Способ генерации электромагнитного излучения свч диапазона
Владельцы патента RU 2611574:
Федеральное государственное унитарное предприятие "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР - ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ ИМЕНИ АКАДЕМИКА Е.И. ЗАБАБАХИНА" (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона относится к технике СВЧ и может быть использован при разработке генераторов мощных широкополосных электромагнитных импульсов в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. На электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате чего с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном промежутке, изменяют спектр электромагнитного излучения и снижают потери электронов, размещая экранирующий электрод вне разрядного промежутка. Технический результат - расширение спектра электромагнитного излучения. 1 з.п. ф-лы, 10 ил.
Изобретение относится к технике СВЧ и может быть использовано при разработке генераторов мощных электромагнитных импульсов (ЭМИ) в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.
Известен способ генерации импульсов СВЧ-излучения в приборе с виртуальным катодом (ВК) (Hwang G.S., Wu M.W., Song P.S., Hou W.S. "High power microwave generation from a tunable radially extracted vircator", J. Appl. Phys., 1991, №69(3), p. 1247). Этот способ генерации заключается в том, что в диодной области прибора создается импульсный электронный пучок с током выше предельного, который инжектируется через сетчатый анод в пространство дрейфа, где из-за действия объемного заряда электронов формируется виртуальный катод (ВК). Часть электронов отражается от ВК и совершает колебательное движение между реальным и виртуальным катодами. Энергия этих электронов передается электромагнитному полю. Параметры и положение ВК осциллируют во времени и также вносят вклад в энергию излучения. Основным недостатком этого способа является низкая (около нескольких процентов) эффективность преобразования энергии электронного пучка в энергию излучения, связанная, в частности, с быстрым ослаблением электронного пучка из-за ухода на стенки прибора.
Наиболее близким и выбранным в качестве прототипа является способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, описанный в работе Ю.Н. Лазарева, П.В. Петрова, «Генератор ЭМИ СВЧ диапазона на основе сверхсветового источника», ЖЭТФ, 1999, т. 115, с. 1689, основанный на использовании для генерации ЭМИ разряда высоковольтного фотодиода, инициируемого лазерным излучением, наклонно падающим на фотокатод. Он позволяет получить мощный широкополосный направленный импульс электромагнитного излучения.
К недостаткам данного технического решения, снижающим его практическое использование, можно отнести невозможность генерации иного ЭМИ, кроме широкополосного, и потерю части ускоренных электронов в процессе формирования виртуального катода. Эти электроны, попадая в системы ввода ЛИ и вывода ЭМИ, ухудшают их характеристики и снижают срок эксплуатации.
Задача настоящего изобретения заключается в создании способа, имеющего более высокую потребительскую привлекательность, позволяющего с одной стороны получать импульсы ЭМИ СВЧ диапазона различной спектральной формы (монохроматические, узкополосные, широкополосные), с другой - существенно снизить уход электронов из области генерации ЭМИ.
Поставленная задача решается тем, что в способе генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, заключающемся в том, что на электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате чего с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном промежутке, изменяют спектр электромагнитного излучения и снижают потери электронов, размещая экранирующий электрод вне разрядного промежутка.
Кроме того, импульсное лазерное излучение пропускают через диэлектрик, размещенный между фотокатодом и анодом.
Технический результат заявляемого способа состоит в генерации ЭМИ, спектр которого может изменяться в очень широких пределах, в снижении скорости деградации систем ввода ЛИ и вывода ЭМИ, вследствие уменьшения потерь электронов. Экранирующий электрод обеспечивает либо поглощение дошедших до него электронов, либо отражение прошедших через анод электронов назад в разрядный промежуток, благодаря действию тормозящего поля, приложенного между анодом и электродом, что изменяет динамику движения электронов и, как следствие, спектр генерируемого излучения. Если импульс ЛИ выбивает лишь часть электронов из фотокатода, то под действием ускоряющего поля разрядного промежутка, тормозящего поля между электродом и анодом, и поля объемного заряда сгусток эмитированных электронов колеблется возле анода, испуская ЭМИ, спектр которого зависит от параметров приложенного электрического поля и относительной величины эмитированного заряда. Наличие диэлектрика между анодом и фотокатодом увеличивает емкость разрядного промежутка и плотность заряда, который может быть снят с фотокатода.
