RU2614986C1

RU2614986C1 - Ultra-wideband generator of electromagnetic pulses

Info

Publication number: RU2614986C1
Application number: RU2015144657A
Authority: RU
Inventors: Виктор Дмитриевич Селемир; Николай Владимирович Степанов
Priority date: 2015-10-16
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2017-04-03

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention relates to the technique of generating high-power ultra-wideband (UWB) electromagnetic pulses (EMP) of the sub-nanosecond range of durations and can be used in the development of the appropriate generators for communications, radar-location, navigation and electronic warfare. The controlled key switch consisting of the repetitively-pulsed light source, the key anode and the key photocathode, is installed in the power supply circuit of the generator between the high-voltage source and the high-voltage photodiode. The distance between the key photocathode and the key anode eliminates the possibility of the controlled key switch electrical breakdown with the maximum voltage applied to the high-voltage photodiode.

EFFECT: increasing reliability by ensuring the UWB operation of the EMP generator with the high pulse repetition rate without catastrophic mesh anode breakdown at the high-voltage photodiode breakdown.

2 dwg

Description

Изобретение относится к технике генерации мощных сверхширокополосных (СШП) электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов для средств связи, радиолокации и навигации.The invention relates to techniques for generating powerful ultra-wideband (UWB) electromagnetic pulses (EMP) of a subnanosecond range of durations and can be used in the development of appropriate generators for communications, radar and navigation.

Под сверхширокополосным электромагнитным излучением понимается излучение, спектральный состав которого определяется выражением

где

- центральная частота спектра излучения,

- ширина спектра излучения.Ultra-wideband electromagnetic radiation is understood as radiation, the spectral composition of which is determined by the expression

Where

is the center frequency of the radiation spectrum,

is the width of the radiation spectrum.

Общая концепция построения СШП генератора основана на принципе формирования сверхкороткого (субнаносекундного) электрического импульса (СКИ) и его излучении в пространство с помощью широкополосной антенной системы. Обобщенная схема построения СШП генератора представлена на фиг. 1, где: Г - генератор, Л1, Л2, Л3 - линии передачи энергии, Р1, Р2 - ключи, А - антенная система.The general concept of constructing a UWB generator is based on the principle of the formation of an ultrashort (subnanosecond) electric pulse (SRS) and its emission into space using a broadband antenna system. A generalized scheme for constructing a UWB generator is shown in FIG. 1, where: G - generator, L1, L2, L3 - power transmission lines, P1, P2 - keys, A - antenna system.

Генератор Г заряжает высоковольтную линию передачи энергии Л1 до напряжения U. При замыкании ключа Р1 формирующая линия Л2 импульсно заряжается до напряжения U, после чего ключ Р1 размыкается. При замыкании ключа Р2 линия Л2 разряжается на антенну А через линию передачи Л3. Характерная длительность импульса излучения пропорциональна электрической длине линии Л2. Мощность излученного импульса пропорциональна напряжению в линии Л2 и волновому сопротивлению линий Л2 и Л3. Частота повторения импульсов зависит от мощности генератора Г и задается частотой срабатывания ключей.Generator G charges the high-voltage power transmission line L1 to voltage U. When the key P1 is closed, the forming line L2 is pulse-charged to voltage U, after which the key P1 opens. When the key P2 is closed, the L2 line is discharged to the antenna A through the L3 transmission line. The characteristic duration of the radiation pulse is proportional to the electric length of the line L2. The power of the emitted pulse is proportional to the voltage in the line L2 and the wave impedance of the lines L2 and L3. The pulse repetition rate depends on the power of the generator G and is set by the frequency of operation of the keys.

По такой схеме построен, например, генератор СШП, описанный в [1] («Импульсная энергетика и электроника» / Месяц Г.А. - Наука, 2004, стр. 679). Генератор заряжал формирующую линию с волновым сопротивлением 50 Ом и емкостью 9 пФ до напряжения 420 кВ. В качестве ключа Р1 использовался полупроводниковый прерыватель, в качестве ключа Р2 - водородный разрядник с давлением до 100 атмосфер. В описанном генераторе были получены импульсы с амплитудой 200 кВ длительностью 0,4 нс и частотой следования импульсов 3,5 кГц.For example, a UWB generator, described in [1] (“Pulse energy and electronics” / GA Mesyats – Nauka, 2004, p. 679), is constructed according to such a scheme. The generator charged a forming line with a wave impedance of 50 Ohms and a capacity of 9 pF to a voltage of 420 kV. A semiconductor breaker was used as the P1 key, and a hydrogen spark gap with a pressure of up to 100 atmospheres as the P2 key. In the described generator, pulses were obtained with an amplitude of 200 kV for a duration of 0.4 ns and a pulse repetition rate of 3.5 kHz.

