СПОСОБ ГЕНЕРАЦИИ ИМПУЛЬСНОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2009 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к технике для получения сверхсильных магнитных полей. Способ может быть использован при генерации импульсных магнитных полей при помощи взрывомагнитных генераторов, например, в устройствах для получения мощных кратковременных импульсов тока.

Известен способ генерации импульсного магнитного поля, заключающийся во введении во внутреннюю полость выполненного из проводящего материала цилиндра начального магнитного поля и последующем быстром осесимметричном сжатии цилиндра. Начальное магнитное поле создается при помощи соленоида, на обмотку которого, расположенную снаружи цилиндра концентрично с ним, подается разряд тока от высоковольтного конденсатора. При последующем быстром осесимметричном сжатии цилиндра размеры внутренней полости уменьшаются, а индуктивность магнитного поля возрастает в несколько десятков раз. Сжатие цилиндра производится давлением продуктов детонации заряда взрывчатого вещества (ВВ), окружающего указанный цилиндр, или давлением магнитного поля, создаваемого соленоидом, в полости которого размещен указанный цилиндр (смотри 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. - т.165, №1, 1965. - С.65; Сахаров А.Д. Взрывомагнитные генераторы // Успехи физических наук. - т.88, вып.4, 1966. - 725-734 с.).

Введение начального магнитного поля во внутренний объем цилиндра производится несколькими разными способами, применение которых определяется конструкцией и материалом цилиндра. Так, например, известен способ введения начального магнитного поля во внутреннюю полость цилиндра, выполненного из металла, обладающего высокой электрической проводимостью, например из меди или латуни. Способ заключается в создании в стенке цилиндра сквозной щели. Разрыв щелью замкнутого проводящего контура, образованного стенками цилиндра, обеспечивает быстрое проникновение созданного соленоидом магнитного поля во внутреннюю полость цилиндра (см., например, Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. - с.267). Для предотвращения электрического пробоя щель заполняется изолирующим материалом, например фторопластом. Соленоид, создающий начальное магнитное поле, может размещаться как на внешней поверхности цилиндра, так и на внешней поверхности окружающего цилиндр заряда ВВ, при взрыве которого производится сжатие цилиндра.

Указанный способ обладает недостатком, вызванным наличием в стенке цилиндра сквозной щели. Сквозная щель является неоднородностью, которая при сжатии цилиндра приводит к развитию нестабильности формы поверхности его внутренней полости. Эта нестабильность увеличивает потери энергии начального магнитного поля, снижает характеристики генерируемого импульсного магнитного поля, а также разрушает размещаемые во внутренней полости генератора датчики и образцы материалов, свойства которых в условиях воздействия сильных магнитных полей исследуются. Известно (см., например, Г.А.Швецов. Взрывная магнитная гидродинамика. Учебное пособие. - Новосибирск: НГУ, 1982. - с.66), что через указанную щель во внутренний объем цилиндра может вбрасываться помещаемый в указанную щель изолирующий материал или происходить прорыв продуктов детонации заряда ВВ. Это также снижает характеристики генерируемого импульсного магнитного поля.

Для снижения величины нестабильности формы поверхности цилиндра, возникающей в результате наличия щели, указанную щель выполняют под небольшим углом к образующей цилиндра. Это улучшает условия смыкания стенок щели в процессе обжатия цилиндра, однако возможности прорыва продуктов детонации и проникновения во внутреннюю полость цилиндра материала изолятора устраняются при этом не полностью. Неоднородность стенки цилиндра, приводящая к развитию в этом месте нестабильности формы поверхности, при изменении ориентации щели также устраняется не полностью.

Известны конструкции взрывомагнитных генераторов, в которых цилиндр с целью увеличения симметрии процесса обжатия и облегчения введения начального магнитного поля в его внутреннюю полость содержит несколько заполненных изоляционным материалом сквозных щелей. В частности, известно (А.С. №311582, МКИ Н05Н 7/04, от 05.02.1970. Взрывомагнитный генератор / Н.П.Колокольчиков, Г.И.Иванов, Ю.И.Плотников, В.И.Рубашкин // БИ №32. - С.329), что указанный цилиндр можно изготавливать из склеенных между собой изолированных медных проводников, расположенных вдоль образующей цилиндра концентрическими слоями. Однако, улучшая условия симметрии обжатия цилиндра и введения начального магнитного поля в его внутреннюю полость, указанное техническое решение не исключает проникновения во внутреннюю полость цилиндра материала, изолирующего боковую поверхность проводников.

