ВЗРЫВОМАГНИТНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ГЕНЕРИРОВАНИЯ МОЩНОГО ИМПУЛЬСА ЭНЕРГИИ Российский патент 2015 года по МПК H02N11/00 

Изобретение относится к области импульсной техники, на основе магнитной кумуляции энергии, т.е. быстрого сжатия магнитного потока с помощью металлической оболочки, разгоняемой ударной волной взрывчатого вещества (ВВ). Данная система может быть использована для формирования сильноточных и высоковольтных импульсов тока и напряжения, для создания направленных потоков излучения (рентген, нейтроны и т.п.), для питания плазмодинамических нагрузок (устройств с «плазменным фокусом», магнитоплазменных компрессоров), ускорителей релятивистских электронов и т.п.Тем самым система может быть использована как экспериментальный инструмент для изучения физико-химических свойств материалов в различных экстремальных условиях.

Известна взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, см. сборник научных трудов ″Мегагауссная и мегаамперная импульсная технология и применения″ / Под редакцией В.К. Чернышева, В.Д. Селемира, Л.Н. Пляшкевича - г. Саров, ВНИИЭФ, 1997, рис. 2а, стр. 269.

Устройство состоит из спирального взрывомагнитного генератора (СВМГ), содержащего центральную трубу и соосно расположенную с ней спираль, основной заряд ВВ в центральной трубе, изолятор на выходе СВМГ с коаксиальной полостью (индуктивный накопитель СВМГ). Внутри полости размещен формирователь струй. В центре под полостью расположен протяженный центральный конический заряд ВВ с фокусирующей системой, внутри металлической трубы которой имеется цилиндрический заряд ВВ, торцом соприкасающийся с торцом основного заряда ВВ. Нагрузка зашунтирована коаксиальной металлической фольгой (разрываемым проводником) индуктивного накопителя СВМГ. Работает взрывомагнитная система следующим образом. После создания начального магнитного потока в СВМГ и в индуктивном накопителе СВМГ происходит сжатие начального магнитного потока. При этом сжатие магнитного потока производят в металлическом контуре взрывомагнитного генератора (ВМГ) путем его деформирования расходящейся ударной волной от ВВ с постепенным уменьшением размеров полости, что приводит к вытеснению магнитного потока в изолятор, расположенный на выходе СВМГ, и в коаксиальную полость, образующих индуктивный накопитель для СВМГ, а следовательно, также к усилению в нем магнитной энергии. В момент окончания работы СВМГ происходит выведение магнитной энергии в нагрузку, зашунтированную коаксиальной металлической фольгой индуктивного накопителя СВМГ. Фольга резко изменяет свое сопротивление в процессе разрушения ее диэлектрическими струями, образованными с помощью формирователя струй, размещенного внутри полости. Формирование струй начинается после полного подрыва расположенного внутри под полостью протяженного центрального конического заряда ВВ с помощью фокусирующей системы. При этом необходимо соблюдения условия, чтобы на всю наружную поверхность данного заряда детонационная волна выходила одновременно без задержек. Основная функция фокусирующей системы, состоящей из металлической трубы, заполненной цилиндрическим ВВ, и заключается в этом.

Недостатком данного устройства является то, что существует ряд существенных факторов (разноплотность в материалах оболочек и ВВ, наличие несоосности при расположении фокусирующей системы, разнотолщинность и т.п.), не дающих возможность на практике обеспечить быстрое и одновременное разрушение больших поверхностей фольги по длине и диаметру, что, в свою очередь, не позволяет в полном объеме увеличивать мощность генерируемого импульса и эффективную передачу энергии в нагрузку.

Кроме того, главный существенный недостаток данного устройства заключается в том, что затруднительно использовать разнообразные по габаритам металлические фольги в индуктивном накопителе с целью формирования различных значений напряжения. Так как подрыв фокусирующей системы происходит непосредственно от основного заряда ВВ, то использование, например, более удлиненной металлической фольги в индуктивном накопителе для СВМГ по сравнению с протяженным центральным коническим зарядом ВВ требует кардинально изменить всю фокусирующую систему. А в ряде случаев это может оказаться невозможным в заданных радиальных габаритах.

Также известна взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, см. сборник научных трудов ″Megagauss Magnetic Field Generation and Pulsed Power Applications″ / Ed / М / Cowan and R.S. Spielman -New York. Nova Science Publishers, 1994, fig. l, P. 481-488.

Устройство состоит из источника начальной запитки в виде спирального ВМГ (СВМГ), индуктивного накопителя для него, в качестве которого выступает линия с изолятором на выходе спирального генератора и многоэлементный кассетный дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ), содержащий кассеты с дисковыми зарядами ВВ, торцевые фланцы и центральную трубу, где с заданным шагом располагаются соосно с ней кассеты с ВВ. Внутри трубы имеется вспомогательный заряд ВВ, фокусирующая система (узел разводки детонации, обеспечивающий подрыв вспомогательного заряда ВВ изнутри по окружности строго в заданных местах), капсюль-детонатор, установленный за пределами генератора на торце фокусирующей системы со стороны нагрузки, которая также располагается за пределами дискового генератора.

Работает взрывомагнитная система следующим образом.

