УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО РАЗМЫКАТЕЛЯ ТОКА ДЛЯ КОММУТАЦИИ ТОКА ДИСКОВОГО ВЗРЫВОМАГНИТНОГО ГЕНЕРАТОРА В НАГРУЗКУ Российский патент 2020 года по МПК H02N11/00 H01H85/00 

Изобретение относится к области импульсной техники, на основе магнитной кумуляции энергии, в частности к технике генерации сильноточных и высоковольтных импульсов тока и напряжения в нагрузке от сравнительно низкоимпедансного дискового взрывомагнитного генератора (ДВМГ) тока путем применения различных типов размыкателей тока. Данное устройство может использоваться для создания направленных потоков излучения (рентген, нейтроны и т.п.), для питания плазмодинамических нагрузок (устройств с «плазменным фокусом», магнитоплазменных компрессоров), для разгона тел и т.п. Тем самым устройство может быть использовано как экспериментальный инструмент для изучения физико-химических свойств материалов в различных экстремальных условиях.

Известно устройство электровзрывного размыкателя тока (ЭВРТ) для коммутации тока из ДВМГ в нагрузку, см. статью «Current Pulse Sharpening of Multy-Element Disk Generator with Electric Exploded Opening Switch», Boriskin A.S., Vlasov Yu.V., Golosov S.N. and et al. / AIP Conference Proceedings. Zababakhin scientific talks-2005. International Conference on High Energy Density Physics. Snezhinsk, Russia. 5-10 September 2005 // Editors Evgeniy N. Avrorin, Vadim A. Simonenko. Melville, New York, 2006. Volume 849, p. 278-283.

Устройство электровзрывного размыкателя тока (ЭВРТ) состоит из цельной медной фольги, расположенной между цилиндрическими изоляторами, которая подключается к крайним выходным фланцам трехэлементного ДВМГ и коаксиально располагается над тремя элементами с дисковыми зарядами взрывчатого вещества. Коаксиальная полость между фольгой и периферийными диаметрами оболочек трех элементов с дисковыми зарядами взрывчатого вещества является индуктивным накопителем для данного ДВМГ и одновременно внутренним токопроводом передающей линии от генератора к нагрузке. Из данного накопителя при электровзрыве фольги ток коммутируется в нагрузку по наружному токопроводу передающей линии.

Данное устройство позволяет уменьшить индуктивность полости индуктивного накопителя для ДВМГ и иметь достаточно постоянную напряженность электрического поля в месте электрического взрыва проводника из-за наличия внутри его элементов с дисковыми зарядами взрывчатого вещества (ВВ), которые сами по себе являются отдельными равнозначными источниками напряжения, равномерно расположенными вдоль данного проводника.

Недостатки данного устройства наиболее сильно проявляются при получении больших значений мощности в нагрузке, когда требуется осуществлять электровзрыв больших поверхностей фольги. Создание идеальных больших цилиндрических коаксиальных поверхностей взрываемого проводника ЭВРТ с помощью цельной тонкостенной фольги, площадь которой измеряется порядка одним квадратным метром и более, является достаточно трудной технологической задачей. При этом некоторая разнотолщинность таких фольг может сказаться на одновременности ее электровзрыва. Тем самым это может привести к уменьшению сопротивления электровзрывного размыкателя, что в свою очередь может негативно сказаться на формируемом напряжении и на длительности фронта импульса в нагрузке.

Наиболее близким к заявляемому электровзрывному размыкателю тока для ДВМГ является устройство, рассмотренное в докладе А.А. Buyko and et.al. «Results of The Joint VNIIEF/LANL Experiment ALT-2 Modeling The "Atlas" Facility Parameters By Means of Disk EMG» // Proceedings of the Ninth International Conference on Megagauss Magnetic Field Generation and Related Topics / Edited V.D. Selemir, L.N. Plyashkevich. - Sarov, VNIIEF, 2004. - Fig. 1, P. 752-756.

