Патент на изобретение №2208273

(54) АНТЕННА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СОЛИТОНОВ

(57) Реферат:

Технический результат изобретения состоит в том, чтобы индуцировать в вакууме (эфире) поле физической сущности в виде потока ЭМ-солитонов. Антенна электромагнитных солитонов (ЭМ-солитонов) вакуума содержит гиротропный элемент, например намагниченный монокристаллический железо-иттриевый гранат (ЖИГ), на котором размещены преобразователи СВЧ-электромагнитной энергии в три полевые компоненты триединого поля ЭМ-солитона. Этот гиротропный элемент имеет форму поверхности, совпадающую по объему с пространством, охватываемым петлями многолистника триединого поля ЭМ-солитона. Преобразователи СВЧ-энергии в импульс энергии магнитного солитона гиротропного элемента антенны имеют конфигурации петель силовых линий первой, именно электромагнитной компоненты триединого поля ЭМ-солитона вакуума. Между преобразователями СВЧ-энергии и гиротропным элементом устанавливается индуктор гиперзвуковых волн в виде монокристаллической прокладки СВЧ-пьезосегнетоэлектрика, например ниобата лития LiNiO₃, которая участвует в создании второй компоненты триединого поля ЭМ-солитона. Гиротропный элемент антенны, например ЖИГ, легируется ^–-радиоактивным ферромагнитным изотопом, например железа-59, или естественно слабо^–-радиоактивный ферромагнитный ион, например лантан-138 или лютеций-176, включается в химическую формулу гиротропного вещества антенны (ЖЛАГ или ЖЛЮГ) вместо иттрия в ЖИГ, причем дополнительное усиление радиоактивности достигается путем применения мини-ядерного реактора на уране-238, превращающего нерадиоактивные ферромагнитные или слаборадиоактивные ядра гиротропного элемента в сильнорадиоактивные, этот изотоп обуславливает генерацию нейтринного поля, являющегося третьей компонентой триединого поля ЭМ-солитона. На гиротропном элементе антенны устанавливается второй преобразователь СВЧ-электромагнитной энергии в импульс энергии магнитного солитона и второй индуктор гиперзвуковых волн в виде монокристаллической прокладки СВЧ-пьезоэлектрика, которые в совокупности составляют возбудитель ЭМ-солитона суперизации схемы сверхрегенеративного приема. 8 ил.

Изобретение в виде антенны электромагнитных солитонов (ЭМ-солитонов) вакуума относится к области сверхвысокочастотной (СВЧ) радиотехники.

В качестве аналога данного изобретения может быть использована СВЧ магнитодиэлектрическая антенна [1]. Ферромагнитное вещество антенны этого аналога является излучающим элементом и кроме того элементом, управляющим диаграммой направленности путем изменения внешнего намагничивающего поля. Непосредственно излучает электромагнитную волну (ЭМВ) система колеблющихся спинов электронов ферромагнитного вещества СВЧ-антенны.

В качестве аналога, наиболее близкого к изобретению из совокупности существенных признаков (прототипом), является устройство магнитной СВЧ-антенны, описанное в [2] . Данный прототип содержит в качестве излучающего элемента намагниченный монокристаллический ферримагнетик, в котором электромагнитную волну излучают колеблющиеся когерентные спины электронов ферримагнетика, изготовленного из железо-иттриевого граната (ЖИГ). Причем в ферромагнетике эти когерентные колебания спинов существуют в виде магнитостатической волны (МСВ) на СВЧ. В свою очередь эта МСВ индуцируется микрополосковыми преобразователями СВЧ электромагнитной энергии, которая по волноводу подводится к антенне от задающего СВЧ-генератора.

Важно отметить, что как в аналоге, так и прототипе индуцируется только одна, именно электромагнитная компонента ЭМ-солитона, которая присуща всем известным на сегодняшний день антеннам, используемым в радиотехнике.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в том, чтобы индуцировать в вакууме (эфире) поле новой физической сущности в виде потока ЭМ-солитонов.

В основу используемой теоретической модели, описывающей ЭМ-солитоны, положен принцип объединения в замкнутом виде хорошо известных физических полей топологическим образом с тем, чтобы получить новые качественные эффекты, характерные только для ЭМ-солитонов.

По своей природе ЭМ-солитоны представляют собой нелинейно связанное состояние трех известных полей: поля натяжения среды эфира в форме электромагнитного поля Максвелла, поля крутильной деформации Картана-Риччи среды эфира в форме нейтринного поля Дирака, поля кривизны Римана среды эфира в форме гравитационного поля Эйнштейна.

Давно замечено [3, 4] , что анизотропную среду и, в частности, гиротропную среду (например, ферримагнетик), в которой распространяется электромагнитная волна, можно представить математически как ассоциированное с этой средой пустое неевклидово пространство, но определенной римановой кривизны, вычисляемой по электродинамическим характеристикам этой среды. Наоборот, геометрия абстрактного неевклидова пространства согласно теории калибровочных полей [5] эквивалентна эффективной анизотропной среде (эфиру), причем из этой среды образуются все известные физические поля, элементарные частицы, атомы, молекулы и вещество живое и неживое.

Автор данной заявки обнаружил [6] , что система нелинейно связанных дифференциальных уравнений Максвелла-Дирака:
[(p-eA)-m] = 0;
^–[(p+eA)+m] = 0;
A = e^–,
где = ^{= (o,) – четырехрядные спинматрицы Дирака;
– четырехкомпонентный спинор;
A = (Ao,A–) – 4-векторный потенциал электромагнитного поля в вакууме;
е – заряд электрона;
m – масса электрона;
– оператор Даламбера;
=0,1,2,3 – индекс псевдоевклидова пространства-времени,
p = i(h/2)od/cdt-i(h/2)– – релятивистский оператор импульса;
с – скорость света в вакууме;
h – постоянная Планка;
описывает именно такую сущность, которую с одной точки зрения можно рассматривать как геометрию (или топологию) эфира, а с другой эквиалентной точки зрения – как совокупность трех упомянутых выше полей. Причем физически наблюдаемые электродинамические явления инвариантны относительно такого описания.}

С математической точки зрения указанная система уравнений является уравнением триединого поля и приводится к солитонному дифференциальному уравнению в частных производных, записанному в гиперкватернионной (гексанионной) форме:

для дуальносопряженного решения Y^*=iX, где i – гексанионная мнимоединичная матрица (16 х 16).

