RU2156527C1

RU2156527C1 - Method for generation of electromagnetic pulse in air

Info

Publication number: RU2156527C1
Application number: RU99114109A
Authority: RU
Inventors: А.Е. Дубинов; В.П. Петровский; С.В. Холод; Ю.К. Сасиновский
Original assignee: Центральный физико-технический институт Министерства обороны Российской Федерации
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 1999-06-30
Publication date: 2000-09-20

Abstract

FIELD: generation equipment. SUBSTANCE: method may be used in design of generators using pulse gamma- quanta sources with nanosecond (1-100 ns) rate. Method involves preliminary production of asymmetry factor of Compton electron spreading, and triggering gamma-quanta pulse source. Goal of invention is achieved by design of asymmetry of Compton electron spreading using at least one wire, which is located about gamma- quanta source, so that distance from gamma-quanta source is less than mean free path distance of gamma-quanta in air at given height. Then, electric current is passed through wire. In addition, electric current in wire can be generated using detonation generator or detonation-magnetic generator. EFFECT: possibility to generate electromagnetic pulses in air at arbitrary height, possibility to control direction of spreading of electromagnetic pulses. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерации и излучения электромагнитных импульсов (ЭМИ) в атмосфере на различных высотах и может быть использовано при разработке соответствующих излучателей, использующих импульсные, наносекундной длительности (1...100 нс) источники γ--квантов. The invention relates to techniques for the generation and emission of electromagnetic pulses (EMP) in the atmosphere at various heights and can be used in the development of appropriate emitters using pulsed, nanosecond duration (1 ... 100 ns) sources of γ quanta.

Принцип действия устройств на основе импульсных источников γ--квантов в атмосфере основан на выбивании из атомов и молекул воздуха релятивистских комптоновских электронов, направленное движение которых создает электрический ток и индуцирует электрическое поле разделения зарядов. Для сферически симметричного источника γ--квантов излучение ЭМИ отсутствует, так как дипольный, квадрупольный и высшие моменты системы зарядов равны нулю. Поэтому известные способы излучения ЭМИ в атмосфере, основанные на использовании импульсных сферически симметричных источников γ--квантов, различаются тем, каким образом создается асимметрия разлета комптоновских электронов. The principle of operation of devices based on pulsed sources of γ - quanta in the atmosphere is based on knocking out relativistic Compton electrons from atoms and molecules of air, the directional movement of which creates an electric current and induces an electric field of charge separation. For a spherically symmetric source of gamma rays, EMP radiation is absent, since the dipole, quadrupole, and higher moments of the system of charges are equal to zero. Therefore, the known methods for emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, based on the use of pulsed spherically symmetric sources of γ quanta, differ in how the asymmetry of expansion of Compton electrons is created.

Известен способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ--квантов, который предварительно размещают вблизи проводящей поверхности, например поверхности Земли - элемента, создающего асимметрию разлета комптоновских электронов, [1] (Кувшинников В.М., Медведев Ю.А., "Электромагнитное поле от источника гамма-излучения, расположенного на границе двух сред". - В сб. Импульсные электромагнитные поля быстропрпротекающих процессов и измерение их параметров. - М.: Атомиздат, 1976, с. 57) так, чтобы расстояние между источником γ--квантов и поверхностью не превышало средней длины свободного пробега γ--квантов. Для источников γ-- квантов с их средней энергией порядка нескольких МэВ это расстояние не превышает 2-3 км. Таким образом, способ [1] можно реализовать для высот расположения источника γ-- квантов не более 2-3 км относительно Земли. A known method of emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, which consists in switching on a pulsed source of γ quanta, which is preliminarily placed near a conducting surface, for example, the Earth’s surface, an element that creates asymmetry in the expansion of Compton electrons, [1] (Kuvshinnikov V.M., Medvedev Yu.A. ., "Electromagnetic field from a gamma radiation source located at the boundary of two media." - In Sat Pulse electromagnetic fields of fast processes and measurement of their parameters. - M.: Atomizdat, 1976, p. 57) so that the distance between nick γ - ray and the surface does not exceed the mean free path of γ - ray. For sources of gamma rays with an average energy of the order of several MeV, this distance does not exceed 2-3 km. Thus, the method [1] can be implemented for heights of the location of the source of γ - quanta of no more than 2-3 km relative to the Earth.

