RU2572104C1 - Generator of electromagnetic pulses - Google Patents

Generator of electromagnetic pulses Download PDF

Info

Publication number
RU2572104C1
RU2572104C1 RU2014135085/07A RU2014135085A RU2572104C1 RU 2572104 C1 RU2572104 C1 RU 2572104C1 RU 2014135085/07 A RU2014135085/07 A RU 2014135085/07A RU 2014135085 A RU2014135085 A RU 2014135085A RU 2572104 C1 RU2572104 C1 RU 2572104C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
photocathode
rotation
radiation
paraboloid
anode
Prior art date
Application number
RU2014135085/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Григорьевич Гаранин
Сергей Павлович Мартыненко
Николай Александрович Прудкой
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом"
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом", Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" - ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" - Госкорпорация "Росатом"
Priority to RU2014135085/07A priority Critical patent/RU2572104C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2572104C1 publication Critical patent/RU2572104C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: invention is referred to method of electromagnetic pulses (EMP) generation and may be used in pulse detection and ranging and pulsed filed testing of radio electronic equipment. The device includes photocathode and mesh anode with their operating surfaces made as surfaces of rotation bodies are connected to voltage source, pulse or pulse-periodic light source, converter converting radiation of the light source into spherically diverging wave of optical, ultraviolet or X-ray radiation, which radiation centre matches focus of the photocathode. The mesh anode is placed at equidistance from the photocathode, and operating surface of the photocathode is represented by nonsymmetrical cutout from paraboloid of rotation deformed by shifting its points from the peak and along radius of rotation in regard to radius of rotation. Additional distinctions may include the fact that nonsymmetrical cutout from paraboloid of rotation may be made as a circular or oval cylinder or rectangular prism. The converter may be made as parabolic mirror with metal or dielectric multilayer coating or as flat target of spherical, conical or flat shape.
EFFECT: improved directivity and increased intensity of the generated electromagnetic emission, which allows expanding its scope of application in radar detecting and ranging and tests methods for pulsed electromagnetic effects.
3 cl, 5 dwg

Description

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

Известен генератор ЭМИ [Бессараб А.В. и др., «Сверхсветовой источник электромагнитного излучения, инициируемый коротким рентгеновским импульсом», Труды РФЯЦ-ВНИИЭФ, Научно-исследовательское издание - Саров: РФЯЦ-ВНИИЭФ, выпуск 7, 2004, стр. 218-228], содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный источник света в виде лазера, конвертер, преобразовывающий излучение лазера в сферически расходящуюся волну рентгеновского излучения. Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует субнаносекундный импульс света, который направляется на некоторую мишень для создания вблизи ее поверхности слоя лазерной плазмы, конвертирующей импульс света в импульс рентгеновского излучения. Если предварительно ориентировать фотокатод и анод так, чтобы рентгеновское излучение освещало бы фотокатод под некоторым углом φ<90°, то по поверхности фотокатода побежит волна электронной эмиссии со скоростью ν=c/sin(ϕ)>с. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке “фотокатод-анод”, проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, является источником широкополосного ЭМИ, причем направленность электромагнитного излучения обеспечивается черенковским характером формирования интерференционной картины излучения.Known EMP generator [Bessarab A.V. et al., “Superluminal source of electromagnetic radiation initiated by a short X-ray pulse”, Proceedings of the RFNC-VNIIEF, Scientific publication - Sarov: RFNC-VNIIEF, issue 7, 2004, pp. 218-228], containing a voltage source, a flat photocathode and a parallel grid anode, a pulsed light source in the form of a laser, a converter that converts the laser radiation into a spherically diverging x-ray wave. This generator operates as follows. A voltage is applied to the gap between the photocathode and the anode. A pulsed laser produces a subnanosecond 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 with a speed of ν = c / sin (ϕ)> s. The emitted electrons, accelerating in the gap “photocathode-anode”, pass through the mesh anode and fall into the equipotential half-space free from an external electric field. The wave of electron injection into the half-space, traveling 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.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.

Таким образом, главным недостатком аналога является низкая направленность излучения и малая интенсивность генерируемого электромагнитного излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.Thus, the main disadvantage of the analogue is the low directivity of the radiation and the low intensity of the generated electromagnetic radiation, which limits its use, for example, in pulsed radar.