Известны также способы введения начального магнитного поля во внутреннюю полость цилиндров, не имеющих сквозных щелей. Так, известно изготовление цилиндра из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, например из низкоуглеродистой или нержавеющей стали. Введение магнитного поля в полость цилиндра при этом выполняется путем диффузии созданного соленоидом начального магнитного поля через стенку цилиндра. В случае низкой электрической проводимости материала цилиндра отсутствие в его стенке сквозной щели не является непреодолимым препятствием для процесса диффузии магнитного поля внутрь полости (см., например, Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. - С.267). Однако на завершающем этапе сжатия цилиндра, выполненного из такого металла, когда интенсивность магнитного поля растет, потери магнитного потока за счет обратной (из полости цилиндра в окружающее пространство) диффузии будут достигать значительных величин. Это ухудшает характеристики генерируемого импульсного магнитного поля.

Для снижения на завершающем этапе обжатия потерь энергии сжимаемого магнитного поля (за счет обратной диффузии) поверхность полости в цилиндре покрывается тонким, толщиной порядка десятка микрон, слоем металла с высокой электрической проводимостью, например слоем меди. Вследствие своей малой толщины на начальном этапе работы генератора этот слой практически не оказывает препятствия процессу введения начального магнитного поля во внутренний объем цилиндра. На конечном этапе обжатия цилиндра толщина этого слоя увеличивается в несколько десятков раз. Слой такой толщины, обладая высокой электрической проводимостью, способен препятствовать обратной диффузии магнитного поля из полости. Это обеспечивает снижение потерь энергии магнитного поля на завершающем этапе обжатия и повышает характеристики генерируемого импульсного магнитного поля.

Известно также изготовление цилиндра из непроводящего материала, например полупроводника, который в момент его взрывного обжатия переходит в проводящее состояние в результате ударно-волнового нагружения (см. А.С. №762706, МКИ Н05H 7/04, от 30.11.1978. Магнитокумулятивный генератор // Е.И.Биченков, Н.Г.Скоробогатых, A.M.Трубачев). Однако известные материалы со свойствами полупроводников имеют низкую ударно-волновую прочность, что приводит к разрушению цилиндра в процессе ударно-волнового нагружения (в волне разгрузки за ударной волной). Это нарушает симметрию обжатия захваченного проводящим слоем магнитного поля и снижает характеристики генерируемого импульсного магнитного поля.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому решению является способ введения начального магнитного поля во внутреннюю полость цилиндра, не имеющего сквозных щелей, диффузией созданного соленоидом начального магнитного поля через стенку цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, например из низкоуглеродистой или нержавеющей стали. (Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. - С.267.)

Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.

Признаки прототипа, общие с заявляемым способом:

- размещение полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, во внутренней полости соленоида;

- создание начального магнитного поля посредством пропускания тока через обмотку соленоида;

- введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии;

- сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра.

Указанный прототип обладает недостатком, снижающим характеристики импульсного генератора сверхсильных магнитных полей.

Недостаток способа-прототипа вызван реализацией в процессе сжатия магнитного поля явления катастрофического роста небольших возмущений поверхности внутренней полости цилиндра, известного из магнитной гидродинамики как явление неустойчивости Релея-Тейлора. В рассматриваемом случае это явление осуществляется, если для длины волны начального возмущения формы оболочки λ, сжимающей магнитное поле, будет выполняться условие

где ρ - плотность материала цилиндра, g - перегрузка торможения, которую испытывает материал цилиндра в момент взаимодействия с магнитным полем с напряженностью Н, - сила магнитного давления на единицу поверхности проводящего материала, ϕ- угол между векторами магнитного поля и волны начального возмущения формы поверхности полости цилиндра.

В случае, если вектор магнитного поля направлен вдоль оси цилиндра, а возмущение ориентируется в направлении поперек оси (случай, реализуемый в рассматриваемом нами варианте способа генерации импульсного магнитного поля), значение косинуса стремится к нулю, и самые незначительные возмущения (возмущения с любой, сколь угодно малой длиной волны) становятся нестабильными.

Развивающаяся нестабильность ограничивает кратность сжатия начального магнитного поля, разрушает нагружаемые импульсным магнитным полем образцы исследуемых материалов или датчики, определяющие величину магнитного поля (см., например, Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. - М.: Мир, 1972. - С.244). В результате быстрого развития возмущений во внутреннюю полость цилиндра, где в результате сжатия генерируется сверхсильное импульсное магнитное поле, в виде мелких капель и струй вбрасывается часть материала цилиндра.

