RU2488909C2 - Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation - Google Patents
Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488909C2 RU2488909C2 RU2011127824/07A RU2011127824A RU2488909C2 RU 2488909 C2 RU2488909 C2 RU 2488909C2 RU 2011127824/07 A RU2011127824/07 A RU 2011127824/07A RU 2011127824 A RU2011127824 A RU 2011127824A RU 2488909 C2 RU2488909 C2 RU 2488909C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- photodiode
- anode
- emp
- radiation
- energy
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.The invention relates to microwave technology and can be used in the development of generators of powerful broadband electromagnetic pulses (EMP) in the centimeter, millimeter and submillimeter wavelength ranges.
Известен способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом (ВК) [1] (Hwang G.S., Wu M.W., Song P.S., Hou W.S., "High power microwave generation from a tunable radially extracted vircator", J. Appl. Phys., 1991, №69(3), P.1247). Этот способ генерации заключается в том, что в диодной области прибора создается импульсный электронный пучок с током выше предельного, который инжектируется через сетчатый анод в пространство дрейфа, где из-за действия объемного заряда электронов формируется ВК. Часть электронов отражается от ВК и совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается электромагнитному полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. Недостатком этого способа является низкая (около нескольких процентов) эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию излучения.A known method of generating pulses of microwave radiation in a device with a virtual cathode (VK) [1] (Hwang GS, Wu MW, Song PS, Hou WS, "High power microwave generation from a tunable radially extracted vircator", J. Appl. Phys. 1991, No. 69 (3), P.1247). This generation method consists in creating a pulsed electron beam with a current above the limiting current in the diode region of the device, which is injected through the mesh anode into the drift space, where a VC is formed due to the action of the space charge of the electrons. A part of the electrons is reflected from the VC and oscillates between the real and virtual cathodes. The energy of these electrons is transferred to the electromagnetic field. The parameters and position of the VC oscillate in time and also contribute to the radiation energy. The disadvantage of this method is the low (about several percent) efficiency of converting the energy of the electron beam into radiation energy.
Наиболее близким (прототип) к предлагаемому способу является способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, описанный в работе [2] (Ю.Н.Лазарев, П.В.Петров, «Генератор ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника», ЖЭТФ, 1999, Т.88, С.926), основанный на использовании для генерации ЭМИ распространяющегося со сверхсветовой скоростью импульса тока, возникающего над анодом при инициируемом лазерным излучением разряде высоковольтного фотодиода. Он позволяет получить мощный широкополосный направленный импульс электромагнитного излучения.The closest (prototype) to the proposed method is a method of generating electromagnetic radiation of the microwave range, described in [2] (Yu.N. Lazarev, P.V. Petrov, “Generator of electromagnetic radiation of the microwave range based on superluminal source”, JETP, 1999, T.88, S.926), based on the use for the generation of EMP of a current pulse propagating with a superluminal speed that appears above the anode during the discharge of a high-voltage photodiode initiated by laser radiation. It allows you to get a powerful broadband directional pulse of electromagnetic radiation.
Недостатком данного технического решения является сравнительно низкая (примерно, 12%) эффективность преобразования запасенной электростатической энергии в электромагнитную. Для достижения более высоких значений эффективности преобразования требуется существенно более высокий уровень интенсивности генерируемого излучения.The disadvantage of this technical solution is the relatively low (approximately 12%) conversion efficiency of the stored electrostatic energy into electromagnetic energy. To achieve higher conversion efficiency values, a significantly higher level of radiation intensity is required.
Известны два устройства, осуществляющие на практике способ генерации ЭМИ, выбранный в качестве прототипа.There are two devices that implement in practice the method of generating EMR, selected as a prototype.
Одно из них, описанное в [3] (Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., патент RU 2175154 C2, 15.11.1999; Бессараб А.В., Гаранин С.Г., Мартыненко С.П. и др., «Генератор сверхширокополосного электромагнитного излучения, инициируемый пикосекундным лазером», Доклады Академии Наук, 2006. Т.411, №5, С.609), включает в себя лазер, фотокатод и сетчатый анод в форме параболоидов вращения, генератор импульсов напряжения (ГИН), параболическое зеркало для преобразования лазерного луча в сферически расходящуюся волну, установленное внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему. Из-за формы электродов данный генератор имеет очень низкую эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную ≈2% и крайне неудачную диаграмму направленности: генератор не излучает вдоль своей оси.One of them described in [3] (Bessarab A.V., Dubinov A.E., Lazarev Yu.N. et al., Patent RU 2175154 C2, 11/15/1999; Bessarab A.V., Garanin S.G. ., Martynenko SP et al., “Generator of ultra-wideband electromagnetic radiation initiated by a picosecond laser,” Reports of the Academy of Sciences, 2006. Vol. 411, No. 5, P. 609), includes a laser, a photocathode, and a grid anode in the form of rotation paraboloids, a voltage pulse generator (GIN), a parabolic mirror for converting a laser beam into a spherically diverging wave, mounted inside the anode paraboloid coaxially and sof placing behind him. Due to the shape of the electrodes, this generator has a very low efficiency of converting electrostatic energy into electromagnetic energy ≈2% and an extremely unsuccessful radiation pattern: the generator does not radiate along its axis.
