Содержание
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ СОКРАЩЕНИЙ____________________________________________________5
ВВЕДЕНИЕ...................................................................... ..6
ГЛАВА I. ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ГЕНЕРАЦИИ КОРОТКОИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ...._______________________________________ 30
1 1 РАСЧЕТ! Ю-АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЭЛЕКТРО! IIЮЙ ЭМИССИИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ГАММА- И РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ . .... 34
111 Зависимость выхода вторичных электронов от толщины мишени 36
112 Интегральные параметры электронной эмиссии 40
113 Спектрально-угловые распределения вторичных электронов 46
I 2 Физико-математические модели генерации электромагнитных полей и динамики
ЭЛЕКТРОНОВ . . ... 49
121 Основные уравнения 55
122 Численные модели 56
12 3 Двумерная самосогласованная модель 56
12 4 Одномерная самосогласованная модель 65
125 Трехмерная электродинамическая модель 68
1 3 Моделирование возбуждения токов и напряжений в экранированных кабельных линиях .............. ..... 71
131 Численная модель 72
13 2 Оценка параметров модели для широкополосных электромагнитных сигналов 74
14 ВЫВОДЫ. . .79
ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ В ТИПОВОМ КОСМИЧЕСКОМ АППАРАТЕ______________________________________________________________81
2.1 Параметры внешнего воздействия 81
2 2 Расчет электромагнитного импульса, генерированного в космическом аппарате под
ДЕЙСТВИЕМ РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ .... 82
2 21 Модели объекта 82
222 Параметры электронной эмиссии 84
223 Расчет электромагнитных полей в одномерной постановке 85
22 4 Моделирование генерации электромагнитного излучения у поверхности космического
аппарата в двумерной постановке 89
2 2 5 Моделирование электромагнитных полей в трехмерной постановке 96
2 3. Моделирование внутреннего электромаг нитного импульса 98
2 31 Расчет эволюции электромагнитного поля в полости с воздухом при нормальном
давлении 98
2 3 2 Оценка электромагнитных наводок в кабепьной линии 103
2 4 ВЫВОДЫ . 105
2
ГЛАВА Э. СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ ФОТОЭМИССИОННЫЙ источник НАПРАВЛЕННОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СВЧ-ДИАПАЗОНА................................. 107
з 1 введение. .. ... 107
3 2 Исследование генерации электромагнитного излучения сверхсветовым импульсом
ТОКА В ПРЕДЕЛЬНЫХ РЕЖИМАХ.. .... 111
321 Аналитическая модель формирования излучающего дипольпого слоя 112
3 22 Численное моделирование динамики дипольного слоя при высокой скорости изменения
фотоэмиссионного тока 120
32 3 Расчет электромагнитных полей 123
3 3 Сравнение теоретических результатов с данными эксперимента 131
33 1 Постановка эксперимента 131
3 32 Результаты экспериментов 134
3 3 3 Моделирование параметров сверхсветового источника 135
3 3 4 Анализ экспериментальных данных и сравнение с результатами моделирования 139
3 4 ВЫВОДЫ. . .... 143
ГЛАВА 4. ФОРМИРОВАНИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ В СВЕРХРАЗМЕРНЫХ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И МОДЕЛИРОВАНИЕ МАЗЕРА НА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНАХ С ЛЕНТОЧНЫМ ЭЛЕКТРОННЫМ ПУЧКОМ______________________________________________ 145
41 Введение ................................................................. 145
4 2 Теория одномерных брэгговских решеток планарной геометрии . 148
421 Уравнение для магнитного поля 149
422 Построение оператора сопряжения для прямоугольной гофрировки 153
42 3 Аналитическое реизение для однамодового рассеяния паузком гофре 154
42 4 Расчеты коэффициентов отражения одномерных брэгговских решеток 156
425 Моделирование взаимодействия ЭМ излучения с брэгговскими решетками в
сверхразмерных структурах во временном представлении 160
4 3 Моделирование генерации СВЧ-излу чения в мазере на свободных электронах с распределенной обратной связью . ... 163
4 4 Выводы 167
ГЛАВА 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИМПУЛЬСА В НЕОДНОРОДНЫХ СРЕДАХ ДЛЯ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ. ..........................168
5 1 Введение ... . . 168
5 2. Описание метода ... . 174
521 Постановка задачи 174
522 Разностные уравнения 176
52 3 Программа ЭЕМС 177
5 3 Расчеты электромагнитных полей в неоднородной среде .. . 179
5 31 Точечный магнитный диполь вблизи границы раздела двух изотропных сред с
постоянными электрофизическими параметрами 180
5 3 2 Точечный магнитный диполь на оси скважины в проводящей среде 181
3
5 3 3 Точечный магнитный диполь в скважине, пересекающей под некоторым углом границу раздела двух сред 183
5 4. Моделирование отклика кольцевой токовой антенны при проведении
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО КАРОТАЖА В ПРОЦЕССЕ БУРЕНИЯ .. ... 185
5 5 Влияние конечных размеров ьура для случая двухслойной среды . ... .187
5 6 Использование временной формы импульса для определения проводимости среды 188 5 7.ВЫВОДЫ. ... . 191
выводы ••••••••••••••■•••»•••••••••••••••••••••••••»fl ----------------------------------------------------- 192
ЛИТЕРАТУРА •«•••••••••••«••••••••«••••«••••••••»•»«••••••»••••в» »«••••*•«•••••••••••••••••••!•••«••••••••*•••••••••••••••• ..—195
4
Список использованных сокращений.
