ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H01H39/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к формированию импульса напряжения с помощью переключателя, приводимого в действие взрывом. Взрывомагнитный формирователь импульса напряжения ВМФИН может быть использован в плазменной, рентгеновской и СВЧ-технике.

Известен ВМФИН, описанный в статье В.К.Чернышева и др. «Влияние разновременности детонационного фронта на коммутационные характеристики взрывного обострителя тока», ж. «Химическая физика», т.20, №-9, 2001 г., с.69-73. Устройство содержит спиральный взрывомагнитный генератор ВМГ и формирователь напряжения на основе разрыва контура с током с помощью заряда взрывчатого вещества ВВ. В этом ВМФИН разрыв контура осуществлялся за счет метания тонкой алюминиевой фольги на ребристую диэлектрическую преграду с помощью заряда ВВ в форме диска, инициируемого в центре. Недостатком этого устройства является относительно невысокий (˜150кВ) уровень достигнутой величины напряжения.

Этот недостаток был частично устранен в другой конструкции, описанной в работе V.K.Chernyshev "Current Magnetic Field Pressure Effect on Explosive Opening Switch Operation" (Megagauss-9. Proceeding of Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics. Sarov, VNIIEF, 2004, p.310-313). В этом устройстве ВМФИН включает в себя спиральный ВМГ и формирователь напряжения на основе разрыва конечного контура ВМГ. Этот разрыв осуществляется за счет разрезания проводника диэлектрическими кумулятивными струями, сформированными с помощью использования струеформирователя и цилиндрического заряда ВВ. Недостатком этого ВМФИН является относительно невысокий уровень достигнутого импульса напряжения (˜200кВ).

Наиболее близким к заявляемому формирователю является устройство по авторскому свидетельству №1248470 «Взрывомагнитный формирователь импульса тока», авторов В.К.Чернышева и др., кл. МПК Н01Н 39/00, опубликовано в БИ №19, 1995 г. Взрывомагнитный формирователь импульса напряжения по прототипу содержит разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены диэлектрический струеформирователь с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, и диэлектрический струегаситель, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, расположенные со стороны струеформирователя, импульсный источник питания и нагрузку. В качестве источника питания использован спиральный ВМГ. В зависимости от того, где расположен струеформирователь, в конуре ВМГ или в контуре нагрузки, и куда направлены его струи, возможны четыре варианта выполнения данного устройства. Недостатком формирователя по прототипу также является относительно невысокий уровень достигнутого импульса напряжения (˜200 кВ). Это связано с ограничением величины сопротивления разрушаемого проводника при его разрезании диэлектрическими струями. Разрушаемый проводник неплотно прилегает к струегасителю, между ними остается воздушный зазор. За счет ударного воздействия от заряда ВВ воздух в зазоре ионизируется, возникает плазма, проводимость которой и ограничивает величину сопротивления проводника при его разрыве.

При создании данного изобретения решалась задача по созданию ВМФИН с такими уровнями напряжения, которые позволили бы использовать заявляемое устройство в современных установках мегавольтного уровня с передним фронтом импульса ≤1 мкс.

Техническим результатом при решении данной задачи является повышение уровня выходного напряжения.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным взрывомагнитным формирователем напряжения, который содержит разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены диэлектрический струеформирователь с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, и диэлектрический струегаситель, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, расположенные со стороны струеформирователя, импульсный источник питания и нагрузку, в заявляемом формирователе, по меньшей мере, на одной поверхности разрушаемого проводника расположена прослойка из вязкого диэлектрика, удельное сопротивление которого выбрано из соотношения 10¹²Ом·м ≤ρ≤10¹³ Ом·м, обладающего кинематической вязкостью 75·10^-6м²/c≤ν≤2000^-6м²/c.

Материал прослойки из вязкого диэлектрика должен обладать хорошими электроизоляционными свойствами (пробивное напряжение не менее 20 МВ/м). Прослойка располагается, например, на поверхности разрушаемого проводника со стороны струегасителя. При расположении прослойки со стороны струеформирователя кумулятивные диэлектрические струи перед разрезанием разрушаемого проводника должны бы были разрезать и прослойку, что повышает требования к пробивному действию струй. Прослойка должна плотно прилегать к поверхности разрываемого проводника и к поверхности струегасителя. Наличие воздушных пузырьков в прослойке не допускается. Для предотвращения стекания участков прослойки с поверхностей разрушаемого проводника материал прослойки должен быть вязким. Кинематическая вязкость ν материала должна быть в пределах 75·10^-6...2000·10^-6 м²/с. Для обеспечения необходимой величины сопротивления при разрезании разрушаемого проводника кумулятивными струями материал прослойки должен обладать величиной объемного удельного сопротивления ρ в пределах 10¹²...10¹³ Ом·м.

На чертеже изображен заявляемый взрывомагнитный формирователь импульса напряжения, где показано:

1 - разрушаемый проводник;

2 - диэлектрический струеформирователь;

3 - кумулятивные выемки;

4 - диэлектрический струегаситель;

5 - первый токопровод;

6 - второй токопровод;

7 - импульсный источник питания;

8 - нагрузка;

9 - заряд ВВ;

10 - система инициирования;

11 - прослойка из вязкого диэлектрика;

12 - накопительная индуктивность источника;

13 - разрядник.

Проведенные исследования показали, что толщина прослойки вязкого диэлектрика должна составлять 1...5 толщин разрушаемого проводника, а для обеспечения времени формирования импульса напряжения ≤1 мкс толщина разрушаемого проводника должна быть 0,01...0,1 мм.