Другое устройство, описанное в [4] (P.V.Petrov, V.I.Afonin, D.O.Zamuraev et al., ((Experimental and Theoretical Investigation of Directional Wideband Electromagnetic Pulse Photoemission Generator», Book of Abstracts of EUROEM 2008 European Electromagnetics, Lausanne, Switzerland, 21-25 July 2008, P.302; A.A. Кондратьев, Ю.Н. Лазарев, A.B. Потапов и др., «Экспериментальное исследование генератора ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника», Доклады Академии Наук, 2011. Т.438, №5, С.615), включает в себя ГИН, импульсный лазер, плоский вакуумный фотодиод с сетчатым анодом, вакуумную камеру над анодом, систему ввода ЛИ и вывода ЭМИ в виде стеклянного окна в стенке вакуумной камеры, противоположной аноду.Another device described in [4] (PVPetrov, VIAfonin, DOZamuraev et al., (Experimental and Theoretical Investigation of Directional Wideband Electromagnetic Pulse Photoemission Generator ”, Book of Abstracts of EUROEM 2008 European Electromagnetics, Lausanne, Switzerland, 21 -25 July 2008, P.302; AA Kondratyev, Yu.N. Lazarev, AB Potapov et al., “Experimental study of a microwave EMP generator based on a superluminal source”, Reports of the Academy of Sciences, 2011. V.438, No. 5, S.615), includes a GIN, a pulsed laser, a flat vacuum photodiode with a mesh anode, a vacuum chamber above the anode, a LI input and EMI output system in the form of a glass window in a vacuum wall me a camera opposite the anode.
Этот генератор работает следующим образом. На разрядный промежуток подается импульс напряжения амплитудой до 100 кВ, длительностью фронта около 2·10-9 сек, τFWHM≈7·10-9 сек. Импульсный лазер генерирует импульс излучения с плоским фронтом длительностью τFWHM≈1·10-12 сек, энергией импульса (100-600)мкДж, λ=0.53 мкм. Лазерное излучение проходит через сетчатый анод, падает на Cs3Sb фотокатод под углом θ=45° и выбивает из него электроны. Процесс фотоэмиссии распространяется вдоль поверхности фотокатода со скоростью
Согласно существующим представлениям возникающая над анодом электромагнитная волна имеет в области источника амплитуду Hout=tgθ·ε/eλ, здесь θ - угол падения лазерного излучения (ЛИ), инициирующего разряд фотодиода, s - максимальная энергия электронов, вылетающих из анода, λ=cT, T - характерное время процесса разряда фотодиода. В зависимости от условий облучения, размеров разрядного промежутка L и величины начальной разности потенциалов φ0 время T равно либо времени образования объемного заряда Tp, либо времени пролета электроном разрядного промежутка -
Известно, что при наклонном падении ЛИ и T0/Tp→∞ максимальная энергия электронов, вылетающих из разрядного промежутка, зависит от угла падения ЛИ θ: ε=eφ0Cos2θ, что приводит к ∝Cos2θ уменьшению амплитуды волны и ∝Cos2θ уменьшению плотности потока электромагнитной энергии над анодом (А.В.Солдатов, А.А.Соловьев, М.С.Терехина, Физика плазмы, 2007, Т.33, С.795).It is known that for an inclined incident LI and T 0 / T p → ∞, the maximum energy of electrons emitted from the discharge gap depends on the angle of incidence LI θ: ε = eφ0Cos 2 θ, which leads to ∝Cos 2 θ decreasing the wave amplitude and ∝Cos 2 θ decrease in the density of electromagnetic energy flux above the anode (A.V. Soldatov, A.A. Soloviev, M.S. Terekhina, Plasma Physics, 2007, V.33, P.795).
