СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕГУЩЕЙ МАГНИТНОЙ ВОЛНЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА Российский патент 2003 года по МПК H05H7/04 H05H9/02 

Изобретение относится к области электротехники к разделу импульсной техники, преимущественно мощной импульсной энергетике для создания импульсных магнитных полей, ионизации плазмы, накачки лазеров, для генерации серий электромагнитных импульсов и особенно для ускорения макроскопических тел в индукционных ускорителях.

Известен способ формирования скачкообразно меняющегося магнитного поля [1] . В этом способе сверхпроводящую цилиндрическую трубу помещают в изменяющееся магнитное поле, при этом внутри трубы магнитное поле изменяется скачкообразно по всей длине трубы за счет срыва возникающих в ней экранирующих токов. Однако этот способ не позволяет получить бегущую магнитную волну.

Известен также способ получения бегущей магнитной волны (прототип [2]), состоящий в том, что магнитное поле создают вдоль направления движения магнитной волны системой катушек, расположенных вдоль оси движения, на которые последовательно разряжают конденсаторные батареи, подключенные к этим катушкам с помощью замыкателей и системы синхронизации. Образующиеся при этом в каждой катушке импульсные магнитные поля направлены вдоль оси движения и имеют фронт, перемещающийся вдоль оси движения, т.е. создают бегущую магнитную волну.

Этот способ имеет следующий недостаток. Скорость движения фронта магнитной волны уменьшается в интервалах между катушками, что приводит к снижению эффективности использования ее энергии и снижению КПД устройства в целом. Велики также массогабаритные показатели устройства, т.к. удельная запасаемая энергия конденсаторных батарей невелика (<10⁶ Дж/м³) [3].

Техническим результатом предложенного решения явилось устранение указанных недостатков, конкретно - повышение эффективности за счет обеспечения постоянства градиента магнитного поля вдоль оси распространения и значительного снижения массогабаритных показателей за счет накопления энергии в индуктивной катушке. Технический результат достигается путем усовершенствования известного способа [2] получения бегущей магнитной волны, включающего создание магнитного поля вдоль направления ее движения. Усовершенствование заключается в том, что коллинеарно направлению магнитного поля помещают трубу, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле создают постоянным вдоль трубы, а затем один из участков трубы переводят в резистивное состояние.

Предложенный способ реализуют устройством, содержащим подключенную к источнику питания первичную обмотку. Усовершенствование устройства заключается в том, что первичная обмотка выполнена в виде единой сплошной катушки, внутри нее расположен магнитный экран, выполненный в виде сверхпроводящей трубы, и на одном из участков трубы размещена дополнительная обмотка, подключенная к импульсному источнику тока.

Первичная обмотка может быть выполнена из сверхпроводника.

В устройство введена вторичная обмотка для использования бегущей магнитной волны, размещенная на поверхности трубы и снабженная клеммами подключения к нагрузке.

Вторичная обмотка может быть выполнена в виде последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки.

В одной из модификаций экран, первичная и вторичная обмотки образуют систему вложенных торов.

Существо изобретения поясняется прилагаемыми чертежами, где на фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее способ, а на фиг.2 представлены осциллограммы напряжений на вторичной обмотке при чередующемся направлении намотки многосекционной вторичной обмотки.

Устройство для реализации способа получения бегущей магнитной волны включает первичную обмотку 1 с клеммами 2, 3 для подключения к источнику питания 4, экран 5, выполненный в виде трубы из сверхпроводника, и дополнительную обмотку 6, подключенную к блоку управления 7 (фиг.1). В качестве источника питания первичной обмотки используют источник постоянного тока, а в качестве блока управления может быть источник импульсного тока или напряжения. Первичная обмотка 1 выполнена в виде единой сплошной катушки и может быть изготовлена из материала с высокой электропроводноостью или из сверхпроводника. Магнитный экран 5 размещен внутри катушки первичной обмотки 1.

Для использования бегущей магнитной волны введена вторичная обмотка 8 с клеммами 9, 10 для подключения к нагрузке 11 (фиг.1). Вторичная обмотка 8 может быть размещена либо на наружной, либо на внутренней поверхности трубы (экрана) 5. Вторичная обмотка может состоять из последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки для получения импульсов тока в нагрузке разной полярности. В одном из вариантов трубообразный экран 5 и катушки с первичной и вторичной обмотками свернуты в кольцо и образуют систему вложенных торов. Последовательность относительного размещения экрана и вторичной обмотки непринципиальна.

В случае подключения клемм 9, 10 к электронному запоминающему осциллографу на осциллограмме (фиг.2) можно наблюдать скачки напряжения, обусловленные прохождением фронта бегущей магнитной волны под каждой из катушек вторичной обмотки.

