Обостритель фронта импульса магнитного поля

 

Изобретение относится к технике сильных импульсных магнитных полей и может быть использовано для получения коротких импульсов магнитного поля. Технический результат - уменьшение фронта импульса магнитного поля, обострение фронта электрического импульса. Сущность изобретения: обостритель содержит импульсный электромагнит, нагрузку и экран, отделяющий электромагнит от нагрузки, выполненный из материала с проводимостью в исходном состоянии не менее 10 (Ом•см)^-1, уменьшающейся под действием импульсного магнитного поля не менее чем в 16 раз, и в виде набора стержней или пластин. 1 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 в электромагните [2] (Кудасов Ю. Б. , Обостритель фронта импульса магнитного поля, патент N 2121725 (RU), МПК⁶ H 01 F 7/06, опубл. БИ N 31(II), 1998) (прототип), содержащий импульсный электромагнит, экран, выполненный из твердого раствора замещения типа (V_1-XM_X)₂O₃, где M - атом II, III или IV - валентного металла легирующей примеси, X - концентрация примеси, и нагрузку, причем полость нагрузки отделена от полости электромагнита экраном. В полости электромагнита возбуждается импульсное магнитное поле. В слабом магнитном поле экран обладает высокой проводимостью, поэтому магнитное поле не проникает через него в полость нагрузки. При достижении полем критической величины в твердом растворе (V_1-XM_X)₂O₃ происходит фазовый переход металл-изолятор. В результате, магнитное поле из полости электромагнита быстро проникает в полость нагрузки. В [3] (Кудасов Ю.Б., Диффузия магнитного поля при фазовом переходе металл - изолятор, ЖТФ, Т.68 (1998), N 12, С. 43) показано, что в прототипе может быть достигнуто время размыкания магнитного поля порядка нескольких микросекунд. Прототип может быть использован для формирования мощных электрических импульсов.

Недостатком такого решения является то, что во многих случаях индукция магнитного поля и, следовательно, ток в различных точках на поверхности экрана со стороны полости электромагнита не одинаковы. Поэтому прогрев экрана индукционными токами оказывается неравномерным, а, как показано в работе [3] , именно прогревом определяется момент фазового перехода металл-изолятор. Таким образом, фазовый переход происходит в экране прототипа неравномерно, что ведет к увеличению фронта импульса магнитного поля в полости нагрузки, а неоднородность проводимости экрана способствует электрическому его пробою.

Решаемой технической задачей является создание обострителя импульса магнитного поля для преобразования импульса магнитного поля и передачи его в нагрузку. Ожидаемым техническим результатом является уменьшение длительности фронта импульса магнитного поля и повышение надежности устройства по отношению к электрическому пробою.

Сущностью предлагаемого решения является обостритель фронта импульса магнитного поля, содержащий импульсный электромагнит, нагрузку и экран, отделяющий электромагнит от нагрузки, и отличающийся тем, что экран выполнен из материала с проводимостью в исходном состоянии не менее 10 (Ом•см)^-1, и уменьшающейся под действием импульсного магнитного поля не менее чем в 16 раз, и в виде набора стержней или пластин. Составной экран позволяет контролировать растекание тока по экрану. Оптимальной является такая конструкция, при которой экран состоит из одинаковых элементов, расположенных в эквивалентных положениях, причем сечение элемента имеет одинаковую форму во всех эквипотенциальных поверхностях. В этом случае плотность тока в элементе экрана и, соответственно, скорость прогрева оказываются постоянной вдоль по силовой линии магнитного поля.

Проводимость в исходном состоянии определяется разумной толщиной экрана. Длительность импульса тока в мощных источниках тока, как правило, лежит в диапазоне 10^-7-10^-4 с [1] и [4] (Павловский А.И., Людаев Р.З., в сб.: "Вопросы современной экспериментальной и теоретической физики", под ред. Александрова А.П., Л.: Наука, 1984, С. 206). В исходном состоянии эффективная глубина проникновения магнитного поля (тока) должна быть менее толщины экрана. Отсюда получаем, что при разумной толщине стенки менее 3 см проводимость экрана в исходном состоянии должна быть в любом случае более 10 (Ом•см)^-1. Эффективная глубина r проникновения магнитного поля (и тока) в глубь материала определяется выражением где τ - характерная длительность нарастания импульса, σ - проводимость, μ - относительная магнитная проницаемость (при больших токах и, соответственно, магнитных полях ее можно положить равной 1). В исходном состоянии необходимо, чтобы глубина проникновения была значительно меньше, чем толщина стенки d, например r<d/2. В разомкнутом состоянии наоборот глубина проникновения должна быть значительно больше d, например r>2d. Отсюда получаем, что для того чтобы характерная длительность нарастания магнитного поля в нагрузке была меньше, чем длительность нарастания поля в электромагните, необходимо, чтобы проводимость в конечном состоянии уменьшилась не менее чем в 16 раз.