Значительное снижение энергии вылетающих из анода электронов при θ≥45° свидетельствует о том, что внутри фотодиода генерируется довольно сильная электромагнитная волна, тормозящая электроны. Амплитуда этой волны должна быть сравнима с величиной электрического поля Е0, приложенного к разрядному промежутку. Поскольку Eout>Е0, то поток энергии в такой волне гораздо больше потока электромагнитной энергии над анодом. Следовательно, если для генерации электромагнитного излучения использовать не внешнюю, а внутреннюю область фотодиода, то можно получить гораздо более мощный источник ЭМИ, чем при известном способе генерации.A significant decrease in the energy of electrons emitted from the anode at θ≥45 ° indicates that a rather strong electromagnetic wave is generated inside the photodiode, which slows down the electrons. The amplitude of this wave should be comparable with the magnitude of the electric field E 0 applied to the discharge gap. Since E out > E 0 , the energy flux in such a wave is much larger than the electromagnetic energy flux above the anode. Consequently, if we use not the external but the internal region of the photodiode to generate electromagnetic radiation, then a much more powerful source of electromagnetic radiation can be obtained than with the known generation method.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, позволяющего получать импульсы широкополосного ЭМИ СВЧ диапазона с существенно более высокими значениями интенсивности излучения и, как следствие, более высокой эффективностью преобразования электростатической энергии в энергию ЭМИ.The objective of the present invention is to create a method that allows to obtain pulses of a broadband EMP microwave range with significantly higher values of the radiation intensity and, as a result, a higher efficiency of the conversion of electrostatic energy into EMP energy.
Поставленная задача решается тем, что в отличие от известного способа генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, включающего наклонное облучение фотокатода лазерным излучением, проходящим через анод, эмиссию электронов с катода в вакуумированный объем, ускорение электронов между фотокатодом и анодом, прохождение электронов через анод, движение электронов над анодом с формированием виртуального катода, в предлагаемом способе лазерное излучение попадает на фотокатод, проходя либо через торцевую границу межэлектродного пространства, либо через анод, либо через то и другое вместе. При этом областью генерации ЭМИ является область между электродами, в которой интенсивность ЭМИ более чем на порядок выше, чем над анодом вследствие запирания ЭМИ между отражающими электродами и увеличения времени взаимодействия между ЭМИ и электронами.The problem is solved in that, in contrast to the known method for generating electromagnetic radiation of the microwave range, including oblique irradiation of the photocathode with laser radiation passing through the anode, electron emission from the cathode into the evacuated volume, electron acceleration between the photocathode and anode, electron passage through the anode, electron motion above the anode with the formation of a virtual cathode, in the proposed method, laser radiation enters the photocathode, either passing through the end boundary of the interelectrode transits, either through the anode, or through both. In this case, the region of EMR generation is the region between the electrodes, in which the EMR intensity is more than an order of magnitude higher than above the anode due to the locking of the EMR between the reflecting electrodes and the increase in the interaction time between the EMR and the electrons.
Поскольку область над анодом не рассматривается как источник ЭМИ, то электроны, прошедшие через анод, могут двигаться любым возможным образом и, в частности, поглощаться. Следовательно, размер области над анодом может изменяться в случае необходимости.Since the region above the anode is not regarded as a source of electromagnetic radiation, the electrons that have passed through the anode can move in any way possible and, in particular, be absorbed. Therefore, the size of the region above the anode can be changed if necessary.
Облучение фотодиода через торец позволяет отказаться от сетчатого анода, расширяет возможности облучения стопки одинаковых фотодиодов, поскольку лазерное излучение может облучать фотокатод и в результате отражения от электродов. Многократное отражение ЛИ от электродов обеспечивает более эффективное использование энергии ЛИ, позволяет увеличить длину фотодиода в направлении распространения ЛИ, чтобы амплитуда генерируемой электромагнитной волны была близка к насыщению.Irradiation of the photodiode through the end allows you to abandon the mesh anode, expands the possibilities of irradiating a stack of identical photodiodes, since laser radiation can irradiate the photocathode as a result of reflection from the electrodes. Multiple reflection of the LI from the electrodes provides a more efficient use of the LI energy, allows increasing the length of the photodiode in the direction of LI propagation, so that the amplitude of the generated electromagnetic wave is close to saturation.