Наличие в заявляемом изобретении признаков, отличающих его от прототипа, позволяет считать его соответствующим условию «новизна».
Новые признаки (а именно, изменение спектра электромагнитного излучения и снижение потери электронов, размещение экранирующего электрода вне разрядного промежутка, а также использование диэлектрика для увеличения снимаемого заряда) не выявлены в технических решениях аналогичного назначения. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
Настоящее изобретение иллюстрируется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенными совокупностями существенных признаков требуемого результата.
На фиг. 1 приведены данные расчета спектра d2p/dt2 для триода. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=N, N=1, 2, 3, α/σ<<1.
На фиг. 2 представлены результаты расчета спектра пачки из 5 импульсов. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1, α/σ<<1.
На фиг. 3 приведены результаты расчета спектра пачки из 10 импульсов. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1, α/σ<<1.
На фиг. 4 представлены результаты расчета спектра пачки из 10 импульсов. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=2, α/σ<<1.
На фиг. 5 приведены данные расчета спектра d2p/dt2 для триода. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1/N, N=1, 2, 3, 4, α/σ<<1.
На фиг. 6 представлены результаты расчета спектра пачки из 10 импульсов. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1/N, N=2, α/σ<<1.
На фиг. 7 приведены результаты расчета спектра пачки из 10 импульсов. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1/N, N=4, α/σ<<1.
На фиг. 8 представлены результаты расчета доли излученной энергии как функции числа колебаний электронов,
На фиг. 9 представлена зависимость от времени координаты электрона, 
На фиг. 10 представлены результаты расчета спектра пачки из 5 импульсов с учетом влияния излучения. Тормозящее поле E=E0/ξ, ξ=1, βT0=0.1, α/σ<<1
Физические основы предложенного изобретения поясняются ниже.
Поскольку размеры рассматриваемого источника значительно больше характерной длины волны излучения, то изучение такого источника сводится к изучению разряда бесконечного плоского фототриода.
Фототриод. Генерация ЭМИ при частичном снятии заряда с фотокатода.
Рассмотрим бесконечный плоский фототриод с разностью потенциалов ϕ0=E0L между фотокатодом и анодом. Пусть под действием наклонно падающего ЛИ эмитируется очень короткий импульс электронов (длительность импульса << 
), такой, что
На промежутке шириной ξL над анодом между третьим электродом и анодом задано тормозящее электроны поле с амплитудой Е0/ξ. Анод прозрачен для ЭМИ.
Лазерное излучение обеспечивает образование необходимого количества электронов и благодаря катоду в форме фокусирующего ЛИ зеркала - синхронизацию излучения, испускаемого различными частями электронного пучка.
Лазерное излучение, выбивая из фотокатода электроны, создает вблизи его поверхности слой эмитированных электронов с поверхностной плотностью заряда α. Так как α/σ<<1, то поле Esc, создаваемое зарядом эмитированных электронов, 
слабо влияет на их движение.
Поэтому, описывая движение эмитированных электронов, можно считать, что все они движутся с одинаковой скоростью. Внутри фотодиода со скоростью
вне фотодиода со скоростью
Помимо слабого торможения действие собственного поля Esc увеличивает толщину образуемого электронами слоя. Поскольку голова слоя к моменту времени t пройдет расстояние:
а хвост - расстояние:
то толщина слоя в момент времени t будет
а в момент времени Т0
Таким образом, приближенно, слой эмитированных электронов можно считать бесконечно тонким и использовать для плотности тока следующее выражение
Для вычисления значений электромагнитного поля требуются производные по времени от поверхностной плотности дипольного момента. Поскольку по определению
, w - область существования тока,
то в рассматриваемом случае
Соответственно для второй производной будет справедливо следующее выражение:
Поскольку поток энергии электромагнитного излучения фотоэмиссионного источника определяется выражением:
то с единицы площади рассматриваемого источника за одно колебание будет излучена электромагнитная энергия:
Импульс ускоренных электронов имеет энергию (на единицу площади источника):
Следовательно, за одно колебание излучается доля энергии электронов
При η>>1 для трансформации энергии электронов в энергию ЭМИ потребуется M~1/η>>1 колебаний.