В полости электромагнита возбуждается импульсное магнитное поле. Поскольку экран имеет высокую проводимость, то магнитное поле не проникает через него в полость нагрузки. Протекающие по экрану токи приводят к его разогреву. Если конструкция экрана выбрана близко к оптимальной, то прогрев элемента происходит равномерно по всей длине элемента, а поскольку элементы имеют одинаковую форму и находятся в эквивалентных положениях, то температура различных элементов одинакова. Поэтому при достижении критической температуры в материале происходит фазовый переход, сопровождающийся уменьшением проводимости, одновременно по всей площади экрана, и магнитное поле быстро проникает в полость нагрузки. Быстро нарастающее магнитное поле в нагрузке может быть использовано для получения мощных импульсов тока.

Скорость нарастания магнитного поля в прототипе и в предлагаемом решении определяется (фазовой) скоростью движения границы металл-изолятор, которая зависит от плотности тока [3]. В прототипе плотность тока в экране неодинакова вдоль силовой линии электрического поля, поэтому переход металл-изолятор происходит неодновременно, что увеличивает длительность фронта импульса магнитного поля по сравнению с предлагаемым решением, в котором плотность тока одинакова вдоль силовой линии электрического поля. Неоднородность проводимости в прототипе в момент переключения снижает электрическую прочность размыкателя.

На чертеже изображен пример реализации заявляемого обострителя фронта импульса магнитного поля, где: 1 - электромагнит, 2 - нагрузка, 3 - экран.

Пример реализации устройства состоит из магнитокумулятивного генератора типа МК-2 [4]. Две его коаксиальные медные трубы (4) и (5) образуют электромагнит. Кроме того, пример заявляемого обострителя содержит заряд ВВ 6, расположенного во внутренней трубе 5, внешнего устройства инициирования ударной волны 7 и конденсаторной батареи 8. Экран состоит из четырех одинаковых элементов 3 (см. вид А), изготовленных из (V_0,995Cr_0,005)₂O₃, которые имеют одинаковые сечения (см. разрез Б-Б фигуры) во всех эквипотенциальных поверхностях (в данном случае эквипотенциальные поверхности - это коаксиальные цилиндры, один из которых схематически показан на виде А пунктиром). Проводимость экрана в исходном состоянии равна 10³ (Ом•см)^-1 [5] (Н.Ф.Мотт, Переходы металл-изолятор, М.: Наука, 1979). Внутренний диаметр внешней трубы (4) равен 120 мм, а внешний диаметр внутренней трубы (2) - 80 мм. Длина труб равна 230 мм. Толщина стенки обеих труб составляет 1 мм. Длина труб равна 200 мм. Экран (3) замыкает трубы (4) и (5) на одном из концов. Ширина каждой части экрана составляет a = 50 мм, а его толщина d = 20 мм. При данных условиях сопротивление экрана составит 5•10^-4 Ом. За экраном к торцам труб электрически подсоединена нагрузка (2), которая составляет примерно 5•10^-3 Ом. К другому концу труб через коммутатор электрически подсоединена конденсаторная батарея (8). С этого же конца к заряду ВВ (6) электрически подключена система инициирования ВВ (7).

Устройство работает следующим образом. После замыкания коммутатора конденсаторная батарея (8) создает в трубах (4) и (5) ток амплитудой 1,8 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 K (начальная температура 300 K) [3] . При данных условиях в экране происходит переход металл-изолятор. Время размыкания тока можно оценить по методике [3], оно оказывается порядка 1,5 мкс. Остаточное сопротивление экрана составит не менее 5•10^-2 Ом, при остаточной проводимости экрана, равной не менее 0,1 (Ом•см)^-1 [5] (соответствующая глубина скин-слоя - 100 мм), поэтому практически весь ток будет переключен в нагрузку.

Заметим, что в прототипе переход металл - изолятор произойдет сначала у внутренней трубы, где плотность тока больше, а затем будет распространяться к внешней трубе. В течение этого времени по экрану будет протекать значительный остаточный ток, т.е. размыкание будет неполным. Удельное выделение тепла в экране прототипа Q зависит от радиуса как Q∞J²∞1/r², где J - плотность тока и r - радиус. Отсюда видно, что при отношении диаметров внешней трубы к внутренней, равном 3:2 (как в заявляемом устройстве), волна фазового перехода будет двигаться от внутренней части экрана к внешней в течение времени, за которое ток увеличится на 50%. При параметрах, приведенных выше, оно составит около 2,5 мкс. Это - время затягивания фронта импульса.

Кроме того, в экране напряжение будет распределено неравномерно - в момент выключения практически все напряжение, приложенное к экрану, будет сосредоточено в узком слое у внутренней трубы, что создает предпосылки для пробоя экрана.

Таким образом, по сравнению с прототипом время полного размыкания в заявляемом устройстве сократится с 4 мкс до 1,5 мкс. При этом повысится надежность по отношению к электрическому пробою экрана.

Формула изобретения

Обостритель фронта импульса магнитного поля, содержащий импульсный электромагнит, нагрузку и экран, отделяющий электромагнит от нагрузки, отличающийся тем, что экран выполнен из материала с проводимостью в исходном состоянии не менее 10 (0м • см)^-1, уменьшающейся под действием импульсного магнитного поля не менее чем в 16 раз, и в виде набора стержней или пластин.

РИСУНКИ

Рисунок 1