Важно то, что симметрия этого уравнения, а следовательно, и указанная геометрия пространства, в котором существует ЭМ-солитон, не задается априорно, но вычисляется методом теории групп Ли-Овсянникова, что является главным аспектом данной теории. Топологические характеристики: связности, кривизна, когомология, индекс отображения, число Лефшеца и другие, вычисляются методами теории алгебраической топологии и топологической комбинаторики. При этом оказывается, что указанные характеристики соответствуют ассоциированному расслоенному пространству абсолютного параллелизма с кручением или сокращенно расслоенному пространству АПК, созданному ЭМ-солитоном в нем самом и вокруг него. Причем кручение описывается гиперкватернионами и физически состоит из вращении и крутильных сдвигов вакуума (эфира). Базой расслоенного пространства АПК (фактор-пространства ЭМ-солитона) является локально плоское наше пространство-время Минковского, в проекции на которое наблюдаются все явления современной физики. Слоями расслоенного пространства АПК в топологической теории джетов служат дифференциальные продолжения (образующие первую топологическую категорию) указанного солитонного уравнения, эти продолжения являются цепочкой ЭМ-солитонных уравнений аналогичных известным солитонным уравнениям, полученным по методу обратной задачи рассеяния (МОЗР) Захарова-Шабата. Первое сечение расслоения (слой), называемый первым джетом (или первым продолжением Ли-Овсянникова), является связностью Картана, которая имеет кривизну Римана-Картана тождественно равную нулю. Последнее условие позволило получить два нелинейных дифференциальных уравнения: одно- подобно уравнению Эйнштейна для кривизны пространства АПК (вакуума), а другое – уравнение для кручения пространства АПК, которое в линейном приближении в спинорном базисе Ньюмана-Пенроуза приводится к квантополевому фермионному уравнению для нейтрино. По сути система трех уравнений для трех указанных полей описывает движение (метаморфозы) поля Максвелла в пространстве АПК с геометрией, обладающей кривизной Римана и кручением Картана. Эта система уравнений решена на группе Ли для солитонного случая. При бесконечном продолжении с одновременной кватернионной гиперкомплексификацией солитонного уравнения (образующей вторую топологическую категорию) создается множество слоев-джетов пространства АПК, эта цепочка джетов описывается топологической цепочкой когомологией де-Рама. В каждом слое пространства АПК происходит детерминированная стохастизация группы Ли (образующая третью топологическую категорию), поэтому указанной топологической цепочке соответствует (в морфизме функторов указанных трех категорий) фрактальное (хаусдорфово) множество вложений пространства АПК в виде n-мерных гиперлистов Мебиуса в форме неориентированных гиперторов в каждой точке ЭМ-солитона, начиная с 0-джета.

Оказывается, что эта цепь геометрий (симметрий слоев) ограничена фундаментальным числом ~2,3810²², которое вычислено теоретически в рамках указанной математической модели ЭМ-солитонов, далее с помощью этого числа вычислены все известные фундаментальные физические константы (электрический заряд, постоянная тонкой структуры, гравитационная постоянная, постоянная слабого взаимодействия, постоянная сильного ядерного взаимодействия) [8]. Предложенная математическая модель вакуума-эфира наглядно представляется в виде многомерной упругой среды размерностью 2,3810²². Центральная проекция любого сечения этой среды на гиперплоскость в виде наблюдаемого 4-мерного пространства-времени Минковского обладает объемной плотностью энергии W~ 10¹¹³ эрг/см³, что означает почти абсолютную механическую жесткость такого вакуума [20] в модели Френеля-Уилера-Сахарова, при этом линейная плотность энергии G~ 10⁴ эрг/см равна обратной гравитационной постоянной Эйнштейна. В таком вакууме-кристалле существуют вихревые (по Максвеллу-Кельвину) нелинейные движения эфира в виде солитонов-фононов крутильного сдвига (с кручением Картана-Риччи) и солитонов-фононов квадрупольного сжатия-растяжения (с кривизной Римана-Эйнштейна), сопровождаюшиеся натяжением эфира в форме фотонов-солитонов электромагнитного поля Максвелла. Именно сверхбольшая жесткость W и идеальность фрактальной кристаллической структуры вакуума-кристалла обуславливает почти идеальную прозрачность его для полей-инстантонов, поперечных полей и элементарных частиц-солитонов малой энергии по сравнению с W или G. Эти поля-частицы распространяются по законам классической механики или квантовой теории поля (в зависимости от уровня микроскопичности рассматриваемого явления) в вакууме-кристалле путем солитонодинамической индукции (нелинейной комплексной интерференции) и в разной степени “слабости” взаимодействуют с всеми другими фрактальными слоями-полями различной физической природы (частицы, атомы, плазма, твердые тела, астрофизические объекты, биологические объекты и т.д.).

