Способ генерации электромагнитного излучения


 


Владельцы патента RU 2501146:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) (RU)

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

 

Область техники.

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

Уровень техники.

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

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

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

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

Задача изобретения и технический результат.

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

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

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

Технический результат обеспечивается совокупностью заявляемых признаков:

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

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

…np=1,26 10-8 f2,

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Описание изобретения.

Описание изобретения поясняется фигурой 1.

На Фиг.1 показана схема генерации электромагнитного излучения в плазме

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

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

3 - соленоид, создающий необходимое магнитное поле;

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

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

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

Предлагаемый способ генерации излучения реализуется следующим образом:

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

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



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к устройствам подачи энергии для транспортного средства. Каждое из устройств содержит формирователь высокочастотной энергии.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение надежности и эффективности.

Изобретение относится к системам беспроводной передачи энергии. .

Изобретение относится к системам передачи электроэнергии. .

Изобретение относится к области электрорадиотехники, а более конкретно - к системам и компонентам, предназначенным для беспроводной передачи энергии. .

Изобретение относится к электроснабжению и может использоваться в народном хозяйстве для передачи электрической энергии на расстояние без проводов. .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние. Технический результат - повышение эффективности приема энергии в тепловом диапазоне ректенн. Для этого формируют решетку приемных элементов из диодов и пересекающихся проводников, подсоединенных своими концами к двум разнополярным шинам сбора постоянного тока, некоторые проводники выполняют в виде диэлектрической нити, на внешнюю поверхность которой последовательно с взаимным перекрытием наносят кольцевой слой металла, затем - кольцевой слой диэлектрика, затем - кольцевой слой другого металла, и вновь - кольцевой слой первого металла для формирования последовательной цепи диодов МДМ структуры, при этом формирование решетки обеспечивают путем взаимного переплетения указанных нитей. 2 ил.

Ректенна // 2505907
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах беспроводной передачи энергии на расстояние. Технический результат - повышение эффективности приема энергии в тепловом диапазоне ректенн. Ректенна содержит диоды и решетку приемных элементов, выполненную в виде пересекающихся проводников, подсоединенных своими концами к двум разнополярным шинам сбора постоянного тока и образующих при пересечении систему квадратных ячеек, приспособление для упругой деформации ячеек, некоторые проводники выполнены в виде диэлектрической нити, на внешнюю поверхность которой последовательно, с взаимным перекрытием нанесены кольцевые слои металла, диэлектрика и другого металла, взаимные контакты которых образуют структуру МДМ диода, при этом приспособление для упругой деформации ячеек связано с шинами для обеспечения возможности взаимного перемещения последних. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для обеспечения гарантированного беспроводного питания и зарядки различных устройств, например для беспроводной зарядки маломощных электроприборов (телефон, фотоаппарат, камеры, игрушки, сувениры), в квартире, офисе, общественном здании. Техническим результатом является повышение эффективности системы. Беспроводная зарядная система для маломощных потребителей электрической энергии содержит зарядную станцию с излучателем (1) и приемник потребителя электрической энергии, выполненные с катушками, работающими с использованием обратной связи. Катушка излучателя выполнена с двумя обмотками (15 и 16), длина провода которых кратна λ/4, где λ - используемая длина волны, при этом приемник состоит из колебательного контура, включающего в себя параллельно соединенные спиральную плоскую катушку (6) с длиной провода, кратной λ/4 или λ/2, и настроечный конденсатор (7), через управляемый выпрямитель (8) последовательно соединенный с накопительным конденсатором (10), с широтно-импульсным модулятором (9) и контроллером (11), который соединен с генератором (12) импульсов и аккумулятором (14). 15 з.п.ф-лы, 7 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам беспроводной передачи электроэнергии. Технический результат - возможность передавать магнитную индукцию в непроводящей газовой среде дистанционно, без использования специально сооружаемых для этого магнитопроводов. Такой средой может являться атмосферный воздух. При этом полученное устройство является установкой беспроводной передачи электроэнергии, так как передаваемая магнитная индукция может носить переменный или прерывистый характер, которая будет наводить в объекте, или на индуктивных катушках, расположенных непосредственно на объекте либо вблизи него, электродвижущую силу. Устройство может быть применено для дистанционного разогрева объектов из магнитного материала, например стали. Устройство включает в себя применение лазерных установок значительной мощности и создание с помощью них магнитопроводящего канала в диэлектрической газовой среде, например, такой как воздух, при этом используется процесс фотоионизации. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, к системам передачи энергии. Технический результат состоит в повышении эффективности передачи электроэнергии. В системе передачи электроэнергии генератор частоты выводит электроэнергию электрического сигнала, имеющего приблизительно такую же частоту, что и резонансная частота резонансного элемента, для резонансного элемента через возбуждаемый элемент. Резонансный элемент представляет собой элемент, имеющий импеданс и емкость, и генерирует магнитное поле посредством электрического сигнала, выводимого из генератора частоты. Схема связи по магнитному полю представляет собой схему, имеющую такую же резонансную частоту, что и у резонансного элемента, и становится связанной с резонансным элементом посредством резонанса магнитного поля. Схема связи по магнитному полю обеспечивает связь по магнитному полю также с другим резонансным элементом и передает электроэнергию из указанного резонансного элемента в другой резонансный элемент. Другой резонансный элемент выводит электроэнергию, переданную через схему связи по магнитному полю, в схему выпрямителя через возбуждаемый элемент. 5 з.п.ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к бесконтактному питающему оборудованию. Технический результат - предотвращение избыточного потребления энергии и исключение потребности в контроллере переключения. Для чего первичная сторона включает в себя устройство (11) питания постоянного тока, питающее устройство (12) и блок (13) питания, а вторичная сторона включает в себя приемный блок (15). Питающее устройство (12) включает в себя: изолирующий трансформатор (24), включающий в себя первичную обмотку (22) с выводом (22а) средней точки, питаемым постоянным током, и вторичную обмотку (23), соединенную с блоком (13) питания; резонансный конденсатор (25), соединенный параллельно со вторичной обмоткой (23) изолирующего трансформатора (24), первый диод (26) и первый стабилитрон (29), которые соединены с одним концом (22b) первичной обмотки (22); второй диод (27) и второй стабилитрон (32), которые соединены с другим концом (22с) первичной обмотки (22); первый транзистор (35), соединенный с первым диодом (26), второй транзистор (36), соединенный со вторым диодом (27). 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 7 ил.

