Способ получения бегущей магнитной волны и устройство для реализации способа

Изобретение относится к импульсной электротехнике, преимущественно к мощной импульсной энергетике и может быть использовано для создания коротких, субмикросекундной длительности высоковольтных электрических импульсов. Техническим результатом изобретения является обеспечение распространения постоянного магнитного поля вдоль выделенного направления с постоянным градиентом поля вдоль оси распространения, с повышенным значением амплитуды и скорости распространения бегущей магнитной волны. Согласно изобретению сверхпроводящий стержень намагничивается до поля величиной, лежащей в пределах термомагнитной неустойчивости сверхпроводящего состояния стержня для того, чтобы получить высокую скорость распространения бегущей магнитной волны амплитудой более 1 Тл. Коллинеарно направлению магнитного поля помещают стержень, находящийся в сверхпроводящем состоянии, создают магнитное поле величиной, ограниченной областью термомагнитной неустойчивости, а затем один из участков стержня переводят в нормальное состояние. Устройства для реализации способа содержит первичную обмотку, создающую магнитное поле и подключенную к источнику питания током. Внутри первичной обмотки вдоль направления магнитного поля располагают стержень, находящийся в сверхпроводящем состоянии. На одном из участков стержня размещена дополнительная обмотка, подключенная к источнику импульсного тока. При этом область термомагнитной неустойчивости характеризуется магнитным полем величиной В, нижнее значение B₁ которого определяется из выражения , где Т_с - критическая температура сверхпроводящего стержня, Т_b - температура кипения хладагента, С(Т)- теплоемкость материала сверхпроводящего стержня, а верхний предел В₂ которого достигается, когда перепад магнитного поля внутри и снаружи сверхпроводящего стержня становится меньше B₁. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, к разделу импульсной электротехники, преимущественно к разделу мощной импульсной энергетики. Изобретение может быть использовано для создания коротких, (субмикросекундной длительности) высоковольтных электрических импульсов, и применяться для получения импульсных магнитных полей, ионизации плазмы, накачки лазеров, для генерации серий коротких импульсов напряжения и тока, для питания радиоэлектронного оборудования, в том числе радиолокационных станций.

Известен способ формирования скачкообразно меняющегося магнитного поля [1]. В этом способе сверхпроводящую цилиндрическую трубу помещают в изменяющееся магнитное поле, при этом внутри трубы магнитное поле изменяется скачкообразно по всей длине трубы за счет срыва возникающих в ней экранирующих токов. Однако этот способ не позволяет получить бегущую магнитную волну.

Известен также способ получения бегущей магнитной волны [2], состоящий в том, что магнитное поле создают вдоль направления движения магнитной волны системой катушек, расположенных вдоль оси движения, на которые последовательно разряжают конденсаторные батареи, подключенные к этим катушкам с помощью замыкателей. Образующиеся при этом в каждой катушке импульсные магнитные поля направлены вдоль оси движения и имеют фронт, перемещающийся вдоль оси движения, т.е. создают бегущую магнитную волну.

Этот способ имеет следующий недостаток. Скорость движения фронта магнитной волны уменьшается в интервалах между катушками, что приводит к снижению эффективности использования энергии и снижению КПД устройства. Велики также массогабаритные показатели устройства, т.к. удельная запасаемая энергия конденсаторных батарей невелика (менее 10⁶ Дж/м³) [3] по сравнению с удельной энергией индуктивных накопителей (более 10⁷ Дж/м³ в поле 5 Тл).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует признать патент РФ [4], в котором способ получения бегущей магнитной волны (БМВ) включает создание магнитного поля вдоль направления ее движения, коллинеарно этому направлению помещают трубу, находящуюся в сверхпроводящем состоянии, магнитное поле создают постоянным вдоль трубы, а затем один из участков трубы переводят в резистивное состояние.