Для технических приложений важно то, что указанные три поля ЭМ-солитона находятся в динамическом равновесии, обусловленном их нетривиальным солитонным взаимодействием (а точнее корреляцией солитонов) в виде туннелирования инстантонов (фаз гиперкватерниона), описываемых кинк-функцией этих полей, называемых еще нулевыми модами и наблюдаемых как фликкер-шум ЭМ-солитона в проекции на наше 4-мерное пространство-время. При этом комок энергии ЭМ-солитона (как амплитуда гиперкватерниона) туннелирует, превратившись в бризер (нелинейную мнимоединичную интерференцию кинка и комка), между топологическими секторами-зарядами вакуума, определяемыми гомотопическими индексами Стинрода-Понтрягина. Причем триединое солитонное поле рассматривается как калибровочное поле Янга-Миллса, а упомянутые уравнения движения этого поля в форме Лакса становятся уравнениями Янга-Миллса в солитонной (непоперечной) калибровке. Данное динамическое равновесие означает и это видно из алгебраического (группового) анализа солитонного уравнения [7], что электромагнитная компонента ЭМ-солитона замкнута сама на себя (в виде петли трилистника) по вектору Умова-Пойтинга, то есть локально тензор энергии-импульса в форме Ландау этой компоненты может быть тождественно равен нулю и электродинамическое (лоренцево) действие ЭМ-солитонов отсутствует, что и наблюдается экспериментально, например, за электромагнитными экранами. Однако солитонное (неэлектродинамическое) взаимодействие ЭМ-солитонов между собой и физической средой существует в виде калибровочно инвариантного (по электромагнитной компоненте) фазового действия их. Это действие выражается в том, что существует, то есть наблюдается интегральное и дифференциальное запаздывание каждого из участвующих во взаимодействии солитонов любой природы: магнитной, акустической, электронно-ядерной, биологической и т.д. Именно на взаимном запаздывании после взаимодействия двух движущихся навстречу ЭМ-солитонов основана принципиальная схема детектирования этих солитонов. Более детально физика работы антенн ЭМ-солитонов изложена ниже в принципе действия антенны.

Независимые существенные признаки заявленного изобретения состоят из пяти признаков, обеспечивающих получение технического результата, заключающегося в генерации и приеме ЭМ-солитонов вакуума (эфира). Эти пять признаков лежат в основе конструкции антенны ЭМ-солитонов, которая описана ниже.

Изобретение состоит в том, что антенна ЭМ-солитонов, показанная на фиг. 1, представляет собой гиротропный волноводный элемент, в частности намагниченный ферримагнитный элемент 1, выполненный из монокристаллического железо-иттриевого граната (ЖИГ) с намагниченностью насыщения 4Ms=1750 Гс и шириной линии ферромагнитного резонанса 2H=0,5 Э имеет определенную форму поверхности элемента антенны. Ось легкого намагничивания ориентируется вдоль продольной оси антенны, по которой распространяется магнитостатическая волна (МСВ). Габаритные размеры элемента равны 15 х 5 х 0,5 мм. Элемент 1 намагничен поперек продольной оси внешним магнитным полем. Ферримагнитный элемент 1 (фиг. 1) имеет форму поверхности, обязательно согласованную с геометрией (симметрией) поля ЭМ-солитона определенным образом.

Первым независимым признаком изобретения является именно форма элемента антенны, объем которой охватывается петлями узла многолистника, в частности трилистника 1, триединого поля ЭМ-солитона на фиг.6, где показан трилистник 1 магнитных силовых линий ЭМ-солитона, торовая поверхность 2, на которой расположен слой этих магнитных силовых линий, Н-вектор напряженности магнитного поля и Е-вектор напряженности электрического поля для электромагнитной компоненты триединого поля ЭМ-солитона. С целью охвата указанными петлями силовых линий объема элемента антенны форма поверхности строится так, что в плоскости сечения элемента 1, перпендикулярной продольной оси антенны, огибающая сечения приближенно конформно подобна кривой четвертой степени (овалам Кассини). В теории ЭМ-солитонов такая кривая определяет поверхность эквипотенциала квазистатической электромагнитной компоненты триединого поля этого солитона. Вдоль оси антенны форма овалов меняется от двухсвязанных овалов Кассини на выходе ее до односвязанных овалов в области возбуждения МСВ преобразователями 2. В точке геометрического раздвоения формы элемента 1 профиль поверхности описывается лемнискатой Бернулли (контуром проекции сечения тора Мебиуса на свое подпространство). Причем в области двухсвязанных овалов площадь сечения линейно уменьшается к выходу антенны с целью плавного согласования импендансов вакуума и среды, а также усиления модуляционной неустойчивости МСВ, когда начинается процесс зарождения ЭМ-солитона. Необходимо отметить, что геометрическая форма (размеры) элемента 1 и его электродинамические размеры принципиально не совпадают (но подобны) из-за фактора существования тензоров магнитной проницаемости второй, третьей и т.д. валентности и существования анизотропии тензора диэлектрической проницаемости в общем случае. Поэтому намагничивающее поле подбиралось так, чтобы в некоторой точке на оси антенны раздвоенной области элемента 1 существовала плоскость сечения, в которой образуется именно электродинамически эквивалентная огибающая профиля типа лемнискаты.

С целью уменьшения интерференционных потерь в направлении излучения другой конец элемента 1 выполнен неизлучающим, для чего создаются скосы под углом ~ 60 угл. град. к оси антенны большего угла отсечки МСВ по дисперсионной характеристике на фиг. 3, где обозначены цифрами 1, 2, 3 эпюры 1-й, 2-й, 3-ей гармоники МСВ соответственно, микрополоски преобразователя МСВ 4, -частота СВЧ-сигнала, К_х – продольное волновое число МС, К_у – поперечное волновое число МСВ, х – продольная ось антенны, у- поперечная ось антенны, (К_х, К_у) – поверхность двухмерной дисперсионной характеристики МСВ. По причине сильной гиротропии среды, а потому большого различия вектора фазовой и групповой скорости МСВ фронты ее 3 сильно искажены (см. фиг.4), где показан элемент антенны 1 из ЖИГ, 2 – вектор намагничивающего поля, 3 – линии фронта МСВ, V – вектор групповой скорости МСВ, W – вектор фазовой скорости МСВ. Поэтому наличие нелинейности приводит к нежелательной преждевременной спонтанной самофокусировке солитонов и ведет к потерям энергии, в особенности на краях раздвоенной области элемента 1 (фиг.1). Эти края выполняют функцию замедляющего волновода краевой МСВ. Поэтому для достижения максимально плоского фронта волны используется ускоряющая коррекция фазовой скорости вблизи краев элемента 1. С этой целью применялось известное свойство инвариантности проекции фазовой скорости падающей и отраженной волны на границе раздела сред, как показано на фиг.5 для линии 3 изочастотного сечения в рабочей точке по дисперсионной характеристике на фиг.3. Кроме того на фиг.5 показан элемент антенны 1 из ЖИГ, 2 – отражающая МСВ грань этого элемента, 3 -линия изочастот дисперсионной характеристики МСВ (К_х, К_у), Vl-вектор скорректированной групповой скорости V.