Технический результат заявляемого способа состоит в получении гораздо более интенсивной генерации ЭМИ за счет того, что электромагнитная волна, возникающая внутри разрядного промежутка, более эффективно отбирает энергию электронов, чем волна, возникающая над анодом. В итоге имеет место и более высокая эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную.The technical result of the proposed method is to obtain a much more intense generation of EMR due to the fact that the electromagnetic wave that occurs inside the discharge gap more efficiently selects the energy of electrons than the wave that appears above the anode. As a result, there is a higher efficiency of converting electrostatic energy into electromagnetic energy.
В конкретном устройстве этот результат достигается за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и прототип [4], включает в себя импульсный или импульсно-периодический лазер, плоский вакуумный фотодиод, подключенный к генератору импульсного напряжения, систему ввода ЛИ, систему вывода ЭМИ, вакуумную камеру для ускоренных электронов, прошедших через анод, но в отличие от известного он использует для генерации ЭМИ межэлектродное пространство фотодиода, где амплитуды генерируемых полей существенно выше. Поскольку межэлектродный зазор мал, то для увеличения площади излучающей апертуры несколько фотодиодов вместе с вакуумными камерами соединены в стопку. Это стало возможным благодаря тому, что ЛИ попадает внутрь фотодиода через его торцевую поверхность и распространяется внутри фотодиода, отражаясь от электродов. Таким образом, система ввода ЛИ расположена на одних торцах фотодиодов, а система вывода ЭМИ - на противоположных. В итоге за счет соединения фотодиодов в стопку можно создать такую же площадь излучающей апертуры, как и у прототипа, и вследствие более высоких значений интенсивности генерируемого ЭМИ получить источник ЭМИ с существенно большими значениями мощности и энергии при тех же входных параметрах, что и у прототипа. Роль лазерного излучения остается прежней. Оно обеспечивает образование необходимого количества электронов и синхронизацию излучения, в данном случае испускаемого разными фотодиодами.In a particular device, this result is achieved due to the fact that the proposed EMR generator, like the prototype [4], includes a pulsed or pulsed-periodic laser, a flat vacuum photodiode connected to a pulsed voltage generator, a LI input system, an EMR output system, a vacuum chamber for accelerated electrons passing through the anode, but unlike the known one, it uses the interelectrode space of the photodiode to generate electromagnetic radiation, where the amplitudes of the generated fields are much higher. Since the interelectrode gap is small, to increase the area of the radiating aperture, several photodiodes together with vacuum chambers are connected in a stack. This became possible due to the fact that the LI enters the photodiode through its end surface and propagates inside the photodiode, reflected from the electrodes. Thus, the LI input system is located at one end of the photodiodes, and the EMR output system is located at the opposite ends. As a result, by connecting the photodiodes to the stack, it is possible to create the same area of the emitting aperture as that of the prototype, and due to higher intensity values of the generated EMR, obtain an EMR source with significantly higher power and energy values at the same input parameters as the prototype. The role of laser radiation remains the same. It provides the formation of the required number of electrons and the synchronization of radiation, in this case emitted by different photodiodes.
Физические основы предложенного изобретения поясняются ниже.The physical basis of the proposed invention is explained below.
Поскольку размеры рассматриваемого источника значительно больше характерной длины волны излучения, то изучение такого источника сводится к изучению разряда плоского фотодиода.Since the dimensions of the source under consideration are much larger than the characteristic radiation wavelength, the study of such a source reduces to the study of the discharge of a planar photodiode.
Приближенное решение уравнений Максвелла внутри плоского фотодиода.An approximate solution of the Maxwell equations inside a planar photodiode.
Рассмотрим бесконечный вдоль x, y, плоский фотодиод
При T0/Tp>1 в роли характерного времени процессов выступает Т0.At T 0 / T p > 1, the characteristic time of the processes is T 0 .
Тогда, если
Здесь
Практически достаточно выполнения более слабого условия
Анализ полученного решения.Analysis of the solution.