Недостатком этого изобретения является ограниченность амплитуды магнитного поля, которое может удерживаться трубой, имеющей толщину стенки "а", выполненной из сверхпроводника с плотностью критического тока "j_c", а также ограниченность времени проникновения магнитного поля внутрь трубы "τ″, это приводит к ограничению амплитуды магнитного поля БМВ и скорости ее движения. Оценим предельную мощность, которую можно «снять» при движении БМВ с помощью вторичной обмотки. При проникновении магнитного поля В* внутрь трубки диаметром D, сечением S со скоростью V вдоль его оси предельная мощность, развиваемая магнитной волной, равна

P=(B_* ²/(2μ₀)·V·S, где

μ₀=4π·10^-7Гн·м,

В_*=j·а·μ₀,

V - скорость бегущей магнитной волны (БМВ), V ˜ 1/a.

Для трубки из НТ-50 с толщиной стенки а=20-10^-6 м, j_с=10¹⁰ А/м², V=2·10³ м/с (наши экспериментальные данные) предельная мощность равна:

Р=(j²·a²·μ₀/2)·V·S≈5·10⁷·S Вт/м²

Для экрана из трубки диаметром D=0.11 м, S=10^-2 м предельная мощность Р=0.5·10⁶ Вт. При увеличении толщины стенки скорость уменьшается (V ˜ 1/a), уменьшается также плотность критического тока из-за сильной зависимости j_c от В.

Таким образом, основным недостатком прототипа является ограниченность удельной коммутируемой мощности из-за ограниченности амплитуды поля и скорости распространения бегущей магнитной волны.

Техническим результатом предложенного решения явилось устранение указанных недостатков, конкретно - повышение скорости движения магнитной волны и ее амплитуды, что приводит к повышению удельной коммутируемой мощности БМВ. Технический результат достигается путем усовершенствования известного [4] способа получения бегущей магнитной волны, включающего создание магнитного поля вдоль направления ее движения. Усовершенствование заключается в том, что коллинеарно направлению магнитного поля помещают стержень, находящийся в сверхпроводящем состоянии, создают магнитное поле величиной, ограниченной областью термомагнитной неустойчивости, а затем один из участков стержня переводят в нормальное состояние.

Настоящее изобретение основано на совершенно новых результатах, полученных авторами заявки, при исследовании термомагнитной неустойчивости сверхпроводящего состояния. Область термомагнитной неустойчивости располагается между границами абсолютной устойчивости [5], стр. 264, и характеризуется полем величиной В*, которое больше нижнего значения B_i области термомагнитной неустойчивости и меньше верхнего значения B₂ (B₁<В_*<В₂) см. фиг.1 из работы [5].

Величина B₁ - нижняя граница термомагнитной неустойчивости определяется из выражения

где

Т_с - критическая температура сверхпроводника,

Т_b - температура хладагента, для низкотемпературных сверхпроводников это температура кипения жидкого гелия (4,3 К), для высокотемпературных сверхпроводников эта температура кипения жидкого азота (77 К),

С(Т) - теплоемкость материала сверхпроводника.

Величина В₂ - верхний предел термомагнитной неустойчивости, достигается тогда, когда перепад магнитного поля внутри и снаружи проводника становится меньше B₁.

При намагничивании сверхпроводящего стержня в поле, параллельном его оси, величиной B<B₂, в поверхностном слое стержня образуются экранирующие токи, внутрь стержня поле проникает на ограниченную глубину. Понятно, что если перевести один из участков стержня в нормальное состояние, то поле проникнет в глубь сверхпроводника в этом месте. Нами обнаружено, что если поле намагничивания превышает величину поля B₁, поля абсолютной устойчивости сверхпроводящего состояния, то после локального возбуждения нормальной фазы, поле продолжает проникать внутрь стержня в соседних участках, т.е. внутри стержня распространяется магнитное поле в обе стороны со скоростью от 1,5 до 9 км/сек, сопровождающееся проникновением магнитного потока через поверхность стержня. Согласно общепринятой терминологии (Физический энциклопедический словарь, т.3) распространение фронта магнитного поля образует бегущую магнитною волну (БМВ). Оказалось, что скорость распространения БМВ вдоль стержня значительно больше, чем вдоль трубок, изготовленных из того же материала. Так для стержня из НТ-50 диаметром 0,25 мм скорость достигает V=3-4 км/сек в поле намагничивания В_*=0,5-0,6 Тл. Для стержня НЦ-1,5 скорость V=9 км/с в поле намагничивания В_*=0.8 Тл [6].

