Генератор электромагнитных импульсов
Владельцы патента RU 2572104:
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом" (RU)
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" (RU)
Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов (ЭМИ) и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных полей. Устройство включает в себя фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода. Сетчатый анод расположен эквидистантно фотокатоду, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения и вдоль радиуса вращения к оси вращения. Дополнительными отличиями является то, что несимметричная вырезка может быть выполнена из параболоида вращения либо круговым или овальным цилиндром, либо прямоугольной призмой. А конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы. Технический результат - улучшение направленности и увеличение интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволяет расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов (ЭМИ) и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие импульсных полей.
Известен генератор ЭМИ [Бессараб А.В. и др., «Сверхсветовой источник электромагнитного излучения, инициируемый коротким рентгеновским импульсом», Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ, Научно-исследовательское издание - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, выпуск 7, 2004, стр. 218-228], содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный источник света в виде лазера, конвертер, преобразовывающий излучение лазера в сферически расходящуюся волну рентгеновского излучения. Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует субнаносекундный импульс света, который направляется на некоторую мишень для создания вблизи ее поверхности слоя лазерной плазмы, конвертирующей импульс света в импульс рентгеновского излучения. Если предварительно ориентировать фотокатод и анод так, чтобы рентгеновское излучение освещало бы фотокатод под некоторым углом φ<90°, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью ν=c/sin(ϕ)>с. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке “фотокатод-анод”, проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, является источником широкополосного ЭМИ, причем направленность электромагнитного излучения обеспечивается черенковским характером формирования интерференционной картины излучения.
Учитывая, что лазерная плазма фактически является точечным источником рентгеновского излучения, то угол падения φ рентгеновских квантов на фотокатод на различных его участках различный, поэтому и направление черенковского излучения по мере прохождения волны инжекции меняется.
Таким образом, главным недостатком аналога является низкая направленность излучения и малая интенсивность генерируемого электромагнитного излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.
Конструктивно близким к заявляемому устройству, является генератор ЭМИ [Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент RU №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ №29, 2001], содержащий импульсный или импульсно-периодический источник света в виде лазера, фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности, которых выполнены в виде поверхностей тел вращения, и которые подключены к источнику напряжения, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода. Принцип действия известного генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью источника света, преобразование светового излучения в сферически расходящуюся волну оптического излучения, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси, ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь охватываемого анодом. Тогда на внешней поверхности анода возбуждается волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки, которая является источником ЭМИ. По описанному патенту в РФЯЦ-ВНИИЭФ был разработан экспериментальный образец (ЭО) генератора СШП ЭМИ [Бессараб А.В., Гаранин С.Г., Мартыненко С.П., Прудкой Н.А., Солдатов А.В., Терехин В.А., академик Трутнев Ю.А. Генератор сверхширокополосного электромагнитного излучения (СШП ЭМИ), инициируемый пикосекундным лазером, Доклады Академии Наук, 2006, т. 411, №5, с. 1-4], где приведены характеристики ЭО и который в дальнейшем выбран в качестве наиболее близкого аналога. Конструктивные параметры параболического генератора: фокусное расстояние 5 см, расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода (межэлектродный зазор) 2 см, общая длина 65 см. Однако этому генератору присущ ряд недостатков:
1. Для наблюдателя, находящегося на продольной оси параболоида распределение излучающих токов по поверхности параболоида является радиальным (на фиг. 4 стрелками схематично показаны направления локальных дипольных моментов). При этом каждому элементарному излучающему току можно поставит в соответствие такой же ток по величине, но зеркально симметричный. Каждая такая пара излучает сигналы, одинаковые по амплитуде, но находящиеся в противофазе. В результате интерференции излучение в направлении оси параболоида полностью подавляется - образуется зона, свободная от электромагнитного поля, а излучение проявляется в виде бокового лепестка с увеличенным углом раскрыва, но значительно меньшей амплитудой излучаемого сигнала. Зона облучения имеет вид кольца и не позволяет сосредоточить энергию излучения на цели. Зависимость поляризации от азимутального угла делает невозможным использование генератора для целей радиолокации.
Рассмотрим ситуацию с точки зрения наблюдателя, расположенного в максимуме диаграммы направленности этого генератора. Для удобства выберем точку наблюдения так, чтобы она лежала в плоскости, задаваемой осью симметрии параболоида и осью Y (см. фиг. 4).
Из соображений симметрии следует, что напряженность электрического поля в точке наблюдения имеет только Y - компоненту. И вклад в него вносят только источники с преобладающей поляризацией вдоль оси Y. Источники с преобладающей поляризацией вдоль оси X практически не влияют на параметры электромагнитного излучения. Таким образом, уже изначально для формирования излучения используется только половина площади зеркала. Второе явление, уменьшающее эффективность использования площади параболоида, связано с тем, что излучение в максимуме диаграммы направленности формируется за счет вычитания излучения от диаметрально противоположных половин параболоида. Это дает потерю еще не менее 50% площади параболоида. Таким образом, не более 25% площади параболоида используются для формирования излучения.