Взрываемый проводник ЭВРТ представляет собой тонкостенный металлический цилиндр, установленный между цилиндрическими изоляторами. Взрываемый проводник собран из полос медной фольги, расположенных на цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии (на внутреннем токопроводе). Диаметр внутреннего токопровода задается наружным диаметром оболочек элементов с дисковыми зарядами ВВ. Изолятор внутренней передающей линии отделяет взрываемый проводник от элементов с дисковыми зарядами ВВ, а изолятор внешней передающей линии (наружного токопровода) отделяет взрываемый проводник от элементов конструкции, предназначенных для транспортировки энергии от ДВМГ к нагрузке.

Благодаря тому, что фольга взрываемого проводника набирается из отдельных металлических полос, расположенных на цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, которые могут быть различной длины, определяемой только количеством элементов в ДВМГ, и которые можно подобрать с заданной фиксированной разнотолщинностью, устраняется недостаток, связанный с трудностью изготовления больших цилиндрических поверхностей заданной толщины.

Недостатками устройства по прототипу являются сложность при использовании очень тонких полос в такой составной фольге, чтобы обеспечить более качественный и однородный ее электровзрыв при работе с ДВМГ, и наличие с боков полос острых краев, приводящих к неоднородности напряженности электрического поля и к преждевременному электровзрыву металла в этих местах.

Полосы в процессе работы такого устройства будут деформироваться магнитным полем в радиальном направлении, причем деформация может составить несколько миллиметров, увеличивая, тем самым, индуктивность полости под взрываемым проводником ЭВРТ, что приводит в первую очередь к уменьшению выходных электрических параметров ДВМГ. Кроме того, из-за необходимости крепления полос составной фольги к торцевым фланцам генератора будет происходить неравномерное уменьшение толщины вдоль ее длины, приводящее к локальному нагреву и преждевременному электровзрыву в местах наибольшего утонения, а это все, в конечном итоге, сказывается на надежной работе ДВМГ.

Как следует из большого количества экспериментальных данных, эффективный электровзрыв фольги в ДВМГ происходит тогда, когда плотность потока электромагнитной энергии через фольгу (Вектор Пойтинга) порядка 10-20 ТВт/м². При этом напряженность магнитного поля обычно составляет ~(50-60) МА/м, что соответствует очень большому давлению магнитного поля ~15000 атм и более на металлическую поверхность электровзрываемого проводника ЭВРТ.

Поэтому обычно приходится использовать для электровзрыва в составной фольге более массивные полосы толщиной 0,2-0,5 мм (зависит от времени работы ДВМГ и генерируемого тока), чтобы частично уменьшить их смещение магнитным полем. Вполне естественным ограничением, кроме того, является максимальный поперечный размер (толщина) взрываемого проводника, который должен быть меньше предварительной толщины скин-слоя, рассчитанной исходя из времени протекания тока по проводнику. Когда наблюдается экспоненциальный закон изменения магнитного поля, что обычно происходит при работе магнитокумулятивных генераторов, предварительная толщина скин-слоя магнитного потока обычно оценивается следующим образом S_ϕ=(χ₀τ)^0,5, где χ₀=1/(σ₀μ). Здесь σ₀ - начальная электропроводность (предполагается, что электропроводность не изменяется во время диффузионного процесса), μ - магнитная индукция, τ - экспоненциальный коэффициент (считается постоянным во время оценки). Для существующих ДВМГ коэффициент τ будет от нескольких микросекунд до нескольких десяток микросекунд. Оценки показывают, что если используется медь, то S_ϕ≈0,16 мм (для τ=2 мкс), S_ϕ≈0,2 мм (для τ=3 мкс), S_ϕ≈0,23 мм (для τ=4 мкс), S_ϕ≈0,32 мм (для τ=8 мкс,), S_ϕ≈0,5 мм (для τ=20 мкс). При этом полное время работы (Т) таких генераторов будет от ~10 микросекунд до нескольких десятков микросекунд.

