Генератор электромагнитных импульсов (ЭМИ пушка) или как сделать оружие своими руками
ЭМИ (электромагнитный импульс) довольно популярны в мире научной фантастики. Было бы здорово иметь свою собственную установку для ЭМИ пушки? Так и подумал, перед тем, как начал сборку электромагнитного излучателя своими руками.
Я хотел сделать ЭМИ генератор, который был бы портативным, и его можно было бы спрятать под рукавами. Если у вас есть правильные компоненты, вы можете собрать её в кратчайшие сроки.
ВНИМАНИЕ: Этот проект не для детей.
Если говорить серьезно, вы можете получишь шок. Конденсаторы действительно мощные и поэтому, пожалуйста, будьте осторожны при обращении со схемой.
Я не несу никакой ответственности, если вы что-то уничтожаете этим оружием.
Шаг 1: Абсолютно необходимые вещи
Схема старой камеры, независимо от того, является ли она одноразовой или нет, абсолютно необходима. Если у вас её нет, то её не так сложно сделать, но это займет много времени. Альтернативный способ — использовать схему с замком или отдельно продаваемую вспышку камеры.
Я использовал схему камеры 15-летней давности. Просто вынул её из корпуса. Схема работает от 3В аккумуляторной системы.
Причина, по которой я использовал обычную схему камеры вместо схем одноразовых камер, заключается в том, что конденсатор в обычной камере намного мощнее, чем в одноразовых. Если вы используете схему отдельной вспышки, она также намного мощнее, чем схемы обычных камер.
Пожалуйста, будьте осторожны при извлечении цепи. Конденсатор все еще может хранить заряд.
Шаг 2: Катушка
Я должен был сделать катушку, которая не занимает много места, потому что она будет фиксироваться в ладони. Если катушка будет слишком большая, я могу поучить шок только за счёт легкого движения ладони.
Итак, я вынул катушку из старой схемы SMPS. У меня были дополнительные медные провода. Поэтому я использовал их, чтобы сделать катушку более мощной.
Убедитесь, что обмотка медного провода тугая, иначе она будет неэффективной.
Шаг 3: Начинаем сборку, делаем каркас
Надо как-то зафиксировать катушку на уровне ладони. Также нужно быть уверенным в правильной изоляции, чтобы избежать ударов током.
Чтобы обеспечить изоляцию, я использовал металлическую полосу и толстый картон. После этого я нашел антенну рации, которую закрепил на ладони с помощью ленты.
Смысл крепления антенны — позволить ладони свободно двигаться. Она должна быть гибкой, чтобы вы могли правильно согнуть руку.
Шаг 4: Добавляем жизненно важные элементы
Теперь, когда каркас готов, мы должны прикрепить к нему самую важную часть — схему камеры. Чтобы прикрепить схему, я снова использовал картон. Также обратите внимание, что я не снял часть оболочки антенны — это позволит мне поворачивать ладонь вокруг запястья. Я прикрепил схему к этой черной изоляции.
Шаг 5: Дорабатываем каркас
Вся конструкция должна быть построена так, чтобы она оставалась на руке. Ранее мы прикрепили металлическую полосу, чтобы катушка оставалась на ладони. Теперь нам нужно прикрепить еще одну металлическую полоску, чтобы концевая часть оставалась неподвижной на предплечье.
Чтобы это стало возможным, я использовал увеличительное стекло.
Шаг 6: Источник энергии
Прикрепите держатель батарейки АА к цепи. Сначала выясните, где в цепи ранее находились точки, к которым были подключены провода от батареи. Припаяйте провода правильно.
Шаг 7: Подключаем катушку
Сначала правильно соедините провода с катушкой. Вы можете припаять их. Один провод должен быть прикреплен в начале катушки, другой провод — в конце катушки.
Эти два провода должны быть спаяны с двумя электродами конденсатора в цепи. Не забудьте прикрепить выключатель — это важно.
Шаг 8: Завершение
Чтобы прикрепить катушку к ладони, я использовал желтую изоленту. Держатель батареи крепится к предплечью с помощью ленты.
Теперь пришло время что-нибудь разрушить!
Игорь Самоделов
Рассказываю как сделать какую-либо вещь с пошаговыми фото и видео инструкциями.
RU2195790C2 — Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения — Google Patents
Publication number RU2195790C2 RU2195790C2 RU99118858A RU99118858A RU2195790C2 RU 2195790 C2 RU2195790 C2 RU 2195790C2 RU 99118858 A RU99118858 A RU 99118858A RU 99118858 A RU99118858 A RU 99118858A RU 2195790 C2 RU2195790 C2 RU 2195790C2 Authority RU Russia Prior art keywords energy current pulse electromagnetic pulse accumulation Prior art date 1999-08-30 Application number RU99118858A Other languages English ( en ) Other versions RU99118858A ( ru Inventor В.Д. Селемир В.А. Демидов А.В. Ивановский В.Ф. Ермолович В.Г. Корнилов В.И. Челпанов С.А. Казаков Ю.В. Власов А.П. Орлов Original Assignee Российский Федеральный Ядерный Центр — Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики Министерство Российской Федерации по атомной энергии 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.) 1999-08-30 Filing date 1999-08-30 Publication date 2002-12-27 1999-08-30 Application filed by Российский Федеральный Ядерный Центр — Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики, Министерство Российской Федерации по атомной энергии filed Critical Российский Федеральный Ядерный Центр — Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Экспериментальной Физики 1999-08-30 Priority to RU99118858A priority Critical patent/RU2195790C2/ru 2001-07-27 Publication of RU99118858A publication Critical patent/RU99118858A/ru 2002-12-27 Application granted granted Critical 2002-12-27 Publication of RU2195790C2 publication Critical patent/RU2195790C2/ru
Links
Abstract
Использование: в импульсной рентгенотехнике, инерциальном термоядерном синтезе, сильноточной электронике и физике высоких плотностей энергии. Способ заключается в накоплении энергии в накопителе путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса при подключении к накопителю формирующих линий и последующем преобразовании энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение. На первом этапе в цепи преобразования энергии в мощное рентгеновское излучение используется химическая энергия взрывчатых веществ в сочетании с накоплением генерируемой магнитной энергии в индуктивном накопителе и формированием высоковольтного сильноточного электромагнитного импульса путем прерывания тока в контуре накопителя. Размыкание контура производится либо с использованием взрывчатых веществ, либо электровзрывом проводников, либо в специально организованном плазменном слое, либо каскадным образом, сочетающим эти виды прерывания тока. Технический результат заключается в снятии ограничения на плотность энергии на стадии накопления и возможности генерирования мощных импульсов при снижении габаритов и упрощении конструкции устройства. 2 з.п.ф-лы.
Description
Изобретение относится к областям импульсной рентгенотехники, инерциального термоядерного синтеза (ИТС), сильноточной электроники и физики высоких плотностей энергии и может быть использовано для генерации мощных импульсов рентгеновского излучения (МРИ).
