Научная Сеть >> Малогабаритный взрывной генератор СВЧ импульсов для метеорологического применения

Наука >> Физика >> Общая физика >> Колебания и волны >> Электромагнитные волны | Научные статьи

Малогабаритный взрывной генератор СВЧ импульсов для метеорологического применения

А.Б. Прищепенко, Д.В. Третьяков.
Опубликовано на сайте Laboratory.Ru, 03.05.2000 г.

Конструкция генератора.

Рассматриваемый генератор является полностью автономным устройством. Для его срабатывания достаточно только детонационного импульса.

Масса заряда взрывчатого вещества в зависимости от конструкции генератора колеблется в пределах от 3 до 25 грамм. Генератор может монтироваться в цилиндрический корпус, выполненный из радиопрозрачного материала, например, полиамида. Внешний диаметр корпуса - 25 40 миллиметров. Масса укомплектованного генератора вместе с корпусом составит от 80 до 200 грамм.

Для снижения габаритов и массы генератора может быть применена конструкция, включающая в себя одновременно рабочие тела двух типов, сегнетоэлектрическое и ферромагнитное. Помимо своей основной функции преобразования энергии эти рабочие тела в процессе функционирования генератора выступают в роли емкостного и индуктивного элементов его колебательного контура. Такая конструкция генератора позволяет более чем на 30% сократить его массу по сравнению с ферромагнитным или пьезоэлектрическим генераторами при сохранении величины излучаемой в окружающее пространство энергии. Сокращение массы конструкции генератора является весьма актуальным для многих областей его применения.

Одной из возможных областей применения рассматриваемых генераторов является активное воздействие на электрический потенциал атмосферных облаков. Для получения большего эффекта несколько сотен таких генераторов могут быть смонтированы в специальном контейнере, который доставляется в облако, например, метеорологической ракетой. Внутри облака контейнер распаковывается и генераторы равномерно разбрасываются по объему облака, а затем срабатывают. Грозовое облакосостоит из двух противоположно заряженных слоев. Основная часть электрических разрядов (молний) происходит между этими слоями. Только 10% разрядов приходятся на земную поверхность. Воздействие на облако СВЧ излучения провоцирует разряды внутри облака и выравнивает его электрический потенциал.

Радиочастотное электромагнитное излучение.

Спектральная плотность электромагнитной энергии, излучаемой в окружающее пространство, может быть оценена по приводимым ниже эмпирическим зависимостям. Вводим обозначение величин зависящих от целочисленных индексов j_m и j_e:

$\nu_m =\frac{2k_L wB_r\mu_m}{10^3\hbar N_A\rho_m\lambda}i_{max}\exp\left( -k_3\pi\frac{4\cdot j_m+1}{2}\right)$

$\nu_e =\frac{P_r\mu_e}{10^3\hbar N_A\rho_e h}U_{max}\exp\left( -k_4\pi\frac{4\cdot j_e+1}{2}\right)$ ,

где $\hbar$ и N_A - постоянная Планка и число Авогадро;

$\rho_e$ и $\mu_e, \rho_m$ и $\mu_m$ - соответственно, плотность и масса моля вещества сегнетоэлектрического и ферромагнитного рабочего тела;

i_max - наибольшее значение тока в электрической цепи генератора в период времени $t_m\le t\le t_m +\frac{\lambda}{u_m}$ ;

U_max - наибольшее значение напряжения на сегнетоэлектрическом рабочем теле в период времени $t_e\le t\le t_e +\frac{\delta}{u_e}$ ;

k₃ и k₄ - безразмерные эмпирические коэффициенты.