Сравним плотности потока энергии электромагнитной волны внутри фотодиодаLet us compare the energy flux density of an electromagnetic wave inside a photodiode
и над анодомand above the anode
Согласно уравнению(4)According to equation (4)
Из уравнения Максвелла следует, чтоIt follows from the Maxwell equation that
Подставляя (5) в (6), получимSubstituting (5) into (6), we obtain
Так как амплитуда плотности дипольного момента зависит только от максимальной энергии электроновSince the amplitude of the density of the dipole moment depends only on the maximum electron energy
то имеет место следующая оценка амплитуды магнитного поляthen the following estimate of the magnetic field amplitude takes place
Если считать, что внутри фотодиода возбуждается главная волна, распространяющаяся вдоль оси х, тоIf we assume that the main wave propagating along the x axis is excited inside the photodiode, then
и, следовательно,and therefore
Над анодомAbove the anode
Максимальное значение Wout достигается при Cos2θ=0.6The maximum value of W out is achieved at Cos 2 θ = 0.6
Сравнивая (9) и (10), получимComparing (9) and (10), we obtain
Из (11) следует, что при
Поскольку Т0 - характерное время изменения плотности дипольногоSince T 0 is the characteristic time of the change in the density of the dipole
момента и ее производных, то генерируемая внутри фотодиода электромагнитная волна может усиливаться на пространственном масштабе ~λ=cT0. Следовательно, для lx имеет место следующая оценкаmoment and its derivatives, the electromagnetic wave generated inside the photodiode can be amplified on a spatial scale of ~ λ = cT 0 . Therefore, for l x, the following estimate holds:
lx~λSinθ.l x ~ λSinθ.
Рассмотрим источник ЭМИ (рис.4, 5), представляющий собой стопку из N>>1 плоских фотодиодов с прямоугольными электродами lx×Ly (lx<<Ly, Ly>>cT0) и межэлектродным зазором L. Согласно полученному выше результату такой источник может излучить в десятки раз больше энергии, чем фотодиод, в котором электромагнитная волна излучается дипольным слоем, образующимся над анодом, и который имеет характеристики разрядного промежутка
Результаты численных расчетов генерации ЭМИ внутри плоского фотодиода.The results of numerical calculations of the generation of electromagnetic radiation inside a planar photodiode.
При численном изучении динамики разряда внутри плоского фотодиода в двумерной постановке решались уравнения Максвелла и уравнения движения электронов. Рассматривались два случая.In a numerical study of the discharge dynamics inside a planar photodiode in a two-dimensional formulation, the Maxwell equations and the equations of electron motion were solved. Two cases were considered.
В первом предполагалось, что ЛИ облучает фотокатод, проходя через прозрачный для ЛИ и электронов анод. Исследовались характеристики электромагнитной волны (lx, Wx) внутри фотодиода для трех значений угла падения ЛИ, соответствующих tgθ=0.5, 1, 2. Длина фотодиода изменялась от Lx=0.2 см до Lx=5 см, межэлектродный зазор L=0.1 см, φ(z=-L)=-100 кВ, φ(z=0)=0. Данные расчетов в сравнении с соответствующими аналитическими результатами представлены на рис.1, 2.In the first, it was assumed that the laser irradiates the photocathode, passing through a transparent anode for the laser radiation and electrons. We studied the characteristics of the electromagnetic wave (l x , W x ) inside the photodiode for three values of the LI incidence angle corresponding to tgθ = 0.5, 1, 2. The length of the photodiode varied from L x = 0.2 cm to L x = 5 cm, the interelectrode gap was L = 0.1 cm, φ (z = -L) = - 100 kV, φ (z = 0) = 0. The calculation data in comparison with the corresponding analytical results are presented in Figs. 1, 2.
Во втором случае предполагалось, что фотодиод облучается с торца. Рассматривался бесконечный вдоль оси у плоский фотодиод высотой 2L (L=0.1 см) и длиной вдоль оси х: Lx=1.6 см, tgθ=0.5, 1, 2, 4. Предполагалось, что анод прозрачен для электронов. При z=±L φ=-100 кВ, на аноде (z=0) φ=0. Примерно так, как описано выше, может выглядеть типичный элемент стопки фотодиодов.In the second case, it was assumed that the photodiode is irradiated from the end. We considered a plane photodiode, infinite along the y axis, with a height of 2L (L = 0.1 cm) and a length along the x axis: L x = 1.6 cm, tanθ = 0.5, 1, 2, 4. It was assumed that the anode is transparent to electrons. At z = ± L φ = -100 kV, at the anode (z = 0) φ = 0. Approximately, as described above, a typical element of a stack of photodiodes may look like.
