МАГНИТОКУМУЛЯТИВНЫЙ ГЕНЕРАТОР Российский патент 1998 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к технике получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов.

Известны устройства для получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов, называемые магнитокумулятивными генераторами (МК-генераторами), принцип действия которых основан на быстром адиабатическом обжатии токонесущих контуров [1] (Сахаров А.Д., Людаев Р.З., Смирнов Е.Н., Плющев Ю. И., Павловский А.И., Чернышев В.К., Феоктистова Е.А., Жаринов Е.И., Зысин Ю. А. Магнитная кумуляция, ДАН СССР, 1965, т. 165, N 1, с. 65 - 68).

Большинство МК-генераторов содержат источник начального магнитного поля, проводящую оболочку и полость сжатия магнитного потока, а также содержат средство осуществления обжатия этой оболочки. В известных МК-генераторах этим средством является заряд взрывчатого вещества (ВВ), поэтому МК-генераторы иногда называют взрывомагнитными генераторами. Различают две разновидности МК-генераторов: генераторы свехсильного магнитного поля с симметричным обжатием магнитного потока (МК-1) и генераторы больших импульсных токов со смещением магнитного потока в нагрузку (МК-2). Большое количество конструктивных схем МК-генераторов обеих разновидностей представлено в обзорах [2] (Сахаров А. Д. Взрывомагнитные генераторы. УФН, 1966, т. 88, N 5, с. 725 - 734) и [3] (Павловский А. И. , Людаев Р.З. Магнитная кумуляция - в кн. " Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики". -Л.: Наука, 1984, с. 206 - 270).

Основным недостатком известных МК-генераторов является их разрушение после первого же импульса, что является следствием использования ВВ в качестве средства обжатия проводящей оболочки. Кроме того, недостатком является следующее обстоятельство: обжатие проводящей оболочки сопровождается массопереносом вещества (паров металла, продуктов взрыва ВВ, плазмы), что способствует развитию неустойчивости Рэлея-Тейлора, заключающейся в искривлении фронта обжатия с последующим образованием мелких замкнутых контуров, захватывающих часть магнитного потока и не участвующих в процессе кумуляции. Фактически эта неустойчивость приводит к снижению КПД МК-генератора. Для устранения развития этой неустойчивости принимают специальные меры%: МК-генератор имеет многослойную структуру проводящих оболочек [4] (Павловский А.И., Долотенко М. И. , Колокольчиков Н.П., Быков А.И., Егоров Н.И., Таценко О.М. Стабилизация устойчивости схлопывающейся оболочки при магнитной кумуляции энергии. Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 38, N 3, с. 437 - 439), что усложняет конструкцию МК-генераторов. Кроме того, внутренние слои структуры как дополнительные преграды требуют затрат энергии для своего разгона.

Наиболее близким к прелагаемому генератору по технической сущности является МК-генератор, описанный в [5] (Чернышев В.К., Протасов М.С., Шевцов В.А. Взрывомагнитный генератор, а.с. СССР N 795396, кл. H 02 N 11/00, опубл. 23.11.83, БИ N 43) и содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, причем средство обжатия полости здесь также представляет собой заряд ВВ.

Работает генератор [5] следующим образом: после создания в полости начального потока магнитного поля заряд ВВ инициирует внутри волну сжатия полости. При этом происходит захват магнитного потока и кумуляция магнитного поля.

МК-генератор [5], выбранный нами за прототип, имеет те же самые недостатки, что и описанные выше, известные МК-генераторы: во-первых, использование заряда ВВ приводит к разрушению генератора, и, во-вторых, перенос массы в волне сжатия оболочки также приводит к развитию неустойчивости Рэлея-Тейлора, в определенной стадии которой на ее фронте происходит образование мелких замкнутых контуров, захватывающих часть магнитного потока и не участвующих в процессе магнитной кумуляции. Это приводит к диссипации магнитной энергии в основном контуре, содержащем нагрузку, и к снижению КПД МК-генератора.

Таким образом, техническая задача состоит в том, чтобы исключить разрушение МК-генератора при срабатывании, а также увеличить его КПД. Решение этой задачи способствовало бы более широкому применению МК-генераторов при исследованиях по программе управляемого термоядерного синтеза, а также при исследовании материалов в экстремальных состояниях.

Техническим результатом предлагаемого решения является, во-первых, исключение разрушения МК-генератора за счет изменения средства обжатия проводящей оболочки, и, во-вторых, устранение опасности развития неустойчивости Рэлея-Тейлора за счет исключения массопереноса при обжатии.

Этот технический результат достигается тем, что магнитокумулятивный генератор, содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, снабжен по меньшей мере одним ускорителем электронов и мишенью для генерации тормозного электромагнитного излучения, расположенной между ускорителем и оболочкой, а полость сжатия заполнена газом.