Проблема генерации МРИ, а также основная проблема в каждой из указанных областей сводится к получению импульсов с большими уровнями общей энергии, мощности и потока энергии, а именно с уровнями энергии в электромагнитном импульсе (ЭМИ) до десятков МДж, мощности в сотни ТВт, энергии в МРИ до нескольких МДж. Известно, что продвижение в области управляемого термоядерного синтеза (УТС) происходит через последовательное наращивание энергоемкости первичных накопителей, выходной мощности формирующих устройств и повышение концентрации энергии на мишени установок, предназначенных как для изучения процессов на достигнутом уровне мощности, так и для отработки отдельных систем. Реализация этих задач возможна различными способами. В проблеме инерциального термоядерного синтеза характеристики рентгеновского излучения несут ценную информацию о процессах в реакторной камере. Поэтому помимо собственной ценности генераторов МРИ они входят в общее семейство установок ИТС.
Известен способ генерации МРИ, заключающийся в накоплении энергии в емкостных накопителях, преобразовании ее в магнитную энергию тока, протекающего по пинчующемуся плазменному слою, генерировании ЭМИ при самопроизвольном прерывании тока, обусловленном внезапным появлением сильной турбулентности и аномального сопротивления в системах плазменного фокуса (Г.Л. Сахлин. В кн. «Накопление и коммутация энергии больших плотностей». Изд-во «Мир». М. 1979, стр.199-214). Недостатком способа является невысокий общий к. п. д, ограниченный эффектами плазменных неустойчивостей, результатом чего является низкий уровень энергии в импульсе рентгеновского излучения (РИ) и вследствие этого необходимость увеличения энергоемкости первичного источника питания. Последнее возможно либо увеличением числа конденсаторов, либо увеличением напряжения на накопителе. Первое приводит к увеличению паразитной индуктивности и дальнейшему снижению эффективности метода. Второй путь ограничен электропрочностью диэлектрических элементов конструкции. Таким образом, увеличение энергии рентгеновского импульса неизбежно связано со снижением надежности, увеличением громоздкости и стоимости установок для получения МРИ.
Известен способ генерации импульса МРИ, выбранный за прототип (J.J. Ramirez. The Jupiter program. Proceedings of the 10 th IEEE International Pulsed Power Conference, Albukerkque, NM, 1995, p.91-98), заключающийся в накоплении энергии в накопителе путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса при подключении к накопителю формирующих линий и последующем преобразовании энергии ЭМИ в рентгеновское излучение коллапсирующим лайнером. На первой стадии осуществляют накопление электростатической энергии в первичном источнике — емкостных накопителях (генераторах Маркса), входящих в состав импульсных генераторов мощности. На второй стадии после включения (коммутации) генераторов Маркса путем подключения к ним формирующих линий генерируются индивидуальные высоковольтные импульсы большим числом модулей — импульсных генераторов мощности, включающих в себя генераторы Маркса и формирующую линию. Токи этих модулей складываются на третьей стадии и подводятся с помощью передающих линий к цилиндрической плазменной нагрузке (лайнеру), помещенной в центре вакуумной камеры. Во время четвертой стадии магнитное поле, генерируемые током, вызывает взрыв лайнера, приводящий к генерированию плазмы, которая продолжает поглощать подводимую энергию, конвертируемую в кинетическую энергию частиц. На конечном этапе кинетическая энергия преобразуется в энергию рентгеновского излучения, когда плазма останавливается вблизи оси взрыва. Магнитная энергия, накопленная вблизи области нагрузки, продолжает ускорять коллапсирующую плазму, создавая дополнительное излучение. Мощный радиационный импульс может быть получен в коротких (~100. 200 нc) токовых импульсах.
Недостаток этого способа: плотность энергии в емкостном накопителе ограничивается электропрочностью изоляционных материалов. Известно, что плотность энергии, запасаемой в генераторах Маркса, не превышает 5 кДж/м 3 при выходном напряжении 2-2,5 MB (Котов Ю.А., Лучинский А.В. Усиление мощности емкостного накопителя энергии прерывателем тока на взрывающихся проволочках. В кн. «Физика и техника мощных импульсных систем. М.: Энергоатомиздат, 1987, с. 189-211). Низкая плотность энергии приводит к значительной индуктивности разрядной цепи, что ограничивает возможную выходную мощность генераторов Маркса и среднюю скорость ее нарастания. Учет последнего фактора приводит к необходимости многокаскадной компрессии ЭМИ в последовательно работающих импульсных генераторах мощности. Способ прототипа предопределяет большие габаритные размеры генераторов мощных рентгеновских импульсов. Необходимость создания крупногабаритных сооружений для емкостных накопителей и их многоэлементность приводят к тому, что при увеличении выходной энергии в МРИ способ становится все более громоздким и менее надежным, а также к значительному увеличению стоимости его реализации из-за дороговизны энергоемких емкостных накопителей и их обслуживания.
Задача состоит в создании более надежного и относительно простого способа генерации мощного импульса РИ, позволяющего осуществить более простую и дешевую реализацию этапов накопления энергии и формирования ЭМИ, снять ограничения, связанные с повышенными требованиями к множеству элементов емкостного накопителя, характерному для прототипа, что в конечном счете приведет к повышению надежности способа генерации МРИ.
Технический результат, реализуемый с помощью заявляемого способа, состоит в снятии ограничения на плотность энергии на стадии накопления.
Он достигается тем, что в способе генерации мощного импульса рентгеновского излучения, заключающемся в накоплении энергии в накопителе энергии путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса, преобразовании энергии электромагнитного импульса в импульс рентгеновского излучения, согласно изобретению при использовании в качестве первичного источника энергии взрывомагнитного генератора накопление энергии осуществляют в индуктивном накопителе энергии, формируют обостренный электромагнитный импульс размыканием токового контура индуктивного накопителя энергии, по крайней мере, а два этапа при последовательном прерывании электрического тока в предварительно организованном плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии с нелинейной зависимостью его проводимости от протекающего через его токовый контур электрического тока.
Для увеличения средней мощности, выделяемой в нагрузке, размыкание электрического тока в плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии осуществляют за время, меньшее времени пробега электромагнитной волны по нему.
Преобразование энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение можно осуществлять посредством превращения энергии электромагнитного импульса в кинетическую энергию потока заряженных частиц.
Техническое решение обеспечивается тем, что плотность энергии, запасаемой в магнитном поле неразрушаемых соленоидов достигает 40-100 МДж/м 3 (Е.А. Абрамян, Б.А. Альтеркоп, Г.Д. Кулешов. «Интенсивные электронные пучки. Физика, техника, применение. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.173). Это дает возможность создания индуктивных накопителей энергии с объемом, в тысячи раз меньшим, чем у емкостных накопителей, и соответственно существенного уменьшения стоимости всего способа, особенно реализуемого в устройствах с мощностью в десятки тераватт и более. Индуктивные накопители могут быть коаксиального, радиального или иного типа.
