ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА Советский патент 1995 года по МПК H01H39/00 

Изобретение относится к области электротехники, а более конкретно к устройству взрывомагнитных формирователей мощных импульсов тока, предназначенных, например, для питания камер с плазменным фокусом, ускорения пластин и оболочек до высоких скоростей, нагрева плазмы и др.

Известен взрывомагнитный формирователь импульса тока, содержащий контур сжатия магнитного потока, выполненный в виде "кузнечных мехов", и контур нагрузки, отделенный от контура сжатия разрушаемой перемычкой.

Время работы такого формирователя относительно велико (10 мкс), а следовательно, выходная мощность еще недостаточна для применения в плазменных экспериментах.

Этот недостаток частично устранен в другом известном взрывомагнитном формирователе импульса тока, содержащем внешнюю и внутреннюю индуктивные шины, с одной стороны подключенные к накопителю энергии, а с другой соединенные разрушаемой токопроводящей перемычкой, параллельно которой подключена нагрузка, и основной заряд взрывчатого вещества, расположенный во внутренней шине 2.

В этом формирователе внешняя индуктивная шина выполнена в виде цилиндрической спирали, а внутренняя в виде трубы. Начало спирали образует с центральной трубой щель для ввода начального магнитного потока. Разрушаемая перемычка выполнена в виде ряда параллельно включенных проволочек, расположенных радиально. Нагрузка подключена коаксиально к концам проволочек. Принцип формирования импульса тока основан на явлении электрического взрыва перемычки, возникающего за счет увеличения тока в сжимаемом взрывом контуре. При разрушении электровзрывом проволочек (перемычки) между спиралью и трубой возникает ЭДС, которая и обуславливает возникновение тока в нагрузке.

Применение этого формирователя позволяет несколько сократить время нарастания импульса тока в нагрузке, т.е. приводит к некоторому увеличению выходной мощности.

Недостатком этого устройства является потеря части магнитной энергии, запасаемой в контуре сжатия, на нагрев и испарение перемычки. Кроме того, на основе электрического взрыва не удается исключить зависимость времени нарастания импульса тока в нагрузке от времени сжатия магнитного потока и величины конечного тока в контуре, что приводит к определенной нестабильности работы и к ограничению снизу времени нарастания тока в нагрузке.

Целью изобретения является повышение коэффициента полезного действия передачи энергии в нагрузку и повышение стабильности работы.

Это достигается тем, что во взрывомагнитном формирователе импульса тока (ВМФИТ), содержащем внешнюю и внутреннюю индуктивные шины, с одной стороны подключенные к накопителю энергии, а с другой соединенные разрушаемой токопроводящей перемычкой, параллельно которой подключена нагрузка, и основной заряд взрывчатого вещества, расположенный во внутренней шине. Разрушаемая перемычка выполнена в виде шиноудлинителей, соединенных токопроводящим мостиком, расположенным перпендикулярно шиноудлинителям, причем между шиноудлинителями на длине шиноудлинителей, не меньшей половины расстояния между ними, установлен дополнительной введенный заряд взрывчатого вещества, примыкающий к указанному мостику, а во внутреннем шиноудлинителе на длине от его конца, равной половине длины дополнительного заряда взрывчатого вещества, установлена дополнительно введенная пористая диэлектрическая вставка, на торце которой, обращенном к основному заряду взрывчатого вещества, вплотную к поверхности внутреннего шиноудлинителя установлена дополнительно введенная металлическая преграда.

Кроме того, в качестве одного из вариантов исполнения данного формирователя, предлагается дополнительный заряд взрывчатого вещества устанавливать относительно поверхности внутреннего шиноудлинителя с зазором, длина l которого выбрана в зависимости от толщины d стенки внутреннего шиноудлинителя в соотношении 2 ≅ 3.

Далее предлагается вариант исполнения данного формирователя, согласно которому внутренние поверхности внешнего шиноудлинителя и мостика выполнены с ослабляющими канавками, заполненными указанным дополнительным зарядом взрывчатого вещества.

Металлическая преграда может быть выполнена из меди, стали, свинца и других материалов, а диэлектрическая вставка из легкого пористого материала, например, пенополистирола. Зазор между дополнительным зарядом взрывчатого вещества и поверхностью внутреннего шиноудлинителя может быть заполнен более чувствительным к ударной волне (чем дополнительный заряд взрывчатого вещества) взрывчатым веществом, например, пластиком типа американского ХТХ-8003 на основе тэна.

На фиг. 1 представлен вариант исполнения взрывомагнитного формирователя импульса тока с коаксиально расположенными внутренней и внешней шинами, в котором дополнительный заряд взрывчатого вещества (ВВ) установлен вплотную к поверхности внутреннего шиноудлинителя, а внутренние поверхности внешнего шиноудлинителя и мостика выполнены гладкими; на фиг.2 представлен вариант исполнения формирователя с внешней шиной, выполненной в виде профильных пластин переменной ширины и внутренней шиной в виде плоскопараллельных пластин; на фиг. 3 вариант исполнения формирователя с коаксиально установленными внутренней и внешней шинами, в котором дополнительный заряд взрывчатого вещества установлен с зазором по отношению к внешней поверхности внутреннего шиноудлинителя, а внутренние поверхности внешнего шиноудлинителя и мостика выполнены с ослабляющими канавками; на фиг.4 показан вариант формирователя с коаксиальными шинами, в котором зазор между дополнительным зарядом взрывчатого вещества и внешней поверхностью внутреннего шиноудлинителя заполнен пластичным взрывчатым веществом; на фиг.5 показана концевая часть данного формирователя в момент его срабатывания.

