Устройство для воздействия на материальные объекты

Изобретение относится к технике генерации электромагнитных импульсов и ударных волн.

Устройства для воздействия на материальные объекты электромагнитным излучением и одновременно ударными волнами представляют значительный интерес для науки и техники. Особый интерес вызывают устройства такого типа, обладающие наряду с высокой мощностью, - компактностью, высокой надежностью и автономностью. Подобные устройства можно использовать в материаловедении, в частности, для изучения механизмов разрушения сплошных, трещиноватых, многослойных сред и негабаритов.

Известно устройство для воздействия на материальные объекты, содержащее протяженный электрод и источник питания, а также дополнительный электрод, выполненный в виде сетки и расположенный вдоль протяженного электрода, а также, по меньшей мере, один предварительно поляризованный сегнетоэлектрический образец, расположенный между протяженным электродом и ближним к нему дополнительным электродом, а в качестве источника питания использован генератор напряжения, подсоединенный к электродам через проводящий фидер и управляющий коммутатор (Патент РФ №2187167 HO1J 25/02, 2002 г.).

Использование этого устройства для воздействия на материальные объекты электромагнитным излучением характеризуется созданием излучения в узком диапазоне шкалы электромагнитных волн.

Известно устройство для воздействия на материальные объекты, включающее трубчатый корпус, СВЧ-генератор, ускоритель электронов, имеющий катод и анод, а также сферический отражатель с внутренней зеркальной поверхностью. Причем корпус в виде трубы вакуумирован и выполнен из стекла с зигзагообразными участками, а внутри трубы последовательно расположены: ионный источник электронов, ускоряющие трубчатые электроды и анод, который расположен в окончании зигзагообразного участка, а сферический свинцовый отражатель с внутренней зеркальной поверхностью фокусирует излучение на объекте (Патент РФ 2409798 С2, F41B 6/00, 2006 г.)

Использование этого устройства характеризуется низкой плотностью посылаемой энергии при воздействии на объект.

Задачей данной полезной модели является усовершенствование устройства для воздействия на материальные объекты путем изменения состава его элементов и обеспечения их специальной связи друг с другом, в результате чего увеличивается плотность посылаемой энергии при воздействии на объект.

Поставленная задача решена за счет того, что предлагаемое устройство для воздействия на материальные объекты, включающее трубчатый корпус, СВЧ-генератор, ускоритель электронов, имеющий катод и анод, а также сферический отражатель с внутренней зеркальной поверхностью, согласно полезной модели снабжено также последовательно установленным по оси корпуса цилиндрическим резонатором и концентратором электромагнитной энергии, при этом в вакуумированном цилиндрическом резонаторе размещены СВЧ-генератор, соединенный с ускорителем электронов в виде электронной пушки, напротив катода которой размещена пролетная труба с размещенной вокруг нее магнитной системой, а в торце трубы установлен анод-мишень, встроенный в устройство ввода электронного пучка в охваченный снаружи системой магнитов накопитель электронов, представляющий собой тор, выход пучка из которого через волновод соединен с разделителем электронного пучка на два, причем каждый из разделенных пучков через стеклянные капилляры намотан на пустотелую цилиндрическую трубу, сопряженную с воронкой и установленную в концентраторе, в торце которого размещен сферический отражатель, сама воронка соединена с жестким волноводом с присоединенной к нему антенной, а сам концентратор закреплен в сферическом шарнире, причем капилляры намотаны в два ряда - один поверх другого, а последние витки капилляров в обоих рядах замыкаются сами на себя, при этом устройство снабжено вторым СВЧ-генератором, размещенном в дополнительном корпусе, соединенным через гибкий волновод с накопителем электронов, а через два других гибких волновода - с последними витками стеклянных капилляров, кроме того, устройство снабжено соединенными между собой системой наведения и приставкой, связанных с устройством, причем приставка состоит из двух коаксиально-цилиндрических оболочек, сопряженных с рупорной антенной, установленной на одном конце приставки, а перед антенной устройства на жестком волноводе размещен переходник с диафрагмой, имеющей возможность регулировать поток электромагнитного излучения и соединенной гибким волноводом через разделитель электромагнитного излучения на два канала, конец каждого из которых закреплен в зазор между оболочками приставки, внутри которой по горизонтальной оси с помощью стоек и сферического шарнира размещена пусковая труба со снарядом, а система наведения включает корпус, по горизонтальной оси которого на рычаге, проходящем через окно его стенки установлен сферический шарнир, размещенный между направляющими, при этом внутри корпуса размещен блок питания, соединенный с электродвигателем, имеющим поворотный механизм, причем на рычаге вне корпуса установлен шток, жестко соединенный с пневмоцилиндром, а блок питания дополнительно соединен через разъем на рычаге с находящимся внутри рычага кабелем, проходящем также по оси сферического шарнира и имеющим возможность соединяться с электрическим запалом снаряда, находящегося в пусковой трубе.