В соответствии с вышесказанным, ускоряющий угол скоса выбирался равным ~ 1 угл. град. к продольной оси антенны. Гиротропный элемент антенны располагается через прокладку 3 СВЧ-пьезоэлектрика над микрополосковыми преобразователями 2 (фиг. 1) СВЧ-электромагнитной энергии в магнитостатическую волну, трансформирующуюся в импульс магнитного солитона (М-солитона) гиротропного элемента, а затем – в импульс ЭМ-солитона на выходе антенны. Кроме того, на фиг.1 показаны поликоровая подложка 6, полюса намагничивающего электромагнита 7, компланарная 50-омная СВЧ-линия передачи 8, а так же условно указаны ЭМ-солитоны вакуума 9 и М-солитоны 10 ферримагнитного элемента 1.

Вторым независимым признаком изобретения является наличие именно этих микрополосковых преобразователей (МП). Принципиально необходимо, чтобы эти преобразователи СВЧ-энергии в импульс энергии магнитного солитона гиротропного элемента антенны имели конфигурации петель силовых линий первой, именно электромагнитной компоненты триединого поля ЭМ-солитона вакуума, то есть петель трилистника на фиг.6. В частности, применительно к описываемой на фиг.1 антенне, силовые линии СВЧ-магнитного поля спинов МСВ и М-солитона ортогональны по закону фарадеевской индукции СВЧ-току преобразователей МСВ 2, что практически устраняет потери при преобразовании электромагнитной волны в МСВ, а затем в ЭМ-солитон. Это достигается конструкцией МП, показанной на фиг. 2. Шаг синфазно-антифазной решетки микрополосок МП равен длине волны второй гармоники Фурье по продольной оси МСВ, когда ₂~₁/2 = 0,5 мм, как показано на фиг.3, это необходимо и для других целей, указанных ниже. Чтобы возбуждались в основном 2-я и 3-я мода в полосе частот на неэквидистантной многомодовой дисперсионной характеристике (фиг.3), шаг подрешетки микрополосок МП, образующих синфазную антенну МСВ, выбирается равным ₃ = 0,2 мм (третьей продольной гармонике МСВ). Такой способ селекции именно 3-й гармоники МСВ (а значит, и солитонов) реализовывается путем выбора толщины 0,5 мм и ширины 5 мм элемента 1 (фиг.1), что определяло расположение ветвей мод дисперсионной характеристики. На фиг.2 так же показаны компланарные 50-омная микрополосковая СВЧ-линия передачи 1, нанесенная как и микрополоски преобразователя МСВ методом ультрафиолетовой фотолитографии на поликоровой подложке 2.

Третьим независимым признаком изобретения является обязательное наличие СВЧ-пьезосегнетоэлектрика [24] , например, в виде ниобат-литиевой (LiNiO₃) монокристаллической пластинки 3 на фиг.1. Эта пластинка толщиной 25,32 мкм (кратной длине волны 0,633 мкм гиперзвука) и размером 5 х 2,5 мм размещается между этими микрополосковыми преобразователями и плоскостью ферримагнитного элемента антенны в качестве прокладки. Пластинка плотно прижимается и приклеивается к ферримагнитному элементу с зазором 0,156 мкм, согласующим импендансы равном 1/4 длины волны гиперзвука.

Описанные выше микрополосковые преобразователи используются в качестве возбудителей гиперзвуковых колебаний в ниобат-литиевой монокристаллической пластинке и железо-иттриевом гранате ферримагнитного элемента антенны, поэтому микрополоски преобразователя выполняются шириной 0,633 мкм, равной длине акустической волны в ниобат-литиевом монокристалле [9]. Микрополоски образуют фазированную решетку для этой акустической волны с шагом 12,66 мкм (примерно равным 20 длин акустических волн). Пластинка располагается точно над микрополосками преобразователя в ближней (неволновой) зоне спиновых безобменных СВЧ-колебаний антиферромагнитных подрешеток ферримагнетика ЖИГ так, чтобы выполнялись условия квазистатического возбуждения именно МСВ в ЖИГ и синхроных с ними гиперзвуковых СВЧ-колебаний кристаллической решетки ниобат-литиевой монокристаллической пластинки.

Четвертым независимым признаком изобретения является активация гиротропного элемента антенны ЭМ-солитонов путем легирования ^–-радиоактивным ферромагнитным изотопом антиферромагнитных подрешеток ферримагнетика антенны или активация гиротропного элемента путем выращивания естественно радиоактивного ферримагнетика с последующим дополнительным облучением его медленными нейтронами (с энергией порядка 1 эВ) от мини-ядерного реактора с целью усиления требуемой ^–-радиоактивности в гигантском резонансе ядерного превращения слабого естественно радиоактивного ферромагнетика (например, лантана ₅₇La¹³⁸ или лютеция ₇₁Lu¹⁷⁶) в их сильнорадиоактивные изотопы.

