БАЛЛИСТИЧЕСКИЙ МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР ИМПУЛЬСОВ Российский патент 1997 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к импульсной технике, в частности, к магнитокумулятивным генераторам импульсных магнитных полей, действие которых основано на сжатии магнитного потока, и может быть использовано для запитки высокоскоростных ускорителей масс, для геофизических исследований и различных технологических применений, а также в экспериментальной физике в качестве мощного источника тока и магнитного поля.

История проблемы генерирования сильных и сверхсильных магнитных полей насчитывает несколько десятилетий. Первые эксперименты с магнитными полями были проведены П.Л. Капицей в конце 20-х годов ( Сильные и сверхсильные магнитные поля и их применения. М. Мир, 1988, с.225). П.Л. Капица использовал мотор-генератор с маховиком мощностью 100 МВт, который обеспечивал формирование на нагрузке импульса длительностью 10 мкс. Масса установки составляла более 85000 кг.

Развитие техники применения мощных взрывчатых веществ и сильноточных электрических разрядов привело к существенному прогрессу в создании магнитокумулятивных генераторов для формирования мощных магнитных полей. Первые установки такого рода были разработаны в СССР в начале 50-х годов, хотя публикации о них стали возможны значительно позднее (А.Д. Сахаров. Успехи физических наук. 1966 г. т.88, с.725). Эти установки относятся к классу цилиндрических взрывомагнитных генераторов, действие которых основано на усилении азимутального магнитного поля.

Известен, например, цилиндрический взрывомагнитный генератор, содержащий металлический цилиндр с продольной щелью (Д. Паркинсон, Б. Малхолл. Получение сильных магнитных полей. М. Атомиздат, 1971, с.183, рис.8.14). На цилиндр вплотную намотана катушка, подсоединенная к конденсаторной батарее. Металлический цилиндр с катушкой охвачен оболочкой из взрывчатого вещества. Когда ток разряда конденсаторной батареи на катушку достигает максимума, взрывчатое вещество подрывается и происходит сжатие цилиндра. При этом щель замыкается и захваченный магнитный поток сжимается вместе с цилиндром. Достоинством взрывомагнитных генераторов такого типа является чрезвычайно высокая плотность магнитной энергии на оси при достаточно однородном осевом сжатии и простота конструкции. Однако такой генератор является генератором только магнитного поля и не является генератором тока, поскольку азимутальный ток в цилиндре замкнут на себя и не может передаваться в нагрузку.

Известны взрывомагнитные генераторы коаксиального и плоского типов, а также спирального типа, являющиеся разновидностью коаксиального, обеспечивающие одновременно генерацию как магнитного поля, так и тока, в некоторой (обычно малоиндуктивной) нагрузке.

Коаксиальный взрывомагнитный генератор представляет собой коаксиальную систему из двух металлических цилиндров, по которым протекает аксиальный ток (Г. Кнопфель. Сверхсильные магнитные поля. М. Мир, 1972, с.189). Компрессия может достигаться при подрыве как внутреннего цилиндра, так и внешнего. В первом случае взрывчатое вещество заполняет внутренний цилиндр, во втором случае цилиндрический слой взрывчатого вещества охватывает внешний металлический цилиндр. В зависимости от геометрии используется осевое или радиальное сжатие или их комбинация. В случае чисто радиального сжатия работа коаксиального взрывомагнитного генератора мало чем отличается от работы цилиндрического взрывомагнитного генератора и характеризуется достаточно малой длительностью импульса (0,01-10 мкс). В этом случае нет необходимости в обеспечении токового контакта между цилиндрами за исключением концов цилиндров, которые должны в течение всего времени сжатия быть закороченными либо соединенными через нагрузку. Отсутствие движущихся контактных зон является значительным преимуществом цилиндрических и коаксиальных взрывомагнитных генераторов перед взрывомагнитными генераторами других типов. Однако малая длительность импульса ограничивает область применения таких генераторов, поскольку для ряда задач (например, запитка линейных ускорителей масс, создание электрических разрядов в лазерах и др.) требуется значительно большее время вывода энергии и тока в нагрузку. Увеличение длительности импульса за счет увеличения радиальных либо осевых размеров возможно лишь в незначительных пределах, так как создание однородно расширяющейся детонационной цилиндрической волны во взрывомагнитных генератора больших размеров практически неосуществимо.