Величины i_max и U_max могут быть найдены экспериментально или рассчитаны по зависимости (3). Коэффициенты k₃ и k₄ для рассматриваемого типа генераторов находятся в диапазоне 0,03 - 0,09. Тогда спектральная плотность электромагнитной энергии, излученной в окружающее пространство, в зависимости от частоты $\nu$ находится по эмпирическим формулам:

Для генератора с ферромагнитным рабочим телом

$\frac{dW_d}{d\nu}=\hbar N_A\frac{10^6}{2}\sqrt{C_e L_m}\sum\limits_{j_m =1}^{j_{mf}}\frac{\rho_m}{\mu_m}\frac{k_1 S_m u_m\nu e(\nu_m -\nu)}{\sqrt{\nu_m -\nu e(\nu_m -\nu)}}$

(3)

Для генератора с сегнетоэлектрическим рабочим телом рабочим телом

$\frac{dW_d}{d\nu}=\hbar N_A\frac{10^6}{2}\sqrt{C_e L_m}\sum\limits_{j_e =1}^{j_{ef}}\frac{\rho_e}{\mu_e}\frac{k_2 S_e u_e\nu e(\nu_e -\nu)}{\sqrt{\nu_e -\nu e(\nu_e -\nu)}}$

(4)

Для генератора с двумя рабочими телами - сегнетоэлектрическим и ферромагнитным

$\frac{dW_d}{d\nu}=\hbar N_A\frac{10^6}{2}\sqrt{C_e L_m}\sum\limits_{j_m =1}^{j_{mf}}\frac{\rho_m}{\mu_m}\frac{k_1 S_m u_m\nu e(\nu_m -\nu)}{\sqrt{\nu_m -\nu e(\nu_m -\nu)}} + \sum\limits_{j_e =1}^{j_{ef}}\frac{\rho_e}{\mu_e}\frac{k_2 S_e u_e\nu e(\nu_e -\nu)}{\sqrt{\nu_e -\nu e(\nu_e -\nu)}}$

(5)

e(x) - единичная функция, e(x>0)=1 и $e(x\le 0)=0$ .

k_L -безразмерный коэффициент, учитывающий отношение длины соленоида к его диаметру и стремящийся к единице при достаточно длинных соленоидах.

j_ef - наибольшее целое число меньшее $\frac{k_5\delta}{u_e\sqrt{C_e L_m}}$ .

i_mf - наибольшее целое число меньшее $\frac{k_6\lambda}{u_m\sqrt{C_e L_m}}$ .

k₁ - k₆ - безразмерные эмпирические коэффициенты. Для предварительной оценки величины диссипируемой энергии коэффициенты k₁, k₂, k₅, k₆ могут быть приняты равными единице. Коэффициенты k₃, k₄ могут быть в этом случае приняты равными нулю. Затем они могут уточняться в процессе экспериментальной отработки изделия.

Типичная зависимость приведена на рис. 3 в сравнении со значениями спектральной плотности, замеренными экспериментально.

Рис. 3 Спектральная плотность излучения.

Литература.

Adzhiev A.Kh. & Prishchepenko A.B. "Developpement de methodes et le moyens pour controler la formation des nuages et des precipitations par la modification des parametres electriques du nuage". Deuxieme Symposium International "Foudre Et Montagne". 1...5 Juin 1997 - Chamonix Mont Blanc - France. B1.10, p. 33.
Прищепенко А.Б., Третьяков Д.В., Щелкачев М.В. Баланс энергии взрывного пьезоэлектрического генератора частоты. - Мегагауссная и мегаамперная технология и применения / Труды конференции - Саров, ВНИИЭФ,1997, с.954-958.
A. Prishchepenko, D. Tretyakov. Dissipative energy losses in ferromagnetic generator of frequency. / Digest of tecchnical papers. 12th IEEE International Pulsed Power Conference. Monterey, California, USA, 1999, p. 856 -862
Новицкий, В.Д. Садунов. Энергетические характеристики сегнетоэлектрика как рабочего тела преобразователя энергии УВ. Физика горения и взрыва. 1985, N5, с. 104 - 107.
Е.Ройс. Свойства магнитных материалов при ударном сжатии. / В книге: Физика высоких плотностей энергии. / Под ред. П.Кальдиролы и Г. Кнопфеля / Пер. с англ. - М.; Мир, 1974. - с.143-158.
В.В.Новиков, В.Н.Минеев. Магнитные эффекты при ударном нагружении намагниченных ферро- и ферримагнетиков./ Физика горения и взрыва, 1983, N3, с.97 -104.

Laboratory.Ru

Написать комментарий