RU2388100C1

RU2388100C1 - Electromagnetic pulse generator

Info

Publication number: RU2388100C1
Application number: RU2008149414/09A
Authority: RU
Inventors: Александр Владимирович Бессараб (RU); Александр Владимирович Бессараб; Сергей Григорьевич Гаранин (RU); Сергей Григорьевич Гаранин; Сергей Павлович Мартыненко (RU); Сергей Павлович Мартыненко; Николай Александрович Прудкой (RU); Николай Александрович Прудкой; Александр Васильевич Солдатов (RU); Александр Васильевич Солдатов; Владимир Александрович Терёхин (RU); Владимир Александрович Терёхин; Юрий Алексеевич Трутнев (RU); Юрий Алексеевич Трутнев
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-04-27

Abstract

FIELD: physics, radio. ^ SUBSTANCE: invention relates to pulsed radio engineering. The electromagnetic pulse generator has a pulsed or pulse-periodic laser, a voltage source, a coaxial line, a paraboloidal mesh anode, a photocathode, a photocathode screen and a laser radiation scatterer placed inside the anode and confocal with it. The high-voltage conductor of the coaxial line is connected to the high-voltage terminal of the voltage source and to the photocathode at its top. The low-voltage terminal of the voltage source is connected in series to the screen of the line and the parabololidal mesh anode. The laser is mounted with possibility of entrance of the laser radiation into the cavity of the anode and direction of the radiation onto the scatterer. The photocathode screen can be connected in form of an encircling solid metallic shell or in form of cylindrical, tubular or flat conductors placed along the generatrix of the photocathode and uniformly distributed around it, and the voltage source is a high-voltage fast capacitive or inductive generator of pulsed voltage. ^ EFFECT: increased repetition rate of electromagnetic pulses generated by the generator. ^ 4 cl, 1 dwg

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к технике генерации мощных электромагнитных импульсов и может быть использовано в импульсной радиолокации и при испытаниях радиоэлектронной аппаратуры на воздействие мощных импульсных электромагнтых полей.The invention relates to techniques for generating powerful electromagnetic pulses and can be used in pulsed radar and in testing electronic equipment for exposure to powerful pulsed electromagnetic fields.

Уровень техникиState of the art

Известен генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ) [1], содержащий импульсный лазер, источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод.A known generator of electromagnetic pulses (EMP) [1], containing a pulsed laser, a voltage source, a flat photocathode and a parallel grid anode.

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. 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 v=c/sinφ>с. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке "фотокатод-анод", проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Если пространственный заряд инжектированного в полупространство электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью v>с вдоль анода виртуальный катод. 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.This generator operates as follows. A voltage is applied to the gap between the photocathode and the anode. A pulsed laser produces a nanosecond light pulse, which is directed at some target to create a layer of laser plasma near its surface that converts the light pulse into an x-ray pulse. If you first orient the photocathode and anode so that the x-ray radiation illuminates the photocathode at a certain angle φ <90 °, then an electron emission wave will run along the surface of the photocathode at a speed v = c / sinφ> s. The emitted electrons, accelerating in the “photocathode-anode” gap, pass through the mesh anode and fall into the equipotential half-space free from an external electric field. If the space charge of the electron beam injected into the half-space is sufficiently large, then a virtual cathode running at a speed v> s along the anode is formed in the beam. A wave of electron injection into a half-space running along the anode grid also with superluminal speed is a source of broadband EMR, and the directivity of electromagnetic radiation is provided by the Cherenkov character of the formation of the interference pattern of radiation.

