ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H03K3/53 

Изобретение относится к устройствам для получения сверхмощных электромагнитных излучений (ЭМИ) и может использоваться для магниторазведки полезных ископаемых.

Известно устройство для создания импульсного магнитного поля в большом объеме, содержащее взрывомагнитный генератор и секционированный индуктивный виток. Секции индуктивного витка включены последовательно с взрывомагнитным генератором (ВМГ) и параллельно друг другу. ВМГ имеет заряд взрывчатого вещества (ВВ), расположенный в металлической трубе, вокруг которой размещена спиральная катушка индуктивности. При разряде источника питания конденсаторной батареи на спиральную катушку индуктивности и детонации заряда ВВ у одного конца (начала) трубы последняя расширяется таким образом, что постепенно вступает в контакт и выводит витки спиральной катушки. Электрическая цепь ВМГ постепенно закорачивается (уменьшается его индуктивность), а магнитный поток, захваченный катушкой ВМГ, вытесняется в отдельные секции сектора индуктивного витка с соответствующим возрастанием тока и магнитной энергии. В результате внутри индуктивного витка радиусом R 20 м, числом секций секторов m 30 и результирующей индуктивностью L_в L_о/30194/30 0,21 мкГн создается импульсное магнитное поле с индукцией B_z 100 Тл и энергией Е_м 10 МДж.

Недостатком данного взрывного устройства является низкий частотный спектр магнитного поля f ≅ 10 кГц, обусловленный большим временем работы ВМГ t_р ≈250 мкс.

Цель изобретения расширение области применения генератора путем повышения стабильности и мощности электромагнитного излучения и расширения его частотного диапазона.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема генератора электромагнитного излучения (ЭМИ) с периферийным расположением взрывающихся проволочек и конденсаторов и с взрывомагнитным генератором в качестве импульсного источника питания; на фиг.2 и 3 показаны пример генератора ЭМИ с радиальным расположением взрывающихся проволочек и конденсаторов и конструкция одной секции индуктивного витка соответственно; на фиг.4 и 5 расчетные осциллограммы тока в секциях индуктивного витка до взрыва и после взрыва проволочек при использовании в качестве импульсного источника питания взрывомагнитного генератора.

Генератор электромагнитного излучения содержит последовательно соединенные импульсный источник 1 питания и секционированный индуктивный виток 2 с разрушаемым проводником 3 в каждой секции. Кроме того, в каждую секцию индуктивного витка 2 дополнительно введен по меньшей мере один конденсатор 4, включенный параллельно разрушаемому проводнику 3.

Секции индуктивного витка 2 включены параллельно друг другу и распределены на плоскости по типу рамочной антенны "лист клевера".

Разрушаемые проводники 3 взрывающиеся под действием электрического тока медные или алюминиевые проволочки установлены на периферии или по радиусам (фиг.2) каждой секции индуктивного витка 2.

Импульсный источник питания представляет собой взрывомагнитный генератор тока или генератор импульсный напряжений (ГИН) Аркадьева-Маркса. При использовании ВМГ он располагается в центре или вдоль оси индуктивного витка и его наружная цилиндрическая спираль соединяется при помощи высоковольтных коаксиальных кабелей с началами секций индуктивного витка, а центральная труба с концами секций индуктивного витка. При использовании ГИН Аркадьева-Маркса, характеризующегося более быстрым выводом энергии и большим напряжением в разряде, индуктивный виток приподнимается над землей и относится в сторону от ГИН.

Число взрывающихся проволочек n_пр в каждой секции индуктивного витка и их поперечное сечение S_пр выбираются из соотношения
n2пр

Конденсаторы 4 могут соединяться друг с другом последовательно, параллельно или последовательно-параллельно. При последовательном соединении конденсаторов их число n_к, емкость отдельного конденсатора С₁и напряжение на отдельном конденсаторе в каждой секции индуктивного витка выбираются из двух условий
и , где L_с и I_с индуктивность и ток секции индуктивного витка;
ω частота электромагнитного излучения.