Однако индуктивный накопитель не является первичным источником энергии и сам должен запитываться от сильноточного генератора. В качестве такового обычно используются конденсаторные батареи или генераторы Маркса. Это, однако, сохраняет недостатки, присущие способу прототипа. В изобретении эти недостатки устраняются заменой накопления электростатической энергии на первом этапе генерированием мощного потока магнитной энергии путем преобразования химической энергии ВВ в электромагнитную. Это преобразование происходит при совершении работы проводниками, движущимися во взрывомагнитном генераторе (ВМГ) под действием продуктов взрыва заряда взрывчатого вещества против давления магнитного поля. Эта работа выражается в увеличении электромагнитной энергии в контуре ВМГ. Благодаря большому энергосодержанию и высокой мощности ВВ этап накопления от первичного источника, основанный на преобразовании химической энергии в электромагнитную, является высокоэффективным и компактным. Удельная энергоемкость источников электромагнитной энергии, с помощью которых осуществляют накопление энергии, примерно на три порядка выше удельной энергоемкости емкостных накопителей. Для создания в первичном контуре ВМГ начального магнитного поля необходима небольшая конденсаторная батарея, подключаемая к ВМГ. Генерируемая таким образом энергия передается в энергоемкие индуктивные накопители путем подключения их к ВМГ. Высоковольтный ЭМИ формируется путем размыкания контура, образуемого токовым генератором, индуктивным накопителем и прерывателем тока (ПТ). При реализации этого этапа способа в прерывателе тока вследствие специального подбора вещества, проводящего ток, и выбора конструкции прерывателя электрическое сопротивление меняется от малой величины на стадии накопления энергии и резко растет при достижении критического уровня тока.
Использованием первичного источника, основанного на взрывомагнитном принципе, — взрывомагнитного генератора (ВМГ) — и осуществлением накопления в накопителе с большими удельными энергоемкостями в результате отказа от способа накопления электростатической энергии в сочетании с формированием ЭМИ при размыкании контура накопителя достигается увеличение надежности способа и его упрощение.
Одним из возможных конкретных способов разрыва тока, способствующих достижению заявляемого технического результата, является разрушение проводника (фольги) на ребристой преграде взрывчатым веществом или диэлектрическими кумулятивными струями. Другим способом разрыва тока является электровзрыв проводников, когда энергия, запасаемая в накопителе, во много раз превосходит энергию, необходимую для плавления и испарения материала проводника. Для осуществления быстрого разрыва контура необходим специальный подбор длины, сечения, материала проводников и конструкции самого прерывателя. Все эти характеристики сильно зависят от используемого индуктивного накопителя, параметров токового импульса и плохо поддаются теоретическим расчетам. Таким образом, использование электровзрывных прерывателей предполагает проведение определенных операций по оптимизации их характеристик. Использование «простейших» типов ПТ — взрывных и электровзрывных — целесообразно, в частности, в тех вариантах формирования ЭМИ, когда энергия индуктивного накопителя передается в формирующую линию (ФЛ), являющуюся накопителем емкостного типа. Известно, что ограничения на допустимую плотность энергии емкостных накопителей существенно ослабляются при их быстрой (короче 1 мкс) зарядке. Высокая скорость зарядки ФЛ обеспечивается малой величиной индуктивности используемых индуктивных накопителей. Высоковольтный ЭМИ формируется затем путем коммутации ФЛ.
В настоящее время широко используются наиболее «быстроходные» плазменные прерыватели тока (ППТ), с помощью которых могут быть достигнуты требуемые уровни выходной мощности при разрыве тока за время меньше или порядка 100 нc. Включение в схему генератора мощности ППТ требует выполнения ряда операций, связанных с генерированием плазмы в ПТ до включения токового генератора и организации плазменного токового канала в ПТ. Существует широкий набор генераторов плазмы, используемых для заполнения ПТ. Для реализации быстрого прерывания тока, что обеспечивает генерирование высоковольтного ЭМИ, подбирают электрофизические (связанные с характеристиками плазмы) и конструктивные параметры плазменного прерывателя тока.
Условия эффективной генерации МРИ включают не только необходимость передачи в нагрузку большой энергии при высокой пиковой мощности, но и требования предотвращения предымпульса ЭМИ на мишени и формирование ЭМИ с коротким фронтом нарастания тока. Условие более быстрого прерывания тока в ППТ достигается путем специального подбора электрофизических и конструктивных параметров плазменного прерывателя тока или использованием, например, каскадного ППТ, когда применяют два или более прерывателей, соединенных последовательно с тем, чтобы каждый последующий каскад размыкал ток быстрее предыдущего вследствие более быстрого процесса накопления магнитной энергии, в результате чего не успевают развиваться процессы, стабилизирующие проводимость плазменного токового канала.
Каскадный способ обострения основан (упрощенно) на следующем. Допустим, первоначально энергия накапливается в индуктивности L1 при протекании тока через прерыватель ПТ1. При срабатывании ПТ1 к первичному контуру подключается контур с индуктивностью L2 и прерывателем ПТ2. ЭДС, возникающая на L1, приложена ко второму контуру, т.е. E1=L1•dI1/dt равна Е2=L2•dI2/dt. Очевидно, что условие L1>>L2 означает существенное увеличение скорости роста тока на ПТ2 по сравнению с этим параметром для первого контура. Использование многокаскадного способа формирования ЭМИ способствует как предотвращению предымпульса на мишени, так и условиям для более быстрого разрыва тока в конечном каскаде.
Кроме того, возможен дополнительный технический результат, улучшающий совмещение функций накопления и формирования. В отличие от вышеописанного способа он может быть реализован при размыкании тока в плазменном слое за время, меньшее двойного пробега электромагнитной волны по индуктивному накопителю. При указанном условии индуктивный накопитель становится линией с распределенными параметрами, формирующей на выходе ток, напряжение и длительность импульса в соответствии с ее волновым сопротивлением и электрической длиной, что приводит к увеличению средней за импульс мощности генерируемого ЭМИ и тем самым к увеличению итоговой эффективности конверсии энергии в рентгеновское излучение.
Для реализации изобретения электрическую длину индуктивного накопителя выбирают большей времени размыкания тока (задавая геометрические параметры или вид диэлектрического заполнителя индуктивного накопителя, выполненного в виде длинной линии с распределенными параметрами). Однако длительность формируемого импульса не должна превышать времени развития процессов, ограничивающих эффективность конечного этапа конверсии энергии в РИ.
Известно, что в проблемах инерционного термоядерного синтеза и генерации МРИ рассматриваются как варианты конверсии энергии ЭМИ в энергию высокотемпературной плазмы или мощное рентгеновское излучение либо методом взрывающегося и схлопывающегося лайнера (как в прототипе), так и при передаче ЭМИ на ускорители заряженных частиц (Дж. Йонас. Термоядерная энергия и пучки заряженных частиц. Успехи физ. наук, 1981, т.133, вып.1, с.159). Во втором варианте генерируемые в ускорителях электронные или ионные потоки концентрируют на мишени. При торможении потока заряженных частиц кинетическая энергия последних приводит к генерированию рентгеновского излучения и образованию высокотемпературной плазмы. Поскольку одни и те же формирователи ЭМИ используются как источники энергии в обоих вариантах, очевидно, что описываемый способ допускает использование на последних этапах конверсии энергии как лайнерного варианта (как в прототипе), так и ускорителей заряженных частиц (корпускулярных потоков).
