Способ ослабления энергии электромагнитного излучения

Изобретение относится к области защиты сухопутной и морской техники от естественного и искусственного излучения. Способ ослабления энергии электромагнитного излучения основан на его поглощении в парах воды. Пары воды ионизируют электромагнитными волнами частотой более 7.5·10¹³ Гц (нижняя граница ультрафиолетового диапазона) при концентрации водяных паров не менее $$10^{-3}\frac{г}{с{м}^3}$$ и удельной мощности ионизации не менее $$1\frac{мВт}{с{м}^3}$$ . Изобретение обеспечивает поглощение ~ единиц дБ/м излучения в миллиметровом и сантиметровом диапазоне длин волн при концентрации водяного пара ~10^-3 г/см³. 3 ил.

 

Изобретение может быть применено для защиты естественных и искусственных объектов, в т.ч. подвижных и маневренных, от естественных и искусственных излучений миллиметрового/сантиметрового диапазона длин волн. Преимущественная область применения - защита сухопутной и морской техники.

Известным [1] аналогом изобретения является атмосферная плазма, создаваемая естественным или искусственным образом под действием различного вида ионизирующих излучений (ультрафиолетового (УФ), рентгеновского, гамма-излучения, пучков частиц, например, электронов и протонов). Атмосферная плазма способна поглощать электромагнитное излучение в радиодиапазоне за счет упругих и неупругих столкновений электронов с нейтральными атомами и молекулами воздуха, а также с ионами.

Аналог обладает рядом недостатков:

1. Малое время жизни атмосферной плазмы при отсутствии энергии для ее поддержания, обусловленное тем, что электроны плазмы эффективно прилипают к молекулам кислорода. Время жизни электрона при давлении 100 мм рт.ст., определяемое прилипанием, составляет ~10^-6 секунды;

2. Потери энергии за счет упругих столкновений электронов малы (~3·10^-5 энергии электрона);

3. Сечение радиационного рассеяния электронами электромагнитной (ЭМ) энергии в радиодиапазоне мало (~6·10^-25 см²) из-за малой величины дипольного момента.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого способа является способ поглощения электромагнитных волн водяным паром. Молекулы воды обладают значительным дипольным моментом. Благодаря этому в сантиметровом диапазоне имеются резонансы, в которых поглощение достигает величины $$~2\cdot 10^{-4}\frac{дБ}{м}$$ - при концентрации водяного пара $$7.5\frac{г}{с{м}^3}$$ [1].

Прототип обладает рядом недостатков:

1. В миллиметровом и сантиметровом диапазоне длин волн водяной пар при концентрации $$7.5\frac{г}{с{м}^3}$$ дает малое (менее единиц дБ/м) поглощение излучения;

2. Для применения водяного пара в защитных целях необходим его большой массовый расход (для достижения поглощения ~ единиц дБ/м масса водяного пара должна составить ~40 кг/м³).

Технический результат изобретения состоит в следующем:

1. Обеспечение эффективного (~ единиц дБ/м) поглощения излучения в миллиметровом и сантиметровом диапазоне длин волн при концентрации водяного пара ~10^-3 г/см³;

2. Потери ЭМ энергии, возникающие в результате нагрева токами поляризации квазиатомных комплексов (КА) (квазиатомный комплекс - малая частица, заряженная положительно (отрицательно), около которой локализованы один или несколько электронов (ионов), [3]), присутствующих в среде, реализующей заявляемый способ, значительно больше потерь в столкновительной плазме (при концентрации квазиатомных комплексов ~10⁷ раз меньше концентрации электронов потери приблизительно равны). Энергия в этом случае расходуется на возбуждения колебательно-вращательных состояний молекул воды;

3. Значительное рассеяние ЭМ энергии поля волны, т.к. амплитуда колебаний квазиатомных комплексов определяется их кулоновских зарядом (по сравнению со свободным электроном рассеянная энергия увеличивается в 10³ раз при числе молекул воды, содержащихся в квазиатомном комплексе, N(H₂O)=20, λ=8 мм и напряженности электрического поля Е=0,1 В/см);

4. Значительное (~ не менее десятков минут) время жизни поглощающей среды при отключенном активаторе;

5. Поглощение ЭМ энергии реализуется в широком интервале давлений на высотах 0…10 км над поверхностью Земли и при массовой доле влаги, содержащейся в воздухе, более 0,01%.

Изобретение поясняется чертежами.

Блок-схема экспериментальной установки, реализующей заявляемый способ, представлена на Фиг.1.

На Фиг.1 введены следующие обозначения:

1. Генератор СВЧ мощности;

2. Передающая антенна;

3. Рабочая камера;

4. Емкость с рабочим телом;

5. Активатор;

6. Приемная антенна;

7. Аттенюатор;

8. Преобразователь сигнала;

9. Индикаторный прибор;

10. Источник питания активатора;

11. Приемник.