Надо учитывать, что диффузия магнитного поля в состоящую из полос фольгу происходит с внутренней ее стороны, обращенной к дисковым элементам. На начальных стадиях осуществления электровзрыва взрываемого проводника на этой стороне наблюдается более интенсивный нагрев, т.е. ввод энергии в фольгу происходит неравномерно и, как следствие, более затянуто. Все это может привести к неоднородности электровзрыва всей массы фольги. Также процесс рабочего электровзрыва дополнительно может испортить более ранний взрыв по краям полос. На стадиях электровзрыва расширение вещества взрываемого проводника происходит со скоростью (1-5) км/с (Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв проводников и его применение в электрофизических установках. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 288 с.).

Образующийся плотный металлический пар являет собой непроводящую среду до тех пор, пока тепловое расширение канала не приведет к достаточному падению плотности пара, при котором в соответствии с законом Пашена произойдет его пробой. (Крастелев Е.Г., Лотоцкий А.П., Масленников С.П., Школьников Э.Я. Мощные электроимпульсные системы. Часть II. Учебное пособие. - М.: МИФИ, 2008. 144 с.)

Это сказывается на формируемом сопротивлении взрываемого проводника, т.к. происходит неоднородное тепловое расширение канала в радиальных направлениях, а это в свою очередь приводит к невозможности получения на нем максимально ожидаемых значений напряжения и укорочения фронта.

При создании данного изобретения решалась техническая проблема, которая существует в данной области техники - создание устройства, способного стабильно и эффективно за короткие время коммутировать ток ДВМГ в нагрузку.

Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в повышении стабильности и эффективности работы заявленного устройства путем устранения резко выраженных краевых неоднородностей у взрываемого проводника, подбора наиболее эффективных параметров взрываемого проводника с целью увеличения амплитуды импульса напряжения и сокращения длительности токового импульса в нагрузке.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что по сравнению с известным устройством электровзрывного размыкателя тока для коммутации тока дискового взрывомагнитного генератора в нагрузку, включающего, по меньшей мере, один элемент с дисковым зарядом взрывчатого вещества и содержащий взрываемый проводник, состоящий из отдельных частей, расположенных на цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, при этом данный изолятор отделяет взрываемый проводник от элементов с дисковыми зарядами взрывчатых веществ, а изолятор внешней передающей линии отделяет взрываемый проводник от наружных элементов конструкции, в заявляемом электровзрывном размыкателе тока для ДВМГ предложено новое компоновочное решение, где части взрываемого проводника выполнены из проволок круглого сечения, диаметром d каждая, при этом их диаметры и их количество N выбраны исходя из соотношений в следующей последовательности:

(4δ)/π<d<2δ, N=4Dδ/d²,

где D - диаметр цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, величина δ зависит от рабочих характеристик ДВМГ и подобрана экспериментальным путем исходя из диапазона 0,05 мм < δ < 0,5 мм, при этом N находится в пределах соотношения (D/δ)<N<(Dπ²)/(4δ) и между проволоками круглого сечения возникают зазоры величиной а=πD/N-d>0.

Выполнение выше приведенных соотношений необходимо для того, чтобы обеспечить наиболее стабильную и эффективную работу заявленного устройства. Для этого общая площадь сечения всех проволок круглого сечения должна быть равна площади сечения взрываемого проводника, состоящего из отдельных взрываемых частей, а открытая боковая поверхность всех проволок круглого сечения должна быть больше открытой боковой поверхности всех взрываемых частей прототипа, и между проволоками круглого сечения должны быть гарантированные зазоры.

Если воспользоваться крайними значениями из приведенных соотношений, предполагая, что минимальный диаметр проволочек был бы (4δ)/π, а максимальное количество проволочек равнялось бы (Dπ²)/(4δ), то зазор а=0. В этом случае, открытая боковая поверхность всех проволок круглого сечения будет больше открытой боковой поверхности всех частей взрываемого проводника, применяемого в прототипе. Но, так как зазор между проволоками равняется нулю, это сказывается на эффективности работы электровзрывного размыкателя.