Таким образом, совокупность предложенного вида запитки, основанного на преобразовании химической энергии взрывчатых веществ в магнитную посредством сжатия начального магнитного потока, с накоплением энергии по индуктивному типу и формированием ЭМИ путем создания определенного разрядного контура с прерыванием тока позволяет совместить свойства первичного источника энергии, связанные с накоплением энергии, и особенности формирования импульса при размыкании контура накопителя с усилением мощности. Существенное снижение количества этапов преобразования энергии на стадиях накопления энергии и формирования ЭМИ в заявляемом способе (количество элементов многоэлементного накопителя электростатической энергии снижено использованием энергоемкого ВМГ в сочетании с энергоемким индуктивным способом накопления) и формирование ЭМИ прерыванием тока позволяют снять ограничения на плотность энергии на стадии накопления и расширяет возможности генерирования МРИ при снижении габаритов устройства, упрощает конструкцию устройства и его эксплуатацию, снимает повышенные требования к надежности множества элементов исключенного емкостного накопителя. Помимо этого, следует отметить и снижение полной стоимости установки для получения МРИ по заявляемому способу в сравнении со способом прототипа. Это снижение связано с тем, что удельная стоимость получения магнитной энергии в дисковых ВМГ оценивается величиной 0,001÷0,005 $/Дж (А. И. Павловский, Р.З. Людаев. «Магнитная кумуляция». В кн. «Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики». Под ред. А.П. Александрова. Л.: Наука, 1984, с.2, 6-270), соответствующая величина для электрической энергии в конденсаторных батареях 1÷1,5 $/Дж (проектная стоимость установки «Атлас» 40 млн. $ при энергии в конденсаторах 36 МДж) (W.A. Reass et al. Capacitor and Railgap Development for the Atlas Machine Marx Modules. 10 th IEEE International Pulsed Power Conference, p.522, July, 1995).
Реализуемость предлагаемого способа основана на следующем. Современный уровень техники генерирования мощных ЭМИ предполагает модульность конфигурации установки с суммированием ЭМИ отдельных модулей. Модуль на параметры, близкие к модулю прототипа, реализующий изобретение, может запитываться от дискового ВМГ нового поколения ([1] V.A. Demidov, S.A. Kazakov, A.S. Kravchenko, L. N. Plyashkevich, V.D. Selemir. Power Energy Sources Based on the FCG Parallel and Series Connection. Proc. of the 11 th IEEE Intern. Pulsed Power Conf. Ed. G. Cooperstein and Vitkovitsky. Baltimore, Maryland, 1997, pp.1459-1464), позволяющего генерировать ток до 50 МА за характерное время ~ 3 мкс. Оценим характеристики ЭМИ, формируемые генератором рассматриваемого типа. Если использовать в качестве накопителя энергии две последовательно соединенные однородные радиальные линии с внешним диаметром 3 м, внутренним — 1 м с волновым сопротивлением ρo=0,5 Ом, то полная индуктивность линии с учетом индуктивностей участков ввода энергии составляет ~40 нГ. Индуктивность подводящих линий можно также оценить величиной ~40 нГ, что дает полную индуктивность одного индуктора с кабельными линиями ~80 нГ. Допустим, базовый блок генератора-формирователя состоит из 5 индукторов. Его полная индуктивность 0=8 МА [1].
Если прерыватель тока идеальный, то по передающей линии с волновым сопротивлением, равным волновому сопротивлению короткозамкнутой линии индуктора, будет передаваться импульс длительностью 2t0 с амплитудой тока I= 0,5I0= 4 МА. Если сопротивление прерывателя имеет конечную величину, например, Rk= 2 Ом, то для согласованной работы индуктора волновое сопротивление ρ1 передающей линии целесообразно выбрать из условия
При соблюдении этого условия можно оценить амплитуду импульса тока на выходе из передающей линии:
На согласованной с передающей линией нагрузке Z=ρ1=1 Ом получим импульс напряжения U~ 3 MB. Предполагая, что потери на выходной индуктивности могут достигать ~30%, выходное напряжение одного индуктора можно оценить величиной ~ 2 MB. В этом случае полная амплитуда импульса, формируемого 5 индукторами, включенными на стадии запитки параллельно, а при формировании ЭМИ последовательно, на нагрузке Z=5 Ом достигнет 10 MB. Пиковая мощность, выделенная на нагрузке, составит 20 ТВт. Длительность импульса по основанию при выбранных размерах индуктора 120 нc.
Современный уровень плазменных прерывателей тока (А.В. Лучинский, Н.А. Ратахин, В. Ф. Федущак, А.Н. Шепелев. Изв. вузов, 1997, 12, с.67-75; С.П. Бугаев, А.М. Волков, А.А. Ким и др. Изв. вузов, 1997, 12, с.38-46; J.R. Thompson, J. E. Rauch, J.R. Goyer et al. The Proc. 11th IEEE Int. Pulsed Power Conf. (1997), pp.269-274) позволяет размыкать токи мегаамперного диапазона, переключая до половины накопленного тока в нагрузку при укорочении фронта импульса до
Для генерации МРИ возможно использование как электронных, так и ионных ускорителей. Примером электронных ускорителей рассматриваемого типа могут служить ускорители «Сатурн» (D.D. Bloomquist, R.W. Stinnett, D.H. McDaniel et al. «Saturn. A Large Area x-ray Simulation Accelerator». Proc. 6th IEEE Pulsed Power Conf, Arlington, VA, June 29-July 1. 1987, pp.310-317), «Гермес III» (J. J. Ramirez et al.»Hermes III — A 16 TW, Short Pulse, Gamma Ray Simulator». Proc. 7th International Conference on High Power Patricle Beams. Karlsruhe, West Germany, Yuly 4-8, 1988, pp.148-157), примером ионного ускорителя — PBFA-II (B. N. Turman et al. «PBFA-II — A 100 TW Pulsed Power Driver for the Inertial Confinement Fusion Program». Proc. of the 5th IEEE I Pulsed Power Conference, Arlington, VA, June 10-12, 1985, pp.155-161).
Таким образом, снятие ограничения на плотность энергии на стадии накопления обеспечивает возможность генерации МРИ в более простом варианте, с более высокой степенью надежности при снижении стоимости установок сравнимого класса.
Claims ( 3 )
1. Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения, заключающийся в накоплении энергии в накопителе энергии путем подключения его к первичному источнику энергии, формировании электромагнитного импульса, преобразовании энергии электромагнитного импульса в импульс рентгеновского излучения, отличающийся тем, что при использовании в качестве первичного источника энергии взрывомагнитного генератора, накопление энергии осуществляют в индуктивном накопителе энергии, формируют обостренный электромагнитный импульс размыканием токового контура индуктивного накопителя энергии, по крайней мере, в два этапа при последовательном прерывании электрического тока каскадом прерывателей, по крайней мере, на одном этапе в предварительно организованном плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии с нелинейной зависимостью его проводимости от протекающего через его токовый контур электрического тока, а на другом этапе — с размыканием указанного токового контура с помощью взрывчатого вещества и/или посредством электровзрыва проводников.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размыкание электрического тока в плазменном слое токового контура индуктивного накопителя энергии осуществляют за время, меньшее времени пробега электромагнитной волны по нему.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что преобразование энергии электромагнитного импульса в рентгеновское излучение осуществляют посредством превращения энергии электромагнитного импульса в кинетическую энергию потока заряженных частиц.