В предлагаемом МК-генераторе обжатие магнитного потока осуществляется бегущим с околосветовой скоростью фронтом ионизации газового объема, вызванной гамма-квантами, которые продуцируются на мишени ускорителя электронов. Ионизация газа идет следующим образом: гамма-кванты, энергия которых может достигать нескольких мегаэлектронвольт, выбивают из атомов газа комптоновские электроны с энергией примерно в несколько десятых долей от энергии гамма-квантов. Комптоновские электроны в свою очередь ионизируют газ, вызывая множественное рождение вторичных электронов (на один мегавольтный электрон может приходиться от 10³ до 10⁵ вторичных электронов).

Полученная таким образом ионизированная среда - плазма способна проводить электрический ток, а бегущий фронт ионизации - вытеснять магнитное поле. На возможность вытеснения магнитного поля движущимся фронтом ионизации указывалось в [6] (Компанеец А.С. Радиоизлучение атомного взрыва. II., в кн. Компанеец А.С. Физико-химическая и релятивистская газодинамика. -М.: Наука, 1977, с. 83 - 91).

Ионизация газовой среды осуществляется без переноса массы: электроны рождаются на фронте волны ионизации, слабо передвигаясь вдоль направления ее распространения. Таким образом, опасность возникновения неустойчивости Рэлея-Тейлора полностью исключена.

На фиг. 1 показан пример конструкторского выполнения МК-генератора для получения больших импульсных токов.

На фиг. 2 показан пример конструкторского выполнения МК-генератора для получения сверхсильных магнитных полей.

На фиг. 3 показаны два мгновенных распределения магнитного поля H(z) в плоскопараллельной конфигурации обжатия магнитного потока, где обозначено цифрами: I - мгновенное положение фронта ионизации; II - мгновенное положение фронта гамма-квантов; III - положение противоположной стенки оболочки; H_o - начальное магнитное поле; стрелкой показано направление движения волны обжатия.

Предлагаемый МК-генератор содержит источник начальной электрической энергии (начального магнитного поля), выполненный, например, в виде конденсаторной батареи 1 и подключенный с помощью передающей кабельной линии 2 и токоввода 3 к замкнутой проводящей оболочке 4. Эта оболочка ограничивает полость сжатия магнитного потока 5, имеющую либо тороидальную (фиг. 1), либо цилиндрическую (фиг. 2) форму. Полость заполнена газом определенного сорта и давления. Для получения наибольшей проводимости в качестве газа можно использовать легко ионизируемый газ, например аргон, при давлении > 10 атм, с небольшой добавкой паров щелочного металла, например цезия. Большое давление газа выбрано для уменьшения длины свободного пробега комптоновских электронов с целью уменьшения размеров МК-генератора.

Со стороны одного из торцов проводящей оболочки МК-генератора, показанного на фиг. 1, размещен сильноточный ускоритель электронов 6, подобный описанным в [7] (Павловский А.И., Босамыкин В.С., Селемир В.Д., Гордеев В.С. , Дубинов А.Е., Иванов В.В., Клементьев А.П., Корнилов В.Г., Ватрунин В.Е., Жданов В.С., Коновалов И.В., Приходько И.Г., Суворов В.Г., Шибалко К.В. Линейные индукционные ускорители для СВЧ-генераторов - в сб. "Релятивистская высокочастотная электроника", вып. 7. - Н-Новгород: ИПФ РАН, 1992, с. 81 - 193), на выходе которого располагается мишень 7, выполненная из материала с большим атомным номером Z, например из тантала.

Приведенный пример МК-генератора относится к генераторам, служащих для получения больших импульсных токов. Укажем, что конструктивно возможно реализовать в соответствии с предлагаемым решением и другие генераторы этой разновидности, например спиральные, дисковые и т.д. (см. [3]).

Другая разновидность МК-генераторов, служащих для получения сверхсильных магнитных полей, требует симметричного обжатия магнитного потока. С этой целью необходимо использовать несколько ускорителей 6, нагруженных мишенями тормозного излучения 7 и размещенных по окружности, в центре которой располагается проводящая оболочка 4 (см. фиг. 2). Пример такой системы ускорителей (установка "АНГАРА-5"), состоящей из 8 модулей, описан в [8] (Рудаков Л.И., Бабыкин М.В., Гордеев А.В., Демидов Б.А., Королев В.Д., Тарумов Э.З. Генерация и фокусировка сильноточных релятивистских электронных пучков. -М: Энергоатомиздат, 1990).

Работает предлагаемый МК-генератор (оба примера) следующим образом. При разряде конденсаторной батареи 1 на проводящую оболочку 4 в последней начинает протекать электрический ток. По достижении этим током максимума запускается сильноточный электронный ускоритель (или система ускорителей) 6. Ускоренные в ускорителе электроны ударяют по мишени (мишеням) 7 и выбивают из нее (них) гамма-кванты. Гамма-кванты, проходя сквозь оболочку 4, попадают внутрь полости 5 и выбивают в газе комптоновские электроны, которые в свою очередь ионизируют газ, вызывая множественное рождение вторичных электронов. По полости 5 начинает бежать волна ионизации, фронт которой несколько отстает от фронта гамма-квантов. Волна ионизации захватывает магнитный поток, чем осуществляется магнитная кумуляция.