В устройстве выведение магнитной энергии в нагрузку происходит непосредственно в процессе работы кассетного ДВМГ, в котором запасена энергия от СВМГ. При этом длительность нарастания токового импульса в нагрузке определяется только временем работы ДВМГ либо может быть еще меньше. Так как дисковые генераторы являются наиболее сильноточными и быстроходными, то на выходе удается генерировать энергию большой мощности при условии, если происходит синхронный подрыв дисковых зарядов во всех кассетах. Кроме того, с целью дальнейшего обострения фронта токового импульса в нагрузке выход ДВМГ, непосредственно над всеми кассетами, может шунтироваться фольгой, которая многократно в процессе работы увеличивает свое сопротивление в результате электровзрыва от протекающего по ней электрического тока. В этом случае будут созданы условия для коммутирования (переброса) тока в нагрузку за короткий промежуток времени и получения еще более мощных импульсов электромагнитной энергии.

Недостатком данного устройства является трудность в обеспечении одновременного многоточечного выхода детонации в фокусирующей системе при использовании узла разводки детонации для подрыва всех дисковых зарядов. Для осуществления многоточечного подрыва, необходимо создать многоярусный сложно-разветвленный путь для взрывчатого вещества в узле разводки. Разновременность выхода детонации к дисковым зарядам ВВ возникает, из-за набегающего различия в геометрических размерах путей к местам подрыва и некоторого отличия в физико-химических свойствах ВВ на этих протяженных путях. Это в свою очередь, не позволяет обеспечить синхронный подрыв сразу всех дисковых зарядов ВВ, и, как результат, снижает надежность стабильной работы взрывомагнитной системы из-за отличия выходных рабочих параметров от ожидаемых.

Кроме того, другой существенный недостаток заключается в том, что возможно использование только определенного количества кассет в ДВМГ в заданных радиальных габаритах фокусирующей системы, что не позволяет увеличить электрическую мощность генерируемого импульса. Обусловлено это тем, что создание большего количества выходов детонации в ней ограничено конструктивными особенностями взрывного узла разводки детонации.

Наиболее близким к заявляемому является взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, см. Proceedings of the Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics / Edited V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich. - Sarov, VNIIEF, 2004. - «Results of The Joint VNIIEF / LANL Experiment ALT-2 Modeling The ″Atlas″ Facility Parameters By Means of Disk EMG», Fig. 1, P. 752-756.

Устройство по прототипу состоит из источника начальной запитки в виде спирального ВМГ (СВМГ) со взрывным коммутатором (замыкающий ключ, отключающий СВМГ), многоэлементного дискового взрывомагнитного генератора (ДВМГ), содержащего два торцевых дисковых металлических фланца, между которыми размещены однотипные элементы с дисковыми зарядами взрывчатого вещества (ВВ), коаксиально расположенные внутри электровзрывного размыкателя тока (ЭВРТ), который шунтирует выход данного генератора, осесимметричную передающую линию от ЭВРТ к нагрузке, а также замыкающего ключа, подключающего данную нагрузку.

Операцию сжатия начального магнитного потока сначала осуществляют в полости СВМГ с вытеснением его в полость ДВМГ по передающей подводящей линии, на выходе которой имеется взрывной коммутатор. На заключительной стадии работы СВМГ происходит подрыв электродетонаторов (ЭД), инициирующих ВВ в центральной части дисковых зарядов и во взрывном коммутаторе, который закорачивает электрический контур коаксиальной передающей подводящей линии, и, тем самым, отключает СВМГ и обеспечивает работу ДВМГ непосредственно только на ЭВРТ за счет наличия на периферии вдоль окружности надежных электрических контактов двух торцевых фланцев с ЭВРТ. Количество ЭД в элементах зависит от количества используемых в них дисковых зарядов ВВ. При работе ДВМГ за сравнительно малое время, определяемое в основном временем прохождения детонации по дисковому заряду ВВ, происходит в основном деформирование всего его рабочего контура, а именно, сжатие практически всех полостей, где сосредоточена основная часть магнитного потока, после срабатывания СВМГ. Таким образом, обеспечивается высокая мощность дисковых генераторов. Но, так как выход ДВМГ дополнительно еще зашунтирован фольгой, сопротивление которой многократно увеличивается (в сотни раз) в результате протекающего по ней электрического тока, то происходит значительное уменьшение (обострение) по сравнению с полным временем работы ДВМГ длительности фронта токового импульса в нагрузке, подключаемой с помощью замыкающего ключа, расположенного на входе осесимметричной передающей линии к нагрузке, в момент окончания работы ДВМГ. Хотя при этом значение выходной энергии уменьшается, но передача ее в нагрузку осуществляется за короткий промежуток времени (кратное значение уменьшения длительности фронта импульса превалирует над кратным значением уменьшения энергии в нагрузке), что в конечном итоге и обеспечивает генерирование более мощного импульса в рассматриваемом устройстве.

Недостатком устройства по прототипу является невозможным использовать очень тонких фольг (≤0,10 мм) при работе с ДВМГ, которые являются наиболее сильноточными из всех существующих взрывомагнитных источников, т.к. они способны генерировать токовые импульсы с амплитудами в десятки-сотни мегаампер.

Очень тонкая фольга в процессе работы будет более существенно деформироваться магнитным полем, увеличивая, тем самым, индуктивность полости нагрузки под ЭВРТ, что приводит в первую очередь к уменьшению выходных электрических параметров данной взрывомагнитной системы. Кроме того, в местах ее крепления к торцевым фланцам может произойти еще и ухудшение электрических контактов до того момента пока закончит работать данный ДВМГ, а, это, все в конечном итоге, приводит к ненадежной работе взрывомагнитной системы для генерирования мощного импульса энергии, т.к. будет невозможно гарантированно получать требуемые выходные параметры. Как следует из большого количества экспериментальных данных, эффективный электровзрыв фольги в ДВМГ происходит, когда плотность потока электромагнитной энергии через фольгу (Вектор Пойтинга) порядка 10 ТВт/м². При этом напряженность магнитного поля обычно бывает (40-50) МА/м, что соответствует очень большому давлению магнитного поля на металлическую поверхность ~10000 атм.