ЭМ - электромагнитный
ЭМП - электромагнитное поле
ЭМИ - электромагнитный импульс
СЭМИ - сверхширокополосный электромагнитный импульс
ВЭМИ - внутренний электромагнитный импульс
ЭМИГС - электромагнитный импульс, генерированный системой
РЭА - радиоэлектронная аппаратура
ВЭМЭ - вторичные электромагнитные эффекты
ИИ - ионизирующее излучение
СММ - система математического моделирования
ЭДС - электродинамическая система
СВЧ диапазон - диапазон сверхвысоких частот
СВЧ-излучение - электромагнитное излучение в диапазоне сверхвысоких частот '
КА - космический аппарат
МСЭ - мазер на свободных электронах
ММ - математическая модель
МО - модель объекта
РИ - рентгеновское излучение
СБ - солнечная батарея
ССИ - сверхсветовой источник
РЭП - релятивистский электронный пучок
МСМ - метод связанных мод
МСР - метод связанных резонансов
5
Введение
В основе большинства современных радиотехнических средств лежит использование гармонических сигналов и частотной селекции информационных каналов. Вследствие этого они функционируют в узкой полосе частот, которая намного меньше их несущей частоты. В отличие от антропогенных электромагнитные явления, встречающиеся в природе, характеризуются широким спектральным составом. Электромагнитные импульсы (ЭМИ), возникающие при электрических разрядах и других переходных процессах, известны достаточно давно, например молния (рис.В.1). В основе знаменитых опытов Герца, впервые продемонстрировавших распространение электромагнитного поля, тоже лежит процесс электрического разряда, и в них, скорее всего, происходила генерация ЭМИ, а не обычной электромагнитной волны.
В последние десятилетия исследования по генерации и распространению ЭМИ проводятся в различных областях физики. Особый интерес вызывают так называемые сверхширокоиолосные электромагнитные сигналы [2,3], которые сопровождают целый ряд физических явлений (молниевый разряд [1,4], землетрясение [5,6], магнитная буря [7], ядерный взрыв [8] и ряд других) и содержат данные о динамике происходящих в них физических процессов.
Использование сверхширокополосного электромагнитного импульса (СЭМИ) в научных исследованиях и технике связывают с решением таких актуальных проблем, как осуществление направленной передачи энергии [9,10] и повышение информационных возможностей систем связи и диагностических систем [3, 11]. В радиолокации такие сигналы позволяют существенно уменьшить импульсный объем по дальности (при изменении длительности зондирующего импульса с 1 мке до 1 нс глубина импульсного объема уменьшается с 300 м до 30 см) и благодаря этому существенно повышается информативность радара [12,13, 14]. В радиосвязи сверхширокополосные кодированные
5 10
Рисунок В.1. Осциллограмма импульса тока отрицательной молнии [I ]
б
сигналы обеспечивают работу десятков абонентских каналов в одной и той же полосе частот [15,16]. Уже сегодня сверхширокополосные ЭМИ являются мощным инструментом исследований ионосферы и космического пространства [17,18, 19], зондирования геологических структур и заглубленных в почву объектов [20].
В отличие от «обычных» сигналов конечной длительности, которые представляют собой волновой пакет, содержащий внутри себя много колебательных циклов, длительность сверхширокополосного импульса не превышает нескольких колебательных периодов. Например, видеоимпульс состоит из одного колебания (рис.В.2), а моноимпульс из половины (рис.В.З).
Понятие «сверхширокополосный» (ultra wideband) было введено на основании
определения относительной полосы частот [12] ц —— для сигналов с п > 0.25. Здесь
/а+у:
fnfh- нижняя и верхняя границы частотного диапазона. При 0.01 < 77 ^ 0.25 - сигнал считается широкополосным и при /7 <0.01- узкополосным. Это определение оказывается не всегда удобным для приложений [13], и вводится более универс&чьное понятие -короткоимпульсный сигнал (система), которое связывает ширину полосы с размерами излучающей системы или облучаемого объекта L и длительностью генерируемого импульса г [14]: L <£ст - узкополосный сигнал; L»cr - широкополосный; Z,» сг -
сверхширокополосный.