Задачей, на решение которой направлены предлагаемые изобретения, является повышение характеристик импульсного магнитного поля, генерируемого путем быстрого сжатия сплошного цилиндра с введенным в его полость начальным магнитным полем, достигаемое подавлением условий развития нестабильностей формы внутренней поверхности цилиндра, возникающих в процессе его обжатия.

Требуемый технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа, включающего: размещение во внутренней полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью; создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида; введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии; сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра, в заявляемом способе:

- по варианту 1 полый цилиндр в момент сжатия магнитного поля приводят во вращение вокруг его оси;

- по варианту 2 полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки), выполняемой в одну или несколько стадий при постоянном направлении вращения заготовки;

- по варианту 3 полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки), выполняемой в одну или несколько стадий при направлении вращения заготовки, совпадающем с направлением вращения цилиндра в момент сжатия магнитного поля.

Аналогов, имеющих совокупность признаков, сходных с заявляемыми техническими решениями, не обнаружено, следовательно, можно считать, что заявляемые изобретения являются новыми и обладают достаточным изобретательским уровнем.

Каждый из вышеуказанных существенных признаков необходим, а их совокупность является достаточной для достижения новизны качества нового сверхэффекта, не присущего признакам в их разобщенности.

Сущность предложенных технических решений поясняется чертежом, где показано действие на начальное возмущение формы внутренней поверхности цилиндра сил, возникающих при вращении цилиндра. Позициями 1-6 на указанном чертеже обозначено: 1 - цилиндр; 2 - ось цилиндра; 3 - начальная неоднородность формы внутренней поверхности цилиндра (выступ); 4 - направление движения в результате сжатия; 5 - направление движения в результате вращения; 6 - направление действия возникшей в результате вращения цилиндра центробежной силы, обеспечивающей предотвращение роста амплитуды возмущения.

Предлагаемые варианты способа используют явление возникновения при вращении цилиндра центробежной силы, величина которой возрастает при уменьшении расстояния до оси вращения. В связи с этим на материал, оказавшийся в области локального возмущения формы поверхности полости цилиндра (выступа, ориентированного в направлении оси), будет действовать центробежная сила большая, чем действующая на остальную, невозмущенную часть цилиндра Это обеспечивает ликвидацию условий роста возмущения формы поверхности полости.

При этом (по аналогии с условием возникновения неустойчивости при воздействии магнитного давления (формула 1)) неустойчивыми окажутся возмущения с длиной волны, определяемой неравенством:

где - величина центробежной силы, действующей на единицу объема цилиндра в области внутренней поверхности полости, получившей возмущение формы, r₀, r - начальное и текущее значение расстояния до оси вращения, Ω₀ - начальная скорость вращения цилиндра вокруг своей оси.

Из формулы (2) видно, что при радиусе r, стремящемся к нулю при сжатии цилиндра и росте размера возмущения формы, независимо от величины угла ϕ между векторами магнитного поля и волны начального возмущения формы поверхности полости цилиндра, становятся устойчивыми возмущения с любой длиной волны λ. Следовательно, условие подавления явления нестабильности Релея-Тейлора реализуется.

Вращение цилиндра вокруг его оси в момент сжатия может быть создано путем принудительного вращения всего генератора импульсного магнитного поля или цилиндра отдельно.

Если по конструктивным причинам обеспечить принудительное вращение цилиндра в момент сжатия невозможно, создать вращение материала цилиндра в момент его обжатия можно путем использования явления возникновения вращения материала стенки сжимаемого взрывом цилиндра, выполненного методом ротационного выдавливания (раскатки).

Изготовление цилиндра методом ротационного выдавливания (раскатки) приводит к созданию в материале цилиндра преимущественной ориентации поверхностей зерен материала (текстуры), обеспечивающей при взрывном обжатии цилиндра возникновение вращения внутренней поверхности цилиндра в направлении, совпадающем с направлением вращения заготовки при раскатке (см., например, патент РФ №2180723, МКИ F42B 1/036, B21D 22/14, от 05.10.2000. Способ изготовления осесимметричной облицовки кумулятивного заряда // Э.И.Владыкин, А.Е.Курепин, В.А.Семин).