Проблемой этого генератора СШП является недостаточно высокая частота следования его импульсов и низкая пиковая мощность излучения. Частота следования импульсов ограничивалась частотой работы водородного разрядника, которая связана временем восстановления его электрической прочности, а амплитуда импульса ограничивалась величиной электропрочности полупроводникового размыкателя. Кардинально повысить приведенные характеристики в данной схеме не представляется возможным. Другие типы известных газовых (или вакуумных) управляемых ключей обладают еще более низкими частотами работы.The problem of this UWB generator is the insufficiently high pulse repetition rate and low peak radiation power. The pulse repetition rate was limited by the frequency of the hydrogen spark gap, which is related to the recovery time of its electric strength, and the pulse amplitude was limited by the value of the electric strength of the semiconductor circuit breaker. It is not possible to drastically increase the above characteristics in this scheme. Other types of known gas (or vacuum) controlled keys have even lower operating frequencies.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является сверхширокополосный генератор электромагнитных импульсов [2] (Патент на «Генератор электромагнитных импульсов» RU (11) 2175154 (13) С2, с приоритетом от 15 ноября 1999 года, авторы: Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др.), включающий в себя подключенный к источнику высоковольтного напряжения высоковольтный фотодиод, состоящий из фотокатода в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода, эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода, причем в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения от импульсно-периодического лазера в полость, образованную параболоидом анода, а в фокусе параболоида фотокатода размещено параболическое зеркало, обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода.The closest in technical essence to the proposed solution is an ultra-wideband electromagnetic pulse generator [2] (Patent for "Electromagnetic pulse generator" RU (11) 2175154 (13) C2, with priority dated November 15, 1999, authors: Bessarab A.V., Dubinov A.E., Lazarev Yu.N. et al.), Which includes a high-voltage photodiode connected to a source of high-voltage voltage, consisting of a photocathode in the form of a paraboloid of revolution and a mesh-like anode similar in shape to the photocathode, which is equidistant from the photocathode surface, at than a hole was made in the photocathode for introducing laser radiation from a repetitively pulsed laser into the cavity formed by the paraboloid of the anode, and a parabolic mirror was placed at the focus of the paraboloid of the photocathode, which reflected the laser radiation in the direction of the photocathode.

Принцип действия прототипа генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов:The principle of operation of the prototype EMR generator is based on the following sequence of processes:

генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера;generating a powerful pulse or a sequence of light pulses of a subnanosecond range of duration using a laser;

преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении лазерного луча от параболического зеркала;the conversion of the laser beam into a spherically diverging wave of light upon reflection of the laser beam from a parabolic mirror;

освещение фотокатода высоковольтного фотодиода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью ν>с;illumination of the photocathode of the high-voltage photodiode by this wave in order to initiate a surface wave of electron photoemission running along the photocathode in the direction from its axis with a speed ν> s;

ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» высоковольтного фотодиода и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой (образованной) анодом.electron acceleration in the “photocathode-anode” gap of the high-voltage photodiode and their subsequent injection through the mesh anode into the equipotential cavity covered by the (formed) anode.

Реализация этой последовательности процессов приводит к тому, что внутри полости возбуждается бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью волна инжекции электронов в полупространство, которая является источником ЭМИ. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью ν>с вдоль анода виртуальный катод, чем также вызывается генерация ЭМИ, причем узкая направленность излучения в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма с генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида с преобразованием типа волны или без него, имеет плоский фронт.The implementation of this sequence of processes leads to the fact that, inside the cavity, a wave of electron injection into the half-space, which is the source of electromagnetic radiation, traveling along the anode grid is also excited at a superluminal speed. If the space charge of the electron beam injected into this cavity is sufficiently large, then a virtual cathode running at a speed ν> c along the anode is formed in the beam, which also causes EMP generation, and the narrow radiation directivity in both cases is ensured by the Cherenkov character of the radiation generation mechanism, so and the optical property of the paraboloid of rotation, namely, that the wave emitted by a spherically symmetric source from its focus, reflected from the surface of the paraboloid with the transformation m wave type or not, has a flat front.