Конструктивно близким к заявляемому устройству, является генератор ЭМИ [Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент RU №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ №29, 2001], содержащий импульсный или импульсно-периодический источник света в виде лазера, фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности, которых выполнены в виде поверхностей тел вращения, и которые подключены к источнику напряжения, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода. Принцип действия известного генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью источника света, преобразование светового излучения в сферически расходящуюся волну оптического излучения, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси, ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь охватываемого анодом. Тогда на внешней поверхности анода возбуждается волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки, которая является источником ЭМИ. По описанному патенту в РФЯЦ-ВНИИЭФ был разработан экспериментальный образец (ЭО) генератора СШП ЭМИ [Бессараб А.В., Гаранин С.Г., Мартыненко С.П., Прудкой Н.А., Солдатов А.В., Терехин В.А., академик Трутнев Ю.А. Генератор сверхширокополосного электромагнитного излучения (СШП ЭМИ), инициируемый пикосекундным лазером, Доклады Академии Наук, 2006, т. 411, №5, с. 1-4], где приведены характеристики ЭО и который в дальнейшем выбран в качестве наиболее близкого аналога. Конструктивные параметры параболического генератора: фокусное расстояние 5 см, расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода (межэлектродный зазор) 2 см, общая длина 65 см. Однако этому генератору присущ ряд недостатков:Structurally close to the claimed device is an EMP generator [Bessarab A.V., Dubinov A.E., Lazarev Yu.N. and others, "Generator of electromagnetic pulses", Patent RU No. 2175154, priority 15.11.1999, publ. BI No. 29, 2001], containing a pulsed or pulsed-periodic light source in the form of a laser, a photocathode and a mesh anode, working surfaces that are made in the form of surfaces of revolution bodies, and which are connected to a voltage source, a converter that converts the radiation of the light source into spherically a diverging wave of optical, ultraviolet or X-ray radiation, the center of radiation of which coincides with the focus of the photocathode. The operating principle of the well-known EMR generator is based on the following sequence of processes: generation of a sequence of light pulses of a subnanosecond range of duration using a light source, conversion of light radiation into a spherically diverging wave of optical radiation, illumination of the photocathode by this wave in order to initiate a surface wave of photoemission of electrons traveling along the photocathode in the direction from its axis, the acceleration of electrons in the gap "photocathode-anode" and their subsequent injection through the retina fifth anode inside covered anode. Then, an electron injection wave traveling along the anode grid, which is the source of electromagnetic radiation, is excited on the outer surface of the anode. According to the described patent, the RFNC-VNIIEF developed an experimental model (EO) of a UWB EMR generator [Bessarab A.V., Garanin S.G., Martynenko S.P., Prudka N.A., Soldatov A.V., Terekhin V .A., Academician Trutnev Yu.A. Generator of ultra-wideband electromagnetic radiation (UWB EMR) initiated by a picosecond laser, Reports of the Academy of Sciences, 2006, v. 411, No. 5, p. 1-4], where the characteristics of EO are given and which is subsequently selected as the closest analogue. Design parameters of the parabolic generator: focal length 5 cm, the distance between the working surface of the photocathode and the inner surface of the mesh anode (interelectrode gap) 2 cm, the total length of 65 cm. However, this generator has a number of disadvantages:

1. Для наблюдателя, находящегося на продольной оси параболоида распределение излучающих токов по поверхности параболоида является радиальным (на фиг. 4 стрелками схематично показаны направления локальных дипольных моментов). При этом каждому элементарному излучающему току можно поставит в соответствие такой же ток по величине, но зеркально симметричный. Каждая такая пара излучает сигналы, одинаковые по амплитуде, но находящиеся в противофазе. В результате интерференции излучение в направлении оси параболоида полностью подавляется - образуется зона, свободная от электромагнитного поля, а излучение проявляется в виде бокового лепестка с увеличенным углом раскрыва, но значительно меньшей амплитудой излучаемого сигнала. Зона облучения имеет вид кольца и не позволяет сосредоточить энергию излучения на цели. Зависимость поляризации от азимутального угла делает невозможным использование генератора для целей радиолокации.1. For an observer located on the longitudinal axis of the paraboloid, the distribution of radiating currents over the surface of the paraboloid is radial (in Fig. 4, the arrows schematically show the directions of local dipole moments). In this case, each elementary radiating current can be associated with the same current in magnitude, but mirror symmetric. Each such pair emits signals of the same amplitude, but in antiphase. As a result of interference, the radiation in the direction of the axis of the paraboloid is completely suppressed - an area free of electromagnetic fields is formed, and the radiation appears as a side lobe with an increased aperture angle, but a much smaller amplitude of the emitted signal. The irradiation zone has the form of a ring and does not allow focusing the radiation energy on the target. The dependence of polarization on the azimuthal angle makes it impossible to use a generator for radar purposes.

