СПОСОБ КУМУЛЯЦИИ МАГНИТНОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2001 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к получению сверхсильных магнитных полей и может быть использовано во многих разделах современной физики, требующих больших концентраций энергии, например в физике высоких плотностей энергии, а именно мегагауссной физике, в частности при изучении свойств веществ в экстремальных условиях.

Известен способ кумуляции магнитной энергии (получения сверхсильных магнитных полей) путем преобразования энергии взрыва в магнитную энергию, основанный на явлении сжатия (кумуляции) магнитного потока (Сахаров А.Д., Людаев Р.З., Плющев Ю.Н. и др., Магнитная кумуляция, Доклады АН СССР, 1965, т. 165, N 1, с. 65).

Внутри полого металлического цилиндра (оболочки) путем разряда конденсаторной батареи через соленоидальную обмотку создают продольное магнитное поле (для обеспечения быстрого проникновения поля внутрь цилиндра в нем делают узкий разрез, впоследствии захлопывающийся). Снаружи цилиндра помещают заряд взрывчатого вещества (ВВ). Момент инициирования выбирают так, чтобы сжатие цилиндра началось в момент максимального тока в соленоидальной обмотке. В заряде возбуждают сходящуюся цилиндрическую ударную волну.

При взрыве оболочка сжимает к центру магнитное поле, а магнитный поток в полости сохраняется, причем индукция магнитного поля растет обратно пропорционально квадрату радиуса полости.

Недостатком аналога является ограниченное усиление магнитной энергии внутри цилиндрической полости, которое связано с рядом физических особенностей, одним из которых является резкое ухудшение симметрии сжатия, нарушение однородности оболочки, что приводит к образованию струй и снижению магнитной энергии.

В качестве прототипа выбран способ кумуляции магнитной энергии (Павловский А.И., Людаев Р.З., Магнитная кумуляция, сб.: Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики, Л.: Наука, 1984, с. 226).

Способ кумуляции магнитной энергии включает создание начального магнитного потока, захват его проводящей оболочкой и последовательное обжатие магнитного потока энергией заряда ВВ посредством передачи воздействия сил ударной волны коаксиальным оболочкам. Начальный магнитный поток (аксиальное магнитное поле) создают с помощью внешнего источника энергии внутри металлического цилиндра (оболочки), обычно соленоида с многозаходной, многослойной обмоткой из плотно упакованных медных, изолированных друг от друга тонких проволочек с обратным токопроводом из таких же проволочек, уложенных вдоль образующей цилиндра. Снаружи оболочку окружают зарядом взрывчатого вещества, в котором возбуждается цилиндрическая детонационная волна. Момент инициирования выбирают так, чтобы движение оболочки началось в момент, соответствующий максимуму начального поля. При схождении к центру оболочки, ускоренной ударной волной, осуществляется сжатие аксиального магнитного потока.

Диффузия магнитного потока приводит к потерям магнитного потока и энергии. Другим фактором, ограничивающим величину напряженности магнитного поля, является неустойчивость внутренней границы оболочек, сжимающей сверхсильное магнитное поле. Небольшие начальные возмущения симметрии развиваются при сжатии оболочки из-за ее динамической неустойчивости с образованием струй.

Одним из способов, позволяющих снизить неустойчивость оболочки, является способ применения нескольких каскадов, размещаемых между соленоидом-оболочкой и конечным объемом. Каждый из каскадов по очереди выполняет сначала защитную функцию, а после соударения с оболочкой или предыдущим каскадом - функцию оболочки, сжимающей поле.

Недостатком способа-прототипа является снижение магнитной энергии за счет того, что система каскадов не обеспечивает достаточно надежную стабилизацию неустойчивости оболочек.

Задачей изобретения является решение проблемы устойчивости границы внутренней поверхности схлопывающейся оболочки при процессе кумуляции для достижения максимального поля в конечном объеме с целью повышения конечной величины плотности магнитной энергии.

Технический результат состоит в повышении конечной величины плотности магнитной энергии и увеличении степени воспроизводимости этой величины от опыта к опыту. Условием хорошей воспроизводимости результатов является надежная работа всех составляющих процесса сжатия магнитного поля при привлечении к экспериментам схемы реализации способа.

Технический результат достигается за счет того, что по сравнению с известным способом кумуляции магнитной энергии, включающим создание начального магнитного потока, захват его проводящей оболочкой, последовательное обжатие магнитного потока энергией заряда ВВ посредством передачи воздействия сил ударной волны коаксиальным оболочкам, новым является то, что перед обжатием оболочкам сообщают взаимно противоположно направленное вращательное движение.