Однако явление кумуляции магнитного поля (электромагнитные аспекты этого процесса) в предлагаемом МК-генераторе происходит несколько иначе, чем в известных генераторах, в которых скорость обжатия контура на несколько порядков меньше скорости света. Если в известных МК-генераторах магнитное поле всегда квазистатично и равномерно внутри контура, то в предлагаемом генераторе структуру магнитного поля качественно (в одномерном приближении) можно представить в виде уединенной волны (фиг. 3), в теле которой и происходит сама кумуляция. По мере продвижения этой волны по плазме протекает все больший и больший ток, замкнутый токами смещения. Разумеется в плазме возникнут силы магнитного давления, направленные против обжатия, однако фронт ионизации будет неизменно двигаться вперед, так как на гамма-кванты не действуют никакие силы. Как только фронт волны гамма-квантов достигнет противоположной стенки полости сжатия магнитного потока (для примера на фиг. 1) или встречного фронта гамма-квантов (для примера на фиг. 2), тогда начнется вторая стадия магнитной кумуляции, которая с этого момента пойдет еще эффективней: магнитное поле будет увеличиваться скачком с каждым переотражением электромагнитной волны от проводящих токонесущих границ и от надвигающегося фронта ионизации, который отстает от фронта гамма-квантов. Эта стадия кумуляции рассмотрена в [9] (Барсуков К.А., Григорян Г.А. К теории сжатия электромагнитного поля. -Изв. АН Арм. ССР, сер.: физика, 1982, т. 17, N 1, с. 3 - 9), где получены точные выражения для составляющих электромагнитного поля при обжатии плоского промежутка.

Характерная длительность импульса скачка тока или величины магнитного поля в заключительной стадии кумуляции равна примерно разности времени пробега по газу фронтов волны гамма-квантов и волны ионизации. Отметим, что факт отставания волны ионизации от волны гамма-квантов объясняется отставанием комптоновских электронов от гамма-квантов, их породивших, приобретением поперечных составляющих импульса комптоновскими электронами при многократных неупругих столкновениях с атомами газа при его ионизации, а также другими причинами. Величину отставания фронта ионизации легко измерить в каждой конкретной экспериментальной ситуации.

Поскольку характерные времена процессов в предлагаемом МК-генераторе на 3 - 5 порядков меньше, чем характерные времена процессов в известных МК-генераторах, то при той же толщине скин-слоя сжимающейся плазмы возможна проводимость последней также на 3 - 5 порядков меньшая, чем при обжатии контура в [2, 3]. К тому же, как указано в работе [10] (Шнеерсон Г.А. Процессы разрушения соленоидов в мегагауссных магнитных полях и оценки перспектив получения максимально возможных полей в кн. "Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение.". -М.: Наука, 1984, с. 70 - 76), проводимость продуктов обжатия контура в известных МК-генараторах примерно на 3 порядка ниже проводимости металла в исходном состоянии (для сравнения укажем, что проводимость обычной меди составляет ≈58 (МСм•м^-1)). Итого, достаточна проводимость плазмы в предлагаемом МК-генераторе уже на уровне 10² - 10³ (мСм•м^-1). Это обстоятельство предопределяет использование современных сильноточных ускорителей электронов, поток излучения гамма-квантов которых способен ионизировать газ до необходимой в каждом конкретном случае проводимости. Кроме того, малость толщины скин-слоя, а также высокая скорость волны ионизации практически полностью исключают потери магнитного потока вследствие его диффузии сквозь движущуюся плазму.

В заключении укажем еще на одно обстоятельство. Современный уровень развития сильноточной ускорительной техники пока не составляет конкуренции по уровню запасаемой энергии устройствам, преобразующим энергию взрыва. Поэтому энергосодержание в магнитном поле будет в предлагаемом МК-генераторе существенно ниже, чем в известных МК-генераторах, однако сама величина магнитного поля в предлагаемом МК-генераторе или, что тоже самое - объемная плотность энергии магнитного поля может достигать тех же значений, что и в известных генераторах.

Применение: техника получения сверхсильных магнитных полей и больших импульсных токов. Сущность: принцип работы генератора основан на быстром обжатии магнитного потока внутри замкнутой проводящей оболочки. Новым в предлагаемом генераторе является средство обжатия магнитного потока, а именно ускоритель электронов, нагруженный мишенью тормозного излучения, а также наличие легкоионизирующегося газа внутри оболочки. Обжатие магнитного потока в данном генераторе осуществляется бегущей с околосветовой скоростью волновой ионизации газа, вызванной потоком комптоновских электронов, которые, в свою очередь, продуцируются потоком гамма-квантов, выбитых с мишени ускорителя. Техническим результатом является исключение разрушения генератора и устранение опасности развития неустойчивости Релея-Тейлора. 3 ил.

Магнитокумулятивный генератор, содержащий проводник в виде проводящей оболочки, ограничивающей полость сжатия магнитного потока, и источник начальной электрической энергии, подключенный к токовводу проводника, отличающийся тем, что он снабжен по меньшей мере одним ускорителем электронов и мишенью для генерации тормозного электромагнитного излучения, расположенной между ускорителем и оболочкой, а полость сжатия заполнена газом.