Во-вторых, невозможность использования очень тонких фольг в данной взрывомагнитной системе заключается также в том, что, если бы все-таки удалось уменьшить толщину фольги в разы, то в данном устройстве это бы привело к значительному возрастанию электрических потерь из-за большого переменного сопротивления в контуре ДВМГ, что, в свою очередь, это повлияло бы на эффективную работу всего устройства, а, в ряде случаев, даже не позволило бы обеспечить усиление энергии при работе такого генератора. Поэтому, обычно приходиться использовать для электровзрыва более массивные фольги толщиной 0,2-0,4 мм, чтобы несколько уменьшить их смещение магнитным полем и начальное сопротивление.

При создании данного изобретения решалась задача разработки взрывомагнитной системы для генерирования мощного импульса энергии, работающей более надежно и эффективно по сравнению с аналогами (позволяющей сократить время на электровзрыв фольгового размыкателя и, тем самым, увеличить амплитуду тока и напряжения в нагрузке).

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в повышении мощности импульса энергии в нагрузке и надежности работы заявленной системы путем увеличения амплитуды импульса тока и напряжения, стабильности результатов и сокращения длительности импульса за счет более эффективной работы взрывомагнитной системы.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что по сравнению с известной взрывомагнитной системой, включающей последовательно подключенные источник начальной энергии, многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ), содержащий два торцевых дисковых металлических фланца, между которыми размещены однотипные элементы с дисковыми зарядами взрывчатого вещества (ВВ), коаксиально расположенные внутри электровзрывного размыкателя тока (ЭВРТ), который имеет цилиндрическую поверхность и шунтирует выход ДВМГ, осесимметричную передающую линию от ЭВРТ к нагрузке, а также замыкающий ключ, подключающий данную нагрузку, в заявляемой взрывомагнитной системе для генерирования мощного импульса энергии предложено новое компоновочное решение, где над каждым элементом с дисковым зарядом ВВ размещено пустотелое металлическое кольцо прямоугольного сечения с изолированным зазором величиной 5 между ним и ЭВРТ, для предотвращения электрического пробоя между пустотелым металлическим кольцом и ЭВРТ от напряжения, проявляющимся при электровзрыве ЭВРТ, причем δ<<(D_НЭ)/2, где D_НЭ - наружный диаметр элемента с зарядом ВВ и Δ - радиальный размер пустотелого металлического кольца, а наружный диаметр пустотелого металлического кольца выбран из условия, чтобы общая индуктивность накопительной полости под ЭВРТ, включающая в себя индуктивность зазора δ между пустотелыми металлическими кольцами и ЭВРТ и индуктивности радиальных щелей между пустотелыми металлическими кольцами и между крайними пустотелыми кольцами и двумя крайними торцевыми дисками, была сохранена на прежнем уровне, ширина пустотелого металлического кольца выбрана, по крайней мере, не меньше, чем ширина элемента, а толщина стенки у пустотелого металлического кольца, по меньшей мере, на порядок больше, чем общая толщина проводящих слоев в ЭВРТ, ЭВРТ содержит один или несколько проводящих слоев, причем во всех случаях общая толщина проводящих слоев в ЭВРТ уменьшается пропорционально коэффициенту, определяемому, как (D_НЭ+2Δ+2δ)/(D_НЭ+2δ) при сохранении массы и начального сопротивления всех проводящих слоев.

При этом допускается два способа расположения пустотелого металлического кольца: электрически соединенного с элементом с ВВ и не соединенного с элементом, когда они отделены друг от друга тонкой диэлектрической пленкой, чтобы паразитная индуктивность данного зазора была минимальной и осуществлялась хорошая трансформаторная связь (~100%) между элементом с ВВ и пустотелым металлическим кольцом для эффективной работы данной системы импульсной мощности.

Первый способ позволяет обеспечить надежный электрический контакт между элементами с ВВ и пустотелыми металлическими кольцами, хотя при этом конструкция становиться достаточно громоздкой, что несколько усложняет монтаж взрывомагнитной импульсной системы мощности.

Второй способ позволяет непосредственно использовать уже отдельные элементы с ВВ, применяемые, например, в прототипе. В этом случае только требуется, без переделывания конструкции элемента с ВВ, изготовить дополнительно пустотелые металлические кольца нужного размера, которые в дальнейшем будут располагаться над элементами, изолированными тонкой пленкой. При этом не требуется электрический контакт между элементами с ВВ и пустотелыми кольцами. Использование тонкой пленки практически не должно сказаться на работе источника, т.к. в данном случае можно организовать хорошую (≈100%) трансформаторную связь из-за очень малой толщины зазора между элементами и пустотелыми кольцами и иметь паразитную индуктивность значительно меньше индуктивности, на которую работает ДВМГ. Кроме того, данный подход позволяет в процессе монтажа генератора работать поочередно с отдельными блоками устройства.

Для эффективной работы ДВМГ должно выполняться условие δ<<(D_НЭ/2).