Главным недостатком прототипа является невозможность его работы с высокой частотой следования импульсов. Это связано с тем, что фотокатод и сетчатый анод высоковольтного фотодиода напрямую подключены к источнику высоковольтного напряжения. Перед первым импульсом импульсно-периодического лазера между фотокатодом и сетчатым анодом формируется высокая разность потенциалов с таким уровнем напряжения, при котором еще сохраняется электрическая прочность зазора «фотокатод-анод». После импульса лазера в высоковольтном фотодиоде формируется поток фотоэлектронов, которые ускоряются в диоде, пролетают сквозь сетчатый анод, тормозятся в эквипотенциальной полости и возвращаются в высоковольтный диод. Наличие электронов в высоковольтном диоде резко снижает величину электрической прочности зазора «фотокатод-анод», на этом принципе даже строятся высоковольтные разрядники с управлением электронным пучком [1, стр. 214]. Если фотокатод и сетчатый анод напрямую подключены к источнику высоковольтного напряжения, то резко увеличивается вероятность возникновения электрического пробоя высоковольтного диода, при котором вся энергия источника напряжения трансформируется в ток короткого замыкания, вызывая сильный разогрев и разрушение сетчатого анода.The main disadvantage of the prototype is the impossibility of its operation with a high pulse repetition rate. This is due to the fact that the photocathode and the grid anode of the high-voltage photodiode are directly connected to the high-voltage voltage source. Before the first pulse of a repetitively pulsed laser, a high potential difference is formed between the photocathode and the mesh anode with a voltage level at which the electric strength of the “photocathode-anode” gap is still preserved. After a laser pulse, a flow of photoelectrons is formed in the high-voltage photodiode, which are accelerated in the diode, fly through the grid anode, are decelerated in the equipotential cavity, and return to the high-voltage diode. The presence of electrons in a high-voltage diode sharply reduces the electric strength of the “photocathode-anode” gap; high-voltage arresters with electron beam control are even built on this principle [1, p. 214]. If the photocathode and the grid anode are directly connected to the high-voltage voltage source, then the probability of an electrical breakdown of the high-voltage diode increases sharply, in which all the energy of the voltage source is transformed into a short circuit current, causing severe heating and destruction of the grid anode.

Техническая задача заключается в предотвращении электрического пробоя высоковольтного фотодиода с формированием тока короткого замыкания.The technical problem is to prevent electrical breakdown of a high voltage photodiode with the formation of a short circuit current.

Технический результат состоит в обеспечении работы СШП генератора ЭМИ с высокой частотой следования импульсов без катастрофического разрушения сетчатого анода при пробое высоковольтного фотодиода.The technical result consists in ensuring the operation of the UWB EMP generator with a high pulse repetition rate without catastrophic destruction of the mesh anode during the breakdown of a high-voltage photodiode.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов, включающего в себя подключенный к источнику высоковольтного напряжения высоковольтный фотодиод, состоящий из фотокатода в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода, эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода, причем в фотокатоде выполнено отверстие для ввода лазерного излучения от импульсно-периодического лазера в полость, образованную параболоидом анода, а в фокусе параболоида фотокатода размещено параболическое зеркало, обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода, согласно изобретению в предложенном генераторе в цепи питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установлен управляемый ключ, состоящий из импульсно-периодического источника света, фотокатода ключа и анода ключа, причем расстояние между фотокатодом ключа и анодом ключа исключает возможность электрического пробоя управляемого ключа при максимальном напряжении, приложенном к высоковольтному фотодиоду.The technical result is achieved in that, in contrast to the well-known ultra-wideband electromagnetic pulse generator, which includes a high-voltage photodiode connected to a high-voltage voltage source, consisting of a photocathode in the form of a paraboloid of revolution and a grid-shaped anode similar in shape to the photocathode, which is equidistant from the photocathode surface, moreover, in the photocathode a hole was made for introducing laser radiation from a repetitively pulsed laser into the cavity formed by the paraboloid of the anode, and into the focus a paraboloid of the photocathode a parabolic mirror is placed, which provides reflection of laser radiation in the direction of the photocathode, according to the invention, a controllable key is installed in the power circuit between the high voltage voltage source and the high voltage photodiode, consisting of a pulse-periodic light source, the key photocathode and the key anode, and the distance between key photocathode and key anode eliminates the possibility of electrical breakdown of the controlled key at maximum voltage, at dix for high-voltage photodiode.

