ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА Советский патент 1995 года по МПК H01H39/00 H03K3/53 

Изобретение относится к области электротехники а именно к устройствам формирования импульса тока мегаамперного уровня с микросекундным фронтом нарастания, предназначенным например, для исследования свойств плазмы (нагрев, ускорение и т.д.).

Целью изобретения является увеличение выходной мощности формирователя путем уменьшения конечной индуктивности взрывомагнитного формирователя импульса тока (ВМФИТ).

В зависимости от того, где расположен струеформирователь (в контуре взрывомагнитного источника энергии или в контуре нагрузки) и куда направлены его струи, возможны четыре варианта выполнения данного взрывомагнитного формирователя импульса тока.

На фиг. 1 показан формирователь в котором струеформирователь находится в контуре взрывомагнитного источника энергии, струегаситель в контуре нагрузки, а заряд взрывчатого вещества, инициатор цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва размещены на токопроводе, расположенном на внутренней поверхности струеформирователя, на фиг. 2 формирователь, в котором струеформирователь находится в контуре взрывомагнитного источника энергии, а заряд взрывчатого вещества, инициатор цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва размещены на токопроводе, расположенном на внешней поверхности струеформирователя; на фиг. 3 формирователь, в котором струеформирователь находится в контуре нагрузки, струегаситель в контуре взрывомагнитного источника энергии, а заряд взрывчатого вещества, инициатор цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва размещены на токопроводе, расположенном на внешней поверхности струеформирователя; на фиг. 4 формирователь, в котором струеформирователь находится в контуре нагрузки, а заряд взрывчатого вещества, инициатор цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва размещены на токопроводе расположенном на внутренней поверхности струеформирователя.

Предлагаемый формирователь содержит взрывомагнитный источник энергии, выполненный в виде коаксиально установленных наружной токопроводящей цилиндрической спирали 1 и внутренней токопроводящей трубы 2 с зарядом 3 взрывчатого вещества нагрузку 4, подключенную к выводам указанного источника коаксиально установленными бифилярными цилиндрическими токопроводами 5 и 6, цилиндрическую разрушаемую перемычку 7, коаксиально установленную между токопроводами 5 и 6 и включенную параллельно одному из токопроводов 5 и 6 и нагрузке 4. Между вторым из токопроводов и разрушаемой перемычкой 7 расположен цилиндрический диэлектрический струеформирователь 8 с кольцевыми комулятивными выемками 9 на поверхности обращенной к разрушаемой перемычке 7, а на поверхности второго из токопроводов со стороны, противоположной расположению струеформирователя 8, установлен цилиндрический заряд 10 взрывчатого вещества с инициатором 11 цилиндрической детонации с детонаторами 12 для его подрыва. Между первым из токопроводов и разрушаемой перемычкой 7 установлен диэлектрический струегаситель 13.

Согласно вариантам исполнения взрывомагнитного формирователя импульса тока по фиг.1 и 3 перемычка 7 шунтирует последовательно включенные наружный токопровод 5 и нагрузку причем в варианте по фиг.1 заряд 10 взрывчатого вещества с инициатором 11 установлен на внутреннем токопроводе 6, а в варианте по фиг. 3 на внешнем токопроводе 5.

Согласно вариантам исполнения взрывомагнитного формирователя импульса тока по фиг. 2 и 4 перемычка 7 шунтирует последовательно соединенные внутренний токопровод 5 и нагрузку 7, причем в варианте по фиг.2 заряд 10 взрывчатого вещества с инициатором 11 расположен на наружном токопроводе 5, а в варианте по фиг. 4 на внутреннем токопроводе 6.

Взрывомагнитный формирователь импульса тока работает следующим образом.

При сжатии магнитного потока центральной трубой 2 происходит усиление тока и энергии в контуре источника энергии. В требуемый момент времени (определяемый из расчета, чтобы размыкание контура источника энергии происходило при максимальном значении тока в нем) производится подрыв детонаторов 12 и задействуется инициатор 11 цилиндрической детонации. Заряд 10 взрывчатого вещества формирует ударную волну цилиндрической формы одновременно на всей цилиндрической поверхности струеформирователя 8 с той стороны, куда обращены вершины всех кумулятивных выемок 8. Под действием цилиндрической ударной волны в струеформирователе 8 образуется группа радиально движущихся кумулятивных струй. Эти струи пронизывают разрушаемую перемычку 7 и глохнут в струегасителе 13.

В результате разрыва перемычки 7 струями на ее концах возникает ЭДС, которая и обуславливает протекание тока в нагрузке 4.

Цилиндрический заряд 10 взрывчатого вещества выполнен толщиной 10-30 толщин разрушаемой перемычки 7. Система его инициирования включает в себя инициатор 11 цилиндрической детонации с детонаторами 12 для его подрыва. Струеформирователь 8 и струегаситель 13 выполнен в виде полых цилиндров из диэлектрического материала например, из полиэтилена, оргстекла, фторопласта. Разрушаемая перемычка 7 выполнена в виде металлического тонкостенного полого цилиндра из меди или алюминия с толщиной стенки 1-3 глубины скин-слоя и длиной l₂, заданной из соотношения
l K ˙D, где D диаметр спирали 1, см;
К коэффициент, равный 0,006-0,1 1/см.