На фиг. 1 показана область 4 легирования ионной имплатацией ионами изотопа железа ₂₆Ре⁵⁹ поверхности ферримагнитного элемента антенны ЭМ-солитонов в области наложения микрополосковых преобразователей МСВ на ЖИГ, то есть ближней зоне для трех волновых полей триединого поля ЭМ-солитона: электромагнитной компоненты в виде спинового поля МСВ или М-солитонов, инерционно-гравитационной компоненты в виде гиперзвукового электрон-ядерного колебания антиферромагнитных подрешеток, и нейтринной компоненты, генерированной в процессе ^–-радиоактивного распада нейтронов изотопов ядер тех же самых антиферромагнитных подрешеток гиротропного элемента ЭМ-солитонной антенны. Кроме того, там же показаны области 5 легирования расдвоенных областей элемента антенны, где происходит формирование ЭМ-солитонного волнового пакета на выходе антенны. Для легирования используется искусственный изотоп железа ₂₆Fe⁵⁹ с временем полураспада 45,6 суток [9]. Радиохимическая степень разбавления (замещения) этими изотопами ионов природного железа ₂₆Fе⁵⁶ в октаэдрической антиферромагнитной подрешетке ЖИГ определяется необходимым уровнем интенсивности ^–-радиоактавного распада больше или равным 100 мКu. Однако можно не использовать внешнее легирование ЖИГ, но тогда необходимо облучать гиротропный элемент антенны медленными нейтронами с целью образования изотопов ₂₆Fе⁵⁹ внутри антиферромагнитной подрешетки ЖИГ путем превращения в гигантском резонансе на энергии 30 КэВ обыкновенного железа ₂₆Fe⁵⁶ в ₂₆Fе⁵⁹ [9], причем медленные нейтроны излучаются, например, ураном ₉₂U²³⁸ в бериллиевом замедлителе быстрых нейтронов, расположенном непосредственно под ферримагнитным элементом антенны ЭМ-солитонов.

Поскольку указанное легирование искажает кристаллическую симметрию ферримагнитного монокристалла, то затухание фотонной компоненты триединого поля резко возрастает более чем на 30 дБ, поэтому имеет смысл изготовление ферримагнитного элемента антенны из естественных ^–– радиоактивных редкоземельных элементов лантана ₅₇La¹³⁸ или лютеция ₇₁Lu¹⁷⁶ вместо нерадиоактивного иттрия в ЖИГ, то есть непосредственно выращивать монокристаллы железо-лантанового граната (ЖЛАГ) или железо-лютециевого граната (ЖЛЮГ) с уровнем радиоактивности более 100 мКюри. Такое усиление уровня ^– -pacnana можно достигнуть при резонансном захвате ядрами ₅₇La¹³⁸ или ₇₁Lu¹⁷⁶ медленных нейтронов энергий 0,3-3 эВ, излученных мини-реактором из урана в бериллиевом замедлителе, расположенном непосредственно под ферримагнитным элементом антенны ЭМ-солитонов. Элементы из ЖЛАГ или ЖЛЮГ имеют почти такую же величину намагниченности насыщения 4М_s, а значит, и рабочую сверхвысокую частоту (3-8 ГГц), что и ферримагнетик ЖИГ, но для них отпадает необходимость внешнего деструктивного легирования.

Пятый независимый признак изобретения антенны состоит в том, что для осуществления именно приемной антенны ЭМ-солитонов в ней принципиально необходимо возбуждать собственные ЭМ-солитоны от собственного СВЧ-гетеродина 3 по блок-схеме на фиг.7, где показаны приемник 1 с антенной А, передатчик 2, СВЧ-варикап 3, СВЧ-гетеродин, стробоскопический осциллограф 5, СВЧ-анализатор спектра 6, регулируемая СВЧ-линия задержки 7, квадратурный мост Ланже 8, регулируемый СВЧ-фазовращатель 9, СВЧ-ключ электронный 10, импульсный генератор 11, СВЧ-генератор 12, балансный синхродетектор 13.

Именно эти ЭМ-солитоны и им соответствующие М-солитоны гиротропной среды приемной антенны, двигаясь в ближней зоне приемной антенны навстречу или сонаправленно ЭМ-солитонам, излученным передатчиком, нелинейно интерферируют (коррелируют) с ЭМ-солитонами передатчика, изменяя свою фазу, а это изменение фазы-частоты в виде фазочастотной модуляции СВЧ-несущей собственного ЭМ-солитона детектируется радиотехнической схемой обработки информации. Для того чтобы возбуждать эти собственные ЭМ-солитоны приемной антенны, на гиротропный элемент антенны накладываются второй микрополосковый преобразователь СВЧ-электромагнитной энергии в М-солитон и вторая монокристаллическая пластина гиперзвукового преобразователя из ниобата лития, как показано на фиг.8, которые аналогичны описанным выше. Важно отметить, что в передающей антенне ЭМ-солитонов такие же вторые микрополосковые преобразователи МСВ и гиперзвука используются лишь для калибровки данной антенны в процессе ее собственной настройки.

Указанные собственные ЭМ-солитоны приемной антенны выполняют функцию вспышек суперизации (импульсной вносимой положительной обратной связи), которые затем используются в схеме сверхрегенеративного [7] приема и детектирования полезного информационного СВЧ-сигнала, переносимого ЭМ-солитонами передатчика. Более подробно этот принцип приема изложен ниже.

Принцип действия антенны ЭМ-солитонов основан на выводах теории о нелинейной связи трех полей в триединое поле ЭМ-солитона, конфигурация которого представляет собой узел трилистника на фиг.6. Электрическая и магнитная компоненты ЭМ-солитона замкнуты в три петли этого трилистника. Такая конфигурация полей обуславливает схему их генерации в антенне. Излучающая и приемная антенны ЭМ-солитонов устроены идентично и представляют собой гиротропные среды, форма которых примерно соответствует трехмерному сечению неориентированной (проективно евклидовой) геометрии RP(2n) пространства АПК ЭМ-солитона. Гиротропные элементы антенн намагничены внешним полем в соответствии с требуемой дисперсионной характеристикой магнитостатических волн. Из гармоник этих МСВ образуется солитонный пакет магнитного солитона (М-солитона) в этом элементе, а затем М-солитон генерирует ЭМ-солитон вакуума. С целью исключения побочного (в данном случае мешающего) влияния классического электромагнитного поля Максвелла (как компоненты ЭМ-солитона) для однозначной идентификации излучения именно ЭМ-солитонов антенны размещены в электромагнитных экранах, кроме того вспомогательные электронные системы возбуждения, модуляции, демодуляции, детектирования и регистрации сигналов имеют независимое (аккумуляторное) электропитание, которое так же экранируется.