Генератор 1 служит для создания требуемой мощности сигналов нужной частоты.

Передающая антенна 2 предназначена для излучения выработанного генератором 1 сигнала в пространство.

Рабочая камера 3 служит для накопления рабочего тела (паров воды), испаряющегося из емкости 4 и ионизированного активатором 5. Рабочее тело необходимо для создания поглощающей энергию ЭМ волн среды.

Емкость 4 предназначена для размещения рабочего тела (паров воды).

Активатор 5 служит для ионизации рабочего тела, сообщая ему требуемые для поглощения электромагнитных волн свойства.

Приемная антенна 6 необходима для приема прошедшего через рабочую камеру 3 сигнала и направления его в приемник 11.

Приемник 11 предназначен для обработки принятого приемной антенной 6 сигнала и состоит из аттенюатора 7, преобразователя сигнала 8 и индикаторного прибора 9.

Аттенюатор 7 служит для регулирования уровня мощности сигнала, поступающего на преобразователь 8.

Преобразователь сигнала 8 предназначен для приведения принимаемого сигнала к виду, пригодному для подачи на вход индикаторного прибора 9.

Индикаторный прибор 9 служит для измерения величины принимаемого сигнала.

Источник питания 10 предназначен для подачи на активатор 5 нужного напряжения.

На Фиг.2 показан экспериментальный график ослабления энергии ЭМ волны (λ=8 мм) при ее прохождении через созданную в рабочей камере 3 поглощающую среду при различных значениях мощности P_ген вырабатываемого генератором 1 сигнала.

На Фиг.3 схематически представлены седельный тягач, движущийся со скоростью v_т, а также область пространства вокруг седельного тягача, в которой создается поглощающая ЭМ волны среда (на Фиг.3 заштрихована).

На Фиг.3 введено следующее обозначение:

12. Источник рентгеновского излучения.

Рассмотрим работу устройства, реализующего заявляемый способ.

В рабочую камеру 3 помещается емкость с рабочим телом 4 и активатор 5, после чего рабочая камера закрывается (см. Фиг.1). Под действием источника питания 10 активатор 5 включается и начинает ионизировать воздух и испаряющееся из емкости 4 рабочее тело (пары воды), создавая плазму и/или реструктуризуя рабочее тело. Технический результат достигается благодаря тому, что в рабочей камере 3 по прошествии 2…5 минут формируется среда, поглощающая электромагнитные волны.

Поглощающая среда представляет собой образующиеся под действием ионизирующего излучения активатора 5 долгоживущие квазиатомные комплексы (КА) и/или водяные кристаллы и/или нити в рабочей камере, ориентированные относительно друг друга.

Молекула воды имеет большой дипольный момент. Положительные и отрицательные ионы, образующиеся в камере под действием УФ источника 5, окружаются молекулами воды, образуя КА. Количество молекул воды, «прилипших» к ионам, может составлять от нескольких единиц до нескольких десятков. Положительно и отрицательно заряженные квазиатомные комплексы объединяются в пары и совершают вращательное движение относительно общего центра масс в резонансе с полем падающей электромагнитной волны [2, 3]. Потери энергии частиц (затухание) определяются их трением о воздух и нагревом. Сигнал определенной частоты и мощности, вырабатываемый генератором 1 и излучаемый в пространство передающей антенной 2, при прохождении через такую среду, созданную в рабочей камере 3, испытывает ослабление ~ единиц дБ/м, что отображается на индикаторном приборе 9, на который поступает сигнал с приемной антенны 6. С целью нормального функционирования индикаторного прибора 9 в тракт экспериментальной установки, реализующей заявляемый способ, могут быть введены дополнительно аттенюатор 7 и преобразователь сигнала 8.

Для примера приводим устройство, реализующее заявляемый способ.