Лазерное излучение падает на отрезок фотокатода (z=-L) длиной 2Ltgθ. Отразившись от фотокатода и от анода, оно через промежуток времени
Эти условия означают, что сложение электромагнитных волн, генерируемых разными областями фотодиода, происходит примерно так же, как и при сплошном облучении фотокатода, рассмотренном в первом случае. И поскольку длина диода превышает длину, на которой электромагнитная волна достигает предельной амплитуды, то расчетные значения амплитуды плотности потока энергии на выходе из фотодиода должны быть близки к теоретическим оценкам, что и демонстрирует график, показанный на рис.3. Эффективность преобразования электростатической энергии в электромагнитную, примерно, 43% при tgθ=4(θ≈76°).These conditions mean that the addition of electromagnetic waves generated by different regions of the photodiode occurs in approximately the same way as with continuous irradiation of the photocathode, considered in the first case. And since the length of the diode exceeds the length at which the electromagnetic wave reaches the limiting amplitude, the calculated values of the amplitude of the energy flux density at the output of the photodiode should be close to theoretical estimates, which is shown in the graph shown in Fig. 3. The conversion efficiency of electrostatic energy into electromagnetic energy is approximately 43% at tgθ = 4 (θ≈76 °).
Результаты аналитического и численного исследования электромагнитного поля, возникающего внутри плоского фотодиода, разряд которого инициируется плоским потоком ЛИ, наклонно падающим на фотокатод, показывают, чтоThe results of analytical and numerical studies of the electromagnetic field arising inside a planar photodiode, the discharge of which is initiated by a planar flux of radiation, obliquely incident on the photocathode, show that
- при θ→π/2 амплитуда электромагнитной волны внутри фотодиода достигает величины, сравнимой с величиной начального электрического поля, приложенного к фотодиоду;- when θ → π / 2, the amplitude of the electromagnetic wave inside the photodiode reaches a value comparable to the value of the initial electric field applied to the photodiode;
- плотность потока электромагнитной энергии внутри фотодиода в десятки и более раз превышает плотность потока электромагнитной энергии в пространстве над анодом.- the density of the flux of electromagnetic energy inside the photodiode is tens or more times higher than the density of the flux of electromagnetic energy in the space above the anode.
Таким образом, источник электромагнитного излучения, использующий для генерации ЭМИ внутреннее пространство фотодиода, имеет в десятки раз более высокие энергетические характеристики, чем в известном техническом решении, в котором ЭМИ генерируется дипольным слоем над анодом. В качестве такого источника можно представить себе стопку (стэк) плоских фотодиодов. При E0=φ0/L≈l06 В/см, L=0.1 см мощность, снимаемая с 1 см2 излучающей апертуры источника, будет ~3·109 Вт.Thus, the electromagnetic radiation source that uses the internal space of the photodiode to generate EMP has tens of times higher energy characteristics than the well-known technical solution in which the EMP is generated by a dipole layer above the anode. As such a source, one can imagine a stack (stack) of flat photodiodes. When E 0 = φ 0 / L≈l0 6 V / cm, L = 0.1 cm, the power taken from 1 cm 2 of the radiating aperture of the source will be ~ 3 · 10 9 W.
На рис.1 приведены сравнительные данные для длины, на которой электромагнитная волна внутри плоского фотодиода достигает максимальной амплитуды • - численный расчет, ―― - lx≈2.7 cT0Sinθ.Figure 1 shows comparative data for the length at which the electromagnetic wave inside the planar photodiode reaches its maximum amplitude • - numerical calculation, ―― - l x ≈2.7 cT 0 Sinθ.
На рис.2 показана зависимость амплитуды плотности потока энергии внутри плоского фотодиода от угла падения лазерного излучения на фотокатод при облучении через анод (сплошное облучение).Figure 2 shows the dependence of the amplitude of the energy flux density inside a flat photodiode on the angle of incidence of laser radiation on the photocathode when irradiated through the anode (continuous irradiation).
На рис.3 приведены результаты расчета амплитуды плотности потока энергии внутри плоского фотодиода для различных углов падения лазерного излучения на фотокатод при облучении с торца фотодиода.Figure 3 shows the results of calculating the amplitude of the energy flux density inside a planar photodiode for different angles of incidence of laser radiation on the photocathode when irradiated from the end of the photodiode.
На рис.4, 5 изображены примеры выполнения генератора широкополосного ЭМИ, использующего предложенный способ генерации. Генератор представляет собой стопку из одинаковых плоских фотодиодов, облучаемых с торца импульсом ЛИ с плоским фронтом. Лазерное излучение синхронизует электромагнитное излучение отдельных фотодиодов стопки в направлении распространения ЛИ. 1 - фотокатод, 2 - анод, 3 - вакуумная камера, 4 - зеркало, стрелками показан ход ЛИ.Figures 4 and 5 show examples of the implementation of a broadband EMR generator using the proposed generation method. The generator is a stack of identical flat photodiodes irradiated from the end by a plane-front LI pulse. Laser radiation synchronizes the electromagnetic radiation of individual photodiodes of the stack in the direction of LI propagation. 1 - photocathode, 2 - anode, 3 - vacuum chamber, 4 - mirror, arrows indicate the progress of the PI.