В предлагаемом техническом решении индуктивность части накопительной полости, связанная с величиной зазора под ЭВРТ, который одинаков с зазором в прототипе, имеет несколько меньшую индуктивность, чем в прототипе. Тем самым, это позволяет сохранить на прежнем уровне общее значение индуктивности всей накопительной полости в заявляемом устройстве, как в прототипе, т.к. оставшаяся «сэкономленная» часть индуктивности будет приходиться на индуктивность радиальных щелей между пустотелыми металлическими кольцами и между крайними пустотелыми кольцами и двумя крайними торцевыми дисками. Поэтому, к полости, определяемой величиной зазора δ, будет приложено меньшее напряжение, чем в прототипе (где данная полость является уже полностью накопительной), из-за того, что общее напряжение будет в предлагаемом техническом решение распределено между индуктивностями, относящимися к зазору и радиальным щелям. В новом компоновочном решение имеется дополнительный запас электропрочности зазора. Тем самым, открывается возможность осуществления электровзрыва уже с большим напряжением, за счет увеличения сопротивления электровзрыва, чем в прототипе, т.е. достигнуть увеличения мощности импульса в нагрузке и сокращения длительности импульса за счет более эффективной работы взрывомагнитной системы для генерирования мощного импульса энергии.

В дисковых ВМГ обычно максимальный диаметр (D_max) больше минимального диаметра (D_min) полости сжатия магнитного потока в 5-10 раз. Известно, что для эффективной работы ДВМГ должно выполнятся следующее условие: индуктивность нагрузки (L_H) для генератора должна быть много меньше индуктивности всех полостей сжатия магнитного потока в ДВМГ (L_дмкг): L_H<<L_дмкг. В случае прототипа индуктивность нагрузки определяется, в основном, коаксиальной полостью под фольгой, которая, исходя из соблюдения электропрочностных свойств зазора, должна быть такой же толщиной, как в заявляемом устройстве - δ. Обычно в ДВМГ кассеты с ВВ занимают (20-50)% от общей высоты рабочего объема ДМКГ, в зависимости от профиля кассет с ВВ.

Так как для прототипа справедливо условие L_H<<L_дмкг, распишем его, исходя из того, что нагрузка и полости сжатия магнитного потока являются коаксиалами, следующим образом: (µ₀/2π)l(ln(D_НЭ+2δ)/(D_НЭ))<<(µ₀/2π)l(0,65)(Ln(D_max/D_min)), где l - общая длина коаксиального зазора под фольгой, 0,65 - доля в процентном отношении средней ширины всех полостей сжатия магнитного потока в ДВМГ от общей длины коаксиального зазора.

Для минимального значения отношений диаметров, равного 5, будет справедливо следующее значение l(0,65)(ln(D_max/D_min))=1,05l. Следовательно, для выполнения неравенства необходимо, чтобы (ln(D_НЭ+2δ)/(D_НЭ))=ln(1+2δ/D_НЭ) было много меньше 1.

Это получается достаточно точно, когда 2δ/D_НЭ<<1.

Таким образом, получается, δ<<D_НЭ/2.

Использование пустотелых металлических колец позволяет при размещение ЭВРТ на больших диаметрах сохранить на прежнем уровне конечную индуктивность контура, на которую работает ДВМГ. Так, например, увеличение в два раза (за счет пустотелого металлического кольца) радиального размера хорошо известного малогабаритного дискового генератора ДВМГ-240, у которого диаметр элемента с ВВ - 260 мм, диаметр ВВ -240 мм, ширина радиальной щели на выходе между соседними элементами с ВВ - 2 мм, высота элемента - 48 мм, ЭВРТ расположен на диаметре 274 мм и толщина радиального зазора между фольгой и периферийным диаметром элемента - 7 мм. не приводит к увеличению индуктивности накопительной полости для предлагаемой взрывомагнитной системы для генерирования мощного импульса энергии.

Толщина стенки у пустотелого кольца должна быть, по меньшей мере, на порядок больше, чем толщина фольги в ЭВРТ для того, чтобы при работе ДВМГ толщина скин-слоя была меньше толщины стенки, чтобы уменьшить омические потери в контуре, и предотвратить деформацию стенок в кольце, которая привела бы к увеличению индуктивности контура, на который работает ДВМГ, что сказалось бы на эффективности работы данной взрывомагнитной системы. При этом для определения толщины стенки надо учитывать следующее. Например, если взрывомагнитный генератор работает 25 мкс, то толщина скин-слоя в медном проводнике будет ~0,5 мм. Тем не менее, толщина стенки у пустотелого кольца должна быть не меньше 1 мм, если общая толщина проводящих слоев в ЭВРТ будет 0,1 мм. Это позволяет устранить смещение стенок кольца под действием магнитного поля в процессе работы ДВМГ, т.к. их толщина будет много больше толщины проводящих слоев ЭВРТ, для которого допускается смещение при работе ДВМГ в радиальном направлении на 1-2 мм из-за отсутствия прочностных свойств у такого цилиндрического ЭВРТ и малой массы.

Переход на больший диаметр позволяет уменьшить линейную плотность тока через ЭВРТ и ослабить давление магнитного поля на проводник. При использовании проводника, например, расположенным на диаметре в полтора раза большем, чем в прототипе, общая толщина данного проводника также должна быть уменьшена в полтора раза в полном соответствии с коэффициентом, определяемым, как (D_НЭ+2Δ+2δ)/(D_НЭ+2δ), чтобы сохранить прежними массу и начальное сопротивление всех проводящих слоев, образующих этот проводник. Кроме того, имеется еще и дополнительное преимущество, т.к. происходит уменьшение воздействия давления магнитного поля на ЭВРТ в полтора раза по сравнению с прототипом. Использование более тонкой фольги могло бы обеспечить наиболее быстрый и равномерный электровзрыв сразу всей ее массы с увеличением конечного значения его сопротивления. Это, в свою очередь, обеспечит стабильность результатов, повысит надежность работы заявляемой системы и увеличит мощность электромагнитного импульса в нагрузке, т.к. данная фольга будет значительно меньше деформироваться, что позволит более гарантировано уменьшить ее растяжение и предотвратить ее разрыв в местах крепления, а также осуществить более быстрый и равномерный электровзрыв проводника ЭВРТ.