Отличием предлагаемого устройства от наиболее близкого из аналогов является то, что устройство снабжено последовательно установленным по оси корпуса цилиндрическим резонатором и концентратором электромагнитной энергии, при этом в вакуумированном цилиндрическом резонаторе размещены СВЧ-генератор, соединенный с ускорителем электронов в виде электронной пушки, напротив катода которой размещена пролетная труба с коаксиально размещенной в ней магнитной системой, а в торце трубы установлен анод-мишень, встроенный в устройство ввода электронного пучка в охваченный снаружи системой магнитов накопитель электронов, представляющий собой тор, выход пучка из которого через волновод соединен с разделителем электронного пучка на два, причем каждый из разделенных пучков через стеклянные капилляры намотан на пустотелую цилиндрическую трубу, сопряженную с воронкой и установленную в концентраторе, в торце которого размещен сферический отражатель, а сам концентратор закреплен в сферическом шарнире, причем капилляры намотаны в два ряда - один поверх другого, а последние витки капилляров в обоих рядах замыкаются сами на себя, при этом устройство снабжено вторым СВЧ-генератором, размещенном в дополнительном корпусе, соединенным через гибкий волновод с накопителем электронов, а через два других гибких волновода - с последними витками стеклянных капилляров, кроме того, устройство снабжено соединенными между собой системой наведения и приставкой, связанных с устройством, причем приставка состоит из двух коаксиально-цилиндрических оболочек, сопряженных с рупорной антенной, установленной на одном конце приставки, а перед антенной устройства на жестком волноводе размещен переходник с диафрагмой, имеющей возможность регулировать поток электромагнитного излучения и соединенной гибким волноводом через разделитель электромагнитного излучения на два канала, конец каждого из которых закреплен в зазоре между оболочками приставки, внутри которой по горизонтальной оси с помощью стоек и сферического шарнира размещена пусковая труба со снарядом, а система наведения включает корпус, по горизонтальной оси которого на рычаге, проходящем через окно его стенки установлен сферический шарнир, размещенный между направляющими, при этом внутри корпуса размещен блок питания, соединенный с электродвигателем, имеющим поворотный механизм, причем на рычаге вне корпуса установлен шток, жестко соединенный с пневмоцилиндром, а блок питания дополнительно соединен через разъем на рычаге с находящимся внутри рычага кабелем, проходящем также по оси сферического шарнира и имеющим возможность соединяться с электрическим запалом снаряда, находящегося в пусковой трубе.

Техническим результатом от применения предлагаемого устройства для воздействия на материальные объекты, по сравнению с наиболее близкой из аналогов, является увеличение плотности посылаемой энергии при воздействии на объект.

Это достигается на базе эффекта бесконтактного движения электронов в стеклянных капиллярах, намотанных на цилиндрическую трубу в виде двойного ряда колец, вследствие чего возникает мощный источник электромагнитного излучения в широком спектральном диапазоне, подаваемый на облучаемый объект через концентратор устройства и через присоединенную к нему воронку с жестким волноводом, на конце которого располагается антенна, а также комбинированным воздействием ударной волны, получаемой при запуске снаряда из пусковой трубы и сопровождающего ударную волну электромагнитного излучения, посылаемого антенной устройства на объект.

Суть полезной модели поясняется чертежами, где на Фиг. 1 изображена основная часть устройства для воздействия на материальные объекты; на Фиг. 2 изображена приставка к устройству с системой наведения, на Фиг. 3 изображен переходник с диафрагмой (вид сбоку), на Фиг. 4 также изображен переходник с диафрагмой (вид сверху), на Фиг. 5 изображен накопитель электронов (вид сверху), на Фиг. 6 также изображен накопитель электронов (вид сбоку).