То есть технически задача решается, если в цепь питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установить управляемый ключ, который был бы замкнут в процессе формирования напряжения в высоковольтном фотодиоде и разомкнут перед облучением лазерным излучением поверхности высоковольтного фотокатода до тех пор, пока не восстановится электрическая прочность высоковольтного фотодиода. Это позволит избежать возникновения электрического пробоя в высоковольтном фотодиоде. В этом случае может быть обеспечен импульсно-периодический режим работы с частотой работы управляемого ключа, который является аналогом коммутатора Р1 на фиг. 1.That is, the problem is technically solved if a controlled key is installed in the power circuit between the high-voltage voltage source and the high-voltage photodiode, which would be closed during voltage generation in the high-voltage photodiode and open before laser irradiation of the surface of the high-voltage photocathode until the electric strength is restored high voltage photodiode. This will avoid the occurrence of electrical breakdown in a high voltage photodiode. In this case, a pulse-periodic mode of operation with a frequency of operation of a controlled key, which is an analogue of switch P1 in FIG. one.

Для достижения технического результата - повышения частоты следования импульсов при высоких уровнях напряжения источника питания, предлагается схема сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов (фиг. 2), включающая в себя, как и в прототипе [2]:To achieve a technical result - increasing the pulse repetition rate at high voltage levels of the power source, an ultra-wideband electromagnetic pulse generator circuit is proposed (Fig. 2), which includes, as in the prototype [2]:

высоковольтный фотодиод, состоящий из высоковольтного фотокатода (1) в виде параболоида вращения и подобного по форме фотокатоду сетчатого анода (2), эквидистантно отстоящего от поверхности фотокатода,a high-voltage photodiode, consisting of a high-voltage photocathode (1) in the form of a paraboloid of revolution and a mesh-like anode (2) similar in shape to the photocathode, which is equidistant from the surface of the photocathode,

источник высоковольтного напряжения (3), подключенный к высоковольтному фотодиоду,a high voltage source (3) connected to a high voltage photodiode,

импульсно-периодический лазер (4), обеспечивающий формирование лазерного излучения,pulse-periodic laser (4), providing the formation of laser radiation,

полость, образованную параболоидом фотокатода с отверстием (5) для ввода лазерного излучения,a cavity formed by a paraboloid of the photocathode with an opening (5) for introducing laser radiation,

параболическое зеркало (6), размещенное в фокусе параболоида фотокатода и обеспечивающее отражение лазерного излучения в направлении фотокатода.a parabolic mirror (6) located at the focus of the paraboloid of the photocathode and providing reflection of laser radiation in the direction of the photocathode.

Отличие заключается в том, что в цепи питания между источником высоковольтного напряжения и высоковольтным фотодиодом установлен управляемый ключ (7), состоящий из импульсно-периодического источника света (8), фотокатода ключа (9) и анода ключа (10), причем электрическая прочность управляемого ключа исключает возможность его межэлектродного электрического пробоя при максимальном напряжении, приложенном к высоковольтному фотодиоду.The difference is that in the power circuit between the high-voltage voltage source and the high-voltage photodiode, a controlled key (7) is installed, consisting of a pulse-periodic light source (8), a key photocathode (9) and a key anode (10), and the electric strength of the controlled The key excludes the possibility of its interelectrode electrical breakdown at the maximum voltage applied to the high-voltage photodiode.

Управляемый ключ представляет собой высоковольтную вакуумную двухэлектродную систему, один из электродов которой является фотокатодом ключа. Конструктивно зазор между электродами ключа выбирается таким, чтобы заведомо обеспечить его электрическую прочность во всем диапазоне прикладываемых к нему напряжений от источника высоковольтного напряжения вне зависимости от наличия или отсутствия в нем тока фотоэлектронов. Для формирования тока фотоэлектронов может быть использован импульсно периодический источник света, например импульсно-периодический лазер.The controlled key is a high-voltage vacuum two-electrode system, one of the electrodes of which is the photocathode of the key. Structurally, the gap between the electrodes of the switch is chosen so as to deliberately ensure its electric strength in the entire range of voltages applied to it from the high-voltage voltage source, regardless of the presence or absence of photoelectron current in it. To generate a photoelectron current, a pulse-periodic light source, for example, a pulse-periodic laser, can be used.