Увеличение общей энергии системы путем увеличения ее линейных размеров, а также увеличение длительности импульса до 100 мкс и более возможно в системах с продольным перемещением металлического контакта за счет скользящей детонации в полосковых и спиральных взрывомагнитных генераторах.

Полосковый взрывомагнитный генератор представляет собой систему двух металлических шин, параллельных или расположенных под углом друг к другу (см. например, кн. Сверхсильные магнитные поля. Под ред. В.М. Титова и Г.А. Швецова. М. Наука, 1984, с.283). На одной из шин расположен слой взрывчатого вещества, при подрыве которого с одного конца возникает фронт скользящей детонации. Под действием давления продуктов детонации эта металлическая шина изгибается и контактирует с другой шиной. Такие генераторы могут иметь длину в несколько метров, однако эффективность использования взрывчатого вещества в них достаточно низка, поскольку большая часть энергии взрывчатого вещества (более половины) уходит в воздушную ударную волну. Магнитная энергия на единицу длины генератора также незначительна, так как она определяется сравнительно малой величиной (менее 1 мкГн/м) величиной погонной индуктивности системы двух металлических шин.

Спиральный взрывомагнитный генератор, являющийся модификацией коаксиального, содержит металлический цилиндр, который является внутренним проводником и заполнен взрывчатым веществом. От обычных коаксиальных генераторов он отличается спиральной намоткой внешнего проводника, что обеспечивает большую индуктивность системы. При инициировании детонации с одного из концов магнитный поток сжимается расширяющимся внутренним проводником. Вследствие большой собственной индуктивности такие генераторы характеризуются рекордными значениями (среди других взрывомагнитных генераторов) коэффициента усиления энергии до 100-1000 (Г. Кнопфель. Сверхсильные магнитные поля. М. Мир, 1972, с. 221). Однако в спиральных генераторах осуществление надежного скользящего контакта является более сложной задачей, чем в обычных коаксиальных или плоских взрывомагнитных генераторах. Это объясняется тем, что эффективный угол контакта между расширяющимся внутренним проводником и спиральным наружным весьма мал, а распределение тока в области линии контакта имеет сложный характер. Неидеальность контакта приводит к потерям магнитного потока, которые составляют, как правило, приблизительно 50% в то время как в полосковых генераторах потери составляют менее 20% (C.M. Fowler. "Explosive flux-compression strip generator" в кн. Сверхсильные магнитные поля. Под ред. В.М. Титова и Г.А. Швецова. М. Наука, 1984, с.288). Максимальная длительность импульса известных полосковых и спиральных взрывомагнитных генераторов не превышает 1 мс.

Общим недостатком взрывомагнитных магнитокумулятивных генераторов является то, что они принципиально являются генераторами одноразового действия.

Известны баллистические магнитокумулятивные генераторы, в которых первичным источником энергии является не взрывчатое вещество, а кинетическая энергия поршня (снаряда), приводимого в движение с помощью баллистической установки.

В кн. Г. Кнопфеля (Сверхсильные магнитные поля. М. Мир, 1972, с.224) описан принцип работы генератора такого типа, в соответствии с которым поршень (снаряд), пролетая внутри витка с током, "выжимает" часть магнитного потока в нагрузку. В таком генераторе нет проблем с обеспечением контакта между проводниками, так как поршень не является частью основной цепи тока. Вместе с тем коэффициент преобразования кинетической энергии поршня в магнитную энергию контура чрезвычайно мал немее 1% Кроме того, вывод энергии от совокупности таких индуктивных витков в общую нагрузку возможен лишь с применением быстродействующих коммутаторов.

