Обостритель фронта импульса магнитного поля

 

Изобретение используется в технике сильных импульсных магнитных полей, в технике формирования мощных электрических импульсов. Сущность изобретения заключается в том, что полости импульсного электромагнита размещен экран, отделяющий полость электромагнита и полость нагрузки и изготовленный из твердого раствора замещения типа (V_1-xM_x)₂O₃, где X - концентрация примеси, M - атом II, III или IV-валентного металла легирующей примеси. Технический результат: уменьшение фронта импульса магнитного поля, обострение электрического импульса. 2 ил.

Изобретение относится к технике сильных импульсных магнитных полей, также может быть использовано для получения коротких импульсов магнитного поля.

Известен обостритель фронта импульса магнитного поля на основе плазменного размыкателя тока [1] (А. И.Павловский и др., в сб. "Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение". Под ред. В.М.Титова и Г.А. Швецова. М. : Наука, 1984, с.410). Это устройство состоит из тонкой алюминиевой пленки, заряда взрывчатого вещества (ВВ), импульсного электромагнита и нагрузки. Пленка установлена так, чтобы отделить полость электромагнита от полости нагрузки. К пленке прилегает заряд ВВ. Алюминиевая пленка электрически подключается к внешнему импульсному источнику тока. К заряду ВВ электрически подключена система инициирования ударной волны. Источник тока вырабатывает импульс тока в алюминиевой пленке. Под действием тока алюминиевая пленка испаряется и образует проводящий плазменный канал. Затем импульсный электромагнит возбуждает магнитное поле в полости. При этом плазменный канал экранирует полость нагрузки, т.е. магнитное поле в нее не проникает. Затем инициируется ударная волна в заряде ВВ. Она сжимает продуктами взрыва плазменный канал, что приводит к потере его проводимости, и магнитное поле из полости электромагнита быстро проникает в полость нагрузки.

При этом время нарастания магнитного поля достигает 0,3 мкс. Недостатками такого способа является необходимость использования дополнительных технических средств для работы с взрывчатыми веществами и создания плазменного канала.

Известен обостритель фронта импульса магнитного поля на основе фольгового размыкателя тока (прототип) [2] (А.А.Петрухин и др., в сб. "Сверхсильные магнитные поля. Физика. Техника. Применение". Под ред. В.М.Титова и Г.А. Шевцова. М.: Наука, 1984, с.384). Данное устройство состоит из тонкой металлической пленки, импульсного электромагнита и нагрузки. Пленка установлена так, чтобы отделить полость электромагнита от полости нагрузки. В полости электромагнита возбуждается импульсное магнитное поле. При этом фольга экранирует полость нагрузки, т.е. магнитное поле в нее не проникает. В магнитном поле происходит электрический взрыв экрана, в результате чего его проводимость резко уменьшается и магнитный поток быстро проникает в нагрузку. Длительность фронта импульса магнитного поля, достигнутая в [1], составляет 3 мкс. Прототип может быть использован для формирования мощных электрических импульсов.

Недостатком такого решения является большая длительность фронта импульса магнитного поля, которая ограничена временем разлета продуктов электрического взрыва экрана.

Технической задачей является уменьшение длительности фронта импульса магнитного поля, что позволит увеличить пиковую мощность в нагрузке. Ожидаемым техническим результатом является уменьшение длительности фронта импульса магнитного поля.

Сущностью предлагаемого решения является обостритель фронта импульса магнитного поля, который состоит из импульсного электромагнита, экрана и нагрузки. Экран располагается так, чтобы отделить полость электромагнита от полости нагрузки. Причем в отличие от известных обострителей экран изготовлен из твердого раствора замещения типа (V_1-XMX)₂O₃, где X - концентрация примеси, M - атом II, III или IV - валентного металла легирующей примеси. Состав раствора выбирается таким образом, чтобы в отсутствие магнитного поля он был в проводящем состоянии.