На фиг. 1 представлена обобщенная схема построения СШП генератора.In FIG. 1 presents a generalized scheme for constructing UWB generator.

На фиг. 2 представлена схема сверхширокополосного генератора электромагнитных импульсов, где на фиг. 2а изображен вариант схемы с питанием от источника высоковольтного напряжения с положительной полярностью, на фиг. 2б - с питанием от источника высоковольтного напряжения с отрицательной полярностью.In FIG. 2 is a diagram of an ultra-wideband electromagnetic pulse generator, where in FIG. 2a shows a variant of the circuit powered by a high-voltage voltage source with positive polarity; FIG. 2b - powered by a source of high voltage with negative polarity.

Реализация предлагаемого СШП генератора электромагнитных импульсов осуществлена на основе схемы, приведенной на фиг. 2, где 1 - фотокатод высоковольтного фотодиода (высоковольтный фотокатод), 2 - сетчатый анод высоковольтного фотодиода (сетчатый анод), 3 - источник высоковольтного напряжения, 4 - импульсно-периодический лазер, 5 - отверстие для ввода лазерного излучения, 6 - параболическое зеркало, 7 - управляемый ключ, 8 - импульсно-периодический источник света, 9 - фотокатод ключа, 10 - анод ключа. Схема имеет два варианта. На фиг. 2а приведен вариант схемы с питанием от источника высоковольтного напряжения с положительной полярностью, на фиг. 2б - с питанием от источника высоковольтного напряжения с отрицательной полярностью.Implementation of the proposed UWB electromagnetic pulse generator is based on the circuit shown in FIG. 2, where 1 is the photocathode of the high-voltage photodiode (high-voltage photocathode), 2 is the grid anode of the high-voltage photodiode (grid anode), 3 is the source of high-voltage voltage, 4 is a pulse-periodic laser, 5 is the hole for introducing laser radiation, 6 is a parabolic mirror, 7 - controlled key, 8 - pulse-periodic light source, 9 - photocathode of the key, 10 - anode of the key. The circuit has two options. In FIG. 2a shows a variant of the circuit powered by a high-voltage voltage source with positive polarity; FIG. 2b - powered by a source of high voltage with negative polarity.

Предлагаемый СШП генератор ЭМИ для обоих вариантов действует следующим образом.The proposed UWB EMR generator for both options operates as follows.

В начальный момент времени управляемый ключ 7 разомкнут и источник высоковольтного напряжения 3 сформировал напряжение U, следовательно, между электродами ключа разность потенциалов также равна величине U, а между высоковольтным фотокатодом 1 и сетчатым анодом 2 разность потенциалов отсутствует. При замыкании управляемого ключа 7 между высоковольтным фотокатодом 1 и сетчатым анодом 2 формируется разность потенциалов, которая в пределе не превышает величину U. При достижении требуемого напряжения в высоковольтном фотодиоде управляемый ключ 7 размыкается и запускается импульсно-периодический лазер 4, излучение от которого проходит через отверстие 5, падает на параболическое зеркало 6 и отражается от него, формируя сферическую волну света.At the initial moment of time, the controlled switch 7 is open and the high-voltage voltage source 3 generated a voltage U, therefore, between the electrodes of the switch, the potential difference is also equal to the value U, and there is no potential difference between the high-voltage photocathode 1 and the grid anode 2. When the controlled key 7 is closed between the high-voltage photocathode 1 and the grid anode 2, a potential difference is formed, which in the limit does not exceed the value of U. When the required voltage is reached in the high-voltage photodiode, the controlled key 7 is opened and a pulse-periodic laser 4 is launched, the radiation from which passes through the hole 5, falls on a parabolic mirror 6 and is reflected from it, forming a spherical wave of light.