Многослойный ЭВРТ образован, по меньшей мере, двумя цилиндрическими проводящими слоями, размещенными друг в друге и изготовленными или из цельной фольги, или из отдельных проводников (проволочки, отдельные цилиндрические сегменты фольги), расположенных вдоль образующих этих цилиндров, либо непрерывной рулонной навивкой металлической фольги, по меньшей мере, чем в два оборота. Навивка многослойного ЭВРТ более тонкой фольгой, по сравнению с однослойным, позволяет более точно подобрать при переходе на требуемый диаметр нужное сопротивление и массу для эффективной работы ЭВРТ.

Все проводящие слои ЭВРТ могут быть разделены диэлектриком. На концах все проводящие слои электрически соединены с торцевыми дисковыми металлическими фланцами, при этом диэлектрик имеет длину, по крайней мере, не меньше, чем суммарная ширина всех элементов с дисковыми зарядами ВВ. Использование слойки, собранной из постоянно чередующих слоев диэлектрика и металла, как показали экспериментальные исследования, позволяет получить более лучшие разрывные характеристики промежутка, особенно, при использовании для навивки очень тонкой фольги, отличающейся толщиной, по крайней мере, в десять раз и более, по сравнению с общей толщиной используемого проводника в ЭВРТ. В этом случае обеспечивается формирование более высокого импульса напряжения (в разы) и, как следствие, большая мощность у импульсной системы. Механизм разрушения такой многослойной фольги оказался отличен от разрушения монолитного слоя. Связано это вероятно с тем, что в тонких слоях взрыв сопровождается более быстрым их разрушением на существующих неоднородностях, разнотолщинностях, а также и турбулентным перемешиванием взорванного слоя с материалом диэлектрика.

Проводящие слои ЭВРТ могут быть выполнены, по крайней мере, из двух разных металлов, причем их удельная проводимость уменьшается в радиальном направлении.

Использование таких проводников обеспечивает возможность управления параметрами импульса (формы и амплитуды) за счет специального подобранного алгоритма работы электровзрывного формирователя импульса тока, изменяя в достаточно широком диапазоне его конструктивные параметры.

Выход ДВМГ может быть зашунтирован, по меньшей мере, одним внутренним проводящим слоем, при этом остальные проводящие слои с одного конца электрически соединены с одним из торцевых дисковых металлических фланцев, а с другого -разделены диэлектриком, и поочередное соединение проводящих слоев, у которых масса каждого последующего слоя будет, по меньшей мере, на порядок меньше, чем предыдущего, со вторым торцевым дисковым металлическим фланцем и подключение нагрузки к ДВМГ происходит с помощью, по меньшей мере, одного замыкающего ключа, который может срабатывать от отдельного заряда ВВ, расположенного в нем, или в результате работы крайнего элемента с зарядом ВВ в ДВМГ.

Отличительным существенным признаком таких ЭВРТ является то, что все цилиндрические проводники изолированы друг от друга, имеют с одной стороны открытые изолированные концы, где каждый последующий слой ЭВРТ электрически не связан с предыдущим до момента создания в этом месте надежного контакта. Тем самым обеспечивается повышение напряженности электрического поля на поверхности взрываемого проводника, т.к. ударная волна распространяется не в воздухе, а в толще диэлектрика и развитие электрической дуги затруднено. Рост мощности в нагрузке от источника обусловлен, таким образом, увеличенным напряжением на ЭВРТ, увеличенной площадью токонесущей поверхности цилиндрических проводников, увеличенным числом электрически взрываемых слоев, тем, что сопротивление каждого предыдущего слоя на порядок меньше, а масса на порядок больше, чем последующего по направлению от ввода к выводу, что достигается использованием как однородных металлов в слоях, так и металлов с различной удельной проводимостью. Соотношения масс и сопротивлений проводящих слоев ЭВРТ обеспечивают условия согласования источника тока с нагрузкой, путем эффективного взрыва каждого проводящего слоя с меньшими потерями энергии. Сопротивление последующего проводящего слоя выбрано большим на порядок, а масса меньше, чтобы после подключения данного слоя замыкающим ключом взрыв его происходил за существенно меньшие времена, как минимум, на порядок.

Осесимметричная передающая линия может быть зашунтирована со стороны ДВМГ, по меньшей мере, одним проводящим слоем ЭВРТ. Предварительное до начала работы ДВМГ соединение последнего слоя ЭВРТ с контуром нагрузки позволяет при подключение этого последнего слоя к предыдущему на заключительной стадии работы генератора обеспечить также высокую мощность устройства, т.к. из-за использования очень тонкой фольги, обладающей сравнительно высоким сопротивлением и малой массой, электровзрыв будет происходить за сравнительно очень малый промежуток времени и, поэтому, передний фронт токового импульса в нагрузке будет в основном определяться временем электровзрыва этого слоя, что практически позволяет во многих случаях не использовать замыкающий ключ в контуре нагрузки для дальнейшего обострения этого токового импульса.