RU99118858A 1999-08-30 1999-08-30 Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения RU2195790C2 ( ru )
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99118858A RU2195790C2 ( ru ) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU99118858A RU2195790C2 ( ru ) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU99118858A RU99118858A ( ru ) | 2001-07-27 |
RU2195790C2 true RU2195790C2 ( ru ) | 2002-12-27 |
Family
ID=20224528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU99118858A RU2195790C2 ( ru ) | 1999-08-30 | 1999-08-30 | Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU ( 1 ) | RU2195790C2 ( ru ) |
- 1999
- 1999-08-30 RU RU99118858A patent/RU2195790C2/ru active IP Right Revival
Non-Patent Citations (2)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Title J.J.Ramirez, The Jupiter program, Proceedings of the 10 th IEEE International Pulsed Power Conference, Albukerkque, NM, 1995, h.91-98. * Известия вузов 1997, №12, с.38-46, 67-75. * Similar Documents
Publication Publication Date Title Stygar et al. 2015 Conceptual designs of two petawatt-class pulsed-power accelerators for high-energy-density-physics experiments Stygar et al. 2007 Architecture of petawatt-class z-pinch accelerators US4422013A ( en ) 1983-12-20 MPD Intense beam pulser Song et al. 2019 A compact low jitter high power repetitive long-pulse relativistic electron beam source US4406952A ( en ) 1983-09-27 Opening switch for interrupting current using a plasma focus device RU2195790C2 ( ru ) 2002-12-27 Способ генерации мощного импульса рентгеновского излучения Ramirez 1997 The X-1 Z-pinch driver Smith et al. 2002 Pulse power for future and past X-ray simulators Goyer et al. 1994 Improved performance of a plasma opening switch using a novel anode configuration Neau 1995 High average power, high current pulsed accelerator technology US6304042B1 ( en ) 2001-10-16 Plasma opening switch US6005305A ( en ) 1999-12-21 Magnetic voltage-pulser Lam et al. 2005 Fast discharge energy storage development for advanced X-ray simulators Gordeev et al. 1999 Desing of high-current pulse electron accelerator Ware et al. 2000 Development of affordable technologies for large X-ray simulators Toury et al. 2004 Design and simulation of a 3 MV compact generator for radiographic applications Kohno et al. 2000 High-current pulsed power generator ASO-X using inductive voltage adder and inductive energy storage system Fridman et al. 2008 A capacitor cell of a capacitive energy storage with a switch based on reverse switch-on dynistors Neuber et al. 2008 Compact High Power Microwave Generation Korn et al. 2009 Design of a compact power conditioning unit for use with an explosively driven high power microwave system Kemp 1962 Elements of energy storage capacitor banks Jain et al. 1981 Gigawatt power electron beam generator Shyam et al. 2012 Pulsed particle beam high pressure/shock research in India SHORT-PULSE 1996 High Average Power, High Current Pulsed Accelerator Technology Novac et al. 2008 Simple high-performance exploding wire opening switch Legal Events
Effective date: 20070831
Effective date: 20080827
Мощный электромагнитный импульсный генератор — реальность или вымысел?
Периодически то в одном, то в другом фильме мелькает интересный девайс, который позволяет за доли секунд выключить: всю электронику в окрестностях, свет во всём городе, «победить всех роботов разом» и т.д. и т. п. Да, речь пойдёт о «мифическом» генераторе электромагнитного импульса. Но насколько он реален на самом деле?
И для начала вот эти фильмы: например, тот же самый фильм «Одиннадцать друзей Оушена», в котором с помощью подобного генератора выключается свет во всём городе:
Или, например, тот фильм «Матрица», в котором с помощью подобного импульса поражается армия машин, нападающая на людей:
Так как с каждым днём проникновение электроники в нашу жизнь увеличивается, человечество становится всё более зависимым от электронной среды, которая, в свою очередь, имеет критическую слабость в виде зависимости от электромагнитного излучения.
Причём началось это далеко не вчера — ещё во времена появления самых первых телефонных линий, магнитные бури вызывали помехи в линиях, большинство из которых было расположено над землёй. Например, у американских фермеров 19 века, для экономии провода, в качестве телефонных линий использовалась колючая проволока, ограждающая загоны со скотом, прямо по которой пускался телефонный сигнал.
И такие линии воздушного расположения были особо подвержены помехам, возникающим в результате магнитных возмущений. В настоящее время эта проблема в большей степени нивелирована, так как телефонные линии обычно пролегают под землёй.
Однако вернёмся к нашему генератору. Уже в XX веке совершенно случайно, при испытаниях атомного оружия было выявлено сопутствующие ему мощное электромагнитное излучение, влияние которого было отмечено даже на расстояниях в сотни километров от точки взрыва.
Со временем учёные стали исследовать этот вопрос целенаправленно и стало понятно, что ядерный взрыв не является идеальным кандидатом на роль генератора электромагнитного импульса — слишком загрязняется окружающая среда, энергия атомного распада или синтеза только в малой степени преобразуется в электромагнитное излучение (до 5% энергии взрыва).
По сей день не существует никакого компактного хранилища подобного излучения. Поэтому все более-менее эффективные генераторы представляют собой тот или иной способ преобразования энергии, как правило, энергии взрыва — в электромагнитное излучение соответствующей мощности и частоты, так как именно взрывчатые вещества могут хранить в себе в сжатом объёме достаточную энергию, которая может резко выделиться в ограниченном объёме и за весьма небольшое время.
Вне зависимости от конкретной конструкции, принцип действия подобных устройств основывается на так называемом «сжатии магнитного потока», который позволяет создавать очень мощные магнитные поля за микросекунды.
Одним из учёных, который работал над подобной проблемой, был академик Сахаров. Его генератор представляет собой катушку из медного прутка, которая окружена взрывчатым веществом. Катушка связана с мощной конденсаторной батареей.
Работает устройство следующим образом: батарея подаёт накопленный заряд на катушку, после того как магнитный поток достиг максимума, происходит подрыв заряда, который сжимает огромным давлением катушку снаружи, что приводит к запиранию магнитного поля внутри катушки, после чего вся система продолжает сжиматься, уменьшая длину волны электромагнитного излучения, одновременно увеличивая его напряжённость.
Как правило, подобное устройство получается достаточно компактным, поэтому его даже называют «генератор электромагнитного импульса для бедных».
Однако подобное название не должно вводить в заблуждение,- несмотря на свою простоту, устройство является весьма эффективным, так как сила тока в импульсе может достигать миллионов ампер и сам импульс — развивать мощность в десятки тераватт. Подобная мощность развивается из-за уменьшения сечения системы, что в свою очередь, повышает индукцию и ток в устройстве.
Чтобы устройство было достаточно эффективным, сжатие поля до максимального значения должно происходить примерно за период времени, равный 10 в минус девятой степени секунд.
Первые исследования подобных устройств в Советском Союзе проводились ещё в пятидесятых годах XX века.
Американцы тоже проводили подобные исследования в Лос-Аламосской лаборатории, результате которых возникли устройства, подобные показанному ниже.