Начальный магнитный поток создают первым каскадом-соленоидом, подключенным к емкостному накопителю, который затем превращается в хорошо проводящую оболочку, сжимающую магнитный поток. Внутри генератора располагается ряд оболочек, изолированных от токового контура.

После прохождения ударной волны сквозь катушку соленоида проволочки под ее воздействием свариваются, образуя однородный проводящий цилиндр.

Каждый из каскадов по очереди выполняет сначала защитную функцию, а после ударения с оболочкой или предыдущим каскадом - функцию оболочки, обжимающей поле. Система каскадов обеспечивает защиту объема максимального поля и в некоторой мере стабилизирует развитие неустойчивостей.

После прохождения ударной волны сквозь катушку симметрия сжатия потока из-за динамической неустойчивости схлопывающейся оболочки нарушается, образуются струи. Поскольку оболочки насажены на вал вращения, в струях присутствует крутящий момент, который увлекает сгустки неустойчивости по касательной.

Так как следующая оболочка вращается навстречу, то сгустки, встречаясь между попеременно вращающимися оболочками, взаимно гасятся. При этом уменьшается скорость роста возмущений и существенно сокращается время их развития, условия для развития возмущений становятся менее благоприятными. Для уменьшения потерь на отрыв оболочки от дисков крепления по радиусу вблизи мест крепления цилиндров к дискам выполняют перфорацию.

В предложенном способе повышение конечной величины плотности магнитной энергии и увеличение степени воспроизводимости этой величины от опыта к опыту внутри соленоида достигается за счет сглаживания схлопываюцихся оболочек и гашения струй.

Укажем, что в соответствии с предложенным способом кумуляция магнитной энергии может осуществляться как при схождении оболочек к оси, так и при их расширении от оси.

На чертеже показана схема устройства для осуществления предложенного способа со схождением оболочек к оси, состоящего из емкостного накопителя 1, кабельной линии 2, соленоида 3, системы коаксиальных оболочек 4, выполненных из проводящего материала, дисков крепления 5, соединенных с валом вращения 6 так, что в местах крепления оболочек нанесена перфорация, изолятора 7, заряда ВВ8.

Способ кумуляции магнитной энергии включает создание начального магнитного потока от емкостного накопителя 1 с передачей энергии с помощью кабельной линии 2. Далее производят захват начального магнитного потока первичной проводящей оболочкой (соленоид 3) и последовательное обжатие магнитного потока энергией заряда взрывчатого вещества 8, расположенным вокруг первичной проводящей оболочки 3 посредством передачи воздействия сил ударной волны коаксиальным оболочкам 4. Перед обжатием оболочкам 4 сообщают взаимно противоположно направленное движение. Коаксиальные оболочки 4 на торцах закреплены дисками крепления 5, соединенными с валом вращения 6. Для осуществления быстрого отрыва оболочек 4 при сжатии выполнена перфорация 7 в виде отверстий, равномерно расположенных в местах крепления оболочек к дискам крепления. Скорость вращения валов должна быть соизмерима со скоростью обжатия оболочек 4 км/сек и составляет примерно 0,5-1 км/сек. Системы, способные раскрутить оболочки до таких линейных скоростей, известны и описаны, например, в (Карипбаев С.Ж., Ландау Б.Е., Мартыненко Ю.Г., Подалков В.В., Зависимость угловой скорости электростатического гироскопа от температуры окружающей среды, Механика твердого тела, 1993, N 3, с. 42).

Выравнивание оболочек и гашение струй повышает конечную величину плотности магнитной энергии, а также степень воспроизводимости этой величины от опыта к опыту.

С помощью сверхсильных магнитных полей открывается возможность исследования области нелинейных свойств материалов, где теория твердого тела может быть проверена в экстремальных условиях.

Изобретение относится к получению сверхсильных магнитных полей, может быть использовано во многих разделах современной физики, требующих больших концентраций энергии, например, в физике высоких плотностей энергии, в частности при изучении свойств веществ в экстремальных условиях. Способ кумуляции магнитной энергии включает создание начального магнитного потока, захват его проводящей оболочкой, последовательное обжатие магнитного потока энергией заряда ВВ посредством передачи воздействия сил ударной волны коаксиальным оболочкам. Перед обжатием оболочкам сообщают взаимно противоположно направленное вращательное движение. Технический результат - повышение конечной величины плотности магнитной энергии и увеличение степени воспроизводимости этой величины от опыта к опыту. 1 ил.

Способ кумуляции магнитной энергии, включающий создание начального магнитного потока, захват его проводящей оболочкой и последовательное обжатие магнитного потока энергией заряда взрывчатого вещества посредством передачи воздействия сил ударной волны коаксиальным оболочкам, отличающийся тем, что перед обжатием оболочкам сообщают взаимно противоположно направленное вращательное движение.