Рассмотрим ситуацию с точки зрения наблюдателя, расположенного в максимуме диаграммы направленности этого генератора. Для удобства выберем точку наблюдения так, чтобы она лежала в плоскости, задаваемой осью симметрии параболоида и осью Y (см. фиг. 4).Consider the situation from the point of view of an observer located at the maximum radiation pattern of this generator. For convenience, we choose an observation point so that it lies in a plane defined by the axis of symmetry of the paraboloid and the axis Y (see Fig. 4).

Из соображений симметрии следует, что напряженность электрического поля в точке наблюдения имеет только Y - компоненту. И вклад в него вносят только источники с преобладающей поляризацией вдоль оси Y. Источники с преобладающей поляризацией вдоль оси X практически не влияют на параметры электромагнитного излучения. Таким образом, уже изначально для формирования излучения используется только половина площади зеркала. Второе явление, уменьшающее эффективность использования площади параболоида, связано с тем, что излучение в максимуме диаграммы направленности формируется за счет вычитания излучения от диаметрально противоположных половин параболоида. Это дает потерю еще не менее 50% площади параболоида. Таким образом, не более 25% площади параболоида используются для формирования излучения.It follows from symmetry considerations that the electric field strength at the observation point has only the Y component. And only sources with a predominant polarization along the Y axis contribute to it. Sources with a predominant polarization along the X axis practically do not affect the parameters of electromagnetic radiation. Thus, already initially only half the area of the mirror is used to form radiation. The second phenomenon, which reduces the efficiency of using the area of the paraboloid, is due to the fact that radiation at the maximum of the radiation pattern is formed by subtracting radiation from the diametrically opposite halves of the paraboloid. This gives a loss of at least 50% of the paraboloid area. Thus, no more than 25% of the area of the paraboloid is used to form radiation.

2. Из-за того, что электроны в ускоряющем промежутке «фотокатод-сетка» распространяются по траекториям, направления которых не совпадают продольной осью параболоида, возникает дополнительная фазовая ошибка, ухудшающая направленность излучения. Поскольку электроны распространяются по линиям наименьшего расстояния, то появляется разность хода между разными участками параболоида. Происхождение этой разности иллюстрирует фиг. 2.2. Due to the fact that the electrons in the accelerating gap “photocathode-grid” propagate along trajectories whose directions do not coincide with the longitudinal axis of the paraboloid, an additional phase error arises that worsens the directivity of the radiation. Since the electrons propagate along the lines of the smallest distance, a path difference appears between different sections of the paraboloid. The origin of this difference is illustrated in FIG. 2.

Поверхность фотокатода описывается уравнениемThe surface of the photocathode is described by the equation

y2=4sz,y 2 = 4sz,

где y - расстояние от заданной точки параболоида до оси вращения; z - расстояние от заданной точки параболоида до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболоида, s - фокусное расстояние параболоида.where y is the distance from a given point of the paraboloid to the axis of rotation; z is the distance from a given point of the paraboloid to the plane perpendicular to the axis of rotation and passing through the vertex of the paraboloid, s is the focal length of the paraboloid.

При облучении из фокуса разность хода между произвольной точкой параболического фотокатода и его вершиной составляетWhen irradiated from focus, the path difference between an arbitrary point of the parabolic photocathode and its peak is

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

Вычисленный по этой формуле график зависимости вносимой ускоряющим промежутком разности хода на примере прототипа приведен на фиг. 3 (график а). Как следует из представленного графика разность хода между вершиной параболоида и его периферией параболического диода в данном случае достигает ≈1,5 см.The graph of the dependence of the difference in stroke introduced by the accelerating gap using the example of the prototype is shown in FIG. 3 (graph a). As follows from the graph, the path difference between the top of the paraboloid and its periphery of the parabolic diode in this case reaches ≈1.5 cm.

Вносимая ускоряющим промежутком разность хода приводит к нарушению синхронизации элементарных излучателей в высокочастотной части спектра, что эквивалентно обрезанию высокочастотной части спектра излучаемого ЭМИ. Предельная разность хода, которая не сказывается на работе генератора ЭМИ, равнаThe path difference introduced by the accelerating gap leads to a violation of the synchronization of elementary radiators in the high-frequency part of the spectrum, which is equivalent to cutting off the high-frequency part of the spectrum of the emitted electromagnetic radiation. The limiting stroke difference, which does not affect the operation of the EMP generator, is

Figure 00000002
,
Figure 00000002
,

где с=3·108 м/с - скорость света; fup, λup - верхняя граничная частота в спектре импульса и соответствующая ему длина волны соответственно.where c = 3 · 10 8 m / s is the speed of light; f up , λ up is the upper cutoff frequency in the spectrum of the pulse and the corresponding wavelength, respectively.