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 известного генератора ЭМИ является широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.Taking into account that the laser plasma is actually a point source of X-ray radiation, the angle of incidence φ of the X-ray quanta on the photocathode in its various sections is different, therefore, the direction of the Cherenkov radiation changes as the injection wave propagates. Thus, the main disadvantage of the known EMR generator is the wide directivity of the radiation, which limits its use, for example, in pulsed radar.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому генератору является генератор ЭМИ, описанный в [2]. Этот генератор ЭМИ содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, фотокатод с отверстием для ввода лазерного излучения и сетчатый параболоидный анод, подключенные к источнику напряжения, и рассеиватель лазерного излучения в виде зеркального параболоида вращения, который установлен внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему, причем отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов.The closest in technical essence to the claimed generator is an EMP generator described in [2]. This EMR generator contains a pulsed or pulsed-periodic laser, a photocathode with a hole for inputting laser radiation and a mesh paraboloid anode connected to a voltage source, and a laser diffuser in the form of a mirror paraboloid of revolution, which is installed inside the anode paraboloid coaxial and confocal to it, and the hole in the photocathode is made along the axis of paraboloids.

Принцип действия известного 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 параболоидного зеркала, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси с 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. Узкая направленность при излучении здесь обеспечивается как черенковским характером генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида имеет плоский фронт.The operating principle of the well-known EMR generator is based on the following sequence of processes: generation of a powerful pulse or a sequence of light pulses of a subnanosecond range of duration using a laser, conversion of a laser beam into a spherically diverging light wave upon reflection of a laser beam from a paraboloidal mirror, illumination of the photocathode by this wave in order to initiate a surface wave photoemission of electrons traveling along the photocathode in the direction from its axis with a speed v> c, the acceleration of electrons in between Weft "photocathode-anode" and their subsequent injection through the mesh anode into the equipotential cavity covered by the anode. Then, a wave of electron injection into the half-space is excited inside the cavity, traveling along the anode grid also with a superluminal velocity, which is the source of electromagnetic radiation. A narrow radiation directivity here is provided by both the Cherenkov character of radiation generation and the optical property of the rotation paraboloid, which consists in the fact that a wave emitted by a spherically symmetric source from its focus, reflected from the surface of the paraboloid, has a flat front.

Однако известный генератор ЭМИ имеет недостаток, существенно снижающий частоту следования электромагнитных импульсов, заключающийся в низкой частоте срабатывания из-за медленной зарядки конденсатора, образованного фотокатодом и параболическим сетчатым анодом.However, the known EMR generator has a drawback that substantially reduces the frequency of electromagnetic pulses, which consists in a low response frequency due to the slow charging of the capacitor formed by the photocathode and parabolic mesh anode.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

Технический результат, достигаемый в предлагаемом техническом решении, заключается в увеличении частоты следования электромагнитных импульсов, создаваемых генератором, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.The technical result achieved in the proposed technical solution is to increase the repetition rate of electromagnetic pulses generated by the generator, which will expand the scope of its application in radar and testing techniques for pulsed electromagnetic effects.

Этот результат достигается тем, что предлагаемый генератор электромагнитных импульсов по пункту 1, как и известный [2], содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, источник напряжения, сетчатый параболоидный анод, фотокатод, рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода и софокусно ему. Новым в генераторе является то, что он снабжен экраном фотокатода и коаксиальной линией, высоковольтный проводник которой соединен с высоковольтным выводом источника напряжения и с фотокатодом у его вершины, к низковольтному выводу источника напряжения последовательно подключены экран линии, экран фотокатода, и параболоидный сетчатый анод, причем лазер установлен с возможностью ввода лазерного излучения в полость анода и направления излучения на рассеиватель.This result is achieved by the fact that the proposed electromagnetic pulse generator according to paragraph 1, like the well-known [2], contains a pulsed or pulsed-periodic laser, a voltage source, a paraboloidal mesh anode, a photocathode, a laser diffuser located inside the anode and confocal to it. What is new in the generator is that it is equipped with a photocathode screen and a coaxial line, the high-voltage conductor of which is connected to the high-voltage output of the voltage source and with the photocathode at its top, a line screen, a photocathode screen, and a paraboloid mesh anode are connected in series to the low-voltage output of the voltage source The laser is installed with the possibility of introducing laser radiation into the cavity of the anode and directing radiation to the diffuser.