Таким образом, удельная мощность устройства, реализованного предложенным способом достигает значения Р=5·10⁸Вт/м² для НТ-50, и Р=3.6·10⁹ Вт/м² для НЦ-1,5, что на порядок больше, чем в прототипе. Скорость БМВ и ее амплитуда так же значительно выше, чем в прототипе.

Быстрое распространение магнитного поля внутрь стержня и связанное с ним быстрое изменение магнитного потока в окружающем пространстве может быть использовано в различных электротехнических устройствах. Минимальное время нарастания напряжения на концах вторичной обмотки, намотанной проводом диаметром d, на стержень, определяется скоростью распространения БМВ вдоль этого стержня τ₀=d/V. Параметры импульса тока в нагрузке определяются характером самой нагрузки.

Предложенный способ реализуют устройством, содержащим первичную обмотку, создающую магнитное поле и подключенную к источнику питания током. Усовершенствование устройства заключается в том, что внутри первичной обмотки вдоль направления магнитного поля располагают стержень, находящийся в сверхпроводящем состоянии, на одном из участков стержня размещена дополнительная обмотка, подключенная к источнику импульсного тока,

- стержень может быть выполнен из набора тонких сверхпроводящих стержней (проволочек), стержень может быть выполнен из поликристаллов MgB₂,

- стержень может быть выполнен из ВТСП керамики, и других сверхпроводящих материалов, имеющих область термомагнитной нестабильности,

- устройство содержит вторичную обмотку, размещенную на поверхности стержня и подключенную к нагрузке,

- вторичная обмотка может быть выполнена в виде последовательно соединенных секций с чередующимися направлениями намотки, вторичная обмотка может быть выполнена в виде нескольких катушек, расположенных вдоль стержня, каждая из которых подключена к нагрузке через разрядник,

- стержень может быть выполнен в виде кольца или спирали, первичная и вторичная обмотки намотаны на него и образуют систему вложенных торов или спиралей, первичная обмотка может быть выполнена из сверхпроводника.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.

На фиг.1а, 1б, 1в, 1г схематично изображено последовательное изменение магнитного поля внутри стержня при реализации способа.

На фиг.2 представлена типичная зависимость критического тока сверхпроводника от внешнего поля (j_k(B)) и границы области нестабильности сверхпроводящего состояния [5]. Здесь B₁ и В₂ - границы абсолютной устойчивости, область термодинамической неустойчивости находится между ними, (т.е. величина внешнего поля В_* должна быть в пределах B₁<B_*<B₂).

На фиг.3а представлена схема использования способа и устройства для его реализации для генерации одиночного импульса, на фиг.3б график напряжения на нагрузке от времени, получаемый с помощью этого устройства.

На фиг.4а представлена схема другого устройства для реализации способа - генератора пачки импульсов, на фиг.4б представлен график напряжения на нагрузке от времени, получаемый с помощью этого устройства.

На фиг.5 представлен график зависимости скорости БМВ от поля, полученный при реализации способа на проволочках из НТ-50 диаметром 0,16 мм и НЦ-1,5 диаметром 0,24 мм, подтверждающий наличие большой скорости БМВ во всем диапазоне термомагнитной неустойчивости B₁<В_*<В₂ [6].

Способ получения бегущей магнитной волны реализуется устройством, изображенном на фиг.3. Устройство включает сверхпроводящий стержень 1, первичную обмотку 7, подключенную к источнику постоянного тока 8, вторичную обмотку 9, подключенную к нагрузке 10, дополнительную обмотку 11, подключенную к источнику импульсного тока 12.