Использование: в области электротехники для доставки энергии на космические объекты в непрерывном режиме. Технический результат - расширение возможностей энергообеспечения космических объектов. Система включает расположенные на носителе источник электромагнитного излучения и антенну слежения и фокусировки на объекте генерируемого источником излучения, при этом источником служит генератор, генерирующий 2-3-миллиметровое электромагнитное излучение мегаваттной (0,5-1 МВт) мощности, в качестве антенны использована быстро перестраиваемая адаптивная излучающая антенна с системой управления, формирующая узконаправленный пучок электромагнитного излучения с гауссовым распределением плотности мощности и обеспечивающая непрерывную фокусировку этого пучка на космическом объекте, с угловой скоростью перемещения не менее 0,01 рад/сек, причем генератор и антенна размещены на носителе, способном поднять генератор, антенну с системой управления и средства обеспечения энергопитания на высоты выше границы флуктуации атмосферы. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам и устройствам для передачи электрической энергии. В способе передачи электрической энергии между источником и потребителем энергии с использованием в качестве проводящего канала трубопровода с жидким веществом путем формирования в электроизоляционной оболочке трубопровода электропроводящего канала из вещества в жидкой фазе и создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного преобразователя, повышающего резонансного трансформатора Тесла, электропроводящего канала из электроизолированного трубопровода с жидким веществом, понижающего резонансного трансформатора Тесла, передачи электрической энергии вдоль проводящего канала к понижающему резонансному трансформатору Тесла, понижения потенциала высоковольтных колебаний и передачи энергии через инвертор к нагрузке, электрическую энергию передают по трубопроводу, установленному в водной среде, электроизолированную оболочку трубопровода с внутренним встроенным экраном заполняют водой с повышенным содержанием соли, опускают трубопровод в водную среду и соединяют начало и конец проводящего канала изолированными кабелями с высоковольтными выводами повышающего и понижающего трансформатора Тесла. Также раскрыто устройство для передачи электрической энергии. Изобретение обеспечивает снижение затрат на передачу электроэнергии за счет исключения опор, проводов, изоляторов, кабелей, а также повышение КПД передачи электрической энергии. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к аппаратуре беспроводной передачи энергии транспортному средству. Технический результат - устранение необходимости наличия датчика расстояния между передатчиком и приемником энергии. Устройство энергоснабжения генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка передает энергию бесконтактным образом вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушке, посредством резонирования с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой через электромагнитное поле. Датчик энергии детектирует отраженную энергию в устройство энергоснабжения. Устройство связи принимает состояние приема энергии транспортного средства. ECU оценивает величину позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки на основе состояния приема энергии транспортного средства и отраженной энергии с использованием соотношения, полученного заранее, между состоянием приема энергии и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования. 3 н. и 10 з.п. ф-лы,7 ил.

Изобретение основано на оптическом соединении высоковольтного источника Тесла с потребителем электрической энергии путем направления лазерного луча на потребитель электрической энергии, фотоионизации атмосферы на пути распространения лазерного луча путем увеличения энергии лазерного излучения до энергии фотоионизации составляющих атмосферного воздуха в лазерном луче и после образования в лазерном луче токопроводящего канала - резонансной передаче по нему электрической энергии напряжением десятки ÷ сотни киловольт с использованием резонансного трансформатора Тесла. Технический результат заключается в снижении затрат лазерной энергии на ионизацию воздушной среды и повышении коэффициента передачи электрической энергии по лазерному лучу. При этом токопроводящий канал в атмосфере создают импульсным многочастотным лазерным излучением с периодом следования импульсов, большим времени релаксации плазмы в лазерном луче, разность соседних частот многочастотного лазерного излучения выбирают равной или кратной соответствующим частотам Фраунгоферовых линий поглощения электромагнитного излучения молекулами и/или атомами атмосферного воздуха, длительность лазерных импульсов выбирают не меньшей времени распространения потенциальной волны вдоль лазерного луча, а резонансную частоту передачи высоковольтного напряжения по токопроводящему каналу выбирают в диапазоне единицы ÷ десятки кГц и синхронизируют ее с частотой следования лазерных импульсов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.
Наверх