 5, на их поверхностях, будут находиться избыточные электроны. Этот процесс является более сложным, состоит из многих взаимосогласованных процессов, но, в целом, смысл состоит именно в том, что поле между катодом и полоской постоянно вытягивает электроны от полоски к поверхности катодов 4, 5. Когда электроны накопятся на них, то поле между катодом 6 и полоской 7 уменьшается как за счет суперпозиции с ним полей, накопленных на катодах 4, 5 зарядов, так и за счет уменьшения заряда на нижней обкладке конденсатора /полоске/, откуда он перетек на заостренные катоды 4, 5. В конце фазы ускоряющего электроны поля, когда их эмиссия уже прекратилась, их полет /по инерции/ продолжается, и они достигают полоски. На ней накапливается отрицательный заряд, это дополнительно усиливает поле между обкладками конденсатора /катодом 6 и полоской 7/, усиливает поток электронов от полоски через электрически соединенные с ней катоды 4, 5 на их поверхности. Поле фазы волны, замедляющей электроны, заставляет электроны перетекать обратно с поверхностей катодов 4, 5 на полоску, но за счет суперпозиции с ним поля конденсатора этот процесс значительно ослаблен. Сразу же, как только замедляющее поле волны ослабнет /окончание фазы/, поле конденсатора превысит его и начнет перемещать электроны от полоски к поверхностям катодов 4, 5.

При включении модулятора термоавтоэлектронная эмиссия возникает не сразу, а спустя некоторое время после начала работы модулятора, после нагрева катодов излучением до необходимой температуры. При работе катодов с их поверхности происходит испарение вещества с малой работой выхода, которое обеспечивает эмиссию электронов. Это испарившееся вещество необходимо удалять из промежутков между катодами, иначе оно может осесть на поверхностях полосок, с которых после этого начнется термоавтоэлектронная эмиссия электронов, и работа модулятора ухудшится. Удаление ионов испарившегося вещества можно осуществить, либо продувая промежутки между рядами катодов газом с высоким напряжением пробоя, например, применяющимся в высоковольтных конденсаторах, либо поместив модулятор в скрещенные электрические и магнитные поля, в которых ионы испарившегося вещества будут дрейфовать и затем, выйдя из модулятора, будут поглощаться каким-либо пористым абсорбентом или направляться внутрь СВЧ-генератора, установленного в СВЧ-излучателе. Осаждение вещества с малой работой выхода на рабочих поверхностях его электродов только восполнит возможные аналогичные потери вещества с них за счет испарения. Испарившееся вещество с малой работой выхода внутри модулятора будет, практически, полностью ионизовано за счет электронных ударов. Электрическое поле для удаления испарившегося вещества из зазоров можно использовать то, которое создается между обкладками внешнего конденсатора, магнитное в этом случае параллельно рядам эмиссионных катодов. На выходе из модулятора электрическое поле можно изменить по направлению, сделав его параллельным распространению излучения, например, приложив напряжение к решетке поляризатора 3 и СВЧ-излучателю 1, направляя дрейф ионов на абсорбент. Нужное направление магнитного поля создается в устройстве для запитки энергией сверхпроводящих катушек, принципиальная схема которого изображена на фиг. 5.

Устройство для запитки энергией сверхпроводящих катушек работает следующим образом. Мощный СВЧ-излучатель 1 посылает электромагнитное излучение наклонно под углом на модулятор 2, который также наклонно направляет излучение на отражающую поверхность 13, являющуюся одной из стенок волновода 14, совпадающей со сверхпроводящей обмоткой 15 катушки. При этом модуляция производится так, что на сверхпроводящую обмотку 15 волна поступает с вектором электрического поля, параллельным ее поверхностям, направленным /в рассматриваемом варианте/ вдоль волновода. Волна отражается от поверхности обмотки, меняет фазу при отражении на p отражается от противоположной стенки волновода, снова меняет фазу на p и возвращается в той же фазе, с тем же направлением вектора электрического поля /по отношению к поверхности стенки/ на сверхпроводящую обмотку, снова отражается и так далее, проникая всякий раз в сверхпроводник на глубину скин-слоя и возбуждая в нем незатухающий ток, начинающий в нем циркулировать, направление которого совпадает с направлением электрического поля волны на поверхности. Оптическая длина пути, проходимая излучением между двумя отражениями, равна либо целому, либо полуцелому числу длин волн излучения. После прохода излучения по всему замкнутому волноводу, оно возвращается в ту же точку, с которой оно вводилось в волновод. Модулятор в это время должен находиться в фазе, когда он работает на отражение волны /если его выход расположен непосредственно на стенке волновода/. Если интенсивности пришедшей волны оказывается недостаточно, чтобы включить модулятор и заставить его работы на отражение, или если потери энергии волны на включение модулятора окажутся недопустимо велики, в основном, за счет уменьшения доли времени от периода волны, когда волна отражается, поскольку сказывается инерционность, запаздывание начала работы на отражение по отношению ко времени прихода на модулятор соответствующей фазы волны, то модулятор искусственно переводится в режим работы на отражение волны, уже запущенной в волновод, за счет подачи на обкладки внешнего конденсатора мощного импульса, создающего поля в полтора-два раза превышающие поле волны, соответствующего направления. Покажем, что обошедшая волновод волна возвращается к точке ввода именно в фазе "отражение". Волна прошла первый раз в волновод через модулятор, находясь в точке ввода в фазе "пропускание" модулятора. После отражения от сверхпроводящей обмотки 15 волна приходит на стенку волновода 14 в фазе "отражение", меняет фазу на p и уходит снова на обмотку 15, но уже в фазе "пропускание", то есть в той, в которой она вышла из модулятора. В итоге мы имеем, что вдоль всей поверхности стенки волновода 14 волна падает на нее в фазе "отражение", а уходит в фазе "пропускание", в том числе и в точке ввода излучения в волновод, что очень важно.