Первичная обмотка выполнена в виде соленоида с магнитной постоянной α_м=В/I, где I - ток в первичной обмотке, B - продольная составляющая поля внутри соленоида. Поле намагничивания В_* достигается при вводе тока величиной I_*=B_*/α_м.

Для возникновения магнитной волны достаточно иметь намагниченный сверхпроводящий стержень, помещенный в магнитное поле величиной В_* и механизм локального разрушения сверхпроводимости на участке длиной порядка диаметра стержня. Вторичная обмотка 9 введена для использования бегущей магнитной волны в устройствах различного назначения. Разрушение сверхпроводимости начального участке стержня может осуществляться импульсом магнитного поля или путем нагревания его индуцированным током или излучением.

На фиг.3б изображен график изменения напряжения на нагрузке от времени при прохождении фронта 6 бегущей магнитной волны под витками катушки. Нарастание напряжения характеризуется временем τ₀, длительность импульса пропорциональна длине вторичной обмотки, деленной на скорость распространения БМВ.

На фиг.4а изображена схема другого устройства для использования способа получения БМВ и устройства для ее реализации - для генерации пачки импульсов. Устройство включает сверхпроводящий стержень 1, первичную обмотку 7, подключенную к источнику постоянного тока 8, вторичную обмотку, подключенную к нагрузке 10, дополнительную обмотку 11, подключенную к источнику импульсного тока 12, отличающееся тем, что вторичная обмотка состоит из последовательно или параллельно подсоединенных к нагрузке 10 секций 13 с одинаковыми или чередующимися направлениями намотки для получения импульсов тока в нагрузке одной или разной полярности. В случае параллельного подключения секций к нагрузке, каждая из них подключается через свой разрядник 14.

На фиг.4б изображен график изменения напряжения на нагрузке от времени при прохождении фронта 6 бегущей магнитной волны под витками каждой из катушек 13. Нарастание напряжения характеризуется временем τ₀, длительность каждого сигнала пропорциональна длине соответствующей катушки, деленной на скорость распространения БМВ, интервал между сигналами пропорционален расстоянию между катушками, деленному на скорость БМВ.

Способ получения бегущей магнитной волны реализуют следующим образом (см. фиг.1). Увеличивают магнитное поле 2, направленное вдоль стержня 1 диаметром 2·r₁ до величины В_* (ограниченной пределами термомагнитной неучтойчивости (B₁ и В₂), см. фиг.2), при этом в поверхностном слое стержня возникают сверхпроводящие незатухающие токи 3, экранирующие проникновение поля 2 внутрь стержня, переводят область 4 в нормальное состояние путем превышения одного из критических параметров сверхпроводящего стержня (В, J_c или Т_c). Магнитное поле проникает внутрь стержня в области 4, при этом токи 3 в этой области затухают, индуцируя токи в соседних областях 5, которые переводят участки 5 в нормальное состояние, туда проникает магнитное поле, индуцируя дополнительные токи в соседних с областью 5 областях и далее по стержню.

На фиг.1б представлено начальное распределение поля В_* по сечению стержня 4, из которой видно, что оно убывает внутрь, экранируется сверхпроводящими токами в слое толщиной "а". На фиг.1в представлено распределение поля по сечению стержня после перевода области 4 в нормальное состояние при прохождении фронта магнитного поля, распределение поля становится равномерным по сечению. Таким образом, внутри стержня, вдоль его оси движется фронт магнитного поля 6, со скоростью V (см. фиг.1г).

Устройство для реализации способа получения БМВ, изображенное на фиг.3, работает следующим образом.