Установка устройства представляла собой медную трубку, заполненную быстродействующим взрывчатым веществом. Ударная волна распространялась в устройстве от одного конца к другому, как показано на рисунке. Для предотвращения нежелательного (слишком быстрого) разрушения, устройство было залито бетоном или использовалась обмотка стекловолокном и заливка эпоксидной смолой.
Для начального пуска электромагнитного потока использовалась высоковольтная батарея Маркса. Расширяющаяся ударная волна постепенно замыкает катушку снаружи, запирая ток внутри оставшихся витков, и сжимает магнитное поле. При этом максимальный импульс генерируется практически перед полным разрушением самого устройства. При этом пиковые токи достигают значений в десятки мегаампер и энергии в десятки мегаджоулей. Типичным разбросом значений выходного тока (в зависимости от размеров и конструкции устройства) является интервал в 10-1000 раз превышающий ток, который регистрируется при обычных природных ударах молний.
Если некоторым образом попытаться обобщить значения энергии, которая может храниться в подобном химико-электромагнитном хранилище, то её можно примерно охарактеризовать как 100 Дж/г. Ряд экспериментов с подобными генераторами показал достижение токов до 250 мегаампер и энергию импульса более 1 мегаджоуля.
В качестве подобного устройства можно назвать плоский генератор:
При испытании его с объёмом взрывчатого вещества весом в 1 кг, мощность составила 100 000 000 000 ватт, энергия порядка 1 мегаджоуля и сила тока в 14 мегаампер. Вес генератора не превышал 10 кг. Именно на этом генераторе было получено магнитное поле, сила индукции которого составляла около 2500 Тесла.
Кому интересно подробнее почитать об этом генераторе, может ознакомиться со следующими монографиями:
- Долотенко М. И.: Магнитокумулятивные генераторы МК-1 сверхсильных магнитных полей.
- «Магнитоимпульсные генераторы — импульсные источники энергии»: Под ред. В.А.Демидова, Л.Н.Пляшкевича, В.Д.Селемира. /Саров, 2012.
Картинка: vk.com
Подобный генератор позволил получить весьма высокие показатели импульса -ток составил порядка 250 мегаампер и энергию достигла порядка 30 мегаджоулей.
Проблемой генератора Сахарова и рассмотренных выше ему подобных являлось то, что сила противодействия магнитного поля, запертого в механической катушке, на каком-то этапе становилась настолько большой, что дальнейшее сжатие было невозможным: происходила остановка процесса сжатия и разрушение катушки, причём не внешним взрывчатым веществом, как можно было бы подумать, а внутренним магнитным полем катушки.
Это привело к необходимости дальнейшего исследования этого вопроса, так как было выяснено, что для максимальной эффективности конвертации энергии взрывчатого вещества в электромагнитное излучение, необходимо магнитное поле сжать ещё сильнее, примерно в 1000 раз больше, чем в генераторе, который предложил Сахаров!
Что явилось толчком к дальнейшей эволюции генератора, в котором уже не физическая катушка сжимала поле, а была использована ударная волна, движущаяся прямо внутри вещества. Для этого была разработана следующая конструкция:
Устройство состоит из пластиковой сферы, внутри которой находится взрывчатое вещество, в центре взрывчатого вещества, находится кристалл йодида цезия. Кристалл установлен таким образом, что к нему с двух сторон подходят металлические конусы, которые проводят магнитное поле от постоянных магнитов.
Работает устройство следующим образом: вся поверхность пластиковой сферы покрыта сложной сетью канавок, изготовленных методом сверхточной ЧПУ фрезеровки и заполненных взрывчатым веществом с высокой стабильностью скорости детонации. Их основное назначение – сделать так, чтобы детонация распространилась по всей сфере внутри канавок, что вызвало, в свою очередь, одновременную, со всех сторон – детонацию основного вещества в центре. Каждая канавка заканчивается отверстием, через которое детонация от канавки — передаётся основному заряду взрывчатого вещества в центре (сфера с этими отверстиями выглядит как покрытая со всех сторон кучей отверстий. Как примерно шарик-ситечко, для заваривания чая).
Цель всей этой затеи — чтобы создать максимально сферическую волну давления, сходящуюся к центру — прямо кристаллу. Почему именно йодид цезия: было выявлено, что ударная волна в твёрдом теле, максимально сферической формы, достигается именно в монокристаллах подобного типа.
Так как плотность самого кристалла существенно больше, чем газообразные продукты взрыва, на поверхности кристалла накапливается избыточное давление, которое может превышать значение в миллион атмосфер. После некого порогового момента, сферическая волна давления с огромной скоростью начинает своё продвижение внутрь кристалла, одновременно со всех сторон. На пути её прохождения кристалл как таковой прекращает существовать, распадаясь в атомарную форму.
Кстати, именно этот момент объясняет, почему ударная волна сжимает магнитное поле: позади её фронта, вещество атомарного состояния — обладает практически металлической проводимостью! И можно сказать, что фактически сжатие происходит, условно говоря, «металлическим шаром».
На конечной стадии сжатия, размер поля, запертого внутри кристалла, составляет всего одну тысячную от того размера, который был изначально.
Ударная сферическая волна, сжавшись в точку, останавливается и начинает обратное движение, высвобождая запертое внутри поле. Точные цифры по эффективности подобной конструкции найти не удалось, но, так как она превышает по эффективности аппарат конструкции академика Сахарова, следует полагать, что цифры будут более чем впечатляющими!
Если попытаться сравнить предыдущие конструкции и более новый вид с распространением ударной волны внутри вещества — то явным плюсом электромагнитных импульсных генераторов со сжатием магнитного потока физическим устройством (лайнером) – является гораздо более простое устройство, хорошая повторяемость результатов и высокая надёжность (это становится хорошо понятно, если мы вспомним сложность устройства с ударной волной в твёрдом теле, где одна только сверхточная фрезеровка сферы чего стоит! Это явно не массовый аппарат.
Ещё одним альтернативным способом, который позволяет развивать большую мощность и высокую скорость сжатия — является сжатие с помощью магнитного поля. Для этого используется мощный одновитковый соленоид, который позволяет сжимать находящийся внутри соленоида лайнер, со скоростями, позволяющими достигать полей до 300 Тесла. Взрывные же генераторы позволяют получить поля до 2500 Тесла (и, наверное, сейчас уже даже поболее!).
Так что, как можно было видеть по изложенным в этом рассказе фактам — импульсный генератор электромагнитного излучения не является досужим вымыслом киношников, а представляет собой ряд вполне конкретных конструкций, параметры которых впечатляют. Мало того — существуют и сверхмощные импульсные микроволновые генераторы. Обо всём этом можно почитать тут.