Запущенная таким образом в волновод волна циркулирует в нем до тех пор, пока ее энергия не перейдет в энергию циркулирующего по сверхпроводящей обмотке катушки незатухающего тока, индуцированного, вызванного, созданного этой волной.

Падение волны на противоположную стенку волновода 14 также индуцирует, создает на ней электрические токи, при этом после ухода цуга волны длительностью пол-периода токи будут течь в противоположном направлении, создавая паразитные, вредные для закачки энергии в катушку электромагнитные поля. Чтобы их устранить, нельзя позволить течь токам в обратном направлении. Для этого стенку волновода 14 следует выполнить в виде проводящих, электрически изолированных друг от друга участков с возможностью протекания тока только в одном, заранее определенном направлении. Этого эффекта можно достичь, например, соединяя участки диодами, выполненными с возможностью пропускать ток в заданном направлении и не пропускать в противоположном, участки соединяются в электрическую цепь с конденсатором, который заряжается при протекании тока через участки и диоды в заданном направлении. Запасенную таким образом в конденсаторе энергию в дальнейшем можно использовать, например, для подачи на обкладки внешнего конденсатора импульса, заставляющего работать модулятор на отражение. Участки можно также объединить в электрические цепи с внешним источником ЭДС, препятствующим токам течь в обратном направлении. В перечисленных выше электрических цепях ток на поверхности стенок волновода изменяется только в момент падения на стенку цуга электромагнитной волны, заставляющей носителей тока поверхностного слоя двигаться ускоренно и, соответственно, излучать отраженную электромагнитную волну обратно в волновод /переизлучать/. В другие моменты времени тока либо нет, как в случае с участками, электрически разделенными диодами и соединенными с конденсатором /тоже через аналогично выполненные диоды, расположенные вне стенки/, либо ток течет постоянный, как в случае с цепью, имеющей источник ЭДС. Достигнутое на сегодня быстродействие диодов порядка 1 нс позволяет создавать описанные выше цепи, успевающие за изменением фазы электромагнитного излучения с длиной волны порядка 1 м.

Наличие таких цепей не является обязательным, поскольку волна, падая на стенку, действует как источник ЭДС и создает токи, превосходящие "паразитные" обратные, причем с приходом каждого последующего цуга волны это различие увеличивается. После того, как волна заполнит весь волновод, влияние обратных токов и создаваемых ими вредных, паразитных электромагнитных волн становится пренебрежимо мало. Такие цепи для оптимизации работы системы могут устанавливаться и поперек стенок волновода и на его "узких" стенках. Их назначение устранять "обратные" токи, создающие паразитные электромагнитные поля, препятствующие запитке энергии в катушку.

На стенке волновода 14 могут устанавливаться дополнительные модуляторы, соединенные с дополнительным волноводом. Их назначение значение в следующем. Когда волна обходит волновод, то вследствие расходимости могут появляться моды излучения, угол падения которых на поверхность стенок отличается от заданного. Время прихода волны в "нужной" фазе на дополнительный модулятор из-за различия в длине оптического пути отличается от времени прихода волны в "другой" фазе, несовпадающей с "нужной". Волна в "нужной" фазе приходит на модулятор и заставляет его работать на "отражение". Отражаясь от модулятора, волна возвращается в волновод. Волна в "другой" фазе приходит так, что модулятор работает на "пропускание", и сквозь него проходит в другой дополнительный волновод. Таким образом происходит отфильтровывание от волны с нужной фазой мод с другими фазами, после которой внутри волновода распространяется, по крайней мере, на некоторое расстояние только волна с "нужной" фазой, направление вектора электрического поля которой во время падения волны на стенку волновода с участком сверхпроводящей обмотки параллельно ее поверхности и наиболее благоприятно для запитки катушки энергией. В другом, дополнительном волноводе энергия волны "другой" фазы, неблагоприятной для запитки энергией катушки, либо как-то преобразуется с целью дальнейшего использования, либо запитывается другой участок сверхпроводящей обмотки катушки, для которого направление электрического поля этой "другой" фазы волны уже становится благоприятным для запитки катушки, либо направляется обратно в источник электромагнитного излучения, где рассеивается на электронах и снова переизлучается в волновод, либо изменяет при движении в дополнительном волноводе фазу и направляется в волновод непосредственно через модулятор, но уже в нужной фазе.

Дифракционные решетки могут устанавливаться в волноводе напротив точки ввода излучения в волновод так, чтобы излучение поступало на нее перпендикулярно стенкам волновода. Отраженное от дифракционной решетки излучение поступает под заданным углом на другие стенки волновода так, чтобы поступать на участки сверхпроводящей обмотки в фазе с заданным направлением вектора электрического поля волны. Такая компановка дает ощутимый выигрыш в уменьшении размеров системы, связанном с перпендикулярным падением излучения на стенку волновода в точке ввода по сравнению с наклонным, обусловленным расположением антенны излучателя электромагнитных волн /СВЧ-излучателя/. Дифракционные решетки могут располагаться вдоль стенок волновода на траектории распространения луча излучения и селективно отражать под заданным углом падающее на них излучение. Одна из стенок волновода может состоять из отдельных, расположенных периодически участков, отражающих электромагнитное излучение под заданным углом, и участков, также расположенных периодически, излучение не отражающих. Отражающие участки могут быть выполнены либо проводящими, либо в виде дифракционных решеток, упомянутых выше. Не отражающие участки могут либо пропускать излучение в дополнительный волновод /через дополнительный модулятор или без него/, описанный выше, либо поглощать. Такое исполнение позволит направлять на одну из стенок волновода /вдоль которой намечается располагать участок сверхпроводящей обмотки/ излучение только под заданным углом и отсекать моды, падающие под другими углами. /Периодические отражающие структуры располагаются вдоль противоположной стенки/. Падение излучения на участок сверхпроводящей обмотки под заданным углом позволяет задавать рассчитанное заранее направление вектора электрического поля волны в точках падения.