В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 2 экраном фотокатода служит охватывающая его сплошная металлическая оболочка.In clause 2, in the electromagnetic pulse generator, the screen of the photocathode is a continuous metal shell covering it.

В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 3 экран фотокатода выполнен в виде цилиндрических, трубчатых или плоских проводников, размещенных вдоль образующей фотокатода и равномерно распределенных по его окружности.In the electromagnetic pulse generator according to paragraph 3, the screen of the photocathode is made in the form of cylindrical, tubular or flat conductors placed along the generatrix of the photocathode and uniformly distributed around its circumference.

В генераторе электромагнитных импульсов по пункту 4 источником напряжения служит высоковольтный быстродействующий емкостной или индуктивный генератор импульсного напряжения.In paragraph 4 of the electromagnetic pulse generator, the voltage source is a high-voltage, high-speed capacitive or inductive pulse voltage generator.

Благодаря наличию экрана и коаксиальной линии в генераторе ЭМИ, размещенных вышеуказанным образом, обеспечивается быстрая многократная зарядка емкости «анод-фотокатод» после каждой ее разрядки вследствие чего существенно повышается частота следования последовательности импульсов электромагнитного излучения.Owing to the presence of a screen and a coaxial line in the EMR generator arranged in the aforementioned manner, a multiple charge of the “anode-photocathode” capacitance is quickly ensured after each discharge, thereby substantially increasing the repetition rate of the pulse train of electromagnetic radiation.

На чертеже изображена схема конструктивного выполнения предлагаемого генератора ЭМИ, где: 1 - источник напряжения; 2 - коаксиальная линия; 3 - экран катода; 4 - фотокатод; 5 - сетчатый анод; 6 - лазерный луч; 7 - система для направления лазерного излучения на рассеиватель, 8 - рассеиватель лазерного излучения.The drawing shows a diagram of a structural embodiment of the proposed generator EMR, where: 1 - voltage source; 2 - coaxial line; 3 - cathode screen; 4 - photocathode; 5 - mesh anode; 6 - a laser beam; 7 - a system for directing laser radiation to a diffuser; 8 - a laser diffuser.

Прицип действия заявляемого генератора основаны на следующей последовательности процессов. Импульсы света 6, генерируемые импульсно-периодическим лазером, системой 7 направляются на рассеиватель 8 и преобразовываются в сферически расходящуюся волну света или рентгеновского излучения. Сферическая волна света или рентгеновского излучения, расширяясь, освещает фотокатод 4 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую вдоль катода в направлении от его вершины. Ток эмитированных электронов, ускоренных в промежутке "фотокатод-анод", а затем инжектированных сквозь сетчатый параболоидный анод 5 является источником ЭМИ. Тогда на внешней поверхности анода 5 образуется волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от вершины параболоида, которая и является источником ЭМИ. После каждого процесса разрядки и последующей зарядки емкости «анод-катод» последовательность физических процессов многократно повторяется. Ожидается, что с помощью предложенного генератора ЭМИ возможно повышение частоты следования ЭМИ до 100 МГц и выше.The principle of action of the inventive generator is based on the following sequence of processes. The pulses of light 6 generated by a repetitively pulsed laser system 7 are directed to the scatterer 8 and converted into a spherically diverging wave of light or x-ray radiation. A spherical wave of light or x-ray radiation, expanding, illuminates the photocathode 4 and initiates a surface electron photoemission wave traveling along the cathode in the direction from its top. The current of emitted electrons accelerated in the gap "photocathode-anode", and then injected through the reticulated paraboloid anode 5 is the source of electromagnetic radiation. Then, an electron injection wave is generated on the outer surface of the anode 5, traveling along the anode grid in the direction from the top of the paraboloid, which is the source of electromagnetic radiation. After each discharge process and the subsequent charging of the “anode-cathode” capacitance, the sequence of physical processes is repeated many times. It is expected that using the proposed EMR generator, it is possible to increase the EMR repetition rate to 100 MHz and higher.

