Коаксиальный ускоритель

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к электрическим машинам для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике и ускорительной технике для ускорения макротел до скоростей - несколько километров в 1 с. Основной технической задачей изобретения является повышение КПД. Устройство состоит из цилиндрического электропроводящего ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой электропроводной перемычки 3, соленоида 4, выполняющего роль индуктивного накопителя энергии, метаемого тела 5, изолятора 6 и контура электропитания. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к области электрических машин для перемещения жесткого тела вдоль некоторой траектории, и может быть использовано в экспериментальной физике и ускорительной технике для ускорения макротел до скоростей - несколько километров в секунду.

Известно коаксиальное устройство для ускорения макротел разрядом типа Z-пинч (см. Д. А.Андреев, А.А.Богомаз, Ф.Г.Рутберг, А.М.Шапиров. Ускорение тел малой массы сильноточным разрядом типа Z-пинч при высокой начальной плотности. ЖТФ, т. 63, в. 1, 1993, с. 203-205).

Основным недостатком этого устройства является низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела, не превышающий 3%.

Наиболее близким к заявляемому ускорителю является коаксиальный ускоритель (сам. А. Д.Лебедев, Б.А.Урюков. Импульсные ускорители плазмы высокого давления. Новосибирск 1990 г., с. 18-21, рис. 1.10.2.). Устройство состоит из двух цилиндрических коаксиально расположенных электродов, разделенных изолятором, между которыми поджигается ускоряемый дуговой разряд. Система электродов коаксиально размещена внутри соленоида. Причем система электродов с ускоряемым разрядом и соленоид питаются отдельными источниками.

Недостатком данного устройства является также низкий КПД преобразования электромагнитной энергии в кинетическую, не более 4%, и сложности источника электропитания.

Основной технической задачей предложенного устройства является повышение КПД преобразования подведенной электромагнитной энергии в кинетическую энергию метаемого тела до 10%.

Указанная техническая задача достигается тем, что в коаксиальном ускорителе, выполненном в виде цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который одной клеммой присоединен к цепи питания ускорителя, причем ствол коаксиально размещен внутри соленоида, согласно предложенному решению цепь питания второй клеммой присоединена к концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола.

На приведенном чертеже (фиг. 1) показана схема коаксиального ускорителя, на фиг. 2 - схема коаксиального ускорителя в процессе работы. Устройство состоит из цилиндрического электропроводящего ствола 1, центрального электрода 2, соединяющей их плавкой электропроводной перемычки 3, соленоида 4, выполняющего роль индуктивного накопителя энергии, метаемого тела 5, изолятора 6 и контура электропитания.

Работа устройства заключается в следующем. При замыкании ключа K в контуре электропитания начинает протекать ток I от первичного накопителя энергии, например, конденсатора C, как показано стрелками на фиг. 1. При достижении нарастающим током I некоторого уровня плавкая перемычка 3 перегорает с образованием сильноточного дугового разряда. При этом в зазоре между метаемым телом 5 и изолятором 6 резко повышается давление, сообщающее начальный импульс метаемому телу 5 и приводя его в движение. Дуговой разряд сжимается магнитным полем собственного тока и приобретает грибообразную форму, как показано на фиг. 2. Его можно разделить на две части - плазменный жгут (Z-пинч) 7, являющийся продолжением центрального электрода, и плазменную круговую перемычку - 8. Такого типа дуговой разряд ускоренно углубляется в канал ствола, толкая метаемое тело 5 под действием силы Лоренца. Контур протекания тока I показан стрелками на фиг. 2. Эффективность работы силы Лоренца в такой системе определяется временем устойчивого существования дугового разряда. Устойчивое состояние его обеспечивается условием превышения внешнего магнитного давления под внутренним газокинетическим давлением. В предлагаемом устройстве более длительному сохранению устойчивого состояния способствует внешнее магнитное поле, создаваемое рабочим током I, протекающим по соленоиду 4, дополнительно сжигающее плазменный жгут.

Предложенное устройство испытано в следующих условиях: емкость конденсатора-накопителя энергии - C=48·10^-3 Ф; индуктивность разрядного контура - 1,035·10^-6 Гн; индуктивность соленоида - ≈ 0,6·10^-6 Гн; длина соленоида - 100 мм; внутренний диаметр соленоида - 42 мм; зарядное напряжение конденсатора - 1750 В; длина ствола ускорителя - 350 мм; калибр ствола - 17 мм; масса метаемого тела - 3,5 г;
материал метаемого тела - - полиэтилен.

Метаемое тело 5 при атмосферном давлении воздуха было ускорено до 1,7 км/с, приобретя кинетическую энергию 5,06 кДж. За время нахождения тела в стволе на его разгон было затрачено 49,5 кДж энергии. КПД преобразования энергии составило 10,22%.

Формула изобретения

Коаксиальный ускоритель, выполненный в виде цилиндрического электропроводящего ствола, внутри которого размещены метаемое тело и плавкая перемычка, электрически соединяющая начало ствола и центральный электрод, который присоединен к одной клемме цепи питания ускорителя, причем ствол коаксиально размещен внутри соленоида, отличающийся тем, что цепь питания второй клеммой присоединена к первому концу соленоида, удаленному от центрального электрода, второй конец соленоида электрически связан с началом ствола, а вершина центрального электрода, начало ствола и начало соленоида размещены в одной плоскости, перпендикулярной оси ствола.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2