Стенки волновода могут быть выполнены сверхпроводящими, электрически изолированными от участков сверхпроводящей обмотки катушки.

В случае, если промодулированное излучение будет обладать эффектом, неизвестным заранее, распространения волны с вектором электрического поля вдоль всего луча направленного в одну сторону, то запитывание энергией катушки будет происходить более эффективно, поскольку отпадает потребность тщательно рассчитывать и подгонять углы ввода излучения в волновод, проводить их корреляцию с длиной волны и параметрами волновода вследствие того, что достаточно будет только задать направление вектора электрического поля волны вдоль волновода в точке ввода излучения в волновод и направить излучение под углом к его стенкам, причем угол в данном случае может меняться в очень широких пределах, поскольку направление вектора электрического поля волны в точках падения вдоль всей длины волновода будет благоприятным для запитки энергией катушки. /Если отраженная от стенки волновода волна будет обладать таким же эффектом, что пока неизвестно./.

Другие стенки волновода при условии, что волна постоянно падает на них с одинаковым направлением вектора электрического поля, также могут быть выполнены в виде участка сверхпроводящей обмотки катушки, запитываемой энергией. Для запитки энергией катушек также могут использоваться различные конфигурации электромагнитных волн, распространяющихся в волноводе и образующих в нем стоячую волну. Волна задается с такими параметрами, чтобы в местах расположения обмотки запитываемой катушки находилась область пучности, а направление электрического поля волны было параллельно поверхности обмотки и направлено вдоль создаваемого волной электрического тока /сонаправлено с вектором плотности тока/. На фиг. 6 изображен частный случай расположения сверхпроводящей обмотки 15 катушки посередине волновода 14 в пучности волны конфигурации TE₁₀ в виде штыря, проходящего волновод насквозь. Электрического поле стоячей волны направлено параллельно поверхности штыри и создает в нем поверхностные токи, запитывающие катушку.

Таким способом можно запитывать сверхпроводящие катушки энергией, не переводя в нормальное состояние участок, через который идет запитка через токовводы [7] запитывая энергией /током/ непосредственно сверхпроводящую обмотку в сверхпроводящем состоянии. Предполагается, что этот способ запитки позволит увеличить плотность тока в соленоидах на порядок-полтора, доведя его до критических плотностей тока в коротких образцах, помещенных в магнитное поле, численно равное полям, создаваемым в витках с током, запитываемых таким способом соленоидов, при этом величина запитываемой энергии и отношение ее к весу соленоидов возрастает на 2-3 порядка, что делает особенно полезным их применение в космических кораблях с электроракетными двигателя, ускоряемых за счет их энергии ионизованным газом атмосферы. Устройство позволит достичь удельного содержания энергии на вес корабля порядка 10⁹ Дж/кг уже при весе обмотки около одной тонны, что даст возможность ускорять, как минимум, до третьей космической скорости космические корабли с начальным взлетом весом около 20 т.

Модуляторы, совмещенные с СВЧ-излучателями, используемые для запитки энергией сверхпроводящих катушек космических кораблей, ускоряемых за счет этой энергии, могут после запитки использоваться для создания тяги. На фиг. 7 и фиг. 8 представлен один из возможных вариантов создания тяги с применением модулятора в электроракетном двигателе. Большой плоский соленоид магнитная катушка 16 создает магнитное поле вокруг двигателя, в том числе и в зазоре между сегментированными электродами 17, 18. Газ атмосферы над зазором ионизируется источником ионизирующего /рентгеновского/ излучения 19 так, что область ионизированного газа атмосферы образует кольцо, соосное с магнитной катушкой, поверхность которого примерно перпендикулярна ее магнитным силовым линиям. Нижняя часть электрода 18 /внутреннего/ сделана с возможностью пропускать через себя линейно поляризованное, промодулированное излучение, испускаемое модулятором с СВЧ-излучателем 20, например, электрод выполнен в виде кольцевых, соосных катушке, параллельных проводящих полосок. Излучение модулятора и СВЧ-излучателя 20 вводится внутрь плазменного волновода, образованного ионизированным газом атмосферы и проводящими элементами двигателя, находящимися на таком же расстоянии от кольца ионизированного газа атмосферы, что и модулятор с излучателем СВЧ, и параллельными кольцу /нижний его поверхности/. Излучение направляется под углом на поверхность плазменного кольца из ионизированного газа атмосферы так, что вектор электрического поля волны параллелен поверхности кольца и лежит в плоскости, в которой лежит ось катушки. Излучение, отразившись от кольца и от двигателя, снова в той же фазе, с тем же направлением вектора электрического поля волны несколько раз возвращается на плазменное кольцо и вызывает в нем токи, текущие между электродами 17, 18, замыкающиеся в единый электрический контур с обмоткой катушки. Эти токи перпендикулярны магнитным силовым линиям, и на них со стороны магнитного поля катушки воздействует сила Ампера, приводящая их во вращение вокруг оси катушки так, что во вращение в одном направлении вовлекаются массы газа атмосферы, лежащие по одну сторону от плоскости симметрии двигателя. Затем симметричный этому модулятору с СВЧ-излучателем аналогичный элемент 21 направляет излучение на кольцо плазмы по другую сторону от плоскости симметрии двигателя так, что вектор электрического поля волны на кольце и вызываемые ими токи направлены в противоположную сторону, и вызываемое ими вращение газа атмосферы по другую сторону от плоскости симметрии двигателя направлено в противоположном направлении. Импульсы излучения обоих симметричных модуляторов с излучателями СВЧ происходят в несовпадающие промежутки времени, по очереди: сначала плазму кольца приводит во вращение один элемент, затем другой /иначе около плоскости симметрии двигателя произойдет перекрытие полей и они взаимно компенсируются/. Вращающиеся в противоположных направлениях массы газа сталкиваются сзади двигателя около плоскости симметрии и создают тягу. Длительность импульса излучения пренебрежимо мала по сравнению со временем полуоборота масс газа вокруг оси катушки. Импульс излучения обеспечивает электрический стримерный пробой газа, его электрическое сопротивление падает, вспыхивает электрическая дуга поперек кольца, ток с обмотки сверхпроводящей катушки коммутирует через электроды на кольцо и, работая в режиме генератора тока, вращает за счет силы Ампера кольцо, пока оно не пройдет пол-оборота вокруг оси, затем все повторяется для второй половины кольца, в том числе и коммутация на него тока сверхпроводящей обмотки. Частота повторения таких циклов порядка 200 Гц, может быть больше, может быть меньше в зависимости от скорости двигателя в атмосфере. Она определяется тем, успеет ли затечь в зазоры необходимое для создания требуемой тяги количество газа атмосферы или нет.