В качестве гиротропного ферримагнитаого элемента антенн используются высокодобротные монокристаллы железо-иттриевого граната (ЖИГ), специальным образом выращенные, геометрически сформированные и легированные радиоактивными ферромагнитными изотопами. Первая электромагнитная компонента ЭМ-солитона материализована в элементе антенны в виде СВЧ-спиновой электронной волны, частным случаем которой является СВЧ-магнитостатическая волна. В качестве возбудителей магнитостатических волн и М-солитонов в элементах антенн используются микрополосковые преобразователи СВЧ-электромагнитной энергии, поступающей по волноводу от задающего СВЧ-генератора передатчика или СВЧ-гетеродина приемника. Конструкция МП (фиг.2) обеспечивает возбуждение МСВ на второй моде по поперечному волновому числу К_у дисперсионной характеристики на фиг.3, что исключает диссипацию энергии с безобменных мод МСВ на обменные спиновые моды через однородную спиновую прецессию и первую моду МСВ с длиной волны ₁~ 1 мм. Кроме того, важно то, что именно 2-я мода МСВ (с нулевым значением потенциала на оси антенны) соответствует эквипотенциальной поверхности ЭМ-солитона в раздвоенной области элемента 1 на фиг.1 с кривой профиля сечения в виде лемнискаты. Для работы антенны на 2-й моде МСВ обязательно должно быть выполнено условие, что шаг синфазно-антифазной решетки микрополосок МП равен длине волны второй гармонике Фурье по продольной оси МСВ, когда ₂~₁/2 = 0,5 мм, как показано на фиг.3, это необходимо и для других целей, указанных ниже. Ввиду того, что процесс генерации М-солитонов МСВ описывается нелинейным дифференциальным уравнением, содержащим третью степень СВЧ-магнитного момента гиротропной среды, нелинейный резонанс М-солитона эффективен в диапазоне частот _p на дисперсионной характеристике, в котором находится 3-я мода МСВ по поперечному волновому числу. Чтобы возбуждались в основном 2-я и 3-я мода в полосе частот на неэквидистантной многомодовой дисперсионной характеристике (фиг.3), шаг подрешетки микрополосок МП, образующих синфазную антенну МСВ, выбирается равным ₃ = 0,2 мм (третьей продольной гармонике МСВ). Такой способ селекции именно 3-й гармоники МСВ (а значит, и солитонов) реализовывается путем выбора толщины 0,5 мм и ширины 5 мм элемента 1 (фиг.1), что определяло расположение ветвей мод дисперсионной характеристики. Кроме того, возбуждение М-солитонов МСВ (и ЭМ-солитонов вакуума) осуществляется импульсным СВЧ-сигналом длительностью 6-12 нс на несущей частоте 5 ГГц или СВЧ-сигналом, который модулируется по фазе со скоростью d/dt = = 2-50 МГц и амплитудой /2. Таким образом, конструкция МП и схема возбуждения позволяет перекачивать СВЧ-энергию почти без потерь со второй моды МСВ (линейного этапа возбуждения) на 3-ю моду уже М-солитонов (и ЭМ-солитонов), на которой и осуществляется нелинейное резонансное взаимодействие гармоник Фурье МСВ в солитонах.

Эти же микрополосковые преобразователи используются в качестве индукторов гиперзвуковых колебания в СВЧ-сегнетоэлектрической монокристаллической пластинке, прижатой к ЖИГ, по своей сути такая пластинка становится открытым акустическим резонатором. В свою очередь гиперзвуковые колебания этого резонатора как акустическая антенна возбуждают гиперзвуковые волны ян-теллеровского типа коллективные колебаний ядер атомов антиферромагнитных подрешеток ферримагнетика. С одной стороны, эти электрон-вибронные волны увеличивают акустическую щель на дисперсионной характеристики МСВ, что способствует эффективному возбуждению М-солитонов в ЖИГ, а с другой – такое движение этих же ядер индуцирует СВЧ-волну инерции или эквивалентной ей (по Эйнштейну) волну гравитационного поля. Пластинка акустического резонатора располагается точно над микрополосками преобразователя в ближней (неволновой) зоне спиновых безобменных СВЧ-колебаний антиферромагнитных подрешеток ферримагнетика ЖИГ так, чтобы выполнялись условия квазистатического возбуждения именно МСВ в ЖИГ и синхроных с ними гиперзвуковых СВЧ-колебаний кристаллической решетки ниобат-литиевой монокристаллической пластинки. Благодаря эффекту Яна-Теллера движения ферромагнитных электронов и ядер в подрешетке сильно связаны, что обуславливает связь инерционно-гравитационной компоненты и электромагнитной (спиновой) компоненты в ЭМ-солитоне. Таким способом инерционно-гравитационная волна как вторая компонента триединого поля ЭМ-солитона участвует в процессе образования указанного выше триединого поля ЭМ-солитона.

С целью создания третьей компоненты единого поля ЭМ-солитона предпринимается достаточно сильное легирование гиротропного элемента антенны ^–-радиоактивными ферромагнитными изотопами, так как при этом типе распада излучается поле антинейтрино, которое, как поле крутильного сдвига эфира участвует в образовании ЭМ-солитона согласно выше приведенным солитонным уравнениям.