После излучения каждого импульса емкость анод-катод оказывается полностью разряженной и на какое-то время до зарядки не может служить источником ускоренных электронов. От места сочленения экрана 3 и анода 5 начинают бежать волны зарядки и разрядки. Волна зарядки бежит по линии, образуемой катодом и анодом. Волна разрядки бежит по линии «экран-катод», а далее по коаксиальной линии 2 к источнику напряжения 1. Наличие этих волн приводит к тому, чтоAfter the emission of each pulse, the capacitance of the anode-cathode is completely discharged and cannot serve as a source of accelerated electrons for some time before charging. From the junction of the screen 3 and the anode 5, waves of charging and discharging begin to run. The charging wave runs along the line formed by the cathode and anode. The discharge wave runs along the screen-cathode line, and then along the coaxial line 2 to voltage source 1. The presence of these waves leads to the fact that

во-первых, разные участки катода оказываются под разным напряжением;firstly, different sections of the cathode are under different voltages;

во-вторых, напряжение на некоторых участках линии анод-катод может превысить электрическую прочность промежутка «анод-катод» и вызвать его пробой.secondly, the voltage in some sections of the anode-cathode line can exceed the electric strength of the anode-cathode gap and cause its breakdown.

Для устранения этого явления предлагается выполнять экран таким образом, чтобы его волновое сопротивление многократно превышало волновое сопротивление линии «анод-катод». В этом случае тракт зарядки по отношению к волнам зарядки и разрядки оказывается слабо связанным с линией «анод-катод». Через определенное число пробегов по экрану после начала работы генератора он плавно переходит в индуктивный режим работы и обеспечивает плавную зарядку емкости анод-катод.To eliminate this phenomenon, it is proposed to perform the screen in such a way that its wave impedance is many times higher than the impedance of the anode-cathode line. In this case, the charging path with respect to the charging and discharging waves turns out to be loosely coupled to the anode-cathode line. After a certain number of runs on the screen after the generator starts to work, it smoothly switches to the inductive mode of operation and ensures smooth charging of the anode-cathode capacitance.

При работе генератора ЭМИ лазер и источник импульсного напряжения начинают работать примерно одновременно (по крайней мере, первый импульс от лазера должен прийти до момента достижения напряжением на промежутке анод-катод электрической прочности).When the EMP generator is operating, the laser and the pulse voltage source begin to work approximately at the same time (at least the first pulse from the laser must arrive before the voltage across the anode-cathode gap reaches electrical strength).

В качестве лазера возможно использование, как и в [2], неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или УФ-лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода: 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.As a laser, it is possible to use, as in [2], a neodymium laser operating at the second harmonic (λ = 0.53 μm), or a UV laser. In the first case, the possible materials for the photocathode are: a negative affinity coating based on cesium doped with GaAs, or Cs ₃ Sb; in the second case, coatings based on metal oxides of the W-Zr-O type are applicable. If the EMP generator is supposed to be used in conditions of constant illumination, such as daylight, it is recommended to use a UV laser in conjunction with a photocathode made of materials like Cs ₂ Te or Rb ₂ Te, insensitive to illumination by visible light.

В том случае, если импульс лазерного излучения конвертируется в импульс рентгеновского излучения, как в [1], в качестве катода можно использовать обычные металлы: сталь, никель, алюминий и т.д.In the event that a laser pulse is converted into an x-ray pulse, as in [1], ordinary metals can be used as a cathode: steel, nickel, aluminum, etc.