Если аппроксимировать основной пик импульса излучения функцией,If we approximate the main peak of the radiation pulse by the function,

Figure 00000003
,
Figure 00000003
,

где

Figure 00000004
.Where
Figure 00000004
.

то его спектральную плотность можно представить в видеthen its spectral density can be represented as

Figure 00000005
,
Figure 00000005
,

где

Figure 00000006
.Where
Figure 00000006
.

Связь временной формы импульса и его частотного спектра иллюстрирует фиг. 5. Как следует из представленных данных, основная часть энергии импульса сосредоточена в диапазоне частот от 0 до

Figure 00000007
. Для ЭО генератора СШП ЭМИ, характерная длительность пика излучаемого импульса составляет τ≈300 пс. Верхняя граничная частота в спектре равна
Figure 00000008
. Тогда предельная допустимая разность хода равна
Figure 00000009
.The relationship of the time shape of the pulse and its frequency spectrum is illustrated in FIG. 5. As follows from the data presented, the bulk of the pulse energy is concentrated in the frequency range from 0 to
Figure 00000007
. For the EO of the UWB EMR generator, the characteristic peak duration of the emitted pulse is τ≈300 ps. The upper cutoff frequency in the spectrum is
Figure 00000008
. Then the maximum allowable stroke difference is
Figure 00000009
.

Таким образом, фактическая разность хода между разными участками параболоида примерно в 3 раза превышает допустимую. Это приводит к размыванию формы импульса и снижению его амплитуды, что влечет за собой ухудшение направленности и снижение интенсивность электромагнитного излучения в зоне облучения.Thus, the actual stroke difference between different sections of the paraboloid is approximately 3 times higher than the permissible one. This leads to erosion of the shape of the pulse and a decrease in its amplitude, which entails a deterioration in directivity and a decrease in the intensity of electromagnetic radiation in the irradiation zone.

Технический результат, достигаемый в предлагаемом техническом решении, заключается в улучшении направленности и увеличении интенсивности генерируемого электромагнитного излучения, что позволит расширить область его применения в радиолокации и технике испытаний на импульсные электромагнитные воздействия.The technical result achieved in the proposed technical solution is to improve the directivity and increase the intensity of the generated electromagnetic radiation, which will expand the scope of its application in radar and testing techniques for pulsed electromagnetic effects.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что в генераторе электромагнитных импульсов, который включает в себя фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода, новым является то, что сетчатый анод расположен эквидистантно фотокатоду, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения на величину

Figure 00000010
и вдоль радиуса вращения к оси вращения на величину
Figure 00000011
, где z - расстояние от точки недеформированного параболоида вращения до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболы; Δ - расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода; s - фокусное расстояние.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the electromagnetic pulse generator, which includes a photocathode and a mesh anode, the working surfaces of which are made in the form of surfaces of revolution bodies and which are connected to a voltage source, a pulsed or pulse-periodic light source, a converter, converting radiation of a light source into a spherically diverging wave of optical, ultraviolet, or X-ray radiation, the center of radiation of which coincides with the focus of the photocathode, is new It is that the grid anode located equidistant from the photocathode, the photocathode and the working surface is an asymmetrical clipping of the paraboloid of revolution deformed by shifting its points from the top along a rotational axis by
Figure 00000010
and along the radius of rotation to the axis of rotation by
Figure 00000011
where z is the distance from the point of the undeformed rotation paraboloid to the plane perpendicular to the axis of rotation and passing through the top of the parabola; Δ is the distance between the working surface of the photocathode and the inner surface of the mesh anode; s is the focal length.

Дополнительными отличиями является то, что несимметричная вырезка из параболоида вращения может быть выполнена круговым или овальным цилиндром либо прямоугольной призмой. А конвертер может быть выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы.Additional differences are that the asymmetric notch of rotation paraboloid can be made with a circular or oval cylinder or a rectangular prism. And the converter can be made in the form of a parabolic mirror with a metal or with a dielectric multilayer coating or as a flat target of a spherical, conical or flat shape.

Размещение сетчатого анода эквидистантно фотокатоду обеспечивает одинаковое время пролета электронов, эмитированных из любой точки фотокатода, что создает условия, необходимое для получения направленного потока электромагнитного излучения.Placing the mesh anode equidistant to the photocathode provides the same transit time of electrons emitted from any point of the photocathode, which creates the conditions necessary to obtain a directed flow of electromagnetic radiation.