Чтобы на работу источника до определенного момента времени не влияли последующие слои ЭВРТ необходимо использовать замыкающие ключи, срабатывающие от отдельных зарядов ВВ. Электрический контакт между близлежащими слоями можно осуществлять с помощью индивидуальных замыкающих ключей, использующих для этих целей отдельные замыкающие ключи, срабатывающие от отдельных зарядов ВВ, либо с помощью только одного такого замыкающего ключа. В идеальном случае наиболее выгодно для замыкания большого количества отдельных слоев ЭВРТ использовать отдельные замыкающие ключи. В этом случае их срабатывания обеспечивалось бы выбранным алгоритмом подрыва, используемых ЭД в таких коммутаторах, но это потребует использование большего количества подрывных установок и дополнительных подрывных магистралей, что не всегда возможно из-за различных условий эксплуатации взрывомагнитной системы.

Наличие замыкающего ключа, который срабатывает в результате работы крайнего элемента с зарядом ВВ в ДВМГ, между слоями не требует использования дополнительных зарядов ВВ и ЭД, что очень существенно при использовании данной взрывомагнитной системы, работающей на нагрузки, через которые нельзя прокладывать токовые магистрали для подрыва цепочек детонаторов, установленных в зарядах ВВ и в замыкающих ключах. В этом случае замыкание данных слоев осуществляется за счет использования только основного заряда ВВ из крайнего элемента. Подрыв его обеспечивает вначале разлет окружающих его металлических дисков, деформация которых продуктами детонации (ПД) обеспечивает усиление энергии в ДВМГ. После же подлета одного из дисков крайнего элемента к крайнему торцевому фланцу он начинает деформироваться в осевом и радиальном направлениях, обеспечивая тем самым либо постепенное последовательное подключение к нему отдельных открытых изолированных слоев ЭВРТ и нагрузки, либо непосредственно нагрузки, если ЭВРТ еще до работы ДВМГ подключен сразу к этому фланцу, либо нагрузки, к которой заранее подключен последний слой ЭВРТ, либо один такой ключ постепенно подключает все слои, а другой такой ключ со стороны другого фланца подключает нагрузку. Обеспечение заданной динамики деформации фланца и передавливания изоляторов обеспечивается подбором в месте замыкания толщин фланца, изоляторов, а также толщинами и профилями промежуточных дисковых вставок, каждая их которых соединена с отдельным своим слоем ЭВРТ.

Отсутствие дополнительных зарядов ВВ и ЭД в замыкающем ключе, срабатывание которого обеспечивается работой крайнего элемента с зарядом ВВ в ДВМГ повышает надежность работы такой импульсной системы, и, как следствие, позволяет получать стабильные результаты и использовать ее в таких экспериментах, как, например, получение рентгеновских импульсов при обжатии к центру лайнерных сборок.

Все эти рассмотренные выше условия, относящие к предлагаемой взрывомагнитной системе, позволяют обеспечить ее более надежную работу и повысить ее мощность за счет обеспечения более стабильных результатов и увеличения импульса тока и напряжения в нагрузке.

На Фиг. 1 изображена заявляемая взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, где 1 - взрывомагнитный источник начальной энергии (спиральный взрывомагнитный генератор); 2 - взрывной коммутатор; 3 - ДВМГ; 4 -передний торцевой дисковый металлический фланец, 5 - задний торцевой дисковый металлический фланец, 6- элементы с дисковыми зарядами ВВ (кассеты); 7- ЭВРТ, подключенный к двум торцевым дисковым фланцам; 8 - пустотелое металлическое кольцо прямоугольного сечения; 9 - изолированный зазор между ЭВРТ и пустотелым металлическим кольцом прямоугольного сечения; 10 - осесимметричная передающая линия от ЭВРТ к нагрузке; 11 - нагрузка; 12 - замыкающий ключ, который срабатывает от отдельного заряда ВВ; 13 - заряд ВВ; 14 - изолятор в замыкающем ключе; 15 -система инициирования (СИ) во взрывном коммутаторе 2, отключающем СВМГ; 16 - ВВ во взрывном коммутаторе; 17 - ЭД в ДВМГ; 18 - СИ замыкающего ключа 12 (взрывной замыкающий ключ).

На Фиг. 2 приведена взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, в которой использование одного взрывного замыкающего ключа позволяет подключать как второй проводящий слой 19 ЭВРТ, отделенный от первого слоя 7 ЭВРТ зазором с диэлектриком 20, так и нагрузку 11.

На Фиг. 3 приведена взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, в которой между пустотелым металлическим кольцом прямоугольного сечения 8 и отдельным элементом с дисковым зарядом ВВ 6 имеется зазор, который обеспечивается тонкой диэлектрической пленкой 21.

На Фиг. 4 приведена взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, в которой подключение тонкого второго проводящего слоя ЭВРТ 19, и нагрузки 11 происходит в результате использования замыкателя 22 (динамический замыкатель), приводящегося в действие энергией взрыва ВВ 23 от крайнего элемента с ВВ 6 и который последовательно замыкает между собой задний торцевой фланец 5 ДВМГ, дополнительный дисковый электрод 24, соединенный со вторым слоем 19 ЭВРТ и нагрузку 11, подключенную к внешнему дисковому электроду 25 динамического замыкателя 22.