Генератор ЭМИ работает следующим образом.

Вначале к последовательному контуру, образованному взрывомагнитным генератором 1 и индуктивным витком 2, подключают источник запитки конденсаторную батарею. В контуре начинает течь ток и накапливается начальный магнитный поток. Затем в момент максимума тока запитки с помощью электродетонатора подрывается бризантное взрывчатое вещество. Под действием давления продуктов взрыва центральная труба ВМГ расширяется (приобретает форму конуса) и соединяется с началом наружной цилиндрической спирали. По мере дальнейшего расширения центральной трубы точка контакта трубы со спиралью перемещается вдоль последней, уменьшая ее индуктивность, сжимая магнитный поток и вытесняя его в секционированный индуктивный виток. При этом в соответствии с законом сохранения магнитного потока ток и магнитная энергия в индуктивном витке возрастают во много раз по сравнению с током и энергией запитки ВМГ (фиг. 4). Незадолго до окончания работы ВМГ интеграл тока, протекающего по тонким радиальным или периферийным проволочкам 3 каждой секции индуктивного витка, сравнивается с интегралом испарения и тонкие проволочки 3 взрываются.

Большое активное сопротивление взорвавшихся проволочек 3 заставляет электрические токи секций индуктивного витка переключиться на параллельные им цепочки импульсных конденсаторов 4 и начинается процесс зарядки импульсных конденсаторов превращения энергии магнитного поля секций витка в энергию электрического поля конденсаторов.

Так как контур генератора ЭМИ остается при этом закороченным (центральная труба ВМГ продолжает контактировать с наружной спиралью, а взорвавшиеся проволочки шунтируются цепочками конденсаторов), то дальше происходит периодический обмен энергией между цепочками конденсаторов и индуктивностями секций витка. Ток в секциях индуктивного витка становится практически синусоидальным (фиг.5). Угловая частота колебаний электрического тока в секциях индуктивного виткаω 1/, длительность колебаний τ L_c/(R_c i_г/m_c), где L_c, C_c и R_с индуктивность, емкость и активное сопротивление секции витка; i_г отрицательное генераторное сопротивление ВМГ на финишной стадии его работы; m_c число секций индуктивного витка.

Указанный высокочастотный ток, протекая по периферии индуктивного витка, создает на оси витка вертикальное магнитное поле напряженностью H_z ≠ I_c·a²/(a² + Z²)^3/2, а по периметру витка азимутальное электрическое поле напряженностью E_Φ m_c U_c / ( 2 π a ). Вдали от витка (в волновой зоне r > 5 λ) электромагнитное поле определяется выражениями
E sin θ•
H_θ E_Φ/377 где I_с и U_с ток и напряжение в секции индуктивного витка;
а радиус индуктивного витка;
μ_о магнитная проницаемость воздуха;
ω₁ K ω/c и λ 2 π c / ω круговая частота, волновое число и длина волны электромагнитного поля;
С скорость света;
Z, r расстояние от центра индуктивного витка до точки наблюдения поля;
θ угол между осью витка и направлением в точку наблюдения поля.

Использование: магниторазведка полезных ископаемых. Цель: повышение стабильности и мощности и расширение частотного диапазона генератора. Генератор электромагнитного излучения содержит импульсный источник питания в виде взрывомагнитного генератора и индуктивный виток, разделенный на несколько секций. Периферийные участки каждой секции индуктивного витка выполнены из одной или нескольких взрывающихся проволочек. Параллельно взрывающимся проволочкам подключены импульсные конденсаторы. 5 ил.

ГЕНЕРАТОР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, содержащий последовательно соединенные импульсный источник питания и секционированный индуктивный виток, отличающийся тем, что, с целью расширения области применения генератора путем повышения стабильности мощности электромагнитного излучения и расширения его частотного диапазона, каждая секция индуктивного витка содержит электрически разрушаемый проводник и по меньшей мере один конденсатор, включенный параллельно электрически разрушаемому проводнику.