Ближайшим аналогом разработанного генератора является баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов, известный по R.H. Barlett, H.T. Takemori, J.B. Chase в кн. Сверхсильные магнитные поля. Под ред. В.М. Титова и Г.А. Швецова. М. Наука, 1984, с.265-269. Генератор содержит металлический корпус, выполненный в виде дульной части баллистической установки, и токоведущую систему, включающую два соединенных с нагрузкой коаксиальных токоведущих элемента. Дульная часть баллистической установки выполняет функцию первого токоведущего элемента, а второй токоведущий элемент размещен на оси дульной части. Генератор содержит также источник начального возбуждения, соединенный через токоподводящие элементы с соответствующими токоведущими элементами. Первый токоподводящий элемент размещен вне рабочего объема генератора, а второй частично внутри рабочего объема генератора. Генератор содержит контактный элемент, выполненный в виде металлического поршня и установленный в казенной части баллистической установки с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме генератора. Форма и размеры поперечного сечения поршня согласованы с формой и размерами поперечного сечения рабочего объема генератора, при этом поршень снабжен осевым отверстием, диаметр которого согласован с наружным диаметром второго токоведущего элемента, а наружный диаметр поршня согласован с внутренним диаметром корпуса. Достоинством генератора является достаточно большой ток в нагрузке (приблизительно 8 МА). Кроме того, обеспечивается хорошее качество контакта между поршнем и токоведущими элементами.

Недостатком генератора ближайшего аналога является то, что он подвержен частичному разрушению. В этом генераторе разрушается токоподводящий элемент, обеспечивающий подвод тока к внутреннему токоведущему элементу, а также токоведущая перемычка на выходе генератора. Разрыв этих элементов происходит при соударении с ними пролетающего поршня. Коэффициент усиления составляет не более 10, а длительность импульса ограничена допустимой длиной внутреннего токоведущего элемента по условиям устойчивости этого элемента как консоли. В результате получение импульсов длительностью более 1 мс в таком генераторе представляет собой значительную проблему. Растяжение импульса за счет уменьшения скорости поршня неэффективно, так как одновременно падает коэффициент усиления. Кроме того указанные значения тока и коэффициента усиления обеспечиваются только при работе на малоиндуктивную нагрузку (менее 100 нГн). Очевидно также, что генератор, являющийся ближайшим аналогом, и тем более генераторы взрывомагнитного типа обеспечивают формирование лишь одиночных импульсов и не позволяют формировать последовательность импульсов с малым (порядка 10 с) интервалом между импульсами.

Однако проблемы создания генераторов для формирования импульсов большой амплитуды (более 1 МА) и существенно большей длительности (более 1 мс) при значительном (более 10) коэффициенте усиления тока и энергии магнитного поля при работе на нагрузки с индуктивностью более 1,0 мкГн и последовательности таких импульсов характерны для многих современных технологических процессов. Прежде всего такие генераторы необходимы для научных целей, в частности, для исследования сильных и сверхсильных магнитных полей, для запитки электромагнитных ускорителей масс и лазерных установок. Сфера приложений магнитокумулятивных генераторов весьма перспективна не только в научных, но и в различных практических областях. Наиболее важным направлением использования таких генераторов для прикладных целей является область геоэлектроразведки. В частности, с появлением генераторов с такими характеристиками можно ожидать существенного увеличения глубинности и точности методов геоэлектроразведки.

Таким образом задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов многоразового действия, пригодного для научных исследований и различных практических приложений.

Сущность изобретения заключается в том, что разработанный баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов также, как и известный, содержит корпус, выполненный в виде дульной части ствола баллистической установки, и токоведущую систему, включающую первый и второй токоведущие элементы. Генератор содержит также источник начального возбуждения, соединенный через токоподводящие элементы с первыми концами первого и второго токоведущих элементов, и контактный элемент, выполненный в виде поршня и установленный с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме генератора. Форма и размеры поперечного сечения поршня согласованы с формой и размерами поперечного сечения рабочего объема генератора. Первый токоподводящий элемент размещен вне рабочего объема генератора, а к вторым концам первого и второго токоведущих элементов подключена нагрузка.