Стержень 1 охлаждают ниже температуры сверхпроводящего перехода, в первичную обмотку 7 вводят постоянный ток (I_*=В_*/α_m) от источника питания 8, тем самым создают постоянное магнитное поле 2 величиной В_*, направленное вдоль сверхпроводящего стержня, (внутри стержня магнитное поле отсутствует), затем один из участков 4 стержня 1 переводят в резистивное состояние путем подачи импульса тока в дополнительную обмотку 11 от источника импульсного тока 12. Магнитное поле проникает внутрь стержня с участка 4, перешедшего в резистивное состояние, распространяется внутри стержня со скоростью V от 1,5 до 9 км/сек и сопровождается проникновением магнитного потока через поверхность стержня и через витки вторичной обмотки. Быстрое изменение магнитного потока в витках вторичной обмотке индуцирует на ее концах напряжение

U=dФ/dt=B*S₂*V/b, где

dФ/dt - скорость изменения магнитного потока в сечении вторичной обмотки, при прохождении БМВ под витками обмотки,

S₂ - сечение вторичной обмотки,

b - расстояние между витками вторичной обмотки.

При этом скорость движения фронта магнитного поля остается постоянной за счет непрерывного распространения резистивного состояния вдоль стержня, т.е. обеспечивается постоянный градиент магнитного поля вдоль оси стержня.

На фиг.3б изображен график изменения напряжения на нагрузке от времени, Минимальное время нарастания напряжения τ₀=d/V=10^-8 с при диаметре провода вторичной обмотки d=10^-4 м. Величина напряжения U ˜ B*·SV/d ˜ 2.5 вольт при диаметре провода 0,24 мм из сплава НЦ-1,5.

На фиг.4а представлена схема другого устройства, для реализации способа получения БМВ и использования его в качестве генератора серии высоковольтных импульсов. Вторичная обмотка выполнена из нескольких секций с длиной намотки l_i, размещенных на расстоянии L_i друг от друга.

Устройство работает так же, как и описанное выше, однако на концах вторичной обмотки возникает серия коротких импульсов напряжения (фиг.4б). Фронт каждого импульса определяется временем прохождения БМВ расстояния, равного диаметру провода вторичной обмотки. Длительность импульса определяется отношением длины катушки к скорости БМВ, интервал между импульсами определяется отношением расстояния между катушками к скорости БМВ. Разряд каждого импульса на нагрузку происходит по очереди, по мере прохождения БМВ под витками каждой из катушек. В отличие от [4] время нарастания тока в нагрузке будет гораздо быстрее, так как оно не ограничиваемся индуктивностью всей системы последовательно включенных катушек.

Постоянство амплитуды каждого пика напряжения демонстрирует постоянство градиента магнитного поля бегущей магнитной волны.

Описание других зависимых пунктов.

- При выполнении стержня из набора тонких проволок можно увеличить сечение стержня с сохранением скорости БМВ, присущей одиночной проволоки, которая, как показано, достигает 9 км/с. При изготовлении стержня в виде пакета из 20 проволочек из сплава НТ-50, диаметром 0,16 мм напряжение на выходе вторичной обмотки составило 40 вольт, что подтверждает увеличение мощности устройства.

- При изготовлении стержня из MgB₂ возможно получение БМВ при большем перепаде магнитного поля и/или более высоких температурах. Скачок магнитного поля внутрь сверхпроводника развивается за время порядка 20 нс, что позволяет надеяться на получение достаточно высоких скоростей БМВ.

- При изготовлении стержней их ВТСП материалов, таких как иттриевая или висмутовая керамика, возможно получение БМВ при температурах, значительно более высоких, чем температура жидкого гелия.

- При изготовлении вторичной обмотки в виде отдельных секций, соединенных последовательно и параллельно нагрузке можно получить требуемую скважность, длительность и амплитуду импульсов тока в нагрузке. При изготовлении секций с чередующимся направлением намотки можно получить последовательность чередующихся по знаку импульсов.

- При изготовлении вторичной обмотки в виде нескольких катушек, расположенных вдоль стержня, каждая из которых подключена к нагрузке через разрядник, возможно получить серию импульсов тока с минимальным фронтом нарастания, из-за того, что индуктивность одной катушки меньше, чем индуктивность всей цепи, в отличие от предыдущего варианта.