Известен также способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ--квантов, который предварительно размещают в области существенного перепада давления атмосферы в зависимости от высоты [2] (Gilinsky V. , Peebls G. , "The development of a radio signal from a nuclear explosion in the atmosphere", J. Geoph. Res., 1968, v. 137, N 1, p. 405). Перепад давления здесь вызывает асимметрию длин пробега γ--квантов и комптоновских электронов. Однако особенности строения атмосферы Земли приводят к тому, что этот способ имеет значение только для высот расположения импульсного источника γ-- квантов, превышающих 10-15 км. There is also known a method of emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, which consists in switching on a pulsed source of γ quanta, which is preliminarily placed in the region of a significant pressure drop of the atmosphere depending on height [2] (Gilinsky V., Peebls G., "The development of a radio signal from a nuclear explosion in the atmosphere ", J. Geoph. Res., 1968, v. 137, N 1, p. 405). The pressure drop here causes an asymmetry in the mean free path of γ quanta and Compton electrons. However, the structural features of the Earth's atmosphere lead to the fact that this method is important only for the heights of the location of the pulsed source of γ - quanta exceeding 10-15 km.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ излучения ЭМИ в атмосфере, заключающийся во включении импульсного источника γ-- квантов, который предварительно размещают в геомагнитном поле [3] (Виленская Г.Г., Медведев Ю. А. , Федорович Г.В., Степанов Б.М., "Возмущение магнитного поля стационарным источником гамма-квантов". Журнал прикладной механики и технической физики, 1975, N 2, с. 141), которое выполняет роль фактора асимметрии разлета комптоновских электронов. Данный способ реализуем, когда средняя длина пробега комптоновских электронов превышает величину его ларморовского радиуса. Это приводит к тому, что способ применим для высот расположения импульсного источника γ--квантов, превышающих 10-15 км. Closest to the proposed solution is a method of emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, which consists in switching on a pulsed source of γ quanta, which is previously placed in a geomagnetic field [3] (Vilenskaya G.G., Medvedev Yu.A., Fedorovich G.V., Stepanov BM, “Perturbation of a magnetic field by a stationary source of gamma rays.” Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, 1975, N 2, p. 141), which plays the role of an asymmetry factor for the expansion of Compton electrons. This method is implemented when the average mean free path of Compton electrons exceeds the value of its Larmor radius. This leads to the fact that the method is applicable for heights of the location of the pulsed source of γ - quanta in excess of 10-15 km.

Таким образом, в значениях высот расположения импульсного источника γ--квантов имеется диапазон (от 2-3 до 10-15 км), в которых перечисленные известные способы не работоспособны. Кроме того, так как факторы асимметрии имеют естественное происхождения с уже имеющейся осью асимметрии, во всех известных способах отсутствует возможность управления направлением распространения ЭМИ. Thus, in the values of the heights of the location of the pulse source of γ - quanta there is a range (from 2-3 to 10-15 km) in which the listed known methods are not functional. In addition, since asymmetry factors are of natural origin with an already existing axis of asymmetry, in all known methods there is no possibility to control the direction of propagation of EMP.

Технической задачей является разработка способа излучения ЭМИ в атмосфере, работающих в диапазоне высот от 2-3 до 10-15 км, так, чтобы имелась возможность управления направлением распространения ЭМИ. The technical task is to develop a method of emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, operating in the altitude range from 2-3 to 10-15 km, so that it is possible to control the direction of propagation of electromagnetic radiation.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность излучения ЭМИ в атмосфере на любой высоте с возможностью управления направлением распространения ЭМИ. The technical result of the invention is the ability to emit electromagnetic radiation in the atmosphere at any height with the ability to control the direction of propagation of electromagnetic radiation.

Этот результат достижим за счет того, что в способе излучения ЭМИ в атмосфере, заключающемся в предварительном создании фактора асимметрии разлета комптоновских электронов и последующем включении импульсного источника γ--квантов, в отличие от известных, в качестве фактора асимметрии вблизи источника γ--квантов размещают по меньшей мере один провод так, чтобы расстояние от источника γ--квантов до ближайшей к нему точки провода было меньше средней длины свободного пробега γ-- квантов в атмосфере на данной высоте, и пропускают по нему электрический ток. Дополнительным отличием предлагаемого способа может быть использование в качестве источника электрического тока в проводе взрывного магнитогидродинамического генератора (ВМГДГ) или взрывомагнитного генератора (ВМГ) [4] ("Импульсные МГД-преобразователи химической энергии в электрическую" / Э.И. Асиновский, В.А. Зейгарник, Е.Ф. Лебедев и др.; Под ред. А.Е. Шейндлина и В.Е. Фортова.- М.: Энергоатомиздат, 1997). This result is achievable due to the fact that in the method of emitting electromagnetic radiation in the atmosphere, which consists in preliminarily creating an asymmetry factor for the expansion of Compton electrons and then turning on the pulsed source of γ quanta, unlike the known ones, they place as an asymmetry factor near the source of γ quanta at least one wire so that the distance from the source of γ quanta to the point of the wire closest to it is less than the average mean free path of γ quanta in the atmosphere at a given height, and an electron is passed through it current An additional difference of the proposed method can be the use of an explosive magnetohydrodynamic generator (VMGDG) or an explosive magnetic generator (VMG) as a source of electric current [4] ("Pulse MHD converters of chemical energy into electrical energy" / E.I. Asinovsky, V.A. Zeigarnik, E.F. Lebedev et al .; Edited by A.E. Sheindlin and V.E. Fortov.- M .: Energoatomizdat, 1997).