Выполнение рабочей поверхности фотокатода в виде несимметричной вырезки из параболоида вращения, деформированного, как указано выше, позволяет устранить подавление излучения в направлении оси параболоида и скомпенсировать разность хода, вносимую ускоряющим промежутком между фотокатодом и анодом, что позволяет улучшить направленность, повысить и интенсивность и расширить частотный спектр электромагнитного излучения.The implementation of the working surface of the photocathode in the form of an asymmetric notch from the paraboloid of rotation deformed, as described above, eliminates the suppression of radiation in the direction of the axis of the paraboloid and compensates for the travel difference introduced by the accelerating gap between the photocathode and the anode, which improves directionality, increases both the intensity and the frequency spectrum of electromagnetic radiation.

Выполнение несимметричной вырезки из параболоида вращения круговым или овальным цилиндром, либо прямоугольной призмой позволяет выбрать оптимальный вариант конструкции генератора.Performing an asymmetric cut from a paraboloid of revolution with a circular or oval cylinder or a rectangular prism allows you to choose the optimal design option for the generator.

Выполнение конвертера в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием, позволяет конвертировать оптическое и ультрафиолетовое излучение в расходящуюся волну.The implementation of the converter in the form of a parabolic mirror with a metal or with a dielectric multilayer coating allows you to convert optical and ultraviolet radiation into a diverging wave.

Исполнение конвертера в виде точечной мишени сферической, конической или плоской формы, позволяет конвертировать излучение источника света в расходящееся рентгеновское излучение.The design of the converter as a point target of a spherical, conical or flat shape allows you to convert the radiation of a light source into diverging x-ray radiation.

Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ поясняется следующими чертежами:An example of the proposed generator EMR is illustrated by the following drawings:

Фиг. 1 - конструкция генератора ЭМИ;FIG. 1 - design of an EMP generator;

Фиг. 2 - схема формирования и компенсации ошибки синхронизации;FIG. 2 is a diagram of generating and compensating for a synchronization error;

Фиг. 3 - графики зависимости разности хода для сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов (СШП ЭМИ) и генератора, предлагаемого в данном изобретении от расстояния до вершины параболоида;FIG. 3 is a graph of the dependence of the stroke difference for an ultra-wideband electromagnetic pulse generator (UWB EMP) and the generator proposed in this invention from the distance to the top of the paraboloid;

Фиг. 4 - схема распределения излучающих токов прототипа для наблюдателя, находящегося на оси параболоида;FIG. 4 is a diagram of a distribution of radiating currents of a prototype for an observer located on the axis of a paraboloid;

Фиг. 5 - связь временной формы импульса и его частотного спектра.FIG. 5 - the relationship of the temporal shape of the pulse and its frequency spectrum.

На фигурах позициями обозначены: 1 - фотокатод; 2 - сетчатый анод; 3 - импульсный или импульсно-периодический источник света; 4 - конвертер, 5 - ось вращения параболоида; 6 - участок фотокатода до деформации и 7 - после деформации; 8 - траектория поворота (смещения) точки поверхности параболоида при его деформации; 9 - фокус параболоида вращения; Δ - ширина межэлектродного зазора; δ - ошибка синхронизации; ϕ - угол между лучом, исходящим из фокуса, и осью вращения; β - угол между нормалью к поверхности фотокатода и плоскостью, перпендикулярной продольной оси параболоида; а - зависимость разности хода от расстояния точки фотокатода до вершины параболоида вдоль оси вращения, б - то же, для фотокатода, форма которого скорректирована согласно предлагаемому изобретению.In the figures, the positions indicated: 1 - photocathode; 2 - mesh anode; 3 - pulse or pulse-periodic light source; 4 - converter, 5 - axis of rotation of the paraboloid; 6 - section of the photocathode before deformation and 7 - after deformation; 8 - trajectory of rotation (displacement) of a surface point of a paraboloid during its deformation; 9 - focus of the paraboloid of rotation; Δ is the width of the interelectrode gap; δ is the synchronization error; ϕ is the angle between the beam emanating from the focus and the axis of rotation; β is the angle between the normal to the surface of the photocathode and the plane perpendicular to the longitudinal axis of the paraboloid; a - dependence of the path difference on the distance of the point of the photocathode to the top of the paraboloid along the axis of rotation, b - the same for the photocathode, the shape of which is adjusted according to the invention.