На Фиг. 5 приведен один из возможных вариантов взрывомагнитной системы для генерирования мощного импульса энергии, в которой подключение нагрузки 11 и поочередное соединение второго проводящего слоя 19, электрически подключенного к промежуточному электроду 26, с передним торцевым дисковым металлическим фланцем 4 и третьим проводящим слоем 27, шунтирующим со стороны ДВМГ осесимметричную передающую линию 10 и отделенного от второго слоя 19 с помощью изолятора 28, происходит с помощью отдельного замыкающего ключа 29, который срабатывает от отдельного заряда ВВ 30, расположенного в нем и подрываемого от СИ 31, либо подключение нагрузки будет происходить с помощью другого замыкающего ключа 12, размещенного на заднем торцевом дисковом металлическом фланце 5 и который может срабатывать от отдельного заряда ВВ 13, расположенного в нем и подрываемого от СИ 18.

В примере реализации взрывомагнитной системы в качестве взрывного источника с осевой системой инициирования заряда взрывчатого вещества был использован быстроходный трехэлементный дисковый генератор диаметром 240 мм с эффективным временем работы ~3 мкс и выходной энергией в мегаджоульном диапазоне. На диаметре 528 мм располагался длиной 150 мм первый цилиндрический проводящий слой ЭВРТ, разделенный со вторым проводящим слоем пленочным изолятором. Толщина первого медного слоя ЭВРТ была ~0,1 мм, а второго ~0,01 мм. При этом δ=5 мм, наружный диаметр элемента с зарядом ВВ D_НЭ=252 мм и радиальный размер пустотелого металлического кольца Δ=133 мм. D_НЭ+2Δ=518 мм. ДВМГ был запитан начальным током ~5,3 МА. Индуктивность накопительной полости под ЭВРТ, включающая в себя индуктивность зазора 6 между пустотелыми металлическими кольцами и ЭВРТ (0,57 нГн) и индуктивности радиальных щелей (0,923 нГн) между пустотелыми металлическими кольцами, а также между крайними пустотелыми кольцами и двумя торцевыми дисками, была ~1,6 нГн, а индуктивность нагрузки - 1,15 нГн. При создании данной взрывомагнитной системы не ставилась задача минимизации индуктивности полости между слоями ЭВРТ, т.к. она создавалась на базе уже готовой взрывомагнитной системы, в которой использовался однослойный ЭВРТ. Поэтому часть нагрузочной полости была использована для размещения второго слоя ЭВРТ (промежуточная индуктивность между слоями ЭВРТ была ~0,5 нГн), что сказалось на уменьшении выходных характеристик импульса.

Нагрузка и второй слой подключались на ~13,5 мкс с момента начала работы ДВМГ. (Здесь использовался замыкающий ключ, подключающий нагрузку, зашунтированную заранее вторым слоем.) В нагрузке был получен токовый импульс амплитудой 27 МА с полным временем нарастания 1 мкс, при этом τ_0,1-0,9, было порядка 0,3 мкс. Когда же ДВМГ работал на индуктивную нагрузку 1,65 нГн через однослойную фольгу толщиной 0,1 мм, был получен в нагрузке ток 32 МА с τ_0,1-0,9 порядка 1,2 мкс. Таким образом, при использовании двухслойного ЭВРТ, у которого масса первого слоя больше в 10 раз массы второго слоя, получен в нагрузке импульс с мощностью порядка 1,7 ТВт, а при использовании однослойного ЭВРТ был получен импульс мощностью меньше примерно в 1,9 раз, т.е. ~0,9 ТВт.

При проведении взрывного эксперимента взрывомагнитная система сработала стабильно и в соответствии со штатным режимом, что в первую очередь было связано с размещением ЭВРТ на большем, чем в два раза диаметре, по сравнению с взрывомагнитной системой, созданной на базе однослойной фольги и выбранной в качестве прототипа. Так как ДВМГ выдавал максимальный ток ~44 МА, давление магнитного поля на двухслойный ЭВРТ было примерно в 4 раза меньше, чем давление, воздействующее на однослойный ЭВРТ. Все это увеличивало надежность работы заявленной системы и обеспечило увеличение мощности излучаемого импульса.

Работает данное устройство следующим образом. В контуре спирального взрывомагнитного генератора создается начальный магнитный поток. В момент его максимума происходит подрыв с торца заряда ВВ, расположенного в центральной трубе СВМГ. К концу работы СВМГ, который запитывает ДВМГ, происходит подрыв цепочек электродетонаторов систем инициирования 15, 18 от высоковольтных источников питания. Подрыв СИ (цепочка ЭД) 17 приводит к одновременному инициированию всех дисковых зарядов 23, после чего начинает работать дисковый взрывомагнитный генератор 3. В заданный момент времени происходит подрыв СИ 15, расположенной во взрывном коммутаторе 2, чтобы закоротить подводящую к ДВМГ линию в момент максимума тока СВМГ. Вытеснение магнитного потока от ДВМГ в наружную полость, закороченную на периферии фольговым электровзрывным размыкателем тока 7 происходит быстро и обеспечивает эффективный его электровзрыв, приводящий к разрыву данного контура в момент окончания работы ДВМГ и переключению тока в контур нагрузки 11 либо за счет срабатывания замыкающего ключа 12, подключающего нагрузку 11, либо за счет замыкания слоев ЭВРТ 7,19 и подключения нагрузки 11. При этом срабатывание замыкающего ключа 12 происходит за счет использования непосредственно в нем отдельного заряда ВВ 13, либо в результате срабатывания замыкающего ключа 22 во время работы крайнего элемента 6 с зарядом ВВ 23 в ДВМГ. В результате чего и достигается генерирование наиболее мощного импульса энергии в нагрузке.