Физическая сущность способа основана на возбуждении вблизи токонесущего провода магнитного поля величиной, существенно превышающей геомагнитное поле. Поскольку не существует таких конфигураций провода, чтобы созданное протекающим по нему током магнитное поле имело сферически симметричную конфигурацию, то любая конфигурация будет вносить асимметрию в разлет комптоновских электронов. Таким образом, конфигурация провода может быть любой, например, плоский круговой контур, плоский эллиптический контур, винтовая линия на поверхности кругового цилиндра, замкнутый контур, лежащий на поверхности параболоида вращения и т.д. The physical essence of the method is based on the excitation of a magnetic field near a current-carrying wire with a value significantly exceeding the geomagnetic field. Since there are no wire configurations such that the magnetic field created by the current flowing through it has a spherically symmetric configuration, any configuration will introduce asymmetry into the expansion of Compton electrons. Thus, the configuration of the wire can be any, for example, a flat circular contour, a flat elliptical contour, a helix on the surface of a circular cylinder, a closed contour lying on the surface of a paraboloid of revolution, etc.

Ориентация провода относительно источника γ-- квантов, т.е. для перечисленных примеров: направление перпендикуляра к плоскости кругового и эллиптического контуров, ось винтовой линии, ось параболоида вращения будет определять направление излучения ЭМИ. The orientation of the wire relative to the source of γ-- quanta, i.e. for the listed examples: the direction of the perpendicular to the plane of the circular and elliptical contours, the axis of the helix, the axis of the paraboloid of revolution will determine the direction of radiation of the EMP.

Использование в качестве источника тока ВМГДГ или ВМГ позволит создать вблизи провода такое магнитное поле, в котором ларморовский радиус комптоновских электродов с энергией в несколько МэВ будет менее их пробега в атмосфере даже на нулевой высоте. Using a VMGDG or VMG as a current source will make it possible to create a magnetic field near the wire in which the Larmor radius of Compton electrodes with an energy of several MeV will be less than their path in the atmosphere even at zero height.

На чертеже представлена схема, поясняющая способ, где обозначено 1 - источник γ-- квантов, 2 - источник тока в виде ВМГДГ или ВМГ, 3 - провод в виде плоского кругового контура, имеющего диаметр в несколько сот метров и отстоящий от источника γ-- квантов на расстоянии порядка километра. The drawing shows a diagram explaining a method where 1 is indicated as a source of γ-- quanta, 2 is a current source in the form of VMGDG or VMG, 3 is a wire in the form of a flat circular contour having a diameter of several hundred meters and spaced from the source γ-- quanta at a distance of the order of a kilometer.

Способ реализуется следующим образом. The method is implemented as follows.

Сначала включают источник тока 2, который генерирует токовый импульс в контуре 3, например, амплитудой 10 кА и длительностью 100 мкс. В момент максимума тока в контуре включают источник γ-- квантов 1. First, turn on a current source 2, which generates a current pulse in circuit 3, for example, with an amplitude of 10 kA and a duration of 100 μs. At the instant of maximum current in the circuit, the source of γ quanta 1 is turned on.

γ-- кванты в своем разлете выбивают в атмосфере комптоновские электроны, асимметрия разлета которых задается токонесущим контуром. Асимметрия разлета определяет величину возникающего дипольного момента, который и является источником направленного ЭМИ. γ-quanta in their expansion knock out Compton electrons in the atmosphere, the asymmetry of which is determined by the current-carrying circuit. The asymmetry of expansion determines the magnitude of the dipole moment that arises, which is the source of the directional electromagnetic radiation.

Оценим энергетические затраты. Пусть диаметр контура составляет 300 м, а диаметр провода, из которого сделан провод, - 1 см. Тогда индуктивность контура составит примерно 2 мГн. Для генерирования в таком контуре тока величиной 10 кА необходима энергия порядка 100 кДж. Согласно [4], выходные характеристики современных ВМГДГ и ВМГ существенно превосходят необходимые для реализации предлагаемого способа параметры. We estimate the energy costs. Let the diameter of the circuit is 300 m, and the diameter of the wire from which the wire is made is 1 cm. Then the inductance of the circuit will be approximately 2 mH. An energy of about 100 kJ is needed to generate a current of 10 kA in such a circuit. According to [4], the output characteristics of modern VMGDG and VMG significantly exceed the parameters necessary for the implementation of the proposed method.

Claims

1. The method of emission of an electromagnetic pulse in the atmosphere, which consists in preliminary creating an asymmetry factor for the expansion of Compton electrons and then turning on a pulsed source of γ-quanta and characterized in that at least one wire is placed as an asymmetry factor near the source of γ-quanta so that the distance from the source of γ-quanta to the point of the wire closest to it, there was less than the average mean free path of γ-quanta in the atmosphere at a given height, and an electric current was passed through it.

2. The method according to claim 1, characterized in that an explosive magnetohydrodynamic generator is used as a source of electric current in the wire.

3. The method according to claim 1, characterized in that an explosive magnetic generator is used as a source of electric current in the wire.