Рисунок В.2 Видеоимпульс как функция времени Рисунок В.З. Моноимпульс как функция времени (а) (а) и его частотный спектр (б) и его частотный спектр (б)
Причина пристального внимания к сверхширокополосиому электромагнитному излучению заключается в том, что его свойства могут сильно отличаться от свойств «обычной» монохроматической электромагнитной волны [21,22,23, 24]. В определенных условиях ЭМ импульс, излученный ограниченным в пространстве источником с конечной
7
энергией, может ослабляться более медленно, чем обычная сферическая волна. Столь необычное поведение излучения привело даже к введению новых терминов -электромагнитный снаряд (ЕМ missile) [25], электромагнитная пуля (ЕМ bullet) [26].
Концепция электромагнитного снаряда может быть понята, исходя из следующего. Для непрерывной монохроматической электромагнитной (ЭМ) волны с частотой со убывание энергии, как квадрат обратного расстояния, проявляется на достаточно больших расстояниях от источника, когда
где О - характерный размер апертуры излучателя, с - скорость света.
С другой стороны, из теории дифракции хорошо известно, что на небольшом удалении от источника, в пределах зоны Френеля
изменение энергии отличается от г'2.
Для сверхширокополосных импульсов эти условия могут выполняться одновременно на различных частотах, и вместо условно определенной границы для узкополосного сигнала имеется протяженная область между зонами Френеля и Фраунгофера, где энергия убывает существенно медленнее, чем г”2 [9, 10,23 -32]. В пределах этой области происходит существенное изменение формы сигнала и модификация его спектра.
При оценке границы зоны Френеля, в которой энергия практически не спадает, для ЭМ импульса можно использовать соотношение [25,27]:
сверхширокополосного излучения проводилось рядом авторов [21-26,27, 28,29,30,31,32]. Однако все они имеют один недостаток - рассматривают возбуждение модельных тестовых сигналов на апертуре излучателя с нулевой фазой. В реальности для генерации ноля применяются вполне определенные, реально существующие источники (диполь, рамка, раскрыв волновода), в которых происходит преобразование электрического тока в электромагнитное излучение с определенной амплитудно-фазовой характеристикой, которую необходимо принимать во внимание. Кроме этого, в этих элементах необходимо создать соответствующий импульс тока с весьма крутым фронтом, что само по себе является сложной задачей Можно утверждать, что на сегодняшний день задача создания излучателя, способного реализовать пространственно-временное
(В Л)
г <Rf
(В.2)
(В.З)
Исследование закономерностей генерации и распространения
8
распределение тока (поля), обеспечивающего эффективную генерацию сверхширокополосного импульса, далека от решения, хотя именно она является ключевой.
Не менее важной проблемой является исследование воздействия широкополосного ЭМИ на некоторые характеристики технических объектов. Например, на надежность и качество функционирования средств связи. Влияние широкополосного сигнала практически невозможно устранить полностью, так как он, в той или иной степени, перекрывает полосу частот, в которой работает радиоэлектронная аппаратура (РЭА), и может вызвать искажение или потерю информации, а в ряде случаев и поражение элементов самой РЭА [8,33,34,35,36]. Эта проблема стала особенно актуальной в последние десятилетия, что напрямую связано с
1) появлением мощных источников ионизирующего излучения (ИИ) искусственного происхождения;
2) развитием космической техники, позволяющей вывести на околоземную орбиту спутники различного назначения;
3) общим уровнем развития техники, особенно электроники, её миниатюризацией и проникновением практически во все сферы человеческой деятельности.
Широкое использование в радиоэлектронных устройствах интегральных микросхем, работающих при малых напряжениях и токах, повысило возможности аппаратуры, по сравнению с образцами, разработанными в 50-60 годы, на много порядков. Однако также на много порядков возросла и ее чувствительность к внешним воздействиям [34,38,39]. Помимо электрического повреждения и необратимого выхода из строя элементной базы, стали наблюдаться обратимые эффекты: временное нарушение работоспособности из-за сбоя в работе, появление ложных сигналов, утрата рабочей информации. Критические значения энергии, способные вызвать повреждение полупроводниковых устройств, оказались в пределах от 10‘3 до 10’7 Дж при длительности импульса ~5 нсек, а сбои при работе микросхем наблюдались при энергии, не превышающей 10 9 Дж [ 37,38].
Непосредственному воздействию «обычного» ЭМИ и средствам защиты от этого воздействия посвящено достаточно много работ [8,34,38,39 и ссылки в них]. Существенно менее известным являются так называемые вторичные электромагнитные эффекты (ВЭМЭ), возникающие при облучении различных объектов интенсивными
9
потоками рентгеновского и гамма-излучения и представляющие собой суперпозицию из нескольких сверх широкополосных сигналов [40,41,42,43].