Изобретение относится к импульсной технике на основе магнитной кумуляции энергии, т.е. быстрого сжатия магнитного потока с помощью металлической оболочки, разгоняемой ударной волной взрывчатого вещества (ВВ), и может быть использовано для формирования сильноточных и высоковольтных импульсов тока и напряжения, для создания направленных потоков излучения для питания плазмодинамических нагрузок (устройств с «плазменным фокусом», магнитоплазменных компрессоров), ускорителей релятивитских электронов и т.п. Технический результат состоит в повышении мощности импульса в нагрузке и надежности путем увеличения амплитуды импульса тока и напряжения, стабильности результатов и сокращении длительности импульса. Взрывомагнитная система включает последовательно подключенные источник начальной энергии, многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ), содержащий два торцевых дисковых металлических фланца, между которыми размещены однотипные элементы с дисковыми зарядами (ВВ), коаксиально расположенные внутри электровзрывного размыкателя тока (ЭВРТ), который имеет цилиндрическую поверхность и шунтирует выход ДВМГ. Осесимметричная передающая линия от ЭВРТ подключена к нагрузке. Над каждым элементом с дисковым зарядом ВВ размещено пустотелое металлическое кольцо прямоугольного сечения с изолированным зазором между ним и ЭВРТ, содержащим один или несколько проводящих слоев, общая толщина которых уменьшается при сохранении массы и начального сопротивления всех проводящих слоев. 9 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии, включающая последовательно подключенные источник начальной энергии, многоэлементный дисковый взрывомагнитный генератор, содержащий два торцевых дисковых металлических фланца, между которыми размещены однотипные элементы с дисковыми зарядами взрывчатого вещества, коаксиально расположенные внутри электровзрывного размыкателя тока, который имеет цилиндрическую поверхность и шунтирует выход дискового взрывомагнитного генератора, осесимметричную передающую линию от электровзрывного размыкателя тока к нагрузке, а также замыкающий ключ, подключающий данную нагрузку, отличающаяся тем, что над каждым элементом с дисковым зарядом взрывчатого вещества размещено пустотелое металлическое кольцо прямоугольного сечения с изолированным зазором величиной δ между ним и электровзрывным размыкателем тока, причем δ<<(D_НЭ)/2, где D_НЭ - наружный диаметр элемента с зарядом взрывчатого вещества и Δ - радиальный размер пустотелого металлического кольца, электровзрывной размыкатель тока содержит один или несколько проводящих слоев, причем во всех случаях общая толщина проводящих слоев в электровзрывном размыкателе тока уменьшается пропорционально коэффициенту, определяемому как (D_НЭ+2Δ+2δ)/(D_НЭ+2δ) при сохранении массы и начального сопротивления всех проводящих слоев.

2. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что многослойный электровзрывной размыкатель тока образован, по меньшей мере, двумя цилиндрическими проводящими слоями, размещенными друг в друге и изготовленными или из цельной фольги, или из отдельных проводников (проволочки, отдельные цилиндрические сегменты фольги), расположенных вдоль образующих этих цилиндров, либо непрерывной рулонной навивкой металлической фольги, по меньшей мере, чем в два оборота.

3. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что все проводящие слои электровзрывного размыкателя тока разделены диэлектриком.

4. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 3, отличающаяся тем, что на концах все проводящие слои электрически соединены с торцевыми дисковыми металлическими фланцами, при этом диэлектрик имеет длину, по крайней мере, не меньше, чем суммарная ширина всех элементов с дисковыми зарядами ВВ.

5. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 3, отличающаяся тем, что выход дискового взрывомагнитного генератора зашунтирован, по меньшей мере, одним внутренним проводящим слоем, при этом остальные проводящие слои с одного конца электрически соединены с одним из торцевых дисковых металлических фланцев, а с другого - разделены диэлектриком, и поочередное соединение проводящих слоев со вторым торцевым дисковым металлическим фланцем и подключение нагрузки к дисковому взрывомагнитному генератору происходит с помощью, по меньшей мере, одного замыкающего ключа, который может срабатывать от отдельного заряда взрывчатого вещества, расположенного в нем, или в результате работы крайнего элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества в дисковом взрывомагнитном генераторе.

6. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что осесимметричная передающая линия к нагрузке зашунтирована со стороны дискового взрывомагнитного генератора, по меньшей мере, одним проводящим слоем электровзрывного размыкателя тока.

7. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 3, отличающаяся тем, что масса каждого последующего проводящего слоя, по меньшей мере, на порядок меньше, чем предыдущего.

8. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что проводящие слои электровзрывного размыкателя тока выполнены, по крайней мере, из двух разных металлов, причем их удельная проводимость уменьшается в радиальном направлении.

9. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что каждое пустотелое металлическое кольцо электрически соединено с соответствующим элементом с зарядом взрывчатого вещества или изолировано от него тонкой диэлектрической пленкой.

10. Взрывомагнитная система для генерирования мощного импульса энергии по п. 1, отличающаяся тем, что наружный диаметр пустотелого металлического кольца выбран из условия, чтобы общая индуктивность накопительной полости под электровзрывным размыкателем тока, включающая в себя индуктивность зазора 5 между пустотелыми металлическими кольцами и электровзрывным размыкателем тока и индуктивности радиальных щелей между пустотелыми металлическими кольцами, а также между крайними пустотелыми кольцами и двумя торцевыми дисками, была сохранена на прежнем уровне, ширина кольца выбрана, по крайней мере, не меньше, чем ширина элемента, а толщина стенки у пустотелого металлического кольца, по меньшей мере, на порядок больше, чем общая толщина проводящих слоев в электровзрывном размыкателе тока.