В примере реализации заявляемого ВМФИН, опытный образец которого был изготовлен и испытан, разрушаемый проводник выполнен из алюминиевой фольги толщиной 0,02 мм, шириной 200 мм и длиной 700 мм.

Струеформирователь был выполнен из оргстекла, кумулятивные выемки в сечении имели треугольную форму с углом при вершине 20°, глубина кумулятивной выемки составляла 1,5 мм; шаг нарезки кумулятивных выемок был равен 1,5 мм. Струегаситель был выполнен из оргстекла.

В качестве материала прослойки из вязкого диэлектрика был выбран кремнеорганический вазелин, электротехнические параметры которого удовлетворяли всем вышеизложенным требованиям. Толщина прослойки из вазелина составляла 30 мкм. В качестве источника питания в ВМФИН был использован спиральный взрывомагнитный генератор (ВМГ) диаметром 80 мм. Источник питания 7 соединялся с разрушаемым проводником 1 и накопительной индуктивностью 12 с помощью первого токопровода 5 и второго токопровода 6. Накопительная индуктивность составила 5 мкГн. Заряд ВВ 9 был выполнен в форме цилиндра диаметром 400 мм и высотой 60 мм, задействие которого осуществлялось в центре по оси с помощью системы инициирования 10 (электродетонатор с подрывной установкой).

В качестве нагрузки было использовано сопротивление величиной 50 Ом.

Подключение нагрузки происходило через разрядник с расчетным пробивным напряжением ˜100 кВ. Результаты испытания показали, что в нагрузке был сформирован импульс напряжения амплитудой ˜600 кВ с фронтом нарастания ˜0,1 мкс. Величина тока в нагрузке составляла ˜30 кА.

Работает заявляемое устройство следующим образом.

Задействуется импульсный источник питания 7 (взрывомагнитный генератор), который обеспечивает ток в накопительной индуктивности 12 источника питания. Срабатывание системы инициирования 10 заряда ВВ 9 осуществляется таким образом, чтобы схлопывание кумулятивных выемок 3 в струеформирователе 2 под действием ударной волны от заряда 9 происходило в момент максимального значения тока в источнике питания. Накопительная индуктивность 12 введена для повышения надежности устройства. При формировании высоковольтного импульса возможен электрический пробой выхода источника питания между первым 5 и вторым 6 токопроводами, что может привести к уменьшению амплитуды формируемого импульса напряжения. При наличии накопительной индуктивности большая часть магнитного потока в конце работы импульсного источника питания (взрывомагнитного генератора) переходит в накопительную индуктивность и электрический пробой между токопроводами 5 и 6 не приводит к снижению амплитуды напряжения в нагрузке.

При схлопывании кумулятивных выемок 3 возникают диэлектрические кумулятивные струи, которые разрезают разрушаемый проводник 1 и внедряются в прослойку из вязкого диэлектрика 11 с высокими диэлектрическими свойствами, в которой нет воздушных включений, и поэтому под действием ударной волны не происходит образования воздушной плазмы с относительно хорошими проводящими свойствами (1...10 Ом^-1 см^-1). Для получения однородного разрезания разрушаемого проводника по всей его поверхности требуется высокая симметрия выхода детонационного фронта на поверхность струеформирователя (асимметрия выхода детонационной волны на цилиндрическую поверхность не должна превышать ˜0,1 мкс). Ухудшение симметрии детонационного фронта приводит к уменьшению выходных характеристик устройства. Многократное разрезание разрушаемого проводника приводит к разрыву электрического контура накопителя, возникает ЭДС самоиндукции, которая обеспечивает электрический пробой разрядника 13 и формирует в нагрузке импульс напряжения ˜600 кВ с фронтом нарастания ˜0,1 мкс.

Таким образом, по сравнению с прототипом в заявляемом ВМФИН удалось повысить уровень выходного напряжения до 600 кВ.

Взрывомагнитный формирователь импульса напряжения относится к области электротехники, в частности к формированию импульса напряжения с помощью переключателя, приводимого в действие взрывом. Изобретение может быть использовано в плазменной, рентгеновской и СВЧ-технике. Техническим результатом является повышение уровня выходного напряжения. Технический результат достигается за счет того, что в формирователе, содержащем разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены диэлектрический струеформирователь с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, и диэлектрический струегаситель, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, расположенные со стороны струеформирователя, импульсный источник питания и нагрузку, по меньшей мере, на одной поверхности разрушаемого проводника расположена прослойка из вязкого диэлектрика с удельным электрическим сопротивлением ρ и c кинематической вязкостью ν, выбранными в соответствии с соотношениями 10¹² Ом·м≤ρ≤10¹³ Ом·м, 75·10^-6 м²/с≤ν≤2000·10^-6 м²/с. 1 ил.

Взрывомагнитный формирователь импульса напряжения, содержащий разрушаемый проводник, по разные стороны от которого расположены диэлектрический струеформирователь с кумулятивными выемками на поверхности, обращенной к разрушаемому проводнику, и диэлектрический струегаситель, заряд взрывчатого вещества с системой инициирования, расположенные со стороны струеформирователя, импульсный источник питания и нагрузку, отличающийся тем, что, по меньшей мере, на одной поверхности разрушаемого проводника расположена прослойка из вязкого диэлектрика с удельным электрическим сопротивлением ρ и с кинематической вязкостью ν, выбранными в соответствии с соотношениями:

10¹²Ом·м≤ρ≤10¹³Ом·м

75·10^-6 м²/с≤ν≤2000 10^-6м²/c.