Коммутатор, посредством которого выводится электрический ток со сверхпроводящей обмотки, содержит мощный магнит, который концентрирует и усиливает поле катушки на участке обмотки, сверхпроводимость на нем нарушается, и ток течет по нормальным проводникам в обход обмотки, где его можно коммутировать известными устройствами, например, жидкометаллическим коммутатором или коммутатором с ионизированным газом. Магнит, нарушающий сверхпроводимость, создавая поле выше критического, содержит два ферромагнитных стержня с остриями, которые подводятся к обмотке и усиливают на ней поле.

Две пары коаксиальных электродов 22, 23 ионизируют и ускоряют натекающий в межэлектродные зазоры газ атмосферы, который, вытекая из них, образует параллельные плазменные шнуры, между которыми источник ионизирующего излучения 24 ионизирует газ атмосферы в виде полоски плазмы /плазменной перемычки/ вдоль задней поверхности двигателя. Излучение совмещенных модулятора и излучателя СВЧ 2 направляется под углом к плазменной перемычке так, что в месте падения на нее волны вектор электрического поля волны был параллелен ее поверхности и перпендикулярен магнитному полю катушки. Излучение отражается от плазменной перемычки, направляется на проводящую поверхность двигателя, которая отражает его и снова направляет на плазменную перемычку так, чтобы волна пришла на плазменную перемычку в той же фазе и с тем же направлением вектора электрического поля, что и в первый раз. Отражения повторяются до тех пор, пока излучение не дойдет до противоположной пары коаксиальных электродов. Электрические поля волны на плазменной перемычке совместно с ионизирующим излучением /потоком электронов/ вызывают стримерный пробой газа атмосферы и электрический ток, текущий вдоль плазменной перемычки от одной пары коаксиальных электродов до другой пары коаксиальных электродов со стороны магнитного поля катушки силой Ампера вместе с плазменной перемычкой, создавая тягу. Одновременно вдоль двух плазменных шнуров может ускоряться несколько плазменных перемычек /по очереди/. При ускорении газа атмосферы каждой парой коаксиальных электродов и плазменными перемычками текущий через перемычку ток может составлять единую электрическую цепь с током обмотки /на время ускорения/, а после окончания ускорения ток, текущий через обмотку, перекоммутируется на другие элементы двигателя.

Поскольку электромагнитное излучение обладает расходимостью и существенно поглощается в плазменном волноводе, то нарисованная картина многократного отражения волны от стенок плазменного волновода, при которых возможно более-менее точно гарантировать заданное направление вектора электрического поля волны на них, по всей видимости, является очень идеализированной. Скорее всего, речь может идти всего о нескольких таких отражениях, например, двух-трех, поэтому на каждый плазменный волновод надо будет ставить несколько совмещенных модуляторов с излучателями СВЧ, посылающих свои импульсы согласованно друг с другом, например, по цепочке, как импульс первого излучателя доходит до второго совмещенного модулятора с излучателем СВЧ, тот посылает свой импульс, и так далее.

В электроракетном двигателе вокруг магнитной катушки может быть установлено тонкое кольцо или передний сегмент кольца с двумя кольцевыми или выполненными в виде передних сегментов кольца соосными сегментированными электродами. Модулятор также может приводить газ атмосферы во вращение над ними в разные стороны попеременно, передавая излучение по образованному над ними плазменному волноводу и создавая тягу, в принципе, аналогично тому случаю, который был рассмотрен выше, поэтому электроды на схемах не обозначены и этот случай не рассмотрен.

Параметры плазменных волноводов и угол падения на их стенки излучения следует выбирать такими, чтобы цуги импульса волны падали на плазменную поверхность одновременно с благоприятным направлением вектора электрического поля. Возможен другой вариант, когда цуги падают в виде бегущей волны синхронно, с той же скоростью, что и перемещаются по волноводу носители тока /по поверхности/ под действием поля волны. Нельзя допустить, чтобы возникали участки на поверхности волновода, куда пришли носители заряда, но нет поля волны, которое дальше их ускоряет, иначе начнется электрический ток в обратную сторону. Чтобы этого не произошло, можно устанавливать на волновод дополнительные совмещенные модуляторы с излучателями СВЧ, чтобы гарантировать нужное электрическое поле на его поверхности из плазмы. Если поля будут перекрываться, то это не страшно, поскольку они направлены в одну сторону.