В рабочую камеру 3, представляющую собой склеенный из стеклянных пластин прямоугольный параллелепипед с габаритными размерами 50×30×30 см, помещается емкость с рабочим телом 4 - тарелка с подогретой до температуры около 80-90°C водопроводной водой, а также активатор 5 - УФ лампа (кварцевая ртутная лампа типа ПРК, ток лампы ~1 A, напряжение на лампе ~50 B) в металлической державке, после чего рабочая камера закрывается. От источника питания 10 УФ лампа 5 зажигается и ионизирует испаряющиеся из тарелки 4 пары воды электромагнитными волнами частотой более 7.5·10¹³ Гц (нижняя граница ультрафиолетового диапазона), а также имеющийся в рабочей камере 3 воздух. По прошествии 2…5 минут в стеклянной камере 3 создается поглощающая среда, представляющая из себя долгоживущие квазиатомные комплексы и/или водяные кристаллы и/или нити. Концентрация водяных паров в поглощающей среде составляет не менее 10^-3 г/см³, а удельная мощность ионизации, необходимая для создания среды, не менее 1 мВт/см³. Сигнал с частотой f=37,5 ГГц и мощностью P=5 мВт, вырабатываемый высокочастотным генератором сигналов Г4-115, поз.1 и излучаемый в пространство передающей рупорной антенной 2, при прохождении через поглощающую среду, испытывает ослабление ~ единиц дБ/м, что отображается входящим в состав ваттметра поглощаемой мощности М3-53 блоком ваттметра измерительного Я2М-66, поз.9, на который поступает сигнал с приемной рупорной антенны 6. С целью нормального функционирования блока ваттметра измерительного Я2М-66, поз.9, в тракт экспериментальной установки, реализующей заявляемый способ, введены дополнительно аттенюатор поляризационный волноводный Д3-36А, поз.7, ослабляющий на 10-20 дБ поступающий на него сигнал с приемной рупорной антенны, поз.6, а также термоэлектрический преобразователь, поз.8, входящий в состав ваттметра поглощаемой мощности М3-53.

В результате был получен график ослабления энергии ЭМ излучения (Фиг.2). При изменении мощности генератора 1 Р_ген в диапазоне 0,96…5 мВт сначала измерялось ослабление сигнала при его прохождении через рабочую камеру 3 с отключенным активатором 5 в отсутствии поглощающей среды. Затем в рабочей камере 3 создавалась поглощающая ЭМ волны среда и эксперимент повторялся. На Фиг.2 по оси ординат отложена разница Δ (в мкВт) двух полученных таким образом кривых. Из Фиг.2 следует, что при превышении некоторой пороговой мощности сигнала (в данном случае ~3 мВт) среда приобретает поглощательные свойства, и наблюдается стабильное ослабление проходящего через нее сигнала.

Примером применения изобретения может служить защита седельного тягача (см. Фиг.3).

Исходные данные для примера:

- Размеры седельного тягача 7×3,5×2 метра;

- Скорость движения седельного тягача v_т=60 км/ч (16 м/с);

- Область пространства, внутри которой создается ослабляющая энергию ЭМ волн среда, составляет 16×10×10 метров (на Фиг.3 заштрихована);

- Защита седельного тягача - от обнаружения радиолокационной станцией (станция висит на парашюте над полем и излучает зондирующие импульсы мощностью 10 мВт в сантиметровом диапазоне длин волн);

- Зондирующие импульсы радиолокационной станции при прохождении через создаваемую вокруг седельного тягача среду испытывают ослабление 20 дБ (10 дБ в одну сторону);

- Температура окружающего воздуха Т=25°C;

- Массовая доля влаги, содержащейся в воздухе, 1%.

Для создания ослабляющей энергию ЭМ волн среды на седельный тягач устанавливается источник рентгеновского излучения 12 (газоразрядная трубка, работающая в режиме аномального тлеющего разряда; около 5% энергии, подводимой к трубке, превращается в энергию рентгеновского излучения [5]) так, как показано на Фиг.3. При этом анод располагается над корпусом седельного тягача и защищается тонким экраном. Необходимая длина волны рентгеновского излучения определяется из условия его поглощения на расстоянии ~20 м впереди седельного тягача. Требуемое для этого сечение поглощения рентгеновского излучения воздухом составляет ~2·10^-23 см². В [4] приводится график сечения поглощения в зависимости от длины волны излучения λ. Из графика следует, что λ~2Å.

Оценим необходимую мощность излучения. Поглощение электромагнитной энергии осуществляется, если поле ЭМ волны больше критического Е>Е_кр (это соответствует подъему кривой на графике (Фиг.2), начинающемуся при мощности генератора Р~2,65 мВт. Из Фиг.2 следует, что Е_кр=0,1 В/см). Пусть комплекс содержит 20 молекул воды, однократно заряжен, радиус вращательного движения составляет r=2.5·10^-7 см при λ=1 см. Скорость движения по окружности $$V=\omega \cdot r=5\cdot 10^4\frac{см}{с}$$ , $$\omega =2\cdot 10^{11}\frac{рад}{с}$$ . Энергия, поглощаемая одним комплексом, равна F·V=e·E₀·ω·r≈10^-15 Вт. Необходимое для поглощения энергии зондирующего импульса 10 мВт количество комплексов составляет 10¹³ 1/см². При длине слоя 10 метров (для ослабления зондирующего импульса на 20 дБ) концентрация комплексов равна 10¹⁰ 1/см³. В предположении, что КПД ионизации 100%, для получения нужного количества комплексов в требуемом объеме при энергии ионизации молекул воздуха 10 эВ необходима мощность 16 Вт.

Определим концентрацию содержащихся в воздухе паров воды, необходимых для работы изобретения.