Третья компонента триединого поля ЭМ-солитона: антинейтринное поле, генерируется при распаде нейтронов радиоактивных изотопов ядер антиферромагнитных подрешеток ферримагнетика антенны. Именно слабое, а точнее элеетрослабое взаимодействие промежуточных Z^o, Z^{, W бозонов [23] в объеме радиусом ~10-16 см, согласно выводам теории в [8], своим упругим (электрическим) отталкиванием двух эфиров с противоположной ориентации их крутильных сдвигов стягивает области этих эфиров в единое неориентированное, но упругое пространство частицы (разновидности ЭМ-солитона), называемой электрически заряженным электроном или протоном, поэтому нейтральный, а следовательно, лабильный (нежесткий и неустойчивый) нейтрон распадается через 13 мин на протон, электрон и антинейтрино. Время такого –-распада (постоянная время выхода антинейтрино из нейтрона ядра ₂₆Fe59) порядка 10-9-10-10 с [12] соответствует выбранной полосе 1-10 ГГц частот возбуждения указанных выше магнитных солитонов преобразователями СВЧ-электромагнитной энергии 2 (фиг. 1). В этом диапозоне частот СВЧ-электромагнитного поле М-солитона эффективно взаимодействуют с низкочастотными (1-10 ГГц) модами пакета волн антинейтрино (энергией ~ 0,4 МэВ) с усилением амплитуды несущей частоты ~ 5 ГГц триединого поля ЭМ-солитона. Таким путем достигается синхронизация во времени взаимодействия этих двух компонент ЭМ-солитона. Пространственное взаимодействие становится возможным благодаря тому, что радиоактивные изотопы либо внедряются в структуру ферримагнетика и замещают обычные нерадиоактивные ядра в процессе легирования ионным имплатированием, либо входят в химическую формулу ферромагнетика непосредственно в процессе выращивания монокристалла ферримагнетика. Для цели пространственной синхронизации компонент ЭМ-солитона область легирования поверхности ферримагнитного элемента антенны совмещается с областью наложения микрополосковых преобразователей МСВ на ЖИГ, а так же с областью генерации гиперзвуковых колебаний в ниобат-литиевой пластине и, следовательно, с областью генерации электрон-ядерных колебаний в ЖИГ. То есть конструктивно совмещаются все три ближних зоны возбуждения трех волновых полей триединого поля ЭМ-солитона, состоящего из электромагнитной компоненты спинового поля М-солитона, инерционно-гравитационной компоненты гиперзвукового электрон-ядерного колебания антиферромагнитных подрешетки ЖИГ и нейтринной компоненты, генерированной в процессе –-радиоактивного распада нейтронов изотопов ядер тех же самых антиферромагнитных подрешеток гиротропного элемента ЭМ-солитонной антенны. На выходе антенны полностью сформированные ЭМ-солитоны излучаются в эфир. Причем клинообразная форма антенны на выходе ее способствует согласованию эквивалентного (для ЭМ-солитона) импенданса антенны и эфира.}

Важно отметить, что прием ЭМ-солитонов возможен точно такой же антенной, но включенной на входе премника, работающего в режиме сверхрегенератора. Таким образом антенна ЭМ-солитонов вакуума является неотъемлемой составной частью не только передатчика ЭМ-солитонов, но и приемника ЭМ-солитонов вакуума. Особенность процесса генерации и приема ЭМ-солитонов заключается в том, что эти солитоны могут существовать только в виде пространственно-временных пакетов (импульсов) энергии, что обязательно предполагает наличие импульсных схем генерации и приема, связанных с антенной.

В основе принципа действия приемника положена схема сверхрегенеративного приема [7] , где сигналом суперизации (вспышек вносимой положительной обратной связи) является собственный М-солитон (и соответственно ЭМ-солитон) гиротропного элемента антенны приемника. Блок-схема такого приемопередатчика показана на фиг.7. Указанные вспышки на частоте суперизации естественным образом соответствуют процессу зарождения М-солитона (как генератора бегущей волны) согласно критерию Лайтхилла, причем эта частота синхронна и синфазна несущей сверхвысокой частоте информационного сигнала передатчика, что достигается применением системы автоматической подстройки частоты и фазы (АПЧФ).

Естественность процесса суперизации заключается в том, что в приемной антенне именно локальная область пространства-времени собственного ЭМ-солитона (как локального генератора) вносит закритическую положительную обратную связь, существующую между инстантонами ЭМ-солитонного вакуума, в электромагнитную цепь распределенного входного колебательного контура сверхрегенератора на частоте суперизации (вспышек ЭМ-солитона). Физически эта цепь существует в элементе антенны лишь в объеме бегущего М-солитона, материализующего схему устройства сверхрегенератора в полосе частот фликкер-шума этого солитона. В приемной антенне осуществляется фазовое (но инвариантное относительно солитонной калибровки) взаимодействие в виде нелинейной мнимоединичной (винтовой) интерференции ЭМ-солитона, излученного передатчиком, и М-солитона приемника в проекции на 4-мерное пространство-время. Это взаимодействие (или корреляция) обусловлено так называемым квантовым туннелированием нулевых мод (или инстантонов) в форме фликкер-шумов этих солитонов. Наблюдаемым эффектом такого действия является сдвиг частот собственных энергетических уровней солитона приемника (типа лэмбовского сдвига уровней электрона в атоме), а после интегрирования становится наблюдаемым сдвигом фаз, который регистрируется фазовым детектором. В приемнике несущая частота СВЧ сигнала нелинейно восстанавливается по квадратурной схеме Гарднера, а затем фазомодулированный сигнал передатчика синхронно детектируется на балансном детекторе. Сигнал на выходе детектора пропорционален интегральному сдвигу фазы собственного ЭМ-солитона приемника после его нелинейного взаимодействия с ЭМ-солитоном, излученным передатчиком. Таким образом ЭМ-солитоны одновременно выполняют функцию передатчика, носителя и приемника информации. При этом блоки приемника и передатчика каждый в отдельности должны быть электростатически, магнитостатически и электромагнитно экранированы не хуже 200 дБ по электромагнитному полю Максвелла. Что говорит о передаче сигнала между передатчиком и приемником с помощью иной физической сущности в виде ЭМ-солитона вакуума.

Прелагаемая антенна ЭМ-солитонов вакуума иллюстрируется на фиг.1-7.

На фиг.1 показан общий вид конструкции антенны ЭМ-солитонов.

На фиг. 2 – конструкция микрополосковых преобразователей СВЧ-энергии в магнитостатическую волну и гиперзвуковую волну в ЖИГ.

На фиг.3 – двухмерная дисперсионная характеристика МСВ.

На фиг.4 – конфигурация волновых фронтов МСВ.

На фиг.5 – схема коррекции вектора групповой скорости МСВ.

На фиг.6 – конфигурация петель трилистника триединого поля ЭМ-солитона.