В качестве источника света 3 возможно использование, например, неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или ультрафиолетового лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 1: покрытие с отрицательным электронным сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо Cs2Те; во втором случае применимы покрытия на основе окислов металлов типа W-Zr-O. Если генератор ЭМИ предполагается использовать в условиях постоянного освещения, например, дневного света, то рекомендуется использовать ультрафиолетовый лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа Cs2Те или Rb2Те, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра. Источник света 3 размешается за плоскостью фотокатода так, чтобы его луч был перпендикулярен плоскости фотокатода и проходил через оптический центр конвертера. Сетчатый анод 2 возможно изготовить из тонкой металлической проволоки, например из вольфрама или тантала, добиваясь прозрачности >90%. Это позволит свести потери отраженного света и ускоренных электронов к незначительным. Конвертер 4 может быть выполнен либо в виде параболического зеркала, которое можно изготовить или с металлическим, или с диэлектрическим многослойным покрытием (нечетные слои из материала с высоким показателем преломления - сульфид цинка или сурьмы, окислы титана, циркония, гафния, тория, свинца, а четные слои - из материалов с низким показателем преломления - фторид магния, стронция, двуокись кремния), либо виде плоской мишени из материала с большим атомным номером (золото) и размером и 1 мм, преобразующей лазерное излучения в ультрафиолетовое или рентгеновское излучения.As the light source 3, it is possible to use, for example, a neodymium laser operating at the second harmonic (λ = 0.53 μm), or an ultraviolet laser. In the first case, possible materials for photocathode 1: a coating with negative electron affinity based on GaAs doped with cesium, or Cs 2 Te; 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, for example, daylight, it is recommended to use an ultraviolet laser in conjunction with a photocathode made of materials like Cs 2 Te or Rb 2 Te, which are insensitive to illumination by visible light. The light source 3 is placed behind the plane of the photocathode so that its beam is perpendicular to the plane of the photocathode and passes through the optical center of the converter. The mesh anode 2 can be made of a thin metal wire, for example, of tungsten or tantalum, achieving transparency> 90%. This will reduce the loss of reflected light and accelerated electrons to insignificant. Converter 4 can be made either in the form of a parabolic mirror, 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 as a flat target from a material with a large atomic number (gold) and a size of 1 mm that converts laser radiation into ultraviolet E or X-ray radiation.

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

Перед началом работы генератора ЭМИ с помощью источника напряжения подают на промежуток “фотокатод-анод” напряжение, например, величиной 100 кВ. Далее работает генератор ЭМИ следующим образом. Запускается импульсный или импульсно-периодический источник света 3, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются на конвертер 4. Конвертер 4 в свою очередь преобразует лазерный луч в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Сферическая волна, расширяясь, освещает фотокатод и инициирует поверхностную волну эмиссии электронов, бегущую вдоль фотокатода в направлении от точки фотокатода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эмитированные электроны ускоряются в промежутке “фотокатод-анод”, а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 2. Тогда на внешней поверхности анода образуется волна инжекции электронов, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от точки анода, находящейся на минимальном расстоянии от центра сферической волны. Эта волна инжекции электронов и является источником электромагнитной волны.Before starting the operation of the EMP generator, a voltage, for example, 100 kV, is supplied to the “photocathode-anode” gap by means of a voltage source. Next, the EMP generator operates as follows. A pulsed or pulsed-periodic light source 3 is triggered, which generates powerful pulses of light lasting, for example, 20-100 ps, which are sent to converter 4. Converter 4, in turn, converts the laser beam into a spherically diverging wave of optical, ultraviolet or X-ray radiation. A spherical wave, expanding, illuminates the photocathode and initiates a surface electron emission wave traveling along the photocathode in the direction from the photocathode point located at a minimum distance from the center of the spherical wave. The emitted electrons are accelerated in the “photocathode-anode” gap and then injected through the grid anode 2. Then, an electron injection wave is generated on the outer surface of the anode, traveling along the anode grid in the direction from the anode point located at a minimum distance from the center of the spherical wave. This wave of electron injection is the source of the electromagnetic wave.

Для того чтобы компенсировать разность хода, вносимую ускоряющим промежутком, форма фотокатода должна быть скорректирована. Как следует из второго уравнения (см. стр. 2-3), чем дальше от вершины находится точка параболоида, тем больше для нее разность хода (запаздывание), вносимая ускоряющим промежутком. Следовательно, для компенсации каждую точку параболоида, не совпадающую с его вершиной, необходимо повернуть вокруг фокуса так чтобы она сдвинулась вдоль оси вращения на расстояние, равное вносимой разности хода (обозначено δ на фиг. 2).In order to compensate for the travel difference introduced by the accelerating gap, the shape of the photocathode must be adjusted. As follows from the second equation (see p. 2-3), the farther the paraboloid point is from the vertex, the greater the difference in travel (delay) introduced by the accelerating gap. Therefore, to compensate for each point of the paraboloid that does not coincide with its vertex, it is necessary to turn around the focus so that it moves along the axis of rotation by a distance equal to the introduced travel difference (indicated by δ in Fig. 2).

Новые координаты каждой точки фотокатода будут равны:The new coordinates of each point of the photocathode will be equal to:

Figure 00000012
.
Figure 00000012
.