Устройство для воздействия на материальные объекты содержит трубчатый корпус 1 с размещенным по оси корпуса вакуумированным цилиндрическим резонатором 2, в полости которого размещена электронная пушка 3, напротив которой соосно к крышке резонатора снаружи подсоединена через отверстие в резонаторе 2 пролетная труба 4 с коаксиально размещенной в пролетной трубе магнитной системой 5, в торце этой трубы установлен анод-мишень 6, встроенный в устройство ввода электронного пучка 7, присоединенного к накопителю электронов 8 с системой магнитов 9, в качестве источника питания к резонатору 2 подключен сверхвысокочастотный генератор 10 с петлей связи 11 для регулирования уровня вводимой в цилиндрический резонатор 2 СВЧ мощности, второй СВЧ-генератор 12, размещенный в дополнительном корпусе 13 через полосковую линию 14 с помощью разделителя СВЧ излучения 15 через гибкий волновод 16 присоединен к вводу 17 СВЧ излучения, поступающего в накопитель электронов 8, на выводе 18 которого размещен разделитель электронного пучка 19, присоединенный к двум стеклянным капиллярам 20 и 21, которые намотаны в два ряда - один поверх другого 22 и 23 на пустотелую цилиндрическую трубу 24, соединенной со сферическим шарниром 25, вставленным в направляющие 26, причем последние витки капилляров в нижнем 22 и верхнем ряду 23 замыкаются сами на себя, и к ним присоединяются два гибких СВЧ-волновода 27. Система нижних 22 и верхних витков 23 капилляров заключена в концентратор 28, в торце которого располагается отражатель СВЧ излучения 29, концентратор 28 переходит в воронку 30, на выходе которой размещен жесткий волновод 31, соединенный с антенной 32, снабженный переходником 33 с диафрагмой 34, соединенной с гибким волноводом 35, присоединенным к разделителю потока СВЧ-излучения 36, делящим поток СВЧ-излучения на два канала - 37 и 38, присоединенных к приставке I, которая присоединена к системе наведения II, причем приставка I включает две установленные с зазором коаксиально цилиндрические оболочки 39, снабженные рупорной антенной 40 и установленные с помощью стоек 41 на пусковой трубе 42 со снарядом 43, а с противоположного конца, через заднюю крышку 44 коаксиально цилиндрические оболочки 39 соединены цилиндрической полой вставкой 45 с системой наведения II, находящейся в корпусе 46 с размещенным в нем сферическим шарниром 47, располагающимся между ограничителями 48, причем электрический кабель 49, проходящий через сферический шарнир 47, соединен с запалом 50 и присоединен снаружи через разъем 51 к блоку питания 52, присоединенному также к электродвигателю 53, соединенному с поворотным механизмом 54, присоединенному к пневмоцилиндру 55 с выдвижным штоком 56, присоединенным к рычагу 57 через окно 58.

Работа устройства для воздействия на материальные объекты электромагнитным излучением осуществляется следующим образом.