Величина начальной скорости вращения, возникающего в связи с изготовлением цилиндра методом раскатки, зависит от степени деформации стенки заготовки при раскатке и может составлять несколько десятков оборотов в секунду (см., например, статью «Управление ротационной составляющей течения материала облицовки кумулятивного заряда, изготовленной методом раскатки» / В.А.Авенян, В.В.Глебов, А.Е.Курепин, В.А.Семин // Гидродинамика высоких плотностей энергии. - Новосибирск. Изд-во Ин-та гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН. 2004. - С.512-519). Возникающая при этом центробежная сила, также как и при принудительном вращении цилиндра, будет способна предотвратить развитие нестабильности формы внутренней поверхности полости цилиндра

Каждый из описанных выше способов приведения цилиндра в состояние вращения может быть применен независимо друг от друга. При этом независимо от направления вращения заготовки при изготовлении цилиндра раскаткой или направления принудительного вращения цилиндра при его обжатии развивающиеся неоднородности типа Релея-Тейлора будут подавлены.

При соблюдении определенного условия возможно совместное использование указанных способов придания цилиндру состояния вращения вокруг его собственной оси.

Условие состоит в том, что направление вращения заготовки цилиндра в момент раскатки должно совпадать с направлением вращения цилиндра в момент обжатия. В этом случае материал, расположенный вблизи внутренней поверхности, получит дополнительную скорость в направлении принудительного вращения цилиндра. Это обеспечит увеличение скорости вращения внутренней поверхности материала цилиндра. И, следовательно, увеличит величину центробежной силы, препятствующей развитию нестабильностей формы поверхности полости цилиндра типа Релея-Тейлора в момент обжатия магнитного поля, чем улучшит характеристики генерируемого импульсного магнитного поля.

В случае, если направления вращений, принудительного и создаваемого в связи с изготовлением цилиндра методом раскатки, будут противоположны друг другу, возможно уменьшение скорости вращения вплоть до практически полной компенсации одного направления вращения другим. При этом суммарная скорость вращения материала цилиндра относительно его оси будет стремиться к нулю, и эффект стабилизации формы внутренней поверхности полости не будет реализовываться.

Использование предлагаемых способов обеспечит подавление нестабильностей формы внутренней поверхности цилиндра, улучшит характеристики генерируемого импульсного магнитного поля, предохранит от преждевременных разрушений находящиеся вблизи оси исследуемые образцы или датчики, измеряющие характеристики магнитного поля в момент сжатия цилиндра.

Способ предназначен для использования в электротехнике и электронике, например, в устройствах для получения мощных кратковременных импульсов тока. Способ включает размещение в полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида, введение в полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии, сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра. При этом полый цилиндр в момент сжатия магнитного поля принудительно приводят во вращение вокруг его оси, или полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки), а вытяжку выполняют в одну или несколько стадий при постоянном направлении вращения заготовки, или полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки) в одну или несколько стадий, а заготовку цилиндра вращают в направлении, совпадающем с направлением вращения цилиндра в момент сжатия магнитного поля. Изобретение обеспечивает повышение характеристик импульсного магнитного поля за счет подавления нестабильностей формы внутренней поверхности цилиндра в процессе его обжатия. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ генерации импульсного магнитного поля, включающий размещение во внутренней полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электропроводностью, создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида, введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии, сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра, отличающийся тем, что полый цилиндр в момент сжатия магнитного поля принудительно приводят во вращение вокруг его оси.2. Способ генерации импульсного магнитного поля, включающий размещение во внутренней полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида, введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии, сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра, отличающийся тем, что полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки), причем вытяжку выполняют в одну или несколько стадий при постоянном направлении вращения заготовки.3. Способ генерации импульсного магнитного поля, включающий размещение во внутренней полости соленоида полого цилиндра, выполненного из металла, обладающего низкой электрической проводимостью, создание начального магнитного поля пропусканием тока через обмотку соленоида, введение во внутреннюю полость цилиндра начального магнитного поля методом диффузии, сжатие магнитного поля движущимися в направлении оси полости стенками цилиндра, отличающийся тем, что полый цилиндр изготавливают из плоской или трубчатой заготовки методом ротационной вытяжки (раскатки) в одну или несколько стадий, при этом заготовку цилиндра вращают в направлении, совпадающем с направлением вращения цилиндра в момент сжатия магнитного поля.