Если бы в процессе излучения скорость электронов оставалась постоянной, то спектр электромагнитного излучения, испущенного в течение M>>1 колебаний, был бы близок к спектру, состоящему из нескольких сравнительно узких линий, ширина которых уменьшается ∝1/М (см. фиг. 1-7).
Однако вследствие излучения (10) энергия электронов уменьшается
и вместо колебаний с постоянной амплитудой имеют место затухающие колебания с уменьшающимся периодом колебаний (см. фиг. 8, 9). Это приводит к уширению спектральных линий (см. фиг. 10). Тем большему, чем больше декремент затухания β.
Какие последствия вызовет размещение между анодом и фотокатодом диэлектрика? При диэлектрической проницаемости разрядного промежутка εef и сохранении разности потенциалов ϕ0 плотность заряда на фотокатоде вырастет в εef раз, электрическое поле между анодом и фотокатодом останется тем же самым Е0, а максимальное значение поля объемного заряда при прежней плотности эмитированного заряда α уменьшится в εef раз. Отсюда и из полученных результатов следует, что пространственная, временная и энергетическая ширина электронного пучка, пересекающего анод, уменьшится в εef раз. То есть существенно улучшится качество пучка, что очень важно для генерации монохроматического ЭМИ. Кроме того, без диэлектрика отношение α/σ≤1, (σ=Е0/4π), с диэлектриком max (α/σ)=εef>>1. Как известно, чем больше плотность тока пучка превышает предельную, тем выше амплитуда плотности дипольного момента и сильнее зависимость от времени (Ю.Н. Лазарев, Ю.Г. Сырцова, «Электродинамика разряда плоского фотодиода при наклонном падении инициирующего лазерного импульса», ЖЭТФ, 2012, т. 141, с. 177). Следовательно, тем интенсивнее и жестче будет генерируемое излучение.
Результаты исследования разряда плоского фототриода, инициируемого плоским потоком ЛИ, наклонно падающим на фотокатод, показывают, что при неполном снятии заряда с фотокатода сгусток эмитированных электронов колеблется возле анода, испуская ЭМИ, спектр которого зависит от параметров приложенного электрического поля и относительной величины эмитированного заряда α/σ. Может быть получено как монохроматическое излучение, так и узкополосное или широкополосное излучение.
Таким образом, источник электромагнитного излучения, использующий для генерации ЭМИ разряд фототриода с диэлектриком между фотокатодом и анодом или без него, позволяет получать ЭМИ, спектр которого может изменяться в существенно более широких пределах, чем спектр ЭМИ в известном техническом решении. Кроме того, наличие экранирующего электрода приводит к уменьшению потерь электронов и снижению скорости деградации систем ввода ЛИ и вывода ЭМИ, поскольку электроны не могут выйти из области, ограниченной фотокатодом и экранирующим электродом.
Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность осуществления способа генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона и способность обеспечения достижения усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».
1. Способ генерации электромагнитного излучения СВЧ диапазона, заключающийся в том, что на электроды фотодиода подают импульс напряжения, фотокатод наклонно облучают импульсным лазерным излучением, в результате чего с катода эмитируются электроны, которые ускоряются в вакуумированном межэлектродном промежутке, отличающийся тем, что изменяют спектр электромагнитного излучения и снижают потери электронов, размещая экранирующий электрод вне разрядного промежутка.
2. Способ изобретения по п. 1, отличающийся тем, что импульсное лазерное излучение пропускают через диэлектрик, размещенный между фотокатодом и анодом.
