генератор электромагнитных импульсов

Формула изобретения

1. Генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ), включающий фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, отличающийся тем, что он снабжен зеркалом в виде параболоида вращения, которое преобразует лазерный луч в сферическую волну света, освещающую фотокатод, в котором выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, анод выполнен в виде параболоида вращения, а зеркало установлено внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему.

2. Генератор ЭМИ по п.1, отличающийся тем, что отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов с диаметром, превышающим диаметр лазерного луча.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов.

Уровень техники

Известен генератор ЭМИ, содержащий источник напряжения, катодный электрод и гальванически отделенный от него анодный электрод с сетчатой диафрагмой, а также антенную систему рупорного типа [1] (Alyokhin В.V., Dubinov A.E. , Selemir V. D. et al., "Theoretical and experimental studies of virtual cathode microwave devices", IEEE Trans. Plasma Sc., 1994, v. 945, N 5, p. 945). Работает этот генератор следующим образом. При подаче импульса высокого напряжения к катод-анодному промежутку в результате взрывной эмиссии на поверхности катода формируется сильноточный электронный пучок, который ускоряется, и, проходя сквозь сетчатую диафрагму, попадает в эквипотенциальную полость анодного электрода. В полости в электронном пучке образуется виртуальный катод (ВК), осцилляции которого являются источником ЭМИ, которые излучаются в свободное пространство с помощью рупорной антенной системы.

Недостатком этого генератора ЭМИ является слабая направленность излучения. В частности, в [1] угол полураствора конуса диаграммы направленности при излучении ЭМИ составляет 30^o.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является генератор ЭМИ, содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный лазер [2] (Bessarаb A.V., Gaydash V. A. , Jidkov N.V. el al., "Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse". Book of abstracts of 11th International conference on high-power electromagnetics "EUROEM"98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p. 57).

Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует наносекундный импульс света, который направляется на некоторую мишень для создания вблизи ее поверхности слоя лазерной плазмы, конвертирующей импульс света в импульс рентгеновского излучения такой же длительности. Если предварительно ориентировать фотокатод и анод так, чтобы рентгеновское излучение освещало бы фотокатод под некоторым углом < 90^o, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью v = c/sin > с. Эмиттированные 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. Если пространственный заряд инжектированного в полупространство электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается черенковским характером механизма генерации излучения.

Учитывая, что лазерная плазма фактически является точечным источником рентгеновского излучения, то угол падения рентгеновских квантов на фотокатод на различных его участках различный, поэтому и направление черенковского излучения по мере прохождения волны инжекции меняется. Таким образом, главным недостатком известного генератора ЭМИ является также широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.

Сущность изобретения

Техническая задача заключается в уменьшении угла расходимости излучения ЭМИ, что позволит расширить область применения генератора в радиолокации.

Технический результат в предлагаемом генераторе - уменьшение угла расходимости излучения генерируемого ЭМИ.

Этот результат достижим за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и известный [2], включает в себя фотокатод и сетчатый анод, подключенные к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический лазер, но в отличие от известного он снабжен зеркалом в виде параболоида вращения, в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения, анод выполнен в виде параболоида вращения, а зеркало установлено внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему. Дополнительным отличием является то, что отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов.

Принцип действия предлагаемого генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении лазерного луча от параболического зеркала, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью v > с, ускорение электронов в промежутке "фотокатод-анод" и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, которая является источником ЭМИ. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем узкая направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида с преобразованием типа волны или без него, имеет плоский фронт.

Ввод лазерного излучения в анодную полость конструктивно проще всего ввести через отверстие в фотокатоде, которое лежит на оси параболоидов, хотя для достижения технического результата это не обязательно.

Таким образом, все новые признаки в совокупности обеспечивают достижение технического результата, а выполнение отверстия в фотокатоде по оси параболоидов дополнительно упрощают конструкцию генератора ЭМИ.

Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ показан на чертеже, на котором обозначено: 1 - импульсный или импульсно-периодический лазер; 2 - фотокатод; 3 - параболическое зеркало; 4 - сетчатый анод; стрелками показан ход лазерного излучения.

В качестве лазера 1 возможно использование неодимового лазера, работающего на второй гармонике ( = 0,53 мкм), или УФ-лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 2: покрытие с отрицательным сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо Cs₃Sb; 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 УФ-лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа Cs₂Te или Rb₂Te, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра.

На оси фотокатода 2 выполнено отверстие диаметром, превышающим диаметр лазерного луча. В случае необходимости в отверстии может быть установлена фокусирующая линзовая система. Параболическое зеркало 3 можно изготовить либо с металлическим, либо 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). Сетчатый анод 4 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. Отверстие для ввода лазерного луча в сетчатом аноде 4 можно выполнять либо, в силу большой прозрачности сетки, анод можно оставить без отверстия. На чертеже показан первый вариант.

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 лазер 1, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются сквозь отверстие в фотокатоде 2 к параболическому зеркалу 3. Параболическое зеркало 3 преобразует лазерный луч при отражении в сферически расходящуюся волну света. Сферическая волна света, расширяясь, освещает фотокатод 2 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду 2 в направлении от его оси со скоростью v > с. Эмиттированные электроны ускоряются в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 4 внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, которая является источником широкополосного ЭМИ. При ширине промежутка "фотокатод-анод" 1 см и плотности тока фотоэмиссии > 100 А/см² в пучке после прохождения сетчатого анода 4 возможно формирование бегущего со скоростью v > с вдоль анода ВК, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем, как было указано выше, узкая направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения. Ожидается, что с помощью предложенного генератора ЭМИ возможно получение узконаправленного излучения с расходимостью всего в 2-5^o.