В полости электромагнита возбуждается импульсное магнитное поле. При достижении полем критической величины в твердом растворе (V_1-XM_X)₂O₃ происходит фазовый переход металл-изолятор, и магнитное поле быстро проникает в полость нагрузки. Быстро нарастающее магнитное поле в нагрузке может быть использовано для получения мощных импульсов тока.

В твердых растворах типа (V_1-XM_X)₂O₃ легирующая примесь II, III или IV - валентного металла позволяет плавно изменять свойства полуторной окиси ванадия. Под действием магнитного поля в этих растворах происходит скачкообразный фазовый переход металл-изолятор [3] (Кудасов Ю.Б., ФТТ (1996), т.38, вып.5, с.1335). Величина магнитного поля перехода зависит от состава твердого раствора и лежит в пределах от 0 Тл до нескольких сот Тл [3].

Скорость нарастания магнитного поля в нагрузке прототипа определяется временем разлета и поглощения продуктов электрического взрыва проводника. Скорость нарастания магнитного поля в предлагаемом решении определяется (фазовой) скоростью движения границы металл-изолятор, которая может превышать массовую скорость разлета продуктов взрыва, чем и достигается обострение фронта импульса магнитного поля.

Твердые растворы полутора окиси ванадия с легирующими примесями получают по стандартной керамической технологии [4] (Н.Ф.Мотт, Переходы металл-изолятор, М., Наука, 1979).

Два примера реализации устройства приведены на фигурах 1 и 2.

На фигуре 1 показан первый пример реализации устройства, 1 - конденсаторная батарея, 2 - соленоид-оболочка, 3 - экран, 4 - заряд ВВ. В полости магнитокумулятивного генератора МК-1 [5] (Павловский А.И. Людаев Р.3., в сб.: "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики", под ред. Александрова А. П. - Л.: Наука, 1984, с.206), состоящего из соленоида-оболочки (2) и кольцевого заряда взрывчатого вещества (ВВ) (4), установлен цилиндрический экран (3), изготовленный из керамического V₂O₃, внешним диаметром 19 мм, внутренним диаметром 8 мм длиной 60 мм и отделяющий внутреннюю полость (полость нагрузки) от полости между соленоидом-оболочкой и экраном (полость электромагнита). Соленоид-оболочка (2) электрически подключена через ключ к конденсаторной батарее (1). На внешней поверхности заряда ВВ установлена система инициации ударной волны.

Разрядом конденсаторной батареи (1) в соленоиде-оболочке (2) генератора МУ-1 возбуждается начальное магнитное поле с временем нарастания около 60 мкс и максимальным значением 16 Тл. Поскольку проводимость полутораокиси ванадия составляет около 10³ (Ом· см)^-1, то глубина скин-слоя в экране в начальном поле МК-1 составит примерно 20 мм, т.е. магнитное поле почти полностью продиффундирует внутрь экрана (3). Затем на внешней стороне заряда ВВ (4) инициируется цилиндрическая сходящаяся ударная волна так, чтобы она выходила на поверхность соленоида-оболочки в момент максимума начального поля. Затем начинается сжатие начального магнитного потока ударной волной и усиление магнитного поля в соленоиде-оболочке МК-1. Импульс магнитного поля при полях порядка 150 Тл имеет постоянную времени примерно 3 мкс (Поскольку форма импульса близка к экпозиненциальной, удобно определять как экспоненциальную постоянную). Это соответствует глубине скин-слоя примерно 4,5 мм. При этом экран эффективно экранирует внешнее магнитное поле (примерно в 3 раза).