Новым в разработанном генераторе является то, что дульная часть ствола баллистической установки выполнена из непроводящего материала, при этом первый и второй токоведущие элементы токоведущей системы выполнены каждый в виде по меньшей мере одной металлической шины, протяженной вдоль оси ствола баллистической установки. При этом металлические шины размещены в пазах на внутренней поверхности дульной части ствола баллистической установки и жестко скреплены с ней, а второй токоподводящий элемент размещен вне рабочего объема генератора.

В частном случае токоведущая система дополнительно включает 2N 2, где N>= 2, токоведущие перемычки, которые размещены вне рабочего объема генератора. Первый и второй токоведущие элементы токоведущей системы включают каждый N металлических шин. Первым концом первого токоведущего элемента является начало его первой шины, а вторым концом первого токоведущего элемента является конец его N-й шины. Первым концом второго токоведущего элемента является начало его N-й шины, а вторым концом второго токоведущего элемента является конец его N-й шины. Конец i-й шины первого токоведущего элемента с помощью токоведущей перемычки из числа 2N-2 соединен с концом i-й шины второго токоведущего элемента, а начало i-й шины второго токоведущего элемента с помощью токоведущей перемычки из числа 2N-2 соединено с началом i+1-й шины первого токоведущего элемента, где i=1,2,3,N-1.

Целесообразно выполнить контактный элемент из непроводящего материала, армированного по меньшей мере одним отрезком металлической шины. При этом число армирующих отрезков металлических шин должно быть по меньшей мере равно числу металлических шин токоведущего элемента, а расположение армирующих отрезков согласовано с расположением металлических шин первого и второго токоведущих элементов.

В разработанном баллистическом магнитокумулятивном генераторе импульсов реализовано выполнение дульной части ствола баллистической установки из непроводящего материала и выполнение токоведущих элементов токоведущей системы в виде металлических шин, протяженных вдоль оси ствола баллистической установки, при размещении металлических шин в пазах на внутренней поверхности дульной части ствола баллистической установки. Это позволяет разместить токоподводящие элементы вне рабочего объема генератора, в результате чего конструктивные элементы генератора не подвергаются разрушению во время его работы. Кроме того это позволяет увеличить, по сравнению с ближайшим аналогом, длину ствола и тем самым длительность генерируемого импульса. Выполнение первого и второго элементов токоведущей системы содержащими N металлических шин, где N>=2, соединенных между собой указанным выше образом с помощью 2N-2 токоведущих перемычек обеспечивает последовательное электрическое соединение указанных шин. При выполнении поршня из непроводящего материала, армированного отрезками металлических шин, существенно увеличивается индуктивность токоведущей системы, что, в свою очередь, обеспечивает высокий коэффициент усиления. Отсутствие элементов, подверженных разрушению, позволяет формировать последовательности импульсов с малым интервалом между импульсами. Расчеты и эксперименты показывают, что длительность импульса в разработанном генераторе может быть доведена до 5-10 мс, индуктивность системы составляет не менее 50-100 мкГн, коэффициент усиления в пределах 10-50. Указанные технические результаты позволяют создать баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов многоразового действия, пригодный для научных исследований и различных практических приложений.

На фиг. 1 приведен вариант конструктивной схемы разработанного баллистического магнитокумулятивного генератора импульсов; на фиг.2 схема электрического соединения элементов разработанного генератора импульсов в соответствии с пп.2, 3 формулы изобретения; на фиг.3 вариант выполнения корпуса генератора.

Баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов по фиг.1 содержит корпус, выполненный в виде дульной части 1 ствола баллистической установки, и токоведущую систему 2, включающую первый и второй токоведущие элементы 3, 4 соответственно, и нагрузку (на фиг.1 не показана), подключенную к концам токоведущих элементов 3, 4. Токоведущие элементы 3, 4 выполнены каждый в виде по меньшей мере одной металлической шины, протяженной вдоль оси ОО' ствола баллистической установки. В конкретной реализации, изображенной на фиг.1, токоведущие элементы 3, 4 токоведущей системы 2 включают каждый одну металлическую шину 5, 6 соответственно. Генератор содержит также источник 7 начального возбуждения, соединенный через токоподводящие элементы 8, 9 с первыми концами 10, 11 токоведущих элементов 3, 4 соответственно, и контактный элемент, выполненный в виде поршня 12. Поршень 12 установлен в казенной части баллистической установки с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме генератора. Токоподводящие элементы 8, 9 размещены вне рабочего объема генератора.