2. Из-за того, что электроны в ускоряющем промежутке «фотокатод-сетка» распространяются по траекториям, направления которых не совпадают продольной осью параболоида, возникает дополнительная фазовая ошибка, ухудшающая направленность излучения. Поскольку электроны распространяются по линиям наименьшего расстояния, то появляется разность хода между разными участками параболоида. Происхождение этой разности иллюстрирует фиг. 2.
Поверхность фотокатода описывается уравнением
y2=4sz,
где y - расстояние от заданной точки параболоида до оси вращения; z - расстояние от заданной точки параболоида до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболоида, s - фокусное расстояние параболоида.
При облучении из фокуса разность хода между произвольной точкой параболического фотокатода и его вершиной составляет
,
Вычисленный по этой формуле график зависимости вносимой ускоряющим промежутком разности хода на примере прототипа приведен на фиг. 3 (график а). Как следует из представленного графика разность хода между вершиной параболоида и его периферией параболического диода в данном случае достигает ≈1,5 см.
Вносимая ускоряющим промежутком разность хода приводит к нарушению синхронизации элементарных излучателей в высокочастотной части спектра, что эквивалентно обрезанию высокочастотной части спектра излучаемого ЭМИ. Предельная разность хода, которая не сказывается на работе генератора ЭМИ, равна
,
где с=3·108 м/с - скорость света; fup, λup - верхняя граничная частота в спектре импульса и соответствующая ему длина волны соответственно.
Если аппроксимировать основной пик импульса излучения функцией,
,
где 
.
то его спектральную плотность можно представить в виде
,
где 
.
Связь временной формы импульса и его частотного спектра иллюстрирует фиг. 5. Как следует из представленных данных, основная часть энергии импульса сосредоточена в диапазоне частот от 0 до 
. Для ЭО генератора СШП ЭМИ, характерная длительность пика излучаемого импульса составляет τ≈300 пс. Верхняя граничная частота в спектре равна
. Тогда предельная допустимая разность хода равна
.
Таким образом, фактическая разность хода между разными участками параболоида примерно в 3 раза превышает допустимую. Это приводит к размыванию формы импульса и снижению его амплитуды, что влечет за собой ухудшение направленности и снижение интенсивность электромагнитного излучения в зоне облучения.
Технический результат, достигаемый в предлагаемом техническом решении, заключается в улучшении направленности и увеличении интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что в генераторе электромагнитных импульсов, который включает в себя фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода, новым является то, что сетчатый анод расположен эквидистантно фотокатоду, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения на величину 
и вдоль радиуса вращения к оси вращения на величину 
, где z - расстояние от точки недеформированного параболоида вращения до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболы; Δ - расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода; s - фокусное расстояние.
Дополнительными отличиями является то, что несимметричная вырезка из параболоида вращения может быть выполнена круговым или овальным цилиндром либо прямоугольной призмой. А конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы.
Размещение сетчатого анода эквидистантно фотокатоду обеспечивает одинаковое время пролета электронов, эмитированных из любой точки фотокатода, что создает условия, необходимое для получения направленного потока электромагнитного излучения.
Выполнение рабочей поверхности фотокатода в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, деформированного, как указано выше, позволяет устранить подавление излучения в направлении оси параболоида и скомпенсировать разность хода, вносимую ускоряющим промежутком между фотокатодом и анодом, что позволяет улучшить направленность, повысить и интенсивность и расширить частотный спектр электромагнитного излучения.
Выполнение несимметричной вырезки из параболоида вращения круговым или овальным цилиндром, либо прямоугольной призмой позволяет выбрать оптимальный вариант конструкции генератора.
Выполнение конвертера в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием, позволяет конвертировать оптическое и ультрафиолетовое излучение в расходящуюся волну.
Исполнение конвертера в виде точечной мишени сферической, конической или плоской формы, позволяет конвертировать излучение источника света в расходящееся рентгеновское излучение.
Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ поясняется следующими чертежами:
Фиг. 1 - конструкция генератора ЭМИ;
Фиг. 2 - схема формирования и компенсации ошибки синхронизации;
Фиг. 3 - графики зависимости разности хода для сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ) и генератора, предлагаемого в данном изобретении от расстояния до вершины параболоида;
Фиг. 4 - схема распределения излучающих токов прототипа для наблюдателя, находящегося на оси параболоида;
Фиг. 5 - связь временной формы импульса и его частотного спектра.
На фигурах позициями обозначены: 1 - фотокатод; 2 - сетчатый анод; 3 - импульсный или импульсно-периодический источник света; 4 - конвертер, 5 - ось вращения параболоида; 6 - участок фотокатода до деформации и 7 - после деформации; 8 - траектория поворота (смещения) точки поверхности параболоида при его деформации; 9 - фокус параболоида вращения; Δ - ширина межэлектродного зазора; δ - ошибка синхронизации; ϕ - угол между лучом, исходящим из фокуса, и осью вращения; β - угол между нормалью к поверхности фотокатода и плоскостью, перпендикулярной продольной оси параболоида; а - зависимость разности хода от расстояния точки фотокатода до вершины параболоида вдоль оси вращения, б - то же, для фотокатода, форма которого скорректирована согласно предлагаемому изобретению.