Эти примеры не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенными совокупностями существенных признаков требуемого результата.These examples are not the only possible ones, but they clearly demonstrate the possibility of achieving the essential characteristics of the desired result by the given sets.
Многие элементы прототипа могут быть использованы и в предлагаемых устройствах. Можно использовать тот же самый ГИН, лазерное излучение с длиной волны λ≈0.53 мкм и сурьмяно-цезиевые фотокатоды. Анод 2 может быть выполнен из фольги, например, скандиевой. Зеркало 4 может быть изготовлено из любого металла с достаточно высокой проводимостью.Many elements of the prototype can be used in the proposed devices. You can use the same GIN, laser radiation with a wavelength of λ≈0.53 μm and antimony-cesium photocathodes. The
Работа генератора ЭМИ, например, изображенного на рис.4, начинается с подачи импульса напряжения на стопку фотодиодов. После того, как напряжение на разрядных промежутках достигает максимума порядка 100 кВ, начинается их облучение импульсом ЛИ длительностью порядка пикосекунды или менее. Поток ЛИ с плоским фронтом, распространяющийся перпендикулярно торцевой поверхности стопки фотодиодов, падает на систему зеркал и разделяется на параллельные пучки, облучающие фотокатоды под некоторым углом θ относительно нормали к их поверхностям. Кванты ЛИ выбивают из фотокатода электроны, которые ускоряются в электрическом поле между фотокатодом и анодом и излучают ЭМИ. Внутри каждого фотодиода стопки пучок ЛИ, последовательно отражаясь от фотокатода и анода, создает растущую со скоростью c·Sinθ цепочку таких источников. Чем ближе угол θ к 90°, тем ближе скорость роста цепочки источников к скорости света, тем больше та длина цепочки, на которой источники излучают вдоль оси фотодиода почти синхронно и на которой амплитуды полей от разных источников складываются, достигая при насыщении величины, близкой к величине начального поля в разрядном промежутке. Поскольку оптические длины для фотодиодов стопки одинаковы, то ЭМИ, испускаемое стопкой фотодиодов, будет так же как и ЛИ иметь плоский фронт, параллельный фронту ЛИ. При этом мощность, снимаемая с единицы площади излучающей апертуры рассматриваемого генератора, будет много больше аналогичной величины для прототипа, поскольку амплитуда поля в межэлектродном промежутке почти на порядок больше амплитуды поля над анодом.The operation of the EMP generator, for example, shown in Fig. 4, begins with the supply of a voltage pulse to the stack of photodiodes. After the voltage across the discharge gaps reaches a maximum of about 100 kV, they begin to irradiate with an LI pulse of a duration of the order of a picosecond or less. A flow of linear-plane lasers propagating perpendicular to the end surface of a stack of photodiodes falls on a system of mirrors and is divided into parallel beams irradiating the photocathodes at an angle θ relative to the normal to their surfaces. LI quanta knock out electrons from the photocathode, which are accelerated in the electric field between the photocathode and the anode and emit electromagnetic radiation. Inside each stack photodiode, the LI beam, successively reflected from the photocathode and anode, creates a chain of such sources growing with speed c · Sinθ. The closer the angle θ to 90 °, the closer the growth rate of the source chain to the speed of light, the greater the length of the chain at which the sources emit along the axis of the photodiode almost synchronously and at which the field amplitudes from different sources add up, reaching a value close to the magnitude of the initial field in the discharge gap. Since the optical lengths for the stack photodiodes are the same, the EMR emitted by the stack of photodiodes will, like the LI, have a flat front parallel to the LI front. In this case, the power taken from a unit area of the radiating aperture of the generator in question will be much larger than the same value for the prototype, since the field amplitude in the interelectrode gap is almost an order of magnitude larger than the field amplitude above the anode.