Если же использовать другие крайние значения из приведенных соотношений d=2δ и N=(D/)δ, то зазор будет максимальным и будет определяться как а=(π-2) δ. Но при этом открытая боковая поверхность всех проволок круглого сечения равняется открытой боковой поверхности всех частей взрываемого проводника, т.е. также не выполняется необходимое требование.

Наличие фиксированных зазоров между проволоками необходимо для того, чтобы они все находились в равных условиях при электровзрыве, особенно на заключительной его стадии. Это требуется для того, чтобы иметь возможность большей части испаренного вещества взрываемого проводника расширяться беспрепятственно некоторое время, определяемое десятками-сотнями наносекунд. На заключительной стадии электровзрыва проводника, например, за 10 нс произойдет разлет испаренного вещества на несколько десятков нанометров. Резкое увеличение активного сопротивления взрываемого проводника начинается во время газодинамического разлета материала проволок. В идеале же необходимо, чтобы на пути расширяющихся в различных направлениях испаренных веществ из проволок проводника, взрываемого в результате электрического нагрева, ничто не препятствовало. Наличие различных препятствий (соприкосновение части поверхностей проволок друг с другом в различных местах, расположение их некоторых частей на твердой диэлектрической поверхности в то время, как с другой стороны ее нет, и т.п.) приводит к воздействию металлизированной плазмы, ударных волн, в результате чего могут возникнуть раньше времени условия для электрического пробоя вдоль взрываемого проводника, а также будет наблюдаться дополнительное затратное поглощение энергии в проволоках взрываемого проводника, что не позволит обеспечить полностью ожидаемые расчетные параметры.

Отсутствие в цилиндрическом изоляторе внутренней передающей линии, отделяющей взрываемый проводник от элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества, а также в изоляторе осесимметричной наружной передающей линии от взрываемого проводника к нагрузке, отделяющего его от наружных элементов конструкции с другой стороны, в местах их возможного соприкосновения с взрываемым проводником, части изолирующего материала на глубину ε порядка 1 мм и на длине мм (0,9 ≤ k ≤ 1), создавая зазоры, позволит разлетаться продуктам электроврыва во всех направлениях (как в радиальных направлениях относительно оси симметрии устройства, так и навстречу друг к другу) беспрепятственно в течение нескольких десятков наносекунд, что вполне достаточно для эффективного формирования напряжения и токового импульса в нагрузке.

При наличии незначительных зазоров между электрически взрывающимся проводником и диэлектрическими стенками изоляторов, отделяющих взрываемый проводник от элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества с одной стороны и от наружных элементов конструкции с другой стороны, в местах расположения элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества, скорость волны испарения с поверхности взрываемого проводника остается практически такой же, как и без диэлектрических стенок изоляторов, за счет того, что плотности электрически взрывающего проводника и продуктов испарения отличаются более чем на порядок. В то же время высокое давление, возникающее в изоляторах, препятствует развитию шунтирующего разряда по продуктам электрического взрыва проводника и таким образом увеличивает активное сопротивление размыкателя. Увеличение активного сопротивления размыкателя, в свою очередь, приводит к уменьшению времени нарастания тока в нагрузке.

Таким образом, для более эффективной работы электровзрывного размыкателя тока необходимо использовать промежуточные значения из приведенных соотношений, где имеются гарантированные зазоры между проволоками проводника, а также между ними и изоляторами. Как сказано выше, величина δ зависит от рабочих характеристик используемых ДВМГ и привязана к толщинам используемых для этих целей материалов. Обычно для получения высоких напряжений с короткими фронтами от ДВМГ осуществляется электровзрыв фольговых проводников с толщинами от 0,05 мм до 0,5 мм.