При выводе этих соотношений движение по окружности заменялось движением по касательной.When deriving these relations, the movement around the circle was replaced by the movement along the tangent.

Принимая во внимание, что

Figure 00000013
;
Figure 00000014
, имеемTaking into account that
Figure 00000013
;
Figure 00000014
, we have

Figure 00000015
,
Figure 00000015
,

То есть каждую точку фотокатода с разными координатами передвигаем на разные расстояния. Хотя предложенная коррекция формы параболоида не является идеальной, поскольку, во-первых, сдвиг по окружности заменяется сдвигом по касательной, а во-вторых, при деформации меняется направление нормали к поверхности фотокатода, погрешность такой коррекции для реальных конструкций не играет заметной роли. Результаты расчета разности хода для излучателя со скорректированной формой фотокатода на примере прототипа приведены на фиг. 3 (график б). Расчет проводился по формулеThat is, we move each point of the photocathode with different coordinates at different distances. Although the proposed correction of the shape of the paraboloid is not ideal, because, firstly, the circumferential shift is replaced by the tangential shift, and secondly, when the deformation is changed, the normal direction to the photocathode surface changes, the error of such correction for real structures does not play a significant role. The calculation results of the path difference for the emitter with the corrected shape of the photocathode on the example of the prototype are shown in Fig. 3 (graph b). The calculation was carried out according to the formula

Figure 00000016
.
Figure 00000016
.

Как показывают результаты расчета, максимальная разность хода при скорректированном фотокатоде не превышает 1,3 мм, что намного меньше предельной допустимой разности хода при существующих временных параметрах излучаемых импульсов.As the calculation results show, the maximum path difference with the corrected photocathode does not exceed 1.3 mm, which is much less than the maximum allowable path difference for the existing time parameters of the emitted pulses.

В предлагаемом генераторе излучающие токи на различных участках анода имеют практически одинаковую поляризацию, что позволяет эффективно использовать площадь излучателя. Учитывая, что в прототипе эффективно используется не более 25% площади излучателя, предлагаемое изобретение позволяет при тех же поперечных размерах увеличить эффективный раскрыв минимум в 4 раза, что эквивалентно увеличению плотности мощности более чем в 16 раз.In the proposed generator, the radiating currents in different sections of the anode have almost the same polarization, which allows you to effectively use the area of the emitter. Given that the prototype effectively uses no more than 25% of the area of the emitter, the present invention allows for the same transverse dimensions to increase the effective opening of at least 4 times, which is equivalent to an increase in power density of more than 16 times.

Таким образом, все новые признаки обеспечивают достижение технического результата, а именно улучшения направленности и увеличения интенсивности генерируемого ЭМИ.Thus, all new features ensure the achievement of a technical result, namely, an improvement in directivity and an increase in the intensity of the generated EMR.

Claims (3)

1. Генератор электромагнитных импульсов, включающий фотокатод и сетчатый анод, рабочие поверхности которых выполнены в виде поверхностей тел вращения и которые подключены к источнику напряжения, импульсный или импульсно-периодический источник света, конвертер, преобразовывающий излучение источника света в сферически расходящуюся волну оптического, ультрафиолетового или рентгеновского излучения, центр излучения которого совпадает с фокусом фотокатода, отличающийся тем, что сетчатый анод расположен эквидистантно рабочей поверхности фотокатода, а рабочая поверхность фотокатода представляет собой несимметричную вырезку из параболоида вращения, деформированного путем сдвига его точек от вершины вдоль оси вращения на величину
Figure 00000017
и вдоль радиуса вращения к оси вращения на величину
Figure 00000018
где z - расстояние от точки недеформированного параболоида вращения до плоскости перпендикулярной оси вращения и проходящей через вершину параболы; Δ - расстояние между рабочей поверхностью фотокатода и внутренней поверхностью сетчатого анода; s - фокусное расстояние.
1. An electromagnetic pulse generator, including a photocathode and a grid anode, the working surfaces of which are made in the form of surfaces of bodies of revolution and which are connected to a voltage source, a pulsed or pulsed-periodic light source, a converter that converts the light source radiation into a spherically diverging wave of optical, ultraviolet or x-ray radiation, the center of radiation of which coincides with the focus of the photocathode, characterized in that the mesh anode is located equidistant to the working surface photocathode, and the working surface of the photocathode is an asymmetric notch from a rotation paraboloid deformed by shifting its points from the vertex along the axis of rotation by
Figure 00000017
and along the radius of rotation to the axis of rotation by
Figure 00000018
where z is the distance from the point of the undeformed rotation paraboloid to the plane perpendicular to the axis of rotation and passing through the top of the parabola; Δ is the distance between the working surface of the photocathode and the inner surface of the mesh anode; s is the focal length.
2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что несимметричная вырезка из параболоида вращения выполнена круговым или овальным цилиндром либо прямоугольной призмой.2. The generator according to claim 1, characterized in that the asymmetric notch of the paraboloid of revolution is made by a circular or oval cylinder or a rectangular prism. 3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что конвертер выполнен в виде параболического зеркала с металлическим или с диэлектрическим многослойным покрытием либо в виде плоской мишени сферической, конической или плоской формы. 3. The generator according to claim 1, characterized in that the converter is made in the form of a parabolic mirror with a metal or with a dielectric multilayer coating or in the form of a flat target of a spherical, conical or flat shape.
RU2014135085/07A 2014-08-26 2014-08-26 Generator of electromagnetic pulses RU2572104C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014135085/07A RU2572104C1 (en) 2014-08-26 2014-08-26 Generator of electromagnetic pulses