Далее процесс формирования СШП ЭМИ проходит точно так же, как и в прототипе [2]. Сферическая волна света освещает фотокатод, инициируя поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью ν>с. Фотоэлектроны ускоряются в зазоре «фотокатод-анод» и инжектируются сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, которая является источником ЭМИ. Если пространственный заряд инжектированного в эту полость электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью ν>с вдоль анода виртуальный катод, чем также вызывается генерация ЭМИ. Узкая направленность при излучении в обоих случаях обеспечивается как черенковским характером механизма генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида с преобразованием типа волны или без него, имеет плоский фронт.Further, the process of forming UWB EMP goes exactly the same as in the prototype [2]. A spherical wave of light illuminates the photocathode, initiating a surface wave of electron photoemission, traveling along the photocathode in the direction from its axis with a velocity ν> s. Photoelectrons are accelerated in the gap "photocathode-anode" and injected through the mesh anode into the equipotential cavity covered by the anode. Then, a wave of electron injection into the half-space is excited inside the cavity, traveling along the anode grid also with a superluminal velocity, which is the source of electromagnetic radiation. If the space charge of the electron beam injected into this cavity is sufficiently large, then a virtual cathode running at a speed ν> c along the anode is formed in the beam, which also causes the generation of electromagnetic radiation. A narrow radiation directivity in both cases is ensured by both the Cherenkov character of the radiation generation mechanism and the optical property of the rotation paraboloid, which consists in the fact that a wave emitted by a spherically symmetric source from its focus, reflected from the surface of the paraboloid with or without wave type conversion, has flat front.

Так как управляемый ключ в этот момент времени разомкнут, то после завершения процесса формирования СШП ЭМИ электрическая энергия от источника питания не поступает в высоковольтный фотодиод, что способствует быстрому восстановлению электрической прочности зазора «фотокатод-анод». После восстановления электропрочности цикл, начиная с момента замыкания ключа, повторяется.Since the controlled key is open at this point in time, after the formation of the UWB EMR is completed, the electric energy from the power source does not enter the high-voltage photodiode, which contributes to the rapid restoration of the electric strength of the gap “photocathode-anode”. After restoration of electric strength, the cycle, starting from the moment of key closure, is repeated.

Процесс управления ключа, то есть замыкания и размыкания, выполняется следующим образом.The key management process, i.e., closing and opening, is performed as follows.

При приложенном напряжении от источника высоковольтного напряжения между электродами ключа имеется разность потенциалов, причем, как в варианте на чертеже 2а, так и в варианте на чертеже 2б разность между потенциалами анода ключа 10 и фотокатода ключа 9 всегда положительная. При включении источника света 8, направленного на фотокатод ключа, с его поверхности эмитируются фотоэлектроны, которые ускоряются электрическим полем и пролетают анод-катодный зазор, формируя фотоэмиссионный электрический ток I_фэ. Ток будет течь до тех пор, пока потенциалы анода ключа 10 и фотокатода ключа 9 не будут выровнены либо пока не будет выключен импульсно-периодический источник света. Таким образом, если не добиваться полного выравнивания потенциалов анода ключа и фотокатода ключа, то замыкание и размыкание управляемого ключа эквивалентно включению и выключению источника света. Во избежание пробоя управляемого ключа его конструкция должна обладать высокой электрической прочностью, которую проще всего обеспечить величиной зазора между анодом ключа и фотокатодом ключа. Величина коммутируемого управляемым ключом тока I_фэ определяется площадью фотокатода ключа, эффективностью фотоэмиссии из материала фотокатода, а также интенсивностью источника света.When the voltage is applied from the source of high-voltage voltage between the electrodes of the switch, there is a potential difference, and, as in the embodiment in Figure 2a, and in the embodiment in Figure 2b, the difference between the potentials of the anode of the switch 10 and the photocathode of the switch 9 is always positive. When you turn on the light source 8, aimed at the photocathode of the key, photoelectrons are emitted from its surface, which are accelerated by the electric field and fly through the anode-cathode gap, forming a photoemissive electric current I _fe . The current will flow until the potentials of the anode of the key 10 and the photocathode of the key 9 are aligned or until the pulse-periodic light source is turned off. Thus, if you do not achieve full equalization of the potentials of the anode of the key and the photocathode of the key, then closing and opening the controlled key is equivalent to turning the light source on and off. In order to avoid breakdown of the controlled key, its design should have high electric strength, which is easiest to provide with the gap between the key anode and the key photocathode. The magnitude of the current I _fe switched by a controlled key is determined by the area of the photocathode of the key, the efficiency of photoemission from the material of the photocathode, and also the intensity of the light source.