Дульная часть 1 ствола баллистической установки выполнена из непроводящего материала, например из стекловолокна.

В качестве источника 7 может быть использована, например, конденсаторная батарея, состоящая из элементов типа К 41.

Токоподводящие элементы 8, 9 могут быть выполнены из меди и должны обеспечивать необходимую площадь контакта с токоведущими элементами 3, 4.

Поршень 12 предназначен для обеспечения электрического соединения токоведущих элементов 3, 4. Форма и размеры поперечного сечения поршня 12 согласованы с формой и размерами поперечного сечения рабочего объема генератора. Поршень 12 может быть выполнен из металла, так же, как в генераторе ближайшем аналоге. Поршень 12 может быть выполнен из непроводящего материала (см. фиг. 2), армированного по меньшей мере одним отрезком 13 металлической шины. При этом число армирующих отрезков 13 по меньшей мере равно числу металлических шин 5, 6, а расположение армирующих отрезков 13 согласовано с расположением металлических шин 5, 6. При выполнении поршня 12 в соответствии с п. 3 формулы изобретения электрическое соединение токоведущих элементов 3, 4 обеспечивается с помощью армирующих отрезков 13 за счет согласования расположения армирующих отрезков 13 с расположением металлических шин 5, 6 токоведущих элементов 3, 4 соответственно. Армирующие отрезки 13 могут быть выполнены медными.

В частном случае токоведущая система 2 дополнительно включает 2 N 2, где N >= 2, токоведущие перемычки 14 (фиг.2), которые размещены вне рабочего объема генератора, а токоведущие элементы 3, 4 включают каждый N металлических шин 5, 6 соответственно. В конкретной реализации по фиг.2 N=4, т.е. токоведущая система 2 дополнительно включает 6 токоведущих перемычек 14, а токоведущие элементы 3, 4 включают каждый 4 металлических шины 5, 6 соответственно. Первым концом 10 токоведущего элемента 3 является начало 15 первой шины 5(1) токоведущего элемента 3, (т. е. часть шины, обращенная к источнику 7), а вторым концом 16 токоведущего элемента 3 конец соответствующей N-й шины, т. е. конец 17 шины 5(4). Первым концом 11 токоведущего элемента 4 является начало N-й шины токоведущего элемента 4, т.е. начало 18 шины 6(4), а вторым концом 19 токоведущего элемента 4 конец N-й шины токоведущего элемента 4, т. е. конец 20 шины 6(4). При этом конец i-й шины 5 токоведущего элемента 3 с помощью токоведущей перемычки 14 из числа 2N-2 соединен с концом i-й шины 6 токоведущего элемента 4, а начало i-й шины 6 токоведущего элемента 4 с помощью токоведущей перемычки 14 из числа 2N-2 соединено с началом i+1-й шины 5 токоведущего элемента 3, где i=1, 2, 3,N-1. Вторые концы 16, 19 токоведущих элементов 5, 6 соответственно соединены с нагрузкой 21.

Металлические шины 5, 6 токоведущих элементов 3, 4 могут быть выполнены, например, из меди и жестко укреплены в пазах 22 (фиг.3) на внутренней поверхности части 1 ствола, например, путем предварительного склеивания эпоксидной смолой с последующим применением специальной технологии намотки стекловолокнистого материала дульной части 1 ствола.

Токоведущие перемычки 14 могут быть выполнены из меди и могут быть закреплены в дульной части 1 ствола баллистической установки.

Скорость движения поршня 12, сообщаемая баллистической установкой (не показана), массогабаритные характеристики поршня 12, площадь сечения рабочего объема генератора, а также конкретное число шин 5, 6 токоведущих элементов 3, 4 и их расположение определяются условиями обеспечения усиления тока и энергии.

Разработанный баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов работает следующим образом.