- эми
- эми-генератор
- магнитокумулятивный генератор
- ударно-волновой излучатель
- ruvds_статьи
- Блог компании RUVDS.com
- Читальный зал
- Физика
RU2361313C1 — Генератор электромагнитных импульсов — Google Patents
Publication number RU2361313C1 RU2361313C1 RU2007143825/28A RU2007143825A RU2361313C1 RU 2361313 C1 RU2361313 C1 RU 2361313C1 RU 2007143825/28 A RU2007143825/28 A RU 2007143825/28A RU 2007143825 A RU2007143825 A RU 2007143825A RU 2361313 C1 RU2361313 C1 RU 2361313C1 Authority RU Russia Prior art keywords anode laser photocathode generator laser radiation Prior art date 2007-11-26 Application number RU2007143825/28A Other languages English ( en ) Inventor Александр Владимирович Бессараб (RU) Александр Владимирович Бессараб Александр Евгеньевич Дубинов (RU) Александр Евгеньевич Дубинов Сергей Павлович Мартыненко (RU) Сергей Павлович Мартыненко Александр Васильевич Солдатов (RU) Александр Васильевич Солдатов Владимир Александрович Терехин (RU) Владимир Александрович Терехин Юрий Алексеевич Трутнев (RU) Юрий Алексеевич Трутнев Original Assignee Российская Федерация от имени которой выступает государственный заказчик — Федеральное агентство по атомной энергии 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.) 2007-11-26 Filing date 2007-11-26 Publication date 2009-07-10 2007-11-26 Application filed by Российская Федерация от имени которой выступает государственный заказчик — Федеральное агентство по атомной энергии, 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 государственный заказчик — Федеральное агентство по атомной энергии 2007-11-26 Priority to RU2007143825/28A priority Critical patent/RU2361313C1/ru 2009-07-10 Application granted granted Critical 2009-07-10 Publication of RU2361313C1 publication Critical patent/RU2361313C1/ru
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов. Генератор ЭМИ содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, подключенные к источнику напряжения сетчатый параболоидный анод и фотокатод с соосным параболоиду отверстием для ввода лазерного излучения, рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода соосно и софокусно ему, и дополнительно снабжен не менее чем двумя металлическими плоскими пластинами, установленными внутри анода радиально от его оси до его поверхности. Кроме того, в генераторе ЭМИ рассеиватель лазерного излучения выполнен в виде мишени из материала, способного конвертировать лазерное излучение в рентгеновское. Технический результат: повышение амплитудного значения генерируемого электромагнитного излучения. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к технике генерации мощных широкополосных электромагнитных импульсов (ЭМИ) субнаносекундного диапазона длительностей и может быть использовано при разработке соответствующих генераторов.
Уровень техники
Известен генератор ЭМИ [1], содержащий источник напряжения, плоский фотокатод и параллельный ему сетчатый анод, импульсный лазер. Этот генератор работает следующим образом. К промежутку между фотокатодом и анодом прикладывается напряжение. Импульсный лазер продуцирует наносекундный 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 V=c/sinφ>с. Эмитированные электроны, ускоряясь в промежутке «фотокатод-анод», проходят сквозь сетчатый анод и попадают в свободное от внешнего электрического поля эквипотенциальное полупространство. Если пространственный заряд инжектированного в полупространство электронного пучка достаточно велик, то в пучке формируется бегущий со скоростью V>с вдоль анода виртуальный катод. Волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки также со сверхсветовой скоростью, является источником широкополосного ЭМИ, причем направленность электромагнитного излучении обеспечивается черенковским характером формирования интерференционной картины излучения.90°,>
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. Таким образом, главным недостатком известного генератора ЭМИ является широкая направленность излучения, что ограничивает его применение, например, в импульсной радиолокации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому генератору является генератор ЭМИ [2]. Этот генератор ЭМИ содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, фотокатод с отверстием для ввода лазерного излучения и сетчатый параболоидный анод, подключенные к источнику напряжения, и рассеиватель лазерного излучения в виде зеркального параболоида вращения, который установлен внутри анодного параболоида соосно и софокусно ему, причем отверстие в фотокатоде выполнено по оси параболоидов.
Принцип действия известного генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении лазерного луча от параболоидного зеркала, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью V>с, ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» и их последующая инжекция 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. Узкая направленность при излучении здесь обеспечивается как черенковским характером генерации излучения, так и оптическим свойством параболоида вращения, заключающимся в том, что волна, испущенная сферически симметричным источником из его фокуса, отразившись от поверхности параболоида, имеет плоский фронт.
Однако известный генератор ЭМИ имеет недостаток, существенно снижающий амплитудные значения генерируемого электромагнитного излучения. Этот недостаток связан с тем, что для параболоида с аксиальной симметрией, электронные потоки из симметричных областей генерируют импульс ЭМИ с противоположным направлением электрического поля, взаимно компенсируя друг друга.
Сущность изобретения
Техническим результатом изобретения является увеличение амплитудного значения электромагнитного излучения генератора ЭМИ, что позволит расширить область его применения в радиолокации.
Этот технический результат достижим за счет того, что предлагаемый генератор ЭМИ, как и известный [2], содержит импульсный или импульсно-периодический лазер, подключенные к источнику напряжения сетчатый параболоидный анод и фотокатод с соосным параболоиду отверстием для ввода лазерного излучения, и рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода и софокусно ему. В отличие от известного генераторе ЭМИ снабжен не менее чем двумя металлическими пластинами, установленными внутри параболоидного анода радиально от его оси параболоида до его поверхности. Дополнительным отличием является то, что рассеиватель лазерного излучения выполнен в виде мишени из материала, способного конвертировать лазерное излучение в рентгеновское.
Принцип действия предлагаемого генератора ЭМИ основан на следующей последовательности процессов: генерация мощного импульса или последовательности импульсов света субнаносекундного диапазона длительности с помощью лазера, преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну света при отражении и преобразовании лазерного луча рассеивателем или преобразование лазерного луча в сферически расходящуюся волну рентгеновского излучения при конверсии на мишени, освещение фотокатода этой волной с целью инициирования поверхностной волны фотоэмиссии электронов, бегущей по фотокатоду в направлении от его оси со скоростью V>с, ускорение электронов в промежутке «фотокатод-анод» и их последующая инжекция сквозь сетчатый анод внутрь эквипотенциальной полости, охватываемой анодом. Тогда внутри полости возбуждается волна инжекции электронов в полупространство, бегущая вдоль анодной сетки в направлении от вершины параболоида также со сверхсветовой скоростью, которая и является источником ЭМИ.
Диаметрально противоположные области параболоида отделены друг от друга металлическими пластинами, то есть экранированы друг от друга, что исключает взаимную компенсацию полей из этих областей.
Таким образом, все новые признаки обеспечивают достижение технического результата, а именно повышение амплитудного значения электромагнитного излучения генератора ЭМИ.
Пример выполнения предлагаемого генератора ЭМИ показан на фиг.1 и 2, на которых обозначено: 1 — импульсный или импульсно-периодический лазер; 2 — фотокатод; 3 — параболическое зеркало; 4 — сетчатый анод; 5 — металлические пластины (как пример, в количестве 4 шт.), стрелками показан ход лазерного излучения.
В качестве лазера 1 возможно использование, как и в [2], неодимового лазера, работающего на второй гармонике (λ=0,53 мкм), или УФ-лазера. В первом случае возможные материалы для фотокатода 2: покрытие с отрицательным сродством сродством на основе GaAs, легированного цезием, либо Cs3Sb; 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 УФ-лазер в совокупности с фотокатодом из материалов типа Cs2Te или Rb2Te, нечувствительных к освещению светом видимого диапазона спектра.