На фиг. 9, 10, 11 изображены принципиальные схемы создания реактивной тяги двигателем, которые следует принимать во внимание только в том случае, если промодулированное модулятором электромагнитное излучение будет иметь цуги, вектор электрического поля которых не меняет своего направления по мере удаления от модулятора. Ранее мы работали с излучением, для которого гарантировалось заданное направление этого вектора в конкретной точке /участке поверхности/, которое по мере дальнейшего распространения волны через полпериода, как обычно, переворачивалось на обратное, еще через полпериода снова и так далее, как для обычной волны. Носовые источники ионизирующего излучения 26, 27 ионизируют натекающий поток среды /газа атмосферы/, на который затем воздействуют поляризованное перпендикулярно силовым линиям магнитного поля катушки излучение совмещенного модулятора с излучателем СВЧ 28. В скрещенных электрическом поле электромагнитной волны и магнитном поле катушки плазма начинает совершать электрический дрейф по направлению к двигателю, создавая тягу. Особенно эффективно этот способ работает при ускорении в ионосферах планет и в межпланетном пространстве космической плазмы. Приблизившись к двигателю, плазма ускоряется, как описано выше или как описано для электроракетных двигателей [2, 3] Таким способом космическую плазму можно собирать с очень большого объема межпланетного пространства порядка десятков или даже сотен кубических километров, в зависимости от магнитного момента катушки и от мощности излучателя. В другом случае модуляторы с излучателями СВЧ 29, 30 направляют излучение вверх и вниз от двигателя и приводят во вращение плазму среды вдоль оси магнитной катушки в скрещенных ее магнитном поле и электрическом поле волны. В скрещенных полях плазма совершает электрический дрейф в определенном направлении, создавая тягу. В третьем случае излучение модулятора и СВЧ-излучателя 31 направляется вниз от двигателя в сторону ядерного взрыва и воздействует на его плазму, распространяющуюся по направлению к двигателю, электрическим полем волны, перпендикулярным магнитному полю катушки. Плазма в скрещенных полях совершает электрический дрейф перпендикулярно оси катушки и либо покидает магнитную ловушку катушки в этом направлении, создавая один из компонентов тяги, либо захватывается в магнитную ловушку, дрейфует к противоположной магнитной пробке вверху от двигателя, где на нее воздействует аналогичное излучение модулятора с излучателем СВЧ 30 с вектором электрического поля, перпендикулярным магнитному полю катушки, приводящим плазму в дрейфовое движение в том же направлении, что опять либо создает один из компонентов тяги, либо возвращает плазму в магнитную ловушку катушки, и она затем ускоряется внизу от двигателя коаксиальными электродами, соосными катушке [2] /не показаны/.

Сказанное в предыдущем абзаце относится только к тому случаю, если промодулированное модулятором излучение будет обладать совершенно новым физическим свойством. Это свойство учтено только для вышеперечисленных трех примеров и примеров этого абзаца, но остальные примеры применения модулятора останутся работоспособными как с учетом этого явления, так и без него. Это новое свойство излучения может быть применено также для запирания пробок магнитных катушек. Излучение направляется со стороны пробок в ловушки и увеличивает компоненты скоростей частиц, перпендикулярных магнитному полю, что препятствует уходу частиц в конус потерь. Новое свойство излучения может быть применено в приемниках излучения, предварительно промодулированного модулятором, представляющих собой проводящие дифракционные решетки, на элементах которых /проводящих полосках/ установлены измерители электрического тока, текущего по ним под действием излучения, например, гальваномеры. Это даст возможность регистрировать сверхслабые сигналы излучения, ранее непосильные измерительной технике, поскольку полоски решеток могут быть выполнены сверхпроводящими, а влияние шумов убирается статистической обработкой информации, полученной от измерителей тока, что будет полезным для космической техники передачи информации. Это свойство может быть использовано для передачи энергии с помощью промодулированного излучения. Приемники излучения и в этом случае будут выполнены в виде аналогичной дифракционной решетки, полоски которой параллельны плоскости поляризации падающего излучения, на которых установлены сопротивления, с которых можно снимать разность потенциалов, возникающую при прохождении по ним тока, индуцированного излучением.

