МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1996 года по МПК H02N11/00 

В 1951 году академик А.Д.Сахаров предложил идею магнитокумулятивного способа получения сверхсильных магнитных полей [1] преобразования энергии взрыва химического или атомного в энергию магнитного поля. Тем самым была открыта новая область техники техника получения сверхсильных магнитных полей методом магнитной кумуляции, область применения которой часть физики высоких плотностей энергии, а именно мегагауссная физика, основным содержанием которой в настоящее время является изучение свойств вещества в экстремальных условиях.

Источником магнитных полей более 2 МГс для таких исследований является описанный там же магнитокумулятивный (взрывомагнитный) генератор МК-1, состоящий из металлической цилиндрической оболочки, окруженной кольцевым зарядом взрывчатого вещества, в полости которой создается поток аксиального магнитного поля. При быстром взрывном сжатии оболочки к центру магнитный поток в полости сохраняется, а магнитное поле в полости растет обратно пропорционально квадрату радиуса полости. Взрывные эксперименты с генераторами МК-1 показали возможность получения многомегагауссных магнитных полей, но при значениях полей более 4 5 МГс резко падала воспроизводимость результатов экспериментов. Авторами было экспериментально показано, что главным фактором, ограничивающим величину воспроизводимо получаемых полей, является развитие неустойчивостей границы вещество магнитное поле [2]
В качестве прототипа выбран магнитокумулятивный генератор сверхсильных магнитных полей типа МК-1, cодержащий источник аксиального магнитного поля, цилиндрическую оболочку и средство ее сжатия. В этом генераторе оболочка выполнена из склеенных между собой изолированных медных проволочек, расположенных вдоль его образующей концентрическими слоями. Такая конструкция цилиндра обладает следующими свойствами, обеспечивающими его функционирование в качестве оболочки генератора МК-1: в исходном состоянии у материала цилиндра отсутствует электропроводность в азимутальном направлении и он свободно пропускает внутрь поток аксиального магнитного поля, создаваемый и сжимаемый внешней оболочкой (предыдущим каскадом) генератора МК-1 при схлопывании ее к центру под действием давления продуктов взрыва заряда ВВ. Далее при ударе по цилиндру подлетевшего предыдущего каскада проволочки цилиндра замыкаются, возникает проводимость в азимутальном направлении, цилиндр захватывает магнитный поток в своей полости и при последующем схлопывании к центру сжимает магнитный поток, усиливая тем самым магнитное поле.

Использование подобных оболочек привело к развитию каскадного принципа усиления магнитного поля [3] позволившего получать рекордно большие значения конечного магнитного поля и их воспроизводимость. Каскадирование уменьшает градиент магнитного поля по толщине оболочки и определяемые им нагрев вещества оболочки и давление магнитного поля на границу вещество магнитное поле; кроме того, разогретое вещество предыдущего каскада заменяется холодным следующего и уменьшается время на развитие неустойчивостей все это в совокупности приводит к стабилизации процесса сжатия магнитного потока [4]
Недостатки конструкции генератора-прототипа:
1) различные применения генератора МК-1, различные режимы его работы вызывают необходимость изменения и оптимизации размеров каскадов для каждого конкретного случая, однако достаточно сложная технология изготовления проволочных каскадов требует значительного количества ручного труда и сложной оснастки, изменение которой при изменении размеров каскада требует больших затрат.

2) Полная масса проволочного каскада регулируется только изменением его толщины, а плотность вещества каскада, определяемая плотностью упаковки проволочек, является строго фиксированной величиной в диапазоне 5,2 6,2 г/куб. см (в зависимости от размеров каскада и диаметра проволочек).

Эти свойства проволочного каскада ограничивают или препятствуют вообще реализации возможности достижения максимальных магнитных полей в генераторе МК-1, требующей увеличения кинетической энергии оболочки и ее плотности.

Решение поставленной технической задачи увеличение максимального магнитного поля генератора МК-1 заключается в увеличении энергетики системы сжатия магнитного потока. Для такого увеличения энергетики необходимо увеличить скорость схлопывания оболочки генератора МК-1, что при одном и том же заряде ВВ достигается увеличением эффективности передачи кинетической энергии от заряда ВВ оболочке и от каскада каскаду, а для этого нужны тонкие, но массивные (с большой плотностью вещества) оболочки. Как отмечено в книге Г. Кнопфеля (Г. Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. М. Мир. 1972, с. 239), в связи с конечной скоростью ударной волны только часть кинетической энергии оболочки преобразуется в энергию магнитного поля, что можно учесть введением эффективной толщины оболочки. Так как скорость звука в разных металлах практически одинакова, при одинаковой эффективной толщине оболочки большие поля достигаются в генераторе с оболочкой из металла с большей начальной плотностью вещества (там же, с. 240). Кроме того, увеличение скорости оболочки можно получить чередованием оболочек разной плотности вещества и/или многослойным строением оболочки из веществ разной плотности.

Однако при таких заменах металла оболочки для того, чтобы достичь увеличения максимального магнитного поля магнитокумулятивного генератора МК-1 каскадированием, новая конструкция оболочки генератора МК-1 должна обеспечить необходимое свойство изменяющейся в процессе работы генератора электропроводности. Указанная цель достигается изготовлением оболочки из композиционного материала на основе мелкодисперсных порошков металлов и диэлектрика, который одновременно может играть роль образующей компоненты. Соотношение компонент смеси определяет как величину плотности вещества в исходном состоянии, так и начальное значение электропроводности и ее поведение при ударном сжатии, и слабо влияет на плотность вещества каскада в ударносжатом состоянии, в основном определяемую плотностью вещества металла.