Выстрел из баллистической установки (же не показана) приводит в движение поршень 12. До влета поршня 12 в рабочий объем генератора производится разряд источника 7 начального возбуждения. Ток разряда источника 7 через токоподводящие элементы 8, 9 и токоведущие элементы 3, 4 токоведущей системы 2 поступает в нагрузку 21. Момент разряда источника 7 выбирают так, что поршень 12 замыкает токоведущие элементы 3, 4 во входном сечении генератора при достижении током разряда максимального значения. При дальнейшем движении поршня 12 цепь тока замыкается через поршень 12 и происходит сжатие магнитного потока в рабочем объеме генератора. Результатом этого является усиление тока и магнитной энергии в нагрузке 21.

Использование: для научных исследований и различных практических приложений, в частности для геоэлектроразведки в качестве мощного источника импульсов тока и магнитного поля. Сущность изобретения: в генераторе реализовано выполнение дульной части ствола баллистической установки из непроводящего материала и выполнение токоведущих элементов токоведущей системы в виде металлических шин, протяженных вдоль оси ствола баллистической установки. Металлические шины расположены в пазах на внутренней поверхности дульной части ствола баллистической установки. Это позволяет разместить токоподводящие элементы вне рабочего объема генератора, в результате чего конструктивные элементы генератора не подвергаются разрушению во время его работы. Выполнение первого и второго элементов токоведущей системы содержащими N металлических шин, где N >= 2, соединенных между собой с помощью 2N-2 токоведущих перемычек обеспечивает последовательное электрическое соединение указанных шин. При выполнении поршня из непроводящего материала, армированного отрезками металлических шин, существенно увеличивается индуктивность токоведущей системы, что, в свою очередь, обеспечивает высокий коэффициент усиления. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Баллистический магнитокумулятивный генератор импульсов, содержащий корпус, выполненный в виде дульной части ствола баллистической установки, и токоведущую систему, включающую первый и второй токоведущие элементы, источник начального возбуждения, соединенный через токоподводяющие элементы, первый из которых размещен вне рабочего объема генератора, с первыми концами первого и второго токоведущих элементов, контактный элемент, выполненный в виде поршня с возможностью осевого перемещения в рабочем объеме генератора, при этом форма и размеры поперечного сечения поршня согласованы с формой и размерами поперечного сечения рабочего объема генератора, и нагрузку, подключенную к вторым концам первого и второго токоведущих элементов, отличающийся тем, что дульная часть ствола баллистической установки выполнена из непроводящего материала, при этом первый и второй токоведущие элементы токоведущей системы выполнены каждый в виде по меньшей мере одной металлической шины, протяженной вдоль оси ствола баллистической установки, при этом металлические шины размещены в пазах на внутренней поверхности дульной части ствола баллистической установки и жестко скреплены с ней, а второй токоподводящий элемент размещен вне рабочего объема генератора. 2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что токоведущая система дополнительно включает 2N 2, где N ≥ 2, токоведущие перемычки, размещенные вне рабочего объема генератора, а первый и второй токоведущие элементы токоведущей системы включают каждый N металлических шин, при этом первым концом первого токоведущего элемента является начало его первой шины, а вторым концом первого токоведущего элемента является конец его N-й шины, первым концом второго токоведущего элемента является начало его N-й шины, а вторым концом второго токоведущего элемента является конец его N-й шины, причем конец i-й шины первого токоведущего элемента с помощью токоведущей перемычки из числа 2N 2 соединен с концом i-й шины второго токоведущего элемента, а начало i-й шины второго токоведущего элемента с помощью токоведущей перемычки из числа 2N 2 соединено с началом (i + 1)-й шины первого токоведущего элемента, где i 1,2,3.N 1. 3. Генератор по п. 1 или 2, отличающийся тем, что поршень выполнен из непроводящего материала, армированного по меньшей мере одним отрезком металлической шины, при этом число армирующих отрезков металлических шин по меньшей мере равно числу металлических шин токоведущего элемента, а расположение армирующих отрезков согласовано с расположением металлических шин первого и второго токоведущих элементов.