В качестве источника света 3 возможно использование, например, неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или ультрафиолетового лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 1: покрытие с отрицательным электронным сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо Cs2Те; во втором случае применимы покрытия на основе окислов металлов типа W-Zr-O. Если генератор ЭМИ предполагается использовать в условиях постоянного освещения, например, дневного света, то рекомендуется использовать ультрафиолетовый лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа Cs2Те или Rb2Те, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра. Источник света 3 размешается за плоскостью фотокатода так, чтобы его луч был перпендикулярен плоскости фотокатода и проходил через оптический центр конвертера. Сетчатый анод 2 возможно изготовить из тонкой металлической проволоки, например из вольфрама или тантала, добиваясь прозрачности >90%. Это позволит свести потери отраженного света и ускоренных электронов к незначительным. Конвертер 4 может быть выполнен либо в виде параболического зеркала, которое можно изготовить или с металлическим, или с диэлектрическим многослойным покрытием (нечетные слои из материала с высоким показателем преломления - сульфид цинка или сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория, свинца, а четные слои - из материалов с низким показателем преломления - фторид магния, стронция, двуокись кремния), либо виде плоской мишени из материала с большим атомным номером (золото) и размером и 1 мм, преобразующей лазерное излучения в ультрафиолетовое или рентгеновское излучения.
В том случае, если импульс лазерного излучения конвертируется в импульс рентгеновского излучения, в качестве фотокатода 1 можно использовать обычные металлы: сталь, никель, алюминий и т.д.
Перед началом работы генератора ЭМИ с помощью источника напряжения подают на промежуток “фотокатод-анод” напряжение, например, величиной 100 кВ. Далее работает генератор ЭМИ следующим образом. Запускается импульсный или импульсно-периодический источник света 3, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются на конвертер 4. Конвертер 4 в свою очередь преобразует лазерный луч в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Сферическая волна, расширяясь, освещает фотокатод и инициирует поверхностную волну эмиссии электронов, бегущую вдоль фотокатода в направлении от точки фотокатода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эмитированные электроны ускоряются в промежутке “фотокатод-анод”, а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 2. Тогда на внешней поверхности анода образуется волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от точки анода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эта волна инжекции электронов и является источником электромагнитной волны.
Для того чтобы компенсировать разность хода, вносимую ускоряющим промежутком, форма фотокатода должна быть скорректирована. Как следует из второго уравнения (см. стр. 2-3), чем дальше от вершины находится точка параболоида, тем больше для нее разность хода (запаздывание), вносимая ускоряющим промежутком. Следовательно, для компенсации каждую точку параболоида, не совпадающую с его вершиной, необходимо повернуть вокруг фокуса так чтобы она сдвинулась вдоль оси вращения на расстояние, равное вносимой разности хода (обозначено δ на фиг. 2).
Новые координаты каждой точки фотокатода будут равны:
.
При выводе этих соотношений движение по окружности заменялось движением по касательной.
Принимая во внимание, что 
; 
, имеем
,
То есть каждую точку фотокатода с разными координатами передвигаем на разные расстояния. Хотя предложенная коррекция формы параболоида не является идеальной, поскольку, во-первых, сдвиг по окружности заменяется сдвигом по касательной, а во-вторых, при деформации меняется направление нормали к поверхности фотокатода, погрешность такой коррекции для реальных конструкций не играет заметной роли. Результаты расчета разности хода для излучателя со скорректированной формой фотокатода на примере прототипа приведены на фиг. 3 (график б). Расчет проводился по формуле
.
Как показывают результаты расчета, максимальная разность хода при скорректированном фотокатоде не превышает 1,3 мм, что намного меньше предельной допустимой разности хода при существующих временных параметрах излучаемых импульсов.
В предлагаемом генераторе излучающие токи на различных участках анода имеют практически одинаковую поляризацию, что позволяет эффективно использовать площадь излучателя. Учитывая, что в прототипе эффективно используется не более 25% площади излучателя, предлагаемое изобретение позволяет при тех же поперечных размерах увеличить эффективный раскрыв минимум в 4 раза, что эквивалентно увеличению плотности мощности более чем в 16 раз.
Таким образом, все новые признаки обеспечивают достижение технического результата, а именно улучшения направленности и увеличения интенсивности генерируемого ЭМИ.
1. Генератор электромагнитных импульсов, включающий фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен эквидистантно рабочей поверхности фотокатода, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения на величину 
и вдоль радиуса вращения к оси вращения на величину 
где z - расстояние от точки недеформированного параболоида вращения до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболы; Δ - расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода; s - фокусное расстояние.
2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что несимметричная вырезка из параболоида вращения выполнена круговым или овальным цилиндром либо прямоугольной призмой.
3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что конвертер выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо в виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы.