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011127824/07A RU2488909C2 (en) | 2011-07-06 | 2011-07-06 | Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2011127824/07A RU2488909C2 (en) | 2011-07-06 | 2011-07-06 | Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2011127824A RU2011127824A (en) | 2013-01-20 |
RU2488909C2 true RU2488909C2 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=48804922
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2011127824/07A RU2488909C2 (en) | 2011-07-06 | 2011-07-06 | Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2488909C2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2552518C2 (en) * | 2013-10-15 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range |
RU2608544C1 (en) * | 2015-09-22 | 2017-01-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Amplifier of powerful microwave signals |
RU2611574C2 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for generating electromagnetic radiation of uhf range |
RU2668271C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4150340A (en) * | 1978-03-22 | 1979-04-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High-power microwaves from a non-isochronous reflecting electron system (NIRES) |
US4453108A (en) * | 1980-11-21 | 1984-06-05 | William Marsh Rice University | Device for generating RF energy from electromagnetic radiation of another form such as light |
RU2175154C2 (en) * | 1999-11-15 | 2001-10-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Electromagnetic pulse generator |
US7285915B2 (en) * | 1994-12-01 | 2007-10-23 | Frederick Michael Mako | Electron gun for producing incident and secondary electrons |
US7301263B2 (en) * | 2004-05-28 | 2007-11-27 | Applied Materials, Inc. | Multiple electron beam system with electron transmission gates |
-
2011
- 2011-07-06 RU RU2011127824/07A patent/RU2488909C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4150340A (en) * | 1978-03-22 | 1979-04-17 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | High-power microwaves from a non-isochronous reflecting electron system (NIRES) |
US4453108A (en) * | 1980-11-21 | 1984-06-05 | William Marsh Rice University | Device for generating RF energy from electromagnetic radiation of another form such as light |
US7285915B2 (en) * | 1994-12-01 | 2007-10-23 | Frederick Michael Mako | Electron gun for producing incident and secondary electrons |
RU2175154C2 (en) * | 1999-11-15 | 2001-10-20 | Российский Федеральный Ядерный Центр - Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики | Electromagnetic pulse generator |
US7301263B2 (en) * | 2004-05-28 | 2007-11-27 | Applied Materials, Inc. | Multiple electron beam system with electron transmission gates |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2552518C2 (en) * | 2013-10-15 | 2015-06-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method of generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range |
RU2611574C2 (en) * | 2015-08-03 | 2017-02-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Method for generating electromagnetic radiation of uhf range |
RU2608544C1 (en) * | 2015-09-22 | 2017-01-19 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Amplifier of powerful microwave signals |
RU2668271C1 (en) * | 2017-08-14 | 2018-09-28 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Device for generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2011127824A (en) | 2013-01-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Margarone et al. | Laser-driven proton acceleration enhancement by nanostructured foils | |
Mikhailova et al. | Isolated attosecond pulses from laser-driven synchrotron radiation | |
Bashinov et al. | New horizons for extreme light physics with mega-science project XCELS | |
US9837786B2 (en) | Short period undulator | |
RU2488909C2 (en) | Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation | |
Pan et al. | Tunable hard x-ray source from obliquely incident intense laser interacting with overdense solid targets | |
Manheimer et al. | High power, fast, microwave components based on beam generated plasmas | |
RU2562831C1 (en) | Generator of electromagnetic pulses | |
CN112072456B (en) | System for generating vortex gamma photon beam by driving micro-channel target by superstrong laser | |
TW201523109A (en) | Antenna system generating quasi relativistic radiation | |
RU2552518C2 (en) | Method of generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range | |
RU2668271C1 (en) | Device for generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range | |
Loza et al. | Increase in the average radiation power of a plasma relativistic microwave generator | |
Aryshev et al. | Development of microwave and soft X-ray sources based on coherent radiation and Thomson scattering | |
RU2738959C1 (en) | Electromagnetic pulse generator | |
RU2572104C1 (en) | Generator of electromagnetic pulses | |
RU201842U1 (en) | Vircator | |
Baryshnikov et al. | Amplification and formation of femtosecond laser single pulses upon the high-current electron beam pumping of Ti: Al2O3 crystals | |
Sakharov et al. | Particle-in-cell simulation of multipactor discharge on a dielectric in a parallel-plate waveguide | |
RU2611574C2 (en) | Method for generating electromagnetic radiation of uhf range | |
Bessarab et al. | An ultrawideband electromagnetic pulse transmitter initiated by a picosecond laser. | |
KR101223811B1 (en) | Enhancement of coherence in relativistic nonlinear Thomson scattering and generation of high power ultrashort X-ray pulse using nanotube or nanowire target and sharply increasing laser pulse | |
Nasibov et al. | Laser radiation of Cd x Zn 1− x S semiconductor targets of the gas diode | |
Yousef-Zamanian et al. | Investigation of radiation mechanism in THz generation based on laser-induced plasma in air | |
Kuratov et al. | Generation of terahertz electromagnetic wave by high-intensity laser pulse interaction with solid targets |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20160707 |