Ввод лазерного луча во внутреннюю полость анода и направление его на рассеиватель осуществляется либо через выходную апертуру генератора ЭМИ, либо через специальные отверстия в катоде (одно или несколько). Рассеиватель может быть выполнен либо в виде параболических зеркал, которые 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 в виде точечного конвертора лазерного излучения в УФ- и рентгеновское излучения, который конструктивно может быть выполнен в виде тела сферической или конической формы из материала с большим атомным номером (золото) и размером ~1 мм.The laser beam is introduced into the internal cavity of the anode and directed to the scatterer either through the output aperture of the EMR generator or through special holes in the cathode (one or several). The diffuser can be made either in the form of parabolic mirrors, which can be made either with a metal or with a dielectric multilayer coating (odd layers of a material with a high refractive index - zinc or antimony sulfide, oxides of titanium, zirconium, hafnium, thorium, lead, and even layers - from materials with a low refractive index - magnesium fluoride, strontium, silicon dioxide), or in the form of a point converter of laser radiation into UV and X-ray radiation, which can be structurally made in the form of a body fericheskoy or conical shape from a material with high atomic number (gold) and the size of ~ 1 mm.

Сетчатый анод возможно изготовить из тонкой металлической проволоки, например из никеля или меди, добиваясь прозрачности >80%. Это позволит свести потери отраженного света и ускоренных электронов к незначительным.The mesh anode can be made of thin metal wire, for example, nickel or copper, achieving transparency> 80%. This will reduce the loss of reflected light and accelerated electrons to insignificant.

В РФЯЦ-ВНИЭФ проведено расчетно-теоретическое обоснование работоспособности заявляемого изобретения и исследования на экспериментальном стенде, подтверждающие достижение технического результата при его использовании.In RFNC-VNIEF, a theoretical and theoretical justification of the operability of the claimed invention and research on an experimental stand, confirming the achievement of a technical result when using it, have been carried out.

Благодаря увеличению частоты следования электромагнитных импульсов, создаваемых генератором, заявляемый генератор электромагнитных импульсов найдет широкое применение, в том числе в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.Due to the increase in the repetition rate of electromagnetic pulses generated by the generator, the inventive electromagnetic pulse generator will find wide application, including in radar and testing techniques for pulsed electromagnetic effects.

Источники информацииInformation sources

1. Bessarab А.V., Gaydash V.A., Jidkov N.V. et al. "Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse", Book of abstracts of 1 1th International conference on high-power electromagnetics "EUROEM'98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p.57.1. Bessarab A.V., Gaydash V.A., Jidkov N.V. et al. "Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse", Book of abstracts of 1 1th International conference on high-power electromagnetics "EUROEM'98", Tel Aviv, Israel, June 14-19, p. 57 .

2. Бессараб A.B., Дубинов A.E., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент РФ №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ №29, 2001.2. Bessarab A.B., Dubinov A.E., Lazarev Yu.N. and others, "Generator of electromagnetic pulses", RF Patent No. 2175154, priority 11/15/1999, publ. BI No. 29, 2001.

Claims

1. An electromagnetic pulse generator comprising a pulsed or pulsed-periodic laser, a voltage source, a paraboloidal mesh anode, a photocathode, a laser radiation diffuser located inside the anode and confocal to it, characterized in that it is provided with a photocathode screen and a coaxial line, the high-voltage conductor of which is connected with a high-voltage output of the voltage source and with a photocathode at its top, a line screen, a screen of the photocathode and steam are connected in series to the low-voltage output of the voltage source oloidny mesh anode, wherein the laser is arranged to enter the laser cavity in the anode and the radiation direction on the lens.

2. The electromagnetic pulse generator according to claim 1, characterized in that the screen of the photocathode is a continuous metal shell covering it.

3. The electromagnetic pulse generator according to claim 1, characterized in that the screen of the photocathode is made in the form of cylindrical, tubular or flat conductors placed along the generatrix of the photocathode and uniformly distributed around its circumference.

4. The electromagnetic pulse generator according to claim 1, characterized in that the voltage source is a high-voltage high-speed capacitive or inductive pulse voltage generator.