Способ получения бегущей магнитной волны реализуют следующим образом: экран 5 захолаживают ниже температуры сверхпроводящего перехода. В первичную обмотку 1 вводят постоянный ток от источника питания 4, тем самым создают постоянное магнитное поле, направленное вдоль трубы, при этом за счет экранирующих токов, возникающих в сверхпроводящей трубе, внутри трубы магнитное поле отсутствует. Затем один из концов трубы переводят в резистивное (несверхпроводящее) состояние индукционным образом путем подачи импульса тока в дополнительную обмотку от импульсного источника тока. Экранирующие токи затухают в области под дополнительной обмоткой и увеличиваются в соседнем с ним сверхпроводящем участке трубы, и при достижении критической величины тока эта область также переходит в резистивное состояние. Магнитное поле проникает в трубу с торцевого участка, перешедшего в резистивное состояние, и увеличивается вдоль оси трубы по мере распространения резистивного состояния вдоль трубы. Таким образом, внутри трубообразного экрана 5 "бежит" фронт постоянного магнитного поля, т.е. распространяется бегущая магнитная волна. При этом скорость движения фронта магнитного поля остается постоянной за счет непрерывного распространения резистивного состояния вдоль экрана, т.е. обеспечивается постоянный градиент магнитного поля вдоль оси экрана.

На фиг. 2 представлена осциллограмма зависимости от времени напряжения, возникающего на клеммах вторичной обмотки, состоящей из 6 последовательно включенных катушек, размещенных внутри экрана вдоль его оси, расположенных на расстоянии 12 мм друг от друга. На осциллограмме видны моменты нарастания напряжения и его спады, связанные с прохождением фронта магнитного поля под каждой из катушек. Разная полярность напряжения связана с чередующимся направлением намотки катушек. Постоянство амплитуды каждого пика напряжения демонстрирует постоянство градиента магнитного поля бегущей магнитной волны.

В случае выполнения первичной обмотки из сверхпроводника процесс накопления энергии и ее хранения особенно эффективен, т.к. заряд индуктивности может осуществляться от маломощного источника постоянного тока, а потери электрической энергии при ее хранении малы. Плотность запасаемой энергии в этом случае на 1-2 порядка выше, чем в прототипе.

Изготовление устройства в виде свернутых в кольцо первичной обмотки, магнитного экрана и вторичной обмотки, образующих систему вложенных торов, позволяет снизить поля рассеяния первичной обмотки и повысить КПД устройства в целом.

Источники информации
1. Патент США 3156850, кл. 361-141, 1964 г.

2. Winterberg F. Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C), 1966, v.8, p.541-553.

3. IEЕЕ, MAG-35, vol.1, 1999, p.25-30.

Способ получения бегущей магнитной волны и устройство для реализации способа относится к импульсной технике, для получения мощных импульсов тока, для создания импульсных магнитных полей. Техническим результатом изобретения является обеспечение распространения постоянного магнитного поля вдоль выделенного направления с постоянным градиентом поля вдоль оси распространения. Способ получения бегущей магнитной волны включает создание магнитного поля вдоль направления ее движения, коллинеарно направлению магнитного поля помещают трубу, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле создают постоянным, а затем один из участков трубы переводят в резистивное состояние. Устройство для реализации способа содержит подключенную к источнику питания обмотку. Первичная обмотка выполнена в виде единой сплошной катушки и внутри нее расположен магнитный экран, выполненный в виде сверхпроводящей трубы, на одном из его участков размещена дополнительная обмотка, подключенная к импульсному источнику тока. Для использования энергии бегущей магнитной волны устройство может содержать вторичную обмотку, расположенную внутри или снаружи экрана и снабженную клеммами для подключения к нагрузке. Первичная обмотка может быть выполнена из сверхпроводника, а вторичная - в виде последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки. В одном из вариантов экран, первичная и вторичная обмотки образуют систему вложенных торов. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ получения бегущей магнитной волны, включающий создание магнитного поля вдоль направления ее движения, отличающийся тем, что коллинеарно направлению магнитного поля помещают трубу, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле создают постоянным вдоль трубы, а затем один из участков трубы переводят в нормальное состояние.2. Устройство для реализации способа, содержащее подключенную к источнику питания первичную обмотку, отличающееся тем, что первичная обмотка выполнена в виде единой сплошной катушки, внутри нее расположен магнитный экран, выполненный в виде сверхпроводящей трубы, и на одном из участков трубы размещена дополнительная обмотка, подключенная к импульсному источнику тока.3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первичная обмотка выполнена из сверхпроводника.4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что введена вторичная обмотка для использования бегущей магнитной волны, размещенная на поверхности трубы и снабженная клеммами подключения к нагрузке.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что вторичная обмотка выполнена в виде последовательно соединенных секций с чередующимся направлением намотки.6. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что экран, первичная и вторичная обмотки образуют систему вложенных торов.