- При выполнении стержня в виде в виде кольца или спирали, первичная и вторичная обмотки намотаны на него и образуют систему вложенных торов или спиралей. В этом варианте отсутствуют рассеянные магнитные поля, создаваемые первичной обмоткой, что позволяет увеличить мощность устройства и исключить влияние рассеянных полей на людей и приборы. При выполнении первичной обмотки из сверхпроводника, процесс накопления и хранения энергии особенно эффективен, т.к. заряд индуктивности может осуществляться от маломощного источника постоянного тока, а потери электрической энергии при ее хранении в сверхпроводящей обмотке малы.

Источники информации

1. Патент США №3156850, кл. 361-141, 1964.

2. Winterberg F. Plasma Physics (Journal of Nuclear Energy Part C) 1966, v.8, p.541-553.

3. Г.Кнопфель. Сверхсильные импульсные магнитные поля. «Мир». Москва. 1972. Пер. с англ. Heinz Knoepfel. Pulsed High Magnetic Fields. North-Holland Publushing Company. Amsterdam. London. 1970.

4. Патент RU №2001119302 / 06, Бюлл. изобр №7, 2003 г. Вяткин B.C. и др, Н 05 Н 7/04, 9/02.

5. В.А.Альтов. Стабилизация сверхпроводящих магнитных систем. «Энергия». Москва. 1975.

6. V.Chabanenko. J. of Low Temp. Phys, Vol. 130, Nos. 3/4, 2003, p. 175-191.

1. Способ получения бегущей магнитной волны, включающий создание магнитного поля вдоль направления его движения, коллинеарно направлению магнитного поля помещают проводник из сверхпроводящего материала, находящийся в сверхпроводящем состоянии, отличающийся тем, что применяют проводник из сверхпроводящего материала в виде стержня, а магнитное поле создают величиной, ограниченной областью термомагнитной неустойчивости, нижнее значение B₁ которой определяется из выражения

где Т_с - критическая температура стержня из сверхпроводящего материала;

Т_b - температура кипения хладагента;

С(Т)- теплоемкость материала сверхпроводящего стержня,

а верхний предел В₂ которой достигается, когда перепад магнитного поля внутри и снаружи стержня из сверхпроводящего материала становится меньше B₁, а затем один из участков стержня из сверхпроводящего материала переводят в нормальное состояние.

2. Устройство для получения бегущей магнитной волны, содержащее первичную обмотку для создания магнитного поля, подключенную к источнику питания током, внутри первичной обмотки вдоль направления магнитного поля расположен проводник из сверхпроводящего материала, на одном из участков которого размещена дополнительная обмотка, подключенная к источнику импульсного тока, отличающееся тем, что проводник из сверхпроводящего материала выполнен в виде стержня, при этом величина магнитного поля ограничена областью термомагнитной неустойчивости, нижнее значение B₁ величины магнитного поля определяется из выражения

где Т_c - критическая температура стержня из сверхпроводящего материала;

Т_b - температура кипения хладагента;

С(Т)- теплоемкость сверхпроводящего материала стержня,

а ее верхний предел В₂ достигается, когда перепад магнитного поля внутри и снаружи стержня из сверхпроводящего материала становится меньше B₁.

3. Устройство для получения бегущей магнитной волны по п.2, отличающееся тем, что стержень из сверхпроводящего материала выполнен из набора стержней.

4. Устройство для получения бегущей магнитной волны по п.2, отличающееся тем, что стержень из сверхпроводящего материала выполнен из поликристаллов MgB₂.

5. Устройство для получения бегущей магнитной волны по п.2, отличающееся тем, что стержень из сверхпроводящего материала выполнен из высокотемпературной сверхпроводящей керамики.

6. Устройство для получения бегущей магнитной волны по любому из пп.2-5, отличающееся тем, что оно снабжено вторичной обмоткой, размещенной на стержне из сверхпроводящего материала и подключенной к нагрузке.

7. Устройство для получения бегущей магнитной волны по п.6, отличающееся тем, что вторичная обмотка выполнена в виде последовательно соединенных секций с чередующимся направлением намотки.