Для оценки возможной реализации импульсно-периодического режима с высокой частотой следования рассмотрим схему работы СШП генератора ЭМИ со следующими параметрами. Напряжение источника высоковольтного напряжения U=+500 кВ. Площадь фотокатода ключа 100 см², зазор между анодом ключа и фотокатодом ключа 50 см. При эффективности фотоэмиссии на уровне 10 А/см² ток фотоэмиссии составит величину I_фэ=1 кА. Для определенности примем площадь параболического высоковольтного фотокатода равной S=1 м², а зазор между высоковольтным фотокатодом и сетчатым анодом примем равным d=1 см. Рассматривая систему параболического фотокатода и сетчатого анода как емкость, оценим ее величину С=εε₀S/d≈1 нФ. Заряд, необходимый для зарядки емкости С до напряжения U, должен быть равен заряду, протекающему через ключ, то есть произведению тока фотоэмиссии на время зарядки t. Следовательно, время зарядки емкости оценивается как величина t=CU/I_фэ≈500 нс. Приняв (с запасом), что время восстановления электропрочности высоковольтного фотодиода составит такую же величину, получим, что период включения СШП генератора ЭМИ составляет 1 мкс, или допустимая частота следования импульсов составит величину 1 МГц. Даже если рассмотреть более экстремальные условия, например - увеличение площади высоковольтного параболического фотокатода на порядок, или наоборот, снизив требования на эффективность фотоэмиссии на фотокатоде ключа на порядок, в любом случае частота повторения значительно, почти на два порядка будет превосходить реализованные частоты повторения известных мощных СШП генераторов ЭМИ.To assess the possible implementation of a pulse-periodic mode with a high repetition rate, we consider the operation scheme of a UWB EMP generator with the following parameters. The voltage of the high voltage source is U = + 500 kV. The area of the key photocathode is 100 cm ² , the gap between the key anode and the key photocathode is 50 cm. At a photoemission efficiency of 10 A / cm ² , the photoemission current will be I _f = 1 kA. For definiteness, we assume that the area of the parabolic high-voltage photocathode is S = 1 m ² , and the gap between the high-voltage photocathode and the mesh anode is taken to be d = 1 cm. Considering the system of the parabolic photocathode and the mesh anode as a capacitance, we estimate its value C = εε ₀ S / d≈ 1 nF. The charge required to charge the capacitance C to voltage U must be equal to the charge flowing through the key, that is, the product of the photoemission current by the charging time t. Therefore, the charging time of the capacitance is estimated as t = CU / I _FE ≈500 ns. Having accepted (with a margin) that the recovery time of the electric strength of the high-voltage photodiode will be the same, we get that the on-time period of the UWB of the EMR generator is 1 μs, or the permissible pulse repetition rate will be 1 MHz. Even if we consider more extreme conditions, for example, increasing the area of the high-voltage parabolic photocathode by an order of magnitude, or vice versa, reducing the requirements on the efficiency of photoemission on the key photocathode by an order of magnitude, in any case, the repetition rate will significantly, almost two orders of magnitude exceed the realized repetition frequencies of known high-power UWB EMP generators.

Таким образом, технический результат, обеспечение работы СШП генератора ЭМИ с высокой частотой следования импульсов без катастрофического разрушения сетчатого анода при пробое высоковольтного фотодиода, может быть реализован.Thus, the technical result, the operation of the UWB EMR generator with a high pulse repetition rate without catastrophic destruction of the mesh anode during the breakdown of a high-voltage photodiode, can be realized.

Claims

An ultra-wideband electromagnetic pulse generator, including a high-voltage photodiode, consisting of a photocathode in the form of a paraboloid of revolution and a grid-shaped anode similar in shape to the photocathode, spaced equidistant from the photocathode surface, connected to a high-voltage voltage source, and a hole for inputting laser radiation from the pulse is made in the photocathode of a periodic laser into the cavity formed by the paraboloid of the anode, and a parabolic mirror is placed in the focus of the paraboloid of the photocathode, providing reflecting laser radiation in the direction of the photocathode, characterized in that in the power circuit between the high-voltage voltage source and the high-voltage photodiode, a controlled key is installed, consisting of a pulse-periodic light source, a key photocathode and a key anode, and the distance between the key photocathode and the key anode eliminates the possibility electrical breakdown of the controlled key at the maximum voltage applied to the high-voltage photodiode.