Токопроводы 5 и 6 выполнены в виде полых металлических (алюминий, медь) цилиндров с толщиной стенки более или равной толщине разрушаемой перемычки 7. В испытанном образце толщина разрушаемой перемычки 7 из алюминия составляла 1 мм, толщины струеформирователя 8 и струегасителя 13 были выбраны равными по 10 мм, толщина заряда ВВ с системой инициирования равнялась 30 мм. Длина разрушаемой перемычки составляла 200 мм. В качестве источника энергии использовался спиральный взрывомагнитный генератор, но могут использоваться генераторы различного типа.

Толщина Δ стенки струеформирователя 8 и толщина δ стенки разрушаемой перемычки выбраны в соотношении
5 ≅ Δ/δ ≅ 10.

Выбор толщины стенки струеформирователя 8 менее 10 толщин стенки разрушаемой перемычки 7 способствует достижению минимальной величины индуктивности конечного контура тока, взрывомагнитного источника энергии при одновременном обеспечении условия образования кумулятивных струй. Как указывают полученные экспериментальные данные, при толщине Δ стенки струеформирователя 8 менее 5δ образуются слабые кумулятивные струи, не обеспечивающие быстрого разрушения перемычки. При толщине струеформирователя более 10 увеличивается индуктивность конечного контура ВМИЭ или контура нагрузки, что приводит к снижению выходной мощности взрывомагнитного формирователя импульса тока.

Толщина d стенки струегасителя и толщина Δ стенки струеформирователя выбраны в соотношении
0,7≅ d/Δ ≅ 1,4. Это обеспечивает требуемую электрическую прочность между разрушаемой перемычкой и токопроводом и способствует достижению минимальной величины индуктивности контура нагрузки или контура взрывомагнитного источника энергии. При толщине стенки струегасителя менее 0,7 толщин стенки струеформирователя не обеспечивается требуемая электропрочность между разрушаемой перемычкой и токопроводом и диэлектрические струи разрушают токопровод, что приводит к отказу срабатывания взрывомагнитного формирователя. При толщине стенки струегасителя более 1,5 толщины стенки струеформирователя величина индуктивности контура нагрузки или контура источника заметно возрастает, что приводит к снижению мощности формирователя. Вынесение заряда взрывчатого вещества инициатора цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва из контура источника и из контура нагрузки и размещение их на токопроводе примыкающем к струеформирователю, т.е. вне объема этих контуров, позволяет получить минимальную индуктивность конечного контура взрывомагнитного источника энергии.

В контуре источника энергии объем, занимаемый зарядом 10 взрывчатого вещества, инициатором цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва в 3-4 раза больше объема, занимаемого струеформирователем или струегасителем, поэтому вынесение из объема контура источника энергии заряда взрывчатого вещества инициатора цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва и размещение в этом объеме струеформирователя или струегасителя позволяет уменьшить индуктивность конечного контура источника энергии в 3-4 раза. Кроме того, электропрочность твердых диэлектриков более, чем на порядок превосходит электропрочность продуктов детонации заряда взрывчатого вещества, поэтому размещение в конечном контуре источника диэлектрических струеформирователя или струегасителя позволяет дополнительно повысить электропрочность взрывомагнитного формирователя, а следовательно, и его надежность.

1. ВЗРЫВОМАГНИТНЫЙ ФОРМИРОВАТЕЛЬ ИМПУЛЬСА ТОКА, содержащий взрывомагнитный источник энергии, к выводам которого через коаксиально расположенные бифилярно включенные цилиндрические токопроводы подключена нагрузка, цилиндрическую разрушаемую перемычку, коаксиально установленную в зазоре между указанными токопроводами и подключенную параллельно цепи, образованной последовательно соединенными указанными нагрузкой и одним из токопроводов, и заряд взрывчатого вещества с инициатором цилиндрической детонации с детонаторами для его подрыва, установленный коаксиально указанной разрушаемой перемычке, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной мощности формирователя, в зазоре между вторым из указанных токопроводов и разрушаемой перемычкой установлен дополнительно введенный полый цилиндрический диэлектрический струеформирователь с кольцевыми кумулятивными выемками на поверхности обращенной к разрушаемой перемычке, между которой и первым из указанных токопроводов установлен дополнительно введенный диэлектрический струегаситель, а заряд взрывчатого вещества установлен на поверхности второго из указанных токопроводов со стороны, противоположной расположению диэлектрического струеформирователя. 2. Формирователь по п.1, отличающийся тем, что толщина Δ стенки струеформирователя и толщина d разрушаемой перемычки выбраны в соотношении 5 ≅ Δ/δ ≅ 10.
3. Формирователь по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что толщина d стенки струегасителя и толщина Δ стенки струеформирователя выбраны в соотношении 0,7 ≅ d/Δ ≅ 1,5.