Модулятор может быть использован для создания высокого напряжения, которое затем может быть использовано в ускорительной технике, в частности, для высоковольтного ускорителя электронов, а также для электроракетных двигателей. Принципиальная схема высоковольтного генератора с применением модулятора изображена на фиг. 12. Модулятор с излучателем СВЧ 32 направляют промодулированное излучение внутрь замкнутого волновода 33 под углом на проводящие стенки так, чтобы излучение упало на стенку так, чтобы его вектор электрического поля был параллелен ее поверхности, а параметры волновода согласованы с углом падения и длиной волны излучения так, чтобы после отражения от противоположной стенки излучение вернулось на первую стенку в той же фазе и с тем же направлением вектора электрического поля, что и в первый раз. Излучение индуцирует на поверхности стенки и электрические токи, направленные в определенную сторону, которые переносят электрический заряд, и создают противоположно-направленные электрические поля. Чтобы электрический ток не потек в противоположном направлении после прохождения цуга волны, стенка разделена диодами полосками 34, 35, позволяющими электрическому току течь только в одном направлении. Полоски-диоды могут быть выполнены в виде соответствующим образом легированных полупроводников, образующих p-n-переход. За счет протекания токов только в одном направлении вдоль стенки между ее удаленными концами возникает существенная разность потенциалов, которая одновременно возникает и на обкладках конденсатора 36, электрически соединенных с ними. Величина этого напряжения численно примерно равно произведению среднего электрического поля волны на стенках волновода на длину той стенки, с концов которой оно снимается. При напряженности поля волны порядка 10⁶ В/м, характерной для потоков излучения метрового диапазона мощностью порядка 10¹⁰ Вт, и длине волновода около 20 м /кольцо радиусом около 3,5 м развивается напряжение около 20 МВт. При длине волновода около 100 м /кольцо радиусом 15 м/ и напряженности поля волны 2,75·10⁶ В/м, соответствующих плотности потока энергии электромагнитного излучения излучателя мощностью 10¹¹ Вт, на выходе параболической антенны с апертурой площадью 10 м² развивается напряжение около 280 МВ. Это напряжение в три раза превышает требуемое напряжение для пробоя воздуха для образования плазменной перемычки длиной 30 м между парами коаксиальных электродов в электроракетном двигателе [2] по которой пропускается ток и ускоряет ее силой Ампера, действующей со стороны магнитного поля катушки. Такие высоковольтные генераторы могут быть использованы в электроракетных двигателях [2, 3] ускоряющих ионизированный газ атмосферы для получения напряжений между удаленными электродами, между которыми надо создавать пробой газа атмосферы электрическими полями, превышающими поле пробоя. Полезный эффект при их использовании заключается в существенном выигрыше в массе, поскольку традиционные высоковольтные генераторы весьма громоздки и массивны, к тому же основная масса в применяемом СВЧ-генераторе для излучателя с модулятором приходится на магнит, роль которого в случае электроракетного двигателя играет заложенная в конструкцию двигателя сверхпроводящая катушка с ферромагнитными накладками, выравнивающими магнитное поле, которая, так или иначе, независимо от излучателя уже есть. Поэтому основная масса, требуемая на установку высоковольтного генератора, придется на стенки волновода, которые по сравнению с традиционными высоковольтными генераторами /генератор Ван-дер-Граафа не подходит из-за требования быстродействия/ весят во много раз меньше. Высоковольтный генератор может быть использован в ускорительной технике в качестве источника высокого напряжения для линейных ускорителей электронов и ионов. Волновод, сделанный радиусом полтора километра, позволит развивать фантастические напряжения около 28 ГВ /28 миллиардов вольт/, что позволит догнать и перегнать по энергии ускоряемых элементарных частиц большинство не только линейных, но и циклических ускорителей в мире. Волновод радиусом 60 км позволит развивать напряжения свыше 1000 ГВ, что позволит разгонять на линейных ускорителях элементарные частицы, например, ионы, электроны и протоны до рекордных энергий свыше 1000 ГВ. Таких ускорителей, которые могут разогнать элементарные частицы до таких энергий, на сегодняшний день нет и в ближайшей перспективе строительство их не планируется. Схема ускорителя элементарно проста: с высоковольтного генератора поэтапно, через несколько последовательных диодов-полосок со стенок выводится напряжение на электроды линейного ускорителя, создавая между ними, в зазорах перепад потенциалов, причем длина ускорителя в конечном итоге определяется требованием электрической прочности применяемых материалов, полями пробоя и устойчивости к автоэлектронной и автоионной эмиссиям. При напряженности поля пробоя материала порядка 10⁶ В/см возможна длина такого ускорителя порядка 10-12 км, причем вес всей конструкции, включая высоковольтный генератор, будет немного меньше веса любого циклического ускорителя, разгоняющего частицы до энергии 10 ГэВ. Длинные замкнутые волноводы потребуют установки на своей длине нескольких модуляторов с излучателями СВЧ вследствие расходимости излучения и ухода большого количества энергии волны из нужной фазы. Это замечание относится и к относительно коротким волноводам для электроракетных двигателей, для которых волноводы могут идти вдоль внешней боковой поверхности магнитной катушки вокруг нее. Внутренняя стенка может использоваться для запитки катушки энергией. Волноводы для высоковольтных генераторов могут быть не только замкнутыми, но и выполненными в виде спирали, нескольких спиралей или торов, поставленных один на другой, и так далее. Это позволит значительно уменьшить линейные размеры конструкции. При длинных волноводах имеет смысл переходить на более длинноволновое излучение. Такие ускорители с высоковольтными генераторами, использующие модулятор, могут составить основную массу источников ионизирующего излучения и ускорителей, применяемых в электроракетных двигателях для ионизации газа атмосферы и создания нужного распределения полей, поскольку они, в конечном счете, окажутся намного легче и дадут существенный выигрыш в массе всей конструкции по сравнению с используемой традиционной ускорительной техникой. Модулятор может использоваться в линейных и циклических ускорителях, ускоряющих частицы микроволновым излучением, синхронизированным по фазе с прохождением его через сгусток ускоряемых частиц. Промодулированное модулятором излучение может направляться на линию, вдоль которой ускоряются частицы, так, что оно постоянно на этой линии будет находиться в благоприятной ускоряющей фазе /конечно, исключая те моменты времени, когда оно отсутствует, не подается излучателем/. Синхронизацию излучения по фазе вдоль ускорительного тракта можно осуществить аналогично предыдущим примерам, направив излучение в волновод так, чтобы нужное направление вектора электрического поля волны приходилось на линию, вдоль которой ускоряются частицы с соответствующим подбором длины волны излучения и параметров волновода. Это позволит увеличить количество частиц, ускоряемых одновременно в ускорителе за один цикл. Для облегчения веса конструкций во всех рассмотренных выше примерах волновод можно делать не цельным, а состоящим из проводящих решеток /решетчатым/, период которых много меньше длины волны излучения, элементы которых преимущественно лежат в одной плоскости с желательным, идеализированным /без учета расходимости/ направлением распространения излучения параллельно вектору электрического поля волны в точках ее падения на стенку.

Модулятор может быть использован в качестве полупрозрачного зеркала и высоковольтного затвора типа оптического, субмиллиметровых и более длинноволновых молекулярных лазеров и лазеров на свободных электронах. В этом случае модуляция излучения происходит не за счет поля электромагнитной волны, а за счет электрического поля, прикладываемого к обкладкам внешнего конденсатора, которое, как правило, превышает электрическое поле волны. В зависимости от плотности электронного эмиссионного тока, вызываемого за счет термоавтоэлектронной эмиссии под действием приложенного электрического поля между обкладками внешнего конденсатора, концентрация электронов в электронном облаке, образованном ими, может отражать электромагнитное излучение либо полностью, либо частично, причем коэффициент прохождения излучения плавно меняется в зависимости от плотности тока, зависящего от напряженности приложенного электрического поля. В первом случае модулятор работает как затвор типа оптического, причем с очень резким фронтом, который, по желанию, может плавно меняться, становясь либо крутым, резким, либо плавным, пологим, во втором как полупрозрачное зеркало резонатора лазера, которое может плавно менять, по желанию, коэффициент прохождения излучения. В первом случае модулятор используется аналогично электрооптическим модуляторам с ячейками Керра или Поккельса в лазерах, работающих в режимах модуляции добротности или синхронизации мод, и устанавливается аналогично. Во втором случае модулятор устанавливается там же, где в резонаторе лазера стоит полупрозрачное зеркало.