Под действием давления магнитного поля керамика экрана разрушается на мелкие кристаллиты, тогда динамика экрана будет аналогична динамике жидкой оболочки. Существенно, что давление магнитного поля будет стабилизировать металлическую фазу полутораокиси ванадия [4]. Однако на поверхности оболочки давление будет стремиться к нулю. Поэтому при достижении магнитного поля перехода поверхностный слой перейдет в диэлектрическое состояние (проводимость уменьшится на 3 порядка) [4]. Теперь давление в следующем слое будет релаксировать к нулю, а затем и он перейдет в диэлектрическое состояние и т. д. Таким образом, внутрь экрана будет двигаться волна перехода со скоростью порядка скорости звука, поскольку скорость движения волны определяется релаксацией механических напряжений. Принимая скорость звука 4,5 км/с, получаем характерное время фронта магнитного поля внутри экрана около 1 мкс (отношение глубины скин-слоя к скорости движения волны).

На фигуре 2 показан второй пример реализации устройства, предназначенный для получения мощных импульсов тока, 1 - конденсаторная батарея, 2 - коаксиальные медные трубы, 3 - экран, 4 - заряд ВВ, 5 - система инициирования ударной волны, 6 - нагрузка. Устройство состоит из магнитокумулятивного генератора типа МК-2 [5] (две коаксиальные медные трубы (2), во внутренней трубе расположен заряд ВВ (4), экрана (3), изготовленного из твердого раствора состава (V_0,995Cr_0,005)₂O₃. Проводимость экрана в исходном состоянии равна 10³(Ом· см)^-1. Внутренний диаметр внешний трубы (2) равен 120 мм, а внешний диаметр внутренней трубы (2) - 80 мм. Длина труб равна 230 мм. Толщина стенки обоих труб составляет 1 мм. Длина труб равна 200 мм. Экран (3) замыкает трубы (2) на одном из концов. Толщина экрана составляет 20 мм. При данных условиях сопротивление экрана составит 3·10^-4 Ом. За экраном к торцам труб электрически подсоединена нагрузка (6), которая составляет примерно 3·10^-3 Ом. К другому концу труб через коммутатор электрически подсоединена конденсаторная батарея (1). С этого же конца к заряду ВВ (4) электрически подключена система инициирования ВВ (5).

После замыкания коммутатора конденсаторная батарея 91) создает в трубах (2) ток амплитудой 2 МА и временем нарастания 60 мкс. Поскольку сопротивление экрана много меньше сопротивления нагрузки, ток в основном будет протекать через экран. Магнитное поле между трубами составит около 8 Тл. Когда импульс тока достигает максимума, инициируется заряд ВВ, ударная волна замыкает трубы с захваченным тороидальным магнитным полем и начинает его сжимать. Скорость движения детонационной волны составляет 6 мм/с, тогда за время 25 мкс захваченное магнитное поле (и ток в экране) увеличится в 5 раз (без учета потерь магнитного потока). Экспоненциальная постоянная времени нарастания при этом составит примерно 15 мкс, и глубина скин-слоя в экране - около 10 мм, что значительно меньше толщины стенки (отсюда видно, что потерями потока действительно можно пренебречь). При этом экран разогреется примерно до 370 К (начальная температура 300 К). При данных условиях в экране происходит переход металл-изолятор [3]. Поскольку переход сопровождается сильным изменением объема [4], то волна фазового перехода будет распространяться со скоростью звука. Отсюда получаем время размыкания тока в размыкателе порядка 2 мкс (отношение глубины скин-слоя к скорости движения волны). Остаточное сопротивление экрана составит не менее 3·10^-2 Ом, при остаточной проводимости экрана, равной не менее 0,1(Ом · см) [4] (соответствующая глубина скин-слоя - 100 мм), поэтому практически весь ток будет переключен в нагрузку.

Формула изобретения

Обостритель фронта импульса магнитного поля в электромагните, содержащий импульсный электромагнит, проводящий экран и нагрузку, причем полость нагрузки отделена от полости электромагнита экраном, отличающийся тем, что экран выполнен из твердого раствора замещения типа (V_1-xM_x)₂O₃, где M - атом II, III, или IV - валентного металла легирующей примеси, X-концентрация примеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2