От СВЧ-генератора 10 через петлю связи 11 в цилиндрический резонатор 2, размещенный по оси корпуса 1, подается СВЧ-мощность, при этом появляется напряжение сверхвысокочастотных колебаний. При включении электронной пушки 3 из нее выходит электронный поток, ускоряющийся в резонаторе 2 и пролетной трубе 4, сфокусированный с помощью магнитной системы 5, до анода-мишени 6, далее поток электронов проходит устройство ввода электронного пучка 7 и попадает в накопитель электронов 8, в котором, двигаясь по окружности, поток электронов вращается по замкнутому кольцу под воздействием силы Лоренца, обусловленной воздействием постоянных магнитов 9. Одновременно с включением СВЧ-генератора 10 происходит включение СВЧ-генератора 12, который располагается в дополнительном корпусе 13 и регулирование мощности в котором производится аналогично, как и в СВЧ-генераторе 10. Появившееся напряжение сверхвысокочастотных колебаний распространяется вдоль полосковой линии 14, от которой через разделитель СВЧ излучения 15 с помощью гибкого волновода 16 СВЧ-излучение вводится в устройство ввода 17, встроенное в замкнутое кольцо накопителя электронов 8, вследствие чего начинается модуляция энергии частиц полем слабой волны и в результате чего электроны с измененными энергиями по инерции собираются в сгустки, расстояние между которыми равно длине волны. Таким образом, сгустки образуются из первоначально однородного пучка электронов в самосогласованном процессе, происходящем в пространстве взаимодействия электронов с волной. Во время этого процесса накопитель электронов заперт, на входе в устройство вывода электронного пучка 18 подается отрицательный импульс с генератора высоких частот 10. Через заданный промежуток времени система управления подает на вход устройства вывода электронного пучка 18 положительный импульс, и накопитель электронов 8 открывается, далее сформированные сгустки электронов поступают в разделитель электронного пучка 19 и по гибким стеклянным капиллярам 20 и 21 подаются в нижний 22 и верхний 23 ряд колец, одетых на цилиндрическую трубу 24. СВЧ-мощность от СВЧ-генератора 12 подается через гибкие разделители СВЧ-излучения 27 в последние, замкнутые сами на себя кольца капилляров нижнего 22 и верхнего ряда 23. Таким образом, электромагнитная волна распространяется навстречу сформировавшимся сгусткам электронов. Этот процесс, в котором заряды раскачиваются одной волной, а затем излучают волну другой частоты, происходит потому, что отраженный фотон имеет энергию намного большую, чем падающий. Сгустки электронов, раскачиваемые электромагнитной волной, направляемой навстречу этому потоку по кольцам стеклянных капилляров нижнего 22 и верхнего ряда 23, излучают электромагнитные волны вследствие центростремительного ускорения, действующего на поток электронов в кольцах капилляров, причем излучение направлено перпендикулярно к плоскости вращения электрона вперед и назад. Для того, чтобы избежать потерь электромагнитного излучения, два ряда капилляров 22 и 23 заключают в концентратор 28, в торце которого размещен отражатель СВЧ-излучения 29, направляющий импульс сверхвысокой частоты в заданном направлении. В результате электромагнитное излучение переходит из концентратора 28 в воронку 30 и далее переходит в жесткий волновод 31, снабженный поверхностной антенной 32, которая направляет излучение на заданный объект. Наведение излучателя на объект производится с помощью сферического шарнира 25, размещенного в направляющем устройстве 26. Отдавая команду на включение в работу сферического шарнира 25, система управления позволяет перемещать закрепленную на шарнире трубу 24 с размещенными на ней двумя рядами нижних и верхних капилляров 22 и 23, заключенными в концентратор 28, переходящий в воронку 30 и далее в жесткий волновод 31 с размещенной на нем антенной 32, в любую заданную точку.

Для увеличения плотности энергии, посылаемой на объект, предназначенный для его разрушения, используется дополнительно к устройству связанная с ним с помощью гибкого волновода 35 приставка I, соединенная с цилиндрической полой вставкой 45 с системой наведения II. В этом случае, через установленный в жестком волноводе 31 установки переходник 33 с открытой диафрагмой 34 электромагнитное излучение СВЧ-диапазона подается в направлении объекта, предназначенного для разрушения, затем диафрагма 34 закрывается и электромагнитное излучение СВЧ-диапазона подается на гибкий волновод 35, с которого поступает на разделитель электромагнитного излучения 36 и по гибким волноводам 37 и 38 подается в разрез между коаксиально-цилиндрическими оболочками 39, образующими резонатор с размещенной на его конце рупорной антенной 40. С противоположной стороны коаксиально-цилиндрических оболочек 39, располагающихся с помощью стоек 41 на пусковой трубе 42 через заднюю крышку 44 этих оболочек, располагается находящийся снаружи конец пусковой трубы со снарядом 43, примыкающим торцом к запалу 50. Система наведения II, располагающаяся в корпусе 49, за счет подачи напряжения с блока питания 52 запускает электродвигатель 53, включает в работу пневмоцилиндр 55 и производит выдвижение штока 56, прикрепленного к рычагу 57 через управляющее окно 58. Система управления, производя управляемое выдвижение штока 56 с одновременной работой электродвигателя 53, который запускает в работу поворотный механизм 54, соединенный с пневмоцилиндром 55, устанавливает рычаг 57, соединенный со сферическим шарниром 47, располагающимся между ограничителями 48 в заданное положение. После подачи напряжения от блока питания через разъем 51 на кабель 49, проходящий через рычаг 57 и присоединенный к запалу 50, производится запуск снаряда 43, находящегося в пусковой трубе 42. Ударный импульс, вызванный пуском снаряда 43, сопровождается электромагнитным импульсом СВЧ-диапазона, посылаемым через рупорную антенну 40. При пуске снаряда 43 электромагнитная диафрагма 34 закрыта и весь поток СВЧ-излучения через гибкий волновод 35 поступает в приставку I.

Таким образом, в процессе работы устройства, с присоединенной к нему приставкой и системой наведения, достигается резкое увеличение плотности энергии, посылаемой на объект, предназначенный для разрушения, интенсивность разрушения которого увеличивается по крайней мере в 3 раза, по сравнению с наиболее близким из аналогов.