Предлагаемое изобретение как излучатель и приемник именно ЭМ-солитонов вакуума не имеет достоверных аналогов в мировой науке и технике. Поэтому подтвержением осуществимости изобретения могут быть лишь эксперименты и устройства, генерирующие фотоны-солитоны (как частная разновидность ЭМ-солитонов) в нелинейных оптических средах [13], магнитные солитоны в гиротропных средах [14], а так же эксперименты с нейтрино от ядерных реакторов и космического происхождения. Кроме того, существуют теоретические и экспериментальные работы автора изобретения, описывающие различные частные и общие аспекты проблемы существования ЭМ-солитонов, которые докладывались на научных семинарах по синергетике в МГУ [15], МИФИ и конференциях различного уровня [16]. Типичные отзывы известных физиков по этой проблематике прикладываются к данной заявке.

Общественно полезная значимость данного изобретения состоит в том, что оно позволяет генерировать новую физическую сущность называемую ЭМ-солитонами вакуума. Указанные солитоны расширяют возможности человеческой деятельности.

На базе антенны ЭМ-солитонов вакуума могут быть созданы приемопередатчики для целей радиосвязи, радиолокации, космических радиотелескопов, систем СВЧ-нагрева высокотемпературной термоядерной плазмы, систем локации сигналов физического и биофизического происхождения с медицинскими целями, а так же систем дистанционного воздействия на живые клетки человека с лечебными целями. Некоторые результаты экспериментов с приемопередатчиками ЭМ-солитонов описаны в [17].

Состояние дел по изучению данной проблемы следующее. В России до 1991 г. велись теоретические и экспериментальные работы в Центральном научно-исследовательском институте радиоприборов (ЦНИИРП) по обнаружению солитонов вакуума, так называемых электромагнитных пуль, – снарядов, – ракет, – импульсных пакетов. Результаты этих исследований ЦНИИРП опубликованы в [18].

Результаты экспериментальных работ Томского государственного университета по обнаружению продольных фотонов, то есть нулевых мод электромагнитных солитонов как инстантонов, опубликованы в [19].

Аналогичные работы проводились в Ливерморской лаборатории им. Лоуренса, в Политехническом институте Вирджинии и Государственном университете Блэксбурга США [21-22].

Список литературы
1. Авдеев С.М., Бей Н.А., Морозов А.Н. Линзовые антенны с электрически управляемыми диаграммами направленности. М.: Радио и Связь, 1987, с.103.

2. Авторское свидетельство СССР 1555735 А1, Н 01 Q 1/38, опубл. 1987.

3. Никольский В.В. Вариационные методы для внутренних задач электродинамики. М.: Наука, 1967.

4. Смелев М.В. Разработка и исследование преобразователей магнитостатических волн для приборов с малыми потерями на СВЧ. Диссертация. ИРЭ АН СССР, 1988.

5. Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. М.: Атомиздат, 1972
6. Смелов М.В. Физическая мысль России. М-: МГУ. 1/2,1999, с.61.

7. Сверхрегенераторы. Под ред. Белкина М.К. М.: Радио и связь, 1983.

8. Смелов M.B. Физическая мысль России- М.: МГУ, 3,2000, с.62.

9. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат, 1976, с.775.

10. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат. 1976, с.830.

11. Таблицы физических величин. Справочник. Под ред. Кикоина И.К. М.: Атомиздат. 1976,с. 917.

12. Яворский Б.М., Детлаф A.А. Справочник по физике. М: Наука, 1968, с. 867.

13. Сухоруков А.П. Нелинейные волновые взаимодействия в оптике и радиофизике. М.: Наука, 1988.

14. Косевич A. M. Динамические и топологические солитоны в ферромагнетиках и антиферромагнетиках. Харьков, 1983.

15. Смелов М.В. Синергетика. Труды семинара. М.: МГУ, 2001, с.130.

16. Смелов М.В. Электромагнитные солитоны вакуума. IV Международная научно–техническая конференция (4МНТК) “Антенно-фидерные устройства, системы и средства связи”. Сб. трудов., Воронеж, 1990. – Воронеж: КБ АФУ, 1999, CD, RUS (ISBN-85455-006-9), с.425-494.

17. Смелов М.В. Физическая Мысль России. М.: МГУ, 1,2001, с.38
18. Научный отчет 02910053391 от 12.03.1992г. Всесоюзного научно-информационного центра (ВТИЦ), Москва.

19. Радиотехника и электроника. РАН, 1998, т. 43, 1, с. 5-7.

20. Рис М., Руффини Р., Уилер Дж., Черные дыры, гравитационные волны и космология. М.: Мир, 1977. с.337.

21. Shaarawi A.M., Besieries I.M., Ziolkowski R.W., “A nondispersive wave packet representation of photons and wave-particle duality of light”, UCRL-101694, Lawrence Livermor National Laboratory, Livermore, CA, 1989.

22. Ziolkowski R.W., Besieries I.M, Shaarawi A.M., “Localized Wave Representation of Acoustic and Electromagnetic Radiation”, Proc. IEEE, p.1-10 (1991).

23. Физическая энциклопедия. Т.4. М.: Изд. “Большая Российская Энциклопедия”, 1994, с.552.

24. Кайно Г. Акустические волны. М.: Мир, 1990.

Формула изобретения

Антенна электромагнитных солитонов, содержащая гиротропный элемент с преобразователями СВЧ-электромагнитной энергии, отличающаяся тем, что форма поверхности гиротропного элемента в плоскости сечения, перпендикулярной продольной оси антенны, соответствует кривой четвертого порядка, гиротропный элемент расположен через монокристаллическую прокладку СВЧ-пьезосегнетоэлектрика над первыми и вторыми микрополосковыми преобразователями СВЧ-электромагнитной энергии в магнитостатическую волну, при этом гиротропный элемент легирован ^–-радиоактивным ферромагнитным изотопом.

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 10.01.2008

Извещение опубликовано: 20.09.2009 БИ: 26/2009