Существенно необходимое для функционирования генератора изменение величины электропроводности оболочки от неподвижного исходного состояния к сжатому после прохождения ударной волны состоянию должно быть осуществлено в границах большого диапазона ее абсолютных значений. Необходимый для успешного функционирования в качестве материала каскада диапазон значений его электропроводности определяется следующим образом. В исходном состоянии, когда цилиндр-каскад должен как можно свободнее пропускать внутрь своей полости магнитный поток, толщина скин-слоя магнитного потока должна в несколько раз превышать толщину оболочки. Это означает, что его вещество должно иметь электропроводность примерно на пять порядков и более хуже металлической, т. е. около 1 (Ом•cм)^-1 и менее. Тогда толщина скин-слоя даже при достижении эффективной частоты изменения магнитного поля в несколько мегагерц (для глубоко лежащих каскадов, сжимающих усиленное до нескольких мегагаусс предыдущими каскадами магнитное поле), будет более 1 см, что в несколько раз более начальной толщины оболочки. В этом случае магнитный поток свободно диффундирует сквозь оболочку, нагрев вещества оболочки и давление магнитного поля на оболочку, определяемые квадратом разности магнитных полей снаружи и внутри оболочки, незначительны. А после удара вещество каскада должно иметь электропроводность не более, чем на два порядка хуже медной, т. е. более 5•10³ (Ом•см^-1), для того, чтобы эффективно сжимать магнитный поток тогда толщина скин-слоя магнитного потока будет составлять десятые доли миллиметра и менее, что в несколько раз меньше обычных толщин оболочек 2 5 мм.

На фиг. приведен схематический разрез магнитокумулятивного генератора сверхсильных магнитных полей МК-1, содержащего одну или более коаксиально расположенных цилиндрических оболочек 1, источник начального магнитного поля 2 и средство сжатия оболочек 3. В исходном состоянии оболочки 1 свободно пропускают внутрь себя магнитный поток начального магнитного поля, создаваемого источником начального поля 2. В момент максимума начального магнитного поля средство сжатия оболочек 3 ударяет по первой из оболочек 1 (наибольшего диаметра), материал оболочки приобретает проводимость, оболочка захватывает магнитный поток и сжимает его вплоть до удара по следующей оболочке, когда уже та становится приводящей и продолжает процесс усиления магнитного поля.

Предложенное техническое решение испытывалось в каскадном магнитокумулятивном генераторе, содержащем две коаксиально расположенные цилиндрические оболочки 1, соленоид-оболочку 2, создающую начальный магнитный поток и являющуюся первым каскадом усиления магнитного поля, и кольцевой заряд ВВ 3, давление продукта взрыва которого сжимает последовательно сначала соленоид-оболочку (первый каскад), затем вторую цилиндрическую оболочку-каскад и, наконец, третью оболочку. В проведенных испытаниях один либо оба внутренних каскада генератора были изготовлены не из проволочек, а из вольфрамсодержащего пресс-материала, состоящего из вольфрамового порошка с диаметром частиц менее 100 мкм и полимерной матрицы из пропилена. Если решается задача простого увеличения энергетики системы сжатия, то металлическая компонента композита должна быть металлом с большой плотностью вещества типа тантала, вольфрама и т. п. Если же реализуется возможность увеличения скорости схлопывания оболочки чередованием оболочек различной плотности, тогда в композите одной оболочки металлом может быть легкий металл типа алюминия или титана, а в другой опять же тяжелый металл. Диэлектрическая компонента композита определяется главным образом технологическими соображениями, лишь бы это был в несжатом состоянии диэлектрик.

Испытания проводились при двух разных начальных значениях плотности испытывавшегося вещества: 7 г/куб. см в этом случае объемное соотношение металл-изолятор менее 1 3, а электропроводность материала 0,2 0,05 (Ом•cм)^-1 и 10 г/куб. см объемное соотношение более 1 2, электропроводность 0,7 1 (Ом•см)^-1. Прямые измерения электропроводности композита в ударно-сжатом состоянии не проводились из-за отсутствия в мировой практике надежных методик измерения. Но зарегистрированные в экспериментах сигналы датчиков индукционной и оптической методик, измеряющих магнитное поле и его производную, свидетельствуют об отсутствии значительных потерь магнитного потока, следовательно о достаточно высокой проводимости сжатого материала. Замена проволочек на вольфрамовый полимерный материал позволила на 50 100 увеличить начальную массу каскада при сохранении его толщины, увеличить тем самым эффективность передачи кинетической энергии каскаду и достичь увеличения конечного поля генератора с примерно 9 МГс до примерно 11 МГс, демонстрируя работоспособность предложенной конструкции и реализацию поставленной цели.

Использование: в технике получения сверхсильных импульсных магнитных полей. Сущность изобретения: магнитокумулятивный генератор содержит одну или несколько коаксиальных цилиндрических оболочек, средство для создания начального магнитного истока в их полости и средство сжатия оболочек. Оболочки выполнены из композиционного материала на основе металлического поршня и диэлектрика с начальной электропроводностью менее 1 (Ом•см)^-1, а в ударном состоянии электропроводность материала должна быть более 5•10³ (Ом•см)^-1. 1 ил.

Магнитокумулятивный генератор, содержащий одну или несколько коаксиальных цилиндрических оболочек и средства создания начального магнитного поля и сжатия оболочек, отличающийся тем, что оболочки изготовлены из композиционного материала на основе порошка металла и диэлектрика с изменяющейся под действием ударной волны проводимостью от начального значения меньше 1 Ом • см^-1 до значения больше 5 • 10³ Ом • см^-1.