В заключении, на основании всего вышесказанного следует подчеркнуть, что модулятор является универсальным прибором, который может найти применение во многих областях науки и техники в качестве составного незаменимого элемента качественно новых устройств, решающих различные задачи, которые ране /без модулятора/ не могли быть решены.

Расчеты, подтверждающие работоспособность автоэлектронного модулятора электромагнитного излучения.

Расчеты, подтверждающие работоспособность модулятора, проводились по четырем параметрам: 1. Электроны успевают пройти промежуток, отделяющий один ряд эмиссионных катодов от другого, за время, много меньше периода волны, под действием ее электрического поля.

2. Концентрация электронов, вылетающих за счет термоавтоэлектронной эмиссии с поверхности катодов в промежутке между их рядами, не меньше критической величины, определяемой уравнением (1), обеспечивающей полное отражение волны от электронного облака.

3. Конденсаторы в состоянии накопить заряд, превышающий тот, который испускается с поверхностей эмиссионных катодов за тот промежуток времени, пока поток эмиссионного электронного тока под действием поля волны не перекроет промежуток от нижележащего ряда эмиссионных катодов до ближайшего вышележащего ряда.

4. Плотность электронного эмиссионного тока, при котором выполняется соотношение (1), и напряжение, развиваемое полем электромагнитной волны в промежутке между ближайшими рядами эмиссионных катодов, удовлетворяют закону трех вторых.

Расчеты проводятся для электромагнитного излучателя мощностью 10¹¹ Вт с длиной волны 1 м, излучающего в раструб параболической антенны с площадью апертуры 10 м².

1.1. Период волны равен 3,33·10^-9 с.

1.2. Напряженность электрического поля электромагнитной волны с данной плотностью мощности излучения дается выражением [1] P плотность потока мощности излучения на единицу площади.

1.3. Скорость, развиваемая электроном при ускорении электрическим полем волны E₀ в промежутке между рядами эмиссионных катодов: W ускорение электрона в электрическом поле волны, L длина промежутка между рядами эмиссионных катодов, 30 мкм, l заряд электрона,
m масса электрона.

1.4. Время, за которое электрон под действием ускоряющего поля электромагнитной волны E₀ пролетит промежуток между рядами эмиссионных катодов 30 мкм.

1.5 Время, за которое электрон пролетит тот же промежуток под действием поля, в 100 раз более слабого, равно 1,11·10^-10 с, что более, чем в 3 раза превышает период волны, развиваемая им скорость при этом в конце промежутка составит 5,39·10⁵ м/с.

1.6. Произведение кинетической энергии электрона в конце промежутка на время его преодоления и в первом случае и во втором случае более, чем на 6 порядков и более, чем на четыре порядка, соответственно, превышают половину постоянной Планка, и поэтому неопределенность этого произведения, определяемая квантовыми эффектами /принципом Паули/, пренебрежимо мала. Движение электрона определяется законами классической электродинамики, а не квантовой механики.

В модуляторе используется L-катод, металлопористый, вольфрамово-бариевый термокатод, дающий при температуре поверхности 1400 К, плотность эмиссионного тока 10 А/см² и имеющий срок службы при такой работе 4300 ч [4]
2.1. Плотность частиц, образующих ток данной плотности, дается выражением:

j плотность эмиссионного тока,
<v> средняя скорость электронов в промежутке между рядами катодов, усредненная по длине промежутка и по напряженности поля волны в зависимости от ее фазы.

Критерий отражения волны от электронного облака, налагаемый соотношением (1), как мы видим, выполняется для наибольшей скорости электронов, развиваемой ими в конце промежутка в фазе волны с наибольшей напряженностью поля, а значит для меньших скоростей он выполняется еще с большим запасом. /Для длины волны 1 м критическая концентрация электронов 10¹¹ см^-3/.

3.1. Заряд, накапливаемый плоским конденсатором, равен:

ε,ε_o диэлектрические проницаемости промежуточного диэлектрика и вакуума, соответственно.

S₁ площадь обкладок конденсатора,
d₁ расстояние между обкладками конденсатора.

3.2. Заряд уносимый за промежуток времени эмиссионным током, равен:
q₂=jS₂t,
где
S₂ площадь поверхности, с которой течет эмиссионный ток, примерно равная площадь обкладок конденсатора /S₁ S₂/.

t промежуток времени, в течение которого течет эмиссионный ток.

3.3. Конденсатор обеспечивает работу эмиссионного катода при условии, что накопленный им заряд превышает заряд, уносимый с его поверхности эмиссионным электронным током за промежуток времени q₁>q₂
3.4. Подставляя в выражение (8) соотношения (6) и (7), получаем:
S₁εε_oE ≥ tjS₂ (9)
откуда получаем соотношение для промежутка времени, в течение которого эмиссионный ток может уносить электроны с поверхности эмиссионного катода:

Подставляя в это соотношение значение диэлектрической проницаемости 1 и напряженность поля в 100 раз меньшую максимальной напряженности поля волны E₀, получаем, что этот промежуток времени равен 2,43·10^-8 с, что на два порядка превышает время, требующееся электрону, ускоряемому этим более слабым полем, для того, чтобы преодолеть промежуток между рядами эмиссионных катодов. Отсюда следует вывод, что в интервале полей от 0,01 E_о до E_о и при рассматриваемой плотности эмиссионного тока конденсаторы обеспечат требуемое быстродействие модулятора практически при любом значении диэлектрической проницаемости промежуточного диэлектрика. Плотность тока может быть увеличена до 1000 А/см².