Например, если в прототипе взрываемый проводник толщиной 0,19 мм (S_ϕ≈0,23 мм для τ=4 мкс) на D=276 мм, собранный из нескольких отдельных медных взрываемых частей-полос (медная составная фольга) на заданном диаметре цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии длиной мм, определяемой общим осевым размером всех элементов с дисковыми зарядами ВВ в ДВМГ, у которых наружный диаметр оболочки элемента, содержащего ВВ, - 264 мм, заменить 2331 проводниками диаметром 0,3 мм и той же длиной на прежнем диаметре, то площадь сечения проводника ~165 мм² будет такой же, как у составной цилиндрической фольги, но при всем этом вся открытая боковая поверхность данных проводников, доступная для диффузии магнитного поля, будет в 2,5 раза больше одной открытой внутренней поверхности составной фольги. (Если учитывать обе боковые поверхности у составной фольги этот показатель будет 1,25.) Поэтому δ=0,19 мм. Данные значения соответствуют требованиям для эффективной работы электровзрывного размыкателя тока. Проволоки не прилегают друг к другу. Т.к. они располагаются с зазором ~0,07 мм, то у них диффузия магнитного поля происходит одновременно со всех их боковых поверхностей, в то время как у составной фольги диффузия магнитного поля осуществляется только через внутреннюю ее поверхность. (Поэтому проникновение магнитного поля в составную фольгу будет примерно в 1,6 раза менее эффективно во времени.) Если использовать это же количество проволок, например, на диаметре в 1,5 раз больше, то зазор между ними будет 0,1 мм. При этом у проволок круглого сечения ЭВРТ наблюдается отсутствие резко выраженных краевых неоднородностей вдоль их длины.

Таким образом, создаются условия для повышения стабильности и эффективности работы взрываемого проводника электровзрывного размыкателя тока, собранного из N проволок, т.к. открывается возможность осуществления более однородного электровзрыва за более короткое время, с большим напряжением и меньшей длительностью импульса в нагрузке, чем в прототипе, в результате более эффективного подбора параметров электровзрывного размыкателя тока.

Зачастую обеспечить расположение проволок с малыми диаметрами, измеряемыми сотнями нанометров, с фиксированным шагом оказывается очень проблематично. Поэтому используется другой подход - наличие между проволоками зазоров а, фиксируемых изолирующими вставками. Выбор требуемой толщины такой вставки определяется выбором диаметра проволок ЭВРТ и на каком радиусе они располагаются в устройстве. Это позволяет расположить проволоки с заданным шагом без соприкосновения их друг с другом, а также обеспечить некоторое время достаточно беспрепятственный разлет продуктов электровзрыва навстречу друг к другу за счет выдавливания в локальных точках диэлектрического материала вставок в радиальных направлениях и ослабления воздействия ударных волн между ними. Таким образом, удается обеспечить некоторое время практически беспрепятственный разлет продуктов электровзрыва, что позволяет также создать более благоприятные условия электровзрыва, которые позволяют достичь более высоких напряжений за счет формируемого большого сопротивления.

Чтобы задержать развитие вторичного пробоя при электровзрыве, проволоки могут быть помещены в среду, препятствующую возникновению данного процесса. Такой средой может быть, например, мелкий кварцевый песок, стеклоткань, трансформаторное масло, элегаз или ряд других изолирующих материалов. Все определяется необходимыми параметрами от взрывного размыкателя тока, требуемыми для проведения эксперимента. Так, например, в песке, стеклоткани или в ряде других материалах металлический пар быстро конденсируется на развитых поверхностях изолирующей среды. При взрыве в масле плотная среда удерживает высокие давления металлического пара, а на границе канала образуются продукты теплового разложения масла, интенсивно охлаждая частицы пара.

Наличие же элегазовой среды в месте расположения проволок позволяет повысить электрическую прочность, которая дополнительно еще увеличивается за счет высокого давления, развиваемого в процессе электрического взрыва проволок в данной полости. Поэтому места коаксиальных пустот в изоляторах, окружающих проволоки, необходимо заполнять изолирующими материалами, в зависимости от решаемых задач.

Также можно использовать взрываемый проводник, собранный из N тонких индивидуальных изолированных проволок. В качестве изолятора индивидуальной проволоки, например, используется литая или навитая оболочка из фторопласта (например, МГТФ-0,07), лавсана или полиэтилена, при этом каждая из N проволок круглого сечения может быть собрана из нескольких отдельных еще более тонких проводников, имеющих такое же общее сечение, как у одного индивидуального проводника круглого сечения. Такой проводник сразу выполняет несколько функций.