Б основе образования ВЭМЭ лежит процесс генерации электромагнитных полей потоком электронов, эмитированных с внешних и внутренних поверхностей облучаемого объекта, и фотокомптоновскими электронами, возникающими в веществе облучаемой системы. Его экспериментальное изучение является весьма сложной задачей и требует больших материальных затрат и времени, а интерпретация полученных результатов часто бывает затруднена [44,45], особенно если учесть, что объекты подвергаются совместному действию комплекса радиационных и электромагнитных факторов. Довольно часто выходом из положения является численное моделирование, которое имеет определенные преимущества в отношении быстроты, экономичности, а иногда и точности по сравнению с реальным экспериментом. Детальный количественный анализ таких моделей становится важным элементом проектирования, который позволяет предварительно проанализировать возможности создаваемых устройств и систем, выбрать оптимальный вариант конструкции [34].
Необходимость обеспечения стойкости современной техники, содержащей высокочувствительную радиоэлектронную аппаратуру, ставит важную и актуальную задачу по созданию физико-математических моделей и эффективных методов для изучения нестационарных процессов генерации электромагнитного излучения и формирования электронных потоков в сложных трехмерных системах, подвергшихся облучению рентгеновского или гамма-излучения.
Надо отметить, что вышесказанное относится и ко всей проблеме короткоимпульсного излучения в целом: его генерации и распространению [21-32,46,47 и ссылки в них]. Процесс формирования и излучения широкополосного сигнала имеет значительные отличия от процесса генерации узкополосного излучения [2,14,48], и поэтому использование большинства методов, применяемых в традиционной теории СВЧ-генераторов [49,50,51] и теории антенн [14,52], становится неэффективным. Классическая теория работы СВЧ-генераторов и антенн рассматривает периодические процессы, и для представления ЭМ полей и плотности электрического тока используется спектральное разложение по монохроматическим волнам [49 - 53]. Этот подход порожден стремлением заменить частное дифференцирование по времени более удобной алгебраической операцией, что и осуществляется преобразованием Фурье. В физической интерпретации такая процедура приводит к переходу от исследования динамического развития системы во времени к рассмотрению ее взаимодействия с монохроматическим
10
излучением, что существенно упрощает задачу и вполне оправдано для узкой спектральной полосы. Наиболее эффективно этот подход работает там, где для электромагнитного поля удается выделить резонансную часть и рассматривать все остальные составляющие как некоторое фоновое поле с теми или иными упрощениями. Выделение основной частоты процесса и предположение о том, что характерные времена пролета электронов через систему существенно превышают период ЭМ волны, позволяет записать усредненные уравнения для движения электронов в иоле резонансного излучения, то есть предполагается, что процесс генерации носит квазистатический характер.
Генерация широкополосного ЭМИ изначально не удовлетворяет этому предположению, поскольку по определению является быстроиротскающим переходным процессом с нелинейным механизмом образования электромагнитного импульса и полосой частот, простирающейся ог нуля до максимального значения (рис.В.2-В.З), да и сам излучаемый сигнал может существенно изменять форму в пределах излучателя при прохождении среды и взаимодействии с облучаемыми объектами [3, 14]. Понятно, что такой нестационарный процесс корректно описать можно только при прямом решений эволюционных уравнений и представлении электродинамических величин как функций пространства и времени.
Общепринятым подходом к определению пространственно-временного распределения электромагнитного излучения является деление задачи на «внутреннюю» и «внешнюю». Решение «внутренней» задачи позволяет найти распределение тока на поверхности излучателя, а «внешней» - но найденному току определить поле излучения в ближней и дальней зоне излучающего устройства. В большинстве случаев «внешняя» задача является линейной задачей для волнового уравнения или уравнений Максвелла [22-31]. При рассмотрении задачи генерации направленного сверхширокополосного ЭМИ ищутся решения, локализованные вдоль направления излучения, обеспечивающие максимальную дальность в передаче энергии, в ней определяются, каким должно быть пространственно-временное распределение сигнала на апертуре излучающей антенны. «Внутренняя» задача связана с описанием нелинейных быстроиротекающих физических процессов, которые приводят к появлению широкополосного импульса тока с требуемым пространственно-временным распределением [9-13 ], что требует включить в математическую модель дополнительно к уравнениям электродинамики уравнения динамики и кинетики носителей заряда. По сути дела, именно в ней определяется, какими свойствами будет реально обладать генерируемое излучение. Поскольку охватить весь
11
спектр механизмов генерации широкополосных импульсов тока невозможно, то необходимо ограничиться какими-то определенными способами возбуждения электрического тока, которые представляют прикладной интерес, например, обеспечивают высокую мощность генераторов. Учитывая огромные мощности электронных пучков, есть все основания считать, что если удастся преобразовать направленную энергию электронов в энергию когерентного электромагнитного излучения и вывести ее из области генерации, то такие источники обеспечат высокие плотности электромагнитной энергии на значительном удалении [50,51,54,55,56].