На оси фотокатода 2 выполнено отверстие диаметром, превышающим диаметр лазерного луча. При необходимости в отверстии может быть установлена фокусирующая линзовая система. Рассеиватель 3 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 в виде точечного конвертера лазерного излучения в УФ- и рентгеновское излучения, который конструктивно может быть выполнен в виде тела сферической или конической формы из материала с большим атомным номером (золото) и размером ~1 мм. Сетчатый анод 4 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. Отверстие для ввода лазерного луча в сетчатом аноде 4 можно выполнять либо в силу большой прозрачности сетки анод можно оставить без отверстия.
Металлические пластины 5 можно изготовить из тонкой медной алюминиевой фольги толщиной 0,1…1 мм, нанесенной для прочности, например, на текстолитовые листы.
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 лазер 1, который генерирует мощные импульсы света длительностью, например, 20-100 пс, которые направляются сквозь отверстие в фотокатоде 2 к рассеивателю 3. Рассеиватель 3 в свою очередь преобразует лазерный луч при отражении в сферически расходящуюся волну света. Сферическая волна света, расширяясь, освещает фотокатод 2 и инициирует поверхностную волну фотоэмиссии электронов, бегущую по фотокатоду 2 в направлении от его оси со скоростью V>c. Эмиттированные электроны ускоряются в промежутке «фотокатод-анод», а затем инжектируются сквозь сетчатый анод 4 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 широкополосного ЭМИ.
Проведенные расчетно-теоретические исследования показали, что в предложенном генераторе ЭМИ достигается повышение амплитудного значения генерируемого электромагнитного излучения в 2-3 раза по сравнению с прототипом.
Изобретение позволит расширить область его применения в радиолокации
Источники информации, принятые во внимание1. Bessarab A.V., Gaydash V.A., Jidkov N.V. et al., «Investigation of the macroscopic Cherenkov EMP source produced by obliquely incident X-ray pulse», Book of abstracts of llth International conference on high-power electromagnetics «EUROEM’98», Tel Aviv, Israel, June 14-19, p.57.
2. ] (Бессараб А.В., Дубинов А.Е., Лазарев Ю.Н. и др., «Генератор электромагнитных импульсов», Патент РФ №2175154, приоритет 15.11.1999, опубл. БИ№29, 2001).
Claims ( 2 )
1. Генератор электромагнитных импульсов, содержащий импульсный или импульсно-периодический лазер, подключенные к источнику напряжения сетчатый параболоидный анод и фотокатод с соосным с параболоидом отверстием для ввода лазерного излучения, рассеиватель лазерного излучения, размещенный внутри анода соосно и софокусно с ним, отличающийся тем, что он снабжен не менее чем двумя металлическими плоскими пластинами, установленными внутри анода радиально от его оси до его поверхности.
2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что рассеиватель лазерного излучения выполнен в виде мишени из материала, способного конвертировать лазерное излучение в рентгеновское.
RU2007143825/28A 2007-11-26 2007-11-26 Генератор электромагнитных импульсов RU2361313C1 ( ru )
Priority Applications (1)
Application Number Priority Date Filing Date Title RU2007143825/28A RU2361313C1 ( ru ) 2007-11-26 2007-11-26 Генератор электромагнитных импульсов Applications Claiming Priority (1)
Application Number Priority Date Filing Date Title RU2007143825/28A RU2361313C1 ( ru ) 2007-11-26 2007-11-26 Генератор электромагнитных импульсов Publications (1)
Publication Number Publication Date RU2361313C1 true RU2361313C1 ( ru ) 2009-07-10 Family
ID=41045910
Family Applications (1)
Application Number Title Priority Date Filing Date RU2007143825/28A RU2361313C1 ( ru ) 2007-11-26 2007-11-26 Генератор электромагнитных импульсов Country Status (1)
Country Link RU ( 1 ) RU2361313C1 ( ru ) Cited By (4)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2570196C1 ( ru ) * 2014-08-26 2015-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — Госкорпорация «Росатом» Генератор электромагнитных импульсов RU2572104C1 ( ru ) * 2014-08-26 2015-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — Госкорпорация «Росатом» Генератор электромагнитных импульсов RU2668271C1 ( ru ) * 2017-08-14 2018-09-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» (Госкорпорация «Росатом») Устройство генерации импульсов широкополосного электромагнитного излучения свч- диапазона RU221563U1 ( ru ) * 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) Устройство для генерации широкополосных сигналов - 2007
- 2007-11-26 RU RU2007143825/28A patent/RU2361313C1/ru active
Cited By (4)
* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title RU2570196C1 ( ru ) * 2014-08-26 2015-12-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — Госкорпорация «Росатом» Генератор электромагнитных импульсов RU2572104C1 ( ru ) * 2014-08-26 2015-12-27 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» — Госкорпорация «Росатом» Генератор электромагнитных импульсов RU2668271C1 ( ru ) * 2017-08-14 2018-09-28 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии «Росатом» (Госкорпорация «Росатом») Устройство генерации импульсов широкополосного электромагнитного излучения свч- диапазона RU221563U1 ( ru ) * 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) Устройство для генерации широкополосных сигналов Similar Documents
Publication Publication Date Title RU2388100C1 ( ru ) 2010-04-27 Генератор электромагнитных импульсов US20090041198A1 ( en ) 2009-02-12 Highly collimated and temporally variable x-ray beams WO1991001076A1 ( en ) 1991-01-24 Focused x-ray source RU2361313C1 ( ru ) 2009-07-10 Генератор электромагнитных импульсов Pacini et al. 1970 The nature of pulsar radiation Popov et al. 2008 Electron vacuum acceleration by a tightly focused laser pulse RU2175154C2 ( ru ) 2001-10-20 Генератор электромагнитных импульсов Láska et al. 2000 Properties of iodine laser-produced stream of multiply charged heavy ions of different elements CN104411084B ( zh ) 2016-08-31 等离子体级联激光离子加速装置 RU2570196C1 ( ru ) 2015-12-10 Генератор электромагнитных импульсов RU2488909C2 ( ru ) 2013-07-27 Способ генерации широкополосного электромагнитного излучения свч диапазона и устройство для его осуществления Van Groningen et al. 1980 One-sided jets in extragalactic radiosources RU2572104C1 ( ru ) 2015-12-27 Генератор электромагнитных импульсов US3267383A ( en ) 1966-08-16 Particle accelerator utilizing coherent light TWI534521B ( zh ) 2016-05-21 類相對論輻射天線系統 RU2562831C1 ( ru ) 2015-09-10 Генератор электромагнитных импульсов RU2738959C1 ( ru ) 2020-12-21 Генератор электромагнитных импульсов US2266411A ( en ) 1941-12-16 Electron tube Laska et al. 2004 Review of laser ion sources developments in Prague and production of q over 50+ ions at Prague Asterix Laser System RU2650103C1 ( ru ) 2018-04-09 Генератор электромагнитных импульсов Mendonça et al. 2007 Reflection of an electron beam by a photon mirror CN113950185B ( zh ) 2022-07-15 一种阿秒电子脉冲输出装置和输出方法 CN204259270U ( zh ) 2015-04-08 等离子体级联激光离子加速装置 RU201842U1 ( ru ) 2021-01-15 Виркатор JP2004226271A ( ja ) 2004-08-12 X線発生装置及び発生方法