Процесс электровзрыва осуществляется в равнозначных и в более благоприятных условиях. Из-за наличия нескольких тонких проводников вместо одного единого происходит более их быстрый электровзрыв. Можно сравнительно просто расположить такие проволоки с фиксированным шагом, регулируемым толщинами их оболочек, и, кроме того, использовать их дополнительно еще в роли демпферных вставок для уменьшения негативного воздействия продуктов электровзрыва проволок в промежутках между ними.

Можно вместо аксиального расположения проволок относительно оси устройства использовать азимутальное их расположение, где они будут расположены с азимутальным углом закрутки ≤90° относительно оси устройства. Представление, как устроен такой многопроволочный ЭВРТ, можно получить, совершая виртуальный поворот одного из торцов, куда подключены проволоки, относительно другого на заданный угол в азимутальном направлении ≤90°. В результате такого закручивания проволок удается использовать более длинные проволоки в аксиальных габаритах ДВМГ, располагая их над дисковыми элементами с зарядами ВВ, и, тем самым, удается изменять значение сопротивления многопроволочного ЭВРТ, чтобы обеспечить требуемую скорость роста его сопротивления, необходимого в ряде случаев для определенного класса рабочих нагрузок, и улучшить электропрочностные характеристики взрываемого проводника.

Как показывают исследования, желательно совершать поворот на угол, не превышающий 90°. Тогда появляется реальная возможность уменьшить полученную в этом случае увеличенную паразитную индуктивность проволок, чтобы обеспечить прежнее значение индуктивности нагрузочной полости в ЭВРТ, не изменяя габаритные размеры устройства. Кроме того, существует возможность в ряде случаев уменьшить габариты ЭВРТ за счет азимутального расположение проволок и эффективно использовать его компактно с ДВМГ, не выходя за его аксиальные габариты, а, кроме того, еще улучшить электрические характеристики взрываемого проводника.

Все эти рассмотренные выше условия, относящие к предлагаемому электровзрывному размыкателю тока для ДВМГ, позволяют обеспечить его более надежную работу, повысить импульс напряжения и сократить фронт импульса в нагрузке.

На Фиг. 1 показан общий вид одного из вариантов устройства с электровзрывным размыкателем тока, где 1 - ДВМГ, 2 - нагрузка, 3 - элемент с дисковым зарядом взрывчатого вещества, 4 - взрывчатое вещество, 5 - взрываемый проводник, 6 - цилиндрический изолятор с толщиной стенки А во внутренней передающей линии, 7 - изолятор осесимметричной передающей наружной линии от взрываемого проводника к нагрузке 2, 8 - наружные элементы конструкции ДВМГ, 9 - передний торцевой фланец ДВМГ, 10 - задний торцевой фланец ДВМГ, 11 - периферийная оболочка элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества.

На Фиг. 2 приведено поперечное сечение (А-А) проволок взрываемого проводника 5, расположенных с зазорами а между собой и помещенных между изолятором 7 осесимметричной передающей линии от взрываемого проводника к нагрузке и изолятором 6 в зазоре между взрываемым проводником 5 и периферийной оболочкой 11 элемента 3 с дисковым зарядом ВВ.

На Фиг. 3 приведено размещение проволок взрываемого проводника 5, расположенных с гарантированными зазорами между собой, в которых размещены изолирующие прокладки 12.

На Фиг. 4 приведено размещение проволок взрываемого проводника 5, расположенных без соприкосновения с изоляторами 6, 7, окружающими проволоки за счет пустотных коаксиальных полостей 13 глубиной ε.

На Фиг. 5 и Фиг. 6 (поперечное сечение Б-Б) приведено размещение проволок взрываемого проводника 5, расположенных с гарантированными зазорами между собой, в которых помещены пленочные изолирующие прокладки 14, и которые расположены без соприкосновения с изолятором 6 и изолятором 7 за счет пустотных коаксиальных полостей 13 толщиной ε.