В этом случае «внутренняя» задача, является задачей плазменной электроники, где рассматриваются проблемы электромагнитного взаимодействия электронных пучков с плазмой и излучением [57]. Рассматривая ВЭМЭ с этой точки зрения, можно считать, что электроны, эмитированные с поверхностей облучаемой системы под действием интенсивного фотонного излучения, формируют вокруг и внутри системы совокупность сильноточных электронных пучков. Взаимодействие электронных пучков с электромагнитным полем приводит к развитию неустойчивостей, которые сопровождаются преобразованием кинетической энергии электронов в энергию электромагнитного излучения. Это излучение либо релаксирует в образовавшейся бесстолкновительной заряженной электронной плазме [58], либо излучается из него [55]. Оба эти процесса представляют прикладной интерес либо для прогнозирования вторичных электромагнитных эффектов, либо для создания мощных источников когерентного излучения. С другой стороны, и принцип действия генераторов ЭМИ с запиткой фотонным излучением можно трактовать как проявление вторичных электромагнитных эффектов в некотором специфическом объекте. Основное отличие этого специально организованного процесса от «обычного» проявляется в том, что образующиеся в результате эмиссии электроны целенаправленно собираются с помощью системы формирования в пучок, который затем взаимодействует с электродинамической системой, внешними электрическими и магнитными полями, фазируется и эффективно отдает свою энергию в электромагнитное излучение. Возвращаясь к электронной плазме, возникающей из-за эмиссии электронов с облучаемых поверхностей, заметим, что она проявляет коллективные свойства, аналогичные свойствам нейтральной плазмы (типа волн пространственного заряда) [58], причем отсутствие ионной компоненты не только не упрощает эти свойства, но и в ряде случаев усложняет их [50]. Именно ее моделирование является наиболее сложной задачей [59].
12
Для адекватного описания генерации короткоймпульского излучения с залиткой от интенсивных электронных потоков с учетом специфики, присущей и ВЭМЭ (большие градиенты плотности заряда, ограничение тока пространственным зарядом и полем ЭМ волны, наличие радиационно-наведенной проводимости), и СВЧ-генерации (резонансные механизмы вынужденного излучения, внешние поля), необходимо уметь моделировать [40-43,50,51,54]:
1) появление заряженных частиц (электронов) в системе и формирование источников электрического тока;
2) движение электронов в электромагнитных полях, генерацию и распространение короткоимпульсного излучения, его взаимодействие с электронными потоками и окружающими объектами;
3) образование импульсов тока и напряжения от ЭМ полей, проникающих в кабельные линии (для оценки воздействия на радиоэлектронную аппаратуру).
4) распространение ЭМИ в среде, которая в общем случае является неоднородной и гетерогенной (для определения параметров электромагнитного поля, попавшего от источника на детектирующее устройство или мишень).
Рассмотрим, какие проблемы необходимо было решить при создании физико-математических моделей для расчета этих физических процессов.
Возникновение фотокомптоновских и эмиссионных токов. Очевидно, »по явления, для которых источником возникновения электромагнитных полей является фото-комптоновский ток и ток электронов, выбитых из рабочих поверхностей фотонным излучением, во многом определяются выходом и спектрально-угловыми параметрами заряженных частиц. Имеющиеся к концу 80-х годов экспериментальные и расчетные данные по фотокомптоновским токам были достаточно полными, а вот данные по электронной эмиссии [60,61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72 и ссылки в них] были представлены в основном информацией для нормального падения фотонов на плоскость мишени равновесной толщины*. Для общего случая наклонного падения фотонов с энергией от единиц кэВ до нескольких МэВ на мишень конечной толщины данные по спектральному и угловому распределениям эмитированных электронов отсутствовали, хотя их необходимость для моделирования сомнений не вызывает, поскольку именно эти параметры влияют на массово-габаритные характеристики конвертирующих устройств или средств защиты. Поэтому основной задачей было построение расчетно-аналитической
' Под мишенью равновесной толщины понимается мишень, толщина которой соответствует пробегу образующихся в ней вторичных электронов с наибольшей энергией [60]
13
модели поверхностного источника электронной эмиссии, возникающей под действием потока фотонного излучения, падающего иод произвольным углом. Эта модель должна учитывать состав облучаемого вещества, толщину мишени и предсказывать спектрально-угловой выход электронов для общего случая падения фотонов на поверхность [73,74]. Наиболее эффективно данные для такой модели можно получить на основе численного моделирования прохождения фотонов и электронов через вещество методом Монте-Карло [60]. Для реализации этих расчетов имелся серьезный научный задел - программа «ПРИЗМА» [75], с помощью которой моделируется совместный перенос ионизирующих излучений и заряженных частиц.