Концентрация паров воды должна быть такой, чтобы время окружения ионов молекулами воды τ_c было меньше времени рекомбинации положительных и отрицательных ионов τ_захвi. Задавшись массовой долей содержащейся в воздухе влаги 1%, получим, что если комплекс содержит 20 молекул воды, то τ_c=2·10^-6 с. Время захвата одного иона другим определяется частотой пролета ионов внутри окружающей данный ион сферы радиуса R, умноженной на вероятность столкновения с молекулой воздуха, τ_захвi≈3·10^-4 с. Т.о. τ_c<<τ_захвi. При удельной влажности воздуха 0,01%, т.е. на два порядка меньше принятой, τ_c≈τ_захвi. Как следует из [6], удельная влажность воздуха на всей территории СНГ в любое время года превышает значение 0,01% (в зимнее время года в атмосфере присутствуют нанокристаллы воды, на основе которых также будут возникать комплексы, создавая среду, ослабляющую энергию ЭМ волн).

Оценим скорость образования окруженных молекулами воды комплексов. При влажности воздуха 1% концентрация молекул воды составляет $$3\cdot {10}^{17}\frac{1}{с{м}^3}$$ . Скорость окружения иона молекулами воды равна V·σ·N(H₂O)=2·10⁵ с^-1 (σ - сечение столкновения между ионом и молекулами воды, V - скорость их относительного движения, N(H₂O) - число молекул воды, «прилипающих» к иону). 20 молекул воды прилипают к иону за 10^-4 с.

Оценим скорость образования квазиатомных комплексов из окруженных молекулами воды ионов. Для захвата необходимо, чтобы комплекс потерял кинетическую энергию при столкновении с молекулой воздуха при пролете внутри сферы радиуса R около другого комплекса, R определяется из соотношения $$\frac{e^2}{R}=\frac{3\cdot k\cdot T}{2}$$ (где e - заряд электрона, k - постоянная Больцмана, T - температура воздуха), при этом потенциальная энергия связи комплексов превышает кинетическую. Для температуры окружающей седельный тягач среды T=25°C kT=0,025 эВ и R=6·10^-6 см. Частота захвата равна $$V_{к}\cdot {\sigma }_{к}\cdot N_{к}=10^4\frac{см}{с}\cdot 10^{-10}с{м}^2\cdot 10^{10}с{м}^{-3}=10^4{с}^{-1}$$ . Т.о. образование квазиатомных с комплексов, а следовательно, и среды, ослабляющей энергию электромагнитного излучения, происходит достаточно быстро (за 10^-4 секунды).

Доказано, что объявленный технический результат реализуем.

Вывод: для ослабления на 20 дБ зондирующих импульсов, излучаемых радиолокационной станцией (станция висит на парашюте над полем и излучает зондирующие импульсы мощностью 10 мВт в сантиметровом диапазоне длин волн), в области пространства 16×10×10 метров необходимо установить на седельный тягач (размеры седельного тягача 7×3,5×2 метра, скорость движения v_т=60 км/ч (16 м/с)) источник рентгеновского излучения (газоразрядную трубку, работающую в режиме аномального тлеющего разряда; длина волны излучения λ~2Å; излучаемая мощность не менее 16 Вт) так, как показано на Фиг.3, при этом анод располагается над корпусом седельного тягача и защищается тонким экраном. Условие по влажности окружающего воздуха (для работы изобретения она должна быть не менее 0,01%), как следует из [6], выполняется на всей территории СНГ в любое время года.

Литература

1. Я.Л.Альперт, В.Л.Гинзбург, Е.Л.Фейнберг. Распространение радиоволн. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1953. - 884 с.

2. В.Б.Бродский, А.Т.Ворончев. Взаимодействие электрона, вращающегося вокруг заряженной частицы, с полем электромагнитной волны // Доклады Академии наук, том 323, №3, 1992. - с.460-464.

3. А.Т.Ворончев. Высокочастотные свойства находящихся в плазме квазиатомных комплексов // «Вопросы радиоэлектроники», сер. СОИУ, 2004, вып.1. - с.48-54.

4. Р.Уиттен, И.Поппов. Основы аэрономии. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1977. - 408 с.

5. Г.В.Павлинский. Основы физики рентгеновского излучения. - М.: Физматлит, 2007. - 240 с.

6. Атмосфера. Справочное издание / под ред. Ю.С.Седунова и др. - Ленинград: «Гидрометеоиздат», 1991. - 512 с.

Способ ослабления энергии электромагнитного излучения, основанный на его поглощении в парах воды, отличающийся тем, что пары воды ионизируют электромагнитными волнами частотой более 7,5·10¹³ Гц (нижняя граница ультрафиолетового диапазона) при концентрации водяных паров не менее $$10^{-3}\frac{г}{с{м}^3}$$ и удельной мощности ионизации не менее $$1\frac{мВт}{с{м}^3}$$ .