4.1. Электронный ток в зазоре данной толщины изменяется в зависимости от приложенного к зазору напряжения в соответствии с законом "трех вторых" [7]

где d=L расстояние между рядами эмиссионных катодов,
U напряжение между рядами эмиссионных катодов, развиваемое электрическим полем волны.

Электронный эмиссионный ток для наибольшей напряженности поля волны 2,75·10⁴ в/см ограничен величиной 194 А/см², для поля в 4 раза более слабого ограничен величиной 24,2 А/см². Более 80 времени нахождения волны в фазе, способствующей вылету эмиссионных электронов, закон "трех вторых" способствует истеканию тока плотностью более 10 А/см².

Дополнительные расчеты.

5. Увеличение плотности эмиссионного тока при приложении поля.

5.1. Плотность термоавтоэлектронного эмиссионного тока равна [8]

где E напряженность электрического поля,
T температура,
k постоянная Больцмана,
A эмиссионная постоянная,
ϕ работа выхода материала катода.

Известно, что для рекомендуемого вольфрамово-бариевого термокатода при 1400 К термоэмиссионный ток 10 А/см². Экспоненциальный вклад электрического поля, равного 2,75·10⁴ в/см, увеличивает плотность тока, в соответствии с выражением (12), до величины 17 А/см².

6. Тепловой баланс нагрева модулятора излучением и его радиационного охлаждения тепловым излучением.

6.1. Мощность радиационного охлаждения поверхности модулятора, нагретого до температуры 1400 К, при излучательной способности материала катодов и полосок, на которых они крепятся /нижних обкладок конденсаторов/, примерно 0,5, равна 1,09·10⁵ Вт/м², определяется по формуле:
P = ε_тσT⁴, где (13)
σ постоянная Стефана-Больцмана,
e_т излучательная способность материала.

6.2. Мощность нагрева модулятора падающим на него электромагнитным излучением с мощностью потока излучения 10¹⁰ Вт/м², излучаемого импульсами длительностью 50 нс с частотой повторения 200 Гц, равна 10⁵ Вт/м. Вывод: возможно радиационное охлаждение модулятора, выполняемое автоматически во время его работы. Поскольку часть излучения отражается от модулятора, часть через него проходит, то в тепло переходит не вся энергия волны, и достаточное радиационное охлаждение может осуществляться и при меньшей излучательной способности, например, около 0,2.

7. Долговечность катодов.

Рекомендуемый вольфрамово-бариевый термокатод имеет при количестве оксида бария на поверхности 30 мг/см² срок службы 4300 ч. На используемых катодах нанесено около 1 мг/см². Следовало ожидать, что срок службы у них уменьшится пропорционально отношению количества BaO на поверхностях и составит в нашем случае 143 ч, но это не так. Эта величина составляет нижний предел срока службы, так как в промежутках между рядами катодов велико давление насыщающих паров испаренного BaO, что препятствует его испарению. Если осуществляется прокачка промежутка газом с высоким напряжением пробоя, то он дополнительно охлаждает катоды, и они теряют атомы вещества с малой работой выхода только в моменты подачи импульса излучения, которые за промежуток времени 1 c осуществляются в течение времени:
t = τ_иν = 50 нс·200Гц = 10^-5c, где (14)
τ_и длительность импульса излучения,
ν частота повторения импульсов.

Значит, срок службы, увеличиваясь пропорционально уменьшению реального времени работы в течение 1 с, достигает величины 1,43·10⁷ ч. При этом достаточно охладить катод до температуры 1200 К, всего на 200 градусов, чтобы время службы стало достаточно велико, больше времени, в течение которого измерялась эта величина / в работе, откуда взяты данные, это подразумевается/. Это уменьшение температуры может осуществляться и за счет радиационного охлаждения. Для точного определения срока службы катодов необходимы экспериментальные измерения конкретного модулятора.

Источники информации
1. Ф. Качмарек. Введение в физику лазеров. 1981, стр. 172-174.

2. И.Г. Богданов. Мощный электроракетный двигатель с ядерной силовой установкой, индуктивным накопителем энергии и дополнительным ускорением ядерными взрывами в открытом космосе. Ассоциация "Земляне". Материалы 3 и 4 международных научно-практических конференций "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса", М. 1994.

3. И. Г. Богданов, Электроракетный двигатель. Ассоциация "Земляне". Тезисы докладов 5 международной конференции "Деловые люди и хозяйственное освоение космоса", М. 1994.

4. Физические величины. Справочник. Под редакцией И.С. Григорьева и Е.З. Мейлихова. М. Энергоиздат, 1991.

5. А.Мак-Дональд. Сверхвысокочастотный пробой в газах. 1969.

6. Дифракция волн на решетках. Шестопалов В.П. и др. Харьков, 1973.

7. Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике, М. 1979.

8. Ю.П.Райзер. Физика газового разряда. 1987.

Формула изобретения

1. Модулятор электромагнитного излучения, содержащий поляризатор, внешний конденсатор, между обкладками конденсатора проходит ось распространения электромагнитного излучения, отличающийся тем, что в конденсаторе параллельно его обкладкам установлены проводящие полоски, причем на поверхностях проводящих полосок, обращенных к одной из обкладок конденсатора, выполнены эмиссионные катоды.

2. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что эмиссионные катоды выполнены из материала с меньшей работой выхода, чем у материала проводящих полосок.

3. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что поверхность каждой проводящей полоски выполнена гладкой, а поверхность по крайней мере одного эмиссионного катода выполнена по крайней мере с одним острием.

4. Модулятор по п.1, отличающийся тем, что величина зазора между ближайшими проводящими полосами меньше длины волны электромагнитного излучения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17