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014135085/07A RU2572104C1 (en) 2014-08-26 2014-08-26 Generator of electromagnetic pulses

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2572104C1 true RU2572104C1 (en) 2015-12-27

Family

ID=55023480

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014135085/07A RU2572104C1 (en) 2014-08-26 2014-08-26 Generator of electromagnetic pulses

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2572104C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738959C1 (en) * 2020-05-15 2020-12-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВИИЭФ") Electromagnetic pulse generator
RU221563U1 (en) * 2023-08-02 2023-11-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) DEVICE FOR GENERATING BROADBAND SIGNALS

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006037918A2 (en) * 2004-10-05 2006-04-13 Commissariat A L'energie Atomique Microwave generating device with oscillating virtual cathode
RU2361313C1 (en) * 2007-11-26 2009-07-10 Российская Федерация от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Electromagnetic pulse generator
RU2388100C1 (en) * 2008-12-15 2010-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Electromagnetic pulse generator

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006037918A2 (en) * 2004-10-05 2006-04-13 Commissariat A L'energie Atomique Microwave generating device with oscillating virtual cathode
RU2361313C1 (en) * 2007-11-26 2009-07-10 Российская Федерация от имени которой выступает государственный заказчик - Федеральное агентство по атомной энергии Electromagnetic pulse generator
RU2388100C1 (en) * 2008-12-15 2010-04-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" Electromagnetic pulse generator

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738959C1 (en) * 2020-05-15 2020-12-21 Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский Федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВИИЭФ") Electromagnetic pulse generator
RU221563U1 (en) * 2023-08-02 2023-11-13 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук" (ИОФ РАН) DEVICE FOR GENERATING BROADBAND SIGNALS

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kando et al. Enhancement of photon number reflected by the relativistic flying mirror
Fuks et al. Application of a magnetic mirror to increase total efficiency in relativistic magnetrons
Veisz et al. Hybrid dc–ac electron gun for fs-electron pulse generation
RU2388100C1 (en) Electromagnetic pulse generator
El’chaninov et al. Coherent summation of power of nanosecond relativistic microwave oscillators
Manuilov et al. Gyrotron collector systems: Types and capabilities
Torrisi et al. Self-focusing effect in Au-target induced by high power pulsed laser at PALS
Bolotovskiĭ et al. Radiation of superluminal sources in empty space
RU2572104C1 (en) Generator of electromagnetic pulses
JP4822267B2 (en) Dual-band short-pulse high-intensity light source device
Láska et al. Properties of iodine laser-produced stream of multiply charged heavy ions of different elements
RU2488909C2 (en) Method for generation of uhf range broadband electromagnetic radiation and device for its implementation
RU2361313C1 (en) Electromagnetic pulse generator
RU2570196C1 (en) Generator of electromagnetic pulses
RU2175154C2 (en) Electromagnetic pulse generator
TWI534521B (en) Antenna system generating quasi relativistic radiation
RU2562831C1 (en) Generator of electromagnetic pulses
RU2738959C1 (en) Electromagnetic pulse generator
RU2650103C1 (en) Electromagnetic pulses generator
Kondrat'ev et al. Experimental study of a microwave-radiation generator based on a superlight source.
Geng et al. Quasimonochromatic bright gamma-ray generation from synchronized Compton scattering via azimuthal spatial-temporal coupling
RU201842U1 (en) Vircator
RU2827102C1 (en) Method of generating electromagnetic radiation in microwave range
RU2552518C2 (en) Method of generation of broadband electromagnetic radiation of uhf range
Kozlovskii et al. Terahertz Radiation of a Low-inductance Discharge in Vacuum with Laser-plasma Initiation