Взрывомагнитный формирователь импульса тока содержит контур сжатия магнитного потока, состоящий из последовательно соединенных внешней 1 и внутренней 2 индуктивных шин, разрушаемой перемычки, состоящей из внешнего шиноудлинителя 3, токопроводящего мостика 4 и внутреннего шиноудлинителя 5, основного заряда 6 взрывчатого вещества, установленного внутри внутренней шины 2, дополнительного заряда 7 взрывчатого вещества, установленного между шиноудлинителями 3 и 5, нагрузки 8 и накопителя энергии (на чертежах не показан), подключенного к индуктивным шинам 1 и 2 со стороны, противоположной шиноудлинителя 3 и 5, металлической преграды 9 и пористой диэлектрической вставки 10.

Взрывомагнитный формирователь работает следующим образом.

Сжатие магнитного потока с помощью внутренней шины 2, разлетающейся под действием давления продуктов детонации основного заряда 6, вызывает в контуре сжатия увеличение тока. Ударная волна в стенке внутренней шины, вызванная детонационной волной основного заряда 6, в момент выхода к свободному торцу дополнительного заряда 7 инициирует последний. Под действием продуктов взрыва дополнительного заряда 7 образуются два зазора в местах стыка мостика с шиноудлинителями, при этом в контур сжатия вводится сопротивление, а в контуре нагрузки формируется импульс тока.

В формирователе (фиг.3) кольцевой дополнительный заряд 7 расположен относительно шиноудлинителя 5 с зазором 11. Детонация в кольцевом дополнительном заряде здесь возникает в результате удара стенки шиноудлинителя 5 о стенки отверстия в заряде 7. Наличие зазора позволяет по сравнению с формирователем без зазора в 3 раза повысить стабильность выходной мощности за счет разгона стенки внутреннего шиноудлинителя до скорости, при которой детонация происходит без задержки, и уменьшения отклонения от осевой симметрии фронта детонационной волны в кольцевом дополнительном заряде. Заполнение зазора 11 пластичным взрывчатым веществом 12 на основе тэна, в котором детонационная волна возникает без задержек (при давлении 50-70 кбар вместо 150-200 для обычного ВВ) в момент выхода ударной волны на наружную поверхность стенок внутреннего шиноудлинителя, позволяет уменьшить нестабильность за счет устранения колебаний скорости полета трубы (кассеты).

Наличие канавок 13 (см. фиг.3 и 4) на внутренней поверхности внешнего шиноудлинителя и мостика в 2-3 раза уменьшает время нарастания тока в нагрузке. Указанные цифры были получены путем прямого экспериментального сравнения предлагаемого устройства и прототипа на спиральном формирователе диаметром 80 мм при конечном тока 300 кА. Выполнение разрушаемой перемычки в виде совокупности трех последовательно соединенных частей: наружного удлинителя, мостика, установленного к нему перпендикулярно, и внутреннего удлинителя, параллельного наружному, с одновременным расположением внутри образуемого этими частями объема дополнительного заряда взрывчатого вещества позволяет повысить выходную мощность формирователя как за счет устранения потерь магнитной энергии на нагрев и испарение разрушаемой перемычки, так и за счет устранения зависимости времени нарастания тока в нагрузке от длительности процесса магнитной кумуляции в контуре сжатия. Теперь время нарастания определяется только газодинамикой разлета шиноудлинителей и мостика.

Выбор длины заряда разрыва величиной не менее половины расстояния между наружным и внутренним шиноудлинителями обеспечивает быстрое образование зазоров между мостиком и удлинителями. Постановка в концевой части внутреннего шиноудлинителя (на длине, равной половине дополнительного заряда) металлической пластины и вставки из пористого материала дает возможность стенкам внутреннего шиноудлинителя схлопываться (см. фиг.5), что повышает скорость образования зазора между мостиком и шиноудлинителями и приводит к увеличению выходной мощности.

Совокупность указанных признаков дает не только увеличение мощности, но и в определенной мере улучшает стабильность выходных характеристик за счет устранения зависимости времени нарастания тока в нагрузке от величины тока в контуре сжатия.

1. ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА, содержащий внешнюю и внутреннюю индуктивные шины, с одной стороны подключенные к накопителю энергии, а с другой соединенные разрушаемой токопроводящей перемычкой, параллельно которой подключена нагрузка, и основной заряд взрывчатого вещества, расположенный во внутренней шине, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента полезного действия передачи энергии в нагрузку и повышения стабильности работы, разрушаемая перемычка выполнена в виде шиноудлинителей, соединенных токопроводящим мостиком, расположенным перпендикулярно шиноудлинителям, причем между шиноудлинителями на длине шиноудлинителей, не меньшей половины расстояния между ними, установлен дополнительно введенный заряд взрывчатого вещества, примыкающий к указанному мостику, а во внутреннем шиноудлинителе на длине от его конца, равной половине длины дополнительного заряда взрывчатого вещества, установлена дополнительно введенная пористая диэлектрическая вставка, на торце которой, обращенном к основному заряду взрывчатого вещества, вплотную к поверхности внутреннего шиноудлинителя установлена дополнительно введенная металлическая преграда. 2. Формирователь по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный заряд взрывчатого вещества установлен относительно поверхности внутреннего шиноудлинителя с зазором, длина l которого выбрана в зависимости от толщины d стенки внутреннего шиноудлинителя в соотношении
3. Формирователь по пп.1, 2, отличающийся тем, что внутренние поверхности внешнего шиноудлинителя и мостика выполнены с ослабляющими канавками, заполненными указанным дополнительным зарядом взрывчатого вещества.