Образование вторичных электромагнитных эффектов. Если облучаемый объект находится в вакууме, то электроны, эмитированные под действием фотонного излучения с граничных поверхностей, создают электрический ток, который формирует приповерхностный электронный слой. Возникновение электромагнитного поля вследствие движения заряженных частиц описывается, как известно, уравнениями Максвелла. Наиболее просто решение может быть получено в случае, когда токи не зависят от ЭМ нолей. Однако достаточно часто возникающие поля существенно изменяют движение заряженных частиц, и тогда уравнения Максвелла и уравнения движения заряженных частиц должны решаться самосогласованным образом. Если объем, через который должны проходить заряженные частицы, заполнен воздухом или другим газом, то первичные заряженные частицы (непосредственно возникшие под действием фотонного излучения) теряют энергию в ионизационных столкновениях с атомами среды и производят большое количество вторичных электронов и ионов, которые формируют макроскопическую проводимость среды. Наличие буферной среды, даже при малых давлениях ~ 0.1 мм рт ст., может радикально изменить величину возникающих полей.
Интерес к этой проблеме возник в начале семидесятых годов в США [35- 36, 40-42, 44- 45]. С середины восьмидесятых годов работы в этой области ведутся в России во ВНИИЭФ (В.А.Терехин, С.П.Запаский, Л.И.Голубев, A.A. Соловьев) [76, 80], ЦФТИ МО (Ю.В Парфенов, С.В.Пантелеев) [43], ВНИИТФ [77,78, 81] и ряде других организаций.
По-видимому, одна из первых физико-математических моделей для расчета параметров внутреннего ЭМИ (ВЭМИ) без учета взаимного влияния движения электронов и электромагнитных полей была разработана и реализована во ВНИИЭФ [76]. Во ВНИИТФ до начата работ по ВЭМЭ не было ни физико-математической, ни численной модели для самосогласованного расчета динамики электронов и возбуждению ЭМ полей. Поэтому на первом этане для расчетов генерации электромагнитных полей
14
использовались чисто электродинамические модели с заданными токами, реализованные в программах, переданных ВНИИЭФ. Позднее появились собственные разработки моделей и программ. Работы в области изучения образования ЭМИ и последствий его действия велись в двух направлениях.
Первое, традиционное, было связано с созданием моделей и программ [79,80], предназначенных для моделирования генерации мощного ЭМ импульса под действием ионизирующего излучения и его распространения в атмосфере (ионосфере). В них используются ((задержанное» время, одномерное пространственное распределение и высокочастотное приближение для ЭМ полей, самосогласованные одномерные модели взаимодействия комптоновских электронов со средой и полями, повышенное внимание уделяется расчету нестационарной радиационно-наведенной проводимости воздуха [81]. Эта специфика моделей не позволяет напрямую использовать их для прогнозирования ВЭМЭ и моделирования процессов, характерных для генераторов СВЧ-излучения, поскольку в них
1) реализуются отличные от магнитотормозного механизмы генерации электромагнитного излучения - дипольный, циклотронный, чсренковский и другие;
2) существенна локальность и пространственная конфигурация электронных токов, которая определяется поверхностями рассматриваемой системы;
3) существенную роль играет механизм ограничения тока пространственным зарядом и нелинейное взаимодействие электромагнитных волн с электронным током, с самой системой или ее частью;
4) роль радиационно-наведенной проводимости среды не столь высока, а в ряде случаев ей вообще можно пренебречь.
Второе направление работ было ориентировано на создание моделей и программ для изучения ВЭМЭ и перспективных схем генерации мощного микроволнового излучения. В отличие от работ, проводимых в ЦФТИ МО [43], где разрабатывались специализированные модели для прогнозирования последствий электродинамического действия ионизирующих излучения, автором диссертации совместно с Ю.НЛазаревым и группой математиков: А.В.Вронским, И.В.Глухих, Ю.Г.Сырцовой, Е.В Диянковой, Я.З.Кандиевым, О.С.Широковской - были начаты работы, целью которых было создание универсальной системы математического моделирования (СММ) с помощью которой можно было бы решать широкий спектр научных и практических задач, относящихся к различным областям прикладной электродинамики. В частности, планировалось, что разработанная вычислительная технология будет применяться для моделирования
15
генерации короткоимпульсного ЭМ излучения при прогнозировании ВЭМЭ и исследовании перспективных схем СВЧ-генераторов. В основу СММ положены одно- и двумерные самосогласованные модели взаимодействия электронных потоков и ЭМ излучения, трехмерная электродинамическая модель, которые реализованы для прямоугольной декартовой и цилиндрической систем координат. Позже А.Д Зубов и Г.В.Байдин предложили использовать дня расчета электромагнитных полей двумерную самосогласованную модель динамики заряженных частиц и излучения в криволинейных координатах, которая, к сожалению, не получила развития. В середине девяностых годов В.В.Плохой, И.АЛитвиненко, Г.И.Байдин и А.Д.Зубов проводили параллельную разработку моделей и программ, направленную на исследование внутреннего электромагнитного импульса с учетом влияния радиационно-наведенной проводимости воздуха при нормальном давлении в постановке, близкой к описанной в работах [82, 83, 84).