На Фиг. 7 приведено размещение проволок взрываемого проводника 5, расположенных с гарантированными зазорами в дугогасящей среде15.

На Фиг. 8 приведено размещение проволок взрываемого проводника 5 в изолированных оболочках 16.

На Фиг. 9 приведено размещение проволок взрываемого проводника 5, расположенных с азимутальным углом закрутки относительно оси устройства не более, чем на 90°.

На Фиг. 10 показан многопроволочный цилиндрический взрываемый проводник. На фигурах 1-10 приведены следующие обозначения:

1 - дисковый взрывомагнитный генератор (ДВМГ);

2 - нагрузка;

3 - элемент с дисковым зарядом взрывчатого вещества;

4 - взрывчатое вещество;

5 - взрываемый проводник;

6 - цилиндрический изолятор с толщиной стенки Δ во внутренней передающей линии;

7 - изолятор внешней осесимметричной передающей линии от взрываемого проводника к нагрузке;

8 - наружные элементы конструкции ДВМГ;

9 - передний торцевой фланец ДВМГ;

10 - задний торцевой фланец ДВМГ;

11 - периферийная оболочка элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества;

12 - изолирующая прокладка;

13 - пустотная коаксиальная полость в изоляторе;

14 - пленочные изолирующие прокладки;

15 - дугогасящая среда;

1 6 - изолированная оболочка.

В примере реализации был испытан электровзрывной размыкатель тока, у которого на диаметре D=276 мм располагались N=2685 проволок, каждая длиной 150 мм и диаметром d=0,3 мм с общей площадью их сечения 190 мм², вместо предполагаемой 165 мм². Отношение боковой поверхности проволочек к поверхности фольги, используемой в прототипе (толщина 0,19 мм, шесть полос), в таком ЭВРТ составило 1,47 (δ=0,19 мм). Проволоки располагались с зазором а ~0,023 мм на изоляторе с толщиной стенки Δ=3 мм. В изоляторах, окружающих взрываемый проводник имелись пустотные коаксиальные полости глубиной ε=1 мм. В качестве взрывного источника энергии был использован быстроходный трехэлементный дисковый генератор ДВМГ240, эффективное время работы которого ~3-4 мкс, полное время работы ДВМГ ~15 мкс, а выходная энергия мегаджоульного уровня. Нагрузкой для составного фольгового ЭВРТ была полость индуктивностью 1,7 нГн, а для многопроволочного ЭВРТ индуктивность нагрузки была ~2 нГн. В эксперименте с многопроволочным ЭВРТ на момент подключения нагрузки (~13 мкс, что несколько раньше планируемого времени 14 мкс) был получен в индуктивности 2,5 нГн индуктивного накопителя источника ток ~46 МА. В эксперименте с фольговым ЭВРТ ток был 42 МА. Индуктивности нагрузки и индуктивного накопителя были практически равными в обоих устройствах, чтобы обеспечить условие наиболее эффективной передачи энергии в нагрузку.

Поэтому коммутируемые токи в нагрузке оказались практически одинаковыми ~28 МА, а их фронты отличались примерно в 1,6 раза (соответственно 1 мкс и 1,6 мкс). На многопроволочном ЭВРТ было получено увеличение сопротивления примерно в 500 раз и напряжение 100 кВ, на фольговом же ЭВРТ было получено увеличение сопротивления в 260 раз и напряжение порядка 60 кВ.

Проведенный эксперимент показал, что наблюдаемое увеличение (практически в 1,6 раза) напряжения в многопроволочном ЭВРТ с укороченным токовым фронтом позволяет констатировать о перспективности применения таких размыкателей.

Работает данное устройство следующим образом. Вытеснение магнитного потока от ДВМГ в его индуктивный накопитель, зашунтированный на периферии многопроволочным взрываемым проводником 5 происходит значительно быстрей, чем с обычной фольгой, и обеспечивает эффективный его электровзрыв с изменением начального сопротивления размыкателя в сотни раз, приводящий к разрыву данного контура в момент окончания работы ДВМГ и переключению тока в контур нагрузки 2 за счет использования коммутатора, подключающего данную нагрузку. В результате чего к нагрузке прикладывается высоковольтный импульс напряжения и происходит формирование токового импульса в ней с фронтом значительно меньше, чем при использовании фольги, состоящей из отдельных полос.

Изобретение относится к области импульсной техники, на основе магнитной кумуляции энергии, в частности к технике генерации сильноточных и высоковольтных импульсов тока и напряжения в нагрузке от сравнительно низкоимпедансного дискового взрывомагнитного генератора (ДВМГ) тока путем применения различных типов размыкателей тока. Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, заключается в повышении стабильности и эффективности работы заявленного устройства. Электровзрывной размыкатель тока для коммутации тока дискового взрывомагнитного генератора в нагрузку включает по меньшей мере один элемент с дисковым зарядом взрывчатого вещества и содержит взрываемый проводник, состоящий из отдельных частей, расположенных на цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, данный изолятор отделяет взрываемый проводник от элементов с дисковыми зарядами взрывчатых веществ, а изолятор внешней передающей линии отделяет взрываемый проводник от наружных элементов конструкции, части взрываемого проводника выполнены из проволок круглого сечения, диаметром d каждая, при этом их диаметры и их количество N выбраны исходя из соотношений в следующей последовательности: (4δ)/π<d<2δ, N=40δ/d², где D - диаметр цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, величина δ зависит от рабочих характеристик ДВМГ и подобрана экспериментальным путем исходя из диапазона 0,05 мм ≤ δ ≤ 0,5 мм, при этом N находится в пределах соотношения (D/δ)<N<(Dπ²)/(4δ) и между проволоками круглого сечения возникают зазоры величиной а=πD/N-d>0. 6 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Электровзрывной размыкатель тока для коммутации тока дискового взрывомагнитного генератора в нагрузку, включающего по меньшей мере один элемент с дисковым зарядом взрывчатого вещества и содержащий взрываемый проводник, состоящий из отдельных частей, расположенных на цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, при этом данный изолятор отделяет взрываемый проводник от элементов с дисковыми зарядами взрывчатых веществ, а изолятор внешней передающей линии отделяет взрываемый проводник от наружных элементов конструкции, отличающийся тем, что части взрываемого проводника выполнены из проволок круглого сечения, диаметром d каждая, при этом их диаметры и их количество N выбраны исходя из соотношений в следующей последовательности:

(4δ)/π<d<2δ,

N=4Dδ/d²,

где D - диаметр цилиндрической поверхности изолятора внутренней передающей линии, величина δ зависит от рабочих характеристик дискового взрывомагнитного генератора и подобрана экспериментальным путем исходя из диапазона 0,05 мм ≤ δ ≤ 0,5 мм, при этом N находится в пределах соотношения (D/δ)<N<(Dπ²)/(4δ) и между проволоками круглого сечения возникают зазоры величиной а=πD/N-d>0.

2. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что при увеличении диаметра цилиндрической поверхности до величины D₁ значения d и N, найденные для диаметра D, остаются неизменными, что позволяет увеличивать зазор а между проволоками круглого сечения согласно соотношению а=πD₁/N-d>0.

3. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что проволоки круглого сечения расположены с азимутальным углом закрутки относительно оси устройства не более 90°.

4. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что между проволоками круглого сечения в зазорах размещены изолирующие прокладки.

5. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что проволоки круглого сечения расположены в изоляционных оболочках.

6. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что зазоры между проволоками круглого сечения заполнены дугогасящей средой.

7. Электровзрывной размыкатель тока по п. 1, отличающийся тем, что в изоляторах, отделяющих взрываемый проводник от элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества с одной стороны и от наружных элементов конструкции с другой стороны, в местах расположения элемента с дисковым зарядом взрывчатого вещества выполнены коаксиальные проточки на глубину ε не менее 1 мм и длиной kl где 0,90≤k≤1, заполненные дугогасящей средой.