Формирование импульсов тока и напряжения от проникающих в кабельные линии электромагнитных полей. Получение ЭМ поля вблизи и внутри облучаемого объекта не является окончательной целью исследований по ВЭМЭ, так как для прогнозирования стойкости объектов необходима оценка последствий их воздействия на РЭА. Электромагнитная энергия, приходящая на вход электронных устройств по линиям связи, обусловлена:
- ЭМИ, генерируемым ионизирующим излучением, в самих кабельных линиях;
- "внутренним'1 ЭМИ или ВЭМИ в полостях объекта;
- "внешним" ЭМИ или ЭМИ генерированным системой (ЭМИГС), который возникает вследствие эмиссии электронов с внешних поверхностей облучаемого объекта. Этот электромагнитный импульс может проникать внутрь объекта через технологические отверстия, диэлектрические вставки, антенные входы, кабельные линии связи, проложенные вдоль внешних поверхностей.
Итог действия ВЭМЭ - это импульсы напряжения и тока на входах электронных приборов, которые могут приводить к нарушению нормального функционирования радиоэлектронного оборудования, вызывая его несанкционированное срабатывание, выгорание чувствительных элементов [36- 39, 85]. Механизм формирования наводок из-за ЭМ полей на экране кабельной линии связан с тем, что экранирующая оболочка не является сплошным и идеальным проводником, а представляет собой проволочную оплетку с конечной проводимостью. Ток и напряжение на внутреннем проводнике кабеля (жиле) могут быть рассчитаны с помощью модели [86], в основе которой лежит уравнение
16
линии передач и параметрическое представление (через сопротивление, индуктивность и емкость связи) источников напряжения и тока в зависимости от плотности тока и поверхностного заряда на экране кабеля. Такой подход получил широкое распространение для расчета электромагнитных наводок с характерной частотой порядка 1-100 МГц. Основной проблемой этой модели является неопределенность параметров связи, обусловленная сильной зависимостью их значений от спектрального состава ЭМИ. Воздействие ВЭМЭ в большинстве случаев характеризуется широкой спектральной полосой с максимумом в районе 1 ГГц, для которой данные по сопротивлению и проводимости связи просто отсутствуют. Ясно, что бессмысленно проводить расчет наведенных импульсов напряжения и тока в кабельных линиях конкретных объектов, не зная параметров проникания поля через экранирующие поверхности. Поэтому на первом этапе работ необходимо было определить значения коэффициентов связи, исследуя проникание ЭМ полей в полосе частот, характерной для ВЭМЭ, в кабельные линии в лабораторных условиях и сопоставляя их с расчетно-теоретической моделью. И только на основании полученной информации, используя данные по пространственно-временному распределению электромагнитного излучения, проводить расчеты импульсов напряжения и тока в кабельных линиях конкретных объектов, с последующей оценкой их опасности для РЭЛ.
Генерация электромагнитного излучения и исследование перспективных схем СВ Ч-генераторов.
В основе подавляющего большинства излучающих систем, предназначенных для генерации мощного короткоимпульсного ЭМ излучения, лежит использование сильноточных релятивистских электронных пучков [46-47,54,55, 87]. По резонансным условиям их можно разделить на две большие группы [88]. К первой относятся пучковые системы с черенковским механизмом взаимодействия частиц с полем, ко второй -системы, в которых заряженные частицы представляют собой осцилляторы. Черенковские системы предполагают наличие электродинамических структур, замедляющих ЭМ волны. На сегодняшний день на этих системах реализована генерация СВЧ-импульса на частоте около 10 ГГц с длительностью порядка десяти наносекунд и гигаватгным уровнем мощности [87,89]. В «осцилляторных» системах замедляющие структуры отсутствуют. К этому направлению относятся лазеры на свободных электронах, в основе которых лежит механизм индуцированного излучения (циклотронного, ондуляторного и других) и доплсровское смещение частоты излучения [90,91,92], считается, что они наиболее
17
приспособлены для возбуждения коротковолнового излучения (вплоть до рентгеновского) с высокой эффективностью (до 50%).
Большой интерес для получения сверхширокополосного ЭМИ может представлять виркатор [87,93, 94], в котором отсутствует замедляющая система и фокусирующее магнитное поле. Характерный диапазон генерации СВЧ-излучения - от 1 до 10 ГГц с длительностью импульса в десятки наносекунд и гигаваттным уровнем мощности
К настоящему времени проведено большое количество экспериментальных исследований генерации короткоимпульсного излучения, которые показали большое разнообразие режимов работы этих устройств, одновременно развивалась и теория [54-58,87- 96]. Тем не менее, детальный самосогласованный расчет переходных процессов при формировании электронного пучка и генерации излучения во временном представлении с учетом реальной сверхразмерной* электродинамической системы представляется актуальной задачей как на стадии проектировании, так и на стадии проведения экспериментов [95,96]. Отчасти это связано с тем, что часто численное моделирование основывается на использовании усредненных уравнений с предварительным выделением ряда специфических резонансов [46- 51, 54,97].
Особо можно выделить проблему моделирования электродинамической системы (ЭДС) СВЧ-генератора, обеспечивающей заданный режим взаимодействия излучения и пучка, и вывод излучения. Эта проблема является одной из первоочередных и отнюдь не тривиальной. В ряде случаев электродинамическая система представляет собой регулярный (прямоугольный или цилиндрический) волновод, дополненный системой резонаторов с характерными размерами, существенно меньшими длины волны и сравнимыми с шагом расчетной сетки. При моделировании таких систем всегда возникает вопрос о достоверности и сходимости численного решения, и без знания деталей о взаимодействии ЭМ волны со сверхразмерными структурами дать на него ответ невозможно. Для определения адекватности конечно-разностного описания электродинамической системы достаточно часто используются математические модели в частотном представлении, основанные на теории возмущений. В частности, при описании взаимодействия ЭМ волн с одно- и двумерными брэгговскими решетками применяется теория связанных мод, в которой гофрировка решеток заменяется «эквивалентным» граничным условием на невозмущенной поверхности регулярного волновода [98,99]. В связи с этим весьма актуальной задачей представляется разработка физико-
1 Сверхразмерной считается система, у которой, по крайне мере, один из характерных размеров много больше длины волны генерируемого излучения
18
математической модели, которая бы адекватно описывала дифракцию электромагнитных волн на системе резонаторов без использования теории возмущений [100,101]. Такая модель позволяла бы эффективно проверять достоверность описания сверхразмериой ЭДС и оптимизировать ее параметры.
Несмотря на существенный прогресс в генерации мощного импульсного излучения СВЧ диапазона по <страдиционным» схемам с использованием релятивистских электронных пучков (лазер на свободных электронах, виркатор, лампа бегущей волны, магнетрон и других), все они имеют ограничение, которое препятствует их использованию как сверхшироконолосных генераторов для малых длин волн. Это -необходимость синхронизма электронов и полей, который обеспечивает резонансное взаимодействие и, так или иначе, подразумевает существование выделенной собственной частоты системы [50].
В силу этих обстоятельств ясна необходимость разработки альтернативных схем генерации широкополосного СВЧ-излучения. Несмотря на большое число теоретических исследований свойств сверхшироконолосных импульсов [21-26 и ссылки в них], предложений по реализации излучателей мало [29- 32], так как требуется получить не только импульсы тока малой длительности, но и обеспечить для них требуемое теорией пространственно-временное распределение. Одна из перспективных схем генерации направленного ЭМИ СВЧ диапазона предложена Ю.НЛазаревым и автором диссертации в работе [56]. В ее основе лежит эффект генерации электромагнитной волны импульсом тока, распространяющимся вдоль проводящей поверхности со сверхсветовой скоростью, что имеет место при наклонном падении фронта излучения, способного выбивать из атомов вещества электроны [102,103]. Фактически это реализация излучателя «электромагнитных пуль» [25], где для генерации направленного и слабо расходящегося в пространстве ЭМИ необходимо одновременно инициализировать по всей апертуре антенны импульс тока с как можно более крутым фронтом.
Схематично устройство, излучающее сверхширокополосный ЭМИ СВЧ диапазона, с запиткой от фотоэмиссионного импульса тока, представляет собой плоский ускоряющий диод с сетчатым анодом, облучаемый под некоторым углом плоским потоком ионизирующего или светового излучения (Рис. В.4). Под действием плоского фронта ионизирующего излучения на фотокатоде возникает сверхсветовой импульс тока эмитированных электронов. Далее электроны ускоряются в межэлектродном зазоре, пролетают через сетчатый анод и формируют